disserta_aobrunogarrido

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISPROGRAMA DE PS-GRAUAO EM ENGENHARIA MECNICA

CONTROLE DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTNUA PARA USO EM RTESES E PRTESES

BRUNO DE MENEZES GARRIDO

Belo Horizonte, 30 de Maro de 2008

Bruno de Menezes Garrido

CONTROLE DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTNUA PARA USO EM RTESES E PRTESES

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal Minas Gerais, como requisito parcial obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Mecnica. rea de concentrao: Calor e Fluido Orientador: Prof. Marcos Pinotti Barbosa

Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG Ano 2008

2

Existe uma coisa que uma longa existncia me ensinou: toda a nossa cincia, comparada realidade, primitiva e inocente; e, portanto, o que temos de mais valioso Albert Einstein

3

AGRADECIMENTOS

Sinto-me feliz de poder agradecer formalmente ao meu orientador Marcos Pinotti pela confiana depositada em mim. Confiana mantida mesmo nas dificuldades.

Gostaria de agradecer aos meus pais pelo apoio incondicional. Ao meu pai que nunca mediu esforos para me ajudar.

Agradeo aos amigos que me acompanharam e me deixarem compartilhar os vrios sentimentos que surgiram durante esta longa jornada.

Agradeo o pessoal do LABBIO, especialmente o Fabio e o Rafael pela ajuda tcnica e cientifica.

Gostaria de agradecer especialmente a Carla, por acreditar em mim, por estar comigo (mesmo que no fisicamente) nos momentos mais difceis e por me ajudar enormemente na confeco deste trabalho.

Meus sinceros agradecimentos.

4

"Se as pessoas soubessem o quo duramente eu trabalhei para obter a minha habilidade, ela no pareceria to maravilhosa depois de tudo" Michelangelo

5

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS LISTA DE GRFICOS LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS RESUMO 1 INTRODUO 1.1 Objetivos 2 REVISO BIBLIOGRFICA 2.1 Prteses 2.2 Sinais de Controle 2.2.1 Eletromiografia 2.2.2 Mecanomiografia 2.2.3 Sonomiografia 2.3 Tipos de contrle 2.3.1 Controle on/off 2.3.2 Controle proporcional 2.3.3 Controle compliance 2.3.4 Reconhecimento de padres 2.4 MARCUS Hand 2.5 Osaka Hand 3 METODOLOGIA 3.1 Push Button 3.2 Encoder incremental 3.3 Funo Position 3.4 Funo Squeeze 3.5 Funo Close 3.6 Funo Hold 3.7 Servomotor 3.8 PWM 3.9 A modulo automtico 3.9.1 O tubo de PVC

8 12 14 15 16 17 18 18 23 23 25 27 28 28 28 28 29 30 33 35 35 36 39 39 39 40 40 42 43 45

6

3.9.2 O motor DC 3.9.3 O dedo artificial 3.9.4 O mancal 3.9.5 O sensor de deslizamento 3.10 A placa de aquisio de dados 3.11 O conversor V/F 3.12 O fotoacoplador 3.13 O conversor F/V 3.14 O amplificador de tenso 3.15 O transistor de potncia 3.16 O algoritmo de controle 3.16.1 O clculo da velocidade 4 RESULTADOS E DISCUSSES 5 CONCLUSES 6 PERSPECTIVAS FUTURAS ABSTRACT REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

45 46 47 47 48 48 50 51 52 53 53 55 61 67 68 69 70

7

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1. Proposta da Otto Bock Industry, para classificar prteses de mo atravs da fonte de energia. FONTE- CUNHA, 2002, p. 22 Pg. 18

FIGURA 2.2. Prtese de mo esttica de PVC. Pg. 19 FIGURA 2.3. Exemplo de uma prtese de mo passiva de trabalho. Retirada do filme Hook: A volta do capito gancho. Pg. 19 FIGURA 2.4. Exemplos de prteses de mo ativas de fora prpria de fonte direta. Produtos das empresas Otto Bock (primeira) e Hoster (segunda). FONTEhttp://www.ottobock.com/ (05/2007) Pg. 20 FIGURA 2.5. Exemplo de uma prtese de mo ativa de fora prpria de fonte indireta. FONTE- http://www.aacd.org.br/ortopedia_prods_proteses.asp (05/2007) Pg. 20 FIGURA 2.6. Exemplo de uma prtese de mo ativa de fora prpria de fonte indireta que possui um fator esttico. Pg. 21 FIGURA 2.7. Exemplo de uma prtese ativa pneumtica para desarticulao de ombro. FONTE- (MAQUARDT, 1965) Pg. 21 FIGURA 2.8. Exemplos de prteses mioeltricas da Otto Bock Insdustry. FONTEhttp://www.ottobock.com/ (05/2007) Pg. 22 FIGURA 2.9. Exemplo de uma prtese hbrida. FONTEhttp://www.ortopediasaojose.com.br/site/index.asp?inc=genericasdetalhe&ref=49&seca o=Prteses&tipo=Prteses (05/2007) Pg. 22 FIGURA 2.10. Representao de um amplificador diferencial captando um sinal mioeltrico. FONTE- (SOUZA, 2006) Pg. 23

8

FIGURA 2.11. Representao esquemtica da gerao do Sinal Mioeltrico de um msculo, a partir da somatria dos trens de MUAPs das n unidades motoras deste msculo. FONTE- (SOUZA, 2006) Pg. 24 FIGURA 2.12. Representao de eletrodos bipolares. FONTE- (ORTOLAN, 2002) Pg. 25 FIGURA 2.13. O CMASP. O sensor usado para captar o sinal mecanomiografico. (A) Vista de cima. (B) Vista de baixo. (C) Esquema. (D) Vista de baixo com o encapsulamento. Posteriormente uma membrana deve ser adicionada para selar um compartimento de ar. FONTE- Adaptado de (SILVA, 2005) Pg. 26 FIGURA 2.14. comparao feita do sinal mioeltrico em claro e o sinal mecanomiogrfico em escuro. O sinal mioeltrico foi captado por sensores mioeltricos padres da Otto Bock e o sinal mecamiografico foi captado por SMASPs. FONTE- Adaptado de (SILVA, 2005) Pg. 26 FIGURA 2.15. Posicionamento dos marcadores e do scaner de ultra-som no antebrao. FONTE- (ZHENG, 2005) Pg. 27 FIGURA 2.16. O scanner de ultrasom posicionado do antebrao de um amputado, para captar as variaes na rea da seo do msculo. FONTE- Adaptado de (ZHENG, 2005) Pg. 28 FIGURA 2.17. Desenho de como se comportam os dedos de uma prtese que usa o controle compliance. Os atuadores se comportam como uma mola virtual. FONTE(PONS, 2005) Pg. 29 FIGURA 2.18. MARCUS Hand FONTE- (CUNHA, 2002) Pg. 30 FIGURA 2.19. Diagrama de estado da MARCUS Hand. FONTE- Adaptado de (KYBERG, 1995). Pg. 31 FIGURA 2.20. Esquema de controle do sinal EMG da MARCUS Hand. FONTEAdaptado de (KYBERG, 1995). Pg. 32

FIGURA 2.21. A Osaka Hand segurando objetos frgeis. FONTE- (RYUHEI, 2005) Pg. 33

9

FIGURA 2.22. O diagrama de blocos do controle da Osaka Hand. O ngulo e o torque so controlados pelos sinais EMGs dos msculos flexores e extensores. FONTEAdaptado de (RYUHEI, 2005) Pg. 34 FIGURA 3.1. Push Button. Quando o boto pressionado fecha-se o contato eltrico entre 1 e 2. Pg. 36 FIGURA 3.2. O sensor de deslizamento. O encoder usado foi retirado de um mouse mecnico padro, mas a parte estrutural do mouse foi aproveitada. Pg. 36 FIGURA 3.3. Esquema de um encoder incremental. FONTE - Adaptado de http://www.clrwtr.com/Accu-Coder-Encoders-How-To.htm (05/2007) Pg. 37 FIGURA 3.4. Diagrama de bloco da estratgia usada no projeto de controle da prtese. Os termo flexo e extenso se referem a magnitude do sinal provenientes dos msculos flexores e extensores respectivamente. Pg. 38 FIGURA 3.5 Movimentos do servo em funo do sinal recebido. FONTE http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cb/ Servos.JPG/400pxServos.JPG (05/2007) Pg. 41 FIGURA 3.6. Esquema utilizado para controlar o servomotor usado como atuador. O controle de posio feito pela sada digital no DAQ conectada na entrada padro do servomotor. O controle de torque feito pela sada analgica do DAQ conectada diretamente na entrada do motor DC do servomotor. Pg. 42 FIGURA 3.7. A interface do programa de simulao da inteligncia artificial da prtese. esquerda encontra-se as entradas. direita encontra-se as sadas embaixo a funo em que a prtese se encontra. Pg. 43 FIGURA 3.8. A bancada de testes. Pg. 44 FIGURA 3.9. O tubo e PVC usado nos testes. Pg. 44 FIGURA 3.10. Esquema usado para controlar o motor DC nos testes do modulo automtico do controle. Pg. 46 FIGURA 3.11. O dedo artificial. Uma borracha foi adicionada a chapa de alumnio para aumentar o coeficiente de atrito entre o dedo artificial e o objeto. Pg. 46

10

FIGURA 3.12. O mancal de teflon. Pg. 47 FIGURA 3.13. A placa de aquisio usada nos testes. USB-6009 da National Instruments. FONTE- www.ni.com (05/2007) Pg. 48 FIGURA 3.14. Diagrama de blocos simplificado do CI LM331. FONTE- Adaptado de http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM331.shtml (05/2007) Pg. 49 FIGURA 3.15. Circuito usado como conversor V/F. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM331.shtml (05/2007) Pg. 50 FIGURA 3.16. Pinagem do fotoacoplador 6N138. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/6/N/1/3/6N138.shtml (05/2007) Pg. 50 FIGURA 3.17. Configurao usada para fazer uma isolao galvnica. Esquema de um fotoacoplador no inversor. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/6/N/1/3/6N138.shtml (05/2007) Pg. 51 FIGURA 3.18. Circuito usado como um conversor F/V. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM331.shtml (05/2007) Pg. 52 FIGURA 3.19. Pinagem do amplificador operacional LF151. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.net/cgi-in/helo.pl?field=Nume&type= C&text=lf151 (05/2007) Pg. 52 FIGURA 3.20. Relao da tenso na porta com a corrente de dreno do MOSFET IRFP350A. FONTE- http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/P/ IRFP350A.shtml (05/2007) Pg. 53 FIGURA 3.21. Esquema do dispositivo do sensor de deslizamento usado nos testes. Pg. 56

11

LISTA DE GRFICOS

GRFICO 1. Relao da tenso de sada da DAQ com o corrente apresentada no motor na bancada de teste. Pg. 54 GRFICO 2. Aproximao matemtica da parte controlvel da curva apresentada no grfico 1. Abaixo, o erro residual calculado pelo MatLab. Pg. 55 GRFICO 3. Relao linear determinada para o incremento da corrente no motor e a velocidade de deslizamento do objeto. A curva aproximada gerada pelo MatLab e o erro residual. Pg. 58 GRFICO 4. Velocidade de queda do objeto sem atuao do motor e corrente atingida, com um ganho de 3. Pg. 59 GRFICO 5. Diferentes comportamentos de corrente devido ao ajuste no ganho. Pg. 59 GRFICO 6. Foi acrescentado ao tubo 100ml de gua que equivale a 100g. O peso total do objeto de 590g. O objeto no deslizou. Pg. 61 GRFICO 7. Foi acrescentado ao tubo 200ml de gua que equivale a 200g. O peso total do objeto de 690g. No foi detectado um deslocamento do objeto. Pg. 62 GRFICO 8. Foi acrescentado ao tubo 300ml de gua que equivale a 300g. O peso total do objeto de 790g. Foi detectado um deslocamento de 1cm. Pg. 62 GRFICO 9. Foi acrescentado ao tubo 400ml de gua que equivale a 400g. O peso total do objeto de 890g. Foi detectado um deslocamento de 4cm. Pg. 63 GRFICO 10. Foi acrescentado ao tubo 500ml de gua que equivale a 500g. O peso total do objeto de 990g. Foi detectado um deslocamento de 2cm. Pg. 63 GRFICO 11. Foi acrescentado ao tubo 600ml de gua que equivale a 600g. O peso total do objeto de 1090g. Foi detectado um deslocamento de 3cm. Pg. 64

12

GRFICO 12. Foi acrescentado ao tubo 700ml de gua que equivale a 700g. O peso total do objeto de 1190g. Foi detectado um deslocamento de 3cm. Pg. 64 GRFICO 13. Foi acrescentado ao tubo 800ml de gua que equivale a 800g. O peso total do objeto de 1290g. Foi detectado um deslocamento de 5cm. Pode-se notar um escorregamento aps a ocorrncia da corrente mxima. Mas o objeto se manteve em repouso aps este escorregamento na atuao mxima. Pg. 65 GRFICO 14. Foi acrescentado ao tubo 900ml de gua que equivale a 800g. O peso total do objeto de 1390g. Foi detectado um deslocamento de 9cm. Aps este deslocamento de 9cm o objeto continuou a se deslocar em uma pequena velocidade ate a tingir o fim de curso. Pg. 65

13

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

A/D MUAPs DC EMG SME SEM MMG PWM DAQ PC I/O V/F F/V LED CI

Alternate/Direct (Alternada/Direta) Motor-Unit Action Potential (Unidade Potencial de Ao Motora) Direct Current (Corrente Continua) Eletromiografico Sinal mioeltrico Sinal eletromiografico Mecanomiografia Pulse Width Modulation (Modulao de Largura de Pulso) Data Aquisition Board (Placa de Aquisio de Dados) Personal Computer (Computador Pessoal) Input/Output (Entrada/Sada) Voltage/Frequency (Tenso/Freqncia) Frequency/Voltage (Freqncia/Tenso) Ligth-Emitting Diode (Diodo Emissor de Luz) Circuito Integrado

14

RESUMO

O objetivo deste trabalho contribuir para o projeto do sistema de controle da prtese de mo que est em desenvolvimento na UFMG. A partir de uma reviso bibliogrfica sobre as estratgias de controle utilizadas para o controle de prteses de mo, desenvolveu-se um sistema de controle. Foi criado um ambiente de simulao para avaliar o desempenho das rotinas a serem implementadas no sistema. Uma bancada de testes foi estabelecida para validar e para verificar o desempenho do sistema de controle implementado. Neste trabalho, testes de preenso foram realizados para simular o escorregamento de um objeto da prtese de mo e a atuao do sistema de controle para impedi-lo. Os resultados mostraram que o controle atuou de forma satisfatria, comprovando a viabilidade das estratgias adotadas no projeto.

Palavras chaves: Prtese, controle, prtese robtica, controle de apreenso, prtese de membros superiores.

15

1 INTRODUOA mo um rgo destinado para obter informaes do meio exterior e para execuo de tarefas. Sua anatomia muito especializada e essas duas funes so essenciais em nosso relacionamento com o meio ambiente. Ela o rgo efetuador do membro superior. O restante do membro superior serve como coadjuvante da mesma, sendo responsvel pelo posicionamento dela no espao de forma adequada para a tarefa a ser realizada. Alm disso, a mo usada nas relaes sociais. Na comunicao, a mo d nfase s expresses e gestos (PILLET, 2001). A mo o rgo com uma maior rea do crebro dedicada a ela. Um paciente que sofreu amputao de mltiplos dedos sofre perdas funcionais e psicolgicas. O efeito desta perda varia de acordo com a cultura de cada paciente (LIFCHEZ, 2005). Pode-se observar que, em quase 10 anos de pesquisa e desenvolvimento (1996- 2005), os desejos dos usurios de prteses no variaram muito (NAGEM, 2006). O que os usurios desejam que sua perda seja reposta. Isto um grande desafio para a engenharia. No desenvolvimento desse tipo de prtese, o grande limitador tem sido o estado atual da tecnologia (PONS et al., 2005). Apesar dos avanos tecnolgicos, prteses comerciais ainda no apresentam um movimento totalmente natural e so normalmente pesadas e pouco funcionais (NAGEM, 2006). Os fatores que causam a aceitao ou rejeio do usurio so variados, mas a maioria concentrada em fatores que no esto baseados no controle (por exemplo, hbitos e desejos individuais do usurio) (KYBERD, 1995). Pode-se ver em (PILLET, 2001), aproximadamente 75% dos amputados pesquisados mantm a funo de pina. Para estas pessoas os principais objetivos de uso de prteses so estticos e psicolgicos. Mas, para os usurios que desejam uma prtese funcional, o controle desta primordial. O controle de uma prtese afeta todo o seu projeto. Uma prtese, para agradar a maioria dos usurios, precisa ser funcional, confortvel, de fcil manipulao e imperceptvel. Para ser imperceptvel, no basta prtese se parecer com a mo humana, o controle deve ser feito sem movimentos estranhos atividade executada.

16

1.1 Objetivos

O objetivo geral deste trabalho gerar uma estratgia de controle de um motor para controlar apreenso de objetos. Os objetivos especficos so: implementar um algoritmo de simulao para verificar o comportamento deste controle e gerar uma bancada de testes para testar a apreenso de objetos .

17

2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Prteses

Prteses de membro superior podem ser classificadas de acordo com a proposta da Otto Bock Industry (CUNHA, 2002). Como podemos ver na FIG 2.1.

FIGURA 2.1. Proposta da Otto Bock Industry, para classificar prteses de mo atravs da fonte de energia. FONTE- CUNHA, 2002, p. 22 Prteses passivas so aquelas que no realizam movimentos. Podem ser puramente estticas ou possuir uma ferramenta como um gancho ou um martelo em sua extremidade (passivas para trabalho). As prteses ativas so aquelas que possuem algum movimento, realizam trabalho, e por isso consomem algum tipo de energia. Esta energia pode ser fornecida pelo prprio corpo, por alguma fonte externa ou utilizar-se das duas (hbrida). Somente duas fontes de energia externa so usualmente utilizadas em prtese de mo: eltrica e pneumtica (CUNHA, 2002). Atualmente, existem outras prteses eltricas que lanam mo de outros tipos de controle alm dos descritos na FIG 2.1.

Prteses passivas estticas so aquelas que imitam a mo humana. Vrias empresas comercializam este tipo de prtese e algumas fazem uma rplica da outra mo do usurio. A FIG 2.2 mostra um exemplo de prtese passiva esttica.

18

FIGURA 2.2. Prtese de mo esttica de PVC.

Prteses passivas para trabalho so aquelas que no se preocupam em se parecer com uma mo humana. Na verdade se assemelham a alguma ferramenta. Este tipo de prtese, como a da FIG 2.3 perdeu mercado para as prteses ativas de fora prpria.

FIGURA 2.3. Exemplo de uma prtese de mo passiva de trabalho. Retirada do filme Hook: A volta do capito gancho. As prteses ativas de fora prpria de fonte direta so aquelas que o usurio deve manipul-la diretamente. Empresas como a Otto-Bock e Hoster comercializam modelos como os da FIG 2.4.

19

FIGURA 2.4. Exemplos de prteses de mo ativas de fora prpria de fonte direta. Produtos das empresas Otto Bock (primeira) e Hoster (segunda). FONTE- http://www.ottobock.com/ Usando um cabo para transmitir o movimento, estas prteses se tornam prteses ativas de fora prpria de fonte indireta FIG 2.5. Geralmente este cabo fixado no ombro oposto ao do brao em que a prtese encaixada. Estas tambm podem ter o fator esttico FIG 2.6.

FIGURA 2.5. Exemplo de uma prtese de mo ativa de fora prpria de fonte indireta. FONTE- http://www.aacd.org.br/ortopedia_prods_proteses.asp (05/2007)

20

FIGURA 2.6. Exemplo de uma prtese de mo ativa de fora prpria de fonte indireta que possui um fator esttico. Prteses ativas de foras externas utilizam outra fonte de energia que no seja fornecida pelo prprio corpo. A prtese mostrada na FIG 2.7 pneumtica e data de 1965. A FIG 2.8 mostra algumas prteses eltricas da Otto Bock.

FIGURA 2.7. Exemplo de uma prtese ativa pneumtica para desarticulao de ombro. FONTE- (MAQUARDT, 1965)

21

FIGURA 2.8. Exemplos de prteses mioeltricas da Otto Bock Insdustry. FONTE- http://www.ottobock.com/ (05/2007) As prteses ativas hbridas usam fontes de energia externa e energia fornecida pelo prprio corpo FIG 2.9. So muito usadas em amputaes acima do cotovelo.

FIGURA 2.9. Exemplo de uma prtese hbrida. FONTEhttp://www.ortopediasaojose.com.br/site/index.asp?inc=genericasdetalhe&r ef=49&secao=Prteses&tipo=Prteses (05/2007)

Para o uso em prteses de mo, a energia pneumtica pode ser armazenada em cilindros de ar comprimido ou de CO2. Isto gera vrios inconvenientes. Atuadores pneumticos so ruidosos, a recarga de energia deve ser feita com alguns cuidados e os armazenadores de energia possuem uma relao peso/potncia mais baixos se comparados com os armazenadores eltricos. O controle de fora e de velocidade complexo. A atual tecnologia eltrico-eletrnica permite que os armazenadores de energia eltrica (baterias) possuam uma alta relao peso/potncia se comparados com os pneumticos. Tecnologias de controle de atuadores eltricos so de fcil acesso e esto em estado satisfatrio para o uso em prteses, alm de ser eficientes e silenciosos. Estes modelos eltricos esto evoluindo rapidamente e cada vez mais ganhando mercado, porm com custo ainda no competitivo.

22

2.2 Sinais de controle

2.2.1 Eletromiografia

O sinal mioeltrico (SME) o sinal eltrico gerado pelos nervos e pelos msculos. As medidas envolvem tenses em nveis muito baixos, tipicamente variando entre 1 v e 100 mv, com alta fonte de impedncia e altos nveis de interferncia de sinal e rudo (BRONZINO, 2000). Os sinais necessitam ser amplificados para o devido processamento. O sinal mioeltrico proveniente do potencial de ao que percorre a fibra muscular levando-a a contrao FIG 2.10.

FIGURA 2.10. Representao de um amplificador diferencial captando um sinal mioeltrico. FONTE- (SOUZA, 2006) O sinal mioeltrico de cada msculo composto pela soma dos vrios potenciais de ao musculares, resultando em diversos MUAPs (Unidade Potencial de Ao motora) de cada unidade motora e que apresentam caractersticas diferentes entre si FIG 2.11.

23

FIGURA 2.11. Representao esquemtica da gerao do Sinal Mioeltrico de um msculo, a partir da somatria dos trens de MUAPs das n unidades motoras deste msculo. FONTE- (SOUZA, 2006) A funo de densidade de probabilidade do sinal pode ser aproximada por uma funo gaussiana, implicando que a amplitude instantnea do sinal uma varivel gaussiana de mdia zero. No entanto (EENGLEHART et. al. 1998) encontraram caractersticas determinsticas no SME durante os 200 ms iniciais de uma contrao muscular. O SME obtido com eletrodos de superfcie afetado pelas propriedades de filtro das camadas epiteliais e da interface eletrodo-pele, de forma que apresenta componentes freqncias desde 0 at cerca de 500 Hz, manifestando maior concentrao do sinal dentro da faixa de 50 a 150 Hz. Da mesma forma, as amplitudes mximas deste sinal variam entre 50 V e 5 mV (BRONZINO, 2000). Estes valores variam de acordo com tipo de msculo analisado, o nvel de contrao muscular, e tambm o tipo e a localizao dos eletrodos utilizados. Os sinais mioeltricos so obtidos por meio de configuraes monopolar e bipolar. A configurao monopolar obtm diferenas de potencial entre dois pontos no qual um dos pontos a referncia (terra). Na configurao bipolar so obtidos sinais em relao a uma referncia, neste caso existem 03 pontos de deteco. Os sensores mais comuns so os eletrodos de superfcie e os invasivos. Os eletrodos de superfcie so pequenos discos metlicos, mais comumente feitos de Prata ou Cloreto de Prata, aplicados sobre o msculo requerido. Usualmente fixo na pele com fitas adesivas. Em um arranjo bipolar, dois eletrodos so aplicados sobre o msculo numa direo longitudinal e relao s fibras musculares como na FIG 2.10.

24

FIGURA 2.12. Representao de eletrodos bipolares. FONTE- (ORTOLAN, 2002) 2.2.2 Mecanomiografia

Mecanomiografia (MMG) definida como a medida da atividade mecnica produzida pela contrao muscular. Esta medida caracterizada por vibraes de baixas freqncias ( Flexo ?

Position

N

S Extenso > Flexo ?

N

Sensor de toque = 1 ? e Flexo = Extenso = 0 ?

S

Touch

N Sensor de toque = 1 ?

S

S

N Extenso > Flexo ?

N

Flexo > Extenso ? e Sensor de Toque = 0 ?

S

Close

N Sensor de toque = 0 ?

S

S

N Extenso > Flexo ?

N


S

Squeeze

N N S Fim


S

Fim ?

FIGURA 3.4. Diagrama de bloco da estratgia usada no projeto de controle da prtese. Os termo flexo e extenso se referem a magnitude do sinal provenientes dos msculos flexores e extensores respectivamente.

38

3.3 Funo Position

A funo Position faz com que o ngulo de abertura dos dedos seja diretamente proporcional ao nvel do sinal de entrada referente extenso pela equao 3.1.

= a (extenso flexo ) + b

(3.1)

Onde o ngulo de abertura da prtese, extenso o nvel de ativao muscular do grupo extensor e flexo o nvel de ativao muscular do grupo flexor. Pode-se alterar a proporcionalidade entre os sinais de controle e o ngulo da prtese para cada usurio alterando-se as variveis a e b da equao 3.1.

3.4 Funo Squeeze

A funo Squeeze faz a fora de apreenso da prtese, ser diretamente proporcional ao sinal referente inteno do usurio de fletir os dedos. Esta proporcionalidade implementada pela equao 3.2.

= a ( flexo extenso ) + b

(3.2)

Onde o torque aplicado ao objeto. Pode-se alterar a proporcionalidade entre os sinais de controle e o torque do atuador da prtese para cada usurio alterando as variveis a e b da equao 3.2.

3.5 Funo Close

A estratgia de controle hierrquico usada na prtese MARCUS, faz com que o ngulo de abertura da prtese seja zero se no houver nenhum sinal de ativao. O ngulo de abertura de uma mo humana em repouso no necessariamente zero. Esta funo foi criada para que o ngulo de abertura da prtese possa ser algo diferente de

39

zero. Apenas um sinal de controle voluntrio para fletir os dedos faz com que a prtese se feche totalmente e se mantenha assim at que outra funo seja ativada.

3.6 Funo Hold

A funo Hold no depende de ativao muscular e no necessita da ateno do usurio. Ela ativada quando detectada a presena de um objeto e quando no h nenhuma ativao muscular. Uma ativao muscular neste momento far com que outra funo seja ativada. Esta funo mantm o objeto seguro automaticamente. Uma fora mnima aplicada ao objeto, se o sensor de deslizamento detectar um escorregamento do objeto, esta funo da um incremento na fora aplicada no objeto. Na funo hold do controle hierrquico da prtese MARCUS, no existe uma relao entre este incremento e o deslizamento do objeto. Uma vez detectado o escorregamento, um incremento pr-determinado aplicado. J a funo proposta neste trabalho faz este incremento ser proporcional velocidade de deslizamento. A funo Position controla o ngulo de abertura dos dedos da mo artificial. J a funo Squeeze controla a fora de apreenso. Para controlar estas duas variveis, foi utilizado um servomotor.

3.7 Servomotor

Os servomotores (ou servos) so motores especiais que tm incorporado um sistema interno de feedback para o controle da posio. Tipicamente, o eixo de um servo gira entre 0 e 90, ou 0 e 180. A corrente necessria para o funcionamento do servo algo que varia muito de servo para servo. A posio do servo controlada por um trem de impulsos, com uma amplitude que varia tipicamente entre 1ms e 2ms (1 ms = 1/1000 segundos), e uma freqncia de cerca de 50Hz. A FIG 3.5 ilustra a influncia que a durao do sinal tem no movimento do servo.

40

FIGURA 3.5 Movimentos do servo em funo do sinal recebido. FONTE - http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cb/ Servos.JPG/400px-Servos.JPG (05/2007) Se o servo recebe impulsos de 1,2 ms, a sua engrenagem de sada rodar at ficar estvel no centro do intervalo de rotao nos 90. Se receber impulsos de 0,3ms, rodar no sentido anti-horrio at atingir o limite do intervalo de rotao correspondente a 0. Se receber impulsos de 2ms, rodar no sentido horrio at atingir o outro limite do intervalo de rotao correspondente a 180. Impulsos ente 1ms e 1.5 ms faro com que o servo rode no sentido horrio para posies intermdias entre 0 e 90, enquanto que impulsos entre 1.5 ms e 2 ms faro com que o servo gire para posies intermdias entre 90 e 180. O sistema interno de realimentao, que faz com que o servo rode para uma determinada posio em resposta a um determinado trem de impulsos, constitudo por um potencimetro conectado engrenagem do servo, que funciona como sensor de posio, e por um circuito eletrnico de controle. O circuito eletrnico compara o valor do potencimetro com a amplitude dos impulsos que recebe pela linha de controle, ativando o motor para corrigir qualquer diferena que exista entre ambos. Ao se tentar rodar a engrenagem do servo, o circuito de controle detectar uma diferena entre o valor do potencimetro e a amplitude dos impulsos e ativar o motor para tentar corrigir. Este processo to rpido que apenas se sente o servo a resistir tentativa de

41

alterar a sua posio de rotao. A informao que o servo recebe do potencimetro designa-se por feedback ou realimentao. A comparao entre o valor do potencimetro e a amplitude dos impulsos, e as correes que origina, so as componentes de um processo de controlo designado por controle em malha fechada. (http://www.ipg.pt/estg/robobombeiro/_private/Docs/Docs%20t%C3%A9cnicos/BX24_ Servos.pdf) (05/2007)

3.8 PWM

A Modulao por largura de pulso (MLP) - mais conhecida por sua sigla em ingls, "PWM" (Pulse-Width Modulation) - de um sinal ou em fontes de alimentao envolve a modulao de sua razo cclica para transportar qualquer informao sobre um canal de comunicao ou controlar o valor da alimentao entregue a carga. Para controlar o ngulo dos dedos da prtese usa-se a sada digital da placa de aquisio de dados (DAQ). Este sinal de sada fornecer um sinal PWM que ser a entrada controle servo do motor. Para se controlar a fora de apreenso controla-se a corrente que passa no motor DC do servomotor. A corrente que passar em um motor DC diretamente proporcional ao torque e o torque do motor diretamente proporcional a fora de apreenso dos dedos da prtese. Este esquema usado para controlar o atuador mostrado na FIG 3.6.

Circuito amplificador e isolante eltrico Controle do Servomotor Sada Digital

Sada Analgico

PC

Motor DC

DAQ

FIGURA 3.6. Esquema utilizado para controlar o servomotor usado como atuador. O controle de posio feito pela sada digital no DAQ conectada na entrada padro do servomotor. O controle de torque feito pela sada analgica do DAQ conectada diretamente na entrada do motor DC do servomotor.

42

Um programa de simulao foi implementado em C++ Builder. Este programa simula o comportamento da prtese. Os valores dos sensores so digitados na interface grfica apresentada na FIG 3.7 e os valores de sadas so mostrados, como tambm em qual estado a prtese se encontra.

FIGURA 3.7. A interface do programa de simulao do algoritmo da prtese. esquerda encontra-se as entradas. direita encontra-se as sadas embaixo a funo em que a prtese se encontra. Desta forma pode-se simular o comportamento da inteligncia artificial da prtese de mo digitando-se as entradas e analisando as sadas.

3.9 O mdulo automtico

O controle da prtese possui um modulo automtico que mimetiza o reflexo natural da mo humana de segurar objetos. Uma bancada de teste foi construda para testar a viabilidade do comportamento automtico da prtese de mo. O controle de fora e posio como tambm a tomada de deciso de qual funo a prtese deve executar feito de maneira automtica. Mas depende da inteno do usurio. Ou seja,

43

depende da ativao muscular alm dos outros sensores. A funo Hold completamente automtica, depende apenas dos sensores que no so controlveis pelo usurio. Esta funo mantm um objeto segurado sem qualquer necessidade de ateno ou ativao muscular do usurio. Na verdade, uma ativao muscular enquanto a prtese estiver executando esta funo faria com que a mo artificial execute outra funo. Se detectado uma ativao muscular para fletir os dedos a prtese entraria na funo Squeeze, se for detectado para extender os dedos ela entraria na funo Position. A bancada, mostrada na FIG 3.8, consiste em um tubo de PVC que representa o objeto a ser segurado; dois mancais de teflon, que faz com que o tubo se desloque somente na direo vertical com o menor atrito possvel; um motor DC; um sensor de deslizamento; um dedo artificial com sua parte de contato recoberto por uma borracha, para aumentar o coeficiente de atrito e uma estrutura de metal para sustentar as partes.

Tubo de PVC Mancal

Motor DC

Polmero para amortecer impactos

FIGURA 3.8. A bancada de testes.

44

O dedo artificial no possui o seu opositor. As foras de reao do dedo so feitas pelos dois mancais. Os mancais foram feitos com material de baixo coeficiente de atrito e as componentes verticais das foras de reao dos mancais foram desprezadas. Ento a nicas foras verticais so: a fora de atrito no contato do tubo com o dedo artificial e a fora de gravidade.

3.9.1 O tubo de PVC

O tubo de PVC FIG 3.9 representa o objeto. Este tubo possui 75 mm de dimetro, um comprimento de 740 mm, pesa 490 gramas. Ele possui uma extremidade livre e a outra fechada. Pode-se aumentar o peso deste objeto acrescentando gua dentro dele.

FIGURA 3.9. O tubo e PVC usado nos testes. 3.9.2 O motor DC

Para atuar o motor DC foi usada a seguinte estratgia mostrada na FIG 3.10. Esta estratgia foi usada para isolar a parte de potncia da parte de controle.

45

DAQConversor V/F Conversor F/V

PC

Sensor

FotoacopladorAmplificador de Tenso Motor

Transistor de potncia

FIGURA 3.10. Esquema usado para controlar o motor DC nos testes do modulo automtico do controle. 3.9.3 O dedo artificial

O dedo artificial, FIG 3.11, usado no teste, uma simples chapa de metal presa ao eixo do motor e possui uma barra de borracha enrolada na chapa na regio de contato com o objeto. Esta borracha usada para aumentar o coeficiente de atrito entre o dedo artificial e o tubo.

FIGURA 3.11. O dedo artificial. Uma borracha foi adicionada a chapa de coeficiente de atrito entre o dedo artificial e o objeto. alumnio para aumentar o

46

3.9.4 O mancal

A bancada de teste no possui um dedo opositor. As foras de oposio ao dedo artificial so feitas pelos dois mancais. Seria interessante no ponto de vista matemtico que estes mancais possuam baixssimo coeficiente de atrito. Pois assim as componentes verticais das foras de reao dos mancais poderiam ser desprezadas. E somente a fora de atrito do dedo artificial com o objeto seria estudada. Para isso foram usados mancais feitos com resina de teflon FIG 3.12.

FIGURA 3.12. O mancal de teflon. 3.9.5 O sensor de deslizamento

O sensor de deslizamento usado foi o enconder incremental. Foi usada a parte estrutural de um mouse comum e conectado um fio para retirar o valor do sensor ptico FIG 3.2. O sensor ptico do encoder retorna um valor de tenso de 0,8 V a 2,5 V. O valor mximo representa que o furo do disco esta alinhado com o feixe de luz, deixando passar a maior quantidade de luz possvel. O valor mnimo representa que o disco esta impedindo a passagem da luz e a intensidade de luz recebida a menor possvel. O disco do encoder usado possui 50 furos distribudos uniformemente. Dividindo o numero de furos pelos 360 de uma volta completa achamos o espaamento em ngulos dos furos. Os furos esto espaados 7,2 graus entre eles, o que representa 0,12 radianos.

47

3.10 A placa de aquisio de dados

A placa de aquisio de dados usada foi a USB-6009 da National Instruments FIG 3.13, seu datasheet pode ser encontrado em http://www.ni.com/pdf/ products/us/20043762301101dlr.pdf (05/2007)

FIGURA 3.13. A placa de aquisio. USB-6009 da National Instruments. FONTE- www.ni.com (05/2007)

Esta placa possui 8 canais analgicos single ended ou 4 canais analgicos diferenciais de -10 a 10V, duas sadas analgicas de 5V. Possui uma resoluo de 14 bits, uma taxa de amostragem mxima de 48KS/s (48.000 amostras por segundo) e 12 bits e entrada e sado (I/O). Possui, tambm, duas fontes de 5 e 2,5 V.

3.11 O conversor V/F

O conversor V/F um circuito usado para gerar um trem de pulsos com uma freqncia proporcional a uma tenso continua de entrada. O conversor V/F usado foi o LM331. O diagrama do bloco simplificado mostrado na FIG 3.14.

48

FIGURA 3.14. Diagrama de blocos simplificado do CI LM331. FONTE- Adaptado de http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM331.shtml (05/2007) O comparador de tenso compara a tenso positiva de entrada, V1 no pino 7 com a tenso Vx no pino 6. Se V1 maior, o comparador ira ativar o one-shot timer. A sada do timer ira ativar tanto o transistor de sada de freqncia quanto ira chavear a fonte de corrente por um perodo t = 1.1 RtCt. Durante este perodo a corrente ira fluir e fornecer uma quantidade de carga fixa, Q i x t, no capacitor Cl. Isso, normalmente ir aumentar o valor de Vx acima de V1. No final deste perodo, a corrente i ira cessar e o timer se resetar. Agora que no h corrente fluindo para o pino 1, o capacitor Cl ser gradualmente descarregado por Rl ate que Vx caia para o mesmo valor de V1. Ento o comparador ir acionar o timer e comear um novo ciclo. A configurao usada para este CI funcionar como um conversor V/F mostrada na FIG 3.15.

49

FIGURA 3.15. Circuito usado como conversor V/F. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM331.shtml (05/2007)

3.12 O fotoacoplador

O fotoacoplador basicamente em um LED e um transistor fotossensvel. Com isso no existe nenhum contato eltrico entre a entrada e a sada do CI. O CI usado foi o 6N138, seu esquema mostrado na FIG 3.16.

FIGURA 3.16. Pinagem do fotoacoplador 6N138. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/6/N/1/3/6N138.shtml (05/2007)

50

A configurao usada mostrada na FIG 3.17.

FIGURA 3.17. Configurao usada para fazer uma isolao galvnica. Esquema de um fotoacoplador no inversor. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/6/N/1/3/6N138.shtml (05/2007) Desta for o circuito fica na configurao no-inversora. O sinal de entrada fica igual ao sinal de sada.

3.13 O conversor F/V

O conversor F/V transforma o trem de pulsos gerado no conversor V/F em uma tenso continua novamente. Mas esta tenso esta completamente isolada da tenso gerada pelo circuito de controle com outra fonte de alimentao, que no caso possui uma potencia muito maior e outro aterramento. Este circuito utiliza o mesmo CI do conversor V/F que tem o seu diagrama de bloco simplificado mostrado na FIG 3.14 Mas usa a configurao mostrada na FIG 3.18 para funcionar como conversor F/V.

51

FIGURA 3.18. Circuito usado como um conversor F/V. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/L/M/3/3/LM331.shtml (05/2007)

3.14 O amplificador de tenso

O amplificador de tenso foi necessrio porque o transistor de potencia mostrada na seo seguinte, trabalha com uma faixa de tenso de entrada maior do que a faixa fornecida pelo circuito de controle. Foi usado o amplificador operacional LF151. O esquema do amplificador e a configurao do circuito usado so mostrados na FIG 3.19.

FIGURA 3.19. Pinagem do amplificador operacional LF151. FONTE-http://www.datasheetcatalog.net/cgi-in/helo.pl?field=Nume&type= C&text=lf151 (05/2007)

52

3.15 O transistor de potncia

O transistor de potencia foi usado para controlar a corrente no motor. O transistor escolhido foi o MOSFET por, principalmente, funcionar como uma fonte de corrente controlada por tenso. O transistor usado foi o IRFP350A. Este foi escolhido entre outros por possuir uma corrente continua de dreno de 10A a 100C. E por possuir uma curva tenso de porta versus corrente de dreno FIG 3.20 menos exponencial do que os outros transistores encontrados.

FIGURA 3.20. Relao da tenso na porta com a corrente de dreno do MOSFET IRFP350A. FONTEhttp://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/P/ IRFP350A.shtml (05/2007)

3.16 O algoritmo de controle

A relao entre a tenso de sada da placa de aquisio de dados (DAQ) e a corrente que passa pelo motor pode ser observada pelo Grfico 1.

53

4.5 4 3.5 3 Current (A ) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5 Voltege (V)

3

3.5

4

4.5

5

GRFICO 1. Relao da tenso de sada da DAQ com o corrente apresentada no motor na bancada de teste. Observa-se uma queda na corrente para uma tenso de entrada maior do que 3,7 V. Isso ocorre porque o conversor V/F no se comporta de forma adequada com tenses de entrada prximas sua tenso de alimentao. Este conversor V/F alimentado pela DAQ com uma tenso de 5 V, uma tenso de entrada maior do 3,7 V faz com que o conversor V/F no consiga converter este valor para um sinal com uma freqncia determinada, ao invs disso retorna um sinal constante. O conversor F/V reconhece este sinal como um corte na tenso, retornando um sinal nulo, fazendo com que o transistor corte a corrente no motor. No Grfico 1 observa-se a faixa de variao da corrente. A corrente varia de 1,68 A a 4.01 A com uma variao de 1,5 V a 2,4 V. Esta faixa de valores foi retirada da curva, invertida, e uma relao matemtica foi aproximada, usando a funco basic filtering do MatLab 2006. Esta aproximao matemtica mostrada no Grfico 2.

54

y = - 0.18*x4 + 2.4*x3 - 11*x2 + 23*x - 15 2.5

2 Voltage (V) 1.5 1 1.5

2

2.5

3 Current (A)

3.5

4

4.5

0.8 0.6 0.4 0.2 residuals

Erro

0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 2 2.5 3 3.5 4 data 1 4th degree

GRFICO 2. Aproximao matemtica da parte controlvel da curva apresentada no grfico 1. Abaixo, o erro residual calculado pelo MatLab. A relao corrente versus tenso foi invertida, pois a inteno fazer o incremento de corrente no motor ser diretamente proporcional a velocidade de escorregamento do objeto. Com essa relao matemtica, equao 3.3, pode-se retirar o incremento necessrio de tenso para causar o incremento requerido de corrente.

y = 0,18 x + 2,4 x 11 x + 20 x + 164 3 2

(3.3)

3.16.1 O clculo da velocidade

A distncia em que o objeto se deslocou sentida pelo sensor de deslizamento. Este sensor de deslizamento esquematizado pela FIG 3.21.

55

FIGURA 3.21. Esquema do dispositivo do sensor de deslizamento usado nos testes. Supe-se que a distncia percorrida pela esfera a mesma distncia percorrida pelo eixo do encoder, desde que no haja escorregamento entre eles. O disco do encoder possui 50 furos igualmente espaados. O dimetro do eixo do encoder de 3,5 mm. O comprimento da circunferncia 2r. Ento podemos saber a distncia percorrida pelo o objeto atravs da equao 3.4.N 2 50 0,0035 2

L=

(3.4)

Onde N o numero de pulsos contados pelo encoder. O sinal retornado pelo sensor um valor de tenso que varia de 0,8V a 2,5V. Este sinal deslocado para que ele possa passar pelo zero. O numero de pulsos N contado toda vez que o valor do sinal passa de positivo para negativo. Para saber a taxa de amostragem necessria, foi determinado para os testes que o objeto poderia se deslocar no mximo 30 cm. Supondo que o objeto cai em queda livre, usamos a equao 3.5 para determinar o tempo de queda.

D=

1 2 a t 2

(3.5)

Substituindo D por 0,3m e a por 9,81m/s2, calcula-se que o objeto demoraria 0,247s para cair. Isto implica que o tempo em que a prtese demora para atuar, no pode ser superior a este valor, caso contrrio o objeto cairia totalmente antes de que qualquer ao seja tomada. Mas devemos lembrar que este um valor terico, na verdade uma fora de apreenso mnima j aplicada ao objeto antes deste modulo

56

automtico entrar em ao o que diminuiria sua acelerao. Pela equao 3.6 calculamos a velocidade mxima atingida pelo objeto em queda livre.

v(t ) = v0 + g t

(3.6)

Sabe-se ento que o objeto no passaria da velocidade de 2.42 m/s. Usando a equao 3.4 e fazendo N ser igual a 1, tiramos que a distancia percorrida por cada pulso contado pelo encoder de 0,2mm. Portanto na velocidade mxima, o encoder contaria 12.115 pulsos por segundo. A taxa de amostragem deve ser no mnimo 2 vezes o valor de freqncia mxima do sistema. Ento a freqncia de amostragem deveria ser de no mnimo 24.230 Hz. Como dificilmente o objeto no atingiria esta velocidade e para facilitar os clculos foi usado uma taxa de amostragem de 20.000 Hz. O sensor de deslizamento ser amostrado com uma taxa de 20000 amostras por segundo e sero retiradas 1000 amostras por vez. Ou seja, o algoritmo gastar 0,05 segundos lendo o sensor a cada vez. O algoritmo analisar esta amostra e tomar a ao necessria. Usando esta janela de amostragem, velocidades menores do que 4mm/s no sero corretamente percebidas pelo algoritmo. O algoritmo faz o incremento da fora de apreenso ser diretamente proporcional a velocidade de escorregamento do objeto. A fora de apreenso diretamente proporcional ao torque do motor. O torque do motor diretamente proporcional a corrente consumida. Controla-se o incremento de torque pela corrente liberada para o motor, esta relao entre a velocidade de escorregamento e o incremento da corrente mostrado no Grfico 3.

57

GRFICO 3. Relao linear determinada para o incremento da corrente no motor e a velocidade de deslizamento do objeto. A curva aproximada gerada pelo MatLab e o erro residual. Observa-se pelo Grfico 1 que a corrente no motor varia 1,68 A ate 4,01 A. Ento o incremento mximo de corrente de 2,33 A. O valor de corrente mnimo de 1.68 A porque o transistor que controla esta corrente precisa de uma tenso mnima de ativao para permitir a passagem de corrente. Alimentando o transistor com esta tenso mnima esta corrente de 1.68 A a corrente mnima consumida pelo motor, ou seja, para correntes menores que este valor o transistor abre o canal, no permitindo passagem nenhuma de corrente. O algoritmo ento calcula a velocidade de escorregamento do objeto e pela equao do Grfico 3, calcula o incremento na corrente. Pela equao 3.3 o algoritmo determina qual ser a tenso de sada da DAQ correspondente a corrente requerida j com o incremento embutido. Na pratica pode-se desejar que a atuao seja agressiva de modo a minimizar o deslocamento do objeto. Desta forma, um ganho foi acrescentando ao incremento de corrente no motor. Nos nossos testes para ajustar o ganho, a atuao foi impedida de agir e o objeto sofreu uma queda livre. O resultado deste teste com um ganho de 3 mostrado no Grfico 4.

58

3

2.5

C orrente A e Velocidade m/s X 10

2

Corrente no motor Velocidade de queda

1.5

1

0.5

0 0

5

10

15

20

25 tempo

30

35

40

45

50

GRFICO 4. Velocidade de queda do objeto sem atuao do motor e corrente atingida, com um ganho de 3. Outros testes com ganhos diferentes foram feitos de forma que na queda livre do objeto, at que ele atinja o seu fim de curso, o motor atue com fora mxima. Pelo Grfico 1 pode-se ver que a fora mxima de apreenso refere a uma corrente de 4.01A.

4.5 4 3.5 3

Corrente (A)

2.5 2 1.5 1 0.5 0 0Ganho 3 Ganho 5 Ganho 8 Ganho 6

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Tempo

GRFICO 5. Diferentes comportamentos de corrente devido ao ajuste no ganho.

59

O ganho, ento, foi ajustado para 6. Este o menor ganho em que o motor atua em sua fora mxima quando o objeto atinge a sua velocidade mxima na bancada de teste usada.

60

4. RESULTADOS E DISCUSSO

Como o coeficiente de atrito esttico diferente do coeficiente do atrito cintico. Isso gera uma descontinuidade nas relaes matemticas. O tubo de PVC no possui um dimetro continuo. Seu dimetro varia consideravelmente ao longo de seu comprimento. Alm disso, a superfcie do tubo, tambm, no possui uma superfcie uniforme. Pode-se ver pela FIG 3.9que o tubo apresenta algumas manchas pretas. Estas marcas pretas so resduos de borracha, provenientes da borracha presente no dedo artificial. Estas regies possuem um coeficiente de atrito diferente. O tubo vazio foi posicionado na posio mais alta, presa pelo dedo artificial com uma fora mnima de apreenso. Uma quantidade determinada de gua foi jogada no tubo de forma suave para que o fluxo de gua cause pouco impacto no fundo deste. Foram acrescentados 100ml de gua o que corresponde um incremento no peso do objeto de 0,100Kgf. O comportamento da corrente no motor e a velocidade de escorregamento do objeto foram monitorados. Depois foi acrescentado mais 100ml depois mais 200ml e assim sucessivamente ate que o dedo artificial no consiga mais segurar o objeto. Estes testes so mostrados nos grficos seguintes.

1.8

1.6

1.4

Corrente A e Velocidade m/s X 10

1.2

Corrente no motor Velocidade de escorregamento

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0

10

20

30

40

50 tempo

60

70

80

90

100

GRFICO 6. Foi acrescentado ao tubo 100 ml de gua que equivale a 0,100 Kgf. O peso total do objeto de 0,590 Kgf. O objeto no deslizou.

61

1.8

1.6

1.4


1.2


1

0.8

0.6

0.4

0.2

0 0

5

10

15

20

25 tempo

30

35

40

45

50

GRFICO 7. Foi acrescentado ao tubo 200 ml de gua que equivale a 0,200 Kgf. O peso total do objeto de 0,690 Kgf. No foi detectado um deslocamento do objeto.

3.5

3

2.5 C orrente A e Velocidade m/s X 10

2

1.5

1


0.5

0 0

5

10

15

20

25 tempo

30

35

40

45

50

GRFICO 8. Foi acrescentado ao tubo 300 ml de gua que equivale a 0,300 Kgf. O peso total do objeto de 0,790 Kgf. Foi detectado um deslocamento de 1 cm.

62

3

2.5 Corrente A e Velocidade m/s X 10

2

1.5

Corrente no motor Velocidade de escorregamento1

0.5

0 0

5

10

15

20

25 tempo

30

35

40

45

50


4

3.5


3


2.5

2

1.5

1

0.5

0 0

5

10

15

20

25 tempo

30

35

40

45

50


63

3.5

3

2.5 Corrente A e Velocidade m/s X 10

2

1.5

1


0.5

0 0

10

20

30

40 tempo

50

60

70

80


3.5

3

2.5 C orrente A e Velocidade m/s X 10

2


1.5

1

0.5

0 0

10

20

30

40 tempo

50

60

70

80


64

4.5

4

3.5


3

2.5

2


1.5

1

0.5

0 0

10

20

30

40 tempo

50

60

70

80

GRFICO 13. Foi acrescentado ao tubo 800 ml de gua que equivale a 0,800 Kgf. O peso total do objeto de 1,290 Kgf. Foi detectado um deslocamento de 5 cm. Pode-se notar um escorregamento aps a ocorrncia da corrente mxima. Mas o objeto se manteve em repouso aps este escorregamento na atuao mxima.

4.5

4

3.5


3

2.5

2

1.5


1

0.5

0 0

10

20

30

40 tempo

50

60

70

80

GRFICO 14. Foi acrescentado ao tubo 900 ml de gua que equivale a 0,800Kgf. O peso total do objeto de 1,390 Kgf. Foi detectado um deslocamento de 9 cm. Aps este deslocamento de 9 cm o objeto continuou a se deslocar em uma pequena velocidade ate a tingir o fim de curso. Nos testes feitos no foi possvel encontrar, a priori, uma relao entre o peso do objeto e a distncia percorrida por ele. Isto por ser devido superfcie no homognea do tubo. Isto faz com que o coeficiente de atrito entre o tubo e o dedo

65

artificial seja imprevisvel. Sendo um valor para cada ponto ao longo da superfcie. Desta forma, se o dedo artificial atingir um ponto com um alto coeficiente de atrito, o escorregamento do objeto cessa mesmo com uma fora de apreenso menor do que a fora feita em outros testes em que estes pontos de altos coeficientes no sejam atingidos. O algoritmo de controle se comportou de maneira adequada. Quando detectado o escorregamento do objeto aumentada a corrente no motor de forma proporcional a este escorregamento, este comportamento visto nos grficos. Exceto nos grficos 13 e 14. Nestes grficos a fora de apreenso chegou ao valor mximo e o objeto continuou a se mover. Isto ocorreu porque o peso do objeto atingiu 0,490 kgf (peso do tubo vazio) mais 0,800 Kgf (peso da gua) em um total de 1,290 Kgf. Este peso esta acima da capacidade do sistema de segurar o objeto. Ento pode-se dizer que a capacidade do sistema de segurar objetos de no mximo 1,190 Kgf. Estes testes visam avaliar de forma qualitativa e no quantitativa o comportamento do sistema proposto. Este sistema de controle pode ser implantado, tanto em prteses como em rteses. Publicaes sobre o uso de um sistema automtico de apreenso de um objeto que ajuste a fora de apreenso de forma proporcional a velocidade de deslizamento do objeto so raros. Outras prteses usam um sistema de deteco de deslocamento usando um sensor que detecta vibrao, como microfones ou sensores piezeltricos. Publicaes que fale da possibilidade de estimar a velocidade de deslizamento de um objeto atravs da deteco da vibrao causada pelo deslizamento so igualmente raras. Estas prteses aumentam a fora de apreenso em um valor prdeterminado uma vez detectado o escorregamento. O uso de um sensor de deslocamento baseado em encoder propicia a estimativa da velocidade, mas necessita de um contato adicional com o objeto. Este contato adicional no poder ser usado como contato necessrio a apreenso porque o sensor de deslizamento no pode dificultar o deslocamento do objeto, pois se este deslizar sob sua superfcie a leitura do sensor no ser conivente com a realidade. Enquanto os sensores de vibrao podem ser acoplados nos dedos da prtese sem a necessidade de um ponto especifico de contato do dedo com o objeto. O deslocamento causado pelo aumento de peso do objeto foi mnimo, sendo bem satisfatrio em situaes do cotidiano.

66

5. CONCLUSES

Uma estratgia de controle de um motor eltrico para controlar apreenso de objetos foi desenvolvida. Foi criado um ambiente de simulao em C++. As simulaes feitas mostram que a estratgia se comporta da maneira prevista. Uma bancada de testes foi construda para testar a viabilidade do controle automtico de apreenso de objetos. O prottipo foi capaz de conter de forma adequada o deslizamento do objeto de teste de 0,490 Kgf de peso mais um adicional de ate 0,700Kgf de gua. O prottipo mostrou-se capaz de apreender objetos frgeis sem esmag-los, aplicando sempre a fora mnima necessria mesmo quando este objeto aumenta de peso.

67

6-PERSPECTIVAS FUTURAS

Avaliar o comportamento do prottipo de forma quantitativa. Podendo, ento, aperfeioar a escolha do atuador e dos materiais. Minimizar o consumo de energia do prottipo. Desenvolver um sistema de controle compliance para substituir o controle proporcional deste trabalho. Implementar este sistema em uma prtese ou rtese real e testa-la em situaes reais.

68

ABSTRACT

The objective of this work is to contribute to the control system project of the prosthetic hand in development at UFMG. From a literature review on the control strategies used in hand prostheses, a control system was developed. An environment of simulation was created to assess the performance of routines implemented in the system. A bench testing was established to validate and verify the performance of the control system implemented. In this study, tests were conducted to simulate the slipping of an object in prosthetic hand and the performance of the control system to prevent it. The results showed that the control acted in a satisfactory manner, proving the feasibility of the strategies adopted in the project.

Key words: Prosthesis, control, robotic prosthesis, apprehension control, upper limb prosthesis.

69

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1 Abboudi, Rochel L.; Carey A. Glass, Nicki A. Newby, James A. Flint, and William Craelius, 1999, A Biomimetic Controller for a Multifinger Prosthesis, IEEE TRANSACTIONS ON REHABILITATION ENGINEERING, VOL. 7, NO. 2, JUNE 1999. 2 Bronzino J. D., 2000, The Biomedical Engineering HandBook, Second Edition, Boca Raton: CRC Press LLC. 3 CARROZZA, M.C.; C. SUPPO, F. SEBASTIANI, B. MASSA AND F. VECCHI, R. LAZZARINI, M.R. CUTKOSKY, P. DARIO, 2004, The SPRING Hand: Development of a Self-Adaptive Prosthesis for Restoring Natural Grasping, Autonomous Robots 16, 125141, 2004 Kluwer Academic Publishers. Manufactured in The Netherlands. 4 Casco, Carlos Alberto Jr.; Renan Utida Ferreira, Ener Diniz Beckmann, Geovany Arajo Borges, Joo Yoshiyuki Ishihara, Adson Ferreira da Rocha, 2005, ESTUDO E DESENVOLVIMENTO DE UMA PRTESE ATIVA DE PERNA COMANDADA POR SINAIS ELETROMIOGRFICOS, VII SBAI/ II IEEE LARS. So Lus, setembro de 2005. 5 Cranny, A.; D.P.J. Cotton, P.H. Chappell, S.P. Beeby, N.M. White, 2005, Thick-film force and slip sensors for a prosthetic hand, Sensors and Actuators A 123124 (2005) 162171. 6 Cunha, Fransergio Leite da, 2002, Mo de So Carlos uma prtese multifuno para membros superiores: Um estudo dos mecanismos, atuadores e sensores, Tese apresentada Escola de Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo. 7 DARIO, PAOLO; MARIA CHIARA CARROZZA, EUGENIO GUGLIELMELLI, CECILIA LASCHI, ARIANNA MENCIASSI, SILVESTRO MICERA, AND FABRIZIO VECCHI, 2005, Robotics as a Future and Emerging Technology, IEEE Robotics & Automation Magazine 2005. 8 Englehart K., Hudgins B., Parker P. and Stevenson M., 1998, Time-Frequency Representation For Classification of Transient MYOELECTRIC Signals, Proceedings of the 20th Annul International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 9 Haulin, E. Ngale; R. Vinet, 2002, Multiobjective optimization of hand prosthesis mechanisms, Mechanism and Machine Theory 38 (2003) 326. 10 Joyce, Thomas J.; 2006, Prediction of lubrication regimes in two-piece metacarpophalangeal prostheses, Medical Engineering & Physics xxx (2006) xxxxxx. 11 Kyberd, Peter J.; Owen E. Holland, Paul H. Chappell, Simon Smith, Robert Tregidgo, Paul J. Bagwell, and Martin Snaith, 1995, MARCUS: A Two Degree of

70

Freedom Hand Prosthesis with Hierarchical Grip Control, IEEE TRANSACTIONS ON REHABILITATION ENGINEERING, VOL. 3, NO. 1, MARCH 1995. 12 Lifchez , Scott D.; MD, Judith Marchant-Hanson, BS, Hani S. Matloub, MD, James R. Sanger, MD, William W. Dzwierzynski, MD, Hanh H. Nguyen, MD, Milwaukee, WI, 2005, Functional Improvement With Digital Prosthesis Use After Multiple Digit Amputations,The Journal of Hand Surgery / Vol. 30A No. 4 July 2005. 13 Light, C.M.; P.H. Chappell, 2000, Development of a lightweight and adaptable multiple-axis hand Prosthesis, Medical Engineering & Physics 22 (2000) 679684. Mauqardt, Ernst, Hidenberg, 1965, THE HEIDELBERG PNEUMATIC ARM PROSTHESIS, IHE JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY, VOL. 47 B, NO. 3, AUGUST 1965. 14 Manurangsee, P.; MD, C. Isariyawut, MD, V. Chatuthong, MD, S. Mekraksawanit, MD, Bangkok, Thailand, 2000, Osseointegrated Finger Prosthesis: An Alternative Method for Finger Reconstruction, The Journal of Hand Surgery / Vol. 25A No. 1 January 2000. 15 Maruishi, Masaharu; Yoshiyuki Tanaka, Hiroyuki Muranaka, Toshio Tsuji, Yoshiaki Ozawa, Satoshi Imaizumi, Makoto Miyatani, Junichiro Kawahara, 2003, Brain activation during manipulation of the myoelectric prosthetic hand: a functional magnetic resonance imaging study, NeuroImage 21 (2004) 16041611 16 MOORLEGHEM, 2004, The MANUS-HAND Dextrous Robotics Upper Limb Ortolan 17 Prosthesis: Mechanical and Manipulation Aspects, Autonomous Robots 16, 143 163, 2004 c 2004 Kluwer Academic Publishers. Manufactured in The Netherlands. 18 PILLET, J.; A. DIDIERJEAN-PILLET, 2001, AESTHETIC HAND PROSTHESIS: GADGET OR THERAPY? PRESENTATION OF A NEW CLASSIFICATION, Journal of Hand Surgery (British and European Volume, 2001) 26B: 6: 523-528. 19 Piveteau, J, 1955, La Gense humaine en biologie (Enciclopdie de la Pliade: Paris) 20 PONS, J.L.; E. ROCON AND R. CERES, D. REYNAERTS, B. SARO, S. LEVIN, W. VAN OKUNO, RYUHEI; MASAKI YOSHIDA, AND KENZO AKAZAWA,2005, Compliant Grasp in a Myoelectric Hand Prosthesis, IEEE ENGINEERING IN MEDICINE AND BIOLOGY MAGAZINE JULY/AUGUST 2005. 21 Sedra, AS, Smith, KC, 2000, Microeletrnica, MAKRON Books. 22 Shim, Jae-Ho; MD, Young-Hee Lee, MD, Jong-Min Lee, MD, Jeong Mee Park, MD, Jae-Ho Moon, MD, 1998, Wrist-Driven Prehension Prosthesis for Amputee Patients With Disarticulation of the Thumb and Index Finger, American Congress of Sousa, Vagner Ribeiro de, Marco Aurlio da Silva e Souza, Jesus Franklin Andrade Romero, 2006, CIRCUITO DE CONDICIONAMENTO DE SINAIS

71

ELETROMIOGRFICOS, Anais do 12O Encontro de Iniciao Cientfica e PsGraduao do ITA XII ENCITA / 2006 23 Rehabilitation Medicine and the American Academy of Physical Medicine and Rehabilitation 0003-9993/98/7907-461753.00/0. 24 Silva, Jorge; MASc, Winfried Heim, CP(c), Tom Chau, PhD, PEng, 2005, A SelfContained, Mechanomyography-Driven Externally Powered Prosthesis, American Congress of Rehabilitation Medicine and the American Academy of Physical Medicine and Rehabilitation Vol 86, October 2005. 25 Thieffry, S, 1973, La main de lhomme (Hachette Littrature: Paris) 26 Ton-Tai Pan, Ping-Lin Fan, Huihua Kenny Chiang, Member, IEEE, Rong-Seng Chang, and Joe-Air Jiang, 2004, Mechatronic Experiments Course Design: A Myoelectric Controlled Partial-Hand Prosthesis Project, IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. 47, NO. 3, AUGUST 2004. 27 Valery, P, 1938, Discours d overture au Congrs de Chirurgie (Nouvelle Revue Franaise: Paris) 28 Yang, Jingzhou; Esteban Pea Pitarch, Karim Abdel-Malek, Amos Patrick, Lars Lindkvist,2004, A multi-fingered hand prosthesis, Mechanism and Machine Theory 39 (2004) 555581. 29 Zheng, Y.P.; M.M.F. Chan, J. Shi, X. Chen, Q.H. Huang, 2004, Sonomyography: Monitoring morphological changes of forearm muscles in actions with the feasibility for the control of powered prosthesis, Medical Engineering & Physics 28 (2006) 405415

72

disserta_aobrunogarrido

Documents

Transcript of disserta_aobrunogarrido