DESENVOLVIMENTO E IMPLEMETAÇÃO DE UMA PLATAFORMA DE
FORÇA 3D
Marcelle A. Urquiza, Alcimar B. Soares, Adriano A. Pereira e Karina L. Persona
Universidade Federal de UberlândiaAv. João Naves de Ávila, 2121 Santa Mônica - CEP 38400-902, Uberlândia - M G Brasil
Resumo - Este trabalho tem por objetivo descrever o projeto e desenvolvimento de uma plataforma de força extensométrica, multiaxial, para uso em instrumentação biomédica. Sensores para detecção de esforços, do tipo strain gauge, foram utlizados e fixados em regiões previamente determinadas nos quatro transdutores que compõem o conjunto da plataforma. O projeto das células considera uma geometria capaz de desacoplar, com mínima interferência, dois esforços diferentes, presentes na mesma estrutura. Assim, pode -se quantizar esforços em três direções ortogonais. O protótipo desenvolvido pode ser utilizado como ferramenta para avaliações de marcha e estabilidade, por exemplo. O controle dos processos de aquisição e processamento dos sinais advindos da plataforma de força é realizado através de um aplicativo específico que disponibiliza os valores quantitativos dos esforços de força e momento, os quais permitem o cálculo de parâmetros relevantes às avaliações biomédicas, particularmente em avaliações a cerca da oscilação do corpo humano na postura ereta quasi-estática
Palavras-Chave – balanço humano, estabilidade e plataforma de força.
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A 3D
FORCE PLATE
Abstract - This work has as its objective to describe and develop an extensometric, multiaxial force plate, for use as a biomedical assistance apparatus. Sensors for the detection of forces such as strain gauges were used and fixed in predetermined areas on the four transducers, which are an integral and fundamental part of the force plate apparatus. The cell 1design was completed using geometry capable of coupling with the minimum of interference the two different forces present within the structure. The prototype developed can be utilized, for example as an evaluation tool for both gait and stability research. The software developed makes the quantitative values of the forces, strength and momentum available from the force plate, allowing for the calculation of the parameters used for the respective biomedical
“Artigo publicado na IV Conferência de Estudos em Engenharia Elétrica (IV CEEL) realizada no período de 22 a 25 de Novembro na Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia MG.”
evaluations, especially those dealing with the oscillation of the human body in an erect near static posture.
Keywords – force plate, human balance and stability.
I. INTRODUÇÃO
Entre todos os mamíferos, o homem adulto é o único totalmente bípede. Es sa característica, que alguns consideram um privilégio, acarreta um determinado número de particularidades [3]. Desde que os seres humanos adotaram tal postura, têm sido desafiados pela força da gravidade para manter o equilíbrio do corpo sobre uma pequena área de suporte delimitada pelos pés. Assim quando permanecemos parados, não permanecemos sem movimento - nós oscilamos [2].
Embora , aparentemente, seja uma tarefa simples, o controle da postura é um grande desafio para o corpo humano [3]. O sistema de controle postural deve ser capaz de integrar os sistemas sensoriais visual, somatossensorial e vestibular de forma a regular o equilíbrio em situações de instabilidade. Este controle é altamente afetado pela natureza da tarefa, pelas condições ambientais e pelas informações sensoriais disponíveis.
A oscilação do corpo durante a postura ereta, é comumente investigada utilizando-se uma plataforma de força, que é, em princípio, um instrumento de medida sobre o qual os sujeitos permanecem de pé durante as anális es e permite quantificar as forças de reação do solo que agem sobre o corpo.
O desenvolvimento de equipamentos e aplicativos que propiciam investigações a cerca das desordens posturais, da marcha humana e de outros fatores cinesiológicos e biomecânicos mostra-se fundamental no diagnóstico e tratamento destas pela capacidade de quantizar valores, de tal forma que podem revelar com maior eficácia e segurança os resultados obtidos com relação ao modo como essas avaliações são realizadas até então.
II. MATERIAIS E MÉTODOS
Para medir as forças exercidas por um corpo sobre o outro, necessita-se de um dispositivo apropriado, denominado transdutor de força, que fornece um sinal de saída proporcional à força aplicada. Temos como exemplo o ‘strain gauge’ que, através da deformação da superfície ao qual foi fixado, fornece uma diferença de potencial proporcional ao esforço ao qual está sendo submetido.
Uma plataforma de força, por exemplo, é basicamente um sistema para medição de forças e impactos, os quais causam a deformação em um elemento sensor.
A plataforma desenvolvida é composta de quatro células de carga octogonais, baseadas no modelo descrito em [4] e [1] com algumas adaptações para um melhor desempenho no nosso sistema. Em cada célula de carga são fixados oito ‘strain gauges’, com dois circuitos em ponte completa de ‘Wheatstone’ de forma que um deles forneça a componente da força vertical (Fy) e o outro as componentes das forças no plano (Fx e Fz).
Simulações numéricas foram realizadas para verificar os valores das tensões e deformações ao longo da peça, quando esta fosse submetida ao esforço máximo de 1200 newtons na direção axial. Assim, foi possível verificar a eficiência da geometria escolhida, mostrada na Figura 1, bem como determinar o material de usinagem do conjunto.
Fig. 1. Geometria da célula de carga
As células de carga e os suportes de fixação foram usinados em aço inox (AISI 304) e as placas da plataforma em alumínio 5052F, o que permitiu aliar rigidez e leveza ao protótipo. As placas têm as dimensões (500x500x15) mm. A escolha dos materiais para a confecção das células de carga e das placas observou a concordância nas características das propriedades mecânicas, dinâmicas e estáticas das peças exigidas pelo projeto. A Figura 2 ilustra a célula de carga e os suportes para fixação usinados.
Fig 2. Foto da célula de carga e os suportes usinados.
As principais propriedades do aço inox – AISI 304 e do almínio 5052F, materiais utilizados na usinagem do protótipo estão reunidas na Tabela I e Tabela II, respectivamente.
TabelaI
Propriedades do Aço Inox AISI 304
Propriedade Símbolo Valor
Módulo de elasticidade E 7.31x1010 N/m2 Coeficiente de Poisson ν 0.3333
Massa específica
µ 2.70x103 Kg/m
Tensão de escoamento σe 8.07x107 N/m2
Tabela II
Propriedades do Alumínio 5052F
Propriedade Símbolo Valor
Módulo de elasticidade E 2,10x1011 N/m2 Coeficiente de Poisson ν 0,30 Massa específica µ 7,85x103 Kg/m Tensão de escoamento σe 2,75x107 N/m2
Após o desenvolvimento completo das células de carga, suportes e placas de contato, foi possível realizar a reunião de todos os elementos constituintes da plataforma, resultando assim no protótipo mostrado na Figura 3.
Fig. 3. Foto da vista frontal da plataforma
Adotando a disposição das células de carga ilustrada pela Figura 4, foi possível que o conjunto se tornasse sensível a medições de esforços em três direções ortogonais, visto que todas as células medem o esforço vertical e duas a duas medem os esforços no plano horizontal.
Fig. 4. Foto da disposição final das células de carga
A Figura 5 ilustra a disposição das células de carga e a especificação do sentido e direção dos eixos coordenados adotados para referenciar as medidas. Foram correlacionadas assim a direção de movimento com os eixos coordenados:
• Eixo X na direção anterior-posterior; • Eixo Y para a direção vertical; • Eixo Z para a direção latero-lateral.
Para a determinação das forças envolvidas nos experimentos com o protótipo, utilizamos as Equações (1), (2) e (3) respectivamente para quantizar Fx, Fy e Fz.
As Equações (4), (5) e (6) expressam os momentos resultantes nos eixos coordenados x, y e z respectivamente:
De posse das componentes de força e momento pode-se estimar os valores das coordenadas do centro de pressão pelas Equações (7) e (8) na direção X, Xcop, e na direção Z,
Zcop, respectivamente. A variável h é a distância do plano
dos sensores até a base da plataforma, e vale em torno de 65mm. A observação das variações das coordenadas do centro de pressão é parte importante nas investigações a cerca da estabilidade do ser humano durante a postura ereta quase-estática.
A Figura 6 ilustra o protótipo da plataforma montado, suas conexões com o condicionador de sinal de oito canais desenvolvido, bem como as marcas de indicação dos eixos coordenados e da região de acomodação do indivíduo sobre a plataforma.
Fig. 6. Foto da plataforma montada e indicação dos eixos e área de acomodação demarcada
III. RESULTADOS
As funcionalidades do protótipo foram avaliadas através de experimentos pilotos com quatro variações entre as diversas modalidades existentes para avaliações do balanço humano. Os experimentos se basearam no protocolo de Romb erg e buscaram apresentar a localização das coordenadas do centro de pressão dos indivíduos em teste, bem como o comportamento dessas variáveis ao longo do tempo, com e sem a presença do estímulo visual, e ainda
fornecer índices de estabilidade obtidos em função da estatura do sujeito e do comportamento deste durante as avaliações. Contudo, deve-se ressaltar que tais experimentos não tiveram como objetivo emitir qualquer tipo de diagnóstico a respeito de possíveis distúrbios na regulação postural, uma vez que isto deve ser feito por pessoal qualificado na área da saúde.
A realização dos testes é dividida em quatro etapas sendo estas com duração entre 30 e 50 segundos cada. O indivíduo posiciona-se na área delimitada como mostra a Figura7 e segue as orientações do coordenador durante a realização dos testes .
Fig. 7. Foto do voluntário na plataforma
Ao final das avaliações pode-se observar primeiramente os gráficos indicados na Figura 8, onde verifica-se o comportamento do centro de pressão do indivíduo (eixo vertical) em teste ao longo do número de amostras.
Fig. 8. Variação do Xcop e Zcop
O valor de Xcop varia em torno de 10 cm e pode-se observar que houve um deslocamento na direção anterior posterior na faixa de 1cm, para cima da média como indica a variável Xcop. No gráfico de Zcop, pode verifica-se uma variação em torno do valor de 4cm em média, e com um deslocamento na faixa 0,5cm para e para baixo e para cima. Esses fatos indicaram que o sujeito em teste teve uma maior tendência de desequilíbrio na direção latero-lateral.
Os resultados obtidos foram também fornecidos utilizando-se o método da elipse de confiança, que através da direção dos eixos maior e menor, e do comprimento destes, indica qual a direção predominante do movimento ocorrido, e qual o valor do deslocamento do centro de pressão em torno do ponto médio encontrado.
xb
y
F
y
F
xb
y
F
y
F
Mx
=
(
2
+
3
)
−
(
1
+
4
)
Σ
xb y F y F xa z F z F My=( 2 − 4 ) +( 3 − 1 ) Σ xa y F y F xa y F y F Mz=( 1 + 2 ) −( 3 + 4 ) Σ y F y F y F y F Fy= 1 + 2 + 3 + 4 Σx
F
x
F
Fx
=
1
+
3
Σ
(5) (7) (8) Fy Mz Fxxh Xcop=− − Fy Mx Fzxh Zcop =− + z F z F Fz= 2 + 4 Σ (1) (3) (4) (2) (6)A Figura 9 ilustra o resultado do teste de estabilidade perturbada com os olhos abertos através da elipse de confiança de 95%. É possível observar um índice de estabilidade padrão do sujeito em teste, bem como o índice de estabilidade estabelecido durante a avaliação. O índice de estabilidade padrão diz qual o raio, em centímetros, da área circular que limita a região de estabilidade do sujeito em teste. Já o índice de estabilidade adquirido durante o teste diz qual a habilidade em termos percentuais do indivíduo manter a condição de estabilidade durante as avaliações de equilíbrio.
Fig. 9. Elipse de Confiança 95% gerada no teste de estabilidade perturbada com olhos abertos.
Na Figura 10 têm-se a elipse de confiança gerada no teste de estabilidade normal com os olhos fechados. Pode-se observar além da mudança nas coordenadas do centro de pressão, que a habilidade do indivíduo em manter a estabilidade foi reduzida a 15,88%, o que mostra a interferência do estímulo visual no para a manutenção da estabilidade na postura ereta quase-estática.
Fig. 10. Elipse de confiança gerada no teste de estabilidade normal com olhos fechados.
Ainda pode-se verificar que houve uma maior direcionalidade na tendência de movimento, pois o comprimento do eixo maior é bem superior ao do eixo menor.
IV. DISCUSSÃO
A tentativa de estabelecer uma posição padrão para indivíduos, durante a realização dos testes de balanço do corpo humano, vem sendo alvo de pesquisas e discussões. As atenções se voltam em como eliminar a interferência dessa postura não padronizada no diagnóstico ou avaliação dos distúrbios a serem estudados.
A questão é que cada indivíduo sente diferentemente níveis de conforto e desconforto provocados por qualquer posicionamento que lhe seja requerido, portanto há uma busca por um melhor posicionamento do indivíduo durante os testes, constrangendo o posicionamento, mas buscando aliar a espontaneidade, a taxa de conforto, para uma
avaliação mais eficiente. A colocação de marcas no topo da plataforma de força, como mostra a Figura 9, que possam contemplar uma área média onde há maior preferência pela maioria das pessoas como alguns estudos já indicam, torno-se uma opção em busca de uma menor interferência nas avaliações.
V. CONCLUSÕES
A utilização da plataforma de forças para análise e avaliações posturais, mostra-se uma ferramenta promissora e necessária para uma efetiva investigação a partir de testes simples que são realizados em clínicas, mas na maioria das vezes sem nenhum tipo de quantização efetiva do problema.
A busca por métodos para padronizar a postura do paciente durante os testes revela-se como a grande estratégia para minimizar as interferências e as discordâncias no diagnóstico discutível de alguma patologia,ou mesmo de qual ser a melhor forma de treinamento e avaliação da marcha do ser humano.
Os resultados obtidos com a utilização do protótipo em experimentos pilotos mostram que o sistema de hardware e software desenvolvido possui potencial para avaliações de diversas disfunções e estudos relacionados a postura, a marcha e a desordens neurológicas que comprometem o estado de estabilidade do sujeito.
É ainda importante ressaltar que com o desenvolvimento desse sistema o projeto e a construção da plataforma de força 3D, e seus elementos de apoio, como o aplicativo de software, foi possível agregar conhecimento nacional e local nesta área de desenvolvimento
AGRADECIMENTOS
Aos Professores Alcimar Barbosa Soares e Adriano Alves Pereira pela dedicação e respeito à pesquisa, meus sinceros agradecimentos.
REFERÊNCIAS
[1] L.B. Bagesteiro, “Desenvolvimento de uma plataforma para análise de forças produzidas por pessoas ”. Dissertação
de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Engenharia
Mecânica, UFRGS, Porto Alegre, (1996).
[2] M. Duarte, “Análise estabilográfica da postura ereta humana quase-estática”. Tese de livre docência, Brasil, Universidade de São Paulo, (2000).
[3] P.M. Gagey, B. Weber, “Posturologia: regulação e
distúrbios da posição ortostática”. São Paulo: Editora
Manole, (2000).
[4] M.L. Hull, R.R. Davis , “Measurement of pedal loading in bicycling: instrumentation”. Journal of Biomechanics,
Oxford, vol. 14, nº 12, p. 843-856. (1981).
DADOS BIOGRÁFICOS
Urquiza, Marcelle Alencar, nascida em 24/08/1972 em Recife – PE é Engenheira Eletricista (2002) e Mestre em
ciências (2005) pela Universidade Federal de Uberlândia.Atualmente professora substituta da Universidade Federal de Uberlândia.