Braço mecânico controlado pela diferença de potencial ocular

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

Programa de Graduação em Engenharia Mecânica Ênfase em Mecatrônica

Jackson Junio Pereira Tironi

Rafael de Almeida Lial

Saulo Vieira Fidelis e Moura

BRAÇO MECÂNICO CONTROLADO PELA DIFERENÇA DE POTENCIAL OCULAR

Belo Horizonte

2012





Trabalho apresentado à disciplina

Trabalho de Integração de Curso III do

programa de Graduação em Engenharia

Mecânica ênfase Mecatrônica da

Pontifícia Universidade Católica de Minas

Gerais, como requisito parcial de

obtenção do título de Bacharel em

Engenharia.

Orientador: Sady Antônio dos Santos Filho

Belo Horizonte

2012





Trabalho apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica com Ênfase em

Mecatrônica da Pontifícia Universidade

Católica de Minas Gerais, como requisito

parcial de obtenção do título de Bacharel

em Engenharia.

________________________________________________

Prof. Sady Antônio dos Santos Filho – Orientador - PUC Minas

Belo Horizonte, 26 de Novembro de 2012

A Deus, meus familiares, amigos e

companheiros de classe que muito nos ajudaram na

realização deste projeto.

AGRADECIMENTOS

A todos que contribuíram para a realização deste trabalho, fica expressa

aqui a minha gratidão, especialmente:

A Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, pela oportunidade

de cursar Engenharia Mecânica (ênfase em Mecatrônica).

Ao orientador Sady Antônio dos Santos Filho e ao professor Cláudio

Campos, pelo ensino e apoio em todos os momentos necessários nesta

caminhada.

Aos nossos amigos de classe, principalmente ao Kennedy Miranda, pela

rica troca de experiências, que nos ajudou bastante.

A todos que, de alguma forma, contribuíram para esta construção.

“Nenhum caminho é longo demais quando um amigo nos acompanha”. (Autor Desconhecido)

RESUMO

Este trabalho concentra-se no estudo de disciplinas como ciência dos

materiais, resistência dos materiais, robótica, automação, computação,

circuitos elétricos, dispositivos eletrônicos, eletrônica de potência e sistema

digitais, que integralmente irá ter base para criação de um circuito eletrônico

capaz de captar sinais bioelétricos do movimento dos olhos, onde esses sinais

serão amplificados e tratados, para que um microcontrolador controle e

comande dois servomotores para mover um braço mecânico.

Assim temos como grande objetivo proporcionar um maior conhecimento

prático e teórico, no qual poderemos aplicar os estudos já adquiridos ao longo

do curso e adquirir maiores conhecimentos com pesquisas que serão

realizadas ao longo do desenvolvimento desse projeto.

Palavras - Chave: Robótica, Braço Mecânico e Diferencia de Potencial Elétrico.

ABSTRACT

This work focuses on the study of subjects such as materials science,

strength of materials, robotics, automation, computer, electrical circuits,

electronic devices, power electronics and digital system, which will have full

basis for the creation of an electronic circuit capable of capture bioelectric

signals of eye movement, where these signals are amplified and treated for a

microcontroller control and command two servomotors to move a mechanical

arm.

Thus we have as main objective to provide further practical and

theoretical knowledge on which we can apply the studies already acquired

throughout the course and acquire more knowledge with research that will be

conducted throughout the development of this project.

Keywords: Robotics, Mechanical Arm and differentiates the electric potential.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – A eletrooculargrafia (EOG) ....................................................... 18

FIGURA 2 – Partes do olho humano ............................................................. 18

FIGURA 3 – Modelo do dipolo elétrico para o olho ..................................... 19

FIGURA 4 – Eletrodo de captação de sinal biopotencial ............................ 19

FIGURA 5 – Colocação dos eletrodos para medição de sinais de EOG .... 20

FIGURA 6 –Resposta em frequencia de um bioamplificador ..................... 22

FIGURA 7 – Impedância de entrada e polarização do eletrodo .................. 23

FIGURA 8 – Circuito interno do Amplificador INA 114 ................................ 24

FIGURA 9 – Sistema computacional de um microcontrolador................... 25

FIGURA 10 – Servomotor .............................................................................. 28

FIGURA 11 – Análise de um servomotor ...................................................... 29

FIGURA 12 – Componentes de um servomotor ........................................... 29

FIGURA 13 –Fios de interface ....................................................................... 30

FIGURA 14 – Sinal PWM ................................................................................ 31

FIGURA 15 – Sinal de 1ms ............................................................................. 31

FIGURA 16 – Sinal de 1,5ms .......................................................................... 31

FIGURA 17 – Sinal de 2ms ............................................................................. 32

FIGURA 18 – Torque do eixo de saída de um servomotor ......................... 32

FIGURA 19 – Tipos de servomotores ........................................................... 33

FIGURA 20 – Preparação para colocação dos eletrodos ............................ 34

FIGURA 21 – Eletrodos para captação do sinal elétrico ............................. 35

FIGURA 22 – Locais de colocação dos eletrodos ....................................... 36

FIGURA 23 – Diagrama em blocos do bioamplificador ............................... 37

FIGURA 24 – Configuração do amplificador de instrumentação ............... 38

FIGURA 25 – Sinal de entrada do INA .......................................................... 39

FIGURA 26 – Sinal de saída do INA .............................................................. 39

FIGURA 27 – Circuito do filtro passa-alta .................................................... 41

FIGURA 28 – Sinal de entrada do filtro passa-alta ...................................... 41

FIGURA 29 – Sinal de saída do filtro passa-alta .......................................... 42

FIGURA 30 – Circuito de estágio de ganho ................................................. 43

FIGURA 31 – Circuito do filtro ativo passa baixa de 3ª ordem ................... 44

FIGURA 32 – Sinal de saída do filtro passa-baixa ....................................... 45

FIGURA 33 – Comparador com histerese......................................................46

FIGURA 34 – Sinal de saída do comparador com histerese ....................... 46

FIGURA 35 – Diagrama do circuito bioamplificador completo................... 47

FIGURA 36 – Placa do circuito bioamplificador desenvolvido .................. 47

FIGURA 37 – Configuração dos pinos do PIC 18F4550 .............................. 50

FIGURA 38 – Esquemmático do PIC 18F4550 .............................................. 50

FIGURA 39 – Circuito de regulagem do bioamplificador..............................51

FIGURA 40 – Esquema de ligação do clock externo de 20MHz ................. 52

FIGURA 41 – Implementação do PIC ............................................................ 52

FIGURA 42 – Software MPLAB IDE ............................................................... 54

FIGURA 43 – Servomotor utilizado ............................................................... 55

FIGURA 44 – Conector do servomotor ......................................................... 56

FIGURA 45 – Sinal PWM na saída do microcontrolador ............................. 57

FIGURA 46 – Braço mecânico sem os servomotores ................................. 57

FIGURA 47 – Braço mecânico completo ...................................................... 58

FIGURA 48 – Componentes interligados para testes .................................. 59

FIGURA 49 – Fonte de tensão contínua utilizada ........................................ 59

FIGURA 50 – Osciloscópio utilizado ............................................................. 60

FIGURA 51 – Multímetro utilizado ................................................................. 60

FIGURA 52 – Interferência entre o movimento dos servomotores ............ 61

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – Faixa de frequencia de vários sinais biopotenciais ............... 40

TABELA 2 – Características do PIC 18F4550 ............................................... 49

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 15

1.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 15

1.2 Objetivos Específicos .............................................................................. 16

1.3 Justificativa ............................................................................................... 16

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 16

2.1 Eletrofisiologia ......................................................................................... 17

2.1.1 Eletrooculagrafia ................................................................................... 18

2.2 Bioamplificadores .................................................................................... 21

2.2.1 Ganho (Av) ............................................................................................. 21

2.2.2 Resposta em Frequência ...................................................................... 22

2.2.3 Ruído e Drift ........................................................................................... 23

2.2.4 Impedância de Entrada ......................................................................... 23

2.2.5 Amplificadores de Instrumentação ...................................................... 24

2.3 Microcontrolador ...................................................................................... 25

2.3.1 Apresentação do PIC ............................................................................ 26

2.3.2 A Linguagem C ...................................................................................... 27

2.4 Servomotores ........................................................................................... 27

2.4.1 Características do servomotor ............................................................. 28

2.4.2 Funcionamento do servomotor ............................................................ 30

2.4.3 Tipos de servomotores ......................................................................... 33

3 DESENVOLVIMENTO ................................................................................. 34

3.1 Metodologia da colocação dos eletrodos .............................................. 34

3.2 Captação da diferença de potencial elétrica .......................................... 35

3.3 Circuito Bioamplificador .......................................................................... 36

3.3.1 Amplificador Instrumental INA 114 ...................................................... 38

3.3.2 Filtros ..................................................................................................... 40

3.3.3 Filtro Passa - Alta .................................................................................. 41

3.3.4 Estágio de ganho .................................................................................. 42

3.3.5 Filtro Passa - Baixa ............................................................................... 43

3.3.6 Comparador ........................................................................................... 45

3.3.7 Circuito completo .................................................................................. 47

3.3.8 Considerações Adicionais .................................................................... 48

3.4 Microcontrolador ...................................................................................... 48

3.4.1 Configurações do microcontrolador PIC ........................................... 49

3.4.2 Lógica para programação do microcontrolador PIC ......................... 53

3.4.2.1 Lógica para a entrada horizontal (abre e fecha a garra) ................ 52

3.4.3 Software para programação – MPLAB IDE ........................................ 53

3.4.4 Considerações Adicionais ................................................................... 54

3.5 Servomotores ........................................................................................... 55

3.5.1 Sinais de entrada dos servomotores ................................................... 55

3.6 O Braço Mecânico .................................................................................... 57

4 TESTES E ANÁLISE DOS RESULTADOS .................................................. 59

5 CONCLUSÃO ............................................................................................... 63

REFERÊNCIAS................................................................................................ 65

APÊNDICES .................................................................................................... 67

ANEXOS............................................................................................................74

15

1 INTRODUÇÃO

Muitas vezes, há a necessidade de monitorar sinais biológicos internos ao

nosso corpo, tais como sinais provenientes do batimento cardíaco (ECG), de

contrações e distensões musculares (EMG), do pensamento (EEG) e do movimento

do globo ocular (EOG). No que se refere a indivíduos portadores de deficiência, os

sinais de ECG, EMG, EEG e EOG podem ser utilizados para a melhora da qualidade

de vida dos mesmos.

Alguns tipos de deficiência física podem fazer com que o paciente perca o

controle de determinados músculos de seu corpo, dificultando ou até mesmo

impossibilitando a interação do indivíduo com o meio à sua volta. Apesar das

dificuldades de locomoção e comunicação desses indivíduos, eles ainda apresentam

controle de determinados movimentos não afetados, como os movimentos do globo

ocular. Os sinais elétricos adquiridos desses movimentos podem ser interpretados,

para promover ações de comando e controle em próteses e em equipamentos, de

forma a facilitar a interação do indivíduo com o seu ambiente físico.

É essencial para sistemas desse tipo uma etapa de aquisição de sinais, que

faça a captação (de uma maneira não invasiva, por meio de eletrodos), amplificação

e tratamento dos sinais biológicos e os disponibilize para um microcontrolador, que

por sua vez, controla e comanda uma máquina eletromecânica.

Para que os movimentos da prótese sejam de acordo com os comandos do

próprio usuário, serão usados sensores (eletrodos) que captam os movimentos dos

olhos por uma diferença de potencial elétrico entre a córnea (positivo) e a retina

(negativa), estes sinais captados serão amplificados e filtrados por bioamplificadores

que os enviam para um microcontrolador, que por sua vez, controla e comando

servomotores para simular os movimentos de um braço humano em uma prótese

mecânica.

1.1 Objetivo Geral

O objetivo geral desse projeto é fazer o movimento de um braço mecânico

(com um grau de liberdade) através da captação, amplificação e processamento da

diferença de potencial ocular de uma pessoa normal.

16

1.2 Objetivos Específicos

Os objetivos específicos do projeto serão os seguintes:

Construir um circuito responsável pela captação, amplificação e tratamento

do sinal elétrico ocular;

Criar um código de programação para um microcontrolador comandar

servomotores, os quais irão movimentar um braço mecânico.

1.3 Justificativa

O principal motivo que levou o grupo a escolher o tema citado, é poder

desenvolver uma placa de aquisição de sinais biológicos, no caso de sinais que

captam os movimentos dos olhos por uma diferença de potencial elétrico entre a

córnea (positivo) e a retina (negativa). Pretende-se que a placa seja parte de um

sistema capaz de possibilitar um meio de comunicação e controle, para pessoas que

perderam alguns (ou todos) os seus movimentos musculares voluntários,

necessitando, para isto, da aquisição de sinais gerados pelo movimento ocular.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Nessa seção será exposta a explicação da origem da diferença de potencial

elétrica ocular, como fazer a captação dessa diferença de potencial, quais

dispositivos e circuitos eletrônicos são usados para bioamplificação do sinal, qual

dispositivo que comanda e controla uma máquina eletromecânica para

movimentação das partes mecânicas do braço.

17

2.1 Eletrofisiologia

Grande número de fenômenos biológicos importantes é acompanhado de

manifestações elétricas celulares, a eletrofisiologia é o ramo na medicina que estuda

esse fenômeno.

Em repouso, as células vivas apresentam diferença de potencial elétrico de

várias dezenas de milivolts através da membrana plasmática. A difusão de íons a

favor de gradientes de concentração é a mais importante causa de manifestação

elétrica em sistemas biológicos.

A diferença de potencial elétrica iônica está implicada em inúmeros processos

celulares, tais como movimentos do globo ocular (EOG), contração e distensão

muscular (EMG), batimento cardíaco (ECG), do pensamento (EEG) e de muitos

outros. Nesses casos particulares, os processos de difusão (potenciais de difusão) e

os transportes ativos (potenciais de bombas eletrogênicas) representam os

mecanismos básicos responsáveis pela polarização da membrana plasmática.

A gênese desse potencial está associada a mecanismos de transporte de

íons, que criam um meio iônico intracelular de composição distinta daquela do meio

iônico extracelular.

Uma notável característica de todas as células vivas é a diferença de

potencial existente intra e extracelular. Essa diferença de potencial usualmente varia

entre 10µV e 100 mV, com o interior da célula sendo eletronegativo em relação ao

exterior.

Os três principais íons (K+, Na+ e Cl-) participantes da geração do potencial

de membrana, nas células em geral, também desempenham outras importantes

ações em múltiplas células, em tecidos e órgãos humanos.

Assim a difusão de íons a favor de gradientes de concentração é a mais

importante causa de manifestação elétrica em sistemas biológicos. A combinação de

gradientes iônicos transmembranares com permeabilidade diferencial a íons é a

base para a geração da diferença de potencial elétrica.

18

2.1.1 Eletrooculagrafia

A eletrooculargrafia (EOG) é um exame de monitoração de sinais biológicos

provenientes do movimento do globo ocular, como pode ser visto na Figura 1 abaixo.

Esses sinais elétricos podem ser interpretados para promover ações para a melhora

da qualidade de vida dos indivíduos com o seu ambiente físico.

Figura 1 - A eletrooculargrafia (EOG)

Fonte: ALBERNAZ, 2012

Potenciais eletrooculográficos (sinais bioelétricos de EOG) são pequenos potenciais

elétricos, também conhecidos como potenciais entre a córnea e a retina, que são

proporcionais ao ângulo (ou a posição) dos olhos em relação à cabeça, na Figura 2 abaixo é

mostrado partes do olho humano.

Figura 2 - Partes do olho humano

Fonte: ALBERNAZ, 2012

19

O sinal de EOG possui uma amplitude média de 100 µV e é proporcional ao

deslocamento do olho. O potencial entre a córnea e a retina é produzido pela

hiperpolarização e despolarização das células nervosas na retina. O olho humano é

um dipolo elétrico, com o pólo negativo ao fundo e o pólo positivo na córnea, como

mostrado na Figura 3.

Figura 3 – Modelo do dipolo elétrico para o olho

Fonte: MARTINS, 2005

Para captação dessa diferença de potencial, pela hiperpolarização e

despolarização das células da retina, são utilizados eletrodos de monitorização.

Os eletrodos são peças fundamentais no processo de aquisição de um sinal,

pois eles fazem o interfaceamento entre o circuito elétrico e o corpo humano. É de

suma importância que os eletrodos estejam bem fixados na pele e sejam específicos

para a captação de biopotenciais, de modo a evitar, ao máximo, a introdução de

ruídos no circuito amplificador e maximizar o sinal proveniente do movimento dos

olhos.

Figura 4 – Eletrodo de captação de sinal biopotencial

Fonte: Fotos do autor

20

Atualmente, a maioria dos eletrodos de biopotencial utilizados para a

captação dos movimentos oculares é descartável e, geralmente, vem com um gel

previamente aplicado em sua superfície, destinado a maximizar a transferência de

corrente elétrica do corpo para o eletrodo e subsequentemente para o circuito, esse

tipo de eletrodo é mostrado na Figura 4 acima.

Na área de contato do gel com o corpo, ocorrem trocas ion-elétron entre o

eletrodo e o eletrólito, o que resulta em uma tensão contínua (potencial DC)

conhecida como potencial de meia célula. Esses eletrodos, geralmente, são feitos de

ligas de cloreto de prata ou ouro. A colocação dos eletrodos no exame

eletrooculargrafia (EOG) é mostrada na Figura 5 abaixo.

Figura 5 – Colocação dos eletrodos para medição de sinais de EOG

Fonte: MARTINS, 2005

Coloca-se um eletrodo ao lado de cada olho para medição de movimentos

horizontais (eletrodos D e E). O eletrodo de referência (terra) é fixado no meio da

testa.

O sinal elétrico varia, aproximadamente, de 20 µV para cada variação de um

grau no movimento do olho, assim por esse sinal elétrico ser da ordem de milivolts,

tem que passar por um sistema de bioamplificação.

O bioamplificador deve ser capaz de lidar com sinais extremamente fracos na

presença dos potenciais de meia célula. Estes potenciais DC devem ser

21

considerados na seleção do ganho do bioamplificador, uma vez que eles

podem saturar o amplificador, o que impede a detecção de componentes de baixo

nível AC (corrente alternada).

2.2 Bioamplificadores

Quando o objetivo é captar sinais do corpo humano resultantes da atividade

eletrofisiológica (biopotenciais), em especial, da diferença potencial entre a córnea e

a retina do olho humano, deve-se tomar um extremo cuidado, pois esses sinais

possuem baixas amplitudes (da ordem de microvolts a milivolts). Desta forma, torna-

se necessário um dispositivo que amplifique esses sinais, no caso um amplificador

de biopotenciais ou bioamplificador.

Para que o mesmo atenda as especificações do projeto, alguns parâmetros

devem ser observados.

2.2.1 Ganho (Av)

Como já mencionado anteriormente, o sinal da atividade eletrofisiológica é

bem pequeno, da ordem de microvolts até milivolts. Assim o bioamplificador deve

possui um ganho (Av) de 1000 ou superior a isto. Este ganho geralmente é medido

em decibéis (dB). O ganho em dB, pode ser obtido por meio do ganho linear, pela

seguinte expressão:

Av(dB) = - 20 log10 (Ganho Linear)

22

2.2.2 Resposta em Frequência

A largura da banda de frequência de um bioamplificador deve ser tal que o

bioamplificador possa amplificar todas as componentes de frequências, presentes no

sinal eletrofisiológico, sem atenuação. A largura da banda de frequência de

qualquer amplificador, como mostrado na Figura 6, é a diferença entre f2, frequência

de corte superior, e f1 frequência de corte inferior. O ganho nestas frequências é

0,707 do ganho na banda de passagem (entre as duas frequências).

Se o ganho percentual é normalizado em relação ao ganho das frequências

médias (100%), o ganho nas frequências de corte tem de diminuir para 70,7%. Os

pontos de corte também são conhecidos como os pontos de meia potência, devido

ao fato de que a 70,7% do sinal, a potência será (0.707)2= 0.5. Estes pontos

também são conhecidos como pontos de -3 dB, já que o ganho nos mesmos são

menos 3 dB do ganho na faixa de passagem:

- 3 dB = 20 log10 = 0,707

Figura 6 - Resposta em frequência de um bioamplificador

Fonte: CAMPOS, DA SILVA, CARNEIRO, 2011

Faixa de passagem

23

2.2.3 Ruído e Drift

Ruído e drift são sinais adicionais indesejáveis que contaminam o sinal de um

bioamplificador. Tanto o ruído, quanto o drift, são gerados dentro do

bioamplificador. O primeiro geralmente refere-se aos sinais indesejáveis com

componentes espectrais acima de 0,1 Hz, enquanto que o segundo refere-se `as

lentas mudanças na linha de base em frequências abaixo de 0,1 Hz.

2.2.4 Impedância de Entrada

A impedância de entrada de um bioamplificador deve ser suficientemente

elevada, para não atenuar consideravelmente o sinal eletrofisiológico a ser

medido. A Figura 7 apresenta esquema básico de um bioamplificador, destacando a

impedância de entrada. Cada interface eletrodo-tecido tem uma impedância finita

que depende de muitos fatores, tais como o tipo de camada de interface (por

exemplo, pele, gordura preparadas ou não), área de superfície do eletrodo, ou a

temperatura da interface do eletrólito.

Figura 7 – Impedância de entrada e polarização do eletrodo


24

2.2.6 Amplificadores de Instrumentação

Amplificadores de instrumentação são circuitos projetados para captar um

sinal de pequena ordem (de micro a mili volts) geralmente provenientes do corpo

humano. O ganho deste tipo de componente pode variar entre 1 a 10.000, e são

muito utilizados em equipamentos de análise dos parâmetros de um paciente, como

o eletrocardiograma (ECG), pressão não invasiva (IBP) e eletrooculograma (EOG).

Comercialmente existem circuitos integrados (CI’s) que englobam o circuito

básico para esta função como mostrado na Figura 8 abaixo, e que junto com alguns

outros componentes podem desempenhar satisfatoriamente a função da aquisição

de sinais fisiológicos. Para o desenvolvimento deste trabalho, foi utilizado um INA

114.

Figura 8 - Circuito interno do Amplificador INA 114


25

2.3 Microcontrolador

Um microcontrolador é um sistema computacional completo, como pode ser

visto na Figura 9 abaixo, no qual estão incluídos uma CPU (Central Processor Unit),

memória, um sistema de clock, sinais de I/O (Input/Output), além de diversos outros

possíveis periféricos, tais como, módulos de temporização e conversores A/D entre

outros, integrados em um mesmo componente (chip). A partes integrantes de

qualquer computador, e que também estão presentes, em menor escala, nos

microcontroladores são:

Unidade Central de Processamento (CPU)

Sistema de clock para dar sequência às atividades da CPU

Memória para armazenamento de instruções e para manipulação de dados

Entradas para interiorizar na CPU informações do mundo externo

Saídas para exteriorizar informações processadas pela CPU para o mundo

externo

Programa (software) para que o sistema faça alguma coisa útil

Figura 9 – Sistema computacional de um microcontrolador

Fonte: FABIO, 2012

O que diferencia os diversos tipos de microcontroladores, são as quantidades

de memória interna (programa e dados), velocidade de processamento, quantidade

de pinos de entrada/saída (I/O), alimentação, periféricos, arquitetura e set de

instruções.

26

2.3.1. Apresentação do PIC

O PIC é um circuito integrado produzido pela Microchip Technology Inc. , que

pertence a categoria dos microcontroladores, ou seja, um componente integrado que

em um único dispositivo contem todos os circuitos necessarios para realizar um

completo sistema digital programavel.

O PIC pode ser visto externamente como um circuito integrado TTL ou CMOS

normal, mas internamente dispõe de todos os dispositivos típicos de um sistema

microprocessado, como:

Uma CPU (Central Processor Unit ou Unidade de Processamento Central) e sua

finalidade é interpretar as instruções de programa;

Uma memória PROM (Programmable Read Only Memory ou Memória

Programavel Somente para Leitura) na qual ira memorizar de maneira

permanente as instruções do programa;

Uma memória RAM (Random Access Memory ou Memória de Acesso Aleatório)

utilizada para memorizar as variaveis utilizadas pelo programa;

Uma serie de LINHAS de I/O (entrada e saída) para controlar dispositivos

externos ou receber pulsos de sensores, chaves, etc. ;

Uma serie de dispositivos auxiliares ao funcionamento, ou seja, gerador de

clock, bus, contador, etc.

A presença de todos estes dispositivos em um espaço extremamente

pequeno, da ao projetista ampla gama de trabalho e enorme vantagem em usar um

sistema microprocessado, onde em pouco tempo e com poucos componentes

externos podemos fazer o que seria oneroso fazer com circuitos tradicionais.

O PIC esta disponível em uma ampla gama de modelos para melhor adaptar-

se as exigências de projetos específicos, diferenciando-se pelo numero de linha de

I/O e pelo conteúdo do dispositivo. Inicia-se com modelo pequeno identificado pela

sigla PIC12Cxx dotado de 8 pinos, até chegar a modelos maiores com sigla

PIC17Cxx dotados de 40 pinos. Uma descrição detalhada da tipologia do PIC é

disponível no site da Microchip ( www.microchip.com ) , onde conseguimos encontrar

grandes e variadas quantidades de informações técnicas, software de apoio,

exemplos de aplicações e atualizações disponíveis.

27

2.3.2. A Linguagem C

C é uma linguagem de programação compilada de propósito geral,

estruturada, imperativa, procedural, padronizada pela ISO, criada em 1972, por

Dennis Ritchie, no AT&T Bell Labs, para desenvolver o sistema operacional Unix

(que foi originalmente escrito em Assembly).

A linguagem C é uma das linguagens de programação mais populares e

existem poucas arquiteturas para as quais não existem compiladores para C. C foi

útil para muitas aplicações que foram codificadas originalmente em Assembly.

Essa propriedade não foi acidental, a linguagem C foi criada com o objetivo

principal em mente, facilitar a criação de programas extensos com menos erros,

recorrendo ao paradigma da programação procedural, mas sobrecarregando menos

o autor do compilador, cujo trabalho complica-se ao ter de realizar as características

complexas da linguagem.

Uma consequência da aceitação geral da linguagem C é que frequentemente

os compiladores, bibliotecas e até intérpretes de outras linguagens de nível maior

sejam eles próprios implementados em C.

C tem como ponto forte, a sua eficiência e é a linguagem de programação

preferida para o desenvolvimento de sistemas e softwares de base, apesar de

também ser usada para desenvolver programas de computador. Outra característica

importante de C, é sua proximidade do código de máquina, que permite que um

projetista seja capaz de fazer algumas previsões de como o software irá se

comportar, ao ser executado.

2.4 Servomotores

Servomotor é uma máquina, mecânica ou eletromecânica, que apresenta

movimento proporcional a um comando, em vez de girar ou se mover livremente

sem um controle mais efetivo de posição como a maioria dos motores, um

servomotor é mostrado na Figura 10 a seguir.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Linguagem_compilada

http://pt.wikipedia.org/wiki/Programa%C3%A7%C3%A3o_estruturada

http://pt.wikipedia.org/wiki/Programa%C3%A7%C3%A3o_imperativa

http://pt.wikipedia.org/wiki/Programa%C3%A7%C3%A3o_procedural

http://pt.wikipedia.org/wiki/Organiza%C3%A7%C3%A3o_Internacional_para_Padroniza%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/1972

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dennis_Ritchie

http://pt.wikipedia.org/wiki/AT%26T

http://pt.wikipedia.org/wiki/Bell_Labs

http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_operativo

http://pt.wikipedia.org/wiki/Unix

http://pt.wikipedia.org/wiki/Linguagem_de_montagem

http://pt.wikipedia.org/wiki/Linguagem_de_montagem

http://pt.wikipedia.org/wiki/Paradigma

http://pt.wikipedia.org/wiki/Programa%C3%A7%C3%A3o_procedural

http://pt.wikipedia.org/wiki/Compilador

http://pt.wikipedia.org/wiki/Programa_de_computador

http://pt.wikipedia.org/wiki/C%C3%B3digo_de_m%C3%A1quina

http://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina

28

Figura 10 - Servomotor

Fonte: SANTOS, 2007

Os servomotores possuem um elevado torque em malha fechada. Ao existir

um sinal aplicado na entrada, o servo motor manterá a posição angular do eixo.

Ocorrendo uma mudança de sinal, a posição angular do eixo se altera , tendo assim

grande precisão no seu ângulo de giro. O servo é composto de duas partes: o

estator que a parte fixa, e outra móvel, o rotor.

Os servomotores são recursos utilizados em máquinas e equipamentos, tendo

grande utilização na robótica, os servomotores são classificados por AC Síncrono e

Assíncrono e o Servomotor DC. Cada qual tem sua verdadeira aplicação que devem

ser bem analisados.

2.4.1 Características do servomotor

A característica mais marcante de um servomotor é a sua capacidade de

movimentar o seu braço até uma posição e manter, mesmo que este seja forçado

em outra direção. As exigências básicas de um servomotor são: dinâmica, controle

de rotação, torque constante e precisão de posicionamento. Ainda se tem nele a

vantagem da possibilidade de se controlar o torque no eixo de forma constante e em

larga faixa de rotação.

Para entender melhor o servo, temos que analisá-lo por dentro e observar

todos componentes, como mostrado nas Figuras 11 e 12 abaixo.

29

Figura 11 - Análise de um servomotor

Fonte: Fonte: SANTOS, 2007

Figura 12 - Componentes de um servomotor

Fonte: SANTOS, 2007

Circuito de Controle - Responsável por receber os sinais e energia do receptor,

monitorar a posição do potenciômetro e controlar o motor de acordo com o sinal

do receptor e a posição do potenciômetro. Esse circuito formado por

componentes eletrônicos discretos ou circuitos integrados é geralmente

composto por um oscilador e um controlador PID (controle proporcional

integrativo e derivativo).

30

Potenciômetro - Ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição do

mesmo. O valor de sua resistência elétrica indica a posição angular em que se

encontra o eixo. A qualidade desse potenciômetro vai interferir na precisão,

estabilidade e vida útil do servomotor.

Motor - Movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo.

Engrenagens - Forma uma caixa de redução com uma relação bem longa, o que

ajuda a amplificar o torque, reduz a rotação do motor, transferem mais força ao

eixo de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo.

Eixo de saída – Transfere o torque de saída em algum movimento específico.

Caixa do servo – Protege todos os componentes.

2.4.2 Funcionamento do servomotor

Servos possuem três fios de interface, dois para alimentação e um para o sinal

de controle, porém cada fabricante possui um padrão de cor para cada fio, como

mostrado na Figura 13 abaixo.

Figura 13 - Fios de interface

Fonte: SANTOS, 2007

31

Cada servo é ligado a um canal diferente do receptor e recebe um sinal no

formato PWM ( Pulse Width Modulation ), este sinal pode ter 0Volts ou 5Volts.

O circuito de controle do servo fica monitorando este sinal em intervalos de

20ms ( mili segundos ), como mostrador na Figura 14 abaixo.

Figura 14 - Sinal PWM

Fonte: SANTOS, 2007

Se dentro deste intervalo ele percebe uma alteração do sinal de 0v para 5v

durante 1ms até 2ms ele altera a posição do seu eixo para coincidir com o sinal que

recebeu.

Um sinal de 1ms corresponde a uma posição do braço do servo todo a

esquerda ou 0º, como mostrado na Figura 15 abaixo.

Figura 15 - Sinal de 1ms

Fonte: SANTOS, 2007

Um sinal de 1,5ms é a posição central do servo ou 90º, como mostrado na

Figura 16 abaixo.

Figura 16 - Sinal de 1,5 ms

Fonte: SANTOS, 2007

32

Um sinal de 2ms corresponde a uma posição do braço do servo todo a direita

ou 180º, como mostrado na Figura 17 abaixo.

Figura 17 - Sinal de 2 ms

Fonte: SANTOS, 2007

Pode-se ter também um sinal entre essas larguras de pulso, por exemplo um

rápido sinal de 0,4ms o braço irá para uma determinada posição angular, um

outro sinal de 1,55 ms o braço irá para outra determinada posição angular.

Ou seja pode-se controlar a posição angular pela largura do sinal aplicado.

Se tentar alterar a posição do braço do servo a força, veremos que ele faz uma

resistência e tenta manter a posição que lhe foi designada pelo sinal que recebeu.

Ele faz isto por que o potenciômetro esta conectado diretamente ao eixo de saída, e

detecta qualquer alteração na posição do mesmo. E é isto que faz o servo ser tão

importante. Esta "resistência" que o servomotor faz a uma mudança da posição do

seu braço, chama-se de Torque. O Torque é a principal característica de um

servomotor. O torque é medido em kg/cm (Kilo gramas por centímetro) ou oz-in(

Onças por polegadas), como mostrado na Figura 18 abaixo.

Figura 18 - Torque do eixo de saída de um servomotor

Fonte: SANTOS, 2007

33

Considere que o braço deste servo tem 1cm até o ponto onde é conectado ao

peso, e o peso é de 1Kg. O servo consegue manter a posição do seu braço mesmo

com o peso puxando p/ baixo sem ceder nem quebrar. Podemos dizer que este

servo tem um torque de 1 kg-cm ou 14 oz-in, se excedermos estes limites

provavelmente o servo vai quebrar suas engrenagens.

2.4.3 Tipos de servomotores

Os servomotores em geral são classificados em categorias como apresentados

abaixo e mostrados na Figura 19:

- Standard - São os servos mais comuns, possuem o peso em torno de 35 gramas.

- Mini - São menores que os Standard pesando algo entre 20 e 28 gramas.

- Micro - São os mais usados, pois são pequenos, leves e com um bom torque.

Podem variar desde 6 até 20 gramas.

- Pico - Embora não sejam os menores servos, estão bem próximos. Usados onde o

peso é fundamental.

Figura 19 - Tipos de servomotores

Fonte: SANTOS, 2007

34

3 DESENVOLVIMENTO

3.1 Metodologia da colocação dos eletrodos

Para uma melhor captação dos sinais elétricos foram realizados importantes

procedimentos como:

Lavar bastante a pele, onde os eletrodos irão ser adesivados, com sabonete

neutro e água;

Usar papel com álcool na limpeza profunda da pele;

Usar papel seco para enxugar a pele antes de colocar os eletrodos;

Usar sempre eletrodos descartáveis e de marca conceituada;

Na Figura 20 a seguir é mostrada uma parte desse procedimento.

Figura 20 – Preparação para colocação dos eletrodos

Fonte: Fotos do próprio autor

35

3.2 Captação da diferença de potencial ocular

Dentre os eletrodos disponíveis no mercado, optou-se pelo eletrodo especial

descartável 2223 da 3M, ilustrado na Figura 21, devido à disponibilidade encontrada

no mercado e a melhor captação dos sinais.

Figura 21 – Eletrodos para captação do sinal elétrico

Fonte: Fotos do próprio autor

São utilizados 03 eletrodos para captação do sinal elétrico do movimento

ocular. Esses eletrodos possuem alta adesividade para pele, gel sólido (para

absorver a umidade da pele), pino de aço inoxidável (para conexão com as garras

dos cabos de transmissão) e contra-pino de cloreto de prata (AgCl).

Foi adotado um padrão para colocação dos eletrodos, sendo o mesmo

descrito a seguir, na Figura 22 abaixo é mostrado os locais de colocação dos

eletrodos para captação do sinal:

Garra Verde: é a garra referência. É posicionada no centro da testa do

usuário. O eletrodo onde esta garra vai ser fixada deve estar a uma distância

de aproximadamente 2 cm acima da linha da sobrancelha.

Garra Preta: eletrodo posicionado na altura da linha do olho esquerdo.

Garra Branca: eletrodo posicionado na altura da linha do olho direito.

36

Figura 22 – Locais de colocação dos eletrodos

Fonte: Fotos do próprio autor.

É importante frisar que o simples fato de não se posicionar corretamente os

eletrodos faz com que o INA 114 sature, e sua saída fica constante em +/- 12V.

3.3 Circuito Bioamplificador

A seguir é apresentado o desenvolvimento do circuito bioamplificador utilizado

no projeto. O mesmo foi dividido em blocos, de modo que se torne mais clara a

função de cada componente, a Figura 23 apresenta esse diagrama em blocos.

37

Figura 23 - Diagrama em blocos do bioamplificador

Fonte: Elaborado pelo próprio autor

A função deste circuito é amplificar o sinal proveniente dos olhos de modo

que o mesmo possa ser reconhecido pelo microcontrolador. A diferença de potencial

existente no olho de uma pessoa possui amplitude na faixa de 10 a 100 µV, e

freqüência entre 0 e 100Hz.

Este amplificador, para altos ganhos, pode apresentar um nível de tensão

contínua (offset) elevada. Para solucionar este problema foi utilizado um filtro passa-

alta de primeira ordem com freqüência de corte em 16 Hz. Sem a componente CC é

possível amplificar novamente o sinal a fim de se obter amplitudes na ordem de

alguns volts, sem saturação. Neste caso foi utilizado um amplificador não inversor de

ganho variável que pode amplificar até 51 vezes.

É importante salientar que o amplificador foi usado após o filtro ativo passa-

alta para que o nível CC não saturasse o sinal.

O sinal já amplificado passou por um filtro ativo de terceira ordem passa-baixa

com freqüência de corte em 30 Hz para atenuar as interferências provenientes de

altas freqüências.

Após passar pelo filtro ativo passa-baixa, já está delimitada uma faixa de

freqüência entre 16 Hz e 30 Hz, protegendo o circuito de ruídos que se encontram

fora deste intervalo. Após o filtro passa-baixa o sinal já encontra-se limpo (sem

ruídos) e com uma amplitude de aproximadamente 300 mV.

38

Tal sinal é submetido então a um comparador com histerese, o qual vai enviar

um valor de +12V (caso o pulso seja de +300 mV) ou -12V (caso o pulso seja de -

300 mV).

3.3.1 Amplificador Instrumental INA 114

O amplificador de instrumentação INA 114 amplifica pequenas diferenças dos

sinais de tensão superpostas a grandes tensões de modo comum. Como as tensões

de modo comum são iguais, elas se anulam. Este amplificador operacional

apresenta como principais características uma alta impedância de entrada e ganho

de tensão ajustado por um resistor externo RG. A tensão de saída Vout depende da

diferença entre as entradas V1 e V2 e não da tensão comum entre elas, sua

conFiguração é apresentada na Figura 24 abaixo.

O ganho do amplificador de instrumentação é definido pela resistência

externa, RG, e a fórmula para o seu cálculo é:

𝐺𝑎𝑛ℎ𝑜 = 1 +49,4 𝑘Ω

𝑅𝐺

Foi adotado um ganho de 1052 vezes, utilizando uma resistência de 47Ω.

Figura 24 - ConFiguração do amplificador instrumental

Fonte: Elaborado pelo Autor. Implementado no software MULTISIM Versão 11.0

U1

INA129P

6

4

7

3

2

5

1

8R147Ω

VCC

12V

VDD

-12V

39

A Figura 25 abaixo mostra o sinal elétrico captado pelo eletrodo, antes de

entrar no amplificador instrumental INA 114.

Figura 25 – Sinal de entrada do INA

Fonte: Dados do projeto, extraído do osciloscópio Tektronix.

A Figura 26 abaixo mostra o sinal elétrico depois de passar pelo amplificador

instrumental INA 114.

Figura 26 - Sinal de saída do INA


40

3.3.2 Filtros

Os filtros utilizados em um amplificador de instrumentação deverão trabalhar

na faixa de frequência, de acordo com o biopotencial a ser amplificado, conforme

mostrado na Tabela 1.

Tabela 1 - Faixa de frequência de vários sinais biopotenciais


Para o caso específico dos sinais de eletrooculargrama (EOG), estes filtros

devem ter frequências entre 0 Hz (DC) e 100Hz, em nosso trabalho fixamos uma

faixa de freqüência de 16 – 30 Hz.

41

3.3.3 Filtro Passa – Alta

Um filtro passa – alta é um filtro que permite a passagem das freqüências

altas com facilidade, porém atenua sinais com freqüências abaixo da freqüência de

corte. Foi utilizado um filtro passa-alta com freqüência de corte de 16 Hz.

A configuração utilizada foi obtida do datasheet do INA 114, assim como a

fórmula para o cálculo dos valores do resistor e do capacitor do filtro, sua estrutura é

mostrada na Figura 27 abaixo.

Figura 27 - Circuito do filtro passa-alta


A Figura 28 abaixo mostra o sinal elétrico antes do filtro passa alta.

Figura 28 – Sinal de entrada do filtro passa-alta


U2A

TL072ACP

3

2

4

8

1

C1

1nF

R2150kΩ

42

A Figura 29 abaixo mostra o sinal elétrico depois de passar pelo filtro passa-alta.

Figura 29 - Sinal de saída do filtro Passa-Alta


3.3.4 Estágio de ganho

Foi projetado um amplificador não inversor para amplificar o sinal cerca de 50

vezes. Foi utilizado o amplificador TL074, componente de fácil acesso no mercado,

baixo custo e que responde satisfatoriamente dentro da faixa desejada (16 Hz a 30

Hz).

O ganho do TL074 nesta configuração é dado por:

𝑔𝑎𝑛ℎ𝑜 = 1 +𝑅2

𝑅1= 1 +

50𝑘

1𝑘= 𝟓𝟏

Para maior eficiência foi utilizado um trimpot de 100k, permitindo assim, um

ganho ajustável, a estrutura do circuito do ganho é mostrado na Figura 30 a seguir.

43

Figura 30 - Circuito do estágio de ganho


É importante salientar que os dois capacitores em paralelo situados na

entrada do amplificador não fazem parte desse estágio de ganho. Os mesmos foram

colocados nesse ponto para retirar uma componente CC existente na saída do

amplificador de instrumentação (INA 114).

Assim como o INA, a alimentação do TL074 foi de +/- 12V (+12V pino 4, e -

12V pino 11).

3.3.5 Filtro Passa – Baixa

Filtro passa-baixa é o nome comum dado a um circuito eletrônico que permite

a passagem de baixas freqüências e a atenuação de sinais com freqüências maiores

que a de corte. Na Figura 31 é apresentado o circuito do filtro ativo passa baixa de

3ª ordem, tipo butterworth, com freqüência de corte de 30 Hz.

44

Figura 31 - Circuito de um filtro ativo passa-baixa butterworth de 3ª ordem.


Para encontrar os valores dos capacitores, foram realizados os seguintes cálculos:

𝑹𝟓 = 𝑹𝟔 = 𝑹𝟕 = 𝟒.𝟕𝒌Ω

𝝈 =𝟏

𝟐𝝅𝒇=

𝟏

𝟐𝝅𝟑𝟎= 𝟓,𝟑𝟎𝟓 𝒎𝒔

Mas, 𝝈 = 𝑹.𝑪

𝑿,𝑪 =

𝝈.𝑿

𝑹=

𝟓,𝟑𝟎𝟓𝒎𝑺.𝑿

𝟒.𝟕 𝒌= 𝟏,𝟏𝟐𝟗µ.𝑿

Assim temos:

𝑪𝟐 = 𝟔𝟕𝒏.𝟏,𝟑𝟗𝟐 = 𝟏,𝟓𝟕µ𝑭 ≈ 𝟐,𝟐µ𝑭

𝑪𝟑 = 𝟔𝟕𝒏.𝟑,𝟓𝟒𝟔 = 𝟒µ𝑭 ≈ 𝟔,𝟖µ𝑭

𝑪𝟒 = 𝟔𝟕𝒏.𝟎,𝟐𝟎𝟐𝟒 = 𝟐𝟐𝟖𝒏𝑭 ≈ 𝟑𝟑𝟎𝒏

R5

4.7kΩ

R6

4.7kΩ

R7

4.7kΩ

C22.2µF

C36.8µF

C4330nF

U5B

TL074ACN

5

6

11

4

7

45

A Figura 32 a seguir mostra o sinal elétrico depois de passar pelo filtro passa-baixa.

Figura 32 - Sinal de saída do Filtro Passa-Baixa


3.3.6 Comparador

O último estágio é a aplicação do sinal na entrada inversora de um

comparador com histerese. Desse modo o sinal de saída é saturado em +12V ou -

12V, sem valores intermediários. O potenciômetro é utilizado para ajustar o ganho

deste comparador.

Normalmente, uma pequena diferença de tensão, da ordem de 1mV, é

suficiente para acionar o comparador, levando-o a comutar sua condição de saída.

Evidentemente, amplificadores operacionais de alto ganho, quando utilizados como

comparadores, podem amplificar sinais de níveis bem menores que 1mV. Na Figura

33 é apresentado o circuito comparador utilizado.

46

Figura 33: Comparador com histerese


A Figura 34 a seguir mostra o sinal elétrico depois de passar pelo circuito do

comparador com histerese.

Figura 34 - Sinal de saída do comparador com histerese.


47

3.3.7 Circuito Completo

A Figura 35 abaixo, apresenta o diagrama esquemático do circuito

bioamplificador completo.

Figura 35 – Diagrama do circuito bioamplificador completo


A Figura 36 apresenta a placa do circuito bioamplificador desenvolvido pelo

grupo com todos componentes eletrônicos e periféricos.

U1

INA129P

6

4

7

3

2

5

1

8R147Ω

U2A

TL072ACP

3

2

4

8

1

C1

1nF

R2150kΩ

U5A

TL074ACN

3

2

11

4

1

R31kΩ

R4

50kΩ

Key=A 55%

R5

4.7kΩ

R6

4.7kΩ

R7

4.7kΩ

C22.2µF

C36.8µF

C4330nF

U5B

TL074ACN

5

6

11

4

7

V112 V

V212 V

R91kΩ

U5C

TL074ACN

10

9

11

4

8

R10200Ω

R11

5kΩ

Key=A 55%

C5

220nF

C6

330nF

48

3.3.8 Considerações Adicionais

Após a saída do bioamplificador a amplitude do sinal varia entre +/- 12V.

Entretanto, o microcontrolador (PIC) que irá receber este sinal, não reconhece

tensões negativas. Dessa maneira foi colocado um diodo (1N4148) em série com

a saída do bioamplificador e ligado na entrada de um regulador de tensão de 5V

(78L05). O objetivo do diodo é reter a componente negativa do sinal, desse modo

somente os pulsos positivos chegarão para o PIC. A função do regulador é

ajustar o nível de tensão para um valor adequado ao microcontrolador, nesse

caso 5V.

Os potenciômetros de ajuste têm um comportamento estreitamente

dependente um do outro. Ao modificar o valor de um deles, o outro também deve

ser modificado até que se obtenha um ajuste bom do sinal. Empiricamente, foi

determinado um valor de 0,00 kΩ para o potenciômetro R4 do filtro passa-alta, e

um valor de 80,00 kΩ para o potenciômetro R11 do comparador com histerese. O

ajuste desses componentes mantém o funcionamento do circuito como descrito

anteriormente.

3.4 Microcontrolador

Após amplificação e tratamento do sinal no bioamplificador, o mesmo é

direcionado para o microcontrolador. Para este projeto utilizou-se o

microcontrolador PIC 18F4550, que será responsável por gerar o sinal de comando

para o servo motor, a tabela 2 a seguir apresenta as principais características do

PIC 18F4550.

49

Tabela 2 - Características do PIC 18F4550

NOME DO PARÂMETRO VALOR

Tipo de memória do programa Flash

Memória de programa 32 KB

Velocidade da CPU 12 MIPS

Bytes de memória RAM 2048

Dados EEPROM 256

Comunicação Digital Periféricos 1-A/E/USART; 1-MSSP(SSP/12C)

Capture/Compare/PWM Periféricos 1 CCP, 1 ECCP

Timers 1 x 8 bits, 3 x 16 bits

ADC 13 CH, 10-bit

Comparadores 2

USB(ch, velocidade, conformidade) 1 velocidade, full, USB 2.0

Faixa de temperatura -45oC a 85oC

Faixa de tensão de operação 2V a 5,5V

Contagem de pinos 40

Fonte: Elaborado pelo próprio autor

3.4.1 Configurações do microcontrolador PIC

A configuração dos pinos do PIC é apresenta na Figura 37 abaixo.

50

Figura 37 – Configuração dos pinos do PIC 18F4550

Fonte: MONTEIRO, 2011

A Figura 38 abaixo apresenta a o esquema de ligação dos pinos de entradas

analogicas e digitais, pinos de saídas digitais, pinos de ligação da tensão Vcc e

outros pinos importantes para implementação.

Figura 38 - Esquemático do PIC 18F4550

Fonte: MONTEIRO, 2011

51

Inicialmente, o sinal que sai do bioamplificador (+ ou – 12V) passa por um

diodo (para retirar a parte negativa do circuito) e por um regulador de tensão 78L05

(para abaixar a tensão para um nível aceitável pelo PIC, isto é, 5V), esse circuito é


Figura 39- Circuito de regulagem do bioamplificador


A partir desse ponto, o sinal é enviado para o pino 9 do microcontrolador. Este

sinal está ligado diretamente a uma variável que será utilizada na rotina do PIC

(entrada_horizontal).

Os pinos de alimentação do PIC também devem ser observados (11 e 32 em

5V, 12 e 31 no GND). Nesse ponto é importante salientar que todas as referências

do circuito foram ligadas no mesmo ponto, isto é, na referência da fonte simétrica

que fornece os +/- 12V. Portanto, os GND’s do circuito microcontrolador, do

bioamplificador, do servomotor, e de todos os instrumentos de medição

(osciloscópio, multímetro, etc.) também são ligados ali.

Além desses componentes o microcontrolador necessita de um cristal de

20MHz, que junto com dois capacitores de 22pF é ligado aos pinos 13 e 14 do PIC,

e ao terra (GND), esse circuito é apresentado na Figura 40 a seguir.

U1

LM7805CT

LINE VREG

COMMON

VOLTAGE

D1

1N4148

52

Figura 40 - Esquema de ligação do clock externo de 20MHz


A saída do sinal PWM relativa à entrada 9 é o pino 16 do PIC, e está ligada

direto ao pino de sinal do servomotor que controla a abertura e fechamento da garra.

Por último e não menos importante, o pino de reset do microcontrolador (pino

1) deve ser ligado a um resistor de 10kΩ e ao VCC, e deve ser colocado um

capacitor de 100µF/25V entre o VCC e o GND do circuito.

A implementação em protoboard do microcontrolador PIC junto com seu

componentes eletrônicos de operação é mostrada na Figura 41 abaixo.

Figura 41 – Implementação do PIC


V1

20MHz

5 V

C122pF

C222pF

pino14

pino13

53

3.4.2 Lógica para programação do microcontrolador PIC

O PIC irá receber em sua entrada o sinal proveniente do regulador de tensão,

o qual varia entre 0 e 5V. O momento em que o sinal estiver em 0V significa que o

usuário estará olhando para frente (como será descrito adiante, isso só ocorrerá

caso o usuário olhe para a esquerda e então para frente). Enquanto a entrada

horizontal estiver em nível alto (5V), significa que a pessoa está olhando para a

esquerda.

3.4.2.1 Lógica para a entrada horizontal (abre e fecha o braço)

Olhar para a esquerda significa abrir ou fechar o braço, isto é, o braço abre e

fecha alternadamente. Suponha que o usuário está olhando para frente, e o braço

está fechado. Quando o usuário olhar para a esquerda a entrada horizontal do PIC

ficará em nível alto, e nesse momento a garra começa a abrir. Caso o usuário volte

os olhos para frente antes do braço terminar seu movimento de abertura, ele irá

parar na posição em que estiver. Na próxima vez que a pessoa olhar para esquerda,

o braço irá começar a fechar. Dessa maneira, se a pessoa quiser fazer dois

movimentos de abertura seguidos, ela deve intercalá-los com uma rápida olhada

para esquerda (que nesse momento irá fechar a garra só um pouco).

Em resumo, o braço abre ou fecha sob o mesmo comando (olhar para a

esquerda), sendo estes movimentos alternados. Ora abre, ora fecha.

A Figura 42 a seguir apresenta o fluxograma da lógica de programação para

controle do braço mecânico.

54

Figura 42 – Fluxograma da programação


3.4.3 Software para programação – MPLAB IDE

Para programar, editar o código, gerenciar o projeto, fazer testes, compilar o

programa e passar para o microcontrolador PIC, utilizamos o ambiente de

desenvolvimento integrado “MPLAB IDE”, como mostrado na Figura 43 abaixo.

55

Figura 43 – Software MPLAB IDE


O código fonte da programação do PIC para controlar os servomotores está

em anexo.

3.4.4 Considerações Adicionais

Ao alimentar o circuito microcontrolador e o servomotor (ambos com 5V),

dependendo da qualidade da fonte utilizada, pode ser que haja a injeção de

ruído no PWM de saída do PIC, o que não permite ao servomotor um correto

funcionamento. Nesse caso recomenda-se o uso de uma fonte para alimentar

o PIC, e outra fonte para alimentar o servomotor. Entretanto, com uma fonte

confiável, a alimentação dos dois itens dá-se de maneira satisfatória.

56

3.5 Servomotores

Os servomotores que fazem os movimentos das articulações, são do

fabricante HEXTRONICK, modelo HX5010 com capacidade de torque de 6,5 kgf*cm,

alimentados por uma fonte de tensão de 4,8 até 6V (utilizamos 5V), velocidade

máxima de 0,16sec/60º, o material das engrenagens é Nylon e o peso é de 39,2 g

esse modelo é mostrado aberto conforme Figura 44 abaixo.

Figura 44 – Servomotor utilizado


3.5.1 Sinais de entrada dos servomotores

O conector do servomotor possui 3 pinos, conforme configuração abaixo,

onde é mostrado na Figura 45 a seguir.

- GND (Marrom) - VCC +5Vcc (Vermelho) - Sinal de Controle (Amarelo)

Figura 45 – Conector do servomotor


57

O sinal de controle é um PWM (Pulse Width Modulation) de período igual a

20ms, e Ton variável, que é justamente o que irá determinar a posição final do rotor.

O PIC é o responsável por enviar os PWM’s necessários ao servomotor, de modo

que se possa controlar a posição angular do mesmo.

O PIC possui 2 canais de saída de PWM, entretanto somente um deles é

necessário para controlar o movimento de abre e fecha da garra. A entradas do PIC

(a qual está ligada à saída do bioamplificador) é o pino 9(RE1). A saída é o pino

16(CCP2), e está ligado à entrada de controle do servomotor.

Ao iniciar o programa o PIC coloca 1ms de Ton na saída CCP2. Caso a

entrada RE1 estiver em nível alto, a saída CCP2 recebe um PWM de Ton igual a

1ms. Enquanto o nível alto permanecer, o Ton é incrementado repetidamente e o

PWM vai sendo alterado, de modo que o rotor vai girando gradativamente. Assim

que um nível baixo é detectado na entrada o Ton não é alterado, e portanto o PWM

em CCP2 permanece o mesmo (rotor fica parado). A próxima vez que a entrada ficar

em nível alto o Ton será decrementado gradativamente, e o rotor passará a girar no

sentido contrário.

Dessa maneira, toda vez que a entrada estiver em nível alto o rotor do

servomotor gira, sendo o sentido de movimento alternado a cada vez que a entrada

for de nível alto para baixo.

A Figura 46 abaixo apresenta a montagem do circuito microcontrolador, com a

captação do PWM no osciloscópio.

Figura 46 – Sinal PWM na saída do microcontrolador


58

3.6 O Braço Mecânico

O braço mecânico utilizado no trabalho (vide Referências Bibliográficas) foi

construído com alumíno, para se obter o menor peso possível e assim executar os

movimentos com maior facilidade. O braço mecânico sem os servomotores é


Figura 47 - Braço mecânico sem os servomotores


Os servomotores foram acoplados ao braço de nylon, sendo que os

movimentos são transmitidos do servomotor para os membros através de pequenos

cabos plásticos, que deslizam no interior de pequenos tubos, a fim de possibilitar

flexibilidade aos movimentos.

Um servomotor transmite os movimentos dos dedos, onde o dedo polegar

movimenta o conjugado com os demais dedos. O braço mecânico completo com os

servomotores e suas transmissões de movimento é mostrado na Figura 48 abaixo.

Figura 48 - Braço mecânico completo

Fonte: Fotos do auto

59

4 TESTES E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Após o desenvolvimento de todas as etapas do projeto apresentado

anteriormente, foi iniciada a fase de testes. A Figura 49 mostra o projeto nesta fase.

Figura 49 - Componentes interligados para testes


Para realização dos testes foram utilizados uma fonte de tensão contínua, um

osciloscópio da marca TEXTRONIC e um multímetro digital, todos disponibilizados

nos laboratórios da PUC-Minas unidade Coração Euscarístico.

Figura 50 - Fonte de tensão contínua utilizada


60

Figura 51: Osciloscópio utilizado


Figura 52: Multímetro utilizado


Ao longo do desenvolvimento do trabalho, muitas dificuldades e contratempos

foram sendo encontrados. Sinais analógicos com componentes CC, ruídos

indesejados, e desajustes dos potenciômetros de ganho são alguns dos exemplos.

Para a redução do ruído na captação do sinal, foram tomadas medidas como

o envolvimento de todos os cabos de entrada com papel alumínio, e filme plástico.

Isso faz com que o simples contato do corpo da pessoa com os cabos de aquisição

não injete ruído no circuito.

Percebeu-se que o posicionamento incorreto dos eletrodos na face do usuário

pode interferir no circuito, fazendo com que os sinais não sejam captados da

61

maneira desejada. Dessa forma deve ser tomado bastante cuidado no momento da

fixação dos eletrodos.

Outro problema encontrado foi o contato entre os rotores dos dois

servomotores do braço mecânico. Sempre que o servomotor girava para realizar a

abertura/fechamento da garra, seu rotor encostava no rotor do outro servo. Isso

atrapalhava o movimento do dispositivo, fazendo com que houvesse atrito

excessivo, prejudicando a rotação. Para corrigir este problema, teve de se alterar a

posição dos servomotores, afastando-os um do outro, de modo que não entrassem

em contato.

Figura 53: Interferência entre o movimento dos servomotores


O fato de o usuário olhar para frente não necessariamente significa que a

saída do bioamplificador ficará em -12V. Isso depende do último movimento (olhar

para esquerda ou direita) que o usuário fez.

62

O pulso elétrico ocular é gerado no “movimento” dos olhos, isto é, o pulso

gerado quando o usuário olha do meio para a esquerda, é o mesmo pulso gerado

quando ele olha da direita para o meio (nesse caso, pulso positivo). Desse modo,

quando a pessoa olha para a esquerda, ela satura a saída do bioamplificador em

+12V, e quando ela volta os olhos para o meio, a saída vai para -12V. Nesse

momento, o fato do usuário ficar olhando para frente mantém a saída horizontal do

bioamplificador em -12V.

Analogamente, se a pessoa olhar para a direita, ela satura a saída do

bioamplificador em -12V (nesse momento nada irá mudar, pois a saída já estava

com esse valor de tensão), entretanto, no momento do retorno dos olhos para a

frente, é gerado um pulso positivo (olhar da direita para o meio), e a partir de então,

o fato da pessoa olhar para a frente mantém a saída do bioamplificador em +12V.

Para fins didáticos isso não é bom, pois a referência do PIC vai se alterar a

todo o momento. Portanto, antes de iniciar o controle do braço mecânico, é

recomendada uma olhada rápida para a esquerda, pois assim sempre que o usuário

olhar para frente a saída horizontal do bioamplificador estará em -12V (que após a

passagem pelo diodo, será igual a 0V).

De posse destes sinais, o PIC pode então processar suas rotinas de modo

que os movimentos do braço mecânico sejam executados perfeitamente.

Após todas as correções foi verificado que o braço mecânico responde

satisfatoriamente aos comandos do usuário. Sempre que a pessoa olha para a

esquerda ela consegue abrir ou fechar a garra (como salientado anteriormente tal

movimento é alternado, isto é, hora a garra abre, hora fecha). Vale frisar novamente

que para definir um padrão de movimento, inicialmente a pessoa deve olhar para a

esquerda e voltar os olhos para a frente. Isso ocorre porque o bioamplificador não

possui uma saída específica quando o usuário olha para frente (depende do estado

anterior).

Com o sucesso no controle da garra através do movimento horizontal dos

olhos, foi iniciada uma fase de testes (ainda não concluída) de captação dos

movimentos verticais dos olhos. Nesse ponto, já foi implementado na placa do

bioamplificador um circuito extra para processamento de tal sinal. Este componente

pode ser utilizado para controlar (paralelamente ao abre/fecha da garra) o

movimento de sobe/desce do braço mecânico.

63

5 CONCLUSÃO

Após a realização de estudos aprofundados sobre a eletrofisiologia, com o

objetivo de saber a origem dos sinais elétricos provenientes do movimento dos olhos,

estudos sobre todos componentes utilizados para construção do projeto (eletrodos,

amplificadores, tensão off-set, filtro passa-alta, ganho, filtro passa-baixa,

microcontrolador, código C, sinal PWM e servomotores), criação do circuito

bioaomplificador, criação do código de programação em Linguagem C da lógica de

movimento do braço mecânico (implementado no microcontrolador para comandar e

controlar os servomotores) e finalmente após realizar diversos testes de

funcionamento, chegamos a resultados satisfatórios, ou seja, conseguimos conquistar

nossos objetivos específicos e principalmente nosso objetivo geral, que era fazer o

movimento de um braço mecânico (com um grau de liberdade) através da captação,

amplificação e processamento da diferença de potencial ocular de uma pessoa.

A aplicabilidade desse projeto é imensa, principalmente na adaptação e

aumento da mobilidade de pessoas com deficiência. Com o simples movimento dos

olhos o usuário pode acionar uma campainha, se locomover através de um dispositivo

específico, mover objetos de lugar, etc.

Como sugestão para projetos futuros, fica a captação do movimento vertical

dos olhos para acionar o outro grau de liberdade da garra (movimento sobe/desce).

Neste ponto, inclusive, já foram iniciados alguns testes e criado o circuito de captação,

filtração e amplificação do sinal.

64

REFERÊNCIAS

PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS. Pró-Reitoria de

Graduação. Sistema de Bibliotecas da PUC Minas. Padrão Puc Minas de

normalização: Normas da ABNT para apresentação de teses, dissertações,

monografias e trabalhos acadêmicos. 9. ed. rev. ampl. atual. Belo Horizonte: PUC

Minas, 2011.

CAMPOS, Guilherme Meireles; DA SILVA, José Ângelo; CARNEIRO, Tomás El

Abras. Braço Mecânico acionado por sinais de eletromiografia. 2011. Trabalho

de graduação – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Departamento de

Engenharia Mecânica com Ênfase em Mecatrônica, Belo Horizonte.

VIDIGAL, Rafaela Nepomuceno e; SOUZA, Leonardo Vasconcelos de.

Desenvolvimento de equipamentos para abertura de linha de pesquisa em

engenharia de reabilitação. 2010. Relatório Técnico Final – Centro Federal de

Educação Tecnológica de Minas Gerais, Curso técnico de equipamentos

Biomédicos, Belo Horizonte.

MARTINS, Vinicius Ruiz. Desenvolvimento de uma placa de captura de sinais

biológicos com interface com computador. 2005. Projeto de graduação -

Universidade Federal do Espírito Santo, Departamento de Engenharia

Elétrica,Vitória.

DELATTRE, Edson. Fundamentos de eletrofisiologia: Potenciais de membrana.

2007. Temas de ensino - Unicamp, Departamento de Fisiologia e Biofísica, Ribeirão

Preto.

ALBERNAZ, Dr Pedro Luiz Mangabeira. Nistagmografia. 2007.Disponível em:

<http://www.brasilmedicina.com/especial/oto_t2s4s2s2.asp>. Acesso em: 08 ago.

2012.

http://www.brasilmedicina.com/especial/oto_t2s4s2s2.asp

65

CNZ ENGENHARIA. Programa Embedded Software. Apostila de Treinamento de

Microcontroladores. Cotia, [20--].

SANTOS, André. Como funciona um servo motor. Rio Grande do Sul: Artigo

Técnico Pictronis, 2007. Disponível em: <http://www.pictronics.com.br/artigos-

tecnicos/43-eletronica-e-automacao/89-como-funciona-um-servo-motor.html>.

Acesso em: 09 ago. 2012.

MONTEIRO, Duarte. Profecto Bridge. 12 junho 2011. Disponível em: <

http://project-bridge.blogspot.com.br/>. Acesso em: 22 set. 2012

TREVISAN, Pedro V. T. Microcontrolador. Disponível em: <

http://www.radioamadores.net/files/microcontroladores_pic.pdf/>. Acesso em: 06

nov. 2012

FABIO, Wellington. Microcontrolador PIC – Programação em C. Disponível em: <

http://www.ebah.com.br/content/ABAAABgW4AK/ap-a-es#/>. Acesso em: 06 nov.

2012

http://www.pictronics.com.br/artigos-tecnicos/43-eletronica-e-automacao/89-como-funciona-um-servo-motor.html

http://www.pictronics.com.br/artigos-tecnicos/43-eletronica-e-automacao/89-como-funciona-um-servo-motor.html

66

APÊNDICES

APÊNDICE A - APRESENTAÇÃO NA MOSTRA TECNOLÓGICA IPUC 2012

Apresentação de nosso projeto “BRAÇO MECÂNICO CONTROLADO PELA

DIFERENÇA POTENCIAL OCULAR” no evento de grande representatividade na

Universidade que contempla a exposição de trabalhos e projetos acadêmicos

desenvolvidos por alunos de todas as engenharias do Instituto Politécnico da

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (IPUC) e a exposição de

tecnologias, produtos e serviços de empresas dos diversos segmentos da

engenharia.

Essa apresentação visa estabelecer um novo modelo de ensino de engenharia,

baseado na inovação, na interdisciplinaridade, na valorização da formação

humanística, no empreendedorismo e na utilização da tecnologia também a serviço

das demandas sociais e do desenvolvimento sustentável.

68

APÊNDICE B – CÓDIGO FONTE DA PROGRAMAÇÃO DO PIC

/*PROJETO FINAL DE CURSO

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

ENGENHARIA MECATRÔNICA - 2º/2012


ALUNOS: JACKSON JÚNIO PEREIRA TIRONI

RAFAEL DE ALMEIDA LIAL

SAULO VIEIRA FIDELIS E MOURA

ORIENTADOR: SADY ANTÔNIO DOS SANTOS FILHO*/

/** I N C L U D E S **********************************************************/

#include <p18cxxx.h>

#include <timers.h>

#include <pwm.h>

#include <delays.h>

/** V A R I A V E I S G L O B A I S ****************************************/

#define SINAL_HORIZONTAL PORTEbits.RE1

#define SINAL_VERTICAL PORTEbits.RE2

/*MOTOR HORIZONTAL: SAÍDA (RC1 = PINO 16 = CCP2), ENTRADA (RE1 = PINO 9)

MOTOR VERTICAL: SAÍDA (RC2 = PINO 17 = CCP1), ENTRADA (RE2 = PINO 10)*/

/* P R O T O T I P O S P R I V A D O S ***********************************/

void ConfiguraSistema(void);

void HighPriorityISRCode();

void LowPriorityISRCode();

69

/** F U N C O E S ************************************************************/

/******************************************************************************

* Funcao: void main(void)

* Entrada: Nenhuma (void)

* Saída: Nenhuma (void)

* Descrição: Função principal do programa.

*****************************************************************************/

void main(void)

int ATUAL, CONTADOR=0, ANTERIOR=0;

unsigned int dc=45, estado=1;

unsigned long int atraso170ms;

ConfiguraSistema(); // Configura as portas e periféricos do PIC.

OpenPWM1(413);

OpenPWM2(413);

SetDCPWM2(10);

while(1) // Laço infinito que executa o funcionamentoprincipal do projeto.

ATUAL=SINAL_HORIZONTAL;

if (ATUAL==1&&ANTERIOR==0)

if (CONTADOR%2==0)

70

estado=1;

PORTDbits.RD1 = 1;

PORTDbits.RD0 = 0;

else

estado=2;

PORTDbits.RD1 = 0;

PORTDbits.RD0 = 1;

CONTADOR=CONTADOR+1;

if (ATUAL==0&&ANTERIOR==1)

estado=0;

PORTDbits.RD1 = 0;

PORTDbits.RD0 = 0;

ANTERIOR=ATUAL;

if (estado==1)

if(dc<60)

dc++;

71

else

if(estado==2)

if(dc>30)

dc--;

SetDCPWM2(dc);

for(atraso170ms=50;atraso170ms;atraso170ms--);

// Delay10KTCYx(120);

// Delay10KTCYx(120);

;

//end main

/******************************************************************************

* Funcao: void ConfiguraSistema(void)

* Entrada: Nenhuma (void)

* Saída: Nenhuma (void)

* Descrição: InicializaSistema é a rotina de configuração principal do PIC.

* Seu objetivo é configurar as portas de I/O e os periféricos

* do microcontrolador para que os mesmos trabalhem da

maneira

* desejada no projeto.

*****************************************************************************/

void ConfiguraSistema(void)

72

TRISEbits.TRISE1 = 1;

TRISEbits.TRISE2 = 1;

TRISDbits.TRISD0 = 0;

TRISDbits.TRISD1 = 0;

// Configurando Pinos de I/O: Todas as portas digitais do PIC podem ser configuradas

// como entrada ou como saída. Esta escolha é feita dentro do registrador TRIS.

//

// Quando acessamos o registrador TRISD ou TRISC estamos configurando o funcio-

// namento de todas suas portas digitais, ou seja, todo PORTD e PORTC.

// Mas quando escrevemos TRISDbits ou TRISCbits, estamos configurando apenas

// uma das portas do conjunto de portas PORTD e PORTC.

//

// Para configurar uma porta como entrada atriui-se o valor "1" a seu registrador

// e para configura-la com saída basta atribuir o valor "0"(zero). Para memorizar

// facilmente lembre-se que o digito "1" parece com a letra "i" que lembra de

// Input(Entrada), já o digito "0"(zero) parece a letra "o" que lembra Output(saída).

//REDUZ O CLOCK DO PIC PARA 500KHZ

OSCCONbits.IRCF2 = 0;



OSCCONbits.SCS1 = 1;

OSCCONbits.SCS0 = 1;

//Config TIMER2

73

OpenTimer2( TIMER_INT_OFF &

T2_PS_1_16 &

T2_POST_1_16 );

// Configura LED's do KitPICMinas: saida digital

ADCON1 |= 0x0F; // configura todas as portas como digitais

// Configura Botões do KitPICMinas: entradas digitais

// TRISEbits.TRISE1=1; // RC1: entrada digital - BOTAO_1

//end ConfiguraSistema

/** V E C T O R R E M A P P I N G ******************************************/

// Rotina necessária para o compilador C18 saber onde é o início do vetor de

// "reset".

// Copiar na íntegra esta parte do código dentro do arquivo "main.c" de TODO

// projeto usado com o Bootloader no PIC.

extern void _startup (void); // See c018i.c in your C18 compiler dir

#pragma code REMAPPED_RESET_VECTOR = 0x1000

void _reset (void)

_asm goto _startup _endasm

/** EOF main.c ***************************************************************/

74

ANEXOS

ANEXO A - DATASHEET DO INA 114

88

ANEXO B – DATASHEET DO TL074

Braço mecânico controlado pela diferença de potencial ocular

Technology

Transcript of Braço mecânico controlado pela diferença de potencial ocular