3Universidad de Cuenca. Arias y Placencia. Manejo de un motor a travs de Electroculografa

(Manejo de un motor a travs de Electroculografa Ral Ernesto Arias Rodas, Jos Sebastin Placencia Len. ; < jose.placencia@ucuenca.edu.ec>.Universidad de CuencaAbstract En Este artculo se presenta el desarrollo de un sistema de electroculografa que mediante el movimiento de los ojos y la ayuda de un motor se hace a este girar en cualquiera de los dos sentidos dependiendo de si se mira a la izquierda o derecha. En el sistema se presentan 3 etapas importantes. La primera etapa es la de Amplificacin en donde se utiliza un amplificador instrumental, la segunda fase es la de programacin en labView; aqu se realiza el filtrado de la seal y se toman las decisiones para pasarla al motor; en la ltima etapa lo que se tiene es el motor de pasos que debe estar conectado en la secuencia correcta.

I. IntroduccinEste modelo est basado en la recomendacin ITU-R P.1238-5, la misma que tiene datos de propagacin y mtodo de prediccin para la planificacin de sistemas de radiocomunicacin de rea local en la gama de frecuencias de 900 MHz a 100 GHz [1].

Los avances en Electrnica mdica vienen dndose a pasos acelerados y con esto se ha logrado de alguna manera contribuir con el mejoramiento de la calidad de vida de muchas personas discapacitadas. Por ejemplo hoy en da existen interfaces en donde a travs de la electroculografa se pueden mover motores que estn conectados a distintos dispositivos. Para esto como parte fundamental se debe conocer que la Electrooculografa (EOG) es un examen que estudia la carga elctrica a travs de los ojos y cmo cambia en la oscuridad y en la luz. La EOG la realiza un tcnico y despus un mdico analiza los resultados.En condiciones habituales existe una diferencia de potencial de aproximadamente de 0,4 a 5 mV entre la crnea y la membrana de Bruch situada en la parte posterior del ojo.

El origen de esta diferencia se encuentra en el epitelio pigmentario de la retina y permite considerar la presencia de un dipolo, el cual puede ser representado por un vector cuyo brazo coincide con el eje anteroposterior del globo ocular, donde la crnea corresponde al extremo positivo y la retina al extremo negativo de dicho dipolo.

En este documento vamos a realizar el procesamiento de las seales oculares y poder utilizarlas para mover un motor segn sea la seal si se observa para la derecha girar a un lado y si se observa a la izquierda girara en otra direccin.

II. Marco terico

La captacin de seales de los ojos se da mediante el seguimiento de algunos pasos, que deben ser correctamente aplicados para su correcto funcionamiento. A continuacin se presenta los elementos a utilizar en cada proceso.

A. Electrodos

Un elemento indispensable para realizar mediadas de bioimpedancia son los electrodos. Estos constituyen el transductor entre la corriente electrnica en el sistema de medida y la corriente inica del tejido biolgico. Esta discontinuidad se resuelve mediante un mecanismo de conduccin, la corriente de desplazamiento en los electrodos y reacciones de oxidacin-reduccin en los electrodos no polarizables.

La impedancia del electrodo puede ser modelada por una resistencia (R) y una reactancia (X) en serie cuyo valor decrece cuando la frecuencia se incrementa. Esta impedancia es comnmente es llamada impedancia de polarizacin.

A pesar de que se puedan identificar los parmetros de la impedancia del electrodo, nos e puede determinar un modelo preciso, ya que la magnitud depende del metal del electrodo, de su rea, del electrolito utilizado, de la densidad de corriente y de la frecuencia de la corriente utilizada en las medidas.

Figura 1. Electrodos subcutneos

B. Amplificadores de Instrumentacin

Los elementos que conforman a un amplificador de instrumentacin son bsicamente resistencias y amplificadores operacionales, y es el que se encarga de amplificar el voltaje diferencial que aparece entre sus dos entradas. Los valores para el CMRR (Razn de Rechazo de Modo Comn) as como el bandwidth (Ancho de Banda), se establecen en funcin de la ganancia requerida, a diferencia de los amplificadores operacionales que son de valor establecido mediante sus frmulas.

Dentro de las aplicaciones donde se lo utilizan se encuentran:

Instrumentacin mdica.

Bsculas electrnicas.

Amplificacin de seales procedentes de transductores, etc.

Figura 2. Circuito Amplificador de instrumentacin

C. Hardware de adquisicin de datos La tarjeta NI6009 es una tarjeta de adquisicin de datos multifuncional para Windows 2000/XP/Vista, MAC OS X, LINUX; posee alto rendimiento y alta velocidad de muestreo. Las especificaciones de la tarjeta y el soporte de proveedores externos hacen ideal su uso para un amplio rango de aplicaciones en nuestro caso el de la adquisicin de datos, para la industria, laboratorios, control de procesos y automatizacin de sistemas en las fbricas. Caractersticas:

Canales de entrada analgica seleccionados por software: 8 canales unipolares y 4 diferenciales.

Un convertidor A/D de 14 bits de aproximaciones sucesivas. Y 13 bits de modo diferencial. El rango mximo de muestreo de la tarjeta es 5 Mhz.

Rangos de entradas analgicas seleccionadas por software: Unipolares: 10V. Diferenciales: 20V, 10V, 5V, 4V, 2.5V, 2V, 1.25V, 1V.

Provee de dos modos de disparo para el A/D: por software y por disparador digital externo. Resolucin de entrada: 14 bits en modo unipolar y 13 bits en modo diferencial.

Muestreo de tasa mxima: Un canal 48 KS/s, para mltiples canales 42KS/s.

Voltaje de trabajo 10V, con una impedancia de entrada de 144K y una proteccin de sobretensin de 35V.

Cuenta con 8 entradas analgicas y 8 digitales ambas pueden configurarse como entradas o salidas por medio de software adems posee 8 salidas digitales con 2 salidas analgicas utilizando un convertidor de aproximaciones sucesivas.

Figura 3. Disposicin de pines de la DAQ.

D. Adquisicin de datos LabVIEW incluye un grupo de VIs que permiten configurar, adquirir datos y enviarlos a los dispositivos DAQ. Frecuentemente un dispositivo puede ejecutar una variedad de funciones (conversin anlogo a digital A/D- , conversin digital a anlogo D/A-, E/S digital y operaciones de contador / temporizador.

Cada dispositivo soporta diferentes DAQ y velocidades de generacin de seal. Tambin cada dispositivo DAQ es diseado para plataformas de hardware y sistemas operativos especficos.

III. Funcionamiento

El sistema est compuesto por algunas fases cada una de las cuales tiene sus diferentes caractersticas y su importancia para poder conseguir el objetivo de adquirir la seal de electooculografa y poder procesarla correctamente.

Figura 4. Diagrama de Bloques del sistema

La primera parte del sistema es el usuario en el cual se colaran los electrodos, que nos ayudaran a adquirir las seales del electrooculgrama, los electrodos estn colocados a los costados de los ojos y uno en la frente entre las cejas. Con estas seales obtenidas y debido a la baja amplitud que poseen, se opt por colocar un amplificador instrumental, en cual funciona con amplificadores operacionales TL084.

Figura 5. Circuito de amplificacin

Una vez amplificada la seal con la ayuda de la DAQ, leemos estos valores de voltaje en Labview, y ya en la programacin se ha realizado un filtrado de la seal, para poderla apreciar ya sin mucho ruido. En el programa tambin se establece las condiciones para saber si el usuario est mirando hacia la derecha o hacia la izquierda. Y con dependiendo de la direccin a donde mire se ha configurado para que los pines de salida de la DAQ activen un motor de pasos, y que el mismo gire a la derecha cuando el usuario mire a la derecha, o que gire a la izquierda cuando el usuario mire a la izquierda.

Programacin en Labview

El programa est estructurado de la siguiente manera, lo primero que se tiene es el DAQ Assistant, el cual toma los datos de la seal amplificada, una vez que se realiza esto, se pasa a un filtro pasa bajas el cual se encuentra a una frecuencia de corte de 100Hz, despus se multiplica por -100 para amplificar el valor de la seal, pero esto solo es para mejorar la escala, puesto que la variacin es muy pequea, adems se tiene un control numrico (Calibrar), el cual tendremos que cambiar cada vez que se coloque un usuario, esto es porque los electrodos no siempre se colocan en la misma posicin. Y el cuatro hace referencia a cuanto varia si es que el usuario est en el centro y luego ve a la derecha, o si est en el centro y luego ve a la izquierda. Y finalmente se hace una comparacin para saber hacia dnde se est mirando y se encienden unos indicadores

Figura 6.Seal Adquirida y seal Filtrada con LabView

Figura 7. Diagrama de Bloques de la adquisicin y filtrado de la seal

Una vez que tenemos los indicadores, lo que hacemos es determinar el sentido de giro, y se tendrn tres posibles estados, girar a la izquierda, girar a la derecha, y detener. Adems se tendr un control de velocidad que determinara la velocidad de giro del motor.

Figura 8. Diagrama de Bloques de decisiones.

Con el sentido de giro determinado lo que obtenemos es que si se establece que se gira a la izquierda, el contador ira descendiendo, y si gira a la derecha el contador ira incrementando, y si el estado es detenido el contador no incrementa ni disminuye, y se establece la configuracin para que cuando llegue a los limites el contador se reinicie, es decir que cuente solamente entre 1 y 4. En el segundo case structure, lo que se tiene es los estados del motor de pasos, para lo cual nos hemos basado en un sentido de giro simple. Y se tiene cuatro estados (1,2,3,4), los cuales irn cambiando dependiendo del valor del contador. Finalmente se agrupan los valores de las cuatro salidas que irn hacia el motor de pasos y se los enva mediante la DAQ por el puerto digital 1.

Figura 9. Diagrama de Bloques para presentacin de salidas

A continuacin se presenta una grfica de toda la interfaz as como de la programacin completa.

Figura 10.Interfaz grfica del sistema

Figura 11. Diagrama de Bloques completo del sistema

En este caso la salidas de la DAQ estarn todas activadas y una se encontrara desactivada, esto es porque las salidas de la DAQ llegaran hacia transistores 2n3906, y luego cada una hacia el motor. A continuacin se presenta como es la secuencia que se ha establecido para el giro del motor.

Figura 12. Conexin del motor de pasos.

IV. Conclusin

En el desarrollo del trabajo es importante tener en cuenta que se debe contar con buenos electrodos para la obtencin de los impulsos elctricos generados por los ojos, dichos electrodos deben contar con buenos cables y pegarse de una buena manera a la piel, esto con el objetivo de reducir ruido.

Tambin es de vital importancia contar con una buena etapa de amplificacin y filtrado, debido a que las seales obtenidas son de amplitud muy baja y que el ruido que se generan en dichas seales es alto.

Por ultimo en el momento de conectar el motor de pasos se debe tener muy en cuenta la secuencia de conexin para que el motor gire de una correcta manera y que deben contar con una etapa de amplificacin.

V. Referencias Bibliogrficas [1] Shang-Lin Wu, Lun-De Liao, Shao-Wei Lu, Wei-Ling Jiang, Shi-An Chen, and Chin-Teng Lin, Controlling a HumanComputer Interface System With a Novel Classification Method that Uses Electrooculography Signals, ieee transactions on biomedical engineering, vol. 60, no. 8, august 2013.[2] Yunjun Nam, Bonkon Koo, Andrzej Cichocki and Seungjin Choi, GOM-Face: GKP, EOG, and EMG-Based Multimodal Interface With Application to Humanoid Robot Control, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 61, NO. 2, FEBRUARY 2014.[3] Andrs Ubeda, Eduardo Iez, and Jos M. Azorn, An Integrated Electrooculography and Desktop Input Bimodal Interface to Support Robotic Arm Control, IEEE TRANSACTIONS ON HUMAN-MACHINE SYSTEMS, VOL. 43, NO. 3, MAY 2013.[4] Jiaxin Ma, Yu Zhang, Andrzej Cichocki, and Fumitoshi Matsuno, A Novel EOG/EEG Hybrid Human-Machine Interface Adopting Eye Movements and ERPs: Application to Robot Control, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2014

[5] Chen, Shi-An; Chen, Chih-Hao; Lin, Jheng-Wei; Ko, Li-Wei; Lin, Chin-Teng, "Gaming controlling via brain-computer interface using multiple physiological signals," Systems, Man and Cybernetics (SMC), 2014 IEEE International Conference on , vol., no., pp.3156,3159, 5-8 Oct. 2014