O sistema eletrônico desenvolvido consiste num circuito que reúne a unidade de controle (Arduino® MEGA 2560), botões de acionamento, chaves de fim de curso, unidade de potência (CI L6203), atuador (Motor CC BOSCH® CHP 9 390 082 031) e sensor de posição (potenciômetro de 100 kΩ). O circuito desenvolvido é mostrado na Figura 46.
Figura 46 - Circuito eletrônico desenvolvido.
5.4 FUNCIONAMENTO DO PROTÓTIPO
O acionamento da órtese é feito pelo usuário por meio de dois botões, um dedicado ao movimento de extensão e outro ao movimento de flexão do joelho. O microcontrolador, ao receber o comando dos botões, aciona a unidade de potência (circuito ponte H) para que esta alimente o motor com corrente elétrica proveniente de uma fonte externa, executando os movimentos de extensão ou flexão. O controle de posição do dispositivo é feito em modo on-off com o auxílio do potenciômetro, acoplado ao conjunto engrenagem/eixo de saída do motor. A cada 10 milissegundos o potenciômetro tem seus sinais de tensão lidos e convertidos em sinais digitais pelo microcontrolador. Tais sinais são correspondentes à posição angular instantânea da articulação. Quando a articulação atinge a posição desejada ou aciona as chaves eletrônicas de fim de curso, o microcontrolador interrompe o sinal de comando para a ponte H, que cessa a alimentação do motor.
As figuras 47 e 48 mostram as posições mínima e máxima da haste móvel do dispositivo.
Figura 47 - Posição mínima da haste móvel da órtese em relação a direção vertical.
Figura 48 - Posição máxima da haste móvel da órtese em relação à direção vertical.
Fonte: elaborado pelo autor.
Os valores dos sinais lidos pelo Arduino® variam de 0 a 1023. Foram coletados os valores fornecidos pelo sensor nas posições máxima e mínima do protótipo. As Estratégias de Movimento 2 e 3 exigem que o sistema reconheça o posicionamento da haste móvel a 45° da direção vertical. Com o auxílio de um transferidor, a haste móvel foi posicionada a 45° e o sinal analógico correspondente foi colhido. A Tabela 9 relaciona as posições angulares previstas nas estratégias de movimento e seus correspondentes sinais analógicos.
Tabela 12 - Sinais analógicos e suas respectivas correspondências angulares. Sinal analógico lido
pela unidade de controle Correspondência angular relativa ao dispositivo 170 0° 325 45° 480 90°
Fonte: elaborado pelo autor.
Conhecidos tais parâmetros, foram realizados testes a partir das estratégias de movimento, definidas na Tabela 8, e confeccionados gráficos para ilustrar a variação angular ao longo do tempo durante o acionamento do dispositivo. Os testes foram realizados com o dispositivo “à vazio”, ou seja, sem que a órtese esteja acoplada ao membro de um usuário.
5.4.1 Estratégia de Movimento 1
As figuras 49 e 50 ilustram a variação angular da haste móvel ao longo do tempo durante a execução da Estratégia de Movimento 1.
Figura 49 - Variação angular do dispositivo durante o movimento de extensão pela Estratégia de Movimento 1.
Fonte: elaborado pelo autor.
Figura 50 - Variação angular do dispositivo durante o movimento de flexão pela Estratégia de Movimento 1.
Fonte: elaborado pelo autor.
Observa-se do gráfico da Figura 49 que a posição angular máxima esperada no movimento de extensão para esta estratégia de movimento (90°) é ligeiramente ultrapassada antes da parada completa do atuador. O mesmo acontece com o retorno à posição mínima (0°) ao fim do movimento de flexão, conforme Figura 50.
-100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 Ân gu lo [° ] Tempo [ms] -100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 Ân gu lo [° ] Tempo [ms]
5.4.2 Estratégia de Movimento 2
As Figuras 51 e 52 mostram os gráficos que ilustram a variação angular ao longo do tempo durante o acionamento do dispositivo durante a Estratégia de Movimento 2. Figura 51 - Variação angular do dispositivo durante o movimento de extensão pela Estratégia de Movimento 2.
Fonte: elaborado pelo autor.
Figura 52 - Variação angular do dispositivo durante o movimento de flexão pela Estratégia de Movimento 2.
Fonte: elaborado pelo autor.
Observa-se, a partir das Figuras 51 e 52 que nesta estratégia de movimento há uma acentuada diferença entre a posição máxima de flexão esperada (45°) e a posição máxima atingida pelo dispositivo (próximo a 60°). Na posição mínima, a diferença entre a posição estipulada e a posição real é menor.
-100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 Ân gu lo [° ] Tempo [ms] -100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 Ân gu lo [° ] Tempo [ms]
5.4.3 Estratégia de Movimento 3
As Figuras 53 e 54mostram os gráficos que ilustram a variação angular ao longo do tempo durante o acionamento do dispositivo na Estratégia de Movimento 3.
Figura 53 - Variação angular do dispositivo durante o movimento de extensão pela Estratégia de Movimento 3.
Fonte: elaborado pelo autor.
Figura 54 - Variação angular do dispositivo durante o movimento de flexão pela Estratégia de Movimento 3.
Fonte: elaborado pelo autor.
Nesta estratégia de movimento observa-se, a partir das Figuras 53 e 54, a acentuada diferença entre a posição mínima esperada (45°) e a posição mínima realmente atingida pelo dispositivo (aproximadamente 50° no movimento de extensão e 30° no movimento de flexão).
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 Ân gu lo [° ] Tempo [ms] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 500 1000 1500 2000 2500 Ân gu lo [° ] Tempo [ms]
5.5 DISCUSSÕES
Devido a limitações dos equipamentos utilizados na fabricação da estrutura mecânica do protótipo, foram realizadas algumas mudanças em relação a estrutura mecânica inicialmente proposta (Figura 27), como adição de diferentes componentes de fixação do motor e da haste fixa. Também observaram-se pequenas diferenças entre as dimensões estipuladas para as hastes e as dimensões das hastes fabricadas. Válido ressaltar que tais diferenças não exerceram influência significativa quanto aos resultados dos cálculos estruturais desenvolvidos para a seleção do material e dimensões das hastes. A adoção de um Fator de Segurança para o projeto também considera tais incertezas, conforme afirmam Hibbeler (2010), Beer e Jhonston Junior (1995), e Callister Junior e Rethwisch (2012).
De acordo com o que foi observado nos testes realizados a partir das estratégias de movimento adotadas, o posicionamento real do dispositivo desenvolvido apresenta diferenças em relação ao posicionamento definido na programação da unidade de controle para cada estratégia de movimento. Essas diferenças são mais acentuadas quando a parada do atuador é solicitada em posições intermediárias (Estratégias 2 e 3). Nas posições mínima e máxima notam-se menores discrepâncias entre os valores definidos e os valores reais.
A inércia do eixo do motor, somada à inércia da carga (haste móvel), são fatores que contribuem para o atraso na parada total do eixo quando a posição desejada é atingida. As menores discrepâncias, observadas nas posições máxima e mínima do protótipo, justificam-se pelos fins de curso físicos impostos pelas próprias hastes nas referidas posições. Entretanto, tais fins de curso por si só não interrompem o funcionamento do motor, o que, em caso de falha do sensor de posição, poderia acarretar em dano à estrutura e seus componentes e até acidentes indesejáveis em uma aplicação real, onde a órtese seria acoplada em um membro inferior humano. Por este motivo as chaves de fim de curso eletrônicas são essenciais no dispositivo, pois ao serem acionadas, enviam à unidade de controle a informação de que o funcionamento do motor deve ser interrompido.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A estrutura mecânica do protótipo, cuja seleção do material e escolha das dimensões foram desenvolvidas de acordo com os conceitos da mecânica dos materiais, atendeu às expectativas do projeto. As hastes, fabricadas em alumínio, apresentam tamanho compacto, baixo peso e resistência mecânica adequada ao projeto. As dimensões escolhidas para as hastes possibilitam a adição de prolongamentos e adaptação de componentes ergonômicos para testes reais em usuários humanos em trabalhos posteriores.
Uma proposta viável para trabalhos futuros é a adaptação do protótipo a uma cadeira, juntamente com extensões – como calhas de propileno - que possibilitem a ligação entre a órtese e o usuário para a realização do movimento de extensão e flexão do joelho. As Figuras 55 e 56 apresentam um esboço de tal proposta.
Figura 55 – Esboço de adaptação de extensões ergonômicas à órtese desenvolvida.
Figura 56 - Esboço de adaptação de extensões ergonômicas à órtese desenvolvida (vista lateral).
Fonte: elaborado pelo autor.
O sistema de controle desenvolvido mostrou-se eficiente quanto ao acionamento do dispositivo. Neste trabalho não foi tratada a acurácia do sistema de controle. A unidade de controle (Arduino® MEGA 2560) apresenta facilidade de programação e comunicação precisa com a botões de acionamento, unidade de potência (CI L6203), sensor de posição e chaves eletrônicas de fim de curso.
O potenciômetro mostrou-se eficiente como sensor de posição, apesar das discrepâncias observadas entre as posições angulares pré-definidas e as posições realmente assumidas pelo dispositivo. A comunicação entre sensor e unidade de controle pode ser atestada através do recurso serial monitor, disponível através do software do Arduino®. Apesar das pequenas oscilações observadas nas leituras do potenciômetro, acredita-se que a inércia do eixo do motor seja a principal fonte da inexatidão no posicionamento do dispositivo.
Ao final deste trabalho, conclui-se que os objetivos iniciais foram atingidos de forma satisfatória. O protótipo de órtese ativa monoarticulada de membro inferior desenvolvido apresenta a possibilidade de evolução das pesquisas em Tecnologia Assistiva no Instituto Federal do Espírito Santo, campus São Mateus.
As sugestões para trabalhos futuros são: pesquisa de atuadores alternativos ao utilizado no projeto; pesquisa de métodos para redução da inércia do eixo motor; testes de força através da aplicação de cargas a haste móvel; implementação de controle de velocidade do equipamento; melhorias e ajustes no sistema de controle de posição da órtese; adição de extensões ergonômicas desenvolvimento de uma plataforma para testes em usuários; fabricação das engrenagens e instalação da caixa de redução.
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