Interface Assistiva para Comunicação e Controle de Dispositivos ...

Universidade Estadual de LondrinaCentro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

José Cláudio da Silva Junior

Interface Assistiva para Comunicação eControle de Dispositivos por Sopro e Sucção

Londrina2016

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica


Interface Assistiva para Comunicação e Controle deDispositivos por Sopro e Sucção

Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. Dr. Wal-ter Germanovix intitulado “Interface Assistiva para Comunicaçãoe Controle de Dispositivos por Sopro e Sucção” e apresentado àUniversidade Estadual de Londrina, como parte dos requisitos ne-cessários para a obtenção do Título de Bacharel em EngenhariaElétrica.

Orientador: Prof. Dr. Walter Germanovix

Londrina2016

Ficha Catalográfica

José Cláudio da Silva JuniorInterface Assistiva para Comunicação e Controle de Dispositivos por Sopro eSucção - Londrina, 2016 - 74 p., 30 cm.Orientador: Prof. Dr. Walter Germanovix1. Tecnologia Assistiva. 2. Tetraplegia. 3. Transdutores. 4. ArquiteturaARM.I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II.Interface Assistiva para Comunicação e Controle de Dispositivos por Sopro eSucção.


Interface Assistiva para Comunicação eControle de Dispositivos por Sopro e Sucção

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso deEngenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina,como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharelem Engenharia Elétrica.

Comissão Examinadora

Prof. Dr. Walter GermanovixUniversidade Estadual de Londrina

Orientador

Prof. Dr. Aziz Elias Demian JuniorUniversidade Estadual de Londrina

Prof. Dr. Ernesto Fernando FerreyraRamírez

Universidade Estadual de Londrina

Londrina, 20 de fevereiro de 2016

Dedico este trabalho a todos aqueles que, de alguma forma,auxiliaram para a concretização desta etapa.

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a Deus, por fornecer-me as condições necessárias para con-clusão desta importante etapa da minha vida.

A minha família, por todo apoio e incentivo oferecidos.Aos integrantes do projeto de pesquisa 8060, Transdução e Processamento de Sinais

Analógicos com Instrumentação Eletrônica e Microprocessadores, pelas proveitosas horasde trabalho, que, certamente, colaboraram para meu crescimento pessoal e profissional.Em especial ao Prof. Walter Germanovix, orientador deste trabalho, por sua grandecontribuição ao desenvolvimento do mesmo.

Ao senhor Alexandre Germanovix, responsável pela montagem da estrutura do leitoeletromecânico, enquanto protótipo.

Aos amigos que fiz neste curso, que, com toda certeza, tornaram muito mais aprazívela vida na universidade.

Aos professores desta instituição que participaram da minha formação universitária,pelo profissionalismo e engajamento na construção e transmissão de conhecimentos.

Aos técnicos Luís Carlos Mathias e Luiz Fernando Schmidt, pela colaboração e pres-tatividade.

Por fim, agradeço a Universidade Estadual de Londrina, em função da qualidadetécnica e estrutura apresentadas, que a colocam entre as melhores do país.

"O inventor é um homem que olha para o mundoe não se contenta com as coisas como elas são.

Ele quer aprimorar tudo o que vê,ele deseja beneficiar o mundo;É perseguido por uma ideia.

O espírito da invenção o domina,buscando a materialização."

(Alexander Graham Bell)

José Cláudio da Silva Junior. Interface Assistiva para Comunicação e Controle deDispositivos por Sopro e Sucção. 2016. 74 p. Trabalho de Conclusão de Curso emEngenharia Elétrica - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

ResumoIndivíduos com disfunções motoras graves, como a tetraplegia, necessitam constantementede auxílio para execução de atividades rotineiras. Tal situação afeta a autoestima e inde-pendência dos mesmos, como também contribui para o aparecimento de outros problemasde saúde, decorrentes dos longos períodos sem movimentação. Comercialmente, é notórioo déficit de soluções acessíveis que forneçam ao tetraplégico a possibilidade de controlarequipamentos de uso diário, como lâmpadas, ventiladores ou computadores. Desta forma,com base nos conceitos de tecnologia assistiva, propôs-se o desenvolvimento de uma in-terface controlada por sinais de sopro e sucção que viabilize a comunicação e o controlede dispositivos. Os sinais de sopro ou sucção são captados por um sensor de pressãoe condicionados através de um circuito composto por comparadores com histerese. Oscomandos, interpretados por um microcontrolador ARM Cortex – M4 STM32F429, sãoapresentados ao usuário através de uma interface gráfica dedicada, que pode ser visu-alizada em qualquer monitor com conexão VGA (Video Graphics Array). A interfaceapresenta mouse e teclado virtuais, os quais permitem controlar um computador atra-vés da conexão de um cabo USB (Universal Serial Bus). O sistema também possibilitao acionamento de diversos aparelhos por relés. Além do mais, o protótipo de um leitohospitalar integra o conjunto. Ações de sopro movimentam motores DC que deslocam aestrutura do mecanismo. O controle de inclinação depende da detecção do ângulo, queocorre por intermédio da leitura de tensão dos potenciômetros conectados aos eixos daestrutura. Evidencia-se que o sistema atingiu, como aspectos positivos, uma interfacede baixo custo e de comandos intuitivos, a qual se apresenta como boa alternativa paraindivíduos com tetraplegia.

Palavras-Chave: 1. Tecnologia Assistiva. 2. Tetraplegia. 3. Transdutores. 4. Arquite-tura ARM.

José Cláudio da Silva Junior. Assistive Interface for Communication and Controlof Devices by Sip-and-Puff . 2016. 74 p. Monograph in Electrical Engineering -Londrina State University, Londrina.

AbstractIndividuals with severe motor dysfunctions, like tetraplegia, constantly need support toperform daily activities. This situation affects their self-esteem and independence, aswell as contributes to arising of other health problems, results of long periods withoutmotion. Commercially, it is notorious the deficit of affordable solutions which providefor tetraplegics the ability to control everyday devices like lamps, fans or computers.Thus, based on the concepts of assistive technology, it was proposed the developmentof an interface controlled by sip-and-puff signals that enable communication and controlof devices. The sip-and-puff signals are collect by a pressure sensor and conditionedthrough a hysteresis comparator circuits. The commands, interpreted by an ARM Cortex- M4 STM32F429 microcontroller, are displayed on a dedicated graphical user interface,which can be viewed on any monitor with VGA (Video Graphics Array) connection. Theinterface presents virtual mouse and keyboard, which allow the control of a computerthrough a USB (Universal Serial Bus) cable connection. The system also enables thedrive of several devices by relays. Moreover, the prototype of a hospital bed composes theset. Puff actions moves DC motors that shift the mechanism’s structure. The inclinationcontrol depends on the angles detection, which occurs through the voltage read of thepotentiometers connected to the structure axis. It is worth mentioning that the proposedsystem obtained, as positive aspects, a low cost interface with intuitive commands, whichpresents itself as a good alternative for individuals with tetraplegia.

Key-words: 1. Assistive Technology. 2. Tetraplegia. 3. Transducers. 4. ARMArchitecture.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Regiões sensoriais e seus segmentos medulares . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 2 – Estágios das úlceras de pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 3 – Amplificador operacional na configuração buffer . . . . . . . . . . . . . 28Figura 4 – Amplificador operacional na configuração não-inversora . . . . . . . . . 28Figura 5 – Comparador não-inversor com histerese (Schmitt trigger não-inversor) . 28Figura 6 – Função de transferência do circuito comparador não-inversor com his-

terese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 7 – Comparador inversor com histerese (Schmitt trigger inversor) . . . . . 30Figura 8 – Função de transferência do circuito comparador inversor com histerese 30Figura 9 – Sinais do protocolo VGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 10 – Organização dos pinos no soquete DB15 . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 11 – Diagrama do sistema proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 12 – Esquemático do circuito de digitalização . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 13 – Resposta de saída simulada do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 14 – Testes do sistema de sopro e sucção na protoboard . . . . . . . . . . . . 40Figura 15 – Layout da PCI de condicionamento dos sinais de sopro e sucção . . . . 41Figura 16 – Placa de condicionamento dos sinais de sopro e sucção . . . . . . . . . 41Figura 17 – Fluxograma de interrupções externas geradas por sopro ou sucção . . . 42Figura 18 – Fluxograma da interrupção de tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 19 – Fluxograma do laço principal do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 20 – Circuito DAC de 3 bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 21 – Cálculo das resistências do DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 22 – Esquemático do circuito DAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 23 – Layout da PCI para condicionamento do sinal VGA . . . . . . . . . . . 48Figura 24 – Placa para comunicação com monitor VGA . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 25 – Interface Gráfica - Tela do teclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 26 – Módulo de relés - 4 canais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 27 – Esquemático de um canal do módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 28 – Fluxograma da sub-rotina dos dispositivos acionados por relés . . . . . 51Figura 29 – Esquema elétrico para o acionamento de cargas pela interface . . . . . 51Figura 30 – Fluxograma para envio de comandos por USB-HID . . . . . . . . . . . 52Figura 31 – Conjunto mecânico - Rosca sem fim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Figura 32 – Estrutura completa do leito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 33 – Esquema representativo - Porção frontal do protótipo . . . . . . . . . . 57

Figura 34 – Esquemático da placa com CI L293D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Figura 35 – Layout da PCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 36 – Placa finalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 37 – Esquemático do fim de curso óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 38 – Layout da PCI para fim de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 39 – Placas finalizadas para o fim de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 40 – Visão superior do leito - Disposição dos FDCs . . . . . . . . . . . . . . 61Figura 41 – Fluxograma do sistema de controle dos motores . . . . . . . . . . . . . 63Figura 42 – Visão parcial do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Figura 43 – Tela inicial da interface gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 44 – Menu para inclinação do leito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Figura 45 – Inclinações possíveis do leito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Figura 46 – Menu principal - Mouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 47 – Teclado virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 48 – Comunicação com rede social no celular, através do PC . . . . . . . . . 68Figura 49 – Menu de iluminação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Figura 50 – Menu do massageador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 51 – Menu do ventilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 52 – Menu de ajuda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Lista de tabelas

Tabela 1 – Valores de tensão na saída do sensor após estímulo . . . . . . . . . . . 37Tabela 2 – Valores de tensão lidos após estágio amplificador . . . . . . . . . . . . 37Tabela 3 – Vetor de relatório do mouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Tabela 4 – Vetor de relatório do teclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Tabela 5 – Mapa de caracteres utilizados - ABNT2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Tabela 6 – Tabela verdade do CI L293D para um motor . . . . . . . . . . . . . . . 58Tabela 7 – Leituras de tensão e respectivos valores estimados para o ADC . . . . . 62

Lista de quadros

Quadro 1 – Raízes nervosas espinhais e respectivas funções . . . . . . . . . . . . . 21Quadro 2 – Graduação da força de cada músculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Quadro 3 – Escala de danos na medula espinhal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Quadro 4 – Fatores de risco para úlceras de pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Quadro 5 – Descrição de pinos do adaptador VGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Quadro 6 – Funções desenvolvidas para biblioteca graficos.h e respectivas descrições. 46Quadro 7 – Dispositivos elétricos acionados por sopro e sucção . . . . . . . . . . . 51Quadro 8 – Descritor de relatório do mouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Quadro 9 – Descritor de relatório do teclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Lista de Siglas e Abreviaturas

ADC Analog-to-Digital ConvertersAINTEC Agência de Inovação Tecnológica da Universidade Estadual de LondrinaAmpOp Amplificador OperacionalARM Advanced RISC MachineCI Circuito IntegradoDAC Digital-to-Analog ConvertersDC Direct CurrentEP EndpointEq. EquaçãoEXTI External Interrupt/Event ControllerFDC Fim de CursoFig. FiguraGPIO General-Purpose Input/OutputsHDMI High-Definition Multimedia InterfaceHID Human Interface DeviceH-Sync Horizontal SynchronizationIBM International Business MachinesID IdentificaçãoLCD Liquid Crystal DisplayLED Light Emitting DiodeµC MicrocontroladorNVIC Nested Vectored Interrupt ControllerPC Personal ComputerPCI Placa de Circuito ImpressoPWM Pulse Width ModulationRGB Red-Green-BlueSNC Sistema Nervoso CentralSNP Sistema Nervoso PeriféricoTA Tecnologia AssistivaTab. TabelaTIM TimerUSB Universal Serial BusVGA Video Graphics ArrayVSAT Tensão de SaturaçãoV-Sync Vertical Synchronization

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Lesões na Medula Espinhal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1.1 Anatomia e Fisiologia da Medula . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1.2 Aspectos Médicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.2.1 Úlceras de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2 Trabalhos Correlatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.1 Tecnologia Assistiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.2 Tratamento de Úlceras de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3 Conceitos Fundamentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.1 Sensor de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.2 Amplificador Operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.3.2.1 Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.2.2 Amplificador Não-Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.2.3 Comparador Não-Inversor com Histerese (Schmitt Trigger Não-Inversor) 28

2.3.2.4 Comparador Inversor com Histerese (Schmitt Trigger Inversor) . . . . 29

2.3.3 Microcontrolador STM32F429 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.3.3.1 General-Purpose Input/Outputs (GPIOs) . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.3.2 Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC) . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.3.3 External Interrupt/Event Controller (EXTI) . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.3.4 Timers (TIMx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.3.5 Conversor Analógico-Digital (ADC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3.4 Comunicação USB-HID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3.4.1 Enumeração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3.4.2 Endpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3.4.3 Descritores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3.5 Video Graphics Array (VGA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1 Descrição em Blocos do Sistema Proposto . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Aquisição e Condicionamento dos Sinais de Pressão (Sopro eSucção) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1 Amplificador Não-Inversor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2.2 Digitalização do Sinal de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2.2.1 Circuito Comparador Não-Inversor com Histerese (Schmitt Trigger Não-

Inversor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.2.2 Circuito Comparador Inversor com Histerese (Schmitt Trigger Inversor) 39

3.2.3 Simulação do Circuito e Desenvolvimento da PCI . . . . . . . 393.3 Implementação do Bloco Lógico do Sistema . . . . . . . . . . . 423.4 Apresentação em Monitor Gráfico por VGA . . . . . . . . . . . 463.4.1 Projeto do Circuito e Desenvolvimento da PCI . . . . . . . . . 463.5 Acionamento de Dispositivos por Relés . . . . . . . . . . . . . . 503.6 Comunicação USB: PC - Microcontrolador . . . . . . . . . . . . 523.6.1 Mouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.6.2 Teclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.7 Protótipo do Leito e Seu Modelo Elétrico . . . . . . . . . . . . 563.7.1 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.7.2 Acionamento dos Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.7.3 Fim de Curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.7.4 Controle de Inclinação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

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1 Introdução

Segundo dados do Censo realizado pelo Governo Federal (2010), cerca de 4,5 milhõesde brasileiros apresentam grandes dificuldades motrizes, deste montante, quase 735 milsão incapacitados de ações motoras. São pessoas com doenças degenerativas, neurológicasou com traumas físicos, tais como a esclerose lateral amiotrófica, as hemorragias cerebraise lesões na medula espinhal.

Doenças degenerativas promovem a atrofia de músculos. Hemorragias cerebrais podemafetar áreas do cérebro responsáveis pelo controle motor. Já as lesões na medula espinhalsão caracterizadas por afetar ações motoras e sinais sensoriais na região atingida. Estesindivíduos podem sofrer uma paraplegia ou tetraplegia, em função do estágio da doençaou gravidade e localização do trauma.

Kirshblum et al. (2011) caracterizam a tetraplegia como sendo o enfraquecimento ouperda das funções motoras e sensoriais dos segmentos cervicais da medula espinhal, queenvolvem danos às ações de braços, tronco, pernas e órgãos pélvicos.

Em razão da extensão de áreas afetadas, o tetraplégico normalmente sofre para rea-lizar atividades rotineiras, como o acionamento de uma lâmpada ou a operação de umcomputador. Em virtude da perda de autonomia, necessita constantemente de auxílioexterno, o que traz reflexos negativos para sua autoestima.

Visando reduzir este impacto, há o desenvolvimento de soluções baseadas nas propostasda Tecnologia Assistiva (TA). De acordo com o Comitê de Ajudas Técnicas (2009):

“Tecnologia Assistiva é uma área do conhecimento, de característica inter-disciplinar, que engloba produtos, recursos, metodologias, estratégias, práticase serviços que objetivam promover a funcionalidade, relacionada à atividadee participação, de pessoas com deficiência, incapacidades ou mobilidade re-duzida, visando sua autonomia, independência, qualidade de vida e inclusãosocial."

Como discutem Brodwin et al. (2009), o objetivo da TA é garantir a independênciafuncional dos indivíduos com deficiências. O foco, portanto, não está na incapacidade,mas nas habilidades restantes que podem ser usadas para alcançar objetivos.

Assim, através da TA, tetraplégicos podem controlar equipamentos usando de funçõesremanescentes, como os movimentos da cabeça, olhos e língua, comandos de voz ou porsopro e sucção.

Contudo, a imobilidade não afeta apenas a autoestima. Indivíduos com lesões cervicaisgraves tendem a apresentar outras doenças decorrentes desta situação, como as úlcerasde pressão, também chamadas de escaras.

Capítulo 1. Introdução 17

Bluestein e Javaheri (2008) descrevem as escaras como lesões na pele, que podem variarde vermelhidões à úlceras profundas, expondo músculos e ossos nos casos mais graves.Comumente, são causadas pela aplicação de pressão pontual, intensa e duradoura, capazde interromper a circulação de sangue pelos capilares, desprovendo os tecidos de oxigênioe nutrientes.

Esta doença pode gerar muito incômodo e dor para deficientes com alguma sensibi-lidade residual. Geralmente, sua presença está relacionada aos longos períodos que odoente permanece acamado, sem movimentação. Logo, é recomendável que se realizemmudanças na posição deste, como forma de prevenção.

Lyder (2003) informa que o reposicionamento do portador de imobilidade é a prin-cipal prática dos protocolos de prevenção das úlceras de pressão, os quais recomendamalterações em intervalos de duas horas.

Nota-se que o período para a nova reposição é relativamente curto, assim, este manejopode sofrer com atrasos significativos em algumas situações.

Assim, é importante que se desenvolvam técnicas que auxiliem na prevenção da doençae no tratamento dos sintomas, enquanto aguarda-se que a devida prática médica sejaempregada. Dentre as técnicas presentes na literatura, encontram-se a aplicação de fluxode ar sobre a pele (JAICHANDAR; GARCIA, 2011), o uso de massageadores e o controlede inclinação da cama em, pelo menos, um segmento (PENG; LIAN; FU, 2010).

Buscando atender estas carências, este trabalho, vinculado ao Projeto de Pesquisa8060, Transdução e Processamento de Sinais Analógicos com Instrumentação Eletrônica eMicroprocessadores, busca apresentar uma interface funcional, a qual, mediante realizaçãode sopros e sucções, viabilize a comunicação interpessoal e o controle de dispositivos porportadores de tetraplegias.

Destaca-se seu caráter assistivo, já que esta tecnologia visa garantir autonomia e in-dependência ao usuário. No entanto, este sistema também apresenta, em seu desenvolvi-mento, propostas voltadas à manutenção da saúde, como o protótipo de leito eletromecâ-nico hospitalar e o acionamento de massageador eletrônico para prevenção de escaras.

1.1 Motivação

É gratificante desenvolver tecnologias que possam vir a contribuir positivamente naqualidade de vida das pessoas com deficiência, neste caso, tetraplégicos.

Outro fator motivante, é o fato da Tecnologia Assistiva ser uma área do conhecimentoainda recente e que necessita de um maior investimento em pesquisa e desenvolvimento.

Capítulo 1. Introdução 18

1.2 Justificativa

No Brasil, há um número significativo de pessoas que apresentam incapacidades mo-toras. Estas têm seu cotidiano visivelmente afetado, com isso, é de suma importância odesenvolvimento de alternativas que busquem preservar a qualidade de vida e a autoestimadesta população.

Logo, faz-se necessária a elaboração de tecnologias que permitam ao deficiente intera-gir, de forma digna, com o meio no qual vive.

Através da confecção do protótipo de um leito eletromecânico, busca-se realizar umestudo preliminar sobre a mecânica necessária e a eficácia do sistema de controle pro-posto. Este conhecimento, em trabalhos futuros, possivelmente servirá de base para odesenvolvimento de um protótipo em escala real.

Os comandos por sopro e sucção foram escolhidos em função da simplicidade e docusto reduzido de implementação que apresentam.

Este sistema pode ser empregado por qualquer indivíduo com prejuízo motor dos mem-bros superiores, que apresente capacidade pulmonar preservada e ações mentais conscien-tes.

1.3 Objetivos

O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um sistema capaz deinterpretar sopros e sucções como comandos para o acionamento de dispositivos e interaçãocom computador.

Conjuntamente, definiu-se como meta a criação de uma interface gráfica intuitiva eacessível para o usuário.

Também pretendeu-se estruturar um protótipo inicial de leito com estrado reclinável,validando nele o uso de potenciômetros como quantizadores de variação angular.

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2 Fundamentação Teórica

2.1 Lesões na Medula Espinhal

A abordagem deste assunto é pertinente, já que lesões medulares são uma das princi-pais causas de tetraplegias. Como enunciado no capítulo anterior, diversas outras doençaspodem resultar em situações semelhantes, entretanto não serão discutidas neste trabalho.

Brodwin et al. (2009) esclarecem que lesões na medula são normalmente resultado deum trauma, no qual o grau de deficiência motora e sensorial depende da posição atingidae do número de fibras nervosas prejudicadas.

Os autores salientam que danos na espinha torácica podem produzir anormalidadesnos movimentos das pernas e incontinência, já traumas na região cervical reúnem tambémdeficiências nas funções de mãos e braços. O controle do intestino, a função sexual, aregulação de temperatura, a suscetibilidade à infecções e a capacidade de respirar tambémpodem ser afetados.

Para a produção de tecnologias que atendam as necessidades de deficientes motores, éinteressante que a anatomia e fisiologia da medula espinhal, bem como aspectos médicosrelacionados, sejam analisados.

2.1.1 Anatomia e Fisiologia da Medula

O sistema nervoso é responsável por controlar todas as ações do corpo, é comumentedividido em sistema nervoso central (SNC) e periférico (SNP).

Segundo Brodwin et al. (2009), o SNC é constituído por encéfalo e medula espinhal,sendo responsável por interpretar os sinais nervosos, já o SNP é composto por nervos quese estendem pelo corpo, atuando como vias de comunicação do SNC com os membros.

Também explicam que o SNP apresenta terminações nervosas sensoriais e motoras,nas quais os nervos motores podem ser divididos em somático, movimento voluntário, eautônomo, involuntário.

De acordo com O’Rahilly et al. (2004), a medula espinhal é responsável pela comuni-cação de informações sensoriais e motoras entre corpo e cérebro, seus neurônios incluemcélulas somáticas e autônomas, bem como transmissores e interneurônios, os quais seconectam com mecanismos sensoriais e de reflexos.

A medula espinhal se encontra no interior da coluna vertebral, O’Rahilly et al. (2004)informam que:

“A coluna vertebral consiste usualmente de 33 vértebras: 24 vértebras pres-sacrais (7 cervicais, 12 torácicas, e 5 lombares) seguidas pelo sacro (5 vértebras

Capítulo 2. Fundamentação Teórica 20

sacrais unidas) e o cóccix (4 vértebras coccígeas fundidas). As 24 vértebraspressacrais permitem o movimento, tornando a coluna flexível. A estabilidadeé provida por ligamentos, músculos e a forma dos ossos."

Conforme indicam, para cada vértebra, um par de nervuras espinhais saem da medulae inervam músculos específicos. O primeiro nervo cervical surge entre crânio e atlas, osnervos cervicais de C2 a C7 continuam até deixar o canal vertebral, abaixo da correspon-dente vértebra. A nervura C8 emerge entre as vértebras C7 e T1. Os nervos espinhaisrestantes saem abaixo da vértebra numerada correspondente.

As regiões sensoriais de cada nervura espinhal são apresentadas na Fig. 1.

Figura 1 – Regiões sensoriais e seus segmentos medulares

examiner must determine if the patient can correctly andreliably discriminate between sharp and dull sensation ateach key sensory point. If in doubt, 8 out of 10 correctanswers are suggested as a standard for accuracy; asthis reduces the probability of correct guessing to lessthan 5%4. The inability to distinguish between dulland sharp sensation (as well as no feeling when beingtouched by the pin) is graded as 0.

A grade of 1 for pin prick is given when sharp/dullsensation is impaired. In this case, the patient reliablydistinguishes between the sharp and dull ends of thepin, but states that the intensity of sharpness is differentin the key sensory point than the feeling of sharpness onthe face. The intensity may be greater or lesser than thefeeling on the face.

The following key points are to be tested bilaterallyfor sensitivity from C2-S4/5 dermatomes (see Fig. 1and diagram on the worksheet (Appendix 1).

C2 – At least 1 cm lateral to the occipital protuber-ance (alternatively 3 cm behind the ear)

C3 – Supraclavicular fossa (posterior to the clavicle)and at the midclavicular line

C4 – Over the acromioclavicular jointC5 – Lateral (radial) side of the antecubital fossa

( just proximal to elbow crease)C6 – Thumb, dorsal surface, proximal phalanxC7 – Middle finger, dorsal surface, proximal phalanxC8 – Little finger, dorsal surface, proximal phalanxT1 – Medial (ulnar) side of the antecubital) fossa,

just proximal to the medial epicondyle of thehumerus

T2 – Apex of the axillaT3 – Midclavicular line and the third intercostal

space (IS) found by palpating the anteriorchest to locate the third rib and the correspond-ing IS below it*

Figure 1 Schematic depiction of key points for sensory testing.

Kirshblum et al. International standards for neurological classification of spinal cord injury

The Journal of Spinal Cord Medicine 2011 VOL. 34 NO. 6538

Fonte: Kirshblum et al. (2011)


O Quadro 1 resume as regiões musculares controladas pelos segmentos medulares.

Quadro 1 – Raízes nervosas espinhais e respectivas funções

Segmento Músculos Representados Funções DesenvolvidasCervicalC1 & C2 Músculos do Pescoço Auxiliam no controle da cabeçaC3 & C4 Diafragma Inspiração (sucção)C5 & C6 Deltoide Flexão dos ombros;

Abdução (braços para frente e ao lado)Bíceps Flexão do cotovelo (dobrá-lo)

C6 & C7 Extensor Radial Dorsiflexão da mão (mãos para cima)Pronador Redondo Pronação do pulso (palma para baixo)

C7 & C8 Tríceps Extensão do cotovelo (cotovelo reto)Extensor dos Dedos Extensão dos dedos (juntas alinhadas)

C8 & T1 Flexor Superficial dos Dedos Flexão dos dedos (punho cerrado)Oponente do Polegar Oposição do polegar

(polegar trazido ao dedo mínimo)Músculos Interósseos Abrir e fechar os dedos

TorácicoT2 − T6 Intercostais Inspiração forçada (sucção)

Expiração (sopro, tosse)T6 − T12 Intercostais − Abdominais Inspiração forçada (sucção);

Auxiliam na expiração (tosse);Contribuem na flexão do tronco (sentar-se)

LombarL1, L2, L3 Iliopsoas Flexão e adução (pernas juntas) do quadrilL3 & L4 Quadríceps Extensão do joelho (joelho reto)L4, L5, S1 Glúteo Médio Abdução do quadril (coxa para o lado)

Músculo Tibial Anterior Dorsiflexão dos pés (pé para cima)L5, S1, S2 Glúteo Máximo Extensão do quadril (coxa em linha)

Gastrocnêmio Flexão plantar do pé (pé para baixo)Sacral

S2, S3, S4 Esfíncter Anal Função intestinal (continência fecal)Esfíncter Uretral Controle da bexiga (continência urinária)

Fonte: Stolov e Clowers (1981)

Brodwin et al. (2009) observam que pessoas com lesões graves acima da região C3precisam de ventilação forçada para respiração. Porém, muitos indivíduos com traumasna C4, apesar de tetraplégicos, mantêm a capacidade respiratória.

Logo, com base no Quadro 1, verifica-se que a utilização do sopro e sucção como sistemaassistivo é uma alternativa relevante para indivíduos com lesões entre os segmentos C4e T1. Este bloco engloba deficientes com capacidade respiratória preservada, ainda quemenos vigorosa, mas com alguma perda de funcionalidade dos membros superiores.


2.1.2 Aspectos Médicos

A associação americana de lesão espinhal, como visto no Quadro 2, define níveis depreservação muscular e categoriza, no Quadro 3, os danos motores e sensoriais.

Quadro 2 – Graduação da força de cada músculo

Nível Caracterização0 Paralisia total1 Contrações visíveis ou palpáveis .2 Movimento ativo, gama completa de movimento sem ação da gravidade.3 Movimento ativo, gama completa de movimento contra ação da gravidade.4 Movimento ativo, gama completa de movimento contra resistência moderada.5 Normal, gama completa de movimento contra grande resistência.NT Não testável (amputação ou dor severa)

Fonte: Kirshblum et al. (2011)

Quadro 3 – Escala de danos na medula espinhal

Categoria Caracterização da lesão

A Completa. Sem preservação de funções motoras e sensoriais nos segmentossacrais.

B Sensorial incompleta. Apenas função sensorial preservada, não motora.

C Motor incompleta. Função motora preservada abaixo do nível neurológico,com graduação menor que 3.

D Motor incompleta. Função motora preservada, com maior parte dosmúsculos com graduação maior ou igual a 3.

E Normal. Lesionado com funções motoras e sensitivas preservadas.Fonte: Kirshblum et al. (2011)

Indivíduos com contusões categorizadas como A, B ou C apresentam sequelas físicasvariadas, tais como disfunções sexuais ou incontinências fecais e urinárias, que não sãoconsiderados problemas graves de saúde. No entanto, existem complicações mais sériascomo a disreflexia autonômica, contraturas e as úlceras de pressão.

Brodwin et al. (2009) explicam que a disreflexia autonômica, por exemplo, é potenci-almente letal para pacientes com lesões superiores ao nível T6. Em resposta a estímulosnocivos, como infecções, a pressão sanguínea se eleva e produz sintomas como dores fortesde cabeça, tontura e transpiração. Se não tratada, evolui para uma hemorragia cerebral.

As contraturas, por sua vez, são definidas pela atrofia muscular, em função da falta demovimentação das juntas. Caso não haja uma rotina de fisioterapia, tetraplégicos podemsofrer com contraturas nos dedos, quadris, joelhos e cotovelos.

2.1.2.1 Úlceras de Pressão

Dentre as complicações de saúde citadas, as escaras necessitam de atenção especial,pois são problemas recorrentes e de custo elevado para tratamento.


De acordo com Lyder (2003), estas ulcerações são decorrentes da obstrução dos ca-pilares por pressões contínuas entre 20 e 40 mmHg, que levam a uma necrose da pele.Podem se desenvolver, segundo o autor, em períodos de duas a seis horas.

Bluestein e Javaheri (2008) indicam que, se não tratadas, as escaras avançam demanchas doloridas na pele à úlceras que atingem a camada de gordura e os ossos. Estesestágios são ilustrados na Fig. 2.

Nota-se que são complicações graves, as quais afligem, principalmente, portadores detetraplegias.

Figura 2 – Estágios das úlceras de pressão

1188 American Family Physician www.aafp.org/afp Volume 78, Number 10 November 15, 2008

bed and pressure ulcer when feeling beneath the staticsurface,thedevicemaynotbeeffectiveandanalternativeshould be considered.7 Other pressure-reducing devicesinclude chair cushions and pillows, foam wedges, andmaterials that are placed between the knees or used torelieve heel pressure. ring cushions can cause pressurepointsandshouldnotbeused.

Otherpreventiveinterventionsincludenutritionalandskincareassessments.althoughpoornutritionisassoci-atedwithpressureulcers,acausal relationshiphasnotbeen established.12 One large trial has shown that oralnutritional supplementation reduces risk, but severalothertrialshavenot.13aCochranereviewconcludedthatthereisinsufficientevidenceontherelationshipbetweennutritionandpressureulcerprevention.14amorerecentmeta-analysisconcludedthatdietitianconsultationandthe use of skin moisturizers are reasonable preventivemeasures.11however,theroleofbactericidalandgrowthfactorpreparationsisunclear.Continencecareprogramshavenotprovedsuccessful.15Despiteproperriskassess-mentandpreventiveinterventions,somepressureulcersareunavoidable.

assessmentassessment of an established pressure ulcer involves acomplete medical evaluation of the patient. a compre-hensivehistoryincludestheonsetanddurationofulcers,previouswoundcare,riskfactors,andalistofhealthprob-lemsandmedications.Otherfactorssuchaspsychologicalhealth,behavioralandcognitivestatus,socialandfinan-cialresources,andaccesstocaregiversarecriticalintheinitialassessmentandmayinfluencetreatmentplans.thepresenceofapressureulcermayindicatethatthepatientdoesnothaveaccesstoadequateservicesorsupport.thepatientmayneedmoreintensivesupportservices,orcare-giversmayneedmoretraining,respite,orassistancewithliftingandturningthepatient.Patientswithcommuni-cationorsensorydisordersareparticularlyvulnerabletopressureulcersbecause theymaynot feeldiscomfortormayexpressdiscomfortinatypicalways.

thephysicianshouldnotethenumber,location,andsize(length,width,anddepth)ofulcersandassess forthe presence of exudate, odor, sinus tracts, necrosis oreschar formation, tunneling, undermining, infection,healing(granulationandepithelialization),andwound

Figure 1. Stage I pressure ulcer. Intact skin with non-blanching redness.

Figure 2. Stage II pressure ulcer. Shallow, open ulcer with red-pink wound bed.

Dermis

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm

Figure 4. Stage Iv pressure ulcer. Full-thickness tissue loss with exposed muscle and bone.

Exposed bone

Muscle

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm

Figure 3. Stage III pressure ulcer. Full-thickness tissue loss with visible subcutaneous fat.

Subcutaneous fat

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm

(a) Estágio 1 - Pele intacta com vermelhidão








Dermis

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm


Exposed bone

Muscle

ILLU

STR

ATI

ON

BY

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kLe

mm

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm


Subcutaneous fat

ILLU

STR

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ON

BY

dA

vId

kLe

mm

(b) Estágio 2 - Úlcera aberta (pouco profunda)








Dermis

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm


Exposed bone

Muscle

ILLU

STR

ATI

ON

BY

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mm

ILLU

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ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm


Subcutaneous fat

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm

(c) Estágio 3 - Perda total da pele com gordurasubcutânea visível








Dermis

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm


Exposed bone

Muscle

ILLU

STR

ATI

ON

BY

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kLe

mm

ILLU

STR

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ON

BY

dA

vId

kLe

mm


Subcutaneous fat

ILLU

STR

ATI

ON

BY

dA

vId

kLe

mm

(d) Estágio 4 - Perda tecidual total com músculose ossos expostos

Fonte: Bluestein e Javaheri (2008)

Apesar da vasoconstrição por pressão ser a principal causa de formação destas úlceras,existem fatores que contribuem para seu desenvolvimento, como pode ser observado noQuadro 4.

Por exemplo, a elevação da temperatura aumenta o metabolismo, que, por sua vez,contribui para a formação de escaras. Entretanto, como descreve Webster (1991), umaredução drástica de temperatura também pode elevar este risco, em função da vasocons-trição.


Quadro 4 – Fatores de risco para úlceras de pressão

Fator Relacionado Consequência Fisiológica

Temperatura da pele

Uma elevação de 1oC aumenta a demanda metabólica em10%. Na presença de uma isquemia, o aumento do meta-bolismo leva à formação de processo inflamatório e oclusãosanguínea.

IdadeEleva a rigidez e reduz a resistência mecânica da pele. Estascaracterísticas facilitam a obstrução e o rompimento de vasos,favorecendo o surgimento das úlceras de pressão.

InfecçãoAumenta a temperatura do corpo e o metabolismo, além decausar perdas nutricionais, contribuindo ao desenvolvimentode escaras.

Tipo de corpoPessoas com menos gordura e músculos sofrem pressões mai-ores nas regiões ósseas, elevando as chances de formação deescaras.

Colágeno

Estresse, lesões espinhais ou idade são fatores que influenciamna formação de colágeno solúvel em água, que reduz a forçados tecidos. Um tecido menos resistente é mais predispostoao aparecimento de úlceras de pressão.

Nutrição Desnutrição reduz os tecidos musculares e de gordura, cau-sando um aumento de pressão sobre as regiões ósseas.

Atividade fibrinolítica Sua redução leva a um acúmulo de fibrina, que obstrui a cir-culação, contribuindo para o desenvolvimento de escaras.

Fonte: Webster (1991)

Bluestein e Javaheri (2008) informam sobre algumas técnicas comumente empregadasna prevenção destas ulcerações, como a reposição programada do deficiente e a estimulaçãodas áreas mais afetadas.

Lyder (2003) apresenta dispositivos para a redução de pressão sobre a pele, os quaissão divididos em dois grupos, os de ação estática ou dinâmica.

Equipamentos de ação estática incluem colchões de água, ar e gel, enquanto os di-nâmicos apresentam tecnologias para realocação de pressão, além de colchões móveis oucom jatos de ar comprimido.

Bluestein e Javaheri (2008) recomendam o primeiro grupo às pessoas com baixo riscode contrair escaras e o segundo aos indivíduos que não conseguem se reposicionar.

2.2 Trabalhos Correlatos

Diversas técnicas estão sendo desenvolvidas para atender deficiências motoras graves.Basicamente, estas pesquisas podem ser separadas em dois grandes blocos, as que sãovoltadas para a tecnologia assistiva e as direcionadas à manutenção da saúde.

Dentre as relacionadas a TA, destacam-se as interfaces para controle de equipamentospor função remanescente do corpo, como o sopro, voz ou movimentos da cabeça e olhos.


Para manutenção da saúde, podem ser citadas algumas alternativas que promovem omonitoramento do deficiente.

Logo, a observação de alguns estudos já feitos por outros pesquisadores serve de basepara o desenvolvimento de trabalhos futuros e contribui no entendimento deste projeto.

2.2.1 Tecnologia Assistiva

Diversas doenças ou lesões resultam em problemas de mobilidade com característicasvariadas, assim, diferentes propostas de TA também são discutidas por pesquisadores.

Por exemplo, como descrevem Lim, Lee e Kwon (2003), lesões nas seções nervosasC3 e C4 impedem o movimento abaixo dos ombros. Consequentemente, dificulta-se arealização de atividades diárias sem assistência ou auxílio de dispositivos especiais.

Desta forma, Bureau et al. (2007) propõem o desenvolvimento de um dispositivo que,através de acelerômetros e giroscópios, transforma movimentos da cabeça em sinais decontrole para aparelhos eletrônicos. Este método busca ser não invasivo, universal, wirelesse econômico.

Apresenta, no entanto, deficiências como interferências por movimentos involuntários,precisão e perda de referência por mudança de postura.

Em seu trabalho, Bastos-Filho et al. (2012) discutem diversos sistemas assistivos comoa comunicação pelo movimento dos olhos, cabeça, ondas cerebrais e por sopro e sucção.

De acordo com os autores, o controle por movimentos dos olhos possui, como fatorlimitante, erros causados por espasmos e movimentos involuntários. Já comandos pelamovimentação da cabeça não podem ser usados por indivíduos com paralisia cerebral ousem o controle fino da mesma.

Bastos-Filho et al. (2012) divulgam o uso do sopro e sucção como uma alternativarelevante nesta modalidade, sendo, no entanto, de resposta mais lenta se comparada asdemais.

Mougharbel et al. (2013) utilizam do sopro e sucção como uma solução de controle maisbarata e menos complexa para uma cadeira de rodas. O sopro e a sucção ativam chavesespecíficas normalmente abertas. Uma sequência de pressões positivas e negativas geramsinais digitais que são interpretados por um controlador, o qual, por sua vez, direciona acadeira.

Junior et al. (2014) propõem um sistema de controle baseado no sopro e sucção, paracadeira de rodas movimentadas por motores de indução. Através de um único sensorde fluxo, com alta sensibilidade e resposta rápida, detectam-se deslocamentos de ar combaixa intensidade, os quais não seriam capazes, por exemplo, de apagar uma vela acesa.

Mulfari et al. (2014) discutem o uso de uma interface embarcada capaz de conectarsensores e equipamentos de TA existentes. A proposta é permitir que deficientes interajamcom dispositivos eletrônicos tais como celulares, tablets ou PCs.


Estes dispositivos suportam o uso de mouse e teclado pelo protocolo HID, o qual écompatível com sistemas operacionais como Windows, Linux e Android.

O sistema proposto explora o uso de uma conexão USB para interfacear um dispositivogenérico, enquanto utiliza do protocolo HID para emular as ações e movimentos de ummouse e teclado no computador (MULFARI et al., 2014).

Cunico (2006) desenvolveu uma interface homem-máquina capaz de transformar estí-mulos de pressão em movimentos do cursor de um mouse. Os sinais de dois sensores depressão são condicionados analogicamente, processados por um microcontrolador e trans-mitidos via USB por um conversor USB-SERIAL, sendo posteriormente processados noPC.

O autor salienta que, apesar do sistema mostrar-se eficiente, com alta sensibilidade e defuncionamento simples, não poderá atender tetraplégicos com dificuldades respiratórias.

Marinho (2014) propõe uma cama funcional controlada por sistemas de pressão (so-pro e sucção) voltada a portadores de deficiência dos membros superiores. Um transdutorde pressão transforma o sopro e sucção do usuário em tensões elétricas que, após con-dicionamento analógico, resultam em sinais binários. Estes são interpretados por ummicrocontrolador que executa tarefas como a inclinação das costas ou acionamento decomandos por relés.

2.2.2 Tratamento de Úlceras de Pressão

Além dos dispositivos de ação estática ou dinâmica já destacados por Bluestein eJavaheri (2008) e Lyder (2003), alguns pesquisadores testam outras técnicas que bus-cam amenizar os efeitos da doença, bem como alternativas que venham contribuir com aexecução do serviço médico.

WANG et al. (2011) discutem um sistema de monitoramento inteligente, o qual trans-mite leituras de pressão e informações importantes do paciente, como a identificação e ohistórico médico, através de um módulo ZigBee.

Os autores salientam que, dada a rotina normalmente atarefada de enfermeiras ecuidadores, um aviso eletrônico poderia ser uma boa solução para elevar a vigilânciasobre as úlceras de pressão. Assim, se em 90 minutos não houver movimentação, um sinalde alarme é enviado automaticamente para o computador da central de enfermarias oupara o celular do cuidador.

Jaichandar e Garcia (2011) desenvolveram uma interface de baixo custo que controla atemperatura da pele e monitora os movimentos do paciente para a prevenção de escaras.

Sensores de temperatura posicionados na superfície da cama enviam leituras ao mi-crocontrolador, que regula a intensidade do fluxo de ar sobre a pele.

Além de controlar o acionamento das válvulas solenoides de fluxo, o microcontroladorativa LEDs que indicam temperaturas excessivas ou falta de movimentação significativa.


2.3 Conceitos Fundamentais

A discussão de alguns conceitos técnicos é fundamental para facilitar o entendimentodas ferramentas e práticas implementadas neste projeto.

Logo, serão discutidas, nesta seção, informações sobre o sensor de pressão empregado,as configurações de amplificador operacional utilizadas, entre outras.

2.3.1 Sensor de Pressão

Como explica Papavassiliou (2008), dispositivos utilizados para transformar um tipode energia em outro são conhecidos como transdutores.

Quando um transdutor converte uma grandeza física mensurável, como som, pressão,intensidade luminosa e campo magnético, em tensão ou corrente elétrica é chamado desensor.

Para este projeto, optou-se pelo uso do sensor de pressão MPX5100 - Case 867C,sensível na faixa de 0-100 kPa.

Esta série de sensores é piezoresistiva, ou seja, são formados por monólitos de silícioque sofrem deformação com aplicações de forças sobre suas áreas.

A pressão recebida, por sua vez, modifica a resistência do sensor, fornecendo umasaída de tensão analógica correspondente.

2.3.2 Amplificador Operacional

O amplificador operacional (AmpOp) é um componente com inúmeras aplicações nodesenvolvimento de circuitos eletrônicos.

Wendling (2010) lista, como características de um AmpOp ideal, a impedância de en-trada infinita, impedância de saída nula, ganho de tensão infinito, resposta em frequênciainfinita e insensibilidade à temperatura.

Os AmpOps com realimentação negativa, como descreve Wendling (2010), possuemuma malha fechada na entrada inversora, apresentando resposta linear e ganho contro-lado. Já a realimentação positiva, malha fechada na entrada não-inversora, impulsiona oAmpOp à saturação mais rapidamente.

As configurações empregadas neste projeto são apresentadas abaixo.

2.3.2.1 Buffer

Este circuito fornece ganho unitário, sem inversão de polaridade ou fase do sinal deentrada. Atua principalmente como isolador de estágios. Sua representação é visualizadana Fig. 3.


Figura 3 – Amplificador operacional na configuração buffer

+

–

VO

VI VO = VI

Fonte: Próprio autor

2.3.2.2 Amplificador Não-Inversor

O AmpOp, nesta configuração, fornece um ganho constante sempre superior ao uni-tário, ou seja, mantém a polaridade do sinal de entrada. Este ganho é obtido em funçãodas resistências RP e RF e é apresentado na Eq. 2.1.

VO =(

1 + RF

RP

)· VI (2.1)

Sua estrutura é mostrada na Fig. 4.

Figura 4 – Amplificador operacional na configuração não-inversora

+

–

VO

VI

RF

RP


2.3.2.3 Comparador Não-Inversor com Histerese (Schmitt Trigger Não-Inversor)

O circuito básico de um comparador não-inversor com histerese é retratado na Fig. 5.

Figura 5 – Comparador não-inversor com histerese (Schmitt trigger não-inversor)

–

+

VO

VI

RF

RP

VREF

VX



Germanovix (2013) analisa o funcionamento deste circuito. Por superposição tem-se:

VX = VI ·RF

RF +RP

+ VO ·RP

RF +RP

(2.2)

Em função de sua característica não-inversora e da realimentação positiva, enquantoVX é inferior a VREF , a saída do AmpOp se mantém saturada negativamente (VSAT −).Ao apresentar tensão equivalente (VX = VREF ), a tensão de entrada (VI) atinge o limiarde transição superior (VHSuperior

).Matematicamente, isolando VI na Eq. 2.2, pode-se escrever:

VHSuperior→ VI = VREF ·

RF +RP

RF

− VSAT − ·RP

RF

(2.3)

Ao passo que VX é superior a VREF , a saída do AmpOp se mantém saturada positiva-mente (VSAT +). Se VX for reduzida ao ponto de se igualar a VREF , a tensão de entrada(VI) atinge o limiar de transição inferior (VHInferior

).Novamente, isolando VI na Eq. 2.2, obtém-se:

VHInferior→ VI = VREF ·

RF +RP

RF

− VSAT + ·RP

RF

(2.4)

A Fig. 6 mostra o funcionamento do circuito descrito.

Figura 6 – Função de transferência do circuito comparador não-inversor com histerese

VO

VI

VSAT+

VSAT−

VHSuperior

VHInferior

VREF · RF+RP

RF

(VSAT+ − VSAT−) · RP

RF


2.3.2.4 Comparador Inversor com Histerese (Schmitt Trigger Inversor)

O circuito básico de um comparador inversor com histerese é exposto na Fig. 7.Germanovix (2013) discute o funcionamento deste circuito. Por superposição tem-se:

VX = VREF ·RF

RF +RP

+ VO ·RP

RF +RP

(2.5)


Figura 7 – Comparador inversor com histerese (Schmitt trigger inversor)

–

+

VO

VI

RF

RP

VREF

VX


Em função de sua característica inversora e da realimentação positiva, enquanto VI

é inferior a VX , a saída do AmpOp se mantém saturada positivamente (VSAT +). Aoapresentar tensão equivalente (VX = VI), a tensão de entrada (VI) atinge o limiar detransição superior (VHSuperior

).Isolando VI na Eq. 2.5, algebricamente, obtém-se:

VHSuperior→ VI = VREF ·

RF

RF +RP

+ VSAT + ·RP

RF +RP

(2.6)

Ao passo que VI é superior a VX , a saída do AmpOp se mantém saturada negativamente(VSAT −). Se VI for reduzida ao ponto de se igualar a VX , atinge-se o limiar de transiçãoinferior (VHInferior

).Novamente, isolando VI na Eq. 2.6, tem-se:

VHInferior→ VI = VREF ·

RF

RF +RP

+ VSAT − ·RP

RF +RP

(2.7)

A Fig. 8 descreve o funcionamento do circuito.

Figura 8 – Função de transferência do circuito comparador inversor com histerese

VO

VI

VSAT+

VSAT−

VHSuperior

VHInferior

VREF · RF

RF+RP

(VSAT+ − VSAT−) · RP

RF+RP



2.3.3 Microcontrolador STM32F429

Este tópico busca apresentar algumas características básicas do dispositivo lógico es-colhido, bem como nomenclaturas importantes ao entendimento dos periféricos utilizadose programação realizada.

Foi empregado o kit de desenvolvimento 32F429IDISCOVERY, o qual conta com ummicrocontrolador STM32F429ZIT6, que apresenta tecnologia ARM R© Cortex R©−M4 de32 bits. O mesmo atinge frequência máxima de 180 MHz ou 168 MHz, com o USB ativo.

Os principais periféricos utilizados neste trabalho são listados à seguir. Por seremapenas descrições, recomenda-se o estudo do datasheet e manual de referência fornecidospela STMicroelectronics (2015).

2.3.3.1 General-Purpose Input/Outputs (GPIOs)

A maioria das portas de uso geral pode ser individualmente configurada, por software,como entrada digital1, analógica ou saída2.

2.3.3.2 Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC)

Este periférico é responsável por gerir todas as interrupções do microcontrolador. Aotodo são 16 níveis de prioridade possíveis.

2.3.3.3 External Interrupt/Event Controller (EXTI)

Consiste de 23 linhas detectoras de borda usadas para geração de interrupções porsinais externos. Cada linha opera independentemente, podendo ser ativa na borda desubida, descida ou em ambas.

2.3.3.4 Timers (TIMx)

Esta família apresenta controladores de tempo avançados (TIM1, TIM8), de uso geral(TIM2-TIM5, TIM9-TIM14) e básicos (TIM6, TIM7).

Os controladores avançados apresentam contadores auto-recarregáveis de 16 bits, comprescalers programáveis. Podem ser configurados para medição de frequência e largurade pulso dos sinais de entrada, input capture, ou para gerar formas de onda, tais como ooutput compare, PWM e PWM .

São dez controladores de tempo de uso geral, de 32 (TIM2, TIM5) ou 16 bits (TIM3,TIM4, TIM9-TIM14), com funcionalidades semelhantes aos controladores avançados, massem a capacidade de gerar PWM .1 Floating, pull-up e pull-down2 Open-drain e push-pull


Os Timers básicos (TIM6, TIM7) são contadores de 16 bits usados para sincronizar osconversores digital-analógicos (DACs), entretanto podem ser empregados como tempori-zadores genéricos.

2.3.3.5 Conversor Analógico-Digital (ADC)

Os microcontroladores da família STM32F429 apresentam ADCs por aproximaçãosucessiva de 12 bits. Existem três conversores embarcados que compartilham até 16 canais,os quais realizam conversões simples ou contínuas, com ou sem interrupções.

Há a possibilidade de se habilitar interrupções ao fim das conversões, ajustar o períodode amostragem e sincronizar leituras com os timers.

2.3.4 Comunicação USB-HID

Como descrevem Bergman et al. (2001), a comunicação USB possibilita que um com-putador pessoal (PC) interaja com uma variedade de dispositivos através de um cabo comquatro fios3. Cada aparelho conectado é organizado em classes de dispositivos específicas,as quais apresentam protocolos distintos.

Dentre as classes existentes, podem ser citadas as de display, comunicação, áudio,armazenamento em massa e interface humana.

Trabalhou-se com a última classe listada, os dispositivos de interface humana tipi-camente envolvem equipamentos usados para o controle de operações em computadores,como mouses, teclados, joysticks, knobs, chaves e botões (BERGMAN et al., 2001).

A classe HID, como apresenta Axelson (2009), faz uso de transferências por interrup-ção. Neste processo, o host verifica a presença de novos dados periodicamente, garantindouma resposta rápida e sem atraso perceptível.

Para enviar ou receber dados, o host inicia uma transferência4, que apresenta umformato definido de dados, informações de endereço, bits detectores de erro e pacotes decontrole.

Bergman et al. (2001) e Axelson (2009) discutem terminologias importantes para oentendimento da comunicação USB, sendo estas descritas à seguir.

2.3.4.1 Enumeração

Neste processo, o host recebe informações sobre o dispositivo e prepara-o para exe-cutar as funções descritas, determinando a velocidade do barramento, endereçando-o ecarregando os drivers necessários.

Ao fim deste, a comunicação USB é iniciada. Esta ação é praticamente imperceptívelao usuário, sendo notada apenas na primeira configuração do dispositivo no PC.3 USB 2.04 Relatório


2.3.4.2 Endpoint

Um endpoint (EP) é um buffer do dispositivo que armazena os dados recebidos ou queirão ser transmitidos. Cada endpoint possui um número, direção e quantidade máximade dados enviada por transação.

Este número varia entre zero e quinze. Já a direção é definida em função da perspectivado host. Os EPs de entrada se referem ao envio de dados ao host e os de saída aorecebimento pelo dispositivo.

2.3.4.3 Descritores

Os descritores provêm informações sobre o dispositivo USB, basicamente são estruturasde código que permitem ao host conhecer todos os elementos do dispositivo conectado.Os principais descritores são os de dispositivo, configuração, interface, endpoint, classe(HID) e relatório.

O descritor de dispositivo contém informações como Classe, Subclasse, ID do Vende-dor, ID do Produto e Versão, bem como define o número de configurações suportadas.

Para cada configuração, existe um descritor com informações sobre consumo de energiae número de interfaces possíveis.

Para cada interface, há um descritor que define o número de endpoints e informa afunção desempenhada pelo dispositivo.

Todo o endpoint possui um descritor com dados necessários para viabilizar a comuni-cação.

Um descritor de classe identifica o número, tamanho e tipo dos descritores de classesubordinados.

O descritor de relatório tem seu tamanho e conteúdo dependentes do número de cam-pos com informação. Cada transferência envolve uma ou mais transações, as quais contêmpacotes de informação.

Este descritor apresenta informações detalhadas dos blocos de dados do dispositivo eos define como itens de entrada, saída ou coleção5.

Além disso, o tipo de informação transmitida, o endereço dos pacotes e os valoresmáximos e mínimos dos dados são definidos.

2.3.5 Video Graphics Array (VGA)

Fanelli e Hartino (2012) apresentam o sistema VGA como um padrão de vídeo, desen-volvido pela IBM em 1987, que define resoluções de tela, modos de operação e hardwaremínimo. São cinco tipos de sinais básicos, dois de sincronização, horizontal e vertical, etrês de colorização, vermelho, verde e azul.5 Conjunto de vários itens


Os pulsos de sincronização são digitais e ativos em nível lógico baixo. O vertical (V-Sync), na queda, posiciona o foco no pixel superior esquerdo. Já o horizontal (H-Sync)desloca o foco ao primeiro pixel da linha subsequente.

Quando os sinais de sincronização não estão ativos, o foco é deslocado ao pixel dadireita, a cada ciclo de clock. O padrão define, para um sistema de resolução 640 x 480 -60 Hz, um clock de pixel de 25,175 MHz.

Os três sinais de cor são analógicos, assim, como as saídas do microcontrolador sãodigitais, faz-se necessária a presença de um circuito responsável pela conversão digital-analógica.

Como destaca Vandenbout (2011), os níveis dos sinais RGB variam de 0, completa-mente escuro, a 0,7 V, máximo brilho, e combinam-se para formar a coloração final dopixel na tela.

O processo para formação da imagem em um monitor VGA pode ser observada naFig. 9.

Figura 9 – Sinais do protocolo VGA

Fonte: Vandenbout (2011)


Através da Fig. 9, nota-se que, inicialmente, os dois sinais de sincronização recebemum pulso de nível lógico baixo, o que leva o foco ao primeiro pixel da tela. Para umsistema 640 x 480 - 60 Hz, a colorização dos pixels é enviada através das linhas RGB emjanelas de 25,17 µs.

Para ir a próxima linha, o H-Sync recebe outro pulso baixo, gerando um intervalototal de 31,77 µs por linha preenchida. Este processo se repete mais 480 vezes para varrertoda a tela, resultando em um período de 15,25 ms.

Fisicamente, um cabo VGA é composto por um adaptador DB15, visualizado na Fig.10.

Figura 10 – Organização dos pinos no soquete DB15

15

610

1115

234

789

121314


Sendo sua pinagem apresentada no Quadro 5.

Quadro 5 – Descrição de pinos do adaptador VGA

Número Nome Descrição1 R Sinal analógico de cor vermelha - 75 Ω2 G Sinal analógico de cor verde - 75 Ω3 B Sinal analógico de cor azul - 75 Ω4 ID2/RES ID do monitor, bit 2 - Reservado5 GND Terra (H-Sync)6 RED_RTN Retorno vermelho (Aterrado)7 GREEN_RTN Retorno verde (Aterrado)8 BLUE_RTN Retorno azul (Aterrado)9 KEY/PWR +5 VDC

10 GND Terra (V-Sync)11 ID0/RES ID do monitor, bit 0 - Reservado12 ID1/SDA ID do monitor, bit 1 - Reservado13 H-Sync Sincronismo horizontal14 V-Sync Sincronismo vertical15 ID3/SCL ID do monitor, bit 3 - Reservado

Fonte: Fanelli e Hartino (2012)

36

3 Desenvolvimento

3.1 Descrição em Blocos do Sistema Proposto

O sistema proposto pode ser agrupado em blocos específicos, como exibido na Fig. 11.O primeiro conjunto é responsável pela aquisição e condicionamento dos sinais de sopro

e sucção, tornando-os interpretáveis pelo microcontrolador.O segundo bloco envolve toda lógica desenvolvida para que o microcontrolador receba

e execute tarefas.Um terceiro engloba a interface gráfica projetada e o sistema VGA. Outro reúne o

acionamento de dispositivos elétricos por relés.Há o conjunto de ações que fornecem ao usuário a capacidade de controlar um compu-

tador por meio de mouse e teclado virtuais. Além disso, pelo PC, o usuário pode interagircom seu smartphone, desde que possua um aplicativo de espelhamento.

Por fim, existe o grupo de ações que controlam o funcionamento do leito eletromecâ-nico, viabilizando a inclinação dos membros superiores e inferiores.

Figura 11 – Diagrama do sistema proposto

Sensor dePressao

Condicionamento Microcontrolador

Sopro

Succao

Modulode Reles

Interface GraficaMonitor VGA

Leito Eletromecanico

ComunicacaoUSB HID

PC

Mouse Teclado

Superiores

Inferiores

SmartphoneIluminacao Massageador Ventilador Ajuda

Membros

Membros


Capítulo 3. Desenvolvimento 37

3.2 Aquisição e Condicionamento dos Sinais de Pres-são (Sopro e Sucção)

Foi utilizado o sensor de Pressão MPX5100 - Case 867C para detecção das ações desopro e sucção. Este dispositivo é capaz de ler uma faixa de pressão de 0 a 100 kPa.

Desta forma, para se projetar o circuito de condicionamento, registraram-se, na Tab.1, os valores de tensão fornecidos pelo sensor após estímulos de sopro e sucção.

Tabela 1 – Valores de tensão na saída do sensor após estímulo

Estímulo Vout [V]Sucção 0,09Nenhum 0,17Sopro 0,20


Como visto na Tab. 1, os valores fornecidos pelo sensor não são suficientes parasensibilizar o microcontrolador, desta forma, fez-se necessário amplificar o sinal.

Para este fim, utilizou-se o CI LM224, que apresenta quatro AmpOps independentesvoltados à amplificação de sinais e ao desenvolvimento de circuitos convencionais.

Sua alimentação é simples, portanto não necessita de fonte simétrica. Assim, o ganhodo sinal deve ser implementado através de um amplificador não inversor, dado o nãoreconhecimento de tensões negativas.

3.2.1 Amplificador Não-Inversor

Em função dos valores verificados na Tab. 1, optou-se por assumir um ganho igual ousuperior a 10, assim, conforme a Eq. 2.1, teve-se que:

VO

VI

≥ 10 −→ 10 ≤(

1 + RF

RP

)−→ RF

RP

≥ 9 (3.1)

Escolheu-se RF = 10 kΩ e RP = 1 kΩ, garantindo um ganho de aproximadamente 11no circuito.

Posteriormente, foram registrados os valores de tensão lidos após o bloco amplificador,conforme pode ser observado na Tab. 2.

Tabela 2 – Valores de tensão lidos após estágio amplificador

Estímulo Vout [V]Sucção 0,98Nenhum 1,93Sopro 2,27



Após o estágio amplificador, os sinais de tensão do sensor alcançam níveis interpre-táveis pelo microcontrolador, contudo, estas leituras são analógicas. Para este projeto, aproposta é reconhecer se há ou não ações de sopro ou sucção, isto é, existe o interesseapenas na representação binária de cada estado.

Assim, foi acrescentado um estágio responsável pela digitalização do sinal no bloco decondicionamento.

3.2.2 Digitalização do Sinal de Pressão

O sistema de condicionamento apresenta duas saídas para o microcontrolador, umadedicada ao reconhecimento de sopros, pressões positivas, e outra para sucções, negativas.

Este processo não pode sofrer com interferências de ruídos externos ou com pequenasvariações no fluxo de ar, como as geradas pelo processo de respiração. Desta forma,optou-se pela utilização de circuitos comparadores com histerese para digitalização dosinal.

A faixa de histerese evita que ruídos interfiram na resposta final. Assim, foram uti-lizados os dois modelos existentes para comparadores com histerese, o não-inversor paradetecção de sopros e o inversor para sucções.

3.2.2.1 Circuito Comparador Não-Inversor com Histerese (Schmitt TriggerNão-Inversor)

Com base na Tab. 2, definiu-se uma tensão de 0,15 V para a janela de histerese,com VHSuperior

igual a 2,15 V e VHInferior2 V. Assim, sabendo que a tensão de saturação

(VSAT +) do LM224 é de aproximadamente 3,5 V1, projetou-se o comparador não-inversor,através da Eq. 2.3 e 2.4. Dado que:

VHSuperior→ 2, 15 = VREF ·

(RF +RP

RF

)(3.2)

VHInferior→ 2 = VREF ·

(RF +RP

RF

)− 3, 5 · RP

RF

(3.3)

Tem-se que:

0, 15 = 3, 5 · RP

RF

→ RP = 0.043 ·RF (3.4)

Adotou-se RP = 4,7 kΩ e RF = 100 kΩ.Por fim, obteve-se:

VREF + = 2, 15 · 100k104, 7k = 2, 05 V (3.5)

1 No LM224, VSAT + = VCC - 1,5 V, onde VCC = 5 V


3.2.2.2 Circuito Comparador Inversor com Histerese (Schmitt Trigger In-versor)

Novamente, observando a Tab. 2, definiu-se uma tensão de 0,15 V para a janela dehisterese, com VHSuperior

igual a 1,45 V e VHInferior1,3 V. Projetou-se o comparador inversor

através da Eq. 2.6 e 2.7. Dado que:

VHSuperior→ 1, 45 = VREF ·

(RF

RF +RP

)+ 3, 5 ·

(RP

RF +RP

)(3.6)

VHInferior→ 1, 3 = VREF ·

(RF

RF +RP

)(3.7)

Tem-se que:

0, 15 = 3, 5 · RP

RF +RP

→ RF = 23, 33 ·RF (3.8)

Adotou-se RP = 10 kΩ e RF = 247 kΩ.Por fim, tem-se:

VREF − = 1, 3 · 257k247k = 1, 35 V (3.9)

3.2.3 Simulação do Circuito e Desenvolvimento da PCI

Inicialmente, simulou-se o esquema básico do circuito de digitalização, visto na Fig.12, no software Orcad Capture 16.0.

Figura 12 – Esquemático do circuito de digitalização

5V

5V

0

0

0

5V

0

0

5V

5V

00

0

0

0

SOPRO OU SUCÇÃO

BUFFER

DETECÇÃO DE SUCÇÃO

DETECÇÃO DE SOPRO

AMPLIFICADOR NÃO INVERSORV2

2.05

V2

2.05

C1

1u

C1

1u

R7

47k

R7

47k

R4

100k

R4

100k

V1

1.35

V1

1.35

R2

10k

R2

10kR5

10k

R5

10k

R1

1k

R1

1k

U3A

LM224

U3A

LM224

+3

-2

V+

4V

-1

1

OUT 1

R9

100k

R9

100k

V4

FREQ = 10VAMPL = 0.2VOFF = 0.2

V4

FREQ = 10VAMPL = 0.2VOFF = 0.2

R8

100k

R8

100k

U4A

LM224

U4A

LM224

+3

-2

V+

4V

-1

1

OUT 1

U2A

LM224

U2A

LM224

+3

-2

V+

4V

-1

1

OUT 1

U1A

LM224

U1A

LM224

+3

-2

V+

4V

-1

1

OUT 1

R6

10k

R6

10k

R3

4.7k

R3

4.7k

V3

5

V3

5


A saída do sistema pode ser visualizada na Fig. 13. O sinal verde indica a respostaaos estímulos de sopro, já as ações de sucção têm sua resposta representada pelo sinal emvermelho.


Como pode ser observado, as saídas dos circuitos de histerese atendem as necessidadesde projeto, registradas na Tab. 1.

Figura 13 – Resposta de saída simulada do sistema

V(V4:+)

100mV 120mV 140mV 160mV 180mV 200mV 210mVV(U3A:OUT) V(U4A:OUT)

0V

2.0V

4.0V


Após êxito na simulação, o circuito de teste foi implementado na protoboard, comopode ser visto na Fig. 14.

Figura 14 – Testes do sistema de sopro e sucção na protoboard


As tensões de referência foram implementadas com trimpots, como visto na Fig. 16.Esta opção construtiva permite um ajuste preciso da referência e possibilita o desloca-mento, caso necessário, da região de histerese, deixando o sistema menos ou mais sensívelà aplicação de sopros e sucções.

O circuito desenvolvido respondeu corretamente aos estímulos de pressão, não so-frendo com interferências de ruídos ou com estímulos indesejados como os provenientesda respiração.


Apesar de não ser sensibilizado com a respiração, responde a sopros e sucções leves,não exigindo muito da capacidade pulmonar do usuário.

Assim, após os devidos testes na protoboard, roteou-se a placa de circuito impresso(PCI), representada na Fig. 15, através do software Orcad Layout Plus.

Figura 15 – Layout da PCI de condicionamento dos sinais de sopro e sucção


A placa finalizada é apresentada na Fig. 16.

Figura 16 – Placa de condicionamento dos sinais de sopro e sucção



3.3 Implementação do Bloco Lógico do Sistema

Após a digitalização, os sinais de sopro ou sucção são interpretados pelo microcontro-lador, responsável pela execução de tarefas e comando de periféricos.

Os sinais de pressão são recebidos em duas portas de entrada distintas, as quais geraminterrupções externas próprias. Cada sinal recebido incrementa um contador definido.

As EXTIs ativam um Trigger de Tempo que, por sua vez, gera uma interrupção aofim de aproximadamente 1,5 s.

O processo de funcionamento das EXTIs acionadas pelos sinais de pressão é exempli-ficado no fluxograma da Fig. 17.

Figura 17 – Fluxograma de interrupções externas geradas por sopro ou sucção

EXTISopro ou Succao

ContadorSopro++

SOPRO?

ContadorSuccao++

SUCCAO?

SIM

NAO

SIM

Ativa Trigger deTempo (Interrup.)

FIM

NAO


A interrupção de tempo produzida é responsável por verificar a quantidade de soprose sucções realizadas no período. Através desta verificação, as variáveis de controle dosestados são modificadas.

Basicamente, a lógica principal do sistema é baseada em um modelo de máquina deestados finitos, o qual conta com oito estados principais: Menu Principal, Inclinação,Iluminação, Mouse, Teclado, Massageador, Ventilador e Ajuda. Cada estado apresentauma ou mais variáveis de controle.

As combinações de sinais aceitas pelo sistema são: um ou dois sopros, uma ou duassucções, sopro e sucção, sucção e sopro.

Todas as funções disponíveis são apresentados ao usuário através de uma interfacegráfica dedicada, que pode ser visualizada em qualquer monitor com tecnologia de conexãoVGA.

O fluxograma da Fig. 18 apresenta o funcionamento lógico da interrupção de tempoexecutada.


Figura 18 – Fluxograma da interrupção de tempo

TIM2 IRQn(Apos 1,5s)

POSICAO++

1 SOPRO e

SIM

NAO

FIM

SIM

ESTADO POSICAO++

NAO

2 SOPROS?

SIM

NAO

Qual ESTADO?

ESTADO = POSICAO

Modifica Estadodo Dispositivo

Ativa Mouse =

Ativa Teclado =SIM

MENU PRINCIPAL

INCLINACAO

ILUMINACAO

MOUSE

TECLADO

MASSAGEM

VENTILADOR

AJUDA




ANGULO FINALSer Inclinado

Define Motor a

SIM

POSICAO - -1 SUCCAO?SIM

NAO

POSICAO? ==Dispositivos Rele

SIM

ESTADO POSICAO - -NAO

2 SUCCOES?SIM

NAO

ESTADO = MENU PRINCIPAL

ou Menu

POSICAO ==Dispositivos Rele

ou Menu?

1 SUCCAO?

NAO

1 SOPRO?

SIMDesloca ESTADO POSICAO

SIM

NAO

UltimoSOPRO? para Linha Inferior

Desloca ESTADO POSICAOpara Linha Superior

Sopro e SuccaoZera Contadores

Trigger de TempoDesabilita

Limpar Tela = SIM

= SIMINCLINAR MOTOR



Como visto na Fig. 18, com um sopro, a posição indicativa do menu é deslocada aopróximo item. O indicador pode fazer parte do menu principal ou dos botões de açãopara cada estado.

Dois sopros modificam as variáveis de controle dos dispositivos. Nos equipamentosacionados por relés, as variáveis comutam entre os valores DESLIGADO e LIGADO. János que envolvem a comunicação USB, como mouse e teclado, uma flag é ativada.

Para a inclinação do leito, a detecção de dois sopros ativa uma flag de inclinaçãoespecífica para região superior ou inferior e recebe o ângulo final desejado.

No menu principal, o sopro duplo realiza a mudança de estado em função do indicadorvisualizado.

Com uma sucção, a posição apontada é deslocada ao item anterior. Seu funcionamentoé semelhante a execução de um sopro.

A realização de duas sucções leva ao menu principal.A combinação sopro e sucção ou sucção e sopro permite, respectivamente, deslocar o

indicador do menu secundário, uma linha acima ou uma abaixo, caso o estado esteja nainterface de inclinação do leito, mouse ou teclado.

Ao final da interrupção, os contadores de sopro e sucção são zerados, o trigger detempo desabilitado e uma flag para atualização da tela é ativada.

Quando não é interrompido, o sistema executa seu laço principal, é nele que as açõesdos estados são executadas.

Quando o microcontrolador é energizado, todos os periféricos necessários são iniciali-zados, as portas definidas e as interrupções criadas.

Em seguida, as variáveis de controle são setadas, assim, garante-se que todos os dis-positivos iniciarão em seu estado padrão.

O valor atual do estado é constantemente verificado no laço e assume a medida daposição indicada, se o sistema estiver no menu principal.

Se, no menu principal, o apontador está nos dispositivos controlados por relés, um novoestado é automaticamente definido. Desta forma, com apenas dois sopros, a situação dodispositivo é modificada, ligando-o ou desligando-o. Assim, reduz-se pela metade o esforçopara execução da tarefa.

No menu, o indicador em azul representa que o estado não está selecionado, sendoverde se estiver.

Ao fim, a necessidade de apagar a tela é verificada e o inicio do laço novamenteexecutado.

O fluxograma descritivo do laço principal é exposto na Fig. 19. Os blocos de sub-rotinas estão assim representados para facilitar o entendimento lógico. Descrições deta-lhadas serão apresentadas nas próximas seções.


Figura 19 – Fluxograma do laço principal do sistema

INICIOLaco Principal

Configuracao dos

Perifericos

Inicializacao de

Variaveis

ESTADO

Qual ESTADO?

POSICAO Desenha TelaPosicao Atual

Sub-RotinaInclinacao

Iluminacao

Sub-RotinaMouse

Sub-RotinaTeclado

Sub-RotinaMassagem

Sub-RotinaVentilador

Sub-Rotina

MENU PRINCIPAL

INCLINACAO

Sub-Rotina

Ajuda

ILUMINACAO

MOUSE

TECLADO

MASSAGEM

VENTILADOR

AJUDA

POSICAO ==Dispositivos Rele?

NAO

ESTADO = POSICAO

SIM

Desenha TelaEstado Atual

Limpar Tela?NAO

Apaga Tela

SIM

Limpar Tela = NAO



3.4 Apresentação em Monitor Gráfico por VGA

Foi utilizado o padrão VGA para visualização da interface gráfica do sistema, porapresentar implementação relativamente simples e barata, além de ser um padrão gráficoainda comum em monitores e televisores.

Para a comunicação com o monitor, usou-se a biblioteca LCD_VGA Fashion Library,desenvolvida por terceiros. A mesma é responsável pela geração do sinal e configuraçãoinicial da interface, com resolução de 640x480 pixels - 60 Hz. Também fornece funçõespara manipulação de cor, posição dos pixels e escrita de textos.

Implementou-se uma biblioteca própria, graficos.h, para criação de botões selecioná-veis, carregamento de imagens e limpeza da tela. A descrição das funções desenvolvidasé apresentada no Quadro 6.

Quadro 6 – Funções desenvolvidas para biblioteca graficos.h e respectivas descrições.

Função Descriçãovoid gera_botao (uint16_t x, uint16_t y,

uint16_t w, uint16_t h,uint16_t cor_fundo, char

*texto, uint16_t cor_texto,char indice)

Esta sub-rotina cria um quadrado nas co-ordenadas (x, y) de largura w e altura h,em pixels.Quando o sistema se encontra no estadoMENU_PRINCIPAL, o botão apre-senta cor definida em cor_fundo. No en-tanto, o botão será azul se a posição de se-leção for igual ao valor de indice, ou verde,caso outro estado esteja em execução.A informação textual preenchida em textoé posicionada automaticamente no cen-tro do quadro, com coloração definida emcor_texto.

void desenha_imagem (VGA_img *img,int16_t x, int16_t y)

Esta função carrega a matriz de cores pre-sente em *img e desenha pixel a pixel cominício nas coordenadas (x, y).

void apaga_tela(void) Preenche com pixels pretos o bloco direitoda tela.


3.4.1 Projeto do Circuito e Desenvolvimento da PCI

Como a saída do microcontrolador é digital2 e os sinais interpretados pelo sistemaVGA são analógicos3, houve a necessidade de se realizar a conversão digital-analógica dassaídas RGB.2 VL = 0 e VH = 3 V3 VMAX = 0,7 V, 75 Ω


Adotou-se um sistema com 8 bits de cores, no formato RGB332, ou seja, três vermelhos,três verdes e dois azuis. O circuito adotado para conversão digital-analógica é apresentadona Fig. 20.

Figura 20 – Circuito DAC de 3 bits

0

R1R1

R2R2

R3R3R4R4


Com base no circuito da Fig. 20, foram desenvolvidas as equações necessárias paraobtenção das respectivas resistências no software MatLab, como exibido na Fig. 21.Buscou-se atender uma impedância equivalente de 75 Ω e uma tensão de saída máximade 0,7 V.

As resistências R1, R2 e R5 foram previamente definidas.

Figura 21 – Cálculo das resistências do DAC

1 syms REQ R4 R3 REQ2 R5 R623 % CALCULO DOS RESISTORES PARA CONVERSAO DIGITAL−ANALOGICA DA COLORACAO RGB45 % VERMELHO E VERDE:67 S1 = s o l v e ( [ (REQ∗R4) /(REQ+R4) == 75 , ( (3∗R4∗75) /(R4+75) ) / . . .8 (REQ + ( (R4∗75) /(R4+75) ) ) == 0 .7 ] , [REQ, R4 ] ) ;9 S1 .REQ % REQ = 160.71

10 S1 . R4 % R4 = 140.621112 R1 = 1000 ;13 R2 = 500 ;1415 S2 = s o l v e ( [ ( 1 / R1 + 1/R2 + 1/R3)^−1 == (1125/7) ] , R3) % R3 = 310.341617 % AZUL:1819 R5 = 1000 ;2021 S3 = s o l v e ( [ ( 1 / R5 + 1/R6)^−1 == (1125/7) ] , R6) % R6 = 191.49



O esquemático do circuito, visualizado na Fig. 22, foi montado de acordo com resis-tências comerciais próximas dos valores obtidos pela simulação.

Figura 22 – Esquemático do circuito DAC

0

0

0

0

0

0

0

0

0

R8

1K

R8

1KR14

100

R14

100

R2

100

R2

100

R9

1k

R9

1k

R3

300

R3

300

R10

100

R10

100

R4

500

R4

500

U2

VGA

U2

VGA

NC11

VSINC2

GND13

GND24

GND35

GND46

BLUE7

GREEN8

RED9

HSINC10

NC211

NC312

R11

147

R11

147

R5

1K

R5

1K

R12

147

R12

147

U1

BARRA_VGA

U1

BARRA_VGA

GND1 1

PA4 2

PC6 3

PG6 4

PB1 5

PA12 6

PD3 7

PC7 8

PB11 9

PB9 10

PB8 11

GND2 12

R6

300

R6

300R7

500

R7

500

R13

147

R13

147

R1

100

R1

100


Após testes na protoboard, roteou-se a PCI. Seu layout é apresentado na Fig. 23.

Figura 23 – Layout da PCI para condicionamento do sinal VGA



A Fig. 24 mostra a placa finalizada para comunicação com monitor.

Figura 24 – Placa para comunicação com monitor VGA


O resultado final da interface gráfica é exemplificado na Fig. 25.

Figura 25 – Interface Gráfica - Tela do teclado



3.5 Acionamento de Dispositivos por Relés

Na interface, aproveitou-se a execução de sopros para acionar equipamentos elétricospor meio de um módulo comercial com quatro relés independentes, visualizado na Fig.26. O mesmo suporta dispositivos de até 250 VAC ou 30 VDC - 10 A.

Figura 26 – Módulo de relés - 4 canais

Fonte: Datasheet

O esquemático de cada canal é apresentado na Fig. 27. Nota-se que, com o jumper JP1desconectado e auxílio de uma fonte externa, há o isolamento elétrico do microcontroladoratravés de optoacopladores.

Também é perceptível que o circuito é sensibilizado em nível lógico baixo. O mesmointerpreta sinais lógicos altos de, pelo menos, 3 V.

Figura 27 – Esquemático de um canal do módulo

D1

LED

A

K

C

E

1

2

4

3

U1

PC817

R11k

R2

510

Q1NPN

D2

JP1

JUMPER

RL1

SAIDA ARM

NA

COM

NF

ARM - 5V FONTE EXTERNA - 5V


A sub-rotina de execução, exibida na Fig. 28, é simples. Há um verificador condicionalque recebe o estado atual do dispositivo e modifica a respectiva saída.


Figura 28 – Fluxograma da sub-rotina dos dispositivos acionados por relés

SUB-ROTINADispositivos - Rele Aciona Rele

Estado do DispositivoSIM

FIMNAO

= LIGADO?

Desliga Rele


Foi definido o chaveamento de quatro cargas distintas, apresentadas no Quadro 7.Entretanto, o sistema descrito viabiliza o acionamento de diversas outras cargas que sa-tisfaçam as necessidades do usuário.

Quadro 7 – Dispositivos elétricos acionados por sopro e sucção

Função DispositivoIluminação LâmpadaMassagem Massageador portátil PHY - 40WVentilador Ventilador ou circulador de ar para o ambiente

Ajuda Função destinada ao acionamento do sistemapara aviso médico (sirene ou luz indicativa)


Por se tratar de um protótipo, os dispositivos acionados servem para ilustrar suas reaisaplicações. Para um desenvolvimento comercial, por exemplo, o massageador deveria estarintegrado ao colchão do paciente.

A Fig. 29 esquematiza o circuito elétrico necessário para o acionamento de cargas pelainterface.

Figura 29 – Esquema elétrico para o acionamento de cargas pela interface

Modulo com 4 Canais de Reles

1

2

3

4

Equipamento 1

Equipamento 2

Equipamento 3

Equipamento 4

NEUTRO

FASE

MICROCONTROLADOR

Controle 1

Controle 2

Controle 3

Controle 4

Extensao

5V

5V - µC



3.6 Comunicação USB: PC - Microcontrolador

O microcontrolador STM32F429ZIT6 apresenta comunicação USB nativa. Destaforma, o fabricante fornece as bibliotecas básicas para correta configuração do periférico.

Mesmo assim, este protocolo exige que o desenvolvedor tenha um conhecimento prévioem suas classes e aplicações, com isso, evita-se que um grande volume de código sejacarregado desnecessariamente no programa.

O mouse e teclado, por exemplo, integram a classe HID empregada em dispositivosde entrada ou com baixo volume de informação. Este padrão não necessita de driversexternos, sendo reconhecido naturalmente por diversos sistemas operacionais.

A caracterização de uma comunicação USB é realizada através das estruturas de códigoconhecidas como descritores. A maioria destas possui informações tabeladas, com exceçãodos descritores de relatório.

Entretanto, como aponta Axelson (2009), os descritores de relatório podem ser fa-cilmente construídos com auxílio de programas como o HID Descriptor Tool. Contudo,dispositivos como mouse e teclado apresentam estes descritores na própria documentaçãoda classe HID, definida em Bergman et al. (2001).

A transmissão dos pacotes de dados é semelhante ao mouse e teclado. A característicados vetores é definida previamente nos descritores de relatório, os quais serão apresentadosnesta seção.

O envio de comandos pela comunicação USB-HID é apresentado no fluxograma daFig. 30.

Figura 30 – Fluxograma para envio de comandos por USB-HID

SUB-ROTINAComunicacao USB

Envia Relatorio

Envio Esta

SIM

FIM

NAO

Ativado?

(Mouse ou Teclado)

de Valor Nulo

ESTADO POSICAO

Envia RelatorioRelatorio = Endereco +

Comandos[ESTADO POSICAO]

Aguarda RecebimentoPelo PC (Host)

Enviar

Novamente?

SIM

Desativa Envio

NAO


Ao executar dois sopros, o sistema verifica o estado e posição atuais para enviar orespectivo comando ao host, o qual pode ser desde uma ação sobre o mouse4 ou teclado5.4 Rolagem, direcional, botão direito e esquerdo.5 Qualquer tecla ou combinação de teclas.


Vetores declarados no descritor de relatório são preenchidos com o endereço e os dadosnecessários, sendo enviados ao buffer de saída posteriormente. Aguarda-se até que o host(PC) verifique e receba a informação. Ao fim, transmite-se um vetor nulo para encerraro comando.

3.6.1 Mouse

A estrutura de código utilizada para definir o dispositivo como um mouse de trêsbotões é apresentada no Quadro 8.

Quadro 8 – Descritor de relatório do mouse

Endereço Valor Função Descrição

0x05 0x01 USAGE_PAGE (Generic Desktop) Dispositivo genérico dedesktop

0x09 0x02 USAGE (Mouse) Inicia a coleção como mouse0xA1 0x01 COLLECTION (Application)0x09 0x01 USAGE (Pointer) Inicia a coleção como apon-0xA1 0x00 COLLECTION (Physical) tador0x85 0x02 REPORT_ID (2) Endereço do relatório - 0x020x05 0x09 USAGE_PAGE (Button)0x19 0x01 USAGE_MINIMUM Gera 3 campos de 1 bit cada0x29 0x03 USAGE_MAXIMUM (botões 1, 2 e 3) com valores0x15 0x00 LOGICAL_MINIMUM (0) entre 0 e 1 (não setado e se-0x25 0x01 LOGICAL_MAXIMUM (1 ) tado)0x95 0x03 REPORT_COUNT (3)0x75 0x01 REPORT_SIZE (1)

0x81 0x02 INPUT (Data,Var,Abs)Insere os campos, definidosanteriormente, no relatóriode entrada

0x95 0x01 REPORT_COUNT (1) Gera um campo constante0x75 0x05 REPORT_SIZE (5) de 5 bits

0x81 0x03 INPUT (Cnst,Var,Abs) Insere o campo no relatóriode entrada

0x05 0x01 USAGE_PAGE (Generic Desktop)0x09 0x30 USAGE (X)0x09 0x31 USAGE (Y) Gera 3 campos de 8 bits ca-0x09 0x38 USAGE (Wheel) da (direcionais X e Y, rola-0x15 0x81 LOGICAL_MINIMUM (-127) gem) com valores entre -1270x25 0x7F LOGICAL_MAXIMUM (127) e 1270x75 0x08 REPORT_SIZE (8)0x95 0x03 REPORT_COUNT (3)

0x81 0x06 INPUT (Data,Var,Rel) Adiciona os campos ao rela-tório de entrada

0xC0 - END_COLLECTION Finaliza - Apontador0xC0 - END_COLLECTION Finaliza - Mouse



A Tab. 3 representa o vetor de cinco posições caracterizado pelo descritor de relatóriodo Quadro 8.

Tabela 3 – Vetor de relatório do mouse

Posição Endereço Botões X Y RolagemValor 0x02 0x00 - 0x07 -127 a 127


3.6.2 Teclado

Já o descritor que define o dispositivo como teclado é mostrado no Quadro 9.

Quadro 9 – Descritor de relatório do teclado

Endereço Valor Função Descrição

0x05 0x01 USAGE_PAGE (Generic Desktop) Dispositivo genérico deDesktop

0x09 0x06 USAGE (Keyboard) Inicia a coleção como tecla-0xA1 0x01 COLLECTION (Application) do0x85 0x01 REPORT_ID (1) Endereço do relatório - 0x010x05 0x07 USAGE_PAGE (Keyboard)0x19 0xE0 USAGE_MINIMUM Gera 8 campos de 1 bit cada0x29 0xE7 USAGE_MAXIMUM (Ctrl, Shift, Alt, Win-GUI ),0x15 0x00 LOGICAL_MINIMUM (0) com valores entre 0 e 1 (não0x25 0x01 LOGICAL_MAXIMUM (1) setado e setado)0x75 0x01 REPORT_SIZE (1)0x95 0x08 REPORT_COUNT (8)

0x81 0x02 INPUT (Data,Var,Abs)Insere os campos, definidosanteriormente, no relatóriode entrada

0x95 0x01 REPORT_COUNT (1) Gera um campo constante0x75 0x08 REPORT_SIZE (8) de 8 bits

0x81 0x03 INPUT (Cnst,Var,Abs) Insere o campo no relatóriode entrada

0x95 0x06 REPORT_COUNT (6)0x75 0x08 REPORT_SIZE (8) Gera 6 campos de 8 bits ca-0x15 0x00 LOGICAL_MINIMUM (0) da, os valores podem assu-0x25 0x68 LOGICAL_MAXIMUM (104) mir qualquer uma das 1050x05 0x07 USAGE_PAGE (Keyboard) teclas possíveis do teclado0x19 0x00 USAGE_MINIMUM brasileiro - ABNT20x29 0x68 USAGE_MAXIMUM

0x81 0x00 INPUT (Data,Ary,Abs) Adiciona os campos ao rela-tório de entrada

0xC0 - END_COLLECTION Finaliza - TecladoFonte: Próprio autor


Normalmente, os relatórios de teclado enviam um vetor de nove posições, no qualo primeiro byte indica o endereço do descritor. O segundo expõe o pressionamento deteclas como Shift, Ctrl, Alt ou WIN-GUI. Há um byte reservado, enquanto os restantespermitem enviar, ao mesmo tempo, até seis comandos de teclas.

A Tab. 4 representa o vetor de nove posições caracterizado pelo descritor de relatóriodo Quadro 9.

Tabela 4 – Vetor de relatório do teclado

Posição Endereço Teclas Especiais Reservado C1 C2 C3 C4 C5 C6Valor 0x01 0x00 - 0xFF 0x00 0x00 - 0x68


Os códigos de caracteres não são iguais a codificação ASCII e variam em função dopaís de origem do teclado. Assim, de forma a facilitar possíveis consultas, são listados oscódigos de caracteres utilizados na Tab. 5.

Tabela 5 – Mapa de caracteres utilizados - ABNT2

Caractere Valor Caractere Valor Caractere ValorA 0x04 T 0x17 TAB 0x2BB 0x05 U 0x18 ESPAÇO 0x2CC 0x06 V 0x19 = 0x2ED 0x07 W 0x1A ´ 0x2FE 0x08 X 0x1B Ç 0x33F 0x09 Y 0x1C ˜ 0x34G 0x0A Z 0x1D , 0x36H 0x0B 1 0x1E . 0x37I 0x0C 2 0x1F CAPS 0x39J 0x0D 3 0x20 / 0x54K 0x0E 4 0x21 * 0x55L 0x0F 5 0x22 - 0x56M 0x10 6 0x23 + 0x57N 0x11 7 0x24 ! SHIFT + 0x1EO 0x12 8 0x25 @ SHIFT + 0x1FP 0x13 9 0x26 ˆ SHIFT + 0x34Q 0x14 0 0x27 ? ALT + "63"R 0x15 ENTER 0x28S 0x16 DELETE 0x2A


Neste protótipo, o usuário escreve os caracteres da Tab. 5 individualmente, com ob-jetivo de formar palavras. Entretanto, através do sistema proposto, é possível enviarpalavras já formadas, as quais poderiam indicar necessidades básicas do paciente ou for-necer atalhos do PC.


3.7 Protótipo do Leito e Seu Modelo Elétrico

3.7.1 Estrutura

Visando reduzir custos, confeccionou-se a estrutura do protótipo com sobras de mate-riais e peças retiradas de equipamentos inutilizados.

Os conjuntos mecânicos mais importantes da cama são os parafusos de rosca sem fim,os quais estão acoplados ao eixo de cada motor.

Ao girar, o parafuso movimenta o par de engrenagens helicoidais existentes, que trans-mitem o giro, através de um eixo, para hastes responsáveis pela inclinação da estrutura.

Na outra engrenagem, um potenciômetro, utilizado para medição da variação angular,é encaixado.

O conjunto descrito é representado na Fig. 31, seu modelo foi desenvolvido no softwareSketchUp.

Figura 31 – Conjunto mecânico - Rosca sem fim


Este sistema mecânico permite a movimentação da estrutura apenas pelo giro dosmotores, ou seja, mantém posição fixa quando os mesmos estão desativados.

O restante da estrutura atua como suporte ao motor, eixos, colchão e circuitos. Oestrado é articulado e segmentado em três blocos, sendo um dedicado a região lombar ecervical (superior), e os outros, a porção das pernas (inferior).

A Fig. 32 exibe a estrutura completa do protótipo. Destaca-se a presença de umtrilho, que viabiliza o deslocamento da estrutura para os membros inferiores.

Na subida, hastes deslocam o estrado. Molas presas a estrutura auxiliam na descidado sistema.


Figura 32 – Estrutura completa do leito


O protótipo possui um painel de terminações, esboçado na Fig. 33, localizado em suaporção frontal.

Os conectores VCC (5 V) e GND alimentam os circuitos para o fim de curso e ospotenciômetros. M1+ e M1- são os terminais do motor da região superior que elevamou descem a estrutura, respectivamente. M2 representa o motor que desloca a seção dosmembros inferiores.

ADC1 e ADC2 são as saídas de tensão dos potenciômetros, que quantizam a posiçãoangular do sistema. FDC indica a saída dos circuitos de fim de curso, onde os doisprimeiros índices referem-se ao motor superior e os outros ao inferior.

Figura 33 – Esquema representativo - Porção frontal do protótipo

VCC GND + M2 - + M1 -

ADC1 ADC2 FDC1 FDC2 FDC3 FDC4



3.7.2 Acionamento dos Motores

Os motores DC AK360/2.2PF12R44SC, empregados na inclinação do leito, apresen-tam tensão nominal de 12 V e corrente, em máximo rendimento, de 160 mA cada6. Emfunção da redução mecânica presente, estes motores desempenham cerca de 33 rpm.

Assim, para acioná-los, optou-se pelo CI L293D. Este circuito integrado é composto porduas pontes H completas, as quais possibilitam controlar bidirecionalmente dois motoresDC de até 36 V, com 600 mA de corrente máxima cada.

Seu funcionamento lógico é apresentado na Tab. 6, sendo semelhante aos dois motores.

Tabela 6 – Tabela verdade do CI L293D para um motor

ENABLE ENTRADA SAÍDA ENTRADA SAÍDA MOTOR1 (1A) 1 (1Y) 2 (2A) 2 (2Y)H L L L L ParadoH L L H H Eleva estruturaH H H L L Desce estruturaH H H H H ParadoL X Z X Z Parado

Fonte: Próprio autor, baseado em informações do datasheet*Z = Alta impedância, H = Alto, L = Baixo, X = Não depende

Após verificação na protoboard, confeccionou-se o esquemático do circuito, visto naFig. 34.

Figura 34 – Esquemático da placa com CI L293D

0

000 0

0 0

0

0

0

0

U6

LM7805

U6

LM7805

IN1

GND

2

OUT

3

C4

0.22u

C4

0.22u

JUMPERJUMPER

P11

P22

S1 3

U9

TERMINAIS

U9

TERMINAIS

A1 1

A2 2

U1

CONECTOR

U1

CONECTOR

P1 1

P2 2

C1

0.47u

C1

0.47u

U4

L293D

U4

L293D

EN11

1A2

1Y3

GND14

GND25

2Y6

2A7

VCC28 EN2 9

3A 10

3Y 11

GND3 12

GND4 13

4Y 14

4A 15

VCC1 16

U2

CONECTOR

U2

CONECTOR

P1 1

P2 2

C2

0.22u

C2

0.22u

U3

CONECTOR

U3

CONECTOR

P11

P22

U8

TERMINAIS

U8

TERMINAIS

A11

A22

U5

LM7812

U5

LM7812

IN1

GND

2

OUT

3

C3

0.47u

C3

0.47u


6 410 mA na partida


Como observado na Fig 34, existem dois reguladores de tensão. O LM7812 alimentaos motores e o LM7805 energiza o bloco lógico do CI.

Um jumper seleciona a saída de tensão para os motores, a qual pode ser provenientedo regulador ou da fonte de alimentação.

A Fig. 35 mostra o layout da PCI e a Fig. 36 apresenta a placa montada para oacionamento dos motores. Após finalização, foi verificado seu correto funcionamento namovimentação da estrutura.

Figura 35 – Layout da PCI Figura 36 – Placa finalizada


3.7.3 Fim de Curso

A presença do fim de curso é importante para proteção da estrutura mecânica, no casode irregularidades no sistema de controle da inclinação.

Para execução desta tarefa, são conhecidos diversos processos, que podem ser mecâ-nicos7, eletromagnéticos8 ou ópticos.

Os sensores mecânicos, apesar da facilidade de trabalho, sofrem com desgastes daspeças móveis, o que não ocorre nos sensores ópticos, que também apresentam respostamais rápida de detecção. Desta forma, optou-se por fototransmissores e fotoreceptorescomo sensores de fim de curso.7 Micro-Switch8 Reed-Switch


Um LED infravermelho atua como fototransmissor, à sua frente, um fototransistorsatura na presença de luz. Como o emissor está conectado ao terra e o coletor a um circuitode pull-up, ao bloquear-se a passagem de luz, o sinal na entrada do microcontrolador seeleva, gerando uma interrupção externa.

O esquemático do fim de curso é apresentado na Fig. 37.

Figura 37 – Esquemático do fim de curso óptico

5V

0

5V

0 0 0

5V

LEDLED

1 122

BARRA PINOSBARRA PINOS

VCC1

GND2

OUT3

GND24

R1

1k

R1

1k

R2

10k

R2

10k

RECEPTORRECEPTOR

P1 1

P2 2

P3 3

R3

47k

R3

47k

EMISSOREMISSOR

P11

P22

R4

100k

R4

100k


Após a montagem do esquemático, desenvolveu-se o layout das placas, visualizado naFig. 38.

Figura 38 – Layout da PCI para fim de curso


O resultado final podem ser observado na Fig. 39.

Figura 39 – Placas finalizadas para o fim de curso



O LED presente no circuito atua como indicador de ação, já que mantém-se apagadono bloqueio de luz. O brilho, no entanto, é reduzido em razão dos valores de resistência,necessários para o correto funcionamento do receptor.

Ao todo, foram construídas quatro placas para detecção do fim de curso nos doismotores do leito. A disposição espacial das mesmas é apresentada na Fig. 40. Todasforam fixadas na base do leito por meio de parafusos.

O sistema óptico possui uma separação de um centímetro, o que permite a passagemde hastes fixadas na estrutura, as quais interrompem a passagem de luz e acionam ainterrupção.

Figura 40 – Visão superior do leito - Disposição dos FDCs

3.7.4 Controle de Inclinação

Para se obter inclinações no leito em posições específicas, fez-se necessário implementarum sistema para verificação e controle de medidas angulares9.

A ideia base foi a transformação da grandeza física ângulo em tensão elétrica. Destaforma, foram acoplados potenciômetros de 10 kΩ nas engrenagens dos dois eixos10 deinclinação existentes.

Estes potenciômetros são alimentados com tensões de 5 V, provenientes do microcon-trolador. Quando um eixo do leito entra em movimento, há uma variação de resistência9 Goniômetro10 Superior e inferior


e consequente modificação de tensão verificada no divisor resistivo, que foi ajustado parafornecer saídas de, no máximo, 3 V.

Assim, através dos conversores analógico-digitais presentes no microcontrolador, épossível verificar constantemente a posição atual dos eixos. O sinal resultante do divisorde tensão é conectado ao ADC, o qual realiza a leitura de tensão a cada período de tempopré-determinado.

Para a seção superior, foram definidos os ângulos de 0o, 30o, 45o e 60o. Já para osmembros inferiores, optou-se por permitir apenas dois estados, estrutura na horizontal ouinclinada.

Inicialmente, estes pontos foram registrados com auxílio de multímetro e transferidor.Com os dados coletados, montou-se a Tab. 7.

Tabela 7 – Leituras de tensão e respectivos valores estimados para o ADC

Motor Posição Tensão Lida [V] Valor estimado - ADC (12 bits)

Superior

0o 1,95 266230o 2,26 308545o 2,41 329060o 2,51 3426

Inferior Horizontal 2,81 3835Inclinado 1,60 2184


Esta tabela serviu de base para o desenvolvimento da lógica para o controle das incli-nações, a qual é representada no fluxograma da Fig. 41. Esta representação é genérica, otermo X indica o índice do motor, aqui convencionado como 1, superior, e 2, inferior.

Quando o sistema é ligado, as posições do leito são verificadas e registradas nas va-riáveis ANGULO_INICIAL1 e ANGULO_INICIAL2. Por padrão, estes valoresreferem-se a uma inclinação de 0o da porção superior e membros inferiores na posiçãohorizontal, respectivamente.

No momento que o usuário deseja inclinar o leito, uma das variáveis de inclinação éativada. Assim, sua sub-rotina é executada e o ângulo atual constantemente verificado.

A posição final é comparada a inicial para que o sistema defina se há um processo deelevação ou descida da estrutura. Desta forma, verifica-se quando a posição é igual oulevemente superior a desejada, na subida, ou inferior, no caso da descida.

O motor mantém-se em movimento até atingir o ponto desejado, parando ao che-gar. Além disso, a variável que ativa a sub-rotina é desativada e o ângulo de referênciaatualizado.

Com o programa de controle implementado, foi possível realizar um ajuste fino nomovimento e validar seu funcionamento.


Figura 41 – Fluxograma do sistema de controle dos motores

SUB-ROTINAInclinacao

INCLINAR MOTOR X =NAO

MOTOR X =

Sentido 1

FIM

ANGULO FINAL >

ANGULO INICIAL ?

MOTOR X =

Parar

ANGULO FINALANGULO INICIAL =

MOTOR X =

Sentido 2

ANGULO ATUAL X

ANGULO FINAL <

ANGULO INICIAL ?

INCLINAR MOTOR X ?

ANGULO FINAL >

ANGULO ATUAL ?

ANGULO FINAL <

ANGULO ATUAL ?

SIM

NAO

SIM SIM

NAO

NAO

NAO

NAO

SIM

SIM


64

4 Resultados

O kit de desenvolvimento, a placa de comunicação com o monitor, o circuito de aci-onamento dos motores e o sensor de pressão foram organizados dentro de uma caixa, aqual pode ser vista na Fig. 42.

Figura 42 – Visão parcial do sistema


A Fig. 42 mostra uma visão parcial do sistema, pois reúne, além do invólucro dainterface lógica, o painel frontal do leito, o módulo de relés e alguns dos dispositivoscontrolados pelo conjunto.

Quando a interface gráfica é iniciada, o usuário é apresentado à tela inicial, exibidana Fig. 43. Como pode ser observado, à esquerda localiza-se o menu principal e à direitao menu de opções ou a imagem indicativa do respectivo estado.

O botão azul aponta que o sistema está no item INCLINAÇÃO do menu principal, oqual fornece as opções para movimentação do leito.

Capítulo 4. Resultados 65

Figura 43 – Tela inicial da interface gráfica


Considerando a situação exposta na Fig. 43, quando dois sopros consecutivos sãoexecutados, o estado passa ao menu de opções oferecido pelo item INCLINAÇÃO. Estatransição é representada através da mudança de cor do botão principal para verde e peloaparecimento de um indicador azul no submenu (0o).

Supondo que o usuário queira inclinar os membros inferiores, este deve combinar so-pro e sucção ou sucção e sopro para deslocar o indicador à linha correspondente. Comum sopro ou sucção simples chega-se a opção inclinar, a qual é executada através doprocedimento de dois sopros consecutivos.

A tela verificada, após as ações descritas, é retratada na Fig. 44.

Figura 44 – Menu para inclinação do leito



A Fig. 45 exibe todas as configurações possíveis de inclinação do leito, realizáveisatravés da interface proposta.

Figura 45 – Inclinações possíveis do leito

(a) Estrado na horizontal (b) Membros inferiores inclinados

(c) Superior: 30o - Inferior: Horizontal (d) Superior: 30o - Inferior: Inclinado

(e) Superior: 45o - Inferior: Horizontal (f) Superior: 45o - Inferior: Inclinado

(g) Superior: 60o - Inferior: Horizontal (h) Superior: 60o - Inferior: Inclinado



Com duas sucções sucessivas, volta-se ao menu principal. Sopro ou sucção simplesdeslocam o indicador para baixo ou para cima, respectivamente.

Outra funcionalidade presente no sistema é o mouse virtual, exibido na Fig. 46, queviabiliza o pressionamento dos botões direito e esquerdo, a rolagem de tela e a movimen-tação do cursor.

Dois sopros iniciam ou encerram o deslocamento do cursor. As setas definem a direção,que pode ser modificada com o cursor em movimento.

Figura 46 – Menu principal - Mouse


A Fig. 47 apresenta o teclado desenvolvido, que permite a escrita de textos diretamenteno PC. Deste modo, o usuário pode estabelecer comunicação com o meio externo de formadireta ou através das redes sociais.

Figura 47 – Teclado virtual



Para facilitar o uso, todos os caracteres escritos são preenchidos em uma faixa azulno monitor. Esta região pode ser apagada pelo seu total preenchimento, bem como pelopressionamento da tecla enter (ENT ).

O acesso ao computador proporciona uma diversidade de oportunidades para o usuário.Através do uso conjunto de mouse e teclado, dentre outras coisas, é possível executarprogramas, escrever textos, fazer buscas, ver vídeos, acessar e-mails e redes sociais.

Além disso, por meio de qualquer aplicativo de espelhamento existente para smartpho-nes, há a possibilidade do usuário controlar seu celular. A Fig. 48 representa um exemplode uso, onde a saída de texto da Fig. 47 é exibida.

Figura 48 – Comunicação com rede social no celular, através do PC


As funcionalidades restantes estão relacionadas ao acionamento de relés, logo, pos-suem funcionamento semelhante. A execução de dois sopros seguidos alterna o estado dorespectivo dispositivo, ou seja, liga ou desliga o aparelho.

A Fig. 49 indica se a lâmpada está apagada ou acesa.

Figura 49 – Menu de iluminação

(a) Lâmpada apagada (b) Lâmpada acesa



A Fig. 50 mostra a indicação gráfica das ações para o massageador.

Figura 50 – Menu do massageador

(a) Massageador desligado (b) Massageador ligado


Já a Fig. 51 exibe a interface gráfica referente ao acionamento do ventilador.

Figura 51 – Menu do ventilador

(a) Ventilador desligado (b) Ventilador ligado


Por fim, a Fig. 52 apresenta a mudança de tela obtida em função da situação de ajuda.

Figura 52 – Menu de ajuda

(a) Ajuda desativada (b) Pedido de ajuda


70

5 Discussões e Conclusões

O desenvolvimento deste trabalho permitiu corroborar o uso dos sinais de pressão,sopro e sucção, para o controle de dispositivos e comunicação com o meio externo, bemcomo apresentou a interface produzida como alternativa relevante de tecnologia assistivaaos indivíduos com disfunções motoras graves.

O sistema, apesar de ter sido testado por um indivíduo saudável, foi projetado paraatender pessoas que possam apresentar capacidade pulmonar reduzida, em função do seuestado de saúde. Assim, a detecção de comandos possui boa sensibilidade de resposta, aqual ainda pode ser ajustada através da variação das referências nos circuitos compara-dores com histerese.

A influência de ruídos ou sinais involuntários, como a respiração, foi reduzida e poucoperceptível, em função da histerese configurada.

Os comandos baseados em sopro, sucção e na combinação de ambos procuraram serlógicos e intuitivos, visando a fácil compreensão pelo usuário.

Apesar de certos pesquisadores citarem a lentidão de resposta aos estímulos de pressãocomo principal deficiência deste sistema, a mesma não se apresentou crítica na interfacedesenvolvida, que buscou compensar esta característica pela simplificação da execução deoperações.

Cada comando é executado em período pouco superior a 1,5 s, assim, por exemplo, ousuário leva cerca de 3 s para acionar a iluminação do ambiente no início do sistema.

Ressalta-se, no entanto, que alguma sensação de ressecamento na garganta pode serregistrada após emprego prolongado e ininterrupto do sistema. Desta forma, recomenda-se certa parcimônia em seu uso, ou seja, o usuário deve manter sua respiração constantee realizar pausas, caso sinta qualquer fadiga.

A construção da interface gráfica em monitores reduz o custo de produção do sistema,já que o mesmo não necessita de nenhum dispositivo indicativo integrado. A representaçãográfica também facilita o entendimento e execução das diversas funções oferecidas pelosistema.

O mouse e teclado virtuais asseguram ao usuário uma experiência quase completapara o uso do computador. Viabilizam a execução de atividades rotineiras como escritade textos, abertura de programas, pesquisas, além de acesso a e-mails e redes sociais.

O acionamento de equipamentos elétricos por relés também reflete em um ganho deindependência por parte do paciente.

A construção do protótipo de um leito eletromecânico possibilitou validar o uso de po-tenciômetros como dispositivos de medição angular e, com isso, implementar um processopara o controle de inclinação.

Capítulo 5. Discussões e Conclusões 71

Este processo, por sua vez, foi totalmente baseado em lógica computacional, a qualfoi verificada e testada experimentalmente com bons resultados. Em função da rotaçãoreduzida dos motores e pela característica de primeiro protótipo, neste trabalho, não foidesenvolvida nenhuma técnica adicional para suavização da partida e parada.

Informa-se que foi solicitada a propriedade intelectual do sistema descrito, por in-termédio da Agência de Inovação Tecnológica da Universidade Estadual de Londrina(AINTEC/UEL).

Caso este projeto venha a se tornar um produto, vislumbra-se que o mesmo contribuasubstancialmente para a melhora da autoestima e independência de indivíduos com imobi-lidade acentuada. Também espera-se que o sistema auxilie no tratamento de complicaçõesmédicas, como as úlceras de pressão.

Salienta-se que a interface eletrônica desenvolvida, enquanto protótipo, apresentourelativo baixo custo, aproximadamente US$ 90 com impostos, não sendo computados,neste valor, os gastos para confecção do leito. Obviamente, os custos para desenvolvimentode um produto, em sua versão final, serão maiores, mas projeta-se que o bom custo-benefício seja mantido.

Como comparativo, dispositivos comerciais controlados por sopro e sucção podem serencontrados por até US$ 450, apenas para o acionamento de cargas. Já equipamentosmais complexos, com emulação do mouse, por exemplo, são vendidos entre US$ 1300 eUS$ 1600 pela EnableMart (2015).

Por fim, notabiliza-se que este trabalho envolveu diversas áreas de conhecimento docurso de engenharia elétrica, como a instrumentação eletrônica, programação de micro-controladores e concepção de circuitos eletrônicos. O mesmo também contribuiu para umaperfeiçoamento profissional no que se refere a gestão de projetos.

5.1 Trabalhos Futuros

Propõe-se, para trabalhos futuros, que a interface, atualmente composta pelo kit dedesenvolvimento e placas de circuito impresso separadas, seja integrada em uma únicaPCI e acoplada a uma estrutura de proteção, com intuito de melhorar esteticamente osistema.

Além disso, faz-se necessária a construção de um protótipo em escala real do leito. Ummodelo em tamanho real necessitaria de motores e estrutura mecânica capaz de assegurarelevado torque. Assim, outro circuito de acionamento e provavelmente um controle develocidade por PWM precisariam ser implementados.

Com a estrutura pronta, seria possível validá-la em pacientes. Viabilizando o estudoda influência de massageadores e da movimentação do leito para o tratamento de escaras.

Também sugere-se que, futuramente, o sistema analógico de vídeo, VGA, seja substi-tuído pelo padrão digital HDMI (High-Definition Multimedia Interface), principal formade conexão para monitores mais novos.

72

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