Santos, Bruno*1; Leão, Tarcisio; Tabacow, Rachel2; Souza, Josiane3;
Campos, Alexandre4 ; Martins, Daniel5 ; Ponce, Daniel6 ; Bock, Eduard 7
RESUMO
1 – Laboratório de Bioengenharia, IFSP, bm-login@hotmail.com 2 – Laboratório de Bioengenharia, IFSP, leao@ifsp.edu.br 3 – Laboratório de Bioengenharia, IFSP, rachel.tabacow@gmail.com 4 – Laboratório de Bioengenharia, IFSP, josianemcsouza@gmail.com 5 – UDESC, alexandre.campos@udesc.br 6 – Engenharia Mecânica, UFSC, daniel.martins@ufsc.br 7 – Engenharia Mecânica UFSC, daniel.ponce@ufsc.br 8 – Laboratório de Bioengenharia, IFSP, bock@ifsp.edu.br * – R. Pedro Vicente, 625 - Canindé, São Paulo, São Paulo, Brasil, 01109-010
Este trabalho apresenta a validação do controle de uma Plataforma Reconfigurável de Tecnologia Assistiva (PRTA) com protocolos de saúde 4.0 baseado nos pilares da Indústria 4.0. A PRTA está sendo desenvolvida para o atendimento das necessidades dos pacientes, promovendo uma maior independência para as pessoas com deficiência e melhorando os resultados das terapias de longo prazo dentro do hospital. A estrutura da plataforma está sendo projetada com cilindros pneumáticos associados para movimento em três posições diferentes: sentado, deitado e em pé. Para ser incorporada a Saúde 4.0, o fluxo de informações compartilhada entre dispositivos deve ser organizado e acessível, sendo as variáveis de controle monitorada ao longo de todo o processo, possibilitando o acesso facilitado ao dado assim como uma eventual ação de atuação em tempo real. A implementação dos protocolos foi satisfatória no controle do processo e apresentou erro menor que 2% na aquisição e 10% na atuação.
Palavras-chave: automação, tecnologia assistiva, saúde 4.0.
ABSTRACT
This paper presents the validation of the control of a Reconfigurable Platform Assistive Technology (RPAT) with health protocols 4.0 based on the pillars of Industry 4.0. RPAT is being developed to meet patient needs, promoting greater independence for people with disabilities and improving the outcomes of long-term therapies within the
hospital. The structure of the platform is being designed with associated pneumatic cylinders for movement in three different positions: sitting, lying down and standing. In order to be incorporated into Health 4.0, the information flow shared between devices must be organized and accessible, with control variables being monitored throughout the process, allowing easy access to the data as well as a possible action in real time. The implementation of the protocols was satisfactory in the control of the process and presented error less than 2% in the acquisition and 10% in the actuation.
Keywords: automation, assistive technology, health 4.0.
1. INTRODUÇÃO
Em 2011 na Alemanha, surge o termo Indústria 4.0 propondo o início da IV Revolução Industrial pela combinação de tecnologia e processamento inteligente de dados, devido ao avanço exponencial da capacidade de processamento dos computadores, a imensa quantidade de informação digitalizada na rede e as no- vas estratégias de inovação industrial (ABIMO, 2016). Revoluções Industriais são transições para novos processos de produção por meio da implementação de novas técnicas, protocolos e equipamentos visando uma relação eficiente en- tre aumento de produtividade e economia dos meios, houve três grandes evolu- ções industriais, destacando: I Revolução Industrial, começou na segunda metade do século XVIII na Inglaterra, sendo marcada como a transição de métodos de produção artesanais para a produção por máquinas; II Revolução Industrial, co- meçou na segunda metade do século XIX na Inglaterra, sendo marcada como a expansão exponencial da produção industrial por meio do emprego da energia elétrica e motor a explosão; III Revolução Industrial, começou na segunda metade do século XX nos Estados Unidos, sendo marcada como profundas evoluções no campo tecnológico desencadeada principalmente pela junção entre conhecimen- to científico e produção industrial. A IV Revolução Industrial é viável pois a partir do ano de 1970 com a implantação de computadores nas linhas de produção reali- zando o controle dos processos foi obtido ganhos de escala sem precedentes, além da padronização e da elevada qualidade, reduzindo drasticamente os custos de produção, e a partir dos anos 90, com a massificação da Internet houve um novo conceito de comunicação, impactando diretamente a interação entre pessoas e maquinas (VENTURELLI, 2017).
A Indústria 4.0 é consolidada ao complementar os recursos da Tecnologia da Informação Industrial (TII) com os recursos de tecnologias da Automação In- dustrial, tais como, Wireless (Do inglês de “Redes sem Fio”), RFID (Identifica- ção por Radiofrequência), SOA (Arquitetura Orientada a Serviços), Computação Cognitiva e Cloud (Computação em servidores externos). Os pilares da Indústria 4.0 são: Capacidade de tomada de decisão e modificação dos processos produti- vos em tempo real; Virtualização do processo produtivo; Descentralização dos
hospital. The structure of the platform is being designed with associated pneumatic cylinders for movement in three different positions: sitting, lying down and standing. In order to be incorporated into Health 4.0, the information flow shared between devices must be organized and accessible, with control variables being monitored throughout the process, allowing easy access to the data as well as a possible action in real time. The implementation of the protocols was satisfactory in the control of the process and presented error less than 2% in the acquisition and 10% in the actuation.
Keywords: automation, assistive technology, health 4.0.
1. INTRODUÇÃO
Em 2011 na Alemanha, surge o termo Indústria 4.0 propondo o início da IV Revolução Industrial pela combinação de tecnologia e processamento inteligente de dados, devido ao avanço exponencial da capacidade de processamento dos computadores, a imensa quantidade de informação digitalizada na rede e as no- vas estratégias de inovação industrial (ABIMO, 2016). Revoluções Industriais são transições para novos processos de produção por meio da implementação de novas técnicas, protocolos e equipamentos visando uma relação eficiente en- tre aumento de produtividade e economia dos meios, houve três grandes evolu- ções industriais, destacando: I Revolução Industrial, começou na segunda metade do século XVIII na Inglaterra, sendo marcada como a transição de métodos de produção artesanais para a produção por máquinas; II Revolução Industrial, co- meçou na segunda metade do século XIX na Inglaterra, sendo marcada como a expansão exponencial da produção industrial por meio do emprego da energia elétrica e motor a explosão; III Revolução Industrial, começou na segunda metade do século XX nos Estados Unidos, sendo marcada como profundas evoluções no campo tecnológico desencadeada principalmente pela junção entre conhecimen- to científico e produção industrial. A IV Revolução Industrial é viável pois a partir do ano de 1970 com a implantação de computadores nas linhas de produção reali- zando o controle dos processos foi obtido ganhos de escala sem precedentes, além da padronização e da elevada qualidade, reduzindo drasticamente os custos de produção, e a partir dos anos 90, com a massificação da Internet houve um novo conceito de comunicação, impactando diretamente a interação entre pessoas e maquinas (VENTURELLI, 2017).
A Indústria 4.0 é consolidada ao complementar os recursos da Tecnologia da Informação Industrial (TII) com os recursos de tecnologias da Automação In- dustrial, tais como, Wireless (Do inglês de “Redes sem Fio”), RFID (Identifica- ção por Radiofrequência), SOA (Arquitetura Orientada a Serviços), Computação Cognitiva e Cloud (Computação em servidores externos). Os pilares da Indústria 4.0 são: Capacidade de tomada de decisão e modificação dos processos produti- vos em tempo real; Virtualização do processo produtivo; Descentralização dos
processos decisórios; Modularidade em subunidades do sistema produtivo e in- teroperabilidade com capacidade de comunicação entre os sistemas cyber-físicos, sensores, atuadores e humanos, sendo possível pela infraestrutura de comuni- cação baseada principalmente em Big Data e Internet das Coisas (IoT, das siglas inglês de “Internet of Things”).
Uma Big Data é a formação de um banco de dados com uma grande quanti- dade de informações necessárias para resoluções de problemas e cognição de da- dos dinâmicos variando em tempo real de acordo com mudanças externas. A Big Data é definida em três termos: Volume, organizações coletam dados de fontes variadas, incluindo transações financeiras, redes sociais e informações de senso- res ou dados transmitidos de máquina para máquina; Velocidade, os dados são transmitidos numa velocidade sem precedentes e devem ser tratados em tempo hábil; Variedade, dados são gerados em inúmeros formatos — desde estruturados (numéricos, em databases tradicionais) a não-estruturados (documentos de texto, e-mail, vídeo, áudio, cotações da bolsa e transações financeiras) (LANEY, 2000). Após a formação da Big Data, geralmente os dados são analisados por uma BI (Do inglês “Business Intelligence”), sendo esse um conjunto de técnicas e ferramentas que permite a organização e análise das informações para o suporte a tomada de decisão, transformado os dados armazenados no Big Data em informações deci- sivas para variáveis controladas, o termo foi criado pela Gartner Group, que a de- finiu como “um termo genérico que inclui aplicações, infraestrutura, ferramentas e melhores práticas que permite o acesso e análise de informações para melhorar e otimizar decisões e desempenho”(GARTNER GROUP, 2005).
IoT é definido como a capacidade de monitoramento, análise e interpretação em tempo real por meio de equipamentos inteligentes conectados à internet, pos- sibilitando a interação entre os mundos físico e o digital. O primeiro dispositivo de IoT foi uma torradeira em comunicação com a internet desenvolvida Hackett e Romkey para a conferência INTEROP 1990. Mas o termo foi cunhado em 1999 por Kevin Ashton, implementando um projeto de identificação por rádio frequ- ência (RFID) em um sistema com sensores em comunicação com a internet, e posteriormente o conceito prático surgiu nos trabalhos desenvolvidos no MIT, cujo objetivo era criar um sistema global de registro de bens usando um sistema de numeração único chamado Electronic Product Code (GREENGARD, 2015). Entre 2014 e 2015, houve aumento de 30% no uso de equipamentos inteligentes, alcançando 4,9 milhões de dispositivos conectados no período, em 2017 esse nú- mero chegou a 23,4 milhões, sendo estimado 25 bilhões, em 2020 (GARTNER, 2017), neste mesmo ano estima-se que existirão cerca de 22 bilhões de sistemas embarcados e outros dispositivos portáteis conectados à internet que produzirão mais de 2,5 quintilhões de bytes de dados novos a cada dia (IMS RESEARCH, 2015).
Um dos principais setores que Indústria 4.0 impacta é a área da saúde, sendo atribuído o termo Saúde 4.0, que por meio da atuação de uma rede de equipamen-
tos inteligentes garantirá a capacidade de desenvolvimento de novos tratamentos, monitoramento do paciente e gestão dos recursos das unidades de saúde (FRAC- CARO, 2016). É destacado a atuação da saúde 4.0 em dois segmentos: Produto assistivo, um dispositivo, equipamento, instrumento, tecnologia ou software, pro- duzido sob encomenda ou disponibilizado, para a prevenção, compensação, mo- nitoramento, alívio ou neutralização de descompassos e limitações de atividades (OMS, 2010); Telemedicina, abrangendo as áreas e produtos para a saúde que se utilizam das tecnologias de informação e comunicação para diagnóstico, atendi- mento, automonitoramento, educação e prestação de serviços remotos em saúde.
A informatização na saúde, tanto no controle de custos e na organização dos procedimentos, como na aferição da qualidade do atendimento ao paciente, con- figura-se como objeto de grande interesse em face dos significativos investimen- tos privados e públicos e o potencial de bons resultados (ABIIS,2015).
Neste contexto, o Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais do Instituto Federal de Tecnologia de São Paulo iniciou um estudo colaborativo entre centro de pesquisa de implementação de uma Plataforma Reconfigurável de Tecnologia Assistiva (PRTA), cuja a estrutura pode ser vista na Figura 1.
Figura 1: Plataforma Reconfigurável de Tecnologia Assistiva em três posições. No fundo, os quatro
tos inteligentes garantirá a capacidade de desenvolvimento de novos tratamentos, monitoramento do paciente e gestão dos recursos das unidades de saúde (FRAC- CARO, 2016). É destacado a atuação da saúde 4.0 em dois segmentos: Produto assistivo, um dispositivo, equipamento, instrumento, tecnologia ou software, pro- duzido sob encomenda ou disponibilizado, para a prevenção, compensação, mo- nitoramento, alívio ou neutralização de descompassos e limitações de atividades (OMS, 2010); Telemedicina, abrangendo as áreas e produtos para a saúde que se utilizam das tecnologias de informação e comunicação para diagnóstico, atendi- mento, automonitoramento, educação e prestação de serviços remotos em saúde.
A informatização na saúde, tanto no controle de custos e na organização dos procedimentos, como na aferição da qualidade do atendimento ao paciente, con- figura-se como objeto de grande interesse em face dos significativos investimen- tos privados e públicos e o potencial de bons resultados (ABIIS,2015).
Neste contexto, o Laboratório de Bioengenharia e Biomateriais do Instituto Federal de Tecnologia de São Paulo iniciou um estudo colaborativo entre centro de pesquisa de implementação de uma Plataforma Reconfigurável de Tecnologia Assistiva (PRTA), cuja a estrutura pode ser vista na Figura 1.
Figura 1: Plataforma Reconfigurável de Tecnologia Assistiva em três posições. No fundo, os quatro
eixos articulados apontam (em azul) com movimentos (em vermelho) (AUTOR, 2018)
A estrutura da PRTA está sendo projetada com cilindros pneumáticos, onde a associação destes cilindros possibilita o posicionamento da plataforma em três posições diferentes: sentado, deitado ou em pé. Estes posicionamentos visam: auxiliar na remoção de um paciente em cadeira de rodas, auxiliar du- rante fisioterapia, movimentar verticalmente para mudança de posição. Cada função tem um controlador com rotinas de aquisição e atuação, que deverão se comunicar com um controlador supervisório incorporado a Saúde 4.0. Para a operação satisfatória da PRTA, os controladores deverão ter uma comunica- ção organizada e eficiente.
Este trabalho apresenta a validação em ensaios em ambiente virtual e de bancada do controle local e supervisório da PRTA com protocolos de saúde 4.0 baseado nos pilares da Indústria 4.0.
Os controladores locais e supervisórios da PRTA foram desenvolvidos por meio de linguagem gráfica utilizando o programa Labview® (National Instru- ments, EUA).
A validação foi realizada em ambiente virtual, onde os controladores locais interpretavam uma série de entradas analógicas, simulando os possíveis sensores (Temperatura, umidade, carga, força aplicada, rotação dos motores, ultrassônico) e enviavam flags de situação (Como operações Nominais, operações de assistência ou de segurança em casos extremos), para o controlador supervisório. No con- trolador supervisório os flags eram primeiramente autenticados por um banco SQL, e por meio da rotina compilada de comparação e atuação, enviava flags de atuação para o controlador local. No controlador local os flags de atuação eram interpretados e proporcionalmente acionava os atuadores (Aquecimento, vibra- ção, movimento, elevação da plataforma e rotinas de fisioterapia), durante a atua- ção, dados de estados eram enviados ao controlador supervisório, que por sua vez armazenava na memória local e mandava para a Big Data, essa sendo simulada por programas de servidores. A Figura 2 mostra o controlador da PRTA com o acesso as variáveis controladas
Figura 2: Controlador da PRTA (AUTOR, 2018)
Para a validação em ensaio de bancada, um protótipo funcional utilizando Daqs® (National Instruments, EUA) foi implementado, nele os sensores simu- lados na validação em ambiente virtual foram fisicamente acoplados. Neste ensaio eram esperados resultados semelhantes ao anterior, mas com aquisição de dados e atuação reais, agregando possibilidade de perturbação e ruído no sistema. A Figura 3, mostra o esquema de trabalho dos protocolos de comuni- cação dos controladores.
Figura 2: Controlador da PRTA (AUTOR, 2018)
Para a validação em ensaio de bancada, um protótipo funcional utilizando Daqs® (National Instruments, EUA) foi implementado, nele os sensores simu- lados na validação em ambiente virtual foram fisicamente acoplados. Neste ensaio eram esperados resultados semelhantes ao anterior, mas com aquisição de dados e atuação reais, agregando possibilidade de perturbação e ruído no sistema. A Figura 3, mostra o esquema de trabalho dos protocolos de comuni- cação dos controladores.
Figura 3: Protocolo e fluxo de informações da PRTA (AUTOR, 2018)
3. RESULTADOS
Tanto no ensaio em ambiente virtual quanto em bancada, o programa imple- mentado nos controladores apresentou um tempo menor que 100ms na trans- missão de informações entre si. O armazenamento local e na nuvem apresentou tempo máximo de 2s.
Nos ensaios em bancada, todos os sensores apresentaram erros menor que 5% na transdução da informação. O ângulo de atuação dos servomotores foi precisa, prospectado que a elevação seria precisa na PRTA satisfatoriamente estruturada. O aquecimento para o valor atuado demorou menos de 3 minutos e a temperatura teve erro menor que 10%.
O banco de dados SQL e Big Data ficaram com determinação e estruturação organizada, prospectando eficiência no uso efetivo de Big Data, BI e cognição de dados.
4. DISCUSSÃO
As variáveis de controle foram monitoradas ao longo de todo o processo, sen- do acessível e podendo gerar atuação em tempo real.
Os resultados foram semelhantes entre os ensaios em ambiente virtual e ban- cada, projetando que pode ser simulado cenários diferentes, assim como estimati- va de desempenho e desgaste, e obtendo resultado semelhantes em testes práticos em condições semelhantes, podendo assim prever situações na prática e aplicar soluções preditivas e de fabricação.
A etapa afinal dos ensaios consistia em deixar o Big Data atuar como máquina de estados de decisão, isso foi feito para projetar a viabilidade do uso de uma má- quina cognitiva em situações praticas.
PRTA é constituída de módulos funcionais de tecnologia assistiva com con- troladores locais.
Nos ensaios em bancadas foram utilizados sensores e atuadores, trocando in- formações entre eles por meio da rotina de comparação de dados do controlador.
Esses resultados obedecem aos principais pilares da Indústria 4.0, obtendo as- sim a validação funcional quanto a viabilidade do uso prático da PRTA como uma tecnologia incorporada a Saúde 4.0.
5. CONCLUSÕES
Os ensaios em ambiente virtual com roteirização de situações foram satis- fatórios na atuação esperada. Os ensaios em bancada foram satisfatórios na precisão de atuação, apresentando erro menor que 10% no aquecimento e 3%
na elevação. O fluxo de dados foi organizado e rápido em ambos os ensaios. A implementação de protocolos de comunicação para Saúde 4.0 foi satisfatória no controle do processo, sendo os principais pilares obedecidos.
Para aplicação prática da PRTA será introduzido em futuros trabalhos um sistema de segurança robusto baseado no GDPR, além da adição de um sis- tema de controle modelado em rede de Petri, pois este modelo matemático permite analisar o sistema funcional e revelar propriedades importantes do sistema em relação a sua estrutura e comportamento dinâmico, facilitando sua modificação quando necessário, estando em adequação a norma IEC61131.
VENTURELLI, M. O protocolo Profinet e a indústria 4.0. Disponível em: < http://www. profibus.org.br/noticia/o-protocolo-profinet-e-a-industria-4-0 >. Acesso em: 23 de fevereiro de 2018.
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OMS - Organização Mundial da Saúde. tecnologia assistiva Disponível em: < https://abiis. org.br/>. Acesso em: 23 de fevereiro de 2018.
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na elevação. O fluxo de dados foi organizado e rápido em ambos os ensaios. A