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Preparación de Artículos revista VISIÓN ELECTRÓNICA: algo más que un estado sólido
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LABERINTO A BASE DE SENSOR IMU
SENSOR BASED LABYRINTH IMU
Fredy Antonio Martínez Sánchez
Resumen: Se realizó la implementación de un sensor IMU (unidad de medición inercial)
en el diseño de un dispositivo portátil para ofrecer una herramienta de rehabilitación de
personas que padecen del síndrome del túnel carpiano. Para la adquisición de datos se
usó el sensor MPU6050 que permite medir velocidad y posición de la articulación
metacarpiana, los datos adquiridos se envían a un controlador el cual se encarga de
analizarlos y enviarlos a una plataforma donde se reproduce el movimiento.
Este proyecto se fundamenta en el uso de un sensor inercial conocido también
como acelerómetros y giroscopios, que junto con el Filtro de complementario
proporcionarán una medida de la actitud tanto en el ángulo de cabeceo (pitch o
eje y) como en el ángulo de alabeo (rollo o eje x). Además para el procesamiento del
algoritmo del Filtro complementario se ha utilizado un microcontrolador Arduino UNO
basado en el ATmega 328 que también se encarga de generar señales cuadradas
para el manejo de 2 servomotores cuya función es el de emular los movimientos
realizados por la articulación de la cámara proximal de la muñeca o radio carpiana
tecnólogo en electrónica, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Colombia. [email protected], [email protected].
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Palabras clave: sensor IMU, programación, túnel carpiano, filtro complementario,
servomotores.
Abstract: implementing a sensor IMU (inertial measurement unit) in the design of a
portable device to provide a tool rehabilitation of people suffering from carpal tunnel
syndrome was conducted. For data acquisition the MPU6050 sensor to measure speed
and position of the metacarpal joint is used, the acquired data to a controller which is
responsible for analyzing and send them to a platform where reproduces the movement
are sent.
This project is based on the use of an inertial sensor also known as accelerometers and
gyroscopes, which together with the filter Supplementary provide a measure of attitude in
both the pitch angle (pitch or y axis) and bank angle ( roll or x-axis). In addition to
processing algorithm complementary filter has been used an Arduino UNO
microcontroller based ATmega 328 also is responsible for generating square signals for
handling two servomotors whose function is to emulate the motions made by the joint
chamber proximal wrist or radiocarpal
Key Words: IMU sensor, programming, carpal tunnel, complementary filter, servomotors.
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1. Introducción
En la actualidad, La incidencia del síndrome del túnel del carpo se sitúa
entre el 0,1 % hasta superar el 10 %, y el coste médico directo excede, en
Estados Unidos, de un billón de dólares por año, y con 200.000
intervenciones quirúrgicas anuales. Así mismo, 30.000 trabajadores
afectados por este síndrome precisan anualmente cirugía, añadiendo una
media de 25 días de baja laboral por este motivo. En un estudio efectuado
en Suiza para determinar la prevalencia del síndrome del túnel del carpo,
Atroshi et al seleccionaron 3.000 personas, con edades entre 25 y 74 años,
de una población con 170.000 habitantes. De los 2.466 sujetos que
respondieron a un cuestionario enviado por los investigadores, 2.112 no
presentaban síntomas, y los 354 restantes manifestaron presencia de dolor
y adormecimiento en la distribución del nervio mediano (prevalencia del
14,4 %). Un examen físico realizado posteriormente con los sujetos
sintomáticos confirmó el diagnóstico en 94 casos (prevalencia del 3,8 %), lo
que indica que con uno de cada cinco sujetos con síntomas relativos al
síndrome del túnel del carpo, el diagnóstico se confirma. [1]
Estudios estadísticos que se han realizado por diferentes entes
especializados en la salud que han evidenciado en la población general
un incremento en el padecimiento de este síndrome, “Cerca del 5% de
la población mayor de 25 años, en el mundo, presenta esta enfermedad”,
especialmente por causa de sus actividades laborales al no preparar
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adecuadamente el musculo para movimientos repetitivos en el área
del antebrazo y la mano, por lo cual existe una preocupación creciente
por parte de las aseguradoras, las empresas, EPS y similares, pues
implica reducciones en el rendimiento del personal y costos un poco
elevados de tratamientos que en ocasiones no tienen gran eficiencia, los
costes ocasionados por esta patología son de diversa naturaleza, desde
los derivados de la atención sanitaria, intervención quirúrgica y
rehabilitación, (estimados en Estados Unidos en 1 billón de dólares
americanos al año) [1] a los producidos por la pérdida de
productividad del trabajador afectado, las compensaciones económicas de
las empresas y los días de baja laboral, que se calculan en 30 días por
proceso . Lo cual indica una pérdida considerable de recursos (mano de
obra y dinero).
Aunque la enfermedad ha sido ampliamente documentada en artículos
médicos y páginas de internet, no han sido desarrollados suficientes
elementos que permitan la prevención y el tratamiento del síndrome, ya
que la prevención consiste en descansos periódicos y evitar posturas
forzadas de flexión y extensión de la muñeca de manera repetitiva. Y
el tratamiento se realiza con el uso de férulas inmovilizadoras e
inyecciones de cortisona o anti inflamatorios, lo cual ataca los
síntomas pero no necesariamente la causa. Las principales causas del
Síndrome del Túnel Carpiano (STC) de origen laboral son el uso de
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herramientas inadecuadas, técnicas de trabajo deficientes y tareas
manuales repetitivas con utilización de fuerza. Además que los
métodos actuales no son integrales para el tratamiento y prevención
de la patología, de esta manera se plantea un dispositivo
electrónico , que integre terapia física u ocupacional que ha demostrado
ser más eficiente en el tratamiento del Síndrome del Túnel Carpiano (STC),
cumpliendo con características físicas y económicas de tal manera que
permitan al dispositivo ser de mediano costo, de fácil manejo y
transporte y que la terapia aplicada sea un método no invasivo. [2]
Se realiza este proyecto con el fin desarrollar un sistema básico y
didáctico, que sirve para que los pacientes que sufren del síndrome del
túnel del Carpio puede realizar las terapias de rehabilitación de una forma
divertida y poco monótona. El dispositivo detecta la velocidad y la
orientación en los ejes cartesianos. Las entidades prestadoras de la salud
en Colombia no promueven instrumentos o dispositivos para la
rehabilitación de los pacientes (que padecen del síndrome del túnel
carpiano) que sean innovadores, versátiles y que lo estimulen para que
este no vea su proceso de rehabilitación como una terapia monótona y
poco efectiva, llegando así al resultado de que el paciente abandone el
tratamiento. También se realiza para apoyar los futuros proyectos de la
facultad tecnológica y los distintos grupos de investigación y semilleros.
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2. Diagrama de bloques del proyecto
Se plantea de una forma esquemática y secuencial la implementación y desarrollo del dispositivo para la rehabilitación de síndrome del túnel carpiano
2.1
Figura 1. Diagrama de bloques. Fuente: el autor.
test de comunicacion y del sensor
(placa Arduino UNO y sensor MPU6050)
adquisicion de datos
(protocolo I2C)
Procesamiento de datos
(placa Arduino UNO)
Control
(placa Arduino UNO plataforma del sensor MPU6050)
Actuadores
(2 servo motores MG995)
visualizacion
(plataforma o laberinto movil)
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2.1.1 Test de Comunicación y del Sensor
En esta etapa procedemos a verificar la comunicación del Arduino uno y
del sensor IMU MPU6050 como también la interrupción externa para que
empiece él envió de datos del sensor a la placa arduino.
2.1.2 Adquisición de Datos
Por medio del protocolo de comunicación I2C se adquieren del sensor IMU
(unidad de medición inercial) MPU6050 los datos del acelerómetro y el
giroscopio que son necesarios para determinar la velocidad y orientación
del laberinto.
2.1.3 Procesamiento de Datos
En la tarjeta Arduino UNO se realiza la lectura de los registros en los que
se almacenan los datos obtenidos, luego por medio de un programa se
interpretan los datos recibidos. Posteriormente se realizan los cálculos
matemáticos para obtener la posición y los valores para los servo motores
2.4 Actuadores
Dos servomotores MG995 reciben los datos obtenidos y procesados en la
tarjeta Arduino UNO para indicarles en qué posición deben moverse.
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2.1.5 control
Por medio de la placa Arduino UNO y el sensor IMU MPU6050 se realiza
el control del rango del radio de giro y los movimientos de los servo
motores dentro del laberinto móvil.
2.1.6 Visualización
Por último los movimientos de la plataforma del sensor IMU MPU6050 son
reproducidos o visualizados por los servos motores en el laberinto.
3. Selección de los elementos
3.1 Sensor IMU
La solución que se dispuso para el sensor fue el uso de un IMU de 6
grados de libertad, como posibilidades el MPU6050 y el
ITG3200/ADXL345, ambos comunicados por el protocolo de
comunicaciones digitales I2C (Inter-Integrated Circuit) y de precios
similares. Finalmente se adoptó el MPU6050 que fue elegido por su
capacidad de ser ampliado a 9 grados de libertad y por incluir un
procesador DMP propio que pudiera descargar de trabajo al procesador
principal en caso de ser necesario. [2]
Para tomar la posición del “laberinto IMU” se usa el sensor inercial MPU-
6050 de InvenSense. El principal motivo de la elección de este sensor es
que; en un solo chip se
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Integra un giroscopio y un acelerómetro que presenta una sobresaliente
linealidad, reduciendo de esta manera significativamente el error de
desalineación que se presenta cuando se fusionan los sensores dentro de
una IMU.
La IMU de 6 grados de libertad vista anteriormente posee un acelerómetro
ADXL345 y un giroscopio ITG-3200 por separado en un mismo tablero, en
cambio la MPU-6050 es una unidad compacta para el procesamiento de
movimiento elaborado con tecnología MotionProcessing30 de Ivensense.
Combina la aceleración con el movimiento de rotación y posee 6 grados de
libertad. Está compuesto por un giroscopio de tres ejes, un acelerómetro de
tres ejes y un Procesador de Movimiento Digital (DMP).
El DMP es un sistema basado en un microprocesador que posee un
conjunto de instrucciones para el proceso de aplicaciones en tiempo real
que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad, es utilizado
para la salida de los ángulos de Euler y cuaterniones. [3]
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Tabla. 1 Principales características y aplicaciones de los acelerómetros considerando el margen de medida g. [4]
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Figura 2. Sensor IMU MPU6050
3.2 Arduino UNO
Arduino es una placa con un microcontrolador Atmel e incluye toda la circuitería de soporte necesaria (reguladores de tensión, resistencias de pull-up, etc.) Además incluye un puerto USB que permite programar el microcontrolador desde cualquier PC de manera cómoda y sencilla, además de poder monitorizar datos provenientes de la placa [14].
La placa escogida para la realización del trabajo fin de grado se trata de Arduino UNO, una de las placas incluidas en la gama que oferta Arduino. Se trata de una de las placas con unas características muy buenas para el precio de la misma. Dispone de un microcontrolador lo suficientemente potente para el desarrollo del trabajo y además cuenta con unos pines que se adaptan a la perfección para el uso que se les dará. En concreto se trata de los pines que permiten la comunicación I2C además de los pines digitales que permitirán controlar los motores.
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Figura 3. Arduino UNO
5. Actuador (servo motores)
Es un motor de corriente continua que destaca por la capacidad de orientarse y
mantener estable una posición o ángulo, siempre dentro de los límites de su
movimiento. Además de la posición, también puede ser controlada su
velocidad. Formados por un motor, una reductora y un circuito de control,
presentan la gran desventaja de tener una potencia de trabajo reducida.
Para la selección de los servomotores se tuvieron en cuenta varias opciones,
después de descartar algunas opciones por costo, torque y elaboración solo
quedaron dos opciones: SG90 Y MG995, se realizaron varias pruebas al servo
motor SG90 como se puede apreciar en la Figura 3. Para verificar y comprobar
cuanto peso podía soportar.
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Figura 2. SG90. Fuente: elaboración propia del autor.
Se logró concluir que el servomotor SG90 logra soporta un peso de 1kg pero se
descubrió que sus engranajes construidos en platico sufría un alto estrés
mecánico a cortando de forma exponencial su vida útil y rendimiento por estas
razones se decide optar por un servo motor de mayor torque y que sus
engranajes fueran construidos en metal para soportar el peso y la alta carga de
trabajo que demanda el proyecto, el servo motor MG 995 cumple con los
requerimientos debido a sus especificaciones técnicas:
Product Model: MG995
Product Size: 40.7 * 19.7 * 42.9mm
Product weight: 55g
Operating torque: 15KG/cm
Reaction speed: 53-62R / M
Operating Temperature:-30 ~ +60 °
Dead band settings: 4 microseconds
Plug Type: JR, FUTABA General
Rotation angle: A maximum of 180 degrees
Servo: Servo
Operating current: 100mA
Using the voltage: 3-7.2V
Materials of Construction: Copper metal teeth, coreless motor, double ball bearing
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No load operating speed: 0.17 seconds / 60 degrees (4.8V); 0.13
seconds / 60 degrees (6.0V)
Figura 4. MG995 [6]
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6. Diseño del Software
NO
Inicio
Inicializa la
comunicación I2C
Toma de datos del sensor IMU
Prueba I2C y
el sensor IMU
N
O
SI
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Figura 5. Diagrama de flujo del Sistema. Fuente: elaboración propia del autor.
6.1 Software
Al inicio del programa se incluyen las librerías #include "I2Cdev.h": librería creada para lectura y escritura por medio de I2C, #include "MPU6050_6Axis_MotionApps20.h": librería creada para la obtención de datos y estado del DMP MPU6050. Se especifica si los pines A0 y A1 estarán en HIGH (circuito abierto) o LOW (circuito cerrado). En este proyecto el pin A0 está en LOW MPU6050_6Axis_MotionApps20.h La librería MPU6050_6Axis_MotionApps20.h realiza la combinación de la medición del acelerómetro y el giroscopio y la escritura de la configuración del DMP en los bancos de memoria La habilitación del giroscopio a +/-2 000 grados por segundo, los umbrales de detección de movimiento, el tamaño del buffer igual a 42 byte, el tiempo de duración de detección de movimiento igual a 80, la lectura del contador FIFO y del procesamiento de paquetes de la FIFO.ms. Obtención de datos de aceleración en los tres ejes, desajustes en ejes de giroscopio, cuaterniones, que se guardan en el puntero q, datos de giroscopio, aceleraciones lineales, ángulos de Euler, ángulos yaw, pitch y roll, tamaño del paquete de la FIFO.
Realizar los cálculos matemáticos
para la conversión a grados
Envió de datos para el
posicionamiento de los servos motores
FIN
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En la figura 6. Se declaran las variables que van a determinar el control y los estados del sensor IMU, se define el tamaño del paquete de el DPM y se cuentan todos los bytes que se encuentran en el FIFO. Variables enteras sin signo de 8 bits y 16 bits de longitud.
Figura 6.
Se colocan las variables de orientación y aceleración, como el contenedor de cuaterniones, el sensor de medidas del acelerómetro normal y sin gravedad, el vector gravedad, el sensor de medida de coordenadas ráfaga del acelerómetro, el contenedor de ángulos Euler y los ángulos yaw, pitch y roll.
Figura 7.
mpu.initialize (): Define el reloj, sensibilidad de giroscopio (250º/s), escala de acelerómetro (+/-2g) y deshabilita la función de dormir modificando el registro uno de manejo de energía del mpu6050. mpu.testConnection (): Lee el registro 0x75 bit 6 al 1 que corresponde a la dirección i2c del MPU6050. mpu.dmpInitialize (): Esta retorna un valor igual a cero si la carga de datos y configuración desde y hacia los registros del DMP y FIFO se realiza con éxito.
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Figura 8.
En la figura 8. Se configuran los “offset” de cada uno de los ejes de aceleración y de los ángulos de rotación, en la cual declaramos los rangos en la cual nos otorgara la lectura el sensor utilizando el DMP (procesador de movimiento digital).
Figura 9.
En la Figura 8 se realiza la obtención de los ángulos yaw, pitch y roll, aceleraciones, se imprimen los valores por el monito serial y se indica los valores de rotación de los servomotores. En la Figura 9. Se visualiza los resultados de las mediciones del sensor IMU MPU6050
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Figura 9.
Figura 9.
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7.1 CONEXIONES 7.1.2 Conexión placa Arduino UNO y sensor IMU MPU6050 En la figura 9 se puede apreciar las conexiones
MPU Vcc -> Arduino 3.3v (o 3v3 en algunos modelos) MPU Gnd -> Arduino Gnd MPU SCL -> Arduino A5 MPU SDA -> Arduino A4 MPU INT -> Arduino A2
Figura 10.
7.1.3 Conexión Arduino UNO y servomotores MG995
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El cable rojo de los servos va a 5V, el negro/marrón a GND y el amarillo del
servo 1 va al pin D9, el cable amarillo el servo 2 va al pin D10 de la placa
Arduino uno como se muestra en la Figura 11.
Figura 11.
8. RESULTADOS
8.1 Pruebas y mediciones del sensor IMU MPU6050
Se realizó varias pruebas al sensor IMU MPU6050 de las mediciones del
acelerómetro y el giroscopio por separado y luego integrando las dos
mediciones por medio del programa de la placa Arduino UNO, para comparar y
determinar cada uno de los resultados de las mediciones y así poder decir cuál
de ellos tiene mayor precisión, estabilidad, sensibilidad y comportamiento lineal
para enviárselos a los servomotores y estos pueda reproducir lo movimiento del
paciente de una forma confiable.
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Figura 12.Medicion del acelerómetro solo en el eje x
En la figura 12 se ve la gráfica de las mediciones realizadas al acelerómetro del
sensor MPU6050 en posición horizontal y estática.
Figura 17.Mediciones puras del acelerómetro y giroscopio
-1600
-1500
-1400
-1300
-1200
-1100
-1000
-900
-800
0 50 100 150 200
acelerometro eje x
ax
-5000
-4000
-3000
-2000
-1000
0
1000
2000
0 50 100 150 200
ax
AY
AZ
GX
GY
GZ
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Figura 18.Medicion inclinación eje x
Se han tomado la medicines de la inclinación con respecto al eje X y al eje Y a
partir de solamente el acelerómetro como se muestra en la figura 18 y figura
19, para calcular los ángulos de inclinación en un espacio 3D tanto en X como
en Y usamos las siguientes formulas:
0
1
2
3
4
5
6
0 50 100 150 200
ACELEROMETRO INCLINACION X
ACELEROMETROINCLINACION X
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Figura 19.Medicion inclinación eje x
Se han tomado la medicines de la rotación con respecto al eje X y al eje Y a
partir de solamente del giroscopio como se muestra en la figura 20 y figura 21,
el giroscopio nos entrega la velocidad angular, y para calcular el ángulo actual
necesitamos integrar la velocidad y conocer el ángulo inicial. Esto lo hacemos
usando la siguiente formula:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 50 100 150 200
INCLINACION EJE Y
INCLINACION EJE Y
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Figura 20.Medicion rotación eje x
Figura 21.Medicion rotación eje y
0
10
20
30
40
50
60
70
0 50 100 150 200 250
rotacion eje x
rotacion eje x
-1,5
3,5
8,5
13,5
18,5
0 50 100 150 200
rotacion eje y
rotacion eje y
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como se puede apreciar en las gráficas de las figuras 18,figura 19,figura 20 y
figura 21 al tomar la mediciones del sensor con el acelerómetro y el giroscopio
por separado podemos logramos ver que la medidas que tomo el acelerómetro
de cada uno de los ejes no dan en forma linealmente por el contrario son de
tipo polinízales y refleja que varían mucho sus medidas y precisión en cambio
las medidas obtenidas a partir del giroscopio da como resultado que en el eje
X y en el eje Y una gráfica con un alto grado de linealidad y mayor precisión en
las medidas obtenidas
Figura 22.Medicion yaw
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 50 100 150 200 250
yaw
yaw
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Figura 23.Medicion pitch
Figura 24.Medicion ROLL
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 50 100 150 200
PITCH
PITCH
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250
ROLL
ROLL
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Se realizaron las pruebas del sensor IMU MPU6050 a partir del código que
integra las medidas obtenidas del acelerómetro y las medidas obtenidas por el
giroscopio de forma individual dando como resulta tres tipos de medidas que
son llamados yaw(guiñada) , pitch(cabeceo) y ROLL(alabeo). En las figuras
22, figura 23 y la figura 24 se han graficado los resultados, realizando una
comparación con las gráficas obtenidas por el acelerómetro y giroscopio por
separado con respecto a las gráficas de la integración de estos dos podemos
concluir que los resultados con mayor precisión, estabilidad y prácticamente un
comportamiento lineal que es lo deseado para este tipo de proyectos, es el de
la integración del giroscopio y el acelerómetro.
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Elaboración del dispositivo móvil:
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Para probar la efectividad del dispositivo móvil del túnel carpiano se realizó pruebas, se realizaron pruebas sobre cinco pacientes donde tres pacientes estaban sanos y los otros dos sufrían del síndrome carpiano, a cada paciente se le dio el dispositivo y se tomó el tiempo que necesito para resolver el laberinto en la tabla 2 se puede ver los resultados de las pruebas realizadas
Tabla 2 resultados del dispositivo
En la tabla 3 se muestra los resultados después de utilizar el dispositivo móvil del túnel carpiano durante un mes, los usuarios que padecen del síndrome del túnel carpiano realizaron terapia cuatro veces por semana con una duración de 20 minutos, se volvió hacer la prueba de resolver el laberinto y comparando las dos tablas se muestra que el paciente logro una mejora notablemente ya que necesito un menor tiempo para resolver el laberinto:
Usuario Diagnostico Tiempo
Camila Cifuentes Sindroma del túnel carpiano
0 a 2.30 min
Fabián Romero SANO 0 a 1.00min
Rosa Bermúdez Sindroma del túnel carpiano
0 a 3.00 min
Paola Sánchez SANO 0 a 90 seg
Roció Cantor Sindroma del túnel carpiano
0 a 4.50 min
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Tabla 3 resultados del dispositivo
3. Conclusiones
1. se cumplieron con los objetivos de una manera satisfactoria, porque logramos que los pacientes tuviera una mejora tanto de los dolores como en agilidad y movimiento de la articulación carpiana, también se mostró la eficacia que este dispositivo.
2. El sensor (MPU6050) y actuadores (MG995) respondieron satisfactoriamente de acuerdo a las necesidades planteadas para el dispositivo de rehabilitación del túnel carpiano
3. La sensibilidad del sensor (MPU6050) se encuentra en un alto rango y precisión lo cual fue un inconveniente este tipo de aplicación.
Paciente Diagnostico Tiempo
Camila Cifuentes Sindroma del túnel carpiano
0 a 1.50 min
Fabián Romero SANO 0 a 1.00min
Rosa Bermúdez Sindroma del túnel carpiano
0 a 2.00 min
Paola Sánchez SANO 0 a 90 seg
Roció Cantor Sindroma del túnel carpiano
0 a 3.00 min
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Referencias
Artículo o sitio de internet:
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[7 ] Principales características y aplicaciones de los acelerómetros considerando el margen de medida g. [En línea] http://www.tav.net/transductores/acelerometros-sensores-piezoelectricos.pdf.