CONTROLEDAPOSIÇÃODAPERNADEPESSOASHÍGIDASUTILIZANDOUMCONTROLADOR PID
RENAN F. KOZAN1,3, APARECIDO A. DE CARVALHO1, MARCOS V. N. JUNQUEIRA1, MARCELO A. A. SANCHES1,3, MATEUS F. R. URBAN1, MARCELO C.M.TEIXEIRA1, ERICA R. M. D. MACHADO1,
RU-BERLEI GAINO2, WESLEY PONTES3.
1. Laboratório De Instrumentação E Engenharia Biomédica, Departamento De Engenharia Elétrica, Universidade Estadual Paulista Júlio Mesquita Filho, UNESP, Faculdade Engenharia, Campus De
Ilha Solteira.
Avenida Brasil, nº56, Centro, CEP:15385-000, Ilha Solteira, SP, Brasil
2. Laboratório De Controle Avançado, Robótica e Engenharia Biomédica, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual de Londrina.
Rod. Celso Garcia Cid, Pr 445, Km 380, 86057-970
3. Departamento De Engenharia Elétrica, Centro Universitário Toledo. Rua Afonso de Toledo, 595, CEP:16015-279, Araçatuba, SP, Brasil
E-MAILS: RENANKOZAN@HOTMAIL.COM, CARVALHO.APARECIDO@GMAIL.COM, MARCOSVNJ@YAHOO.COM.BR, SANCHES840@YAHOO.COM.BR, MATEUS.URBAN@GMAIL.COM, MARCELO@DEE.FEIS.UNESP.BR, DARUICHI@MAT.FEIS.UNESP.BR, RUBERLEI.GAINO@GMAIL.COM, WESLEY.PONTES@GMAIL.COM.
Abstract The Functional Electrical Stimulation (FES) has been used to help restore motor functions of hemiplegic and para-plegic patients. The FES applied at appropriate levels can be as effective in muscle strengthening as a voluntary muscle contrac-tion. This work is part of a multidisciplinary project that integrates control systems and instrumentation to control the move-ments of the lower limbs of paraplegic patients. Using a digital signal processor and a simplified linear mathematical model, a PID controller was implemented with the aim of controlling the position of the leg of healthy patients. The Neuromuscular Elec-trical Stimulator logic circuit was implemented using LabVIEW. The stimulation parameters can be changed easily and quickly. The experimental results were very close to those simulated. The control system was able to stabilize the position of the leg of a patient at a desired angle.
Keywords FES. PID. DSP. LabVIEW.
Resumo A Estimulação Elétrica Funcional (FES - \textit{Functional Electrical Stimulation}) tem sido utilizada na ajuda do restabelecimento de funções motoras em pacientes hemiplégicos e paraplégicos. A estimulação aplicada em níveis adequados pode ser tão eficaz no fortalecimento muscular quanto uma contração muscular voluntária. Este trabalho faz parte de um projeto multidisciplinar que integra controle e instrumentação que tem por objetivo controlar os movimentos dos membros inferiores de pacientes paraplégicos. Utilizando um processador digital de sinais e um modelo matemático linear simplificado efetuou-se a implementação de um sistema de controle em malha fechada, por meio de um controlador PID, da posição da perna de uma pes-soa hígida. Implementou-se também o circuito lógico de um estágio formador de onda de um Estimulador Elétrico Neuromus-cular, utilizando LabVIEW. Os parâmetros de estimulação podem ser alterados com agilidade e facilidade. Resultados experi-mentais ficaram muito próximos aos obtidos através das simulações. O sistema de controle conseguiu estabilizar a posição da perna de pessoas hígidas no ângulo desejado.
Palavras-chave FES. PID. DSP. LabVIEW.
1 Introdução
Em 2000, segundo o IBGE (2000), esse número de deficientes físicos, paraplégicos e hemiplégicos era de 955.287. Na Europa a prevalência de paralisia muscular foi estimada em 500-1000 pessoas por cem mil (RITTIPAD; CHAROEN, 2008).
Após a lesão medular, os músculos atrofiam ra-pidamente, o que leva a diminuição das atividades do coração e do pulmão. A Estimulação Elétrica Funci-onal (FES) é uma metodologia para ativar
eletrica-mente diversos músculos (WU; YOUNG; KUO, 2002). A FES tem sido utilizada na ajuda ao restabe-lecimento de funções motoras (MARTIN, 1999).
Atualmente, o uso da FES é comumente realiza-do em malha aberta, entretanto quanrealiza-do se trabalha em malha fechada, pode-se controlar de maneira mais eficiente a estimulação elétrica (CRAGO; PECKHAM; THROPE, 1980), propiciando um me-lhor controle dos movimentos e evitando uma fadiga mais rápida dos músculos envolvidos no processo.
No Brasil ainda há poucos pesquisadores e cen-tros que trabalham na área de Engenharia de
Reabili-tação, fazendo com que apenas um reduzido número de pacientes possa ser beneficiado.
Neste trabalho, utilizando FES, efetuou-se a im-plementação de um sistema de controle em malha fechada da posição da perna de uma pessoa hígida.
2 Propósitos
O objetivo principal deste trabalho é o controle da posição da perna de pessoas hígidas utilizando um controlador PID e estimulação elétrica funcional.
Os objetivos secundários são:
Verificar a repetibilidade da posição angular de uma pessoa hígida em resposta à um mesmo estímulo, em momentos diferentes;
Realizar a identificação dos parâmetros de um modelo matemático linear que relaciona a posição angular com um estímulo elétrico.
Projetar, implementar e analisar, utilizando o software LabView e um dispositivo DSP, um controlador PID para o modelo matemático li-near identificado.
3 Métodos
3.1 Estimulador Elétrico Neuromuscular
O Estimulador Elétrico Neuromuscular é com-posto por oito canais, com dois estágios: um forma-dor de onda e outro de potência.
O estágio formador define os parâmetros da es-timulação, que são: o tipo de onda, a frequência do sinal, a largura de pulso e o interpulso.
No estágio de potência é fornecida a potência necessária ao sinal de saída. Neste estágio é definido se o estimulador será de tensão ou corrente.
Por almejar um eletroestimulador controlado, optou-se pelo de corrente, uma vez que é imprescindível estimar a carga aplicada.
3.2 Cadeira Ergonométrica e Sensores
Para o monitoramento da aceleração angular fo-ram utilizados dois acelerômetros tri-axiais MMA7341 que foram calibrados com um shaker da fabricante PCB, modelo 394B06
A velocidade angular foi monitorada através do uso de giroscópios modelo LPR510AL.
Para o monitoramento do deslocamento angular, foi utilizado um eletrogoniômetro resistivo, modelo NIP 01517.0001, da Lynx.
A cadeira ergonométrica, Figura 1, utilizada nos experimentos possui estruturas específicas para fixar os sensores e propiciar um posicionamento adequado do indivíduo.
Figura 1. Cadeira Ergonométrica. 3.3 Software para ajuste de parâmetros
Elaborou-se uma interface, Figura 2, composta pelo software LabVIEW e a placa PCIe6363 da Na-tional Instruments.
O programa desenvolvido é capaz de ajustar to-dos os parâmetros de estimulação. A frequência de estimulação pode variar entre 30 e 300Hz, a amplitu-de também poamplitu-de variar amplitu-de 0 a 120mA e a largura do pulso de estimulação pode ser ajustada em µs.
Com a elaboração dessa interface, o usuário tem total controle sobre o experimento, podendo intervir da forma que achar necessária e monitorar todas as grandezas que estão sendo medidas.
3.4 Metodologia dos testes
A realização de testes com pessoas recebeu auto-rização do comitê de ética em pesquisas envolvendo humanos. A pesquisa foi submetida ao sistema Plata-forma Brasil, sob o número CAAE 00977212.1.10015402.
Foram realizados quatro tipos de testes com os três voluntários, todos em dias diferentes.
No primeiro encontra-se o melhor ponto de ati-vação do voluntário.
No segundo executa-se o protocolo de repetibili-dade para analisar o efeito da fadiga muscular após quinze estimulações seguidas com intervalo de 2 mi-nutos entre elas.
No terceiro executa-se o protocolo de identifica-ção, com o bloco "Transfer Function Estimation", Figura 3, dos parâmetros do modelo da perna.
A frequência foi de 50Hz e a largura do pulso foi de 250µs. O controlador projetado irá controlar a corrente média aplicada durante a estimulação vari-ando a largura do pulso de estimulação.
O modelo foi escolhido, baseado nos estudos de Law e Shields (2006), que apresenta o modelo linear simplificado dos membros inferiores.
No quarto teste executa-se da controle da posi-ção da perna. Insere-se um ângulo pré-estabelecido, e deseja-se que a posição da perna chegue ao ângulo de referência.
Projetou-se o controlador utilizando o Botão "Tune" do bloco PID do MATLAB/Simulink. As especificações foram o tempo de estabelecimento para critério de 2% de 3s para a primeira planta e 2,5s para a segunda.
Figura 3. Tela do Bloco de Estimação de Função de Transferência.
O controlador foi gravado em um DSP da famí-lia 28335 Delfino da Texas Instruments, de forma a receber o ângulo de referência, a realialimentação, realizasse o controle, e gerasse a forma de onde de estimulação.
4 Resultados
4.1 Teste de Repetibilidade
Na Figura 4, 5 e 6 estão os gráficos com as cur-vas com maiores e menores amplitudes durante cada dia de teste, para os voluntários 1, 2 e 3 respectiva-mente.
Figura 4. Valores Máximos e Mínimos durante o Teste de Repeti-bilidade com o Voluntário 1.
Figura 5. Valores Máximos e Mínimos durante o Teste de Repeti-bilidade com o Voluntário 2.
Figura 6. Valores Máximos e Mínimos durante o Teste de Repeti-bilidade com o Voluntário 3.
Nota-se que nenhum teste foi igual a outro, mesmo para uma mesma pessoa. Evidenciando que os parâmetros do modelo matemático se alteram a todo momento.
Nos voluntários 1 e 2, as tendências se mantive-ram, modificando apenas suas amplitudes máximas, diferente do voluntário 3, que não houve padrão na
tendência. Desta forma, o voluntário 3 foi o escolhi-do para realizar os testes de identificação e controle. 4.2 Teste de Identificação
As plantas identificadas foram simuladas no sof-tware Matlab e plotadas em um mesmo gráfico jun-tamente com as curvas experimentais.
Na Figura 7 está apresentado o resultado da comparação para o teste 1, e na Figura 8 para o teste 2.
Figura 7. Simulação da Planta Identificada Para o Primeiro Teste do Voluntário 3.
Figura 8. Simulação da Planta Identificada Para o Segundo Teste do Voluntário 3.
Nota-se que ambas as identificações representam bem o sinal experimental, sendo que a correlação para o teste 1 foi de 0.9506 e para o teste 2 foi de 0.9309.
4.3 Teste de Controle da Posição da Perna
Foram realizados um total de onze testes de con-trole. Dois deles para a primeira planta identificada, com a corrente de 60mA, e o restante com a segunda planta identificada, com a corrente de 65mA.
Na Figura 9 está apresentado um dos testes, em que o ângulo de referência é igual a 60º, partindo da origem. Esse experimento foi repetido três vezes con-secutivas, com intervalo de 2 minutos.
Figura 9. Teste de Controle - Variação Angular de 0 a 60º - cor-rente de 65mA
Em todos os casos a posição da perna da pessoa hígida atingiu a posição inserida como referência. Os tempos de estabelecimento foram próximos ao proje-tados. O transitório na maioria dos casos não foi o esperado. Considera-se os resultados obtidos satisfa-tórios.
As características da variação angular da mesma pessoa em testes diferentes mudam constantemente. Dessa forma os parâmetros identificados que servi-ram como base para projetar o controlador, no mo-mento do teste em malha fechada não se pode afirmar que se mantém.
5 Discussões e Conclusões
A plataforma de testes desenvolvida é versátil e segura, e atendeu as necessidades da pesquisa. O programa de interfaceamento da plataforma torna o uso dos equipamentos da plataforma fácil e rápido.
Durante o teste de repetibilidade, pode-se notar visivelmente que todas as estimulações resultaram em variações angulares diferentes. Isso confirma que os parâmetros do modelo matemático do músculo vari-am a todo o momento. Os testes de identificação po-dem ser considerados satisfatórios, uma vez que as correlações dos dois testes realizados ficaram acima de 0,93.
Nos testes de controle da posição ângular, pode-se obpode-servar que em todos os casos o controlador fez com que a perna se estabelecesse na posição desejada pelo usuário, com erro de regime inferior a 2% e com tempos de estabelecimentos próximos aos projetados. Os testes realizados mostraram que o objetivo do trabalho foi atingido, abrindo novas oportunidades para trabalhos futuros com novos controladores e com movimentos mais complexos.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao voluntários que se submeteram aos testes e à CAPES, CNPq e FAPESP pelo apoio financeiro.
Referências Bibliográficas
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Han-Chang, W.; Shuenn-Tsong, Y.; Te-Son, K. (2002). A Versatile Multichannel Direct-Synthesized Electrical Stimulator For Fes Appli-cations. Ieee Transactions On Instrumentation
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Rittipad, K.; Charoen, B. (2008). A Pid Controller For Ankle Movement Restoration. In: Watkins, A.; Ehst, M. (Eds.). Science, Technology And Innovation: Capacity Building For Sustainable Growth And Poverty Reduction. Washington, Dc: World Bank.
