Adex Media y Dental Sentmenat, colaboran juntas para diseñar un respirador sin ánimo de lucro.
Respirador Covid-19
Concepto
El modelo de respirador autónomo para el Covid-19 está pensado para controlar mediante Arduino y software la cantidad de aire que va a proporcionar un balón de reanimación cardio respiratoria al paciente afectado, de esta manera nos aseguramos de poder dar más aire o menos en función si es una persona mayor, un niño, adulto gracias a los parámetros que le proporcionaremos haciendo los cálculos correspondientes para cada situación.
El motor que usamos es un Nema-23 que es un motor paso a paso y puede ejercer una fuerza de 14kg/cm, lo que nos proporciona presión suficiente para no tener problemas con el balón.
La secuencia de los pulsos aplicados se relaciona directamente con la dirección de rotación de ejes motor. La velocidad de la rotación de los ejes motor está directamente relacionada con la frecuencia de los pulsos de entrada y la duración de la rotación está directamente relacionada con el número de pulsos de entrada aplicada.
De momento no tenemos las normativas vigentes de Reglamento Electrónico de Baja Tensión, ni la normativa CE según las normas de productos de la Unión Europea.
Diseño
Diseño del dispositivo
El diseño es muy sencillo, cuenta con un motor nema 23 sujeto a una biela en forma ovalada que según vaya girando el motor, ésta subirá más o subirá menos para elevar y controlar el ángulo de la parte que aplasta el balón (también conocido como ambdú).
el tipo de palanca es de segundo grado permitiendo hacer unos movimientos mucho más amplios que si se tratara de una palanca de primer grado y además de esta manera disminuimos la fuerza que tiene que hacer el motor para girar.
Para sujetar el motor con la palanca que aplastará más o menos el balón está hecho con dos piezas de 5mm que a su vez sujetan la estructura del globo creando una estructura estable y sólida para el correcto funcionamiento.
La posición de la parte que aplasta el balón no está completamente centrada con el balón, sino que está un poco desplazada en una de su esquina para optimizar el movimiento de la palanca y optimizar su capacidad de proporcionar aire.
Conectado al balón tendremos un tubo de 2 metros de largo por un extremo y
por el otro un globo de 1475 ml de capacidad.
Materiales
Los materiales principales de construcción son de plástico de 5mm cortado con láser para agilizar la tarea a la hora de obtener las piezas y tornillos metálicos de 8mm de diámetro con rosca para sujetar las partes móviles.
La pieza que sujetará al balón también será de plástico hueco pero fabricado mediante impresora 3D totalmente hueco para el ahorro de material.
Luego cuenta con un cojinete de 22mm de diámetro que estará en todo momento en contacto con la biela en forma ovalada.
Estructura
La estructura total del dispositivo es de unos 42,2cm de longitud, 44cm de anchura y una altura máxima de 29cm, tratándose así de un dispositivo bastante compacto.
Como ya hemos dicho anteriormente la estructura es muy simple pero lo suficientemente estable como para no necesitar más partes complicando todo el proceso.
Parte mecánica teórica
En el apartado mecánico tenemos un esquema de cómo es el funcionamiento de una manera esquemática en el cual el motor nema-23 irá girando y depende el ángulo el oscilador que en este caso es el cojinete y al estar todo el rato en contacto, éste empujará las palancas y harán el movimiento que permitirá proporcionar aire mediante el balón.
Una de las ventajas más importantes de un motor paso a paso es su capacidad para ser controlado con precisión en un sistema de lazo abierto. Control de lazo abierto significa que ninguna información de retroalimentación de posición es necesario. Este tipo de control elimina la necesidad de costosos dispositivos de detección y regeneración como codificadores ópticos.
Electrónica
Para la configuración del apartado de hardware utilizaremos un Arduino UNO y sus siguientes conexiones:
CLK: conectado al pin D2 del Arduino UNO
DT: conectado al pin D3 del Arduino UNO
SW: conectado al pin D9 del Arduino UNO
conectado a la alimentación 5V del Arduino UNO
GND: conectado a la masa del Arduino
Ahora tendremos el esquema de conexión entre Arduino UNO, controlador de motor, motor y fuente de alimentación:
Las conexiones quedarían de la siguiente manera:
Señales de control: se deben cablear desde el shield/Arduino con un cable DuPont hembra-macho o con un cable Dupont hembra con un extremo pelado.
• ENA(+): conectado al pin D8 del Arduino
• DIR(+): conectado al pin D7 del Arduino
• PUL(+): conectado al pin D6 del Arduino (PWM)
• ENA(-): conectado a la masa del Arduino
• DIR(-): conectado a la masa del Arduino
• PUL(-): conectado a la masa del Arduino
Señales del motor: se conectarán directamente los cables pelados del motor paso a paso. Los colores del cableado pueden cambiar según el motor utilizado, consultar el datasheet del motor antes de poner la máquina en marcha.
• B- y B+: conectado a la fase B del motor paso a paso
• A- y A+: conectado a la fase A del motor paso a paso
Señales de potencia: se conectarán directamente desde la fuente de alimentación (V+ y V-) con cable rojo y negro (o del que se disponga) de sección AWG 20 / 0.5mm2 o superior (recomendado).
• VCC: conectado al positivo de la fuente de 24V
• GND: conectado a la masa de la fuente de 24V
Posición de los switches del driver (comprobar en la serigrafía del driver):
• SW1, SW2 y SW3: ON (sin microsteps)
• SW4, SW5 y SW6: OFF (máxima corriente)
Por último, para hacer la conexión de la fuente de alimentación a la corriente los terminales positivos y negativos acabarán conectados a la entrada del interruptor y la toma a tierra con el botón tipo seta entre medios para en el caso que tengamos que cortar la corriente por emergencia.
Software
Resumen de conexiones
Las conexiones son entre Arduino UNO al controlador de motor y del controlador del motor al motor nema-23.
Las conexiones se hacen mediante 2 cables uno para conectar la electrónica y otro que hace la función de cable de alimentación.
En la siguiente imagen vemos como tendría que tener de una manera esquemática:
Interface
La interface del software para controlar el respirador tendrá 2 botones principales para encender o parar la máquina.
Luego un controlador de capacidad de aire que dará y sus pasos, el tiempo que estará en marcha el dispositivo, y la cadencia que sería la velocidad a la que gira el motor.
Configuración
Un motor DC está preparado para funcionar a una tensión que nos dará el fabricante. Si le damos una tensión menor girará más despacio, llegando en el extremo a pararse. Así regulamos la velocidad.
Arduino no puede (con excepciones) regular directamente los voltios que salen por un pin, pero puede hacer una pequeña 'trampa' que se llama PWM y que tiene como resultado una acción parecida a bajar la tensión.
La programación de Arduino, igual que muchos lenguajes, permite la creación de nuevas instrucciones en forma de librerías.
Para utilizar un driver combinaremos salidas PWM con salidas digitales en las que las opciones son apagado (LOW) o apagado (HIGH). Cada driver tiene su tabla lógica para funcionar.
Un ejemplo de código para mover un motor podría ser este:
nombredelrobot.forward(128,128,1000);
nombredelrobot.reverse(128,128,1000);
nombredelrobot.rotate(128,128,1000);
nombredelrobot.rotate(128,128,-1000);
nombredelrobot.brake(1000);
Si el motor una vez conectado no gira en el sentido deseado podemos cambiarlo muy fácilmente tanto en el hardware (intercambiando los cables del motor o del driver) como en el software (cambiando los pines en la programación.
Piezas
A continuación, se exponen las piezas necesarias para la creación del respirador:
| Tipo de pieza | Cantidad |
| Tornillo 4cm x 7cm | 10 |
| Rosca 7cm | 8 |
| Separadores 7cm | 12 |
| Cojinete 2cm | 2 |
| Soporte balón 18cm x 25,3cm x 57,8cm | 1 |
| Palanca 36,2cm x 21cm x 0,5cm | 2 |
| Pieza que aplasta el balón 10cm x 13,1cm | 1 |
| Motor nema-23 | 1 |
| Arduino UNO | 1 |
| Controlador motor 2DM542 | 1 |
| Pulsador seta | 1 |
| Soporte estructura 22cm x 22,7 x 0,5cm | 2 |
| Base estructura 25,4cm x 42,5cm x 0,5cm | 1 |
| Balón | 1 |
| Biela Ovalada | 1 |
| Cables | 3 |
Montaje
Para la parte de montaje primero necesitamos la base y el soporte para el balón. Ponemos el soporte del balón en una esquina de la base y lo apartamos.
Ahora cogemos las dos palancas y las unimos a la parte que aplasta al balón con 2 tornillos, 4 roscas y 4 separadores. Una vez esto montado, en el extremo opuesto necesitamos otro tornillo, 2 roscas, 4 separadores y el cojinete y lo apartamos.
Luego cogemos uno de los 2 soportes y el motor nema-23 y lo sujetamos con los 4 tornillos. Ponemos uno de los separadores y luego la biela en forma ovalada y otro separador.
Ahora para juntar la parte del soporte y la parte de la palanca necesitamos un tornillo, un cojinete, 2 separadores, 2 tuercas y la otra parte de soporte.
El orden tiene que quedar de la siguiente manera:
-la parte de soporte tiene que quedar en la cara interior de la palanca, separada por un cojinete con la otra parte del soporte y finalmente la otra cara de la palanca.
Una vez hecho esto solo falta poner el Arduino y el controlador del motor en sus respectivos lugares y hacer las conexiones correspondientes.
Una vez acabado esto nos tendrá que quedar como en la imagen.
