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TÍTULO: REPRODUÇÃO DOS MOVIMENTOS DO MEMBRO SUPERIOR HUMANO EM AMBIENTE
VIRTUAL
TÍTULO:
CATEGORIA: CONCLUÍDO
CATEGORIA:
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA
ÁREA:
SUBÁREA: COMPUTAÇÃO E INFORMÁTICA
SUBÁREA:
INSTITUIÇÃO: FACULDADE DE TECNOLOGIA TERMOMECÂNICA
INSTITUIÇÃO:
AUTOR(ES): VITOR LONGARINI DA COSTA
AUTOR(ES):
ORIENTADOR(ES): MARCO ANTONIO FUMAGALLI, PAULO CESAR DA SILVA EMANUEL, SILVIO
CELSO PEIXOTO GOMES, VALDIR COSTA
ORIENTADOR(ES):
COLABORADOR(ES): VITOR FIORILLO
1 RESUMO
Com os avanços das tecnologias gráficas, e a necessidade de acelerar o processo de criação de material de entretenimento (jogos, filmes e etc.), foram criados os sistemas de captura de movimento. Utilizando estás tecnologias foi possível ler e recriar os movimentos humanos. Embora estas novas técnicas estejam sendo difundidas pelo mundo e se tornando cada dia mais popular, o seu alto preço acaba por diminuir a acessibilidade de consumidores. Sendo assim, este projeto se baseia nesta tecnologia para tentar criar um sistema de MoCap de baixo custo para o controle de um modelo tridimensional em ambiente virtual. Foi então utilizado um exoesqueleto passivo com a finalidade de medir os deslocamentos dos eixos do membro superior humano de quem o utiliza, também foi construído um circuito eletrônico utilizando a plataforma PIC de microcontroladores para a aquisição, conversão e transmissão de dados de movimentos captados pelos encoders acoplados no exoesqueleto e por último foi criado um ambiente virtual que reproduz os movimentos do membro superior do usuário.
2. INTRODUÇÃO
Diante da necessidade de reproduzir os movimentos do corpo humano, seja para análises médicas ou para entretenimento, surgiram diversas tecnologias que suprem esta demanda. Há diversos métodos de aquisição de dados como por sistemas mecânicos, óticos, sensores inerciais e magnéticos. Estas técnicas estão ganhando um espaço muito grande no mercado, pois elas garantem que os mais complexos movimentos do corpo sejam representados em ambientes virtuais ou até mesmo reais, como em sistemas de exoesqueletos ativos (PINHEIRO, 2008).
Atualmente a indústria de jogos tem explorado bastante esse mercado, trazendo para o usuário novas formas de interação com seus produtos. Um bom exemplo é o dispositivo de captura de movimentos por câmera Kinect da Microsoft. Quando conectado a um console XBOX 360 ou XBOX One, ambos também da Microsoft, ele reproduz de forma satisfatória as variações de deslocamento do usuário, o que torna partidas de tênis, por exemplo, tão interessantes e divertidas quanto um jogo na vida real (CAVALCANTE, 2012).
Tendo em vista a evolução no mundo dos games, as ciências médicas já veem novas possibilidades para a aplicação na área de treinamento para médicos e até mesmo tratamentos de disfunções gerais, como a perda total ou parcial da mobilidade de um membro. Com o auxílio das tecnologias de captura é possível mensurar capacidades e limitações físicas dos pacientes, na qual o médico pode diagnosticar e selecionar o melhor tratamento ou procedimento para a recuperação da pessoa
Embora seja uma área em franco crescimento, as tecnologias de aquisição de dados de movimentos ainda são caras, principalmente as mais eficazes e com mais precisão. Ciente dessa característica, este projeto visa baratear os custos para aplicação da captura de movimentos utilizando um exoesqueleto passivo.
3. OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver um modelo virtual tridimensional capaz de reproduzir os movimentos do membro superior humano, utilizando os dados captados de um exoesqueleto passivo por meio de encoders. Para a realização do projeto foram delimitados objetivos específicos, sendo eles, desenvolver um sistema de baixo custo para a reprodução dos movimentos do membro superior humano em ambiente virtual e criar um circuito de aquisição de dados do exoesqueleto utilizando o sistema de comunicação SPI.
4. METODOLOGIA
A metodologia deste projeto está dividida em três partes, sendo elas, o sistema de exoesqueleto passivo, circuito de aquisição de dados e o ambiente virtual.
Quanto ao exoesqueleto, trata-se de um “exoesqueleto passivo, mecânico, modular e anatômico capaz de medir tridimensionalmente os graus de liberdade do membro superior humano de modo a permitir que as medições fossem realizadas durante atividades diárias” (Emanuel, 2015).
Este exoesqueleto foi baseado em um modelo matemático proposto por Emanuel (2015), que foi adaptado de Klopčar, Tomšič e Lenarčič (2007), que busca representar de uma forma simplificada a cinemática dos componentes do sistema cintura escapular, braço e antebraço.
Em conjunto com o exoesqueleto foi criado um sistema de aquisição de dados que utiliza microcontroladores e comunicação SPI para realizar as leituras dos encoders, converter os pulsos elétricos em valores numéricos e enviar via comunicação serial para o computador que por último, utilizara destes dados para simular a movimentação do membro superior humano no ambiente virtual.
O ambiente virtual conta com um modelo tridimensional do corpo humano que reproduzirá os movimentos do usuário a fim de gerar indicativos e valores que tornarão mais visíveis os progressos e limitações de pacientes em fisioterapia, facilitando assim o processo de reabilitação de pacientes com limitações motoras.
Para fazer a construção do ambiente de simulação, foi utilizado o motor de jogos Unity. Através dele foi possível integrar um modelo de corpo humano em 3D e os dados enviados pelo circuito eletrônico, e assim, através dos métodos necessários, as informações fornecidas pelo exoesqueleto foram convertidas e reproduzidas no modelo tridimensional.
5. DESENVOLVIMENTO
O exoesqueleto passivo que foi utilizado neste projeto, mostrado na figura X, conta com encoders angulares óticos, posicionados nos eixos de movimentação que vão da cintura escapular até o antebraço, possibilitando a aquisição de dados de até sete eixos de movimentação.
Figura x – Exoesqueleto desenvolvido
Fonte: EMANUEL (2015)
Comentado [PIVLdC1]: Enviá-los via comunicação serial
para o computador, que, por último, utilizará esses dados [...]
Os dispositivos adotados são encoders rotativos Q9898 da empresa HP (Hewlett-Packard) do tipo incremental. O disco gera 512 pulsos por volta o que nos garantiu a precisão necessária para leituras de movimentos mínimos.
Estes encoders são acoplados em cápsulas, vistos na Figura X, com rolamentos para tornar o movimento mais suave, não prejudicando a mobilidade do usuário.
Figura 25 - Modelo explodido de um módulo de acoplamento
Fonte:Emanuel (2015)
Após a captura dos dados de variação dos ângulos de movimento do membro superior, faz se necessário trabalhar essas informações. Sendo assim, todos os valores de leitura são enviados para um dispositivo processador para que os dados coletados sejam trabalhados de acordo com as necessidades deste trabalho.
Para o processamento dos dados coletados pelos encoders, foram necessários microcontroladores para exercerem tal função. O circuito eletrônico utiliza dois modelos de controladores: o PIC 18F4431 e o PIC 18F2431, como podemos ver na Figura x, ambos produzidos pela empresa Microchip, a família PIC 18F realiza a leitura de apenas um encoder em cada microcontrolador, por isso necessitamos de um para cada eixo de movimento. Para resolver este problema utilizamos a comunicação de Interface Periférica Serial (SPI) para unificar os dados em um único microcontrolador denominado mestre.
Comentado [PIVLdC2]: Que realiza conversões de
unidades e as envia para um microcontrolador mestre, apresentado adiante.
Comentado [PIVLdC3]: Foram usados Comentado [PIVLdC4]: remover
Figura 27 - Circuito de aquisição construído em uma protoboard.
Fonte: Própria
O microcontrolador mestre é responsável também por realizar o envio de dados para o computador através da comunicação serial, enviando uma variável do tipo string (texto) contendo todos os valores lidos pelos microcontroladores.
Finalmente os dados são enviados para a Unity onde serão convertidos em ângulos e aplicados nas articulações do modelo tridimensional. Todos estes passos descritos anteriormente acontecem cerca de sessenta vezes por segundo sendo atualizados a cada frame do motor de jogos.
Figura - Unity com o modelo 3D adicionado
6. RESULTADOS
Integrando o sistema mecânico, o circuito de aquisição de dados e o software Unity foram feitos testes e avaliações do dispositivo. O circuito de aquisição respondeu bem às expectativas, entregando os dados de movimento do membro superior captados pelos encoders. O sistema como um todo atingiu os objetivos, que era reproduzir os movimentos do membro superior humano em ambiente virtual, na qual o modelo tridimensional esta variando a posição do braço proporcionalmente à quantidade de movimento lido pelos encoders de acordo com a Figura 48.
Figura 1 - Usuário realizando movimentos com o membro superior
Fonte: Própria
A imagem representa os movimentos do membro superior realizados pelo usuário. Podemos ver na imagem três posições, sendo elas:
a) Repouso: o usuário não realiza qualquer tipo de variação na posição do membro.
b) Extensão do braço: onde o usuário estende o braço de forma a criar um ângulo de aproximadamente 90°em relação a posição de repouso.
c) Extensão do cotovelo: o cotovelo do usuário apresenta um ângulo de aproximadamente 90°.
Figura 2 - Modelo tridimensional reproduzindo os movimentos do usuário
Fonte: Própria
A Figura 2 representa os movimentos realizados pelo usuário sendo reproduzidos no modelo tridimensional, de modo que as variações de movimento estão sendo representadas de forma verossímil no ambiente virtual do projeto. Embora este projeto não apresente os valores exatos de mensuração de deslocamento, devido as análises realizadas, o circuito parece ser verossímil em relação a quantidade de movimento exercida pelo membro superior.
O sistema apresenta um pequeno atraso perceptível em relação aos movimentos reais. Isso se dá pelo extenso caminho percorrido pelos dados e pela grande quantidade de operações e procedimentos que essas informações têm que sofrer para que a reprodução dos movimentos seja entregue.
Para contornar este problema sugerimos a diminuição do atraso do tempo de envio dos dados pelo máster de 16 milissegundos para o menor tempo possível. Ainda como uma alternativa seria aumentar a taxa de velocidade de transmissão dos dados via serial, que atualmente está em 9600.
Por motivos de limitação mecânica, o projeto somente pode ser testado em dois graus de liberdade, que são adução e abdução e flexão e extensão do cotovelo, pois o exoesqueleto possui limitações na medição de flexão e extensão do braço. Apesar disso, o sistema é capaz e está preparado para fazer a reprodução de todos os movimentos dos sete graus de liberdade propostos por Emanuel (2015).
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O sistema desenvolvido possui capacidade para realizar a virtualização de até sete graus de liberdade em qualquer eixo de movimentação do membro superior humano em sua parte computacional, porém os movimentos do membro superior humano são muito diversos e desenvolver um sistema que capte todos estes movimentos de forma precisa é extremamente complicado, o que limitou o projeto a reproduzir a dois graus de liberdade localizados no ombro (movimento de flexão e extensão) e no cotovelo.
O sistema projetado em ambiente virtualizado permitiu a reprodução dos movimentos considerados coletados por aquisição na forma integral. Este recurso é muito importante pois possibilitará a reabilitação automatizada com auxílio de sistema exoesqueleto passivo.
Sendo assim, como trabalhos futuros poderiam ser implementados os demais graus de liberdade do modelo ao sistema de aquisição de dados, para que fosse possível trabalhar com mais graus de liberdade e em outras áreas do corpo humano, sendo possível chegar a reprodução total dos movimentos do corpo humano.
Outro fator de contribuição seria utilizar a comunicação sem fio no padrão Bluetooth para substituir a transmissão física de dados entre o controlador mestre e o computador, ampliando liberdade de movimentos dos usuários.
8. FONTES CONSULTADAS
MICROCHIP. Produtos:Microchip. Microchip, [s.d]a. Disponivel em:
<http://www.microchip.com/wwwproducts/en/PIC18F2431>. Acesso em: 16 Abril 2016.
CAVALCANTE, F. Z. M. S. Reconhecimento de movimentos humanos para
imitação e controle de um robô humanoide. Universidade de São Paulo. São
Carlos, p. 63. 2012.
EMANUEL, P. C. D. S. DISPOSITIVO DE UM EXOESQUELETO MODULAR
PASSIVO PARA MEDIÇÃO DE MOVIMENTOS DO MEMBRO SUPERIOR E AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES DA VIDA DIÁRIA. UNIVERSIDADE DE MOGI DAS
CRUZES. MOGI DAS CRUZES, p. 77. 2015.
THOMAZINI, D.; ALBUQUERQUE, P. U. B. D. Sensores Industriais - Fundamentos
e Aplicações. 6ª. ed. [S.l.]: ERICA, [s.d]a.
UNITY TECHNOLOGIES. Sobre : Unity Technologies. Unity, 2015. Disponivel em: <https://unity3d.com/pt>. Acesso em: 18 abril 2016.
