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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS

DENIS COSMO DE SOUZA

SISTEMA DE INTEGRAÇÃO ENTRE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS

ASSISTIVOS

São Carlos

2019

DENIS COSMO DE SOUZA

SISTEMA DE INTEGRAÇÃO ENTRE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS

ASSISTIVOS

Monografia apresentada ao Curso de

Engenharia Elétrica, da Escola de Engenharia

de São Carlos da Universidade de São Paulo,

como parte dos requisitos para obtenção do

título de Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Alberto Cliquet Júnior

São Carlos

2019

Аоs meus pais que, independente da distância,

sempre demonstraram muito apoio e carinho,

nunca medindo esforços para quе еu chegasse

аté esta etapa dе minha vida.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente aos meus pais, Vanda e Manoel, por tudo o que fizeram e

fazem por mim.

Agradeço a minha família pelo apoio, cuidado e por todos os momentos especiais

vividos. Em especial aos meus “irmãos” Elton e Thaís, avós maternos Marina e Valter (in

memorian) e padrinhos Vânia e Jorcelino.

Agradeço a minha namorada Vitoria pelo companheirismo, carinho, amor, risadas e

críticas construtivas.

Agradeço aos meus amigos, tanto os de Santos como os de São Carlos e de São Paulo,

pelos aprendizados, momentos de descontração e convívio.

Agradeço a todos os professores da EESC e do ICMC que contribuíram de alguma

forma para o conhecimento adquirido durante a graduação.

Agradeço ao professor Dr. Alberto Cliquet Júnior e ao Dr. Renato Varoto por todo o

suporte, disponibilidade, atenção e compreensão durante o desenvolvimento desse projeto.

Agradeço a todos os funcionários das secretarias, dos departamentos e do campus de

São Carlos pelo zelo para com os alunos.

RESUMO

Souza, D. C. Sistema de integração entre dispositivos eletrônicos assistivos. 2019.

Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica com Ênfase em

Eletrônica) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos,

2019.

A Organização Mundial da Saúde estima que mais de um bilhão de pessoas precisa de

um ou mais produtos assistivos. Produtos assistivos são produtos externos (incluindo

dispositivos, equipamentos, instrumentos ou software), cujo propósito primário é manter ou

melhorar a funcionalidade e a independência individuais. Os produtos assistivos também são

usados para prevenir a deficiência e condições secundárias de saúde. Este projeto propõe-se a

elaborar um sistema de integração entre dispositivos eletrônicos assistivos auxiliares de

marcha, que colaboram com o processo de reabilitação locomotora de pacientes que

necessitam de fisioterapia. Para isso, escolheu-se desenvolver um aplicativo móvel em que

sua interface precisa ser a mais amigável possível aos usuários, deve realizar a comunicação

sem fio e disponibilizar essas informações por meio de representações gráficas e/ou texto no

dispositivo móvel da pessoa. Também necessita que esses dados sejam salvos para futuras

consultas. Após testes realizados com um sensor de temperatura, os resultados mostraram-se

satisfatórios no sentido da comunicação sem fio e funcionalidade do aplicativo. Já com o teste

final, onde recebeu-se os dados diretamente de uma muleta do tipo Lofstrand já construída, o

sistema provou-se preciso, porém não tão exato, com uma taxa de amostragem de 10

amostras/segundo, capaz de salvar as imagens na memória interna do celular e da

possibilidade de integrar diversos outros dispositivos assistivos no mesmo lugar.

Palavras-chave: Tecnologia assistiva. Reabilitação locomotora. Muleta instrumentalizada.

App Inventor. Bluetooth. Arduino.

ABSTRACT

Souza, D. C. Integration system between assistive electronic devices. 2019. Monografia

(Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica com Ênfase em Eletrônica) – Escola

de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2019.

The World Health Organization estimates that more than one billion people need one

or more assistive products. Assistive products are external products (including devices,

equipment, instruments or software), of which primary purpose is to maintain or enhance

individual functionality and independence. Assistive products are also used to prevent

deficiency and secondary health conditions. This project proposes to elaborate an integration

system between auxiliary gait assistive electronic devices, which collaborate with locomotor

rehabilitation process of patients in physiotherapy need. The way chosen is to develop a

mobile application. Its interface needs to be as user friendly as possible, perform wireless

communication and make that information available through graphical representations and/or

text on person's mobile device. It also needs this data to be saved for future reference. After

tests performed with a temperature sensor, results were satisfactory in the sense of wireless

communication and application functionality. With the final test, where data was received

directly from a Lofstrand type crutch already built, the system proved accurate, but not so

exact, with a sample rate of 10 samples/second, able to save images in phone’s internal

memory and the possibility of integrating several other assistive devices in the same place.

Keywords: Assistive technology. Locomotor Rehabilitation. Instrumentalized crutch. App

Inventor. Bluetooth. Arduino.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Muleta no modelo Lofstrand. ............................................................................... 28

Figura 2 - Muleta do tipo Lofstrand instrumentalizada. ........................................................ 29

Figura 3 - Muleta do tipo Lofstrand instrumentalizada com módulo de biofeedback. ............ 29

Figura 4 - Processo de calibração da muleta. ........................................................................ 30

Figura 5 - Dados da força aplicada na muleta recebidos pelo aplicativo. ............................... 30

Figura 6 - Circuito de amplificação do sinal proveniente dos sensores strain gauges. ........... 31

Figura 7 - Aparato utilizado para medir a força aplicada na muleta. ...................................... 32

Figura 8 - Gráfico obtido a partir dos dados da Tabela 1. ...................................................... 34

Figura 9 - Placa Arduino Uno. .............................................................................................. 35

Figura 10 - Módulo Bluetooth HC-05................................................................................... 35

Figura 11 - Conexão entre a placa Arduino e o módulo Bluetooth......................................... 36

Figura 12 - Tela de design da ferramenta MIT App Inventor................................................. 37

Figura 13 - Tela de diagrama de blocos da ferramenta MIT App Inventor. ............................ 37

Figura 14 - Tela inicial do aplicativo. ................................................................................... 38

Figura 15 - Tela de design da tela 3 (Palmilha). .................................................................... 39

Figura 16 - Tela de design da tela 2 (Muleta). ...................................................................... 39

Figura 17 - Tela do aplicativo com dados aleatórios. ............................................................ 40

Figura 18 - Circuito de testes para o funcionamento do aplicativo e da comunicação

Bluetooth. ............................................................................................................................ 41

Figura 19 - Captura de tela do celular com o aplicativo funcionando. ................................... 42

Figura 20 - Aplicativo recebendo os dados enviados pela muleta em tempo real. .................. 42

Figura 21 - Pasta criada na memória interna do celular e imagem salvada. ........................... 45

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Valores obtidos de força e tensão para obter a equação que relaciona as duas

grandezas. ............................................................................................................................ 32

Tabela 2 - Valores de força mostrados pelo dinamômetro e recebidos pelo aplicativo para

determinação da precisão e exatidão do sistema, sem calibração. ......................................... 43


determinação da precisão e exatidão do sistema, com calibração. ......................................... 44

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CI – Circuito Integrado

IDE – Integrated Development Environment

LED – Light Emitting Diode

LPA – Lista de Produtos Assistivos Prioritários

MIT – Massachusetts Institute of Technology

OMS – Organização Mundial da Saúde

USB – Universal Serial Bus

LISTA DE SÍMBOLOS

Hz – Frequência em Hertz

V – Tensão elétrica em Volt

F – Capacitância em Farad

N – Força em Newton

M – 106

k – 103

TX – Pino de transmissão

RX – Pino de recepção

Ω – Resistência elétrica em Ohms

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 25

1.1 Objetivos Gerais .................................................................................................... 25

1.2 Objetivos Específicos ............................................................................................. 26

1.3 Apresentação da Monografia .................................................................................. 26

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ..................................................................................... 27

2.1 Tecnologia Assistiva .............................................................................................. 27

2.2 Projetos Anteriores ................................................................................................ 28

3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ........................................................................... 31

3.1 Circuito Amplificador ............................................................................................ 31

3.2 Arduino Uno .......................................................................................................... 34

3.3 Módulo Bluetooth .................................................................................................. 35

3.4 MIT App Inventor .................................................................................................. 36

4 RESULTADOS ................................................................................................................ 41

5 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 47

REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 49

Apêndice A – Código da muleta ........................................................................................... 51

Apêndice B – Diagramas de blocos ...................................................................................... 53

Apêndice C – Código de teste .............................................................................................. 57

25

1 INTRODUÇÃO

Quando se possui lesões ortopédicas (tais como torções, fraturas, estiramentos,

distensões, entre outras), medulares ou se realiza procedimentos cirúrgicos nos membros

inferiores, geralmente os pacientes são submetidos à um processo de reabilitação, visando a

recuperação das capacidades locomotoras, uma maior independência para a realização de

atividades cotidianas essenciais e uma consequente maior qualidade de vida.

Esse processo de reabilitação pode envolver sessões de fisioterapia onde o paciente

deve sustentar algum peso nos membros inferiores, gerando o efeito piezoelétrico nas

estruturas ósseas. Como descrito em [1]:

A palavra piezoeletricidade literalmente significa "eletricidade de pressão": o

prefixo piezo é derivado da palavra grega piezin, que significa pressão.

Piezoeletricidade é uma polarização elétrica produzida por certos materiais,

como algumas moléculas e cristais, quando submetidos a uma deformação

mecânica. A estrutura do colágeno ósseo preenche as características de

material piezoelétrico, que sob deformação mecânica (como a produzida por

tração, compressão ou torção) pode sofrer modificações espaciais,

produzindo uma polarização elétrica.

Para facilitar esse procedimento de ganho ósseo, são utilizados dispositivos assistivos

auxiliares de marcha, tais como muletas, bengalas, entre outros. Com isso, surgiu a

necessidade de mensurar a força aplicada tanto nos membros inferiores quanto nos superiores,

a fim de se evitar sobrepesos e novas lesões ou cargas abaixo do adequado. Assim, são

desenvolvidos dispositivos eletrônicos com sistemas de biofeedback. Como definido por [2]:

Os equipamentos de biofeedback são dispositivos eletrônicos dotados de

sensores capazes de coletar pequenos sinais elétricos do indivíduo, processá-

los e transformá-los em informações compreensíveis e psicoeducativas, tais

como: valores numéricos, gráficos, imagens e sons.

1.1 Objetivos Gerais

Este projeto tem como objetivos o desenvolvimento de um sistema de integração sem

fio entre esses dispositivos eletrônicos assistivos auxiliares de marcha, que colaboram com o

processo de reabilitação locomotora de pacientes. Outro objetivo é aperfeiçoar os circuitos e

26

recursos de uma muleta do tipo Lofstrand já construída e sua comunicação com o novo

sistema a ser desenvolvido.

1.2 Objetivos Específicos

Para atingir os objetivos gerais do projeto pretende-se desenvolver um aplicativo

móvel para sistema Android com uma interface amigável, onde o mesmo possa concentrar os

dados de diversos dispositivos eletrônicos que possuam comunicação Bluetooth, para serem

consultados em tempo real, por meio de representações gráficas e/ou texto.

Além disso, espera-se que o sistema envie sinais sonoros e alertas vibratórios caso

ocorra algum evento que mereça a atenção do paciente e/ou profissional da área da saúde. E

por fim, que essas informações possam ser salvas para futuras consultas.

1.3 Apresentação da Monografia

Esta monografia está dividida em capítulos e seções que têm o intuito de facilitar o

entendimento do mesmo. Nessa primeira parte foram introduzidos os conceitos de

reabilitação, do efeito piezoelétrico e de sistemas de biofeedback, além de apresentar os

objetivos do projeto.

Na segunda parte são apresentadas as fundamentações teóricas sobre o que já foi

implementado até o momento e os conceitos envolvidos na construção do aplicativo móvel.

Na sequência, são descritos os procedimentos para desenvolvimento do programa

utilizado no microcontrolador e da aplicação em si.

Após isso, são apontados os resultados alcançados e suas discussões. Por fim, é

realizada a conclusão, onde são explicitados os objetivos finalizados, bem como os que

ficaram em aberto, trazendo também possíveis melhorias.

27

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Tecnologia Assistiva

A definição da OMS (Organização Mundial da Saúde) para tecnologia assistiva [3] é:

Tecnologia assistiva é a aplicação de conhecimentos organizados e

habilidades relacionadas a produtos assistivos, incluindo sistemas e serviços.

A tecnologia assistiva é um subconjunto das tecnologias de saúde.

E também define produtos assistivos como [3]:

Produtos assistivos são produtos externos (incluindo dispositivos,

equipamentos, instrumentos ou software), especialmente produzidos ou

amplamente disponíveis, cujo propósito primário é manter ou melhorar a

funcionalidade e a independência individuais, e assim promover o bem-estar.

Os produtos assistivos também são usados para prevenir a deficiência e

condições secundárias de saúde.

Como explicitado em [3], “A OMS estima que mais de um bilhão de pessoas precisa

de um ou mais produtos assistivos. [...] estima-se que o número alcance mais de dois bilhões

em 2050”. Preocupados em aumentar o acesso dos que necessitam a esses instrumentos, a

OMS criou a Lista de Produtos Assistivos Prioritários (LPA), que traz cinquenta itens de

diversas temáticas.

Dentre esses produtos que constam na LPA estão alguns dispositivos auxiliares de

marcha, tais como bengalas, andadores, muletas, entre outros.

Um dos tipos de muletas existente é a muleta Lofstrand, mostrada na Figura 1. Esse

modelo apresenta uma braçadeira abaixo do cotovelo, na direção do antebraço.

28

Figura 1 - Muleta no modelo Lofstrand.

Fonte: Adaptado de https://medical-dictionary.thefreedictionary.com/crutches. Acesso em 1 Nov 2018.

2.2 Projetos Anteriores

Com o intuito de medir a força aplicada em uma muleta no processo de reabilitação

locomotora, em 2003 [4], foram desenvolvidos uma muleta do tipo Lofstrand

instrumentalizada e um software para aquisição e posterior análise desses dados.

Na haste inferior da muleta foram acoplados sensores do tipo strain gauges conectados

em ponte de Wheatstone completa, que detectam a deformação causada pela pressão da carga

exercida pelo usuário. O sinal proveniente dos sensores era muito baixo, da ordem de mV

(milivolts), tendo a necessidade de um amplificador de instrumentação (INA102) para o

sistema conseguir detectar as variações de tensão, um conversor analógico-digital (MAX186)

para um microcontolador conseguir operar esses dados recebidos e o próprio

microcontrolador (AT89C52) [4]. A muleta instrumentalizada desenvolvida na época

encontra-se na Figura 2.

29

Figura 2 - Muleta do tipo Lofstrand instrumentalizada.

Fonte: [4], p. 33.

Em 2013 [5], como aprimoramento ao projeto anterior, foram adicionados à muleta

instrumentalizada um módulo de biofeedback, onde um microcontrolador (PIC16F84) recebe

a massa do paciente por meio de um painel frontal que possui um teclado e um display de sete

segmentos, calcula a força máxima que pode ser aplicada no instrumento (20% do peso

corporal) e, por intermédio de um circuito comparador, aciona um buzzer caso esse valor seja

ultrapassado. O objetivo desses novos recursos era de familiarizar os usuários com o peso

apropriado a ser utilizado e evitar lesões nos membros superiores. As novas adaptações

podem ser vistas na Figura 3.

Figura 3 - Muleta do tipo Lofstrand instrumentalizada com módulo de biofeedback.

Fonte: [5], p. 261.

Já em 2014 [6], foram feitos alguns ajustes no projeto, especialmente com relação à

sensibilidade para carga mínima. Realizaram-se testes e calibrações, como mostrado na Figura

4, comparando as respostas da força aplicada obtidas via um dinamômetro e as respostas

obtidas pelos sensores da muleta utilizando um osciloscópio. Como resultado, obteve-se um

aumento na abrangência da massa corporal dos usuários que poderiam utilizar o equipamento.

30

Figura 4 - Processo de calibração da muleta.

Fonte: [6], p. 34.

Após isso, em 2017 [7], foi desenvolvida uma interface com usuário por meio de uma

aplicação Android utilizando um módulo Bluetooth e uma placa Arduino. A massa da pessoa

era colocado pelo aplicativo e os dados recebidos pelos sensores de pressão eram

disponibilizados em formato de texto na tela do celular em tempo real, como ilustra a Figura

5, e quando a força aplicada na muleta ultrapassasse os 20% do peso corporal, o aplicativo

alertava o usuário através de uma notificação sonora e vibratória. Esses dados podiam ser

armazenados em um arquivo e posteriormente lidos, quando necessário.

Figura 5 - Dados da força aplicada na muleta recebidos pelo aplicativo.

Fonte: [7], p. 42.

31

3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

O desenvolvimento deste projeto foi dividido em 4 partes: circuito amplificador, placa

Arduino Uno, módulo Bluetooth e aplicativo móvel.

3.1 Circuito Amplificador

O circuito amplificador utilizado neste projeto, do caminho que o sinal percorre desde

os sensores de pressão até a entrada da placa do Arduino Uno, é apresentado na Figura 6.

Figura 6 - Circuito de amplificação do sinal proveniente dos sensores strain gauges.

Fonte: Autoria própria.

Primeiramente os sensores strain gauges, que estão conectados em ponte de

Wheatstone completa, são alimentados pelo pino 2 do conector RJ11, e os pinos 3 e 4 contêm

a diferença de tensão devido à força aplicada. Após isso, o sinal segue a um filtro passivo

passa-baixas de 5 Hz composto pelos dois resistores de 68 kΩ e pelo capacitor de 470 nF,

com o intuito de eliminar ruídos e distorções. Depois, a informação filtrada é previamente

amplificada no amplificador de instrumentação INA110KP [8], com ganho interno de 500

32

vezes. Em seguida, os dados são novamente ampliados, agora pelo amplificador operacional

LF356N [9], configurado como um somador não-inversor e para um ganho de 2,5 vezes. Esta

configuração permite somar uma pequena tensão para calibração do circuito por meio do

potenciômetro de 250 Ω.

Tanto a alimentação do INA110KP quanto a do LF356N são provenientes de uma

fonte de tensão que fornece 15 V e –15 V correspondendo ao +Vcc e –Vcc, respectivamente.

Já a tensão de referência de 10 V para a alimentação da ponte de Wheatstone é suprida pelo

circuito integrado (CI) REF01Z [10].

Após montado o circuito em uma placa de ensaio, foram realizadas medidas

correlacionando a tensão de saída com a força aplicada aos sensores strain gauges da entrada.

Para isso, foram utilizados um multímetro, um dinamômetro e pesos padrão. O aparato

utilizado e os valores obtidos encontram-se na Figura 7 e na Tabela 1, respectivamente.

Figura 7 - Aparato utilizado para medir a força aplicada na muleta.


Tabela 1 - Valores obtidos de força e tensão para obter a equação que relaciona as duas grandezas.

Força (N) Tensão (V)

0 0,105

9 0,156

33

Força (N) Tensão (V)

16 0,210

22 0,247

28 0,285

32 0,309

40 0,363

50 0,421

60 0,479

68 0,536

78 0,598

87 0,655

96 0,717

104 0,771

113 0,828

135 0,971

157 1,118

179 1,255

196 1,369

218 1,516

238 1,644


A partir destas medidas, utilizando o programa Microsoft Excel, desenhou-se esses

pontos e a partir de sua regressão linear obteve-se a equação 1, que relaciona as duas

grandezas (força e tensão). O gráfico resultante desta equação e dos valores coletados pode

ser visto na Figura 8.

0,00 0,0 (1)

onde y é a tensão de saída do circuito e x é a força aplicada no dinamômetro.

34

Figura 8 - Gráfico obtido a partir dos dados da Tabela 1.


O eixo de tensões foi propositadamente limitado em 5 V pois este valor é o limiar

máximo de referência das portas analógicas da placa Arduino Uno. Sendo assim, substituindo

esse número na equação 1, temos que a maior força distinguível pelo microcontrolador é de

aproximadamente 754 N, o que representa cerca de 76,9 kgf.

3.2 Arduino Uno

A placa Arduino é definida por [11] (tradução do autor) como:

O Arduino é o principal ecossistema de hardware e software de código

aberto do mundo. A empresa oferece uma gama de ferramentas de software,

plataformas de hardware e documentação que permitem que praticamente

qualquer pessoa seja criativa com a tecnologia.

Já a placa utilizada nesse projeto foi a Arduino Uno, mostrada na Figura 9, por sua

facilidade de uso, dimensões compactas (comprimento de 68,6 milímetros, largura de 53,4

milímetros e massa de 25 gramas) e por ser “[...] a placa mais utilizada e documentada de toda

a família Arduino.” [12] (tradução do autor). Ela possui um microcontrolador ATmega328P,

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Ten

são

(V)

Força (N)

Dados Experimentais Linha de tendência

35

14 pinos de entrada/saída digital, 6 pinos de entrada analógica, um cristal de quartzo de 16

MHz, conexão USB e conexão para alimentação externa [12].

Figura 9 - Placa Arduino Uno.

Fonte: https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3. Acesso em 15 Nov 2018.

O sinal de saída do amplificador operacional LF356N funciona como entrada da porta

analógica A5 da placa. Após receber esse valor de tensão, e utilizando a equação 1 para

transformá-lo em força, o microcontrolador faz uma média de 50 medidas consecutivas e

envia esse valor com duas casas decimais ao módulo Bluetooth. Para programar o

Atmega328P, utiliza-se o Arduino Software (IDE – Integrated Development Environment),

onde o ambiente é escrito em Java e baseado em Processing [13] (tradução do autor). O

programa completo desenvolvido encontra-se no Apêndice A – Código da Muleta.

3.3 Módulo Bluetooth

O módulo Bluetooth utilizado para a comunicação sem fio entre a placa e o aplicativo

móvel foi o HC-05, mostrado na Figura 10.

Figura 10 - Módulo Bluetooth HC-05.

Fonte: Adaptado de www.filipeflop.com/blog/tutorial-arduino-bluetooth-hc-05-mestre/. Acesso

em 15 Nov 2018.

36

Nesse módulo encontra-se um regulador de tensão, permitindo que se alimente com

3,3 V até 5 V, possui um LED (Light Emitting Diode) de indicação se está pareado ou não,

possui alcance de 10 metros e dimensões de 26,9 milímetros de comprimento, 13 milímetros

de largura, 2,2 milímetros de profundidade e massa de 9,6 gramas [14].

Incluiu-se um divisor de tensão entre o Arduino e o módulo Bluetooth, pois a saída do

pino de transmissão TX da placa possui tensão de 5 V, já o pino de recepção RX do módulo

trabalha com tensões de 3,3 V. Os resistores utilizados foram de 1,5 kΩ e 2,2 kΩ. Também

seria possível empregar um conversor step down de 5 V para 3,3 V em vez do divisor de

tensão. O circuito entre os dois componentes é mostrado na Figura 11.

Figura 11 - Conexão entre a placa Arduino e o módulo Bluetooth.

Fonte: Adaptado de www.filipeflop.com/blog/tutorial-arduino-bluetooth-hc-05-mestre/. Acesso em 15 Nov 2018.

3.4 MIT App Inventor

A plataforma escolhida para o desenvolvimento do aplicativo móvel foi o MIT App

Inventor, definido por [15] (tradução do autor) como:

O MIT App Inventor é um ambiente de programação visual e intuitivo que

permite que todos - até mesmo crianças - criem aplicativos totalmente

funcionais para smartphones e tablets. [...] nossa ferramenta baseada em

blocos facilita a criação de aplicativos complexos e de alto impacto em um

tempo significativamente menor do que os ambientes de programação

tradicionais. O projeto MIT App Inventor busca democratizar o

37

desenvolvimento de software, capacitando todas as pessoas, especialmente

os jovens, para passar do consumo de tecnologia para a criação de

tecnologia.

É uma ferramenta baseada na nuvem, significando que se pode desenvolver aplicativos

direto de seu navegador de internet [16] (tradução do autor). Possui 2 telas, uma de design,

onde pode-se ver a representação da tela do celular e funciona com lógica de arrastar e soltar,

onde podem ser colocadas caixas de textos, botões, imagens, entre outros. E outra tela de

diagrama de blocos, onde faz-se a lógica do programa, baseadas em if, then, else, for, while,

when, entre outros. As telas são apresentadas nas Figuras 12 e 13.

Figura 12 - Tela de design da ferramenta MIT App Inventor.


Figura 13 - Tela de diagrama de blocos da ferramenta MIT App Inventor.


38

A seguir será apresentado e explicado o aplicativo desenvolvido na ferramenta para

realizar a conexão Bluetooth e mostrar os dados em um gráfico.

O aplicativo é formado por 3 telas: a tela inicial, mostrada na Figura 14, onde são

disponibilizadas as informações do sistema e botões representando os dispositivos eletrônicos

assistivos auxiliares de marcha (nesse caso, apenas a tela da Muleta é funcional), e outras duas

telas representado a Muleta e a Palmilha, telas 2 e 3, respectivamente. Todos os diagramas de

blocos do aplicativo encontram-se no Apêndice B – Diagramas de blocos.

Figura 14 - Tela inicial do aplicativo.


A tela 3 é apenas ilustrativa, para servir de exemplo de como seriam as telas de outros

dispositivos, mesmo assim está mostrada na Figura 15. Contém 2 botões na parte superior,

onde sendo pressionado o de “Página Inicial” no aplicativo ou o voltar do próprio celular, a

tela é fechada, retornando assim à tela de abertura. Já quando o “Parear Bluetooth” é

pressionado, uma lista de dispositivos Bluetooth pareados é exibida, dando a opção do usuário

escolher de qual deles quer receber informações. Abaixo destes botões está um gráfico fictício

onde poderiam ser disponibilizados os dados em tempo real.

39

Figura 15 - Tela de design da tela 3 (Palmilha).


O design da tela 2, que representa a muleta, está demonstrado na Figura 16. Nela há os

mesmos dois botões que retornam à tela inicial ou fazem a conexão Bluetooth. Mais abaixo

estão duas caixas de texto onde o usuário coloca as informações da massa do paciente e a

respectiva porcentagem máxima dessa massa permitida ser aplicada na muleta.

Figura 16 - Tela de design da tela 2 (Muleta).


40

A seguir possui uma caixa de verificação permitindo que o usuário salve, na memória

interna do celular, as imagens do gráfico antes dele ser apagado e reiniciado. Assim que

pressionada, surge uma caixa de texto onde pode se digitar o nome desejado do arquivo a ser

salvo.

Após o dispositivo ser pareado, as informações serem inseridas e o botão “Iniciar” ser

pressionado, aparecem um novo rótulo de texto abaixo da porcentagem máxima, onde são

disponibilizados os dados recebidos, e um gráfico abaixo do botão “Iniciar”, onde esses dados

são desenhados em tempo real.

O gráfico já aparece com uma linha preta horizontal desenhada de uma ponta a outra e

um número escrito, que representam o máximo de massa permitida ser aplicado na muleta,

calculados utilizando os dados inseridos anteriormente, como ilustra a Figura 17. Caso esse

valor seja ultrapassado pelas informações recebidas, um sinal sonoro e um alerta vibratório

são acionados para notificar o usuário que a força aplicada está acima da adequada.

Os diagramas de blocos responsáveis por fazer toda a lógica do programa encontram-

se no Apêndice B – Diagrama de blocos.

Figura 17 - Tela do aplicativo com dados aleatórios.


41

4 RESULTADOS

Primeiramente, para testar se o aplicativo e a comunicação Bluetooth funcionaram

corretamente, foi montado um circuito de testes com um sensor de temperatura DHT11, como

mostrado na Figura 18. O programa desenvolvido para o teste encontra-se no Apêndice C –

Código de teste.

Figura 18 - Circuito de testes para o funcionamento do aplicativo e da comunicação Bluetooth.

Fonte: Adaptado de www.filipeflop.com/blog/tutorial-modulo-bluetooth-com-arduino/. Acesso em 15

Nov 2018.

Os resultados obtidos estão na Figura 19. Com a observação de que a caixa “Força

aplicada na muleta (N):”, na verdade está recebendo os dados de temperatura em ºC. Apesar

dessa consideração, a comunicação foi um sucesso, e quando o limite estipulado era

ultrapassado, o celular vibrou e emitiu o aviso sonoro. A subida coresponde ao sensor perto

da saída de ar de um notebook pessoal, onde estava mais quente. E a descida corresponde a

retirada do componente da saída de ar.

42

Figura 19 - Captura de tela do celular com o aplicativo funcionando.


Em seguida, realizou-se a comunicação recebendo os dados reais da muleta em

laboratório. O resultado pode ser visto na Figura 20.

Figura 20 - Aplicativo recebendo os dados enviados pela muleta em tempo real.


A comunicação foi um sucesso, com uma taxa de amostragem final de 10

amostras/segundo. Foi realizado um ensaio, apresentado na Tabela 2, para determinar a

precisão e exatidão do sistema, sendo a precisão como a diferença entre o valor máximo e

43

mínimo recebido para uma mesma força aplicada na muleta e exatidão sendo a diferença entre

o dado recebido pelo aplicativo e o mostrado no dinamômetro.


determinação da precisão e exatidão do sistema, sem calibração.

Dinamômetro (N) Força Mínima (N) Força Máxima (N) Precisão (N) Exatidão (N)

0 0 1,8 1,8 1,8

7 5,15 8,37 3,22 1,85

13 11,15 13,76 2,61 1,85

19 15,91 18,84 2,93 3,09

22 19,49 22,46 2,97 2,51

27 24,22 27,22 3 2,78

35 32,05 35,4 3,35 2,95

43 39,14 42,25 3,11 3,86

51 47,19 50,29 3,1 3,81

60 55,29 58,58 3,29 4,71

67 62,34 65,31 2,97 4,66

75 69,44 73,15 3,71 5,56

82 77,51 80,47 2,96 4,49

91 85,04 88,06 3,02 5,96

99 93,14 96,64 3,5 5,86

119 112,56 115,78 3,22 6,44

139 132,36 135,79 3,43 6,64

158 150,57 153,88 3,31 7,43

173 165,82 168,99 3,17 7,18

193 185,59 188,28 2,69 7,41

213 204,48 207,26 2,78 8,52


As exatidões foram variando em cada nova medição, o que se supôs ser devido ao

próprio estresse físico submetido aos extensômetros. Sendo assim, o ensaio foi novamente

realizado, agora ajustando o potenciômetro de 250 Ω a cada vez que a exatidão ultrapassasse

os 3 N, calibrando assim o sistema. Os dados encontrados no novo ensaio encontram-se na

Tabela 3.

44


determinação da precisão e exatidão do sistema, com calibração.

Dinamômetro (N) Força Mínima (N) Força Máxima (N) Precisão (N) Exatidão (N)

0 0 1,82 1,82 1,82

8 6,43 9,42 2,99 1,57

14 11,8 14,88 3,08 2,2

19 17,16 20,01 2,85 1,84

24 21,94 24,64 2,7 2,06

26 24,7 27,57 2,87 1,57

36 33,9 37,59 3,69 2,1

43 40,67 43,75 3,08 2,33

53 50,56 53,7 3,14 2,44

60 57,59 60,52 2,93 2,41

68 67,07 70,67 3,6 2,67

76 75,11 78,05 2,94 2,05

85 83,2 86,4 3,2 1,8

92 90,21 93,62 3,41 1,79

100 98,21 101,47 3,26 1,79

120 118,03 121,19 3,16 1,97

140 137,89 141,11 3,22 2,11

159 157,26 160,38 3,12 1,74

175 172,91 176,38 3,47 2,09

193 191,95 195,24 3,29 2,24

212 209,96 213,27 3,31 2,04


Pelos dados das duas tabelas encontramos o pior valor de precisão de 3,71 N

considerando os dois ensaios, o que representa aproximadamente 0,38 kg em massa, de pior

exatidão para o ensaio sem ajuste do potenciômetro de 8,52 N e de 2,67 N para o ensaio que

se realizou a calibração.

Outro objetivo era de salvar os gráficos para serem consultados posteriormente. Os

arquivos foram salvos na memória interna do celular como previsto. A pasta criada para

receber os documentos e a imagem salvada referente aos dados da Figura 20 estão

disponibilizados na Figura 21.

45

Figura 21 - Pasta criada na memória interna do celular e imagem salvada.


47

5 CONCLUSÃO

O objetivo de desenvolver um aplicativo com uma interface mais amigável aos

usuários, capaz de receber os dados de força aplicada em uma muleta Lofstrand que auxilia no

processo de reabilitação locomotora de pacientes, e que essa comunicação seja realizada em

tempo real e sem fio, foi plenamente atingido.

Os pontos de melhoria que podem ser trabalhados em próximos projetos são:

primeiramente estudar a possibilidade de simplificar o sistema, não utilizando uma placa

Arduino Uno completa, apenas um microcontrolador com 1 entrada analógica e 1 saída digital

já seria suficiente para o funcionamento do mesmo, diminuindo assim o espaço necessário

para o circuito como um todo.

Outra alternativa de melhoria seria possivelmente incluir um botão de calibração no

aplicativo para resolver o problema de exatidão do sistema, pois percebeu-se que conforme

era alterado o valor do potenciômetro, a medida ficava mais ou menos exata. Assim, o erro

poderia ser ajustado pedindo que o usuário apenas retirasse a muleta do chão e movesse o

cursor do potenciômetro até uma faixa adequada de valores.

E por fim, uma oportunidade que pode ser aproveitada seria a de integrar ao aplicativo

quaisquer outros dispositivos eletrônicos que possuam a necessidade de análise de dados em

tempo real, por comunicação sem fio, através de representações gráficas ou texto.

49

REFERÊNCIAS

[1] P. R. Lirani; M. Lazaretti-Castro, Evidências da ação de agentes físicos sobre o

metabolismo do tecido ósseo e seus potenciais usos clínicos. Arq. Bras. Endocrinol. Metab. v.

49, n. 6, Dezembro, 2005.

[2] R. Neves Neto, Biofeedback em terapia cognitivo-comportamental. Arq Med Hosp Fac

Cienc Med Santa Casa São Paulo. 2010; 55(3): 127-32.

[3] Lista de Produtos Assistivos Prioritários. Geneva: Organização Mundial da Saúde;

2017. Licença: CC BY-NC-SA 3.0 IGO.

[4] F. I. L. Leite, Desenvolvimento de uma muleta instrumentalizada para fins de

acompanhamento clínico. 2003. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São

Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2003.

[5] R. Varoto; A. M. R. Sato; C. Lins; A. Cliquet Junior, Can Simple Electronic

Instrumentation Associated with Basic Training Help Users of Assistive Devices? In:

Biodevices, 2014. Universidade de São Paulo e Universidade de Campinas. Epub ahead of

print, 2013.

[6] G. A. Zaina, Muleta instrumentada com sistema de biofeedback para treinamento de

pacientes. 2014. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Eletrônica) –

Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2014.

[7] G. A. M. Silva, Desenvolvimento de interface com o usuário para biofeedback de uma

muleta instrumentada. 2017. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em

Eletrônica) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São

Carlos, 2017.

[8] Texas Instuments. Datasheet INA110. Disponível em:

<www.ti.com/lit/ds/symlink/ina110.pdf>. Acesso em: 2 Nov 2018.

[9] STMicroelectronics. Datasheet LF356. Disponível em:

<www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/22739/STMICROELECTRONICS/LF356.html>.

Acesso em: 1 Fev 2019.

[10] Analog Devices. Datasheet REF01Z. Disponível em:

<www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/49076/AD/REF01Z.html>. Acesso em: 2 Nov

2018.

50

[11] Arduino. About Us. Disponível em: <www.arduino.cc/en/Main/AboutUs>. Acesso

em: 15 Nov 2018.

[12] Arduino. Arduino Uno Rev3. Disponível em: <https://store.arduino.cc/usa/arduino-

uno-rev3>. Acesso em: 15 Nov 2018.

[13] Arduino. Software . Disponível em: <www.arduino.cc/en/Main/Software#>. Acesso

em: 15 Nov 2018.

[14] Módulo Bluetooth RS232 HC-05. Disponível em:

<www.filipeflop.com/produto/modulo-bluetooth-rs232-hc-05/>. Acesso em: 15 Nov 2018.

[15] Massachusetts Institute of Technology. About Us. Disponível em:

<http://appinventor.mit.edu/explore/about-us.html>. Acesso em: 15 Nov 2018.

[16] Massachusetts Institute of Technology. Get Started. Disponível em:

<http://appinventor.mit.edu/explore/get-started.html>. Acesso em: 15 Nov 2018.

51

Apêndice A – Código da muleta

// Programa: Envio de dados da muleta via Bluetooth

// Define o número de valores recebidos para se fazer a média

#define contagem 50

// Inicialização das variáveis e do vetor

int sensor = 0, i = 0, j = 0;

float tensao = 0.00, forca[contagem], media = 0.00, forca_media = 0.00;

void setup()

Serial.begin(9600); // Inicia a comunicação serial

void loop()

for(i = 0; i < contagem; i++) // Loop para cada valor recebido entre 0 e 50

forca[i] = 0.00; // Zera a variável contida no vetor forca

sensor = analogRead(A5); // Lê o valor recebido e armazena na variável sensor

tensao = sensor*(5.0/1024.0); // Transforma o valor digital recebido em tensão

forca[i] = (tensao-0.0996)/0.0065; // Converte a tensão em força e armazena no vetor

forca_media = forca_media + forca[i]; // Soma o resultado à variável forca_media

media = forca_media/contagem; // Faz a média dos 50 valores recebidos

if(media < 0)

52

media = 0; // Caso esse valor seja negativo, equalize a 0

forca_media = 0.00; // Zera a variável forca_media

Serial.print(media,2); // Imprime a força com duas casas decimais

Serial.print("/"); // Imprime uma barra separando os dados

delay(10); // Espera 10 milisegundos para uma nova leitura

53

Apêndice B – Diagramas de blocos

Nesta seção serão descritos os diagramas de blocos do aplicativo. Primeiramente os

diagramas de blocos da tela inicial do aplicativo estão na Figura B-1.

Figura B-1 - Tela de diagrama de blocos da tela 1.


Os diagramas de blocos da tela 3, que corresponde a tela ilustrativa e não-funcional da

palmilha, encontram-se na Figura B-2.

Figura B-2 - Lógica de programa da tela 3 (Palmilha).


A seguir, nas Figuras B-3, B-4, B-5 e B-6, encontram-se os diagramas de blocos da

tela 2, correspondente à muleta.

Figura B-3 - Lógica de programa da tela 2 (Muleta) (1).


54



55



56

Figura B-6 – Continuação da Figura B-5.


57

Apêndice C – Código de teste

// Programa: Circuito de testes com sensor de temperatura

// Inclui a biblioteca necessária e define o tipo e o pino de leitura do sensor

#include "DHT.h"

#define dht_pin A5

#define DHTTYPE DHT11

DHT dht(dht_pin, DHTTYPE);

void setup()

Serial.begin(9600); // Inicia a comunicação serial

dht.begin();

void loop()

float t = dht.readTemperature(); // Lê o valor de temperatura e armazena na variável float

Serial.print(t); // Envia o valor pela serial

delay(1000); // Espera 1 segundo para uma nova leitura

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