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Universidade de Aveiro
2018
Departamento de Engenharia Mecânica
Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática
António Luís Pinheiro Teixeira
Desenvolvimento de um simulador para articulação Temporomandibular
Universidade de Aveiro
2018
Departamento de Engenharia Mecânica
Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática
António Luís Pinheiro Teixeira
Desenvolvimento de um simulador para articulação Temporomandibular
Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos
requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia de
Automação Industrial, realizada sob a orientação científica do Doutor Jorge
Augusto Fernandes Ferreira, Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia
Mecânica da Universidade de Aveiro e sob a coorientação científica do Doutor
António Manuel de Amaral Monteiro Ramos, Professor Auxiliar do
Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro.
Apoio financeiro dos projetos UID/SEM/00481/2013-FCT e CENTRO-01-0145-FEDER-022083.
o júri
presidente Prof. Doutor Telmo Reis Cunha
professor auxiliar da Universidade de Aveiro
arguente Prof. Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos
professor associado com agregação da Universidade de Trás-Os-Montes e Alto
Douro
orientador Prof. Doutor Jorge Augusto Fernandes Ferreira
professor auxiliar da Universidade de Aveiro
agradecimentos
Ao meu orientador e coorientador, pela paciência e auxílio prestado no decorrer
da realização deste trabalho.
Aos meus pais, irmãos e amigos, por acreditarem e apoiarem em todas as
minhas decisões e desafios que ocorreram durante a realização desta
dissertação.
Aos meus colegas de mestrado Pedro Morais e Armindo Silva, pela ajuda
prestada durante a dissertação.
Ao Engenheiro Rui Heitor, pela ajuda prestada durante a dissertação.
Ao Engenheiro António Festas, pela disponibilidade na maquinação das peças
do simulador.
palavras-chave
Articulação Temporomandibular; Mandíbula; Simulador; Monitorização e
Controlo.
resumo
A articulação temporomandibular é uma das articulações mais complexas do
corpo humano e a que mais solicitações tem diariamente. Tendo isto em mente,
esta dissertação tem como objetivo a atualização de um simulador para a
articulação temporomandibular.
Neste trabalho foi projetado e desenvolvido um mecanismo posicionador
composto por três motores de passo, que estão cada um deles unidos a um fuso
de esferas, e que permite realizar ensaios da simulação 3D nos eixos x, y e z do
movimento da mandíbula durante a mastigação. Este mecanismo tem acoplado
na sua estrutura uma célula de carga, que permite medir as forças e momentos
aplicados nos movimentos da mandíbula nos 3 eixos de posição.
Para comando e monitorização do posicionador foram desenvolvidas: i) a
cinemática direta e inversa do mecanismo posicionador e ii) uma aplicação de
monitorização e controlo no software LabVIEW. A aplicação de monitorização
pretende representar os valores das forças e momentos medidos pela célula de
carga. A aplicação de controlo permite atuar os motores de passo para cumprir
a trajetória 3D desejada.
Para validação do hardware e software desenvolvidos foram realizados vários
ensaios ao simulador da articulação temporomandibular.
Keywords
Temporomandibular Joint; Jaw; Labview; Matlab; Simulator; Monitoring and
Control.
abstract
The temporomandibular joint is one of the most complex of the human body
and the one that is most required on a daily basis. With this in mind, the goal of
this dissertation is the update of a temporomandibular joint simulator.
During this assignment, a position mechanism composed by three stepper
motors, each connected to ball screws, was projected and developed, allowing
3D simulation tests on the x, y and z axes of the movement of the
temporomandibular joint when chewing. This mechanism has a load cell
attached to its structure that allows the measurement of force and momentum
applied in the movements of the jaw in the 3 axes of position.
In order to track and operate the positioner, there was the development of: i)
direct and reverse cinematic of the position mechanism and ii) a tracking and
control application in the LabVIEW software. The tracking application seeks to
express the values of the force and momentum measured by the load cell, while
the control application allows the control of the stepper motors so that they
maintain the wanted 3D trajectory.
Several tests were performed on the temporomandibular joint simulator in order
to validate the use of the hardware and software developed.
i
Índice Introdução .......................................................................................................................................... 1
1.1 Enquadramento.................................................................................................................. 1
1.2 Objetivos ............................................................................................................................ 2
1.3 Estrutura da Dissertação .................................................................................................... 2
Revisão do Estado da Arte .................................................................................................................. 3
2.1 Importância da Articulação Temporomandibular .............................................................. 3
2.2 Simuladores existentes ...................................................................................................... 4
2.2.1 Simulador BITE MASTER II .......................................................................................... 5
2.2.2 Simulador Bristol Dento-Munch ................................................................................. 5
2.2.3 Simulador de movimentação da mandíbula humana ................................................ 7
2.2.4 Simulador Antropomórfico de 6DOF .......................................................................... 7
2.2.5 Simulador de mastigação ........................................................................................... 9
2.2.6 Simulador da Universidade de Aveiro ...................................................................... 15
2.3 Análise aos simuladores ................................................................................................... 16
Componentes do Simulador ............................................................................................................. 19
3.1 Controlador ...................................................................................................................... 19
3.2 Músculos pneumáticos .................................................................................................... 19
3.3 Válvulas reguladoras de pressão ...................................................................................... 20
3.4 Conversores Tensão-Corrente .......................................................................................... 21
3.5 Módulo de saída analógico .............................................................................................. 21
3.6 Módulos de Aquisição de dados ...................................................................................... 22
3.7 Células de carga ................................................................................................................ 22
3.8 Plataforma Mecânica ....................................................................................................... 23
3.9 Estado do Simulador ........................................................................................................ 24
Posicionador de 3 eixos .................................................................................................................... 25
4.1 Especificações................................................................................................................... 25
4.2 Atualização do Hardware ................................................................................................. 31
4.2.1 Motores de passo ..................................................................................................... 31
4.2.2 Driver ........................................................................................................................ 31
4.2.3 Módulo de Saída digital ............................................................................................ 32
4.2.4 Ligações de acionamento dos motores de passo ..................................................... 33
4.2.5 Módulo de aquisição de dados ................................................................................ 34
ii
4.2.6 Célula de carga KYOWA ............................................................................................ 35
4.2.7 Alimentação da célula de carga ............................................................................... 35
4.3 Montagem do Posicionador ............................................................................................. 37
4.4 Estado do Simulador ........................................................................................................ 41
Aplicações de Operação e Monitorização ........................................................................................ 43
5.1 Arquitetura do Software .................................................................................................. 43
5.2 Programação em MATLAB ............................................................................................... 44
5.2.1 Cinemática do Posicionador ..................................................................................... 44
5.2.2 Resultados da cinemática do posicionador .............................................................. 49
5.2.3 Leitura de dados da célula de carga KYOWA ........................................................... 50
5.3 Programação LabVIEW ..................................................................................................... 50
5.3.1 Ficheiros de configuração das trajetórias ................................................................ 51
5.3.2 Programação dos Sub-VIs ......................................................................................... 52
5.3.3 Monitorização da célula de carga ............................................................................ 53
5.3.4 Escrita de dados adquiridos pela célula de carga .................................................... 55
5.3.5 Resultado da calibração da célula de carga ............................................................. 56
5.3.6 Atuação dos motores de passo ................................................................................ 57
Ensaio Experimental ......................................................................................................................... 59
Conclusões e trabalhos futuros ........................................................................................................ 63
7.1 Conclusões........................................................................................................................ 63
7.2 Trabalhos futuros ............................................................................................................. 63
iii
Lista de Figuras FIGURA 1- MÚSCULOS QUE CONTROLAM A ATM [2].......................................................................... 3 FIGURA 2- SIMULADOR BITE MASTER II [3] ........................................................................................... 5 FIGURA 3- ATUADORES DO SIMULADOR BRISTOL DENTO-MUNCH [4] .......................................... 6 FIGURA 4- SIMULADOR BRISTOL DENTO-MUNCH [4] ......................................................................... 6 FIGURA 5- SIMULADOR DE MOVIMENTAÇÃO DA MANDÍBULA HUMANA [5] .............................. 7 FIGURA 6-SIMULADOR ANTROPOMÓRFICO PRIMEIRO MODELO (A) LAYOUT DO SIMULADOR
(B) EFEITO FINAL E CONJUNTO DE ENGRENAGENS TELESCOPIAS. [6] ................................... 8 FIGURA 7- SIMULADOR ANTROPOMÓRFICO SEGUNDO MODELO (A) LAYOUT DO
SIMULADOR (B) MECANISMO DE AMPLIFICAÇÃO DO BINÁRIO. [6] ........................................ 9 FIGURA 8- MOVIMENTOS DA MANDÍBULA DURANTE A MASTIGAÇÃO [7] ................................. 10 FIGURA 9- MOVIMENTO MANDIBULAR (A) MOVIMENTO DE ROTAÇÃO DA MANDÍBULA (B)
MOVIMENTO DE TRANSLAÇÃO DA MANDÍBULA [8] ................................................................. 11 FIGURA 10- ROBÔ DE MASTIGAÇÃO (A) ESTRUTURA FINAL DO ROBÔ DE MASTIGAÇÃO (B)
ESTRUTURA DOS ATUADORES DO ROBÔ [7] ............................................................................... 12 FIGURA 11- SIMULADOR MCG JT -3D DO BIORESEARCH COMPANHIA TM [8] ............................ 12 FIGURA 12- MEDIÇÃO DOS MOVIMENTOS DA MANDÍBULA DO ADULTO 1[8] ............................ 13 FIGURA 13- MEDIÇÃO DOS MOVIMENTOS DA MANDÍBULA DO ADULTO 2 [8] ........................... 13 FIGURA 14- MEDIÇÃO DOS MOVIMENTOS DA MANDÍBULA DO ADULTO 3 [8] ........................... 13 FIGURA 15- AS TRAJETÓRIAS DO PONTO INCISIVO INFERIOR [8] .................................................. 14 FIGURA 16- DIAGRAMA DE SOFTWARE DO SIMULADOR [1] ........................................................... 15 FIGURA 17- APARELHO DE TESTE [2] ..................................................................................................... 16 FIGURA 18- CHASSI COMPACTRIO 9074 [9] ........................................................................................... 19 FIGURA 19- MÚSCULOS PNEUMÁTICOS ................................................................................................ 19 FIGURA 20- VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃO PROPORCIONAIS [11] .............................. 20 FIGURA 21- CONVERSORES TENSÃO-CORRENTE [12]........................................................................ 21 FIGURA 22- MÓDULO DE SAÍDA ANALÓGICO NI 9264 [13] ................................................................ 21 FIGURA 23- MÓDULOS DE AQUISIÇÃO DE DADOS NI 9237 ............................................................... 22 FIGURA 24- CÉLULA DE CARGA HBM U9B [14] .................................................................................... 22 FIGURA 25- PLATAFORMA MECÂNICA [1] ............................................................................................ 23 FIGURA 26- DISTRIBUIÇÃO DOS MÚSCULOS [1] .................................................................................. 24 FIGURA 27- SIMULADOR DA UNIVERSIDADE DE AVEIRO ................................................................ 24 FIGURA 28- LAYOUT DOS MOTORES DE PASSO .................................................................................. 25 FIGURA 29- FUSO DE ESFERAS ................................................................................................................ 26 FIGURA 30- CREMALHEIRA ...................................................................................................................... 27 FIGURA 31- CORREIA COM RODAS DENTADAS .................................................................................. 27 FIGURA 32- POSICIONADOR 3 EIXOS...................................................................................................... 29 FIGURA 33- SIMULADOR DA UNIVERSIDADE DE AVEIRO COM POSICIONADOR ....................... 30 FIGURA 34- MOTORES DE PASSO ............................................................................................................ 31 FIGURA 35- DRIVER UTILIZADO NO HARDWARE ............................................................................... 32 FIGURA 36- MÓDULOS DE SAÍDA DIGITAL NI 9472 [16] ..................................................................... 32 FIGURA 37- LIGAÇÕES ENTRE A CARTA NI-9472, O DRIVER E RESPETIVO MOTOR [15] ........... 33 FIGURA 38- MÓDULO DE AQUISIÇÃO DE DADOS NI 9201[17]........................................................... 34 FIGURA 39- CÉLULA DE CARGA KYOWA [18] ...................................................................................... 35 FIGURA 40- CIRCUITO ELETRÓNICO DO REGULADOR LM317HV [1] .............................................. 36 FIGURA 41-CIRCUITO ELETRÓNICO DO REGULADOR 7805 [19] ...................................................... 36 FIGURA 42- FONTE DE ALIMENTAÇÃO EXTERNA .............................................................................. 37 FIGURA 43- SUPORTE COM O FUSO DE ESFERAS MONTADO........................................................... 37 FIGURA 44- MONTAGEM DOS EIXOS DO SIMULADOR (A) MONTAGEM DO EIXO X (B)
MONTAGEM DO EIXO Y (C) MONTAGEM DO EIXO Z ................................................................. 39 FIGURA 45- MONTAGEM DA CÉLULA DE CARGA E RESPETIVOS SUPORTES .............................. 40 FIGURA 46- COLAGEM DA ARTICULAÇÃO ESFÉRICA COM O ENCAIXE NA MANDÍBULA ....... 40 FIGURA 47- MONTAGEM DO POSICIONADOR COMPLETA ................................................................ 41
iv
FIGURA 48- SIMULADOR ATUALIZADO DA UNIVERSIDADE DE AVEIRO ..................................... 42 FIGURA 49- DIAGRAMA DE SOFTWARE ................................................................................................ 44 FIGURA 50- REGRAS DO ALGORITMO DE DENAVIT-HARTENBERG PARA UM MANIPULADOR
COM N JUNTAS [20]............................................................................................................................. 45 FIGURA 51- POSICIONADOR COM OS ELOS DAS JUNTAS PRISMÁTICAS IDENTIFICADOS ....... 46 FIGURA 52- MATRIZ DE TRANSFORMAÇÃO GEOMÉTRICA ASSOCIADA A UM ELO I [20] ........ 47 FIGURA 53- PROGRAMAÇÃO DA FUNÇÃO MULTI_INVKINRR.M .................................................... 47 FIGURA 54- PROGRAMAÇÃO DA FUNÇÃO POLYTRAJV.M ................................................................ 48 FIGURA 55- PROGRAMAÇÃO DA FUNÇÃO MULTIPOLYTRAJV.M ................................................... 48 FIGURA 56- RESULTADO DAS CINEMÁTICAS EM MATLAB ............................................................. 49 FIGURA 57- LEITURA DE FICHEIRO DE DADOS GERADOS PELO LABVIEW [1] ............................ 50 FIGURA 58- CRIAÇÃO DE PROJETO EM LABVIEW .............................................................................. 51 FIGURA 59- LAYOUT DO VI 'LER_CONFIGX' ......................................................................................... 52 FIGURA 60- LAYOUT DO SUB-VI ‘VARIÁVEISX’ .................................................................................. 53 FIGURA 61- EXCEL FORNECIDO PELO FABRICANTE DA CÉLULA .................................................. 54 FIGURA 62- PROGRAMAÇÃO DO FILTRO PASSA BAIXO ................................................................... 54 FIGURA 63- LAYOUT DO VI 'MONITORIZACAO_FORCAS' ................................................................. 55 FIGURA 64- PROGRAMAÇÃO DA GRAVAÇÃO DE DADOS ADQUIRIDOS PELA CÉLULA DE
CARGA ................................................................................................................................................... 55 FIGURA 65- CONFIGURAÇÃO DO BLOCO DE ESCRITA DOS DADOS ADQUIRIDOS PELA
CÉLULA DE CARGA ............................................................................................................................ 56 FIGURA 66- MEDIÇÃO DOS PESOS (A) MEDIÇÃO DO PESO 27N (B) MEDIÇÃO DO PESO 4N (C)
MEDIÇÃO DO PESO 3N ....................................................................................................................... 56 FIGURA 67- ENSAIO DA CALIBRAÇÃO DA CÉLULA DE CARGA ...................................................... 57 FIGURA 68- RESULTADOS DA CALIBRAÇÃO DA CÉLULA DE CARGA ........................................... 57 FIGURA 69-PROPRIEDADES DA SEGUNDA CARTA NI-9472 ............................................................... 58 FIGURA 70- LAYOUT DO VI 'CONTROLO_MOTORES'.......................................................................... 58 FIGURA 71- MEDIÇÃO DAS FORÇAS DO EIXO X DURANTE A MASTIGAÇÃO............................... 59 FIGURA 72- MEDIÇÃO DAS FORÇAS DO EIXO Y DURANTE A MASTIGAÇÃO............................... 60 FIGURA 73-MEDIÇÃO DAS FORÇAS DO EIXO Z DURANTE A MASTIGAÇÃO ................................ 60 FIGURA 74- MEDIÇÃO DOS MOMENTOS DO EIXO X DURANTE A MASTIGAÇÃO ....................... 61 FIGURA 75-MEDIÇÃO DOS MOMENTOS DO EIXO Y DURANTE A MASTIGAÇÃO ........................ 61 FIGURA 76- MEDIÇÃO DOS MOMENTOS DO EIXO Z DURANTE A MASTIGAÇÃO ........................ 62
v
Lista de Tabelas TABELA 1-CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO SIMULADOR BRISTOL DENTO-MUNCH [4] ....... 6 TABELA 2- MEDIÇÃO DOS MOVIMENTOS DA MANDÍBULA DOS 10 ADULTOS [8]...................... 14 TABELA 3- CARACTERÍSTICAS DOS TIPOS DE ATUAÇÃO ................................................................ 16 TABELA 4- COMPARAÇÃO DOS SIMULADORES .................................................................................. 17 TABELA 5- CARACTERÍSTICAS DOS MÚSCULOS [10]......................................................................... 20 TABELA 6- CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESSÃO
PROPORCIONAIS [11] .......................................................................................................................... 20 TABELA 7- CARACTERÍSTICAS DOS CONVERSORES TENSÃO-CORRENTE [12] ........................... 21 TABELA 8- CARACTERÍSTICAS DO MÓDULO DE SAÍDA ANALÓGICO NI 9264 [13] ..................... 22 TABELA 9- CARACTERÍSTICAS DOS MÓDULOS DE AQUISIÇÃO DE DADOS NI 9237 .................. 22 TABELA 10- CARACTERÍSTICAS DA CÉLULA DE CARGA HBM U9B [14] ....................................... 23 TABELA 11- LEGENDA DO POSICIONADOR DE 3 EIXOS .................................................................... 30 TABELA 12- CARACTERÍSTICAS DOS MOTORES DE PASSO ............................................................. 31 TABELA 13- CARACTERÍSTICAS DO DRIVER [15] ................................................................................ 32 TABELA 14- CARACTERÍSTICAS DO MÓDULO NI 9472 [16] ............................................................... 33 TABELA 15- PPR DISPONÍVEIS NESTE DRIVER [15] ............................................................................. 34 TABELA 16- AS CORRENTES DE SAÍDA DISPONÍVEIS NESTE DRIVER [15] ................................... 34 TABELA 17- CARACTERÍSTICAS DO MÓDULO NI 9201[17] ................................................................ 35 TABELA 18- CARACTERÍSTICA DA CÉLULA DE CARGA KYOWA [18] ............................................ 35 TABELA 19- VALORES DE DENAVIT-HARTENBERG ........................................................................... 46
vi
vii
Nomenclatura e Notações
ATM Articulação Temporomandibular
MATLAB MATrix LABoratory
LabVIEW Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench
VI Virtual Instruments
NI National Instruments
GUI Graphical User Interface
DOF Degree of Freedom
RPM Rotação Por Minuto
PPS Pulsos Por Segundo
PPR Pulsos Por Rotação
IO Input/output
PWM Pulse-Width Modulation
viii
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 Enquadramento Esta dissertação consiste numa atualização ao simulador da articulação temporomandibular
(ATM) presente no laboratório de biomecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade de Aveiro.
O simulador da Universidade de Aveiro inicialmente foi desenvolvido para simular as ações
musculares da ATM para simular essas ações foram utilizados 10 músculos pneumáticos. Como
está descrito nas dissertações do Hugo Azevedo (2016)[1] e Tiago Rodrigues (2017)[2] existiu um
estudo da distribuição dos músculos pneumáticos na ATM.
Para controlar as forças aplicadas pelos músculos pneumáticos foram inseridos neste
simulador 10 células de carga, em que cada célula está aplicada a cada músculo pneumático. Como
a atuação do simulador é pneumática, foi necessário projetar e construir um esquema
electropneumático. Este esquema é constituído por:
• 1 válvula de corte;
• 1 válvula reguladora de pressão;
• 10 válvulas reguladoras de pressão proporcionais com a tensão de entrada.
Para controlar o software do simulador é utilizado um compactRIO (cRIO-9074), este
controlador é um chassis da National Instruments e pode ser programado pelo software LabVIEW.
Neste chassi foram utilizados 3 slots para as cartas de aquisição de dados (NI 9237) das células de
carga, e um slot para a carta de saída analógica (NI 9264), para definir o valor de pressão à saída
das 10 válvulas reguladoras de pressão proporcionais.
Na dissertação do Hugo Azevedo (2016)[1] foram criadas aplicações em MATLAB e
LabVIEW que permitem simular as ações musculares da ATM no simulador. As aplicações
desenvolvidas recorrendo ao MATLAB são as responsáveis pela correta configuração dos ensaios a
realizar. As aplicações desenvolvidas em LabVIEW são responsáveis pela operação e
monitorização do simulador. Nestas aplicações são também implementados os controladores de
força para os diversos músculos.
2
1.2 Objetivos O objetivo principal do projeto tem por base a atualização do simulador da ATM presente na
Universidade de Aveiro. Esta atualização ao simulador apresenta um mecanismo posicionador que
simula o posicionamento da mandíbula durante o ciclo de mastigação. O posicionador é utilizado
para melhorar a precisão nos movimentos da mandíbula.
As tarefas necessárias para alcançar estes objetivos são:
• Desenvolvimento de um mecanismo posicionador de 3 eixos;
• Integração de uma célula de carga com 6 ligações para medição, que monitoriza as
forças e momentos aplicados aos movimentos da mandíbula;
• Desenvolvimento de uma interface para medição de extensometria e para aplicação de
controlo em posição com 3 eixos.
1.3 Estrutura da Dissertação A presente dissertação está dividida em sete capítulos. No capítulo 1 é descrito o
enquadramento, objetivos e estrutura da dissertação.
No capítulo 2 é apresentada uma revisão do estado da arte e da tecnologia referente a
simuladores da ATM.
No capítulo 3 é descrito o simulador existente no Laboratório de Biomecânica que serviu
como base a esta dissertação. Este capítulo inclui ainda a apresentação do sistema
electropneumático, da plataforma mecânica e da plataforma de hardware.
No capítulo 4 é descrito o projeto da estrutura do mecanismo posicionador de 3 eixos de
posição. Esta estrutura foi conhecida recorrendo ao software SolidEdge.
No capítulo 5 é descrito o desenvolvimento das aplicações para a operação, controlo e
monitorização do simulador. Estas aplicações foram desenvolvidas recorrendo às plataformas de
software MATLAB e LabVIEW.
No capítulo 6 são realizados ensaios experimentais que visam a validação do sistema de
controlo e das aplicações desenvolvidas.
Por último, no capítulo 7 são apresentadas as conclusões e trabalhos futuros.
3
Capítulo 2
Revisão do Estado da Arte
2.1 Importância da Articulação Temporomandibular A articulação temporomandibular está presente entre a mandíbula e o osso temporal,
tradicionalmente conhecida pela ATM. Esta articulação é considerada uma das mais complexas do
organismo humano devido à combinação de movimentos de translação e rotação, sendo a grande
responsável pelos movimentos exercidos ao falar, bocejar e principalmente pelos movimentos
envolvidos na mastigação.
A ATM é uma articulação que se move livremente e é caracterizada por ter as superfícies
ósseas cobertas por cartilagem articular e uma cápsula articular, sendo que possui também um
disco intra-articular constituído de fibrocartilagem que subdivide a articulação em dois
compartimentos, superior e inferior.
Os principais músculos que controlam a ATM são:
• Masséter
• Temporal
• Pterigóideo medial
• Pterigóideo lateral
A figura 1 representa os músculos que controlam a ATM.
Figura 1- Músculos que controlam a ATM [2]
4
Este conjunto de músculos são muitas vezes referidos como os músculos da mastigação, sendo
os principais atuadores nos quatro movimentos envolvidos na mastigação. A elevação é
considerada o movimento de fecho da boca, enquanto que a depressão da mandíbula é a abertura,
onde o pterigóideo lateral é o principal músculo responsável por esta ação. A protrusão é a
translação anterior da mandíbula causada pela contração simultânea do pterigóideo lateral e medial,
enquanto que a retração corresponde à translação posterior da mandíbula devido à contração das
fibras horizontais do músculo temporal.
O conjunto de patologias associadas a ATM designam-se de disfunções temporomandibulares
estima-se que aproximadamente um terço da população mundial apresente algum sintoma destas
disfunções, caraterizada principalmente por dor facial ou craniana, dificuldade de movimentação
mandibular e sons articulares. A incidência das disfunções temporomandibulares varia de acordo
com diferentes estudos, mas calcula-se que a sua prevalência na população mundial ronde os 5 a
25% [1].
Grande parte das patologias associadas à ATM pode ser tratada por tratamentos conservativos,
como repouso ou com recurso a medicamentos. No entanto em casos mais complexos será
necessária a intervenção cirúrgica. Técnicas cirúrgicas minimamente evasivas como a artrocentese
e a artroscopia são atualmente cada vez mais aplicadas em situações mais precoces, estando
associadas a técnicas de reabilitação funcional contribuindo para uma melhoria dos resultados
terapêuticos. Todas estas técnicas apresentam uma taxa de sucesso global acima dos 80% [2].
Outro tratamento utilizado nas disfunções temporomandibulares é a artroplastia, tem como
objetivo a restruturação da anatomia e função da ATM. É a abordagem cirúrgica de excelência para
a remodelação e reparação das estruturas articulares. É muitas vezes aplicada como último recurso
quando métodos de tratamento mais conservadores falham, apresentando uma taxa de sucesso de
99%. Existem patologias associadas à ATM onde a taxa de incidência deste tratamento é acima de
15% [2].
Para aplicar os tratamentos é importante saber as forças aplicadas na ATM. A medição direta
das forças é de dificuldade elevada devido às técnicas demasiado invasivas necessárias para a sua
obtenção. Para estimar as forças no ser humano recorre-se principalmente à análise de modelos
gerados computacionalmente. Este facto leva a existência de vários estudos de simuladores que
pretendem simular o movimento real da ATM.
2.2 Simuladores existentes Existem vários simuladores que foram criados com o mesmo objetivo desta dissertação. Neste
subcapítulo vão ser representado alguns simuladores existentes.
5
2.2.1 Simulador BITE MASTER II O objetivo deste simulador, figura 2, é simular a mordida humana e reproduzir testes
preliminares com vários queijos. O BITE Master II é composto por um suporte XYZ. Cada um dos
movimentos do suporte é controlado por um motor de passo, cujas ações são controladas pelos
comandos do software BITE Master II. Neste simulador existe também uma dentadura humana e
quatro células de carga capazes de medir as cargas verticais e laterais.
As dentaduras são usadas por causa da geometria dos dentes, que serve para explicar a
variação na perceção da dureza em vários queijos. Os suportes XYZ estão conectados à dentadura
através de um poste de metal e uma junta esférica, tornando assim o simulador com seis graus de
liberdade possíveis na reprodução do movimento da mandíbula humana [3].
Figura 2- Simulador BITE Master II [3]
Sete indivíduos treinados em análise descritiva e empregados pela Universidade de Arkansas
do Departamento de Ciência dos Alimentos, participaram neste estudo. O limite superior da força
medida pelo BITE Master II é aproximadamente 125 N. Foram selecionados queijos que não
ultrapassassem o limite de força do simulador, mantendo um gradiente de dureza substancial entre
os produtos [3].
Os indivíduos participaram individualmente numa sessão de 1,5h. Os primeiros minutos foram
usadas para medições do movimento da mandíbula, enquanto os restantes foram utilizados para
avaliação da textura das amostras de queijo.
2.2.2 Simulador Bristol Dento-Munch O simulador tem como objetivo simular o desgaste dos materiais em componentes dentários,
tais como os dentes individuais, coroas ou um conjunto completo de dentes. Este simulador é
baseado na plataforma de Stewart. O simulador de Bristol foi desenvolvido para replicar padrões de
mastigação humanos precisos em 6 DOF.
6
A base (placa inferior) do simulador, figura 3, é fixa. A plataforma (placa superior) do
simulador é móvel em 6-DOF, variando o comprimento de um ou mais dos atuadores. Para
controlar o movimento da mastigação com a plataforma de Stewart, a mandíbula inferior é ligada à
sua placa superior [4].
Figura 3- Atuadores do simulador Bristol Dento-Munch [4]
Os suportes são movidos por seis atuadores elétricos. As características principais do
simulador estão apresentadas na tabela 1.
Tabela 1-Características principais do simulador Bristol Dento-Munch [4]
Características Dimensões
Cinemáticas paralelas 6 DOF
Comprimentos dos atuadores (mm) 100
Força máxima dos atuadores (N) 1000
Altura do simulador (mm) 370
Na mastigação é necessária uma combinação de forças e controlo de posição. A montagem
completa de todos os componentes, figura 4, é composto por três módulos básicos:
• Um modelo da mandíbula, que incluí transdutores de força, dentes artificiais
anteriores/posteriores e raízes com material vitrocerâmica;
• Um módulo de conformidade;
• Uma placa adaptadora para montar o equipamento do simulador.
Figura 4- Simulador Bristol Dento-Munch [4]
7
2.2.3 Simulador de movimentação da mandíbula humana Este simulador tem como objetivo a simulação de uma mandíbula realista, sendo aplicado no
estudo das propriedades mecânicas do maxilar, cargas dinâmicas, limites comuns e degeneração
articular. Este conhecimento pode levar à capacidade de testar melhores próteses da mandíbula ou
até mesmo para a eventual compreensão e tratamento de doenças na ATM.
O projeto detalhado consiste no movimento do fecho da mandíbula que é simulado por três
músculos de cada lado do crânio. Apenas três motores são usados para controlar o sistema. Cada
motor controla o seu músculo específico em ambos os lados do crânio. Existem níveis muito baixos
de força, por conseguinte, o simulador foi construído com material de baixa densidade. O desenho
é uma armação que mantém os motores, polias e crânio como pode ser visto na figura 5. Usando
um sistema de roldanas consegue-se ligar os motores ao crânio para criar movimento.
Neste simulador pretende-se aumentar os níveis de binário dos motores. Em vez de comprar
motores capazes de produzir os mesmos níveis de força da mandíbula humana, isto é, para reduzir
o investimento, o peso e o tamanho físico da estrutura que suporta o motor, utilizou-se uma polia
de acionamento ligada ao motor. A polia controla uma roldana redutora que impulsiona um eixo
com cada grupo muscular, permitindo um controle simultâneo de ambos os lados da mandíbula.
Cada um dos lados do crânio tem três pontos de fixação, um para cada músculo. Cada ponto
simula os ângulos corretos para os músculos masséter, temporal e pterigóideo [5].
Figura 5- Simulador de movimentação da mandíbula humana [5]
2.2.4 Simulador Antropomórfico de 6DOF Este simulador pode ser utilizado em áreas de odontologia, terapia da fala e no estudo do
efeito das expressões faciais na comunicação. O simulador proposto consiste em três partes
principais:
• Dois manipuladores paralelos autónomos;
8
• Uma prótese da mandíbula;
• Duas juntas articuladas.
Este simulador é capaz de produzir 2-DOF de movimento retangular ao longo da coordenada
vertical e horizontal. Suas articulações, por outro lado, são capazes de reproduzir 4-DOF e pode
mover-se e orientar-se livremente no espaço 3D. Os eixos de movimento e revolução nas
articulações e nos manipuladores são ortogonais e concorrentes.
Como pode ser visto nas figuras 6 (a) e 7 (a), a arquitetura do simulador pode ser
implementada de maneiras diferentes. O modelo na figura 7 é mais forte e mais preciso. O primeiro
é projetado para se adequar ao estudo do efeito das expressões faciais na comunicação, enquanto o
último foi desenvolvido para terapia da fala.
O modelo para estudar o efeito das expressões faciais na comunicação é constituído por mesas
XY feitas de alumínio, com duas guias lineares de aço inoxidável. Os slides deslizam pelas guias
lineares e são acionados por quatro motores (Maxon DC) com engrenagens. O binário dos motores
é transmitido para os slides, com o auxílio a polias e correias. Para evitar que os motores verticais
movam o peso de outros motores, os controles deslizantes horizontais são equipados com um
conjunto de engrenagens telescópicas, figura 6 (b).
Para mover a mandíbula lateralmente, a base do guia de centralização é montada num slide de
rolo transversal motorizado que permite 6,35 mm de movimento em ambas as direções, isto é mais
de seis vezes o limite humano.
Finalmente, para registrar o deslocamento da ATM, usaram-se codificadores incrementais nos
motores de acionamento e nas juntas do simulador (seis no total). Para gravar a posição inicial da
ATM. Cada DOF é equipado com um interruptor de contato calibrado.
Figura 6-Simulador Antropomórfico primeiro modelo (a) Layout do simulador (b) Efeito final e conjunto de engrenagens
telescopias. [6]
O modelo para ajudar na terapia da fala é constituído por mesas XY, com fusos de esferas
acoplados aos motores. A fim de obter movimento rotativo e transmitir binário para as articulações
9
organizou-se parte do mecanismo na configuração de aperto do torno, como é mostrado na figura 7
(b).
Neste modelo foram utilizados seis motores (Maxon DC) de 11W. Cada um gira um fuso de
esferas, enquanto as porcas convertem o movimento rotativo em movimento linear. O binário dos
motores é transferido para os fusos de esferas por meio de pares de engrenagens retas. Alimentado
com 15V o simulador pode mover a prótese em qualquer direção a velocidades máximas de 236
mm / s.
Usaram-se juntas universais de folga zero e fusos de esferas telescópicas, bem como
rolamentos e eixos de precisão para a guia de centralização e da articulação axial. Além disso,
montou-se em cada DOF lâminas de rolos cruzados de alta precisão. A mandíbula pode abrir sem
restrição 32º. Pode-se mover 25,4 mm na vertical e na horizontal e 6,35 mm lateralmente [6].
Para registrar a posição da ATM, este modelo usa o mesmo tipo de codificadores óticos que o
modelo da figura 6.
Figura 7- Simulador Antropomórfico segundo modelo (a) Layout do simulador (b) Mecanismo de amplificação do
binário. [6]
2.2.5 Simulador de mastigação Este simulador tem com o objetivo simular o processo de mastigação, com a finalidade de
estudar os movimentos e as forças. O mecanismo utilizado é de acionamento paralelo, que tem seis
atuações (junta prismática, junta universal e junta esférica) e dois pares cinemáticos mais elevados
nos pontos de contacto. O movimento e as forças do simulador são determinados através das
cinemáticas inversa e análise da força estática. Os músculos mais importantes neste estudo foram o
masséter, temporal e o pterigoide lateral, pois são estes os principais responsáveis pelo abertura e
fecho da mandíbula. O simulador tem 4 graus de liberdade que são acionados por seis ligações
independentes.
Os movimentos da mandíbula são caraterizados em três ciclos de mastigação que são a
abertura posterior extrema, o fecho anterior extremo e deslize superior máximo. Em média, os
10
maiores deslocamentos máximos na mastigação são 33, 10 e 16 mm das direções verticais,
protrusões e laterais, respetivamente. Assim, as gamas de movimento do incisivo do robô de
mastigação foram especificadas como 40, 12 e 20 mm, respetivamente. A figura 8 representa os
movimentos da mandíbula durante a mastigação [7].
Figura 8- Movimentos da mandíbula durante a mastigação [7]
A trajetória Pclosed - A - B - C - Pclosed - D - C - E - Pclosed representa os três ciclos de
mastigação e tem uma duração de 1,36s. Nesta trajetória o deslocamento máximo, velocidade e
aceleração encontrados para todas as juntas prismáticas são 45 mm, 250 mm/s e 2778 mm/s2,
respetivamente. Os ângulos de trabalho máximos para juntas universais e articulações esféricas são
24 e 30 graus, respetivamente. Verificou-se por meio da análise de força estática, que a força
máxima de 450N é o suficiente para acionar a junta prismática, com um fator de segurança
adequado.
O movimento mandibular ocorre como uma série complexa de três atividades de rotação e
translação, que estão relacionadas entre si. A rotação ocorre quando a boca se abre e fecha em
torno de um ponto, eixo dentro dos côndilos. Tipicamente, existem três tipos de rotação: a rotação
do eixo horizontal, do eixo vertical e do eixo sagital, como mostrado na figura 9 (a). O movimento
de translação ocorre quando a mandíbula se move para a frente, como se verifica na figura 9 (b). Os
dentes, côndilos e mandíbula movem-se na mesma direção e velocidade. Em geral, a mastigação
envolve ambos os movimentos de rotação e translação em simultâneo e compreende mais do que
dois tipos de movimentos de rotação.
11
Figura 9- Movimento mandibular (a) Movimento de rotação da mandíbula (b) Movimento de translação da mandíbula
[8]
Para simular a trajetória de mastigação utilizou-se um robô de mastigação. Este robô é
constituído por um servomotor rotativo (binário nominal de 0,64 Nm e velocidade de 3000 rpm),
um fuso de esferas, uma guia, uma junta universal, uma haste, um conjunto de suporte e placas
esféricas. A figura 10 (a) representa a estrutura final do robô de mastigação e a figura 10 (b)
representa a estrutura dos atuadores do robô, onde no lado esquerdo está representado o desenho
em SolidWorks e no lado direito a construção final [7].
12
Figura 10- Robô de mastigação (a) Estrutura final do robô de mastigação (b) Estrutura dos atuadores do robô [7]
Este simulador compara a sua trajetória com a trajetória efetuada pelos humanos. O
movimento mandibular é medido pelo simulador kinesiograph mandibular (MCG JT – 3D), figura
11, que converte a variação magnética em sinais elétricos pelos sensores magnéticos, reproduzindo
os movimentos da mandíbula eletronicamente. Neste artigo participaram dez adultos saudáveis com
oclusão normal. Fizeram três movimentos funcionais básicos em sequência, que foram o
movimento de abertura, o movimento protrusão e movimento lateral. Como existem inúmeras
curvas para alcançar a posição máxima dentro do espaço do movimento da mandíbula, a trajetória
pode variar a cada vez que eles fazem o mesmo movimento [8].
Figura 11- Simulador MCG JT -3D do BioResearch Companhia TM [8]
Da figura 12 à figura 14 é representada a medição dos movimentos da mandíbula em três
adultos. Eles fornecem os movimentos incisivos inferiores mandibulares tridimensionais. As
distâncias de três movimentos funcionais básicos, incluindo o movimento de abertura, o
movimento protrusão e o movimento lateral, são marcados nas figuras. Em comparação, as
trajetórias de cada assunto são diferentes, mesmo que eles são convidados a fazer o mesmo
movimento.
13
Figura 12- Medição dos movimentos da mandíbula do adulto 1[8]
Figura 13- Medição dos movimentos da mandíbula do adulto 2 [8]
Figura 14- Medição dos movimentos da mandíbula do adulto 3 [8]
Todos os valores dos adultos foram recolhidos e os seus valores máximos limitam o espaço de
movimento da mandíbula. Os dados medidos estão listados na tabela 2. Os principais fatores que
podem ter uma grande influência sobre os valores máximos medidos são o tamanho da mandíbula e
da ATM.
14
Tabela 2- Medição dos movimentos da mandíbula dos 10 adultos [8]
Adulto Movimento Vertical
máximo (mm)
Movimento Lateral
máximo (mm)
Movimento Protrusão
máximo (mm)
1 37.7 10.6 12.2
2 35.3 30.0 7.5
3 29.7 21.4 6.9
4 38.2 23.4 11.1
5 30.9 11.4 6.1
6 42.6 18.2 10.3
7 33.2 14.2 8.9
8 39.0 15.2 7.6
9 35.2 12.4 13.0
10 36.8 24.2 10.1
O teste de movimento é realizado no robô de mastigação que é proposto com base na
constatação biológica sobre o sistema de mastigação e suas características de movimento. As
trajetórias do ponto incisivo inferior são extraídas como é mostrado na figura 15. O robô de
mastigação pode alcançar qualquer ponto dentro do espaço de movimento da mandíbula.
Comparando com os resultados medidos pelo simulador kinesiograph mandibular, a conclusão
deste artigo é que o robô de mastigação pode alcançar qualquer ponto do movimento da mandibula
de um ser humano. O robô de mastigação pode abrir a boca 52 mm, avançar 20 mm, e mover para a
esquerda ou para a direita 18 mm. Estes valores são superiores ao normal de um ser humano [8].
Figura 15- As trajetórias do ponto incisivo inferior [8]
15
2.2.6 Simulador da Universidade de Aveiro No Laboratório de Biomecânica de Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade
de Aveiro existe um simulador da ATM. Este simulador é constituído por dez músculos
pneumáticos fabricados pela FESTO que permitem recriar as dez ações musculares consideradas
mais importantes para o correto funcionamento desta articulação.
Para a instrumentação são utilizadas 10 células de carga aplicadas aos músculos pneumáticos,
permitindo assim a medição das forças musculares do simulador. O sistema de controlo é composto
por um controlador em tempo real CompactRIO que foi programado recorrendo às plataformas de
software, LabVIEW e MATLAB. Nestas plataformas foram criadas diversas aplicações que
permitem o controlo e monitorização dos ensaios realizados pelo simulador. As aplicações
desenvolvidas recorrendo ao MATLAB são as responsáveis pela correta configuração dos ensaios a
realizar. As aplicações desenvolvidas em LabVIEW são responsáveis pela operação e
monitorização do simulador. Nestas aplicações, também são implementados os controladores de
força para os diversos músculos. O diagrama que representa a arquitetura de software acima
descrita pode ser analisado na figura 16 [1].
Figura 16- Diagrama de software do simulador [1]
Na dissertação de Tiago Rodrigues (2017)[2] este simulador foi utilizado para estudos da
ATM. O simulador estático-dinâmico no qual foram efetuados os testes com os valores obtidos nas
simulações feitas no modelo computacional encontra-se representado na figura 17.
16
Figura 17- Aparelho de teste [2]
2.3 Análise aos simuladores Neste subcapítulo é apresentada uma comparação dos simuladores descritos anteriormente. Os
simuladores apresentam várias soluções de atuação e instrumentação. As atuações apresentadas são
pneumática, hidráulica e elétrica.
A tabela 3 é representada a comparação entre os tipos de atuação.
Tabela 3- Características dos tipos de Atuação
Características Pneumático Elétrico Hidráulico
Força Média Média Alta
Velocidade Alta Alta Média
Controlo de posição Existe Existe Existe
Controlo de velocidade Não Existe Existe Existe
Precisão Baixa Alta Alta
Hardware Alto Médio Alto
Custo Baixo Médio Alto
Os sistemas de atuação existentes nos simuladores são os seguintes:
• Atuadores elétricos Lineares
o Simulador Dento-Munch
o Simulador Antropomórfico
• Motores de passo
o Simulador Bristol BITE Master II
o Simulador da movimentação da mandíbula humana
• Servomotores
o Simulador Mastigação
17
• Músculos pneumáticos
o Simulador da Universidade de Aveiro
Na tabela 4 pode-se observar a comparação dos simuladores descritos anteriormente.
Tabela 4- Comparação dos simuladores
Simulador Tipo de Atuação
Nº de
Ações
Musculares
Instrumentação
Simulador Bristol BITE Master II Motores de passo 3 4 células de carga
Simulador Dento-Munch Atuadores elétricos
lineares 6
1 transdutor de força por
dente
Simulador da movimentação da
mandíbula humana Motores de passo 3 -
Simulador Antropomórfico Atuadores elétricos
lineares 6
Codificadores
incrementais
Simulador de Mastigação Servomotores DC 6 -
Simulador da Universidade de
Aveiro Músculos pneumáticos 10 10 células de carga
18
19
Capítulo 3
Componentes do Simulador Neste capítulo descreve-se os componentes existentes no simulador presente no laboratório de
Biomecânica da Universidade de Aveiro, uma vez que estes componentes vão ser utilizados para
implementar a solução do posicionador da mandíbula.
3.1 Controlador O controlador é um chassi CompactRIO 9074 da National Instruments, figura 18. É
constituído por um processador industrial de 400 MHz, FPGA com Gate de 2M, DRAM de
128MB, armazenamento de 512 MB e tem disponíveis 8 slots para módulos.
Figura 18- Chassi CompactRIO 9074 [9]
3.2 Músculos pneumáticos Os músculos pneumáticos são responsáveis pela representação muscular do simulador. Neste
simulador existem dois tipos de músculos: 7 longos e 3 curtos. A diferença destes músculos é
amplitude de movimento que permitem realizar, figura 19.
Figura 19- Músculos pneumáticos
20
Os músculos utilizados são da marca Festo, modelos DMSP-10-40N-AM-AM e DMSP-10-
80N-AM-AM. A tabela 5 apresenta as características principais destes músculos.
Tabela 5- Características dos músculos [10]
Característica Músculo curto Músculo
longo Unidade de medida
Comprimento nominal 40 80 mm
Contração máxima 10 20 mm
Carga suspensa máxima 30 30 Kg
Força máxima 630 630 N
Pressão de funcionamento 0-8 0-8 bar
3.3 Válvulas reguladoras de pressão As 10 válvulas reguladoras de pressão proporcionais utilizadas têm a referência VPPM-6F-L-
1-F-OL6H-A4P-C1 da marca Festo, figura 20.
Figura 20- Válvulas reguladoras de pressão proporcionais [11]
Estas válvulas têm como função a regulação da pressão do ar na atuação dos músculos
pneumáticos. Estas válvulas aumentam a pressão nos músculos com o aumento do sinal elétrico. A
tabela 6 apresenta as principais características destas válvulas.
Tabela 6- Características das válvulas reguladoras de pressão proporcionais [11]
Características Valor Unidade de medida
Vias 3 -
Pressão de funcionamento 6 bar
Alimentação 24 V
Corrente de controlo 4-20 mA
21
3.4 Conversores Tensão-Corrente Os 10 conversores utilizados neste simulador são do fabricante SENECA, modelo K109UI,
figura 21.
Figura 21- Conversores tensão-corrente [12]
Estes conversores têm como função a conversão da tensão de saída do módulo NI 9264 em
corrente para atuar as válvulas reguladores de pressão. A tabela 7 apresenta as características deste
conversor.
Tabela 7- Características dos conversores tensão-corrente [12]
Características SENECA K109UI Unidade de medida
Tensão de alimentação 24 Vdc
Intervalo de entrada 0-5 V
Intervalo de saída 4-20 mA
3.5 Módulo de saída analógico O módulo de saída analógico utilizado foi o NI 9264 da National Instruments, figura 22.
Figura 22- Módulo de saída analógico NI 9264 [13]
Este módulo aplica uma tensão à entrada dos conversores de corrente. As principais
características estão ilustradas na tabela 8.
22
Tabela 8- Características do módulo de saída analógico NI 9264 [13]
Características NI 9264 Unidade de medida
Canais 16 -
Intervalo de saída ± 10 V
Amostragem 25 KS/s
Resolução 16 bits
Corrente máxima por canal 4 mA
3.6 Módulos de Aquisição de dados Os três módulos de aquisição de dados utilizados foram os NI 9237 da National Instruments,
figura 23.
Figura 23- Módulos de aquisição de dados NI 9237
Estes módulos são responsáveis pela leitura de dados provenientes das 10 células de carga,
que estão aplicadas nos músculos pneumáticos. As principais características estão representadas na
tabela 9.
Tabela 9- Características dos módulos de aquisição de dados NI 9237
Características NI 9237 Unidade de medida
Canais 4 -
Intervalo de leitura ± 25 mV/V
Amostragem 50 KS/s
Resolução 24 bits
Tensão de Excitação Até 10 V
3.7 Células de carga As 10 células de carga utilizadas são da HBM, modelo U9B, figura 24.
Figura 24- Célula de carga HBM U9B [14]
23
A função destas células é adquirir os dados das forças exercidas pelos músculos pneumáticos.
A tabela 10 ilustra as principais características da célula de carga.
Tabela 10- Características da célula de carga HBM U9B [14]
Característica HBM U9B Unidade de medida
Força nominal 0.5 kN
Classe de precisão 0.5 -
Tensão de excitação 5 V
Sensibilidade 1 mV/V
Linearidade ≤ ± 0.5 %
3.8 Plataforma Mecânica Na plataforma, figura 25, é onde se fixa os músculos pneumáticos, as células de carga e um
sistema de guias e cordas. A estrutura é feita em alumínio e tem partes móveis protegidas por
placas de acrílico, permitindo a visualização dos músculos pneumáticos, com o objetivo de
verificar o seu correto funcionamento e sua segurança.
Figura 25- Plataforma mecânica [1]
Nesta plataforma os 10 músculos estão distribuídos em duas colunas de igual forma. Os 3
músculos superiores de cada coluna são músculos curtos e os restantes músculos são longos. A
figura 26 representa essa distribuição.
24
Figura 26- Distribuição dos músculos [1]
3.9 Estado do Simulador O simulador encontra-se com o hardware mecânico, eletrónico e pneumático corretamente
montado, e pronto para reproduzir as dez ações musculares da ATM.
O software foi desenvolvido no âmbito de uma dissertação de mestrado realizado em 2016 [1]
e consiste em criar aplicações em MATLAB e LabVIEW que permitem simular as ações
musculares da ATM no simulador. As aplicações desenvolvidas recorrendo ao MATLAB são as
responsáveis pela correta configuração dos ensaios a realizar. As aplicações desenvolvidas em
LabVIEW são responsáveis pela operação e monitorização do simulador. Nestas aplicações, são
também implementados os controladores de força para os diversos músculos. A figura 27
representa o estado do simulador na data do início desta dissertação.
Figura 27- Simulador da Universidade de Aveiro
O trabalho associado a esta dissertação é a atualização do simulador com um mecanismo
posicionador de 3 eixos. Esta atualização torna este simulador bastante completo no estudo da
ATM.
25
Capítulo 4
Posicionador de 3 eixos Neste capítulo descreve-se as especificações do mecanismo posicionador de 3 eixos e também
as atualizações do hardware que foram necessárias efetuar no simulador.
4.1 Especificações Esta estrutura tem como objetivo posicionar a mandibula durante a trajetória na mastigação. A
trajetória da mastigação está representada na figura 8. Os valores máximos da trajetória são os
seguintes:
• Vertical (eixo Z) = 50 mm;
• Horizontal (eixo Y) = 20mm;
• Horizontal (eixo X) = 25mm.
Para cada eixo X, Y e Z existem 3 estruturas lidadas entre si. Como os movimentos de
posicionamento da mandíbula têm de ser bastante precisos, e os atuadores têm de ser
economicamente viáveis, foram selecionados atuadores elétricos. Três tipos de atuação elétrica
foram estudados para simular os movimentos da estrutura:
• Motores de passo;
• Motores DC;
• Servomotores;
Os motores de passo são atuadores de precisão e de binário. A figura 28 representa de uma
forma simplista o funcionamento dos motores de passo.
Figura 28- Layout dos motores de passo
Ao aplicar um pulso numa bobina, o eixo move-se em direção à bobina e assim por diante.
26
A vantagem da utilização destes atuadores é que estes permitem implementar um posicionador
em malha aberta não necessitando de sensor de posição. Esta implementação leva a uma redução de
custo em relação aos outros atuadores elétricos.
O motor DC necessita de ser controlado em malha fechada para servir como posicionador.
Tipicamente a velocidade do motor é dependente da tensão aplicada no motor. Como se pretende
um posicionador é necessário um sensor de posição e um sistema de controlo em malha fechada
para garantir a trajetória desejada de posição. Esta necessidade implica custo e complexidade
acrescida para o posicionador.
Os servomotores contêm um sistema de controlo interno o qual verifica a posição de entrada
com a posição de saída, e também são motores de corrente contínua. E apesar de terem precisão, os
servomotores não tem um binário tão elevado como os motores de passo, necessitando de uma
desmultiplicação para terem binários mais elevados. Outra desvantagem em relação aos motores de
passo é que apresentam um custo mais elevado.
Como os motores no posicionador tem de ser precisos e com binários relativamente elevados,
nos seus movimentos utilizaram-se motores de passo. Para movimentar a estrutura nos eixos X, Y e
Z é necessário estudar sistemas de movimento linear que vão estar unidos aos motores de passo.
Três tipos de sistemas de movimento foram estudados nesta dissertação:
• Fuso de esferas;
• Cremalheira;
• Correia.
O fuso de esferas, figura 29, é um sistema redutor (diminui a velocidade e aumenta o binário
do motor e vice-versa), tem boa precisão em movimento lineares e tem uma estrutura simplificada
na montagem do posicionador.
Figura 29- Fuso de esferas
A cremalheira, figura 30, é um sistema redutor, tem menor precisão em sistemas lineares em
relação ao fuso de esferas e torna a estrutura mais complexa na montagem do posicionador.
27
Figura 30- Cremalheira
A correia, figura 31, necessita de coroa ou rodas dentadas para ter um sistema redutor, e
apresenta menos precisão de movimento que os sistemas anteriores.
Figura 31- Correia com rodas dentadas
Para movimentar os eixos optou-se por utilizar 3 motores de passo ligados cada um deles a um
fuso de esferas de 16 mm e 2,5 mm de passo. O fuso de esferas no eixo vertical Z tem um
comprimento de 200 mm, este comprimento é o suficiente para movimentar a mandíbula no espaço
de trabalho vertical. Os fusos de esferas nos eixos horizontais X e Y apresentam ambos um
comprimento de 150 mm, este comprimento é o suficiente para movimentar a mandíbula nos
espaços de trabalho horizontais.
Dimensionaram-se os motores para uma força axial máxima na mandíbula de 500 N. Para a
conversão do movimento utilizou-se um fuso de esferas com 16 mm de diâmetro e 2,5 mm de
passo, acoplado ao motor. O binário do motor é determinado pela seguinte expressão:
Binário = Ftangencial * rfuso (1)
A força tangencial é determinada pela seguinte expressão:
Ftangencial = Faxial * tan(tan-1(passo/(π*diâmetro do fuso))) (2)
Resolvendo as expressões anteriores verifica-se que o binário do motor é igual a 0,2 Nm. A
velocidade máxima da mandibula na mastigação é igual a 0,204 m/s, esta velocidade é obtida
28
quando a mandíbula tem uma força mínima aplicada, que é igual a 5 N (massa da mandíbula). A
velocidade mínima é igual a 0,0047 m/s, sendo esta velocidade obtida quando a mandíbula tem
uma força máxima aplicada, que é igual a 500 N. Sabendo a velocidade e a força, consegue-se
determinar a potência máxima que o motor necessita para acionar o posicionador em cada um dos
eixos. A expressão para determinar a potência máxima é a seguinte:
Pmáx = Fmáx * vmin (3)
A potência máxima que o motor tem de fornecer é igual a 2,35W. Sabendo o binário e a
potência necessária para realizar o movimento vertical da mandíbula, é preciso selecionar um
motor com características capazes de realizar esta tarefa.
A instrumentação deste posicionador é uma célula de carga KYOWA, esta célula é capaz de
medir as forças e momentos aplicados aos movimentos de cada eixo. A célula de carga KYOWA
está fixa entre os suportes dos motores e o modelo da mandíbula. Assim a célula consegue medir as
forças e os momentos em cada movimento.
Para existir movimento rotacional foi necessário utilizar uma articulação esférica fixa à
mandíbula. O movimento rotacional só ocorre quando existe atuação simultânea entre os motores e
os músculos pneumáticos. A figura 32 representa o desenho 3D em SolidEdge da estrutura do
mecanismo posicionador de 3 eixos de posição. A tabela 11 apresenta a legenda da figura,
associando os números a cada peça.
29
Figura 32- Posicionador 3 eixos
30
Tabela 11- Legenda do posicionador de 3 eixos
Número Peça Quantidade
1 Suportes eixos horizontais 2
2 Motores 3
3 Acopolador mecânico 3
4 Variantes de porcas esféricas 3
5 Fusos de esferas horizontais 2
6 Encaixe na mesa 1 1
7 Suporte para o motor da base 1
8 Encaixe na mesa 2 1
9 Rolamentos 6
10 Tampa para os rolamentos 5
11 Suporte dos motores X,Z peça 1 2
12 Suporte dos motores X,Z peça 2 2
13 Encaixe do suporte vertical 1
14 Fuso de esferas vertical 1
15 Suporte eixo Vertical peça2 1
16 Suporte eixo Vertical peça1 1
17 Suporte para célula de carga 1
18 Célula de Carga 1
19 Suporte para a flange com junta
esférica 1
20 Flange com articulação esférica 1
21 Encaixe da mandíbula 1
Com a utilização do SolidEdge foi possível desenhar a representação do simulador da
Universidade de Aveiro com a atualização do posicionador de 3 eixos de posição, figura 33.
Figura 33- Simulador da Universidade de Aveiro com posicionador
31
4.2 Atualização do Hardware
4.2.1 Motores de passo Os motores de passo utilizados nos sistemas XYZ da estrutura de posicionamento da
mandíbula foram os STA-4118 da Nanotec, figura 34. Estes motores são equivalentes aos Nema
17.
Figura 34- Motores de passo
A tabela 12 apresenta as características do motor. Para as ligações elétricas do motor
utilizaram-se 4 condutores de acionamento dos enrolamentos (A+ A- B+ B-) e dois condutores de
alimentação.
Tabela 12- Características dos motores de passo
Características Unidades
Binário máximo 0.28Nm
Corrente por enrolamento 1.5A
Resistência por enrolamento 1.1Ω
Indutância por enrolamento 1.85mH
Inércia do Rotor 57g/cm2
Peso 0.24Kg
4.2.2 Driver
Para controlar cada motor de passo é necessário utilizar drivers de motores de passo. Foram
utilizados 3 drivers TB6600 da Toshiba, figura 35.
32
Figura 35- Driver utilizado no hardware
A tabela 13 apresenta as características dos drivers.
Tabela 13- Características do driver [15]
Características Unidades
Corrente de entrada 0 ~ 5A
Corrente de saída 0.5-4A
Potência máxima 160W
Tensão de alimentação 9 ~ 42V
4.2.3 Módulo de Saída digital Para acionar os drivers é necessário utilizar duas cartas NI 9472 da National Instruments de
saídas digitas, figura 36.
Figura 36- Módulos de saída digital NI 9472 [16]
33
A tabela 14 apresenta as suas características.
Tabela 14- Características do módulo NI 9472 [16]
Características Unidades
Quantidade de saídas digitais 8
Níveis lógicos das E/S digitais 12V-24V
Taxa máxima de atualização 100 µs
Direção do fluxo de corrente Saída em fonte (source)
Isolação das E/S digitas 250 Vrms isolação entre canais e terra
4.2.4 Ligações de acionamento dos motores de passo As ligações entre a carta NI-9472, o driver e respetivo motor estão representadas na figura 37.
Figura 37- Ligações entre a carta NI-9472, o driver e respetivo motor [15]
As resistências R têm de ser iguais a 2,2kΩ, pois a tensão à saída do módulo NI-9472 é igual a
24V. As entradas ENA do driver servem para ativar/desativar o controlo do motor. As entradas
DIR são responsáveis pelo controlo da direção do motor, ou seja, se a saída digital da carta NI-
9472 estiver ativa, o motor tem uma rotação horária, se a saída estiver desativa o motor tem rotação
anti-horário. As entradas PUL controlam o posicionamento do motor e sua velocidade, pois essa
entrada recebe os pulsos por segundo (PPS) a que o motor deve rodar. Para calcular a velocidade
RPM do motor é necessário utilizar a seguinte equação:
34
RPM = (PPS * 60) / PPR
(4)
Os pulsos por rotação (PPR) são definidos pelo utilizador, pois este driver tem interruptores
(S1, S2 e S3) que permitem definir os pulsos por rotação do motor. A tabela 15 representa os PPR
disponíveis neste driver:
Tabela 15- PPR disponíveis neste driver [15]
Como a corrente de saída máxima dos drivers é de 4 A e a corrente por enrolamento dos
motores é de 1.5A, é necessário definir as correntes de saídas adequadas do driver para ser
compatível com a corrente do motor. Para isso este driver tem mais 3 interruptores (S4, S5 e S6)
que permitem definir essa corrente. A tabele 16 representa as correntes de saída disponíveis neste
driver.
Tabela 16- As correntes de saída disponíveis neste driver [15]
4.2.5 Módulo de aquisição de dados O módulo de aquisição de dados provenientes da célula de carga utilizado foi o NI 9201 da
National Instruments, figura 38.
Figura 38- Módulo de aquisição de dados NI 9201[17]
35
Este módulo é responsável pela leitura de dados provenientes da célula de carga KYOWA. As
principais características estão representadas na tabela 17.
Tabela 17- Características do módulo NI 9201[17]
Características NI 9201 Unidade de medida
Canais 8 -
Níveis de sinal ± 10 V
Amostragem 500 KS/s
Resolução 12 bits
4.2.6 Célula de carga KYOWA A função desta célula é adquirir os dados das forças e dos momentos exercidos pela estrutura
mecânica no movimento da mandíbula nos eixos XYZ, figura 39.
Figura 39- Célula de carga KYOWA [18]
A tabela 18 ilustra as principais características da célula.
Tabela 18- Característica da célula de carga KYOWA [18]
Características LFX-A-1KN Unidade de medida
Canais 6 -
Alimentação +5 V
Tipo da saída 0-5 V
Força Máxima (Fx, Fy, Fz) 1 KN
Momento máximo (Mx, My) 40 Nm
Momento máximo (Mz) 25 Nm
Frequência de resposta 500 Hz
4.2.7 Alimentação da célula de carga A célula de carga tem que ser alimentada com uma tensão igual a 5V. Como a alimentação do
quadro elétrico é de 24V, foi necessário construir um regulador de tensão que tenha 24V de entrada
36
e 5V de saída. Na dissertação [1] foi construído um circuito elétrico utilizando um regulador de
tensão LM317HV da Texas Instruments. A figura 40 representa o circuito eletrónico do regulador
LM317HV.
Figura 40- Circuito eletrónico do regulador LM317HV [1]
Ao testar este regulador verificou-se que existia um aquecimento muito elevado no regulador.
Para não danificar a célula de carga foi necessário recorrer a outra solução. A outra solução foi
utilizar um regulador de tensão 7805. Este regulador tem uma corrente de saída de 1A, que é muito
superior à corrente necessária à célula de carga. Apresenta também uma tensão de entrada máxima
de 25V e uma tensão de saída de 5V. A figura 41 representa o circuito eletrónico do regulador
7805.
Figura 41-Circuito eletrónico do regulador 7805 [19]
Ao testar este regulador verificou-se o mesmo problema do regulador LM317HV. Mesmo
tendo uma corrente de saída elevada, este regulador apresentou um elevado aquecimento.
A última solução utilizada foi ligar diretamente a célula de carga a uma fonte de tensão
externa, figura 42, que tenha 5V numa das suas saídas.
37
Figura 42- Fonte de alimentação externa
4.3 Montagem do Posicionador Para a construção do posicionador foi necessária a maquinação de algumas peças. Os
desenhos técnicos que estão nos anexos foram fundamentais para a maquinação.
Depois de maquinadas todas as peças e adquiridos todos os materiais necessários começou-se
a montagem do posicionador. Começou-se por encaixar todos os fusos de esferas nas variantes de
porcas esféricas. De seguida colocaram-se os rolamentos nos fusos e depois encaixou-se tudo nos
suportes respetivos. A figura 43 representa o suporte com o fuso de esferas montado.
Figura 43- Suporte com o fuso de esferas montado
O próximo passo foi montar os motores com os suportes para os mesmos. Por fim uniram-se
os suportes com os motores aos suportes com os fusos. A figura 44 representa os eixos X, Y e Z
montados.
38
39
Figura 44- Montagem dos eixos do simulador (a) Montagem do eixo X (b) Montagem do eixo Y (c) Montagem do eixo Z
Com a montagem dos eixos concluída, passou-se para montagem da célula de carga e
respetivos suportes, figura 45.
40
Figura 45- Montagem da célula de carga e respetivos suportes
A tarefa seguinte é a colagem da articulação esférica com o encaixe na mandíbula, figura 46.
Figura 46- Colagem da articulação esférica com o encaixe na mandíbula
A parte final foi a montagem completa do posicionador, figura 47.
41
Figura 47- Montagem do posicionador completa
4.4 Estado do Simulador No final deste capítulo o simulador encontra-se com o hardware mecânico, eletrónico e
pneumático corretamente montado, e pronto para reproduzir as dez ações musculares e o
posicionamento da ATM. A figura 48 representa o estado do simulador no final da dissertação.
42
Figura 48- Simulador atualizado da Universidade de Aveiro
43
Capítulo 5
Aplicações de Operação e Monitorização Ao longo deste capítulo vai ser descrito o processo de desenvolvimento das trajetórias do
mecanismo posicionador de 3 eixos de posição criadas em MATLAB e do projeto LabVIEW que é
responsável pela operação e monitorização do simulador.
5.1 Arquitetura do Software Inicialmente foram estabelecidas as cinemáticas direta e inversa do posicionador 3D. Definida
a trajetória desejada em 3D foi utilizado o MATLAB para gerar as trajetórias 2D individuais para
cada atuador.
A atuação dos motores (envio de sinais PWM para os drivers) foi implementada em
LabVIEW, pois todo o sistema de IO bem como o módulo processador são hardware da National
Instruments.
Ao executar a trajetória, o posicionador gera dados de força e momentos, que são adquiridos
pela aplicação de monitorização implementada em LabVIEW. Por fim são processados e
armazenados por uma aplicação desenvolvida em MATLAB.
O diagrama que representa a arquitetura de software acima descrita pode ser analisado na
figura 49.
44
Figura 49- Diagrama de software
5.2 Programação em MATLAB Neste subcapítulo vai ser descrita a programação da trajetória da mandíbula na mastigação.
Criou-se também um programa que lê os dados da célula de carga KYOWA proveniente do
software LabVIEW nesta programação utilizou-se a ferramenta graphical user interface (GUI) do
MATLAB.
5.2.1 Cinemática do Posicionador Nesta secção descreve-se a implementação de um ensaio com o posicionador a executar uma
determinada trajetória 3D.
A parte inicial deste programa foi a construção gráfica dos elos do simulador. Para programar
a construção gráfica é necessário seguir as regras do algoritmo de Denavit-Hartenberg para um
manipulador com n juntas. Estas regras estão ilustradas na figura 50.
45
Figura 50- Regras do algoritmo de Denavit-Hartenberg para um manipulador com n juntas [20]
O mecanismo posicionador de 3 eixos de posição é um robô com 3 juntas prismáticas. A
figura 51 apresenta o posicionador com os elos das juntas prismáticas identificados.
46
Figura 51- Posicionador com os elos das juntas prismáticas identificados
A tabela 19 representa os valores de Denavit-Hartenberg.
Tabela 19- Valores de Denavit-Hartenberg
Elo i Ө L (mm) D (mm) α
1 0º 0 d0 -90º
2 -90º 0 d1 90º
3 90º 0 d2 0º
4 0º 138 0 0º
Para verificar se a construção gráfica dos elos do simulador foi realizada corretamente foram
utilizadas funções programadas em MATLAB. Depois de ter a cinemática direta representada é
necessário determinar as matrizes de transformação geométrica associada a um elo i. Para
representar as matrizes é preciso seguir a seguinte regra, figura 52.
47
Figura 52- Matriz de transformação geométrica associada a um elo i [20]
Para determinar a cinemática inversa foi necessário multiplicar todas as matrizes de
transformação geométrica associada a um elo i. No resultado da multiplicação retiraram-se as
equações de X, Y e Z da garra. Através dessas equações determina-se os valores das juntas
prismáticas d0, d1 e d2. As equações para determinar os valores das juntas prismáticas são os
seguintes:
• d0=z;
• d1=y-138;
• d2=-x;
A trajetória pretendida é baseada na figura 8, pois esta trajetória é caracterizada como a
trajetória da mastigação humana [7].
Para representar a trajetória desejada definiu-se os valores X, Y e Z para os pontos Pclosed, A,
B, C, D e E. Estes pontos servem de referência na sua representação. A função Multi_invkinRR.m
calcula a cinemática inversa tantas vezes quantos os pontos de referência pedidos para calcular. A
figura 53 demonstra a programação da função Multi_invkinRR.m.
Figura 53- Programação da função Multi_invkinRR.m
48
A função PolyTrajV.m foi desenvolvida para devolver os ângulos das juntas que o mecanismo
terá que adotar ao longo do tempo (trajetória da junta) quando ele está a realizar o movimento. A
figura 54 representa a programação da função PolyTrajV.m.
Figura 54- Programação da função PolyTrajV.m
A função MultiPolyTrajV.m retorna os pontos intermédios, portanto, deve chamar a função
PolyTrajV.m várias vezes e concatenar os resultados de cada chamada. Numa primeira fase deve-se
considerar velocidades de passagem nulas. A figura 55 representa a programação da função
MultiPolyTrajV.m.
Figura 55- Programação da função MultiPolyTrajV.m
49
Aplicando as funções anteriores calculam-se os movimentos do mecanismo e programa-se
uma simulação gráfica em MATLAB para verificar se esse cálculo foi realizado corretamente.
Retirando os valores da matriz da posição x, y e z da trajetória, é necessário calcular a que distância
cada ponto intermédio está em relação ao ponto seguinte. Como o motor de passo é controlado por
pulsos elétricos, é necessário converter milímetros em pulsos (equação 5).
pulsos = ( Distância(mm) * pulsos por rotação(PPR) ) / passo do fuso(mm) (5)
Para os valores das matrizes x, y e z serem lidos pelo LabVIEW é necessário converter essas
matrizes num ficheiro txt. Na programação do ficheiro txt utilizou-se as seguintes funções:
• fileIDx = fopen('valoresx.txt', 'w') ;
• fprintf(fileIDx,’%d ... ‘, variáveis);
• fclose(fileIDx);
5.2.2 Resultados da cinemática do posicionador No MATLAB consegue-se observar se a cinemática do posicionador foi bem realizada. Para
isso é necessário representar a cinemática direta do posicionador, criar a trajetória da mastigação e
por fim fazer uma animação 3D. Na figura 56 é representado o resultado da cinemática em
MATLAB.
Figura 56- Resultado das cinemáticas em MATLAB
Na figura 56 pode ver-se azul a cinemática direta do posicionador na posição final da
simulação, e a vermelho a trajetória da mastigação. O resultado das trajetórias é bastante linear,
porque os motores de passo só controlam as 3 juntas prismáticas. A garra foi posicionada antes da
junta rotacional. A junta rotacional é controlada através de uma cinemática paralela, que consiste
em atuar em simultâneo os motores de passo e os músculos pneumáticos.
50
5.2.3 Leitura de dados da célula de carga KYOWA Esta aplicação, figura 57, é uma interface desenvolvida recorrendo à ferramenta GUI do
MATLAB. A aplicação possibilita, a partir do ficheiro de dados gerados pelo LabVIEW, fazer o
carregamento para o workspace do MATLAB.
Esta aplicação foi programada na dissertação [1] e foi utilizada nesta dissertação para ler os
dados da célula de carga KYOWA. É um ficheiro binário com uma extensão típica do LabVIEW
(.tdms).
Nesta aplicação o utilizador apenas tem de selecionar o ficheiro, escrever o nome da variável
que pretende que conste no workspace e pressionar o botão ‘Exportar para o workspace’.
Figura 57- Leitura de ficheiro de dados gerados pelo LabVIEW [1]
5.3 Programação LabVIEW A programação desenvolvida em LabVIEW, figura 58, tem como finalidade fazer a interface
entre o utilizador e o simulador. Utiliza-se este software para programar o controlo dos motores de
passo. O projeto em LabVIEW é também o responsável pela comunicação com o simulador e com
a sua operação.
Este projeto, assim como qualquer outro projeto de LabVIEW, é dividido em VIs (Virtual
Instruments) e Sub-VIs em que cada um é responsável por diferentes vertentes do projeto. No caso
do projeto desenvolvido para este simulador, contém cinco VIs e três Sub-VIs:
• VI
o Monitorizacao_forcas;
o Controlo_motores;
o Ler_Configx;
o Ler_Configy;
o Ler_Configz;
51
• Sub-VI
o Variáveisx;
o Variáveisy;
o Variáveisz;
Figura 58- Criação de projeto em LabVIEW
Como se pode ver na figura 58, existem VIs e Sub-VIs que não foram mencionados no texto
anterior. Estes foram programados na dissertação [1] que tem o objetivo de controlar os músculos
pneumáticos e monitorizar os dados provenientes das células de carga.
5.3.1 Ficheiros de configuração das trajetórias Os VIs 'Ler_Configx', 'Ler_Configy' e 'Ler_Configz' são os primeiros VIs que o utilizador tem
de abrir quando pretende executar um ensaio. Estes VIs fazem a leitura dos ficheiros de texto
gerados pela aplicação MATLAB desenvolvida para a configuração de ensaio a realizar pelo
mecanismo posicionador de 3 eixos de posição.
Os valores provenientes do MATLAB após a leitura de dados são guardados nos sub-VIs
'Variáveisx', 'Variáveisy' e 'Variáveisz'.
O front panel destes VIs contém, além da área de seleção do ficheiro de configuração, um
LED verde. O LED verde acende quando o ficheiro carregado e lido com sucesso. Estes três VIs
52
têm um layout igual, apenas mudam as variáveis de memória dos Sub-VIs utilizadas na
programação. A figura 59 representa o layout do VI 'Ler_Configx'.
Figura 59- Layout do VI 'Ler_Configx'
5.3.2 Programação dos Sub-VIs Os sub-VIs 'Variáveisx', ‘Variáveisy' e ‘Variáveisz' são uma ferramenta bastante importante
quando se utiliza mais do que um VI, principalmente quando estes VIs não são independentes. Por
exemplo, sem os VIs 'Ler_Configx', 'Ler_Configy' e 'Ler_Configz' não é possível realizar o ensaio
da simulação das trajetórias da mandíbula durante a mastigação. As variáveis que os Sub-VIs
contêm são as seguintes:
• Vetor da trajetória x [pulsos] – Sub-VI 'Ler_Configx';
• Vetor da trajetória y [pulsos] – Sub-VI 'Ler_Configy';
• Vetor da trajetória z [pulsos] – Sub-VI 'Ler_Configz';
• Variável booleana 'Ficheiro_Carregado_x' – Sub-VI 'Ler_Configx';
• Variável booleana 'Ficheiro_Carregado_y' – Sub-VI 'Ler_Configy';
• Variável booleana 'Ficheiro_Carregado_z' – Sub-VI 'Ler_Configz';
Os vetores das trajetórias são do tipo array, e são atualizadas quando o utilizador faz o
carregamento dos ficheiros de configuração dos VIs 'Ler_Configx', 'Ler_Configy' e 'Ler_Configz' e
contêm, como o nome indica, as trajetórias que os motores de passo têm de seguir.
Estas variáveis são atualizadas quando o utilizador faz o carregamento dos ficheiros de
configuração dos VIs 'Ler_Configx', 'Ler_Configy' e 'Ler_Configz'. As variáveis
'Ficheiro_Carregado_x', 'Ficheiro_Carregado_y' e 'Ficheiro_Carregado_z' são atualizadas quando
os ficheiros de configuração são lidos com sucesso. Estas variáveis servem maioritariamente para
evitar a repetição de operações, como por exemplo a de só ser necessário carregar os ficheiros de
53
configuração uma vez, o que torna todos os VIs individualmente mais fáceis e rápidos de processar
e executar. Estes Sub-VIs têm um layout igual, apenas mudam as variáveis de memória. A figura
60 representa o layout do Sub-VI ‘Variáveisx’.
Figura 60- Layout do Sub-VI ‘Variáveisx’
5.3.3 Monitorização da célula de carga Este VI tem como função a monitorização de dados adquiridos pela célula de carga. A
primeira tarefa da programação é a calibração da célula de carga. Para realizar a calibração é
necessário verificar as tensões (mV) que estão nas suas saídas Fx, Fy, Fz, Mx, My e Mz, quando o
simulador está na posição inicial da trajetória desejada.
Os valores das tensões nas saídas são as variáveis que o utilizador vai inserir no Excel
fornecido pelo fabricante da célula, figura 61. Os valores que aparecem na coluna ‘Total’ do Excel,
após inseridos os valores das tensões, são utilizados na programação em LabVIEW para calibrar a
célula de carga.
54
Figura 61- Excel fornecido pelo fabricante da célula
Para diminuir o ruído utilizou-se um filtro passa baixo para filtrar os dados adquiridos pela
célula de carga. A figura 62 está representado um exemplo da programação do filtro passa baixo.
Figura 62- Programação do filtro passa baixo
Como se pode ver na figura anterior utilizou-se um bloco de filtro pré-programado do
LabVIEW, onde se definiu uma frequência de amostragem de 100 Hz, e uma frequência de corte de
5 Hz.
O front panel deste VI, figura 63, é constituído por duas partes:
• A primeira parte é constituída por dois leds. O led verde é ativo quando os dados
adquiridos pela célula de carga estão a ser guardados. O led vermelho é ativo quando
termina a gravação de dados.
• A segunda parte é constituído pelo botão ‘Ativar’ que é responsável pela ativação de
toda a programação desta aplicação. Depois tem duas colunas com labels, que
permitem a monitorização dos dados provenientes da célula de carga. A primeira
coluna permite monitorizar as tensões de saída da célula de carga. A segunda coluna
permite monitorizar as forças e os momentos da trajetória 3D da ATM.
55
Figura 63- Layout do VI 'Monitorizacao_forcas'
5.3.4 Escrita de dados adquiridos pela célula de carga Para a gravação dos dados adquiridos pela célula utilizou-se uma estrutura do tipo timed loop.
Esta estrutura permite a execução de loops contínuos com uma determinada frequência em tempo
real. Os dados da célula da carga são escritos a uma frequência do ciclo definida pelo LabVIEW
que é igual a 1kHz. A figura 64 representa a programação da gravação das forças e momentos da
célula de carga KYOWA.
Figura 64- Programação da gravação de dados adquiridos pela célula de carga
Na programação da figura 64 utilizou-se um bloco de escrita de dados pré-programado pelo
LabVIEW. Este bloco permite escolher em que extensão o ficheiro vai ser guardado. Para esta
dissertação as extensões mais relevantes são as seguintes:
56
• (.tdms) que será aberta na aplicação programada em MATLAB (subcapítulo 5.2.2);
• (.xlsx) que é aberta pelo EXCEL.
A figura 65 representa a configuração do bloco de escrita dos dados adquiridos pela célula de
carga.
Figura 65- Configuração do bloco de escrita dos dados adquiridos pela célula de carga
5.3.5 Resultado da calibração da célula de carga Na calibração da célula de carga utilizaram-se pesos de 3N, 4N e 27N. Os pesos foram
medidos numa balança digital de alta precisão. A figura 66 demonstra a pesagem dos pesos.
Figura 66- Medição dos pesos (a) Medição do peso 27N (b) Medição do peso 4N (c) Medição do peso 3N
O ensaio, figura 67, consistiu em colocar os pesos sobre a célula de carga e verificar se os
valores de monitorização do LabVIEW são iguais aos valores medidos.
57
Figura 67- Ensaio da calibração da célula de carga
No ensaio da figura 67 o peso faz uma contração em Fz. Os resultados obtidos no ensaio da
calibração da célula no eixo Fz estão representados na figura 68.
Figura 68- Resultados da calibração da célula de carga
O tempo do ensaio foi de 1:27 minutos. Como se pode ver no gráfico da figura 68 o filtro
passa baixo consegue eliminar o ruído.
5.3.6 Atuação dos motores de passo No hardware existem duas cartas NI-9472 para atuarem os motores de passo. A primeira carta
digital vai enviar sinal contínuo para as entradas ENA e DIR dos drivers. Este sinal já está pré-
definido pelo LabVIEW nas propriedades da carta.
A segunda carta digital vai estar a enviar sinais PWMs para as entradas PUL dos drivers. Para
esta carta enviar PWMS foi necessário ir as propriedades da carta em LabVIEW e fazer as
alterações pretendidas. A figura 69 representa as propriedades da segunda carta NI-9472.
58
Figura 69-Propriedades da segunda carta NI-9472
O VI ‘Controlo_motores’, figura 70, tem como função a atuação dos motores de passo. Este
VI utiliza a matriz de valores provenientes do MATLAB com as trajetórias 2D dos eixos x, y e z
para atuar os motores, de forma a representar a trajetória desejada.
O front panel deste VI é constituído por um botão para ativar a simulação, e também existem
3 labels indicadores ‘Contadorx’, ‘Contadory’ e ‘Contadorz’ que representam os pontos
intermédios programados, e servem de orientação das trajetórias 2D.
Figura 70- Layout do VI 'Controlo_motores'
59
Capítulo 6
Ensaio Experimental Ao longo deste capítulo vai ser descrito o ensaio experimental ao simulador. O ensaio
realizado consistiu em simular a trajetória deseja da figura 8. Neste ensaio não existiram ações dos
músculos pneumáticos.
A simulação apresenta alguns problemas na linearidade do fuso de esferas com a porca
variante, pois para resolver esse problema era necessário colocar guias nos suportes de cada eixo.
Com a limitação do tempo, a solução encontrada foi colocar peças metálicas com calços da porca
variante. Estes calços melhoram a linearidade, mas não é uma solução para futuro. Da figura 71 até
à 76 são apresentados os valores das forças e momentos adquiridos pela célula de carga durante o
ensaio da trajetória desejada.
Figura 71- Medição das forças do eixo x durante a mastigação
60
Figura 72- Medição das forças do eixo y durante a mastigação
Figura 73-Medição das forças do eixo z durante a mastigação
61
Figura 74- Medição dos momentos do eixo x durante a mastigação
Figura 75-Medição dos momentos do eixo y durante a mastigação
62
Figura 76- Medição dos momentos do eixo z durante a mastigação
Como se pode verificar nas figuras anteriores a força máxima do posicionador foi aplicada no
eixo y e chegou aos 24 N. E o momento máximo foi aplicado no eixo x e chegou aos 2 Nm.
Com a realização deste ensaio verificou-se que apesar de o simulador necessitar de melhorias
no alinhamento dos suportes, ele é capaz de simular a trajetória da mastigação humana. Também se
verificou que as aplicações de monitorização e aquisição de dados da célula de carga estão a
funcionar corretamente.
63
Capítulo 7
Conclusões e trabalhos futuros
7.1 Conclusões
O trabalho apresentado nesta dissertação descreve a atualização ao simulador da ATM
existente no Laboratório de Biomecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade de Aveiro.
A atualização consistiu em desenvolver um mecanismo de posicionamento de 3 eixos. Esse
mecanismo é atuado por 3 motores de passo, e cada motor está ligado a um fuso de esferas.
O desenvolvimento e construção do posicionador foi a tarefa principal desta dissertação,
porque foi necessário desenvolver um posicionador de raiz, que tivesse dimensões certas para
encaixar na mandíbula e que trabalhe em conjunto com a plataforma dos músculos pneumáticos.
As tarefas que foram realizadas com sucesso são as seguintes:
• A programação da monitorização dos dados adquiridos pela célula de carga;
• A programação da atuação dos motores com a trajetória desejada;
• O projeto e montagem do posicionador
Este simulador é bastante completo, porque consegue recriar as ações musculares em
simultâneo com a posicionamento da mandíbula durante a trajetória da mastigação. Podemos
concluir que este simulador deve continuar a ser alvo de estudo devido a sua complexidade e
importância no estudo da ATM.
Com os ensaios experimentais realizados é possível verificar as novas funcionalidades do
simulador.
7.2 Trabalhos futuros
Melhorar a organização do layout do quadro elétrico do simulador, porque este não tem
espaço suficiente para as atualizações necessárias do posicionador.
Melhorar o layout das aplicações em LabVIEW de forma a torná-lo mais simplista e dinâmico,
ou seja, utilizar um único VI com o controlo dos motores e dos músculos pneumáticos e também a
monitorização dos dados adquiridos pelas células de carga.
Melhorar o alinhamento do fuso de esferas com a porca variante, e a melhor solução é colocar
guias nos suportes de cada eixo.
64
Realizar ensaios das atuações dos músculos pneumáticos em simultâneo com o posicionador, e
adquirir os dados de todas as células de carga inseridas no simulador.
65
Bibliografia
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[20] V. M. F. Santos, “Sebenta Robótica Industrial 2003-2004,” p. 166, 2004.
66
Anexos A- Desenhos técnicos
