1 Estudante do curso Técnico em Informática Integrado ao Ensino Médio do IFC - Rio do Sul. E-mail: danielverdi359@gmail.com.
2 Mestre em Física, UDESC; professor do IFC - Rio do Sul. E-mail: antonio.fidelis@ifc.edu.br. 3 Doutor em Física, UFPR; professor do IFC - Rio do Sul. E-mail: joao.xavier@ifc.edu.br.
SENSOR DE MOVIMENTO 3D PARA EQUOTERAPIA
Conjunto de acelerômetros e giroscópios controlados por Arduino
Daniel Verdi do Amarante1; Antônio João Fidélis2; João Carlos Xavier3
RESUMO
A equoterapia busca desenvolver habilidades físicas e sociais de pessoas com necessidades especiais ou deficiências através do uso do cavalo. Devido ao sucesso da prática, pesquisadores de diversas áreas têm pesquisado o tema, mas há escassez de métodos e técnicas para obtenção de dados quantitativos. Assim, o presente projeto consiste em utilizar acelerômetros ou giroscópios controlados por um Arduino para detectar os movimentos do cavalo e do praticante durante as sessões de equoterapia, com o objetivo de relacionar os movimentos de ambos, buscando, assim, mostrar as relações entre esses movimentos e avaliar a prática da equoterapia. Busca-se também acompanhar as alterações na movimentação, postura e demais aspectos influenciados pela terapia nos praticantes, analisando, portanto, o efeito da mesma. Serão utilizados seis acelerômetros ou giroscópios, dois situados próximos ao coração do praticante, dois na cintura do mesmo e outros dois no cavalo, junto à sela, buscando a relação entre o estímulo recebido pelo praticante e o transmitido pelo cavalo. O desenvolvimento do dispositivo deve facilitar estudos sobre a prática. Após a construção da ferramenta, buscar-se-á analisar os dados coletados através de métodos matemáticos de sistemas dinâmicos.
Palavras-chave: Equoterapia. Sistema embarcado. Sistemas dinâmicos. Arduino.
INTRODUÇÃO
A equoterapia é um método terapêutico que utiliza o cavalo dentro de uma abordagem interdisciplinar nas áreas de saúde, educação e equitação, buscando o desenvolvimento biopsicossocial de pessoas com deficiência e/ou com necessidades especiais (ANDE - Brasil).
Graças aos benefícios promovidos pela prática, vários estudos vêm sendo feitos na área de fisioterapia, buscando compreender os efeitos da equoterapia sobre diversas patologias. No entanto, por vezes, pesquisadores dessa área não encontram materiais para coleta consistente de dados, pelo preço elevado desses recursos ou por estes não atenderem completamente as necessidades de pesquisa.
O IFC Campus Rio do Sul possui um projeto de extensão denominado Equoterapia Aliança, que proporciona a prática de equoterapia à pessoas com necessidades especiais e/ou deficiências físicas da APAE - Rio do Sul. No ano de 2016, foi realizada uma pesquisa intitulada “Movimento Tridimensional na Equoterapia: a Influência das variações do passo equino na semelhança entre o caminhar humano e o andar a cavalo”. O trabalho utilizou o acelerômetro de um smartphone para coleta de dados sobre o movimento do cavalo e do praticante. No
entanto, como o aparelho celular possui apenas um acelerômetro, a coleta de dados com o mesmo torna-se imprecisa, pois obtém os dados de apenas um local, tem um custo elevado, baixa taxa de leitura e peso, que pode interferir nas medidas.
Com tais aspectos em vista, o presente trabalho busca, inicialmente, desenvolver uma ferramenta que auxilie na obtenção de dados do movimento durante a equoterapia, tanto do cavalo quanto do praticante. Com isso, busca-se facilitar estudos sobre a prática, contribuindo com a obtenção de dados quantitativos de forma mais consistente e com um custo razoável.
PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para desenvolvimento da ferramenta, um microcontrolador Arduino Uno será utilizado. Arduino é uma plataforma eletrônica, de código aberto, que oferece hardware, relacionado à eletrônica, e software, à programação, fáceis de usar. As placas Arduino são capazes de ler diversas entradas analógicas e digitais e transformá-lo em dados digitais graváveis. Para isso, utiliza-se a linguagem de programação Arduino (muito semelhante à linguagem C) e o software Arduino (IDE), um ambiente de desenvolvimento que permite a programação e, quando solicitado, envia os códigos à placa (ARDUINO, 2017a).
A obtenção de dados se dará por meio de sensores inerciais. A primeira Lei de Newton, ou lei da inércia, diz que todo corpo tende a permanecer no estado de repouso ou de movimento retilíneo uniforme, a menos que haja sobre ele forças externas que o obrigue a mudar este estado. A inércia é uma propriedade física da matéria que foi estudada e formulada inicialmente por Galileu e, posteriormente, provada por Newton.
Segundo TORRES (2014), sensores inerciais têm por objetivo perceber os efeitos da ação de forças que provoquem uma mudança do estado inercial de sistemas sobre os quais estas forças são exercidas. Esses sensores são baseados na tecnologia MEMS (sigla da língua inglesa para Micro-Electro-Mechanical
Systems, ou seja, Sistemas Microeletromecânicos). São dispositivos capazes de
monitorar variações de velocidade e aceleração através da conversão de forças inerciais em alguma mudança física conhecida que possa ser capturada por um transdutor correspondente e convertida em um sinal elétrico.
A categoria de sensores inerciais baseados em MEMS é representada por dois tipos de dispositivos: acelerômetros e giroscópios. Os primeiros são capazes de aferir a aceleração linear na direção de um eixo referencial, sendo a aceleração igual à razão entre a variação da velocidade pela variação do tempo, isso é, . Já os giroscópios são capazes de medir a velocidade angular em torno de um eixo de referência. A velocidade angular é uma grandeza que representa a taxa de variação da posição angular no tempo, cuja unidade de medida no Sistema Internacional é o radiano por segundo.
Para o presente projeto, utilizaremos o módulo MPU-6050, que conta com um acelerômetro e um giroscópio. Tal sensor utiliza a interface de comunicação I2C (Inter-Integrated Circuit ou I2C), na qual o Arduino funciona como um master, comandando os outros dispositivos, denominados slavers, que devem ser conectados paralelamente. O Arduino possui pinos próprios para a conexão I2C, no
caso do Uno e derivados os pinos são sempre o 4 (SDA) e 5 (SCL). O pino SDA (abreviação de Serial Data) é o que efetivamente transfere os dados, enquanto o SCL (Serial Clock) serve para temporização entre os dispositivos. Sendo assim, a comunicação através da interface I2C é síncrona, já que conta com sinal de clock e, como é possível tanto enviar como receber dados utilizando a linha SDA, é uma linha bidirecional de comunicação (REIS, 2014).
Figura 1 - Pinagem do MPU-6050
Fonte: Site da ARDUINOECIA, 2015.
Para conectar mais de um acelerômetro em um mesmo circuito, é necessário utilizar o pino AD0, que permite decidir qual dispositivo será utilizado para comunicação I2C. Porém, apenas com a utilização desse pino, é possível ter somente dois acelerômetros conectados ao Arduino. Para resolver esse problema, utilizou-se um demultiplexador (modelo 74HC4051), um dispositivo que permite gerenciar uma entrada para várias saídas. Assim, alterar-se-á a entrada de energia ao pino AD0 para o módulo que deverá fazer a leitura naquele momento.
Os dados captados pelos acelerômetros e passados para o Arduino serão gravados em um cartão SD, por meio de um módulo disponível para tal fim. A alimentação da placa será por meio de um carregador portátil, pois o mesmo apresenta um bom custo-benefício quando comparado a baterias 9V.
Os materiais básicos necessários para a construção do dispositivo são: 6 acelerômetros (modelo MPU 6050), 1 Arduino Uno, 1 demultiplexador (modelo 74HC4051), 1 módulo para cartão SD, 1 protoboard 400 furos ou duas de 170 furos, Resistores (dois de 220 Ω), LEDs (duas cores, para o resultado da verificação de funcionamento), carregador portátil, cartão SD e cabos de rede (para conexão dos componentes).
Para realizar a esquematização do projeto, utilizou-se o software Fritzing, o qual é gratuito e de código aberto.
Para compilar um programa normalmente se utiliza um ambiente de desenvolvimento (ou IDE, do inglês Integrated Development Environment), que é um aplicativo de computador que possui um compilador integrado, onde você pode escrever o seu programa e compilá-lo (CHAVIER, 2013). O Arduino é programado usando o Arduino Software (IDE), comum para todas as placas e que pode ser encontrado tanto online quanto offline (ARDUINO, 2017b). Os programas para Arduino são também chamados de sketchs e são feitos em C/C++ (com pequenas modificações).
O desenvolvimento do projeto utilizará um modelo de processo evolucionário, com uma abordagem de prototipação. Segundo PRESSMAN (1995), esse modelo busca desenvolver projetos rápidos para avaliação dos requisitos, podendo ser descartáveis ou evolucionários. Protótipos evolucionários serão transformados ao longo do tempo até tornarem-se a versão final do sistema. Desse modo, planejou-se alguns protótipos, a fim de testar e avaliar cada parte do projeto.
01. Medição com um acelerômetro, mostrando os dados no serial monitor; 02. Protótipo 01, com gravação dos dados no cartão de memória;
03. Protótipo 02, com dois acelerômetros (utilização do pino AD0); 04. Protótipo 03, com mais de dois acelerômetros e utilizando o demux; 05. Protótipo 04, com a verificação de funcionamento e acendendo os LEDs; 06. Protótipo 05, com a utilização dos cabos de rede e conectores;
07. Protótipo 06, com a utilização do power bank como fonte de alimentação do Arduino ;
08. Protótipo 07, adaptado para ser acoplado ao cavalo e ao praticante.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O trabalho ainda encontra-se em desenvolvimento, porém alguns resultados já foram obtidos. Pesquisas foram realizadas para compreender o funcionamento do Arduino, componentes utilizados e protocolos de comunicação empregados, como a necessidade do multiplexador e o acelerômetro mais adequado.
Figura 2 - Esquematização dos protótipo 01 e 02, respectivamente
Fonte: os autores, 2017.
As esquematizações e planejamento dos primeiros protótipos foram concluídos, porém os mesmos ainda podem ser modificados de acordo com os resultados dos testes.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Como o projeto ainda não foi concluído, os objetivos não foram alcançados até o presente momento. Vários estudos foram realizados, buscando encontrar as melhores formas de construir o dispositivo, então a etapa em desenvolvimento é a construção de protótipos e testes dos mesmos, que devem evoluir até
transformarem-se no sistema final. Após o término do desenvolvimento do dispositivo, o próximo passo da pesquisa será a análise dos dados coletados, além da constante busca de aprimoramento da ferramenta.
O presente trabalho possibilita o entrelaçamento das ciências, especialmente exatas e biológicas, ao buscar o desenvolvimento de um dispositivo tecnológico que auxilie no estudo de um tratamento terapêutico. Assim, reafirma-se a importância da pesquisa, que busca unir conhecimentos de diversas áreas.
REFERÊNCIAS
ANDE-BRASIL (Associação Nacional de Equoterapia). O método. Disponível em <http://equoterapia.org.br/articles/index/article_detail/142/2022>. Acesso em 27 de julho de 2017.
ARDUINO. What is Arduino?, 2017a. Disponível em
<https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction>. Acesso em 29 de julho de 2017. ARDUINO. Getting Started with Arduino and Genuino UNO, 2017b. Disponível em <https://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoUno>. Acesso em 17/07/2017. ARDUINOECIA. Acelerômetro e Giroscópio MPU6050 - 28 de abril de 2015. Disponível em <http://www.arduinoecia.com.br/2015/04/acelerometro-giroscopio-mpu-6050.html>. Acesso em 16 de agosto de 2017.
CHAVIER, Luís Fernando. Programação para Arduino - Primeiros Passos, 2013. Disponível em <https://www.circuitar.com.br/tutoriais/programacao-para-arduino-primeiros-passos/>.
CHIROLLI, Milena et al. Movimento Tridimensional na Equoterapia: a influência das variações do passo equino na semelhança entre o caminhar humano e o andar a cavalo. In: Anais de resumos da Mostratec, v.8, 2016. ISSN: 2318-5031.
JUNIOR, Durval Ramos. O que são MEMS?, 2009. Disponível em
<https://www.tecmundo.com.br/nanotecnologia/3254-o-que-sao-mems-.htm>. Acesso em 10 de agosto de 2017.
PRESSMAN, Roger S. Engenharia de software: uma abordagem profissional (tradução Ariovaldo Griesi e Mario Moro Fecchio). 7.ed. Porto Alegre: AMGH, 2011. ISBN 978-85-63308-33-7.
REIS, Valdinei Rodrigues dos. I2C – Protocolo de Comunicação, 2014. Disponível em <http://www.arduinobr.com/arduino/i2c-protocolo-de-comunicacao/>. Acesso em 12/07/2017.
TORRES, Henrique Lanza Faria. Sensores Inerciais - Parte 1, 2014. Disponível em <https://www.embarcados.com.br/sensores-inerciais-parte-1/>. Acesso em 10 de agosto de 2017.
