UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E MECÂNICA CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
DHERYCK SCHWENDLER CABEDA DIEGO TONEL
DESENVOLVIMENTO DE UMA CADEIRA POSTURAL
AUTOMATIZADA EM AUXÍLIO À FISIOTERAPIA DE CRIANÇAS COM
TETRAPLEGIA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA 2015
DHERYCK SCHWENDLER CABEDA DIEGO TONEL
DESENVOLVIMENTO DE UMA CADEIRA POSTURAL
AUTOMATIZADA EM AUXÍLIO À FISIOTERAPIA DE CRIANÇAS COM
TETRAPLEGIA
Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Diplomação, do Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos departamentos acadêmicos de Eletrônica - DAELN e Mecânica - DAMEC, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de tecnólogo.
Orientador: Francisco Godke
Coorientador: Ubiradir Mendes Pinto
CURITIBA 2015
DHERYCK SCHWENDLER CABEDA DIEGO TONEL
DESENVOLVIMENTO DE UMA CADEIRA POSTURAL AUTOMATIZADA EM AUXÍLIO À FISIOTERAPIA DE CRIANÇAS COM TETRAPLEGIA
Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 26 de novembro de 2015, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
______________________________ Prof. Dr. Milton Luís Poli
Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Mecânica
______________________________ Prof. Esp. Sergio Moribe
Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica
BANCA EXAMINADORA
_________________________________ Prof. M.Sc. Sidney Carlos Gasoto
UTFPR _________________________________
Prof. Dr. Francisco Gödke Orientador
_________________________________ Prof. Esp. Sérgio Luiz Bazan de Paula UTFPR
_________________________________ Prof. Ubiradir Mendes Pinto
Coorientador
AGRADECIMENTOS
Agradecemos às nossas famílias pelo apoio e incentivo durante todo esse período, nos dando forças nos bons momentos e também nos mais difíceis. Aos professores orientadores Francisco Gödke e Ubiradir Mendes pela oportunidade de realizar esse projeto e por todo suporte prestado durante sua execução.
Agradecemos também ao professor Mario Tesk e todo o pessoal do setor de fabricação pela ajuda fornecida através de disponibilização de materiais e fabricação de peças específicas. Ao pessoal do almoxarifado do DAELN, Clovis e Linconl, pelos recursos, suporte e espaço oferecidos, que nos ajudaram na conclusão do projeto.
Aos departamentos que compõem a base do nosso curso, DAELN e DAMEC, pelo fornecimento de recurso, que alavancaram o desenvolvimento do nosso projeto. E por último, mas não menos importante, agradecemos a instituição E.R.C.E por conceder o tempo de seus profissionais para cederem informações que contribuíram para a pesquisa e por nos permitirem ter acesso aos pacientes que testariam o produto.
RESUMO
CABEDA, Dheryck S; TONEL, Diego. Desenvolvimento de uma cadeira postural automatizada em auxílio à fisioterapia de crianças com tetraplegia. 2015. 119f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial), Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2015.
Pessoas com lesão medular (paraplegia ou tetraplegia) necessitam realizar exercícios diários de fisioterapia, para receberem estímulos no corpo para a prevenção de escaras, encurtamentos musculares e a rigidez articular. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um protótipo de uma cadeira postural automatizada para auxílio na reabilitação de crianças com paralisia cerebral e tetraplegia. A estrutura da cadeira foi desenvolvida em canos de PVC, para proporcionar baixo custo e leveza, e integrada com chapas de madeiras que constituem a estrutura de assento e encostos. Para automatizar o sistema foram utilizados um atuador elétrico linear de 24V integrado com um sensor de corrente e uma placa de acionamento, controlados pelo microcontrolador Arduino Uno. Para a interface com o usuário, foi desenvolvido um controle com botões que acessam facilmente as funções do sistema. Para verificar a funcionalidade da cadeira, ela foi utilizada por uma instituição que atende crianças com deficiência. Através dos resultados obtidos nos testes, foi verificado que a cadeira proporcionou aos seus usuários além do fortalecimento muscular, uma melhora postural o que possibilitou, segundo profissionais de saúde que avaliaram o equipamento, que o mesmo atuasse também na prevenção de eventuais deformidades.
Palavras chaves: Cadeira automatizada. Paralisia cerebral. Baixo custo. Microcontrolador Arduino.
ABSTRACT
CABEDA, Dheryck S; Tonel, DIEGo. Development of a chair with exchange of automatic position for aid of children with quadriplegia 2015. 119f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial), Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2015.
People with spinal cord injury (paraplegia or quadriplegia) need to perform daily exercises of physiotherapy, to receive stimuli in the body to prevent bed sores, muscle shortening and joint stiffness. This work presents the development of a prototype of an automated postural chair to help children with cerebral palsy and quadriplegia performing daily exercises. The structure of the chair is designed in PVC pipes to provide low cost and light weight, and integrated with wood sheets which constitute the seat frame and seat backs. To automate the system we used an integrated 24V electric linear actuator with a current sensor and a drive plate, controlled by the microcontroller Arduino Uno. For the user interface, we developed a control with buttons to easily access the system functions. To check the functionality of the chair, it was used by an institution that serves children with various disabilities, which can be tested with their students. Through the test results, it was found that the chair provides greater efficiency in exercises performed and also the work of professionals, which can be confirmed in a survey conducted with them.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Prancha Ortostática ... 9
Figura 2 - Stand In Table ... 10
Figura 3 - Disposição dos segmentos na coluna ... 18
Figura 4 - Exercícios e atividades cotidianas ... 22
Figura 5 - Atividade de alongamento e estimulo ... 23
Figura 6 - Posicionamento sentado ... 23
Figura 7 - Atividades de hidroterapia ... 25
Figura 8 - Cadeira Ortostática ... 26
Figura 9 - Sistema de controle em malha fechada ... 27
Figura 10 - Prótese de perna com movimento natural ... 28
Figura 11 - Cadeirante fazendo uso de uma plataforma ... 28
Figura 12 - Instituição E.R.C.E. de Campo Largo. ... 32
Figura 13 - Prancha Ortostática (a) e cadeira postural (b) desenvolvidas pelos alunos do DAMEC. ... 33
Figura 14 - Posição Sentada (esquerda) e posição ereta (direita) ... 34
Figura 15 - Ponto A ... 35
Figura 16 - Ângulo e deslocamento do assento. ... 36
Figura 17 - Ponto C ... 37
Figura 18 – Esboço da cadeira, visão em perspectiva (a) e visão lateral (b) ... 38
Figura 19 - Cadeira Ágile em alumínio aeronáutico(A); Cadeira ULX reclinável em alumínio aeronáutico temperado(B). ... 39
Figura 20 - Estrutura da cadeira montada com componentes de PVC. ... 40
Figura 21 - Diagrama de blocos do Hardware ... 41
Figura 22 - Fonte Universal utilizada na alimentação do sistema ... 42
Figura 23 - Microcontrolador Arduíno UNO ... 42
Figura 24 - Relé 8 pinos ... 43
Figura 25 - Sensor de corrente ACS712 ... 43
Figura 26 - Algoritmo A, utilizado nos testes iniciais e como base para o desenvolvimento dos demais algoritmos ... 44
Figura 27 - Algoritmo B, utilizado no modo manual ... 45
Figura 28 - Esquemático da medição do sensor interno do atuador. ... 46
Figura 29 – Potenciômetro ... 47
Figura 30 - Algoritmo C, utilizado no modo automático ... 47
Figura 31 - Chave ... 48
Figura 32 - Algoritmo definitivo construído com base nos algoritmos B e C ... 48
Figura 33 - Controle do usuário ... 49
Figura 34 - Hardware completo do circuito impresso ... 50
Figura 35 - Cadeira finalizada e integrada com o hardware ... 51
Figura 36 - Crianças da ERCE utilizando a cadeira ... 53
Figura 37 - Estrutura da cadeira ... 59
Figura 38 - Mancal inferior do motor ... 60
Figura 39 - Vista 3D do motor ... 60
Figura 40 - Vista 2D do motor ... 61
Figura 41 - Acoplamento superior do motor ... 61
Figura 42 - Apoio de costas... 62
Figura 43 - Assento ... 63
Figura 45 - Apoio de pés ... 64
Figura 46 - Encosto ... 65
Figura 47 - Adutor ... 65
Figura 48 - Assento de espuma ... 66
Figura 49 - Alça ... 67
Figura 50 - Dobradiças ... 68
Figura 51 - Estruturas conectadas através das dobradiças ... 68
Figura 52 - Esboço do motor acoplado no mancal e acoplamento superior ... 69
Figura 53 - Fixador ... 69
Figura 54 - Estrutura montada com a parte móvel ... 70
Figura 55 - cadeira integrada com o motor ... 70
Figura 56 - Esboço da cadeira estofada ... 71
Figura 57 - Esquema de ligação dos botões do controle do operador ... 72
Figura 58 - Esquema de ligação do potenciômetro do controle do operador ... 73
Figura 59 - Esquema de ligação da chave do controle do operador ... 73
Figura 60 - Ligação da placa de acionamento com o sensor e o motor ... 74
Figura 61 - Esquema do circuito reguladfor de tensão ... 75
Figura 62 - Esquema de todo o circuito do projeto ... 76
Figura 63 - Esquemático do circuito desenvolvido no Eagle ... 76
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 9 1.1 PROBLEMA ... 10 1.2 JUSTIFICATIVA ... 11 1.3 OBJETIVOS ... 12 1.3.1 Objetivo Geral ... 12 1.3.2 Objetivos Específicos ... 12 1.4 METODOLOGIA DO TRABALHO ... 12 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 14 2.1 PARALISIA CEREBRAL ... 14
2.1.1 Paralisia Cerebral Espástica ... 14
2.1.2 Paralisia Cerebral Atáxica ... 14
2.1.3 Sintomas da Paralisia Cerebral... 15
2.2 TETRAPLEGIA ... 17 2.3 TRATAMENTOS ... 19 2.3.1 Neuropediatria ... 20 2.3.2 Cirurgia Ortopédica ... 20 2.3.3 Neurocirurgia ... 21 2.3.4 Fisioterapia ... 21 2.4 EQUIPAMENTOSUTILIZADOS ... 25 2.4.1 Prancha Ortostática ... 26 2.4.2 Cadeira Ortostática ... 26
2.5 AUTOMAÇÃOETECNOLOGIAASSISTIVA ... 27
2.6 HARDWARE ... 29 2.6.1 Microcontroladores ... 29 2.6.2 Arduíno ... 29 2.6.3 Arduíno Uno ... 30 2.7 LINGUAGEM C ... 30 3 DESENVOLVIMENTO ... 32 3.1 PESQUISADECAMPO ... 32
3.2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DA CADEIRA ... 34
3.3 MATERIAL UTILIZADO NA ESTRUTURA... 38
3.4 DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURA ... 39
3.5 DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE E SOFTWARE DE ACIONAMENTO 41 3.6 INTEGRAÇÃO DA PARTE MECÂNICA E ELETRÔNICA ... 50
4 DESENVOLVIMENTO DO MANUAL DE UTILIZAÇÃO DA CADEIRA ... 52
5 TESTES FINAIS ... 53
6 CUSTO DO DESENVOLVIMENTO ... 54
7 CONCLUSÃO ... 55
REFERÊNCIAS ... 57
APÊNDICE A – DESENHOS TÉCNICOS DA AUTOMATIZADA ... 59
APÊNDICE C – PESQUISAS REALIZADAS COM PROFISSIONAIS CLÍNICOS DA E.R.C.E ... 113
1 INTRODUÇÃO
Ao longo da história e da evolução da humanidade, foram incorporados à medicina tecnologias assistivas que auxiliaram na melhoria da qualidade de vida e também na reabilitação de pessoas com necessidades especiais. Um exemplo de tais tecnologias são os membros mecânicos, para aqueles que perderam seus membros originais, e também dispositivos com comando de voz para pessoas que não têm a capacidade de digitar.
Em se tratando de pessoas com lesão medular (paraplegia ou tetraplegia), a situação não é diferente. Essas pessoas necessitam de tratamentos especializados que vão desde acompanhamento por uma equipe interdisciplinar, formada por fisioterapeuta, nutricionista, psicólogo e fonoaudiólogo, até exercícios diários de fisioterapia. Através desses é que são feitos os estímulos do corpo da pessoa e se fazem a prevenção de escaras, encurtamentos musculares e a rigidez articular.
Nesse contexto de exercícios fisioterapêuticos e estímulo do corpo, se fazem necessários equipamentos e tecnologias para dar suporte tanto aos especialistas que irão acompanhar o processo, como à pessoa lesionada. Um exemplo de equipamento bastante utilizado é a Prancha Ortostática, Figura 1, que permite que a pessoa fique na posição ereta.
Figura 1- Prancha Ortostática Fonte: CARCI (2015).
Outro equipamento para essa finalidade é o Stand-in-table, Figura 2, que faz com que a pessoa fique na posição ereta, porém sempre em um ângulo de inclinação de 90º que corresponde à posição vertical.
Figura 2 - Stand In Table Fonte: Cajumoro (2015).
Um equipamento que pudesse prender a pessoa e realizasse as alterações de posições, da sentada para a posição ereta, seria o ideal para a fisioterapia, uma vez que auxiliaria na movimentação do corpo e das articulações, realizando parte dos exercícios citados anteriormente, e dispensaria a troca constante da pessoa da cadeira para prancha e vice-versa.
1.1 PROBLEMA
Entre os principais exercícios de fisioterapia realizados em pacientes tetraplégicos, se encontram os exercícios manuais que são os de alongamento e mobilização das articulações para evitar encurtamentos e deformidades e os exercícios terapêuticos que possuem a finalidade de transferências posturais, fortalecimento dos músculos e destreza na troca de posições.
É nesses exercícios que o uso de equipamentos como pranchas ortostáticas se faz necessário. Entretanto, a utilização desses esbarra em alguns obstáculos tais como a dificuldade de troca de posição do paciente e transferência do mesmo de um equipamento para outro, bem como o custo dos aparelhos que podem superar a margem de R$ 3000.00, tendo alguns que chegam a R$ 8000,00.
O problema principal, então, se resume em desenvolver um protótipo de equipamento que tenha o menor custo e uma eletrônica simples (para a automação e controle) sem a necessidade de motores de grande porte ou sistemas de controle mais sofisticado. Ao mesmo tempo o equipamento deve permitir a posição sentada e também ereta do paciente, com troca automática de posição, de modo a garantir a movimentação constante das articulações sem que seja preciso um profissional que fique mudando manualmente a posição ou que fique trocando a criança de equipamento em equipamento.
1.2 JUSTIFICATIVA
O trabalho tem por fim unir as vantagens de uma cadeira de repouso com as de uma prancha ortostática em um único equipamento, algo que não está disponível no mercado a baixo custo ainda. Assim, o usuário da cadeira, além de poder utilizá-la como uma cadeira normal, terá também uma movimentação constante do corpo, uma vez que a cadeira irá, automaticamente, alternar entre posições, contribuindo assim para a parte dos exercícios fisioterapêuticos.
Com a automatização do sistema, o profissional de saúde que acompanha a criança tetraplégica também será beneficiado, pois a troca automática de posições irá poupar o profissional de ter que transferir a criança de um equipamento para outro, tendo em vista que muitas vezes um único profissional cuida de várias crianças, tendo assim uma economia significativa de tempo e esforço.
Além disso, os equipamentos possuem preços que são inviáveis para que as famílias das crianças os tenham em casa. O trabalho tem como objetivo desenvolver um produto de baixo custo e baixa mecanização. Assim, o projeto não só irá auxiliar as famílias das crianças, que poderão ter o equipamento em casa, como também hospitais, centros de tratamento, instituições, dentre outras, que poderão ter uma gama de equipamentos para auxiliar várias crianças ao mesmo tempo.
A partir de estudos e o uso da automação em tecnologia assistiva, se conclui que o projeto irá apresentar um produto mais acessível, que não sirva apenas para manter a criança fixa, mas também para auxiliar tanto ela como o profissional de
saúde nos exercícios de movimentação, ou seja, algo diferente do que se tem disponível hoje.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Desenvolver uma cadeira postural automatizada que sirva também como prancha ortostática.
1.3.2 Objetivos Específicos
Pesquisar o assunto com profissionais de saúde que atendam essas crianças, para adquirir maior noção sobre o procedimento realizado nos exercícios.
Desenvolver o protótipo da cadeira.
Desenvolver o acionamento da cadeira.
Desenvolver um manual de operação da cadeira.
1.4 METODOLOGIA DO TRABALHO
Dada à multidisciplinaridade do trabalho, foram estabelecidas etapas para o desenvolvimento do mesmo:
Etapa 1: Realizar uma pesquisa com os profissionais de saúde para a obtenção de dados acerca dos tipos de exercícios que são realizados rotineiramente com esse tipo de criança, como são os movimentos e a frequência com que são realizados. Também deverão ser identificados a altura e peso médios das crianças que são tratadas por esses profissionais.
Etapa 2: Utilizar os dados da etapa anterior como base para desenvolver o projeto da cadeira.
Etapa 3: Usar dados obtidos na etapa 1 e 2 para pesquisar um material que possa ser utilizado na construção da estrutura mecânica da cadeira.
Etapa 4: Montar a estrutura mecânica da cadeira seguindo os parâmetros já definidos anteriormente.
Etapa 5: Desenvolver o hardware de acionamento da cadeira. Etapa 6: Integrar as partes mecânica e eletrônica.
Etapa 7: Fazer os testes e ajustes necessários.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 PARALISIA CEREBRAL
Em geral, a paralisia cerebral (PC) pode ser descrita como uma disfunção da movimentação causada por uma lesão no cérebro. Na maioria das crianças, a PC surge nos primeiros meses da gestação e, como o cérebro comanda diversas funções do corpo, pode causar desde pequenas alterações nos movimentos, como dificuldade de realizá-los e movimentos involuntários, até a paralisação total dos membros (tetraplegia), bem como dificuldade para segurar objetos ou falar. Existem dois tipos básicos de PC: a Espástica e a Atáxica (REDE SARAH, 2014).
2.1.1 Paralisia Cerebral Espástica
Segundo a Rede Sarah (2014), quando a lesão ocorre na área do Trato Piramidal, responsável pelos movimentos voluntários, que é uma sequencia de neurônios que ligam o córtex cerebral e a medula espinal. Causa um aumento de tensão nos músculos, podendo gerar envolvimento dos braços, pernas, tronco e cabeça dando origem à tetraplegia espástica. Um dos sintomas é a deformidade articular nos músculos que se desenvolvem de uma maneira irregular como flexão e rotação dos quadris, joelhos e tornozelos.
2.1.2 Paralisia Cerebral Atáxica
É decorrente de lesões no cerebelo que é responsável por manter o equilíbrio do corpo. Assim, as crianças atingidas por esse tipo de PC tendem a ter dificuldades em se movimentar sozinhas, muitas vezes precisando do auxílio de algum equipamento pelo resto da vida, de realizar movimentos rápidos e alternados
bem como dificuldade para acertar um alvo – como apertar um botão, por exemplo (REDE SARAH, 2014).
2.1.3 Sintomas da Paralisia Cerebral
Segundo Leitão (1971), os principais sintomas da paralisia cerebral se manifestam através de:
a. Perturbações motoras b. Perturbações sensoriais c. Perturbações da fala d. Alterações mentais
2.1.3.1 Perturbações Motoras
De acordo com Leitão (1971), as perturbações motoras se manifestam através de espasticidade, movimentos involuntários e atonia e em geral são os primeiros sintomas a serem detectados. A espasticidade, um dos sintomas mais comuns, é verificada através de alterações no tônus muscular.
Observações clínicas revelam, com frequência, sinais de hipertonia muscular durante tentativas de mobilizar os pacientes, constatados através de resistência ao movimento proposto. Além dessas, há outras características mais fáceis de detectar tais como impossibilidade de espernear, dificuldade para movimentar a cabeça, incapacidade para sentar, aumento anormal de movimentos involuntários e também problemas atáxicos onde a criança tem dificuldades para se equilibrar (LEITÃO, 1971).
2.1.3.2 Perturbações Sensoriais
Em geral, as lesões cerebrais se assentam sobre o cerebelo e mesencéfalo que são regiões que controlam o equilíbrio, centros da audição, visão e olfato. Cerca de 50% das crianças que sofrem de lesão cerebral sofrem também de problemas de visão (LEITÃO, 1971).
Segundo Leitão (1971), entre as deficiências visuais encontram-se: estrabismo convergente ou divergente, ambliopia e paralisia dos músculos orbiculares. Já as perturbações auditivas mais comumente encontradas são: hipoacústica e a surdez completa.
2.1.3.3 Perturbações da fala
As perturbações da fala podem variar desde um retardo simples até a mudez completa, em casos graves. Podem ocorrer ainda a disartria, a gagueira e os transtornos de tonalidade. Nos espásticos, é comum encontrar pacientes com perda de suavidade e do ritmo na linguagem, articulação deficiente das palavras, perda de inflexão, entonação, volume da voz e presença de sons inadequados ou distorcidos (LEITÃO, 1971).
Ainda de acordo com Leitão (1971), as alterações da fala se devem principalmente de lesões cerebrais que afetam músculos do tórax, do abdômen e da laringe.
2.1.3.4 Alterações mentais
Crianças com paralisia cerebral apresentam os mesmos problemas emocionais de crianças comuns como, por exemplo, roer unhas e chupar o dedo. Entretanto, o comportamento das crianças portadoras de PC é caracterizado por um
acentuado e evidente descontrole emocional como hiperatividade, impulsividade, problemas de atenção e irritabilidade (LEITÃO, 1971).
Estima-se que cerca de 75% das crianças com PC apresentam dificuldades para se adaptar emocionalmente. Um dos problemas que agravam as alterações mentais é a relação entre a criança e sua família ou pessoas que mantém contato com ela. A falta de conhecimento e também de habilidade faz com que familiares e amigos, ao tentarem ajudar, acabem prejudicando a criança e provocam o agravamento de sintomas gerando sérias perturbações no comportamento (LEITÃO, 1971).
2.2 TETRAPLEGIA
A medula espinhal, de acordo com a Rede Sarah (2014), é formada por neurônios e suas extensões, as quais são chamadas de axônios, e também é dividida em segmentos, conforme demonstrado na Figura 3. Na medula cervical estão os segmentos C1 a C8 que controlam a sensibilidade e movimento dos membros superiores. T1 a T12 são os segmentos torácicos e controlam o tórax e abdômen. A sensibilidade e movimentação dos membros inferiores são ligadas aos segmentos lombares L1 a L5. E os segmentos sacrais, por fim, estão relacionados aos órgãos genitais e funcionamento da bexiga e intestino.
Figura 3 - Disposição dos segmentos na coluna Fonte: Rede Sarah (2015).
Assim, pode-se concluir que a tetraplegia decorre de uma lesão na medula espinhal de modo a interromper toda a passagem de sinais motores e sensoriais para as periferias do corpo e vice-versa. Desse modo, há perda não só das funções motoras abaixo da lesão, como também de sensações de dor, tato, temperatura e dos membros (não sentem os braços e pernas) e também do controle das necessidades fisiológicas (urinária e fecal). A tetraplegia, segundo o Guia do fisioterapeuta (2011), pode ser dividida em níveis que são classificados de acordo com a natureza da lesão.
Nível C1-C3: Lesão total. Nesse caso o indivíduo possui apenas o movimento da cabeça e pescoço.
Nível C4: Possuem quase toda ou, em alguns casos, toda a inervação do diafragma intacta sendo capazes de encolher os ombros. Porém, assim como aqueles do nível C1-C3, precisam de auxílio para se locomover.
Nível C5: Conseguem fazer o movimento de flexão do cotovelo e, com a ajuda de dispositivos especiais, podem até alcançar a independência alimentar e higiênica.
Nível C6: É o nível mais alto de lesão medular completa em que o indivíduo consegue obter independência funcional em tarefas como alimentação, higiene, banho, cama – através de uma prancha de transferência. Possuí controle sobre movimento da cabeça, pescoço, ombros, braços e pulsos.
Nível C7: Semelhante ao nível C6, mas a pessoa ainda consegue estender os cotovelos. Podem vir a se tornar independentes, através de tecnologia assistiva, na escrita e até usar computadores.
Nível C8: Nesse nível o lesionado já possui mais força e precisão na movimentação dos dedos, garantindo-lhe mais funções manuais tais como alimentação, higiene, vestir-se, tomar banho, atender telefone, digitação e usar computadores – tudo de forma independente.
2.3 TRATAMENTOS
De acordo com Leitão (1971), o programa de tratamento deve ser traçado a longo prazo e visa proporcionar à família da criança um alívio na ansiedade e sensação de insegurança resultante do problema. Para a criança, o programa de habilitação ou reabilitação proporciona uma realização física, emocional e intelectual. Em resumo, proporciona a integração ou reintegração da criança na sociedade. Entre os principais tipos de tratamentos encontram-se: Neuropediatria; cirurgia ortopédica, neurocirurgia e medicina física (fisioterapia).
2.3.1 Neuropediatria
Para Leitão (1971), a neuropediatria tem o objetivo de verificar a possível existência de anomalias de qualquer espécie observando a coluna vertebral, os membros superiores e inferiores, pé torto, abdômen e tórax, cabeça e boca, hérnia umbilical, etc.
Ao especialista cabe o tratamento e controle de cólicas, funcionamento intestinal, deficiências nutritivas, dentição, calcificação dos ossos, alimentação, perturbações respiratórias e também a prevenção de convulsões (LEITÃO, 1971).
2.3.2 Cirurgia Ortopédica
Os processos de cirurgia ortopédica não possuem efeitos curativos. Sua principal finalidade é corrigir as deformidades que foram se desenvolvendo. Em razão de métodos fisioterapêuticos e neurofisiológicos desenvolvidos mais recentemente, a cirurgia ortopédica ficou limitada aos casos em que as deformidades não são redutíveis com a mera aplicação de exercícios ou quando há uma limitação articular que se instala por causa de fortes contraturas (LEITÃO, 1971).
Os principais processos cirúrgicos ortopédicos empregados na PC são: a. Alongamento do tendão de Aquiles – para correção do equinismo, que é uma deformação no pé.
b. Alongamento ou tenotomia dos flexores do joelho – para corrigir a deformidade em flexão do joelho.
c. Tenotomia dos adutores e neurectomia do nervo obturador – para combater a marcha em tesoura.
d. Artrodese do pé – para corrigir varus e valgus, que são tipos de deformidades nos ossos das pernas.
e. Processos cirúrgicos sobre os membros superiores – para corrigir a adução do polegar e as deformidades em flexão do punho e cotovelo.
2.3.3 Neurocirurgia
A neurocirurgia atua diretamente sobre setores delicados da anatomia cerebral e sobre a lesão propriamente dita. Um dos exemplos de resultados obtidos com a neurocirurgia foi o controle das convulsões e hemiplegia infantil (LEITÃO, 1971).
2.3.4 Fisioterapia
A fisioterapia se preocupa na reabilitação dos movimentos, dentro do possível, na prevenção de posteriores complicações, tais como perda de massa muscular e aparecimento de escaras e úlceras, e também na reintegração do paciente na sociedade. Entre os principais tipos de fisioterapia se encontram: Cinesioterapia; Ortostatismo; Mecanoterapia, Hidroterapia e Exercícios de fortalecimento, equilíbrio e posicionamento (FABRIS; BASTOS, 2008).
2.3.4.1 Cinesioterapia
Consiste em alongamentos e na movimentação passiva do paciente, desde o momento do leito e se estende nas outras fases de reabilitação. Basicamente é a movimentação dos membros do corpo de forma lenta e progressiva com o objetivo de evitar deformidades, rigidez das articulações, perda de amplitude dos movimentos e enfraquecimento dos mesmos. Os exercícios são feitos de forma lenta para que se tenha uma progressão gradual, pois, do contrário, podem ocorrer distensões musculares e fraturas (FABRIS; BASTOS, 2008).
O exercício árduo, com muita intensidade, aumenta a degeneração das fibras musculares e assim, pode acentuar a fraqueza muscular (BOFFA et al, 2005).
Segundo BOFFA et al. (2005), os exercícios devem ser incorporados ao cotidiano do paciente desde o momento que a distrofia muscular é diagnosticada. Os pacientes, principalmente as crianças, devem ser incentivados a manterem-se ativos o máximo possível. Para tanto, o fisioterapeuta deve programar exercícios para cada paciente observando as fases de sua patologia e, enquanto isso, avaliações periódicas devem ser realizadas para observar o progresso do paciente.
Quando se trata de crianças, os exercícios ativos livres, alongamentos musculares, treino de equilíbrio em diversas posturas e exercícios respiratórios podem ser ocultados dentro de atividades lúdicas, ou durante atividades do dia-a-dia, como na Figura 4, para despertar o interesse e a presença constante delas no tratamento (BOFFA et al., 2005).
Figura 4 - Exercícios e atividades cotidianas Fonte: Boffa et al(2005).
As atividades devem ser realizadas em diversas posturas, Figura 5, para estimular o tônus, o trofismo e as fibras musculares.
Figura 5 - Atividade de alongamento e estimulo Fonte: Boffa et al(2005).
O correto posicionamento dos pacientes deve ser realizado constantemente, pois as posições que eles costumam adotar contribuem para os encurtamentos musculares. A Figura 6 exemplifica um correto posicionamento do paciente ao utilizar uma mesa.
Figura 6 - Posicionamento sentado Fonte: Boffa et al. (2005).
2.3.4.2 Ortostatismo
São os exercícios que, segundo Fabris; Bastos (2008), objetivam levar o paciente, gradativamente, para a posição vertical (em pé). Em diferentes posições, o corpo se comporta de diferentes maneiras, seja nos batimentos cardíacos, na respiração, na circulação do sangue e no comportamento de outros órgãos. Por isso, a movimentação deve ser progressiva, pois se o paciente for colocado de imediato na posição vertical, poderão ocorrer náuseas e tonturas, sendo possível ocorrer até mesmo desmaios. O principal benefício está na circulação sanguínea do corpo, o que trará melhorias em alguns órgãos podendo até evitar úlceras.
2.3.4.3 Mecanoterapia
A mecanoterapia corresponde à exercícios realizados através de aparelhos de musculação adaptados. Os tipos de movimento e a carga máxima são definidos após testes realizados por fisioterapeutas. O objetivo principal é o fortalecimento e aumento da resistência muscular (FUNDAÇÃO SELMA, 2014).
2.3.4.4 Hidroterapia
A hidroterapia, Figura 7, é um método complementar, que deve ser levado conjuntamente com a cinesioterapia, para tratamento em diversas patologias, incluindo as neuromusculares. Vem sendo recorrida cada vez mais na área médica e abre caminhos para novos tratamentos proporcionando mais dinamismo para a vida do paciente e manutenção das suas funções fisiológicas (BOFFA et al. , 2005).
Figura 7 - Atividades de hidroterapia Fonte: Boffa et al. (2005).
2.3.4.5 Posição, Equilíbrio e Fortalecimento
Exercícios que são baseados em alongamentos, trocas de posições e fortalecimento de alguns músculos e movimentos, de modo a acostumar o paciente a outras situações e, em longo prazo, podem lhe dar mais força e autonomia para executar tarefas como: higiene, alimentação e até praticar esportes e dirigir (FABRIS;BASTOS, 2008).
2.4 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Entre os principais equipamentos a serem utilizados, tanto nos exercícios quanto no dia a dia, em pacientes com tetraplegia, se encontram prancha ortostática e cadeira ortostática.
2.4.1 Prancha Ortostática
É uma espécie de maca com amarras para prender o paciente, com o objetivo de deixar o paciente em uma posição ereta, não necessariamente em 90º, para que se tenha uma melhor circulação de sangue, melhor funcionamento do sistema respiratório e evita o agravamento de deformidades (FABRIS; BASTOS, 2008).
2.4.2 Cadeira Ortostática
Semelhante à cadeira de rodas, porém com regulagem mecânica para a posição ortostática (muda da posição sentada para em pé). Desse modo une as vantagens dos dois equipamentos e permite certa movimentação do usuário (FABRIS; BASTOS, 2008). Uma imagem de uma cadeira pode ser vista na Figura 8.
Figura 8 - Cadeira Ortostática Fonte: Freedom (2015).
2.5 AUTOMAÇÃO E TECNOLOGIA ASSISTIVA
Segundo Gomes (2013), a automação pode ser definida como um sistema de controle automático que visa reduzir a interferência do homem no processo de modo a diminuir erros, aumentar a precisão e eficiência, obter uma maior produtividade (fabricar mais em menos tempo), diminuir o custo, dentre outros. Consiste na utilização de equipamentos e softwares que atuarão sobre outra máquina ou processo e verificarão seu próprio funcionamento como demonstrado na Figura 9.
Figura 9 - Sistema de controle em malha fechada Fonte: Gomes (2013).
Em um sistema de controle em malha fechada, o controle atua sobre o processo que, por sua vez, manda um sinal de saída o qual será verificado pelo sensor e será remetido ao controle. O controlador, então, verificará se o processo está atuando dentro dos parâmetros definidos e, caso esteja acima ou abaixo do indicado, irá fazer os ajustes necessários. Um exemplo prático desse sistema é o controle de temperatura de piscinas. O usuário irá indicar a temperatura que deseja (sinal de entrada) no sistema de controle de temperatura (controlador) que começará a atuar sobre a água da piscina (processo) para deixa-la na temperatura desejada (sinal de saída). Sempre haverá o sensor que medirá a temperatura para verificar se está dentro do parâmetro definido pelo usuário e, caso não esteja, comunicará o controle para que sejam feitos os ajustes.
O exemplo descrito acima é uma aplicação mais industrial da automação. Entretanto, existem outros níveis de aplicação, tais como na tecnologia assistiva. Pode-se citar, por exemplo, a automação residencial que controla, à distância, a
temperatura da casa, abertura de janelas, câmeras, alarme e outros. E também tecnologias que auxiliam as pessoas com deficiência como cadeirantes, deficientes auditivos ou visuais, pessoas com dificuldades na escrita ou que perderam membros. Embora existam diferentes aplicações para a tecnologia assistiva, seu uso mais comum está no auxílio a pessoas com algum tipo de deficiência. Um dos exemplos de automação como tecnologia assistiva para deficientes são os membros mecânicos, conforme a Figura 10, para aqueles que perderam braços ou pernas,
Figura 10 - Prótese de perna com movimento natural Fonte: Vida Binária (2011)
Outro exemplo são os elevadores para acesso de cadeirantes à tubos de ônibus, conforme a Figura 11.
Figura 11 - Cadeirante fazendo uso de uma plataforma Fonte: Mão na roda (2015).
2.6 HARDWARE
2.6.1 Microcontroladores
Segundo Brain (2014), o microcontrolador pode ser considerado um computador, pois, como tal, também possui uma unidade de processamento central (CPU), memória onde irá armazenar as variáveis e entradas e saídas para interagir com o usuário. O que diferencia o microcontrolador de um PC convencional, além do seu tamanho, é sua aplicação. Os computadores de mesa (Desktops) são utilizados para uma infinidade de processos e rodam diversos softwares, enquanto que os microcontroladores destinam-se a processos específicos, sendo, na maioria das vezes embutidos em outros equipamentos (eletrônica embarcada). Além disso, possuem clock (frequência de operação) e componentes lógicos e aritméticos assim como os microprocessadores, porém, dispõem de componentes extras em seu interior. Entre esses componentes se encontram memória de leitura e escrita para armazenamento de dados, memória somente de leitura, EEPROM para armazenamento permanente e outros dispositivos periféricos como conversores analógicos/digitais e vice-versa. Assim, diferentemente do microprocessador que apenas processa instruções e fornece o resultado pelos pinos de saída, o microcontrolador pode realizar as mesmas tarefas sem uma grande quantidade de dispositivos externos – que já estão na sua estrutura interna. Entre suas principais vantagens destacam-se: custo reduzido; praticidade; economia de espaço e flexibilidade.
2.6.2 Arduíno
O arduíno é uma plataforma de desenvolvimento de hardware aberto, projetada com base nos microcontroladores da Atmel. As placas padrões do arduíno possuem alguns componentes básicos como controlador, entradas e saídas
analógicas e digitais e interface USB ou serial para comunicação externa (ARDUÍNO 2015).
Seu projeto teve início em 2005, na Itália, com o objetivo de criar uma plataforma que facilitasse e barateasse a prototipagem e desenvolvimento de sistemas embarcados e tornar-se possível uma maior implementação de projetos em nível comercial, acadêmico e doméstico. Sua plataforma é composta de hardware, com os componentes básicos descritos acima, e também de um software para desenvolvimento. O software é um ambiente de desenvolvimento multiplataforma, desenvolvido em java, de fácil acesso e implementação que conta, além do editor de código, com um recurso para compilar e carregar o programa para o hardware com um único clique. Sua principal linguagem de programação utilizada é C/C++ (ARDUÍNO 2015).
Entre seus produtos estão placas padrões para programação como arduino uno, Due e Ethernet. Há também kits de iniciantes, que contam com manual de projetos e componentes eletrônicos básicos, como o Arduino Starter Kit e uma impressora 3D de pequeno porte.
2.6.3 Arduíno Uno
Entre as placas do arduíno, a escolhida para o projeto foi a do Arduíno Uno, baseado no microcontrolador ATmega328. Ele pode ser alimentado por uma fonte de 5V ou via USB, possuí 14 saídas e entradas digitais, 6 entradas analógicas, um botão reset, uma interface USB para conectar com o computador, um clock de 16 MHz, entre outros.
2.7 LINGUAGEM C
De acordo com Ritchie (2015), a linguagem C foi inventada na década de 70 para ser a linguagem de implementação do sistema operacional Unix. Ela é o resultado do desenvolvimento de outras linguagens como a BCPL, desenvolvida por
Martin Richards e a Linguagem B, desenvolvida por Ken Thompson e é orientada para a programação de sistemas, além de ser pequena e descrita compactamente, fazendo com que seja amena para a tradução por compiladores simples.
De acordo com Santos (2015), a linguagem C se depara com seus limites quando o programa está próximo de 100 000 linhas de código. Por isso, na década de 80, Bjarne Stroustrup acrescentou diversas novas "classes" gerando assim a linguagem C++, que suporta programação orientada a objetos. Suas principais plataformas de desenvolvimento são Dev C++, Visual Studio e NetBeans.
3 DESENVOLVIMENTO
Dada à multidisciplinaridade do trabalho, foram estabelecidas etapas para o desenvolvimento do mesmo:
3.1 PESQUISA DE CAMPO
A concepção do projeto teve como base o trabalho desenvolvido pelos alunos de mecânica no laboratório de tecnologia assistiva do Departamento Acadêmico de Mecânica (DAMEC) da UTFPR, Campus Curitiba. Há anos os alunos, juntamente com os fisioterapeutas da Associação Erceana de Campo Largo (E.R.C.E.), Figura 12, desenvolvem equipamentos de tecnologia assistiva para as crianças com deficiência dessa instituição.
Figura 12 - Instituição E.R.C.E. de Campo Largo. Fonte: Autoria própria
Dentre os principais equipamentos desenvolvidos, estão uma prancha ortostática e uma cadeira postural como na Figura 13.
Figura 13 - Prancha Ortostática (a) e cadeira postural (b) desenvolvidas pelos alunos do DAMEC.
Fonte: Autoria própria.
Analisando a utilização desses equipamentos projetados para a E.R.C.E, foi possível constatar que uma automatização dos mesmos poderia superar algumas dificuldades encontradas diariamente, tais como limitações das atividades (em face da falta de equipamento), falta de pessoal (o que acarreta em um maior número de atividades desenvolvidas por um profissional) e número crescente de pacientes (exigindo maior número de equipamentos e sobrecarregando a rotina da equipe técnica). Assim, um equipamento que operasse em modo automático, permitiria que o número limitado de profissionais conseguisse atender um número maior de crianças simultaneamente. Destra forma surgiu a ideia de se projetar uma cadeira postural automatizada.
Para dar início ao projeto, foi decidido pela realização de uma pesquisa com os profissionais de saúde da instituição para a qual a cadeira seria destinada. A pesquisa tinha como finalidade a obtenção de informações acerca dos tipos de exercícios e movimentos que são realizados diariamente com as crianças e sobre suas características fisiológicas, tais como altura e peso médio.
A entrevista foi realizada durante uma visita feita à instituição no dia 27/11/2014, com profissionais clínicos da E.R.C.E e pode ser conferida no Apêndice C.
3.2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO DA CADEIRA
A partir dos dados coletados quando da visita à instituição e da entrevista com os fisioterapeutas, foi dado início ao desenvolvimento do projeto da cadeira.
Primeiramente, foi necessário definir como seria a movimentação da cadeira para que essa pudesse obter resultados semelhantes aos dos exercícios citados. Baseado na resposta da pergunta 4 da entrevista do Apêndice C, foi possível constatar que os exercícios realizados com as crianças são semelhantes aos exercícios de cinesioterapia citados anteriormente e que consistem principalmente na articulação dos membros para fortalecimento muscular e maior flexibilidade. Desse modo, observamos que o movimento principal realizado pela cadeira seria uma alternância entre uma posição de repouso, onde a criança ficaria sentada, e uma posição totalmente ereta, trabalhando assim posicionamento e articulação dos membros, Figura 14.
Figura 14 - Posição Sentada (esquerda) e posição ereta (direita) Fonte: Autoria própria.
O ponto de partida para decidir as dimensões da cadeira, foi a altura média das crianças que a usariam e que, de acordo com a entrevista é de aproximadamente 1m de altura. Através deste dado pode-se estipular o tamanho que as partes móveis da cadeira (encosto, assento e apoio de pernas) somariam juntos na posição ereta. Por razões de variabilidade dos tamanhos das crianças, foi
adicionada uma margem no tamanho das partes, que juntas somariam 1300mm. As partes móveis foram divididas em: encosto de tronco com 550mm, assento com 300mm e apoio de pernas com 450mm, sendo tais medidas suficientes para abranger a variabilidade das estaturas das crianças. Para assegurar que as três partes da cadeira teriam liberdade de movimentação, foi decidido que elas se uniriam por dobradiças, fazendo com que a medida final totalizasse 1332mm.
Foi constatado que ao sair da posição de repouso para a posição ereta, a cadeira realiza o movimento em cima de um ponto, o ponto A, Figura 15, localizado abaixo do acento, que necessariamente precisa estar fixo para garanti-lo. Definimos que esse ponto ficaria a 100mm de distância da parte da frente da cadeira, para garantir o movimento total e sendo um ponto de sustentação.
Figura 15 - Ponto A Fonte: Autoria própria.
Com o tamanho da estrutura e de suas partes móveis previamente determinados, foi observado que a cadeira, ao partir da posição de repouso até ficar completamente ereta, desloca-se a um ângulo de 47,29º em relação a sua base. Ao analisar todo o movimento, foi possível verificar que a forma mais simples de realizá-lo seria se a força fosse aplicada no ponto médio do assento da cadeira, que chamamos de ponto B. Através disso pode se calcular que para chegar a 47,29º, este ponto se desloca 63,19mm no eixo Y, como mostra a Figura 16.
Figura 16 - Ângulo e deslocamento do assento. Fonte: Autoria própria.
Uma vez que o deslocamento do ponto médio seria de 63,19mm, foi decidido que o esforço seria feito por um atuador linear. Este atuador é um mecanismo composto de motor interligado com um pistão que ficaria posicionado abaixo do acento da cadeira e ao ser acionado pelo motor, faria o acento levantar.
Para adquirir o atuador, primeiro teríamos que saber qual o tamanho que ele precisaria ter e o curso do pistão, para o movimento ser preciso e também o torque para poder aguentar o peso mínimo da criança. Entretanto, ao pesquisar os atuadores disponíveis no mercado, percebemos que os fabricantes disponibilizavam apenas atuadores com deslocamento de curso de 50mm, 100mm, 150mm, 200mm, etc. Assim, não foi possível achar um atuador com o deslocamento igual ao do ponto médio (B) da Figura 16, com 63,19mm. Por esse motivo definiu-se o ponto C, Figura 17, que se distancia 33,98mm do ponto B em relação ao eixo Z, isso para que o deslocamento realizado fosse de 100mm, coincidindo com o motor disponível no mercado.
Figura 17 - Ponto C Fonte: Autoria própria.
Como foi levantado na pesquisa do Apêndice 3, o peso médio das crianças que utilizariam o equipamento seria de 40Kg, e desse modo o motor precisaria realizar no mínimo um esforço de 40Kgf. O atuador de 100mm citado anteriormente tem capacidade de trabalhar com cargas de até 1200N ou 122Kgf, o equivalente a uma pessoa de 122Kg aproximadamente. Portanto, o atuador de 100mm possui também o torque necessário para as especificações do projeto. Sendo assim, este foi o atuador escolhido para o projeto, pois além de preencher todos os requisitos técnicos, ele apresenta economia de espaço sendo pequeno, leve e fácil de manejar (Anexo A).
Para fixar o motor na cadeira, foi projetado um acoplamento, em forma de T, Figura 41, cuja parte horizontal possuí dois parafusos que fixam na parte de baixo do assento, e a parte vertical possuí um parafuso que é conectado juntamente com o furo do atuador, Figura 52 (esquerda).
Com o atuador fixado no assento através do T, foi possível medir a distância que ele ficaria da base da cadeira, necessitando de um apoio para mantê-lo fixo. Assim, fez-se necessário o projeto de um mancal, fixo na base da cadeira, que sustentasse o motor. Como a distância do motor, fixado no assento, até o chão é de 270,72mm, o mancal deveria ter essa mesma medida ficando o seu esboço, tal como na Figura 38.
Tendo então as dimensões da estrutura da cadeira, as das partes moveis, o ângulo do deslocamento juntamente com o ponto de aplicação da força e as especificações do motor, mancal e do acoplamento, foi projetado o esboço da cadeira que deveria ser montada tal como na Figura 18.
Figura 18 – Esboço da cadeira, visão em perspectiva (a) e visão lateral (b) Fonte: Autoria própria.
3.3 MATERIAL UTILIZADO NA ESTRUTURA
Primeiramente foi realizada uma pesquisa entre os fabricantes e distribuidores de equipamentos fisioterapêuticos e posturais, tais como cadeiras de rodas, para descobrir qual era o material mais utilizado em suas fabricações. Entre as indústrias pesquisadas, estão a Ortobras e a Jaguaribe. Ambas, com mais de 30 anos de mercado em diversos países, desenvolvem principalmente cadeiras de rodas e outros produtos que possibilitam um maior conforto e qualidade de vida para as pessoas como mobilidade reduzida.
Analisando os equipamentos das empresas citadas, foi constatado que os materiais mais utilizados nas suas estruturas, são o aço carbono e o alumínio. A Jaguaribe possuí, por exemplo, a Cadeira de Rodas Ágile, Figura 19-A, feita em alumínio aeronáutico. A Ortobras, possuí equipamentos tais como a Cadeira de Rodas ULX Reclinável, Figura 19-B, e muitas outras cadeiras para adultos e crianças, todas feita em alumínio aeronáutico temperado.
Figura 19 - Cadeira Ágile em alumínio aeronáutico(A); Cadeira ULX reclinável em alumínio aeronáutico temperado(B).
Fonte:Jaguaribe (2015).
Sabendo da necessidade de um produto com custo abaixo do mercado, foi pesquisado um material que apresentasse custo inferior aos materiais utilizados pelas indústrias (aço e alumínio) e que apresentasse boa resistência mecânica, dentro dos requisitos do projeto.
O material escolhido para o desenvolvimento da cadeira foi o PVC. Um material de baixo custo, sendo mais barato que o aço e o alumínio, que não reage com materiais de construção e a maioria dos reagentes químicos, é durável e extremamente fácil de utilizar. Os encaixes e acoplamentos padronizados dos tubos de PVC permitem que até pessoas inexperientes possam lidar com construções feitas nesse material. Outro fator importante é sua alta resistência mecânica, demonstrada em ensaios de tração realizados em um trabalho desenvolvido por alunos da Mecânica. A leveza do material combinada com sua alta resistência proporciona uma combinação ideal para equipamentos assistivos.
3.4 DESENVOLVIMENTO DA ESTRUTURA
A montagem da cadeira foi realizada no laboratório de tecnologia assistiva da UTFPR e todas as peças, e seus respectivos esboços, que foram utilizadas para montar a estrutura podem ser conferidas no Apêndice A Concluída toda a montagem, a cadeira ficou tal como demonstrada na Figura 20.
Figura 20 - Estrutura da cadeira montada com componentes de PVC. Fonte: Autoria própria.
Após a montagem da cadeira, foram confeccionadas, no setor de soldagem e usinagem da UTFPR, duas peças. A primeira foi o mancal do motor, Figura 38 do Apêndice A, através da soldagem de uma chapa com uma barra e com um bloco, feitos de aço, e que também foram trabalhados na fresadora para adquirirem as medidas indicadas no desenho. A outra peça foi o acoplamento, que prende a parte superior do motor à parte inferior do assento da cadeira, através da soldagem de duas pequenas chapas de metal em formato de T como demonstrado na Figura 41 do Apêndice A. Estando a estrutura da cadeira e de acoplamento do motor prontos, o mancal e acoplamento superior foram fixados à cadeira através de parafusos.
Assim ficou concluída toda a estrutura mecânica do projeto, que envolveu tanto a forma da cadeira, quanto a integração com o motor.
3.5 DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE E SOFTWARE DE ACIONAMENTO
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.
