Tendo definido as partes que iriam compor o hardware, foi necessário desenhar um diagrama de blocos para definir como seria a disposição e conexão dos componentes. O diagrama de blocos projetado é o apresentado na Figura 21.
Figura 21 - Diagrama de blocos do Hardware Fonte: Autoria própria
A fonte de energia, Figura 22, é uma fonte universal que ajusta a tensão de 3V até 24V utilizada para a alimentação de todo o sistema, inclusive o processador, através de um circuito regulador de tensão, e fornecemdo 24V para os relés do circuito de acionamento, que comutarão essa tensão para o atuador.
Figura 22 - Fonte Universal utilizada na alimentação do sistema Fonte: Autoria própria
Como a fonte fica ajustada em 24V e o processador opera em 5V, foi desenvolvido um circuito regulador de tensão, utilizando o LM 317, que permite apenas 5V para o arduíno. O esquemático do regulador de tensão pode ser visualizado na Figura 61.
O processador, já citado anteriormente, é o Arduino UNO, Figura 23, que envia um sinal de 5V para o circuito de acionamento, bobina dos relés, recebe sinais do controle do operador para saber se está operando em modo automático ou manual e os sinais do sensor para fazer o controle do movimento do atuador.
Figura 23 - Microcontrolador Arduíno UNO Fonte: Arduino (2015).
Os relés, Figura 24, possuem 8 pinos e passam a tensão de 24V para o atuador quando são comutados através do sinal de 5V do arduíno aplicado em suas bobinas.
Figura 24 - Relé 8 pinos Fonte: Autoria própria
O sensor presente no sistema é o sensor de corrente ACS712, Figura 25, que pode fazer medições de -30A até +30A. Quando o atuador está em movimento o sensor detecta um nível de corrente constante que está passando pelo motor. Quando o atuador chega ao limite superior ou inferior do seu curso seu movimento é interrompido, interrompendo a corrente elétrica. O sensor detecta a queda na corrente e comunica o processador através de uma das entradas analógicas dele.
Figura 25 - Sensor de corrente ACS712 Fonte: Autoria própria
Estando definida a configuração do hardware, foram iniciados os primeiros testes com os componentes eletrônicos. O primeiro foi para testar o Algoritmo A, Figura 26, que ativa e desativa duas saídas digitais do arduíno que seriam usadas para acionar os relés e consequentemente o atuador.
Figura 26 - Algoritmo A. Fonte: Autoria própria.
O próximo passo foi testar o Algoritmo B, Figura 27 que é uma extensão do Algoritmo A, que ativa ou desativa as saídas somente se os botões forem mantidos apertados.
Os botões, que ficam localizados no controle do usuário são conectados ao 5V e ao gnd. Entre o botão e o gnd, é efetuada a leitura do sinal através de uma entrada digital do arduíno. Quando um botão é pressionado, é detectado um sinal na porta digital e então o processador ativa as duas saídas que, através dos relés, acionam o motor. O esquemático dos botões pode ser conferido na Figura 57. O esquema de ligação do motor e dos relés pode ser conferido na Figura 60.
Figura 27 - Algoritmo B, utilizado no modo manual Fonte: Autoria própria.
Estando o algoritmo para o modo manual (Algoritmo B) funcionando corretamente junto ao hardware, foram iniciados os testes para desenvolver o modo automático. Primeiramente foram feitas modificações no Algoritmo A para que ao invés de ativar e desativar as duas saídas a cada período de tempo, ele só ativasse ou desativasse as saídas através do sinal do sensor. Os primeiros sensores utilizados nos testes foram dois sensores ópticos utilizados comumente em impressoras. No começo o processador ativava uma saída e a outra ficava em nível lógico zero, simulando um movimento (subida ou descida), e quando o processador detectava um dos sensores, ambas as saídas eram desativadas – simulando a chegada do motor no fim do curso e parada do movimento – e após um tempo pré- programado, que foi decidido em entrevista com os fisioterapeutas, as saídas do processador eram invertidas, simulando o movimento inverso, e só desativavam ao ser detectado o sinal do segundo sensor.
Quando o teste foi concluído com sucesso, os sensores ópticos foram substituídos pelo sensor interno do atuador linear. A lógica do algoritmo continuou a mesma, porém agora, ao invés do sinal do sensor ser mandado para o processador através da detecção da aproximação física do atuador, o sinal do sensor era medido
através do nível de corrente que saia do motor, pois quando o atuador atingia seu fim de curso, o sensor interno cortava o movimento zerando a corrente. Essa queda no valor da corrente era detectada e medida pelo processador, que a interpretava como um sinal do sensor, desativando as saídas digitais e esperando o tempo pré- programado para iniciar o movimento inverso, que só seria interrompido com a mesma detecção da queda de corrente, e assim sucessivamente, Figura 28.
Figura 28 - Esquemático da medição do sensor interno do atuador. Fonte: Autoria própria.
Entretanto, esse esquema de detecção de corrente começou a apresentar alguns problemas técnicos que resultavam em curtos-circuitos, e sobrecargas de tensão nas entradas analógicas do arduíno, o que ocasionou a perda de algumas placas. Para contornar tal problema, foi adquirido o sensor de corrente ACS712, que pode medir de -30A até +30A. A lógica de funcionamento continuou exatamente a mesma e o esquema de ligação do sensor com o processador e atuador pode ser conferido na Figura 60.
Após isso, foi adicionado um potenciômetro, ao controle do operador, que serve para o usuário selecionar o tempo de intervalo entre as posições no modo automático, Figura 29. O esquema de ligação do potenciômetro com o resto do hardware pode ser conferido na Figura 58.
Figura 29 – Potenciômetro Fonte: Autoria própria.
Assim o potenciômetro ficou sendo o botão, do controle do usuário, usado para ajustar o tempo de mudança de posição no modo automático. Desse modo, o Algoritmo C, para o modo automático, passou a funcionar corretamente junto ao hardware, Figura 30.
Figura 30 - Algoritmo C, utilizado no modo automático Fonte: Autoria própria.
Com ambos os algoritmos - para o modo manual (B) e para o modo automático (C) - funcionando corretamente, foi incorporado ao hardware, mais especificamente no controle do usuário, uma chave, Figura 31, para o usuário poder selecionar se usará a cadeira no modo manual ou automático. A chave permite a passagem de um sinal para o processador que, através de sua leitura, seleciona o modo de operação. Esse esquema pode ser conferido em detalhes na Figura 59.
Figura 31 - Chave Fonte: Autoria própria.
Assim, com a aplicação da chave, foi possível o funcionamento do Algoritmo Definitivo, Figura 32, que começa com a leitura da chave. Se estiver na posição 1, executa o algoritmo B, referente ao modo manual, e caso seja a posição 2, executa o algoritmo C, referente ao modo automático.
Figura 32 - Algoritmo definitivo construído com base nos algoritmos B e C Fonte: Autoria própria.
O controle do usuário, Figura 33, é um dispositivo que fica acessível ao usuário da cadeira. Ele contém uma chave que, dependendo da posição em que
está, define se o processador atua no modo automático ou manual. Possuí também dois botões que são utilizados, no modo manual, para mover o motor para cima ou para baixo. E, por último, possuí o potenciômetro que serve para regular o tempo de mudança de posição no modo automático.
Figura 33 - Controle do usuário Fonte: Autoria própria.
Com o algoritmo definitivo estando concluído e funcionando junto ao hardware, foram testados, na protoboard, ambos os modos em conjunto com a chave. Concluídos com sucesso os testes, foi necessário desenvolver a placa de circuito impresso, onde seriam soldados os componentes do hardware.
O desenho do circuito, Figura 63, foi desenvolvido no software Eagle e após concluído, foi convertido para o layout do circuito impresso como demonstrado na Figura 64. Concluído o projeto da placa, esta foi confeccionada e foram conectados a mesma: o processador, os relés e a fonte e 24V e demais componentes, ficando concluído, dessa forma, o hardware, ilustrado na Figura 34.
Figura 34 - Hardware completo do circuito impresso Fonte: Autoria própria.
3.6 INTEGRAÇÃO DA PARTE MECÂNICA E ELETRÔNICA
Tendo o hardware e a estrutura mecânica prontos, foi necessário fazer a integração de ambos para que o hardware fosse fixado na estrutura da cadeira, e o motor ficasse conectado definitivamente a ele, bem como as fontes fixadas à estrutura e conectadas ao circuito.
Primeiramente, os circuitos foram fixados dentro de uma pequena caixa chamada de gabinete. O mesmo foi fixado numa das laterais da parte interior da cadeira. A seguir, a fonte foi fixada próxima ao mancal do motor, na base da cadeira, e conectada ao gabinete bem como foi feita a ligação do motor com o circuito. Após isso, o cabo do controle do usuário foi conectado nos locais indicados no hardware fechando dessa forma o circuito elétrico do projeto. Assim, toda a parte elétrica ficou alojada na parte interior da cadeira sendo que as únicas partes visíveis para o usuário são o cabo da tomada que passa a energia para a fonte e o controle do usuário e seu cabo que está conectado à placa. A cadeira concluída, e integrada com o motor e hardware, pode ser conferida na Figura 35.
Figura 35 - Cadeira finalizada e integrada com o hardware Fonte: Autoria própria.
4
DESENVOLVIMENTO DO MANUAL DE UTILIZAÇÃO DA CADEIRAAntes de ser enviada para os testes finais, foi desenvolvido um manual de utilização para a cadeira com a finalidade de instruir os futuros usuários a utilizar o equipamento de forma correta e sem correr nenhum risco. Entre os tópicos abordados no manual encontram-se os seguintes temas:
a) Apresentação do equipamento com informações iniciais;
b) Descrição dos componentes do equipamento e explicação de cada uma de suas partes;
c) Descrição de como inicializar e utilizar o equipamento em cada um de seus modos, incluindo normas de segurança;
d) Manutenção do equipamento, tanto da parte mecânica quanto da parte elétrica, com explicação passo-a-passo sobre o que deve ser feito.
Todo o manual é explicado em conjunto com ilustrações para facilitar o entendimento do usuário e pode ser conferido no Apêndice B.
5 TESTES FINAIS
Estando a cadeira postural finalmente concluída, foi necessário testá-la em campo. Para isso, ela foi levada à instituição E.R.C.E novamente para que os fisioterapeutas e demais profissionais da instituição pudessem testá-la com as crianças por um período de 15 dias. Durante esse período, diversas crianças da instituição puderam utilizar a cadeira em todos os seus modos como pode ser visualizado na Figura 36.
Figura 36 - Crianças da ERCE utilizando a cadeira Fonte: Autoria própria.
Junto com a cadeira, foi enviado um questionário objetivando mensurar os benefícios trazidos pela mesma. A pesquisa pode ser conferida no Apêndice C.
6 CUSTO DO DESENVOLVIMENTO
Como o objetivo do trabalho era desenvolver uma cadeira automatizada de baixo custo, no Quadro 1 são apresentados os custos.
Itens Custo do Item
Material da cadeira R$250,00 Arduíno UNO R$70,00 Placa de acionamento R$100,00 Atuador Linear R$500,00 Sensor de corrente R$25,00 Fonte R$60,00 Disjuntor R$25,00 Regulador de tensão R$30,00 Controle do usuário R$15,00 Cabeamento R$20,00 Estofamento R$80,00 Documentação R$100,00 TOTAL R$1275,00
Quadro 1 – Custos do projeto Fonte: Autoria própria.
7 CONCLUSÃO
Tendo em vista os resultados obtidos no trabalho e os dados coletados na pesquisa do Apêndice C, pode-se observar que a cadeira atende as funções para a qual foi projetada. Seguindo os requisitos iniciais do projeto, a cadeira apresenta uma fácil mecanização podendo ser facilmente reproduzida, até mesmo por pessoas inexperientes. Isso se deve à escolha do PVC, que possuí encaixes padronizados, como material para a estrutura. O mesmo vale para o hardware que não apresenta circuitos complexos, podendo ser compreendido apenas com conhecimentos básicos de eletrônica. Em termos de utilização, a cadeira além de atender pacientes estaturas e patologias como mielomeningocele, tetraplegia espástica, hemiplegia espástica, dentre outras, também possibilitou aos seus usuários uma adequação postural e de posicionamento com controle cervical e de tronco durante a mudança de posição. Os principais benefícios terapêuticos oferecidos por essas movimentações, conforme relato dos profissionais que se utilizaram da cadeira, são a melhoria da postura, prevenção de deformidades, fortalecimento muscular e também a autoestima. Outra grande vantagem do equipamento é o fato de o profissional poder desenvolver atividades clínicas com o paciente sentado e em pé.
Assim, a cadeira permitiu uma melhoria significativa no trabalho diário dos profissionais, fato que foi constatado na entrevista, otimizando a rotina de exercícios e permitindo que mais pacientes fossem atendidos simultaneamente, uma vez que o profissional não precisava trocar a criança de equipamento.
Seguindo ainda os requisitos do projeto, seu hardware simples e a escolha do PVC permitiram que o equipamento tivesse um baixo custo em relação aos outros produtos disponíveis no mercado.
Para projetos futuros, foi discutido com os profissionais que testaram o equipamento, possíveis melhorais que poderiam ser incrementadas tais como: melhorias na fixação da criança na cadeira através de cintos e calços reguláveis, objetivando aumentar a estabilidade do usuário. Outra melhora ocorreria se fosse incluída, no modo automático, a parada em posições intermediárias entre a posição sentada e ereta. Segundo os profissionais de saúde isso permitiria disponibilizar uma gama maior de exercícios para as crianças atendidas.
Com os resultados obtidos no trabalho e na pesquisa, constata-se um avanço no trabalho dos profissionais que poderão atender um maior número de pacientes e realizar uma maior quantidade de exercícios em um único equipamento. Sendo assim, a cadeira postural desenvolvida se enquadra na categoria de tecnologia assistiva, pois além de possibilitar inúmeros benefícios para a pessoa que a utiliza, garante que pessoas de baixo poder aquisitivo tenham acesso ao produto.
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APÊNDICE A – DESENHOS TÉCNICOS DA AUTOMATIZADA
PARTE ESTRUTURAL
A parte estrutural é composta pela estrutura da cadeira, mancal inferior do motor, motor e acoplamento superior do motor.
Estrutura da cadeira
A estrutura da cadeira, Figura 37, é composta por 18 acoplamentos T em PVC de 32mm, 22 canos de 32mm em PVC e 8 joelhos em PVC de 32mm.
Figura 37 - Estrutura da cadeira Fonte: Autoria própria.
Mancal Inferior do Motor
O mancal inferior do motor, Figura 38, é uma estrutura feita em aço que consiste de uma chapa de metal soldada a uma barra que foram usinadas posteriormente para adquirirem as medidas adequadas.
Figura 38 - Mancal inferior do motor Fonte: Autoria própria.
Motor
O motor, Figuras 39 e 40, é um atuador linear de 100mm e pode ser acionado com aplicação de 24V.
Figura 39 - Vista 3D do motor Fonte: Autoria própria.
Figura 40 - Vista 2D do motor Fonte: Autoria própria.
Acoplamento Superior do Motor
O acoplamento superior do motor, Figura 41, é uma estrutura originada da solda de duas peças de aço que foram juntadas uma na horizontal e outra na vertical, resultando no acoplamento em forma de T.
Figura 41 - Acoplamento superior do motor Fonte: Autoria própria.
PARTE MÓVEL
A parte móvel do equipamento é composta pelo apoio de costas, assento, encosto de pernas, apoio de pés, encosto, adutor, assento de espuma e alça.
Apoio de Costas
O apoio de costas, Figura 42, é uma madeira MDF de dimensões 55cm x 38cm.
Figura 42 - Apoio de costas Fonte: Autoria própria.
Assento
Figura 43 - Assento Fonte: Autoria própria.
Encosto de pernas
O encosto de pernas, Figura 44, é uma madeira MDF de dimensões 450mm x 380mm.
Figura 44 - Encosto de pernas Fonte: Autoria própria.
Apoio de pés
O apoio de pés, Figura 45, é uma madeira MDF de dimensões 200mm x 380mm que vai conectada nos furos do encosto de pernas e pode ter sua altura ajustada.
Figura 45 - Apoio de pés Fonte: Autoria própria.
Encosto
O encosto, figura 46, é uma estrutura composta por 10 canos em PVC de 20mm, 8 joelhos em PVC de 20mm e 16 acoplamentos T em PVC de 20mm e estofado com EVA.
Figura 46 - Encosto Fonte: Autoria própria.
Adutor
O adutor, Figura 47, é composto por um cano em PVC de 32mm, um cap (tampa) em PVC de 32mm, uma barra roscada M12 e uma porca sextavada M12 que prende o adutor por baixo do assento. A peça ainda é estofada com espuma e couro.
Figura 47 - Adutor Fonte: Autoria própria.
Assento de espuma
O assento de espuma. Figura 48 é uma fina madeira MDF estofada com couro e espuma que vai preso ao assento da cadeira por parafusos. Ele pode ser removido caso o assento precise entrar em manutenção ou o estofamento precise ser trocado.
Figura 48 - Assento de espuma Fonte: Autoria própria.
Alça
A alça, Figura 49, é uma estrutura composta por um cano em PVC de 32mm, dois caps em PVC de 32mm e dois joelhos em PVC de 32mm. Ele é responsável por prender o apoio de costas à estrutura, impedindo-o de se projetar para a frente.
Figura 49 - Alça
Fonte: Autoria própria.
MONTAGEM
Montagem da parte móvel
Para a montagem da parte móvel foram utilizadas dobradiças cujos esboços 3D e 2D, bem como suas dimensões, podem ser conferidos na Figura 50.
Figura 50 - Dobradiças Fonte: Autoria própria.
As dobradiças foram utilizadas para conectar o apoio de costas, o assento e o encosto de pernas conforme a Figura 51.
Figura 51 - Estruturas conectadas através das dobradiças Fonte: Autoria própria.
Montagem do motor e seus acoplamentos
O motor é encaixado no mancal inferior e no acoplamento superior demonstrado na Figura 52.
Figura 52 - Esboço do motor acoplado no mancal e acoplamento superior Fonte: Autoria própria.
Integração da parte móvel com a estrutura
A parte móvel é integrada à estrutura através de um fixador, Figura 53.
Figura 53 - Fixador Fonte: Autoria própria.
O fixador vai colocado embaixo do assento e nele passa um eixo que prende a parte