desenvolvimento de uma cadeira de rodas motorizada...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTOS ACADÊMICOS DE ELETRÔNICA E MECÂNICA

CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

LETHICIA DE OLIVEIRA DOS SANTOS

RODRIGO PEREIRA MACHADO

DESENVOLVIMENTO DE UMA CADEIRA DE RODAS MOTORIZADA DE BAIXO CUSTO PARA CRIANÇAS DE ATÉ 9 ANOS

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

CURITIBA

2018

LETHICIA DE OLIVEIRA DOS SANTOS RODRIGO PEREIRA MACHADO


Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado ao Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, dos Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo.

Orientador: Prof. M.Sc. Sidney Carlos Gasoto

Coorientador: Prof. M.Sc Joel Gonçalves Pereira

CURITIBA 2018

TERMO DE APROVAÇÃO

RODRIGO PEREIRA MACHADO LETHICIA DE OLIVEIRA DOS SANTOS


Este trabalho de conclusão de curso foi apresentado no dia 3 de julho de 2018,

como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Mecatrônica Industrial, outorgado pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Os alunos foram arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

______________________________ Prof. Dr. Milton Luiz Polli Coordenador de Curso

Departamento Acadêmico de Mecânica

______________________________ Prof. M.Sc. Sérgio Moribe

Responsável pela Atividade de Trabalho de Conclusão de Curso Departamento Acadêmico de Eletrônica

BANCA EXAMINADORA

_____________________________ __________________________ Prof. Dr. Francisco Godke Prof. M.Sc. Joel Pereira UTFPR UTFPR ___________________________

Prof. M.Sc. Sidney Carlos Gasoto Orientador - UTFPR

“A Folha de Aprovação assinada encontra-se na Coordenação do Curso”

Dedicamos o presente trabalho a todas as crianças que possuem algum tipo de deficiência motora e sobrevivem aos momentos críticos da adaptação. Elas são o foco, a inspiração e o incentivo para a realização deste projeto e exemplo que nos motiva todos os dias.

AGRADECIMENTO

Agradecimento a Deus por ter nos dado saúde, força e otimismo para a realização do projeto.

Aos pais e familiares pelo incentivo e compreensão nos momentos mais difíceis. A terapeuta ocupacional Jaqueline Izabela Mendes pelo apoio no embasamento teórico na área da saúde, um dos pontos cruciais para elaboração do projeto.

Agradecimento aos professores Sidney Carlos Gasoto e Francisco Godke pela atenção, disposição, orientação e pelos bons conselhos tornando realidade todas as nossas ideias. A instituição de ensino e seu corpo docente que ofereceram a oportunidade que usufruir de toda sua estrutura como laboratórios, acervo bibliográfico e salas para reuniões para a realização do projeto.

Agradecimento a todos os amigos e colegas do curso de Mecatrônica Industrial que contribuíram diretamente ou indiretamente agregando conhecimento no projeto.

Enfim, agradecemos a todas as pessoas que fizeram parte desta etapa decisiva em nossas vidas.

“Desenvolver e disponibilizar recursos de Tecnologia Assistiva seria uma maneira concreta de neutralizar as barreiras causadas pela deficiência e possibilitar a inserção desse indivíduo nos ambientes ricos para a aprendizagem, proporcionados por sua cultura”. (GALVAO FILHO et. al., 2007)

RESUMO

SANTOS, Lethicia O; MACHADO, Rodrigo P. Desenvolvimento de uma cadeira de rodas motorizada de baixo custo para crianças de até 9 anos. 2018. 106 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial), Departamentos Acadêmicos de Eletrônica e Mecânica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.

O desenvolvimento de Tecnologias Assistivas (TA) que possa atender à crianças com deficiência motora sem condições de acesso a melhores tecnologias, torna-se necessário no mercado como uma forma de inclusão social. Além disso, o recurso assistivo tende a proporcionar autonomia para o desenvolvimento da criança, que está relacionado à execução de suas próprias ações, de maneira a atender as suas necessidades e aumentar a funcionalidade. O desenvolvimento de uma cadeira de rodas motorizadas de baixo custo vem proporcionar maior facilidade ao acesso a este equipamento de mobilidade pela população de baixa renda. Tal produto tende a ser um diferencial ao cotidiano das crianças com deficiência física, pois resulta em desenvolvimento de autonomia e independência na mobilidade, promovendo maior funcionalidade e participação social destas. Através de recursos que podem ser facilmente encontrados pela população, a cadeira de rodas motorizada para crianças foi desenvolvida de maneira a atender uma margem de idade de até 9 anos, podendo variar suas dimensões. A partir da concepção do projeto, são apresentadas as características dos componentes dos sistemas mecânico, eletrônico e programação descrevendo as soluções implementadas no desenvolvimento do protótipo. Testes realizados comprovaram a eficácia da integração destas três áreas e autonomia de 1 hora e 30 minutos realizando movimentos contínuos em ambientes de fácil locomoção. Palavras chave: Tecnologia Assistiva. Cadeira de Rodas Motorizada.

ABSTRACT

SANTOS, Lethicia O; MACHADO, Rodrigo P. Manufacturing of a low-cost motorized whellchair for children up to 9 years old. 2018. 106 p. Work Completion of Course (Course of Technology Mechatronics Industrial, Federal Technological University of Paraná), Academic Departments of Eletronics and Mechanics, UTFPR. Curitiba, 2018. The development of assistive technologies (AT) the can help children with motor disabilities, who don't have access to better technologies, becomes necessary as a way of social inclusion in the market. In addition, the assistive resource tends to provide autonomy for the child's development, which is related to the ability to do their own actions, in order to attend their own needs and increase functionality. The elaboration of a low-cost motorized wheelchair provides accessibility to this kind of equipment for low-income population. This product can make a difference in children's daily lives, because it allows them to improve their autonomy and their mobility, increasing their functionality and social interaction. With easily findable resources by the population, the motorized wheelchair for children was developed intending to attend to children until 9 years old, being able to change its size. With the project concept, it is presented the technical features of the mechanical system, electronic system and programming, describing the implemented solutions into the prototype development. Tests proved the effectiveness of these three areas and its autonomy, moving continuously for an hour and a half in an environment of easy locomotion. Keywords: Assistive Technologies, Motorized Wheelchair.

LISTA DE ILUSTRAÇÔES

Figura 1: Exemplificação de recursos da Tecnologia Assistiva. ..................... 19

Figura 2: Criança com Paralisia Cerebral ....................................................... 21

Figura 3: Exoesqueleto desenvolvido para criança com Amiotrofia Espinhal Progressiva (AEP). ......................................................................................... 22

Figura 4: Pessoa com Distrofia Muscular ....................................................... 23

Figura 5: Exemplo de um recém-nascido com Artrogripose. .......................... 24

Figura 6: Criança que sofreu uma Lesão Medular .......................................... 26

Figura 7 Cadeira com rodas do deus grego Hefesto ...................................... 27

Figura 8: Monarca espanhol Felipe II em sua cadeira com rodas .................. 27

Figura 9 Cadeira de rodas Everest/Jennings .................................................. 28

Figura 10: Cadeira de rodas modernas. ......................................................... 29

Figura 11: Estatura por idade Meninas ........................................................... 29

Figura 12: Estatura por idade Meninos ........................................................... 30

Figura 13: Peso por idade Meninas ................................................................ 30

Figura 14: Peso por idade Meninos ................................................................ 30

Figura 15: Tubos de Policloreto de Vinila (PVC) ............................................. 32

Figura 16: Exemplo de material acrílico .......................................................... 33

Figura 17: Motor de para-brisa automotivo .................................................... 34

Figura 18: Roda termoplástica ....................................................................... 35

Figura 19: Rodízio termoplástico ................................................................... 36

Figura 20: Arduino Uno Rev3 ......................................................................... 37

Figura 21: Monster Moto Shield VNH2SP30 ................................................... 38

Figura 22: Ponte H. ......................................................................................... 38

Figura 23: Funcionamento ponte H ................................................................ 39

Figura 24: Acionamento INCORRETO de uma ponte H ................................. 40

Figura 25: Multímetro medindo corrente ......................................................... 40

Figura 26: Inserção das pontas de prova........................................................ 41

Figura 27: Medição correta da corrente .......................................................... 41

Figura 28: Valor da corrente ........................................................................... 42

Figura 29 Medição dos dois motores .............................................................. 42

Figura 30: Joystick .......................................................................................... 43

Figura 31: Diagrama Joystick ......................................................................... 44

Figura 32: Bateria selada de Chumbo- Ácido ................................................. 44

Figura 33: Software – Arduino IDE ................................................................. 45

Figura 34: Modelamento da estrutura mecânica no SolidWorks ..................... 47

Figura 35: Ferramenta para circuitos elétricos Proteus ISIS ........................... 48

Figura 36: Dimensões da Cadeira de Rodas .................................................. 50

Figura 37: Estrutura da cadeira de rodas........................................................ 51

Figura 38: Distribuição do fator de segurança (Solidworks)............................ 52

Figura 39: Análise de tensão (Solidworks) ...................................................... 52

Figura 40: Fixação dos motores ..................................................................... 53

Figura 41: Cadeira de rodas motorizada desenvolvida ................................... 54

Figura 42: Assento e apoio dos pés ............................................................... 54

Figura 43: Caixa Plástica ................................................................................ 55

Figura 44: Fixação das placas eletrônicas ...................................................... 55

Figura 45: Caixa eletrônica montada .............................................................. 55

Figura 46: Rasgo para circulação do Ar.......................................................... 56

Figura 47: Furos fixação das baterias ............................................................. 57

Figura 48: Emendas nas abraçadeiras ........................................................... 57

Figura 49: Conjunto de baterias fixadas ......................................................... 58

Figura 50: Teste baterias ................................................................................ 58

Figura 51: Fixação do joystick na caixa patola ............................................... 59

Figura 52: Fixação do joystick na cadeira ....................................................... 59

Figura 53: Esquema elétrico apenas para teste inicial do sistema ................. 60

Figura 54: Esquema ligação cabo de comando .............................................. 61

Figura 55: Esquema elétrico geral do sistema ................................................ 62

Figura 56: Fluxograma de programação ......................................................... 63

Figura 57: Início do firmware .......................................................................... 64

Figura 58: Lógica de programação ................................................................. 65

Figura 59: Primeiros testes de funcionamento ................................................ 66

Figura 60: Controle de teste ........................................................................... 67

Figura 61: Roda que soltou nos testes ........................................................... 67

Figura 62: Termômetro SCANTEMP ST-600 .................................................. 68

Figura 63: Firmware após alteração para correção da rotação dos motores .. 69

Figura 64: Alteração para acionamento em rampa dos motores .................... 70

Figura 65: Arruela trava posicionada na fixação da roda com o motor ........... 71

Figura 66: Placa de potência antes dos ajustes ............................................. 72

Figura 67: Aplicação da pasta térmica em cima dos chips ............................. 72

Figura 68: Placa de potência com os dissipadores de calor ........................... 72

Figura 69: Balança .......................................................................................... 73

Figura 70: Pesos utilizados nos testes............................................................ 73

Figura 71: Teste de carga no protótipo ........................................................... 74

Figura 72 Espaço disponibilizado para o teste ............................................... 75

Figura 73 Cadeira movimentando-se sozinha no teste de autonomia ............ 75

Figura 74 Almofada para encosto lateral ........................................................ 76

Figura 75 Almofada para assento ................................................................... 76

Figura 76 Cinto de segurança ......................................................................... 77

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Estatura por idade. .......................................................................... 31

Tabela 2: Peso por idade. ............................................................................... 31

Tabela 3. Dados temperatura recomendada para o uso do Acrílico. .............. 33

Tabela 4. Teste de consumo. ......................................................................... 43

Tabela 5. Corrente com carga ........................................................................ 74

Tabela 6. Itens utilizados no projeto. .............................................................. 78

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

TA Tecnologia Assistiva

AEP Amiotrofia Espinhal Progressiva

DMP Distrofia Muscular Progressivas

DMD Distrofia Muscular de Duchenne

AMD Artogripose Múltipla Congênita

TRM Trauma Raquimedular

OI Osteogênese Imperfeita

PVC Policloreto de Vinila

MDF Chapas de Fibras de Media Densidade

CC Corrente Contínua

PWM Modulação de Largura de Pulso (Pulse Width Modulation)

ADC Conversor Analógico Digital

TWI Interface de Dois Fios (Two Wire Interface)

UART Receptor/Transmissor Assíncrono universal (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

SPI Interface Periférica Serial (Serial Peripheral Interface)

SLA Ácido de Chumbo Selado (Sealed lead acid)

VRLA Ácido de Chumbo Regulado por Válvulas (Valve regulated lead acid)

Ah Ampere hora

NiCd Níquel cádmio

UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná

EAP Estrutura Analítica de Projetos

CAD Projeto Assistido por Computador (Computer Aided Design)

3D Três dimensões

IDE Integrated Development Environment

A Ampere

V Volts

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .......................................................................................... 15 1.1 PROBLEMA ........................................................................................... 16

1.2 JUSTIFICATIVA ..................................................................................... 17

1.3 OBJETIVOS........................................................................................... 17

1.3.1 Objetivo geral ..................................................................................... 17 1.3.2 Objetivos específicos.......................................................................... 18 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................ 19 2.1 TECNOLOGIA ASSISTIVA .................................................................... 19

2.2 DISFUNÇÕES MOTORAS .................................................................... 20

2.2.1 Déficits Neurológicos .......................................................................... 20 2.2.1.1 Paralisia Cerebral ............................................................................ 20

2.2.1.2 Amiotrofia Espinhal ......................................................................... 21

2.2.1.3 Mielomeningocele / Espinha Bífida ................................................. 22

2.2.1.4 Distrofia Muscular ........................................................................... 23

2.2.2 Déficits Osteomusculares ................................................................... 23 2.2.2.1 Artrogripose ..................................................................................... 24

2.2.2.2 Lesão Medular ................................................................................ 24

2.2.2.3 Osteogênese Imperfeita .................................................................. 26

2.3 CADEIRA DE RODAS E SUA EVOLUÇÃO .......................................... 26

2.4 ANÁLISE DA ESTRUTURA DO PROTÓTIPO ...................................... 29

2.5 ANÁLISE DOS MATERIAIS PARA A ESTRUTURA DO PROTÓTIPO . 31

2.5.1 Policloreto de Vinila (PVC) ................................................................. 31 2.5.2 Polimetil-Metacrilato (Acrílico) ............................................................ 32 2.5.3 Chapas de fibras de média densidade (MDF) .................................... 33 2.5.4 Motores .............................................................................................. 34 2.5.5 Rodas e Rodízios ............................................................................... 35 2.5.5.1 Especificações das Rodas .............................................................. 35

2.5.5.2 Especificações Rodízios giratórios .................................................. 35

2.5.5.3 Cálculo da velocidade média da cadeira ......................................... 36

2.5.6 Microcontrolador ................................................................................. 36 2.5.7 Placa de potência ............................................................................... 37 2.5.8 Joystick ............................................................................................... 43 2.5.9 Baterias .............................................................................................. 44 2.5.10 Software de programação ............................................................... 45 3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ................................................. 46 3.1 Software de modelamento e estudo mecânico ...................................... 47

3.2 Desenvolvimento elétrico/eletrônico ...................................................... 47

4 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO ..................................................... 49 4.1 Sistema mecânico ................................................................................. 49

4.1.1 Dimensionamento .............................................................................. 49 4.1.2 Estrutura da Cadeira de Rodas .......................................................... 51 4.1.3 Análise de cargas ............................................................................... 51 4.1.4 Fixação dos motores e rodas ............................................................. 53 4.1.5 Montagem da Cadeira ........................................................................ 53 4.1.6 Fixação das placas eletrônicas, eletro ventilador e bateria 9V ........... 54

4.1.7 Fixação das baterias .......................................................................... 56 4.1.8 Fixação do Joystick ............................................................................ 58 4.2 Sistema Eletrônico ................................................................................. 59

4.2.1 Inserção do cabo de comando ........................................................... 60 4.2.2 Ligações elétricas ............................................................................... 61 4.3 Estrutura de Programação ..................................................................... 62

4.4 Primeiros testes de funcionamento ........................................................ 65

4.5 Ajustes necessários ............................................................................... 69

4.5.1 Ajuste rotação dos motores ................................................................ 69 4.5.2 Ajuste para acionamento em rampa ................................................... 70 4.5.3 Ajuste para roda dianteira .................................................................. 70 4.5.4 Ajuste para problema de temperatura ................................................ 71 4.6 Testes de carga na cadeira ................................................................... 73

4.7 Medições finais ...................................................................................... 74

4.8 Teste de autonomia das baterias........................................................... 74

4.9 Acabamentos ......................................................................................... 76

4.10 Relação de custos ................................................................................. 77

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................... 79 5.1 Sugestões para trabalhos futuros .......................................................... 81

REFERÊNCIAS .............................................................................................. 83 APÊNDICE(S) ................................................................................................ 86 ANEXO(S) .................................................................................................... 101

15

1 INTRODUÇÃO

Pesquisas realizadas pelo Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

(IBGE) indicam que aproximadamente 45,6 milhões de brasileiros possuem algum

tipo de deficiência e cerca de 13,2 milhões possuem deficiência motora,

representando 7% da população nacional (IBGE, 2010).

A Tecnologia Assistiva (TA) é a área que engloba práticas que objetivam

promover a inclusão social. O termo foi criado em 1988, na legislação norte-

americana, desenvolvido para identificar todos os recursos e serviços que possam

contribuir para proporcionar ou ampliar as habilidades de pessoas com deficiência.

Divididas em dez áreas de diferentes categorias, de acordo com os seus objetivos

funcionais, a TA é regulamentada pela ISO 9999 (BERSCH, 2006).

A cadeira de rodas é um recurso da TA, que proporciona melhor qualidade de

vida e independência em usuários com deficiência física, tornando-se muitas vezes

indispensável para pessoas portadoras de deficiência motora. A tecnologia busca

desenvolver equipamentos que favoreçam o conforto, segurança e posicionamento

adequado da cadeira de rodas, em busca de maior qualidade, autonomia e

funcionalidade possível. O desenvolvimento de TA que possa atender a crianças

com deficiência motora sem condições de acesso a melhores tecnologias, torna-se

necessário no mercado como uma forma de inclusão social. Além disso o recurso

assistivo tende a proporcionar autonomia para o desenvolvimento da criança, que

está relacionado à execução de suas próprias ações, de maneira a atender as suas

necessidades e aumentar a funcionalidade.

A categoria mobilidade pessoal está destinada a atender pessoas que

possuam a perda da atividade motora, realizando adaptações de acordo com os

diferentes níveis de lesão, grau de independência e a funcionalidade. Patologias

como paralisia cerebral, lesão medular e doenças neuromusculares são alguns

exemplos onde a TA se faz presente em grande nível de atuação (BERSCH, 2006).

As crianças com deficiência física têm grandes dificuldades e muitas vezes

não conseguem se locomover. A dependência gerada pela dificuldade em se

locomover pode ser prejudicial ao seu desenvolvimento cognitivo (ANTONELI,

2006).

16

A escolha da cadeira de rodas manual ou motorizada está relacionada às

necessidades do indivíduo dentro da comunidade e suas condições

socioeconômicas. Muitos fatores influenciam no processo de adaptação de uma

cadeira de rodas, as questões econômicas são as mais significativas para casos

onde o paciente não tem condições físicas de utilizar uma cadeira de rodas manual.

O custo elevado de cadeira de rodas motorizada dificulta o acesso a novas

tecnologias desenvolvidas no mercado, que é limitado a somente uma parte das

pessoas com deficiência. Além de custos elevados, as cadeiras de rodas

motorizadas possuem peso elevado, modelos grandes e muitas vezes pouco

adaptáveis a crianças.

Com o intuito de desenvolver um projeto que atenda às necessidades vistas

no mercado, o projeto consiste na realização de uma cadeira de rodas de baixo custo

destinado a crianças com idade de até 9 anos. Utilizando produtos que possam ser

facilmente encontrados no mercado, de baixa complexidade de projeto e materiais

mais leves para que possam ser desenvolvidas de maneira simples e rápida.

1.1 PROBLEMA

A dificuldade no acesso à dispositivos de Tecnologia Assistiva, como uma

cadeira de rodas motorizada, faz com que o desenvolvimento de pessoas com

deficiências físicas seja prejudicado desde as primeiras fases de suas vidas, pois

estes dispositivos funcionam como uma ferramenta que irá auxiliar a inclusão destas

pessoas na sociedade. Em grande parte, as cadeiras de rodas motorizadas possuem

um peso elevado e uma estrutura muito complexa dificultando assim a utilização e

adaptação destas cadeiras para crianças. Outra problemática encontrada nos

modelos atuais de cadeiras de rodas são as peças para manutenção onde na maioria

das vezes são itens disponibilizados exclusivamente pelos fornecedores e com altos

custos para aquisição, fazendo com que os usuários se tornem reféns dos

fabricantes.

Sendo assim o desenvolvimento de equipamentos com materiais mais leves,

de fácil acesso a população e que atendam às necessidades destas pessoas torna-

se cada vez mais necessário para garantir maior autonomia para pessoas com

deficiências físicas.

17

1.2 JUSTIFICATIVA

No mercado existem diferentes modelos de cadeiras de rodas motorizadas,

se compararmos o valor atual do salário mínimo brasileiro, R$937,00, com o valor

dos modelos mais simples, que estão na faixa de R$ 2500,00, pode-se notar a

grande dificuldade que pessoas de baixa renda tem em adquirir este equipamento.

A dificuldade de acesso a equipamentos de mobilidade traz restrições a

participação de crianças com deficiência física no âmbito social. Estudos comprovam

que apenas 30% das crianças com deficiência física estão matriculadas na rede

pública de ensino pelo motivo de não ter mobilidade até as escolas, equipamentos

que lhe auxiliem no âmbito escolar e transporte adequado a suas necessidades

(IBGE,2010).

Além da escola existem outros espaços que compõem o cotidiano da criança

e são apoiadores de seu desenvolvimento, permitindo aprendizado através do

brincar, lazer e participação social. A exploração de tais espaços pela criança com

dificuldade de mobilidade torna-se limitada, então a criança fica dependente de

alguém para realizar atividades básicas como passear, brincar e interagir com outras

crianças.

Sendo assim, o desenvolvimento de uma cadeira de rodas motorizadas de

baixo custo vem proporcionar maior facilidade ao acesso a este equipamento pela

população de baixa renda. Tal produto tende a ser um diferencial ao cotidiano das

crianças com deficiência física, pois resulta em desenvolvimento de autonomia e

independência na mobilidade, promovendo maior funcionalidade e participação

social dessas crianças.

1.3 OBJETIVOS

Além de aprimorar os conhecimentos adquiridos durante o curso tem-se

como objetivos os itens abaixo descritos.

1.3.1 Objetivo geral

Atender a necessidade da população com eficiência motora, desenvolvendo

uma cadeira de rodas motorizada de baixo custo, destinadas a crianças com

18

deficiências físicas de até 9 anos de idade, utilizando materiais facilmente

encontrados no mercado.

1.3.2 Objetivos específicos

• Projetar uma cadeira de rodas motorizada de baixo custo, destinada a

crianças;

• Utilizar matéria prima facilmente encontrada no mercado;

• Desenvolver um produto de fácil reprodução, tendo em vista que esta pessoa

poderá obter conhecimentos da montagem do produto a partir do seu manual;

• Integração dos sistemas mecânicos e eletrônicos, construindo o protótipo;

• Testes de funcionamento e funcionalidade;

19

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Nesta seção é apresentado uma revisão bibliográfica dos principais aspectos

que se referem a um projeto de uma cadeira de rodas, desde o embasamento teórico

dos problemas causadores de imobilidades, estudo da origem das cadeiras de rodas,

como análises referentes aos materiais utilizados para compor o protótipo.

2.1 TECNOLOGIA ASSISTIVA

Pessoas com deficiência buscam os seus direitos de inclusão social, o que

gera em muitos países a necessidade e criação de políticas públicas para que estas

pessoas tenham a assistência necessária. Com o auxílio da tecnologia assistiva a

inclusão, em todos os aspectos da vida, torna-se cada vez mais eficaz.

Essa ajuda técnica integra o conhecimento de diversas áreas, utilizando de

recursos e serviços para contribuir, proporcionar e ampliar as habilidades funcionais

de pessoas com deficiência (BERSCH, 2006).

Os recursos são qualquer equipamento, produto ou sistema desenvolvido sob

medida que auxiliam na capacidade funcional das pessoas com deficiência.

Complexos sistemas computadorizados, bengalas, dispositivos de adequação

postural, mobilidade motorizada e manual, equipamento de comunicação alternativa

e auxílios visuais são recursos da tecnologia assistiva. Na figura 1 pode-se observar

alguns exemplos de recursos.

Figura 1: Exemplificação de recursos da Tecnologia Assistiva. Fonte: Adaptado de imagens obtidas da internet.

20

Serviços são as atividades desenvolvidas por um profissional como um

instrumento de tecnologia assistiva às pessoas com deficiência. Alguns exemplos de

serviços existentes nesta área podem ser a fisioterapia, terapia ocupacional,

educação, psicologia, medicina e engenharia (SARTORETTO et. al., 2017).

2.2 DISFUNÇÕES MOTORAS

Nesta seção é apresentada uma revisão bibliográfica das principais causas

de disfunções motoras, onde podemos classificá-las como deficiências por déficits

neurológicos e osteomusculares.

2.2.1 Déficits Neurológicos

Pode-se considerar como déficits neurológicos todos os distúrbios que se

referem a deterioração ou lesão do sistema nervoso (TEIXEIRA, 2018).

2.2.1.1 Paralisia Cerebral

A medicina pediátrica intensificou os cuidados nos períodos pré e pós-natal,

porém, índices atuais mostram que em países desenvolvidos, os casos de Paralisia

Cerebral encontram-se entre 1,5 e 2,5 para cada 1000 nascidos e em países em

desenvolvimento, 7 para cada 1000 nascidos vivos ainda sofrem de algum mal

congênito. Esta patologia é resultante de uma lesão cerebral estática que

normalmente ocorre entre os períodos pré e pós-natal, caracterizada por disfunções

sensoriais e motoras como a falta de controle sobre os movimentos, modificações

adaptativas do comprimento muscular, muitas vezes levando a deformidades

ósseas. (OLIVEIRA et. al., 2013)

Em casos de crianças com esta deficiência, como visto na figura 2, os

tratamentos visam a colocação da criança em condições de se integrar na vida

comunitária. Sendo enviadas a centros especializados onde deverão ser atendidos

por uma equipe de especialistas em neuropediatria, fisioterapia, terapia ocupacional

e apoio psicológico. Dentre os tratamentos realizados no tratamento fisioterapêutico

de um paciente com paralisia pode-se destacar: hidroterapia, equoterapia,

cinesioterapia e recursos como bolas, rolos, esteiras. (OLIVEIRA et. al., 2013)

21

Figura 2: Criança com Paralisia Cerebral

Fonte: Garcia (2014)

2.2.1.2 Amiotrofia Espinhal

A Amiotrofia Espinhal Progressiva (AEP) tem sua ocorrência de um para cada

dez mil nascimentos, é caracterizada como uma doença genética que afeta o corpo

do neurônio motor degenerando os neurônios no corno anterior da medula espinhal

causando atrofia muscular em seus portadores. Pacientes com AEP apresentam

fraqueza musculares progressivas com predomínio nas porções próximas dos

membros (SOARES et. al., 2006).

A AEP é diagnosticada pelo quadro clínico e por exames

complementares como eletroneuromiografia, biópsia muscular e investigação

genética. Pode-se classificar a Amiotrofia Espinhal Progressiva em três tipos

diferenciados de acordo o grau de comprometimento motor e o início da

sintomatologia. O tipo mais grave da amiotrofia tem início antes dos seis meses de

vida, as crianças não chegam a rolar ou sentar sem apoio e tem um grave

comprometimento respiratório e motor. O tipo II inicia-se antes dos 18 meses e as

crianças conseguem sentar sem apoio, porém não chegam a andar. O tipo III é

considerado a forma mais branda da amiotrofia com início após os dois anos de vida,

apresentando algum período de deambulação com grande variabilidade na evolução

clínica (SOARES et. al., 2006).

O desenvolvimento cognitivo da pessoa com deficiência encontra-se

preservado, tendo como desafio não somente a sobrevivência, pois a expectativa de

vida é pequena devido a paralisia progressiva dos músculos respiratórios, mas a

22

integridade do desenvolvimento e as intervenções para minimizar as deformidades

e complicações respiratórias da doença. Pode-se observar na figura 3 que a

fisioterapia se torna de extrema importância do ponto de vista motor e respiratório

atuando na preservação e tratamento de deformidades ósseas e distúrbios

respiratórios (SOARES et. al., 2006).

Figura 3: Exoesqueleto desenvolvido para criança com Amiotrofia Espinhal Progressiva (AEP).

Fonte: Machado Fernandes (2016).

2.2.1.3 Mielomeningocele / Espinha Bífida

A mielomeningocele tem uma ocorrência de um para cada 1000 nascidos

vivos e é considerada como a segunda causa de deficiência motora infantil. É

caracterizada por falha no fechamento do tubo neural durante a quarta semana de

gestação. A gravidade depende do local onde ocorreu a lesão medular, a

mielomeningocele afeta o sistema nervoso, sistema músculo-esquelético e gênito-

urinário. A causa dessa patologia ainda é desconhecida, porém os fatores genéticos

e ambientais têm papel significativo (BRANDÃO et. al., 2009).

A criança portadora da mielomeningocele poderá apresentar paralisia

dos membros inferiores, hidrocefalia, deformidades dos membros e da coluna

vertebral, disfunção vesical, intestinal e sexual, dificuldade de aprendizagem e risco

de desajuste psicossocial. As grandes dificuldades estão relacionadas com a

dificuldade de levantar, deambular e controlar voluntariamente os sistemas vesical e

intestinal. Para o tratamento da patologia torna-se necessário a intervenção clínica

e cirúrgica precoce, tendo o enfoque terapêutico a independência funcional da

criança no que se refere a deambulação (BRANDÃO et. al., 2009).

23

2.2.1.4 Distrofia Muscular

Este tipo de distrofia compreende um grupo heterogêneo de doenças de

caráter hereditário caracterizada por comprometimento grave, progressivo e

irreversível da musculatura esquelética, como observado na figura 4. Vários fatores

como o grau de progressão das distrofias musculares progressivas (DMP), a idade

de manifestação dos sintomas e os músculos atingidos variam entre os vários tipos

de distrofias conhecidas. Os exemplos mais conhecidos seriam das distrofias

musculares ligadas ao cromossomo X, distrofias musculares autossômicas

recessivas e das distrofias musculares autossômicas dominantes (CAROMANO,

1999).

A Distrofia Muscular de Duchenne (DMD) é considerada a mais comum

e grave das distrofias musculares, ocorre principalmente em pessoas do sexo

masculino com uma incidência de 1 para cada 3000 nascidos vivos. As

manifestações clínicas começam na infância geralmente nos três primeiros anos de

vida normalmente suspeitada na época em que a criança começa a andar. As

crianças portadoras da DMD podem apresentar déficit de equilíbrio, demora a andar,

dificuldades em subir escadas, fraqueza progressiva em membros inferiores, bem

como atraso no desenvolvimento psicomotor (CAROMANO, 1999).

Figura 4: Pessoa com Distrofia Muscular

Fonte: Genética (2017)

2.2.2 Déficits Osteomusculares

Caracterizados como o conjunto a afecções que acometem o sistema

musculoesquelético causando transtornos funcionais e mecânicos, comprometendo

a capacidade laboral de forma temporária ou permanente (LIMA, et. al., 2012).

24

2.2.2.1 Artrogripose

A Artogripose Múltipla Congênita (AMC) é um grupo de desordens

musculoesqueléticos caracterizado por múltiplas contraturas articulares presentes

desde o nascimento. Na figura 5 nota-se as principais características da AMC a

atrofia muscular, rigidez e deformidade articulares, contratura nos tecidos

subcutâneos e nos membros que apresentam forma cilíndrica (CARVALHO et. al.,

2008).

O diagnóstico é feito por avaliação neurológica, eletromiografia e

estudos de condução nervosa, dosagens de enzimas séricas e biópsia muscular. O

tratamento é de suma importância e devem se iniciar de forma precoce com a

finalidade de prevenir a instalação de outras deformidades e possibilitar o ganho de

amplitude de movimento, por profissionais das áreas de fisioterapia e terapia

ocupacional (CARVALHO et. al., 2008).

Figura 5: Exemplo de um recém-nascido com Artrogripose.

Fonte: Weinmann (2012).

2.2.2.2 Lesão Medular

O trauma raquimedular (TRM) é a agressão à medula espinhal que pode

ocasionar danos neurológicos como alterações na função motora, sensitiva e

autônoma. A metade dos traumatismos são resultados de acidentes com veículos

25

motorizados, quedas, acidentes de trabalho e esportivos, e outros decorrentes de

ferimentos por arma de fogo (BRUNI et. al., 2004).

Dentre as diversas complicações causadas pela TRM a lesão causada

na medula espinhal pode ser classificada da seguinte maneira:

• Lesão completa – as funções motora e sensitiva estão ausentes abaixo dos 3

seguimentos caudais consecutivos ao nível da lesão;

• Incompleta sensitiva – a atividade motora está presente e permanece certa

sensibilidade;

• Incompleta motora não funcional – a função motora está ausente ou com o

mínimo uso funcional;

• Incompleta motora funcional – a função motora está preservada e há

funcionalidade abaixo do nível da lesão.

O choque medular, complicação causada pelo TRM, representa a perda da

atividade reflexa na medula espinhal abaixo do nível do trauma. Neste tipo de

complicação os músculos situados abaixo do nível da lesão ficam completamente

paralisados e flácidos e os reflexos são ausentes. Ele desencadeia os efeitos

“anormais e incorretos” do organismo implicando em ações que promovam a

manutenção ou o reestabelecimento da saúde, visando a melhoria da qualidade de

vida (BRUNI et. al., 2004).

26

Figura 6: Criança que sofreu uma Lesão Medular

Fonte: Oliveira (2016)

2.2.2.3 Osteogênese Imperfeita

A osteogênese imperfeita (OI) é uma patologia rara ocorrendo um caso a cada

15000 a 20000 nascidos vivos, caracterizada pela fragilidade óssea, frouxidão

capsulo-ligamentar, a cor azulada da esclera e a surdez. O diagnóstico é realizado

mediante a história clínica, o aspecto ao exame físico e constatações radiográficas,

não existindo exame complementar de uso prático para a confirmação da doença

(SANTINI et. al., 2005).

2.3 CADEIRA DE RODAS E SUA EVOLUÇÃO

Segundo Silva e Del’Aqua, a necessidade de uma pessoa acidentada se

movimentar com mais facilidade sempre foi algo que esteve presente desde os

primeiros dias do homem na Terra. No início o homem ferido era levado nas costas

de outro indivíduo mais forte, o que foi logo substituído por pranchas trançadas por

cipós facilitando assim o transporte do enfermo. Porém é praticamente impossível

definir em qual momento o ser humano percebeu que se colocasse rodas em um

assento o trabalho de se locomover seria de certa forma menos cansativa.

Acredita-se que umas das primeiras ilustrações de uma cadeira e rodas está

em um vaso grego do século IV AC. Na figura 7 percebe-se o deus grego da

metalurgia e das artes mais finas (Hefesto) aparece sentado em uma cadeira com

rodas, porém não por causa de alguma deficiência, mas para um conforto maior

(SILVA et. al., 2012).

27

Figura 7 Cadeira com rodas do deus grego Hefesto

Fonte - SILVA et. al. (2012)

Uma das mais marcantes cadeiras de rodas da história é a utilizada pelo rei

Felipe II, da Espanha de 1595. Ela está ilustrada na figura 8 podendo ser encontrada

no Disability Museum e era utilizada para transportar o rei pelos cômodos do palácio

com enorme cuidado, poderia também ser inclinada e possuía mecanismos para

repouso dos pés transformando-se em um leito para o repouso do rei espanhol

(SILVA et. al., 2012).

Figura 8: Monarca espanhol Felipe II em sua cadeira com rodas

Fonte - SILVA et. al. (2012)

No ano de 1933 o norte-americano Herbert A. Everest encomendou a sua

cadeira de rodas que poderia ser transportada dentro de um automóvel, o que foi

decisivo para o objetivo de desenvolver cadeira de rodas mais versáteis. O

engenheiro H.C. Jennings construiu para Herbert uma cadeira de rodas que tinha a

característica ser dobrável, figura 9, com o sucesso da invenção o modelo foi

28

patenteado e utilizado por décadas com a marca Everest/Jennings (SILVA et. al.,

2012).

Figura 9 Cadeira de rodas Everest/Jennings

Fonte – SILVA et. al. (2012)

Com o avanço da tecnologia vários modelos de cadeiras de rodas foram

criados com o objetivo de proporcionar ao seu usuário maior mobilidade e

independência, a evolução das cadeiras de rodas motorizadas deve-se a evolução

técnica das patentes relacionadas, pode-se notar o avanço das cadeiras na figura

10. Segundo Filho (2010), as pesquisas cientificas estão voltadas à usuários com

tetraplegia ou com injurias cerebrais que não possuem os movimentos das mãos,

onde são utilizados joysticks acionados por um bulbo movido pela boca. Novas

interfaces que são acionadas pelos movimentos da cabeça por meios de sensores

de ultrassom e os mais recentes sensores inerciais, fazendo com que as cadeiras

sejam equipamentos semiautônomos devido a velocidade e confiabilidade de

comunicação por sinais mio elétricos (FILHO et. al., 2010).

29

Figura 10: Cadeira de rodas modernas.

Fonte: SILVA et al. (2012).

2.4 ANÁLISE DA ESTRUTURA DO PROTÓTIPO

Com o intuito de estipular as melhores dimensões para a cadeira de rodas

levando em conta crianças na faixa etária de 5 a 9 anos, foram utilizados como

referência as figuras 11, 12, 13 e 14 retiradas das Cadernetas da Saúde para

Meninos e Meninas formuladas pelo Ministério da Saúde.

Figura 11: Estatura por idade Meninas

Fonte: Ministério da Saúde (2007)

30

Figura 12: Estatura por idade Meninos

Fonte: Ministério da Saúde (2007).

Figura 13: Peso por idade Meninas Fonte: Ministério da Saúde (2007)

Figura 14: Peso por idade Meninos Fonte: Ministério da Saúde (2007)

As tabelas 1 e 2 mostram os dados de relação da Idade, estatura e peso para

ambos os sexos que foram selecionados como base para o levantamento de dados

do projeto (MINISTÉRIO DA SAÚDE. 2007).

31

Idade 5 anos 9 anos

Estatura Mín. 95 cm 127 cm

Máx. 115 cm 139 cm

Tabela 1: Estatura por idade. Fonte: Adaptado do Ministério da Saúde- Caderneta de saúde criança

Idade 5 anos 9 anos

Peso Mín. 16 kg 24 kg

Máx. 21 kg 33 kg

Tabela 2: Peso por idade. Fonte: Adaptado do Ministério da Saúde- Caderneta de saúde criança

Utilizando os dados das tabelas 1 e 2, foi definido que a cadeira motorizada

poderá ser utilizada para crianças de até 9 anos de idade, assim terá que suportar

crianças até 33 kg e com uma estatura média de 145 cm.

2.5 ANÁLISE DOS MATERIAIS PARA A ESTRUTURA DO PROTÓTIPO

Os materiais utilizados no projeto visam atender os requisitos do projeto em

relação ao valor total do produto, segurança do usuário e baixa complexidade

estrutural.

2.5.1 Policloreto de Vinila (PVC)

A utilização de materiais leves e de baixo custo, que possam ser facilmente

encontrados no mercado é o um dos objetivos deste trabalho acadêmico. O

Policloreto de vinila (PVC), ilustrado na figura 15, mostra excelente relação custo-

benefício quando comparado com outros materiais (Madeira, metais e cerâmicas),

além de proporcionar a fácil montagem do equipamento.

As principais características do PVC são:

• É um material leve, 1,4 g/cm³, facilitando seu manuseio e aplicações;

• Resistente à ação de fungos, bactérias e insetos;

• Bom isolante térmico, elétrico e acústico;

• Sólido e resistente a choques;

32

• Impermeável a gases e líquidos;

• Resistente às intempéries (sol, chuva, vento e maresia);

• Durável: pode ter vida útil estimada em 50 anos;

• Comportamento antichama, é auto extinguível;

• Versátil e ambientalmente correto;

• Resistência química, exceto a solventes com base em hidrocarbonetos.

Além de possuir todas as características importantes para um projeto

de baixo custo, o PVC possui excelentes propriedades que garantem a sua

confiabilidade em aplicações diversas como a fácil assepsia.

Figura 15: Tubos de Policloreto de Vinila (PVC) Fonte: Portal Itabirinha (2017)

2.5.2 Polimetil-Metacrilato (Acrílico)

O acrílico é considerado uma resina preparada a partir do ácido acrílico e

baseado em uma estrutura química de polimetil metacrilato. Esse material é muito

utilizado devido a suas propriedades ópticas como a transparências e a perda de

transmissão de luz. Possui alta durabilidade, porém quando utilizada em

temperaturas elevadas pode perder algumas propriedades. A tabela 3 mostra dados

da utilização do Acrílico para altas temperaturas (METALICA, 2018).

33

Tipo Temperatura

Chapas Fundidas

De 85ºC a 90ºC para artigos planos De 80ºC a 85ºC para artigos termoformados

Chapas Extrusadas

De 75ºC a 80ºC

Tabela 3. Dados temperatura recomendada para o uso do Acrílico. Fonte: Adaptado do Portal Metálica - Construção civil

As propriedades mecânicas do acrílico como boa resistência a intempéries,

resistência à abrasão, resistência química e moderada resistência mecânica são

algumas das vantagens que o material pode oferecer, além de sua baixa alteração

dimensional na presença de umidade, chegando a ser menor que 0.5% (METALICA,

2018).

Figura 16: Exemplo de material acrílico

Fonte: METALICA (2018)

No projeto ele estará sendo utilizado para a fixação dos motores na estrutura

mecânica da cadeira por meio de parafusos e outros elementos de fixação.

2.5.3 Chapas de fibras de média densidade (MDF)

O MDF é um painel de fibras de madeira e resinas sintéticas, que possui

composição homogênea, entre suas vantagens encontra-se a resistência e

estabilidade.

Este material não deve ser exposto à ação da água e a utilização em ambientes

de umidade excessiva, para casos de peso sobre ele é necessário analisar a

34

espessura adequada. Muito utilizado em fabricação de móveis, possui facilidade em

sua modificação para usos diversos, é um material leve e resistente (MONTAGE,

2018).

2.5.4 Motores

Para este projeto serão propostos dois motores de limpador de para-brisa

automotivo, compostos por um motor de corrente contínua (CC) acoplado a uma

caixa de redução proporcionando assim o torque necessário para realizar os

movimentos da cadeira de rodas. Foi escolhido este motor pois apresenta

características semelhantes a outros motores utilizados em cadeiras de rodas

convencionais, porém com um custo inferior aos encontrados nestas cadeiras. Os

motores CC têm seu funcionamento baseado na relação entre o campo magnético

fixo e o campo magnético produzido pela corrente que circula no condutor. Esta

relação provoca o aparecimento de uma força que expulsa o condutor para fora do

campo magnético fixo gerando o movimento (ELETROBRÁS, 2003).

Um motor elétrico CC possui dois terminais elétricos, um positivo e outro

negativo. Aplicando uma corrente no sentido normal do motor o eixo gira em um

sentido e invertendo a corrente o motor gira para o sentido contrário (ELETROBRÁS,

2003).

O motor selecionado foi o Motor Bosch CHP F 006 B20 093 12V, conforme

ilustrado na figura 17. Este item foi selecionado pois o custo em relação aos outros

motores de para-brisa automotivo era o mais acessível.

Figura 17: Motor de para-brisa automotivo

Fonte: Bosch (2018)

35

2.5.5 Rodas e Rodízios

Para a movimentação da cadeira serão utilizados rodas e rodízios giratórios

fabricados com borracha termoplástica, como visto nas figuras 18 e 19, a escolha

destes modelos se deu devido a facilidade de encontrar no mercado e o material

termoplástico que possibilita a cadeira uma boa mobilidade em terrenos como

concreto liso, madeira, metálico, cerâmica e epóxi. Estes modelos de rodas são

indicados para cargas leves e médias.

2.5.5.1 Especificações das Rodas

• Referência padrão: 612 BP

• Diâmetro da roda: 6”

• Largura da banda: 32mm

• Diâmetro do furo do eixo: 8mm

• Capacidade de carga: 130kg

Figura 18: Roda termoplástica

Fonte: Canteiro Maquinas (2018)

2.5.5.2 Especificações Rodízios giratórios

• Referência padrão: GLR 512 BP

• Diâmetro da roda: 5’’

• Largura da banda: 32mm

• Diâmetro do furo do eixo: 8mm

• Espessura do garfo: 3mm

• Altura do rodízio: 158mm

• Capacidade de carga: 110kg

36

Figura 19: Rodízio termoplástico Fonte: Canteiro Maquinas (2018)

2.5.5.3 Cálculo da velocidade média da cadeira

Utilizando como base as especificações das rodas e do motor

podemos estipular qual será a velocidade média da cadeira de rodas antes dos

testes de funcionamento utilizando a equação 1 para cálculo de velocidade. Neste

cálculo é utilizado o diâmetro da roda dianteira 𝑑 (tendo que transformá-lo de

polegadas para metros) e a rotação do motor CC 𝑁 alimentado com a tensão

nominal. Abaixo seguem os resultados obtidos:

Diâmetro da roda (d) = 6’’ = 0,1524 m

Rotação do motor (N) = 167,5 rpm

𝑣 =𝜋 × 𝑑 × 𝑁

60 (1)

𝑣 =𝜋 × 0,1524 × 167,5

60 (2)

𝑣 = 1,33 𝑚/𝑠 (3)

𝑣 = 4,78 𝑘𝑚/ℎ (4)

2.5.6 Microcontrolador

Neste projeto será utilizado o Arduino Uno como está ilustrado na figura 20,

que é uma placa de microcontrolador baseado no ATmega328. Tem 14 pinos digitais

de entrada/saída (dos quais 6 podem ser usados como saídas PWM), 6 entradas

analógicas, um clock de 16 MHz, uma conexão USB, um conetor de alimentação,

um conetor ICSP, e um botão de reset (ARDUINO UNO, 2016). Após realizada

análise definiu-se utilizar esta placa devido a facilidade de encontrá-la no mercado e

37

o custo baixo de aquisição comparados a outras placas microcontroladas que

oferecem características técnicas semelhantes ao Arduino Uno.

O microcontrolador ATmega328 pertence à família AVR da Atmel, todos os

modelos desta família compartilham uma arquitetura e conjunto de instruções

básicas, particularmente os grupos tinyAVR (microcontroladores ATtiny) e megAVR

(os ATmega) e XMEGA (ATxmega). Os microcontroladores da família AVR possuem

arquitetura RISC de 8 bits com conceito Harvard e pipeline de um nível, memória

Flash ISP de 10.000 ciclos de escrita/apagamento, tensões de alimentação entre

1,8V e 5,5V, e possibilidade de operação em baixo consumo, além de eficiência na

geração de código, tanto em C como em assembly, comparável ao CISC (ARDUINO

UNO, 2016).

Figura 20: Arduino Uno Rev3

Fonte: Autoria própria

O megaAVR possui capacidade para código entre 8kB e 256kB,

número de pino I/O entre 23 e 54 linhas, vários periféricos integrados tais como:

ADC, PWM, interfaces de comunicação como: TWI, UART, e SPI, ideal para

aplicações de média complexidade (BERTOGNA, 2014).

2.5.7 Placa de potência

Para realizar o controle dos motores utilizados neste projeto foi selecionado

a placa de controle Monster Moto Shield VNH2SP30, que é uma placa em formato

de shield onde facilmente podemos conecta-la na placa microcontrolada Arduino

Uno que também será utilizada no projeto. Esta placa pode controlar precisamente

até dois motores de até 14A cada sendo alimentada de 5,5 a 16V, mesmo a

alimentação sendo de até 16V esta placa pode controlar motores de diversas

38

tensões devido a possiblidade de separar a tensão de entrada da placa em relação

a tensão de alimentação dos motores. O chip da Monster Moto Shield possui

integrado dentro de si duas pontes H permitindo o controle do sentido da rotação e

a velocidade. Na figura 21 pode-se notar como ela é uma placa compacta facilitando

a montagem dela no protótipo.

Figura 21: Monster Moto Shield VNH2SP30

Fonte: Baú da Eletrônica (2018)

A ponte H tem como principal função o controle de motores CC por meio de

sinais gerados por um micro controlador, podendo inverter o sentido de rotação do

motor apenas trocando a polaridade dos terminais da ponte H. O circuito é composto

por 4 chaves mecânicas ou eletrônicas posicionadas em forma de H com o motor ao

centro do circuito (Patsko, 2006). Abaixo uma exemplificação do sistema.

Figura 22: Ponte H.

Fonte: Patsko (2006).

39

O funcionamento se dá com o acionamento das chaves na diagonal opostas,

fazendo com que a corrente flua do polo positivo ao polo negativo passando pelo

motor e assim fazendo que o mesmo gire em um sentido. Se desligarmos essas

chaves e acionarmos as outras duas chaves vamos inverter a rotação do motor

(Patsko, 2006).

O acionamento das duas chaves superiores faz com que o motor pare

instantaneamente obtendo um perfeito sistema de freios, caso que também

observamos se acionarmos as duas chaves inferiores. Este efeito corre devido aos

terminais do motor estarem conectados ao mesmo polo de alimentação, gerando um

curto-circuito no motor. Não se deve acionar as chaves do mesmo lado do circuito

pois assim a corrente vai do pólo positivo ao negativo sem passar pelo motor

ocasionando um curto-circuito direto na fonte de alimentação, prejudicando os

componentes do circuito (Patsko, 2006).

Figura 23: Funcionamento ponte H


40

Figura 24: Acionamento INCORRETO de uma ponte H


Para especificar a melhor opção para a placa de controle deste projeto,

chegando assim no modelo acima descrito, foi necessário a medição da corrente que

os motores consomem utilizando baterias de 12V, um multímetro digital modelo

MINIPA ET-2082D e os motores propriamente ditos. A metodologia utilizada para

aquisição dos valores das correntes foi a seguinte:

1. Ligar o multímetro digital e selecionar a grandeza de Corrente Continua (20A),

conforme figura 25.

Figura 25: Multímetro medindo corrente


2. Conectar as pontas de provas no multímetro para a medição da corrente,

conforme figura 26.

41

Figura 26: Inserção das pontas de prova


3. Para medir a corrente consumida é necessário que abra o circuito de

alimentação do motor e insira o multímetro conforme figura 27.

Figura 27: Medição correta da corrente


42

4. Guardar o valor da corrente em uma planilha, conforme figura 28.

Figura 28: Valor da corrente


5. Inserir o segundo motor para realizar a medição da corrente consumida pelos

dos motores. Para esta medição foi montado o circuito como ilustrado na

figura 29.

Figura 29 Medição dos dois motores


Após os testes de consumo foram obtidos os seguintes valores que

estão na tabela 4.

43

Tabela 4. Teste de consumo.

Quantidade Corrente em

vazio

1 motor 8,79 A

2 motores 18,43 A


Com os valores das correntes e o modelo de placa de controle Monster

Moto Shield VNH2SP30 atendem os requisitos de funcionamento pois cada terminal

para acionamento de motor suporta até 14A e a placa tem 2 chips de acionamento

suportando o máximo de 30A no total, segundo o datasheet do fabricante que está

no anexo B.

2.5.8 Joystick

A interface para a movimentação do usuário será um joystick utilizado em

fliperamas antigos, esta escolha ocorreu devido a fácil aquisição do componente e

adaptação da criança a um controle relativamente familiar por ser de um vídeo game

muitas vezes já manuseado. A mobilidade para manusear o controle é simples pois

a haste principal o torna flexível e ao mesmo tempo robusto para a utilização diária

do equipamento. O acionamento pelo controle acontece devido a micro switch (micro

interruptores) acoplados na base inferior, estas chaves são ON/OFF e bastante

sensíveis ao toque. Nas figuras 30 e 31 podemos ter uma noção do funcionamento

do controle.

Figura 30: Joystick

Fonte: Adaptado de imagem retirada da internet

44

Figura 31: Diagrama Joystick


2.5.9 Baterias

A alimentação do sistema será com baterias seladas de chumbo-ácido, que já

são muito utilizadas em cadeiras motorizadas convencionais, equipamentos

hospitalares, luzes de emergência e nobreaks. Este modelo de bateria foi inventado

em 1859 pelo físico francês Gaston Planté, se tornando assim as primeiras baterias

a serem comercializadas (RONTEK, 2018). Na figura 32 notamos como a bateria é

compacta e selada, evitando vazamentos do seu eletrólito.

Figura 32: Bateria selada de Chumbo- Ácido


As baterias de Chumbo-Ácido podem ser classificadas em dois modelos, SLA

(sealed lead acid – bateria selada de chumbo-ácido) e VRLA (valve regulated lead

acid – bateria de chumbo-ácido regulada por válvula), tecnicamente as duas baterias

são as mesmas, para os modelos SLA a faixa de capacidade varia entre 0,2 Ah a 30

Ah. Já os modelos VRLA vão de 30 Ah até milhares de Ah.

45

A vantagem da utilização destas baterias é a capacidade de recarregar a várias

vezes sem obter o efeito memória, que ocorre em baterias de NiCd (níquel cádmio)

cada vez que não eram descarregadas corretamente apresentavam menor

capacidade na recarga. A grande desvantagem na utilização das baterias de

Chumbo-Ácidas é o peso considerável que elas possuem dependendo da

capacidade de carga suportada.

2.5.10 Software de programação

De acordo com McRoberts (2011), para programar o Arduino utiliza-se o IDE

(Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado)

do Arduino, um software livre no qual se escreve o código na linguagem que o

Arduino compreende (baseada na linguagem C). O IDE, representado na Figura 33,

permite que se escreva um programa de computador, que é um conjunto de

variáveis, definições e chamadas de funções que realizam alguma ação, das quais

se faz o upload para o Arduino. O Arduino, então, executará essas instruções,

interagindo com o que estiver conectado a ele. No mundo do Arduino, programas

são conhecidos como sketches (rascunho, ou esboço). O hardware e o software do

Arduino são ambos de fonte aberta, o que significa que o código, os esquemas e o

projeto podem ser utilizados livremente por qualquer pessoa com qualquer propósito.

Figura 33: Software – Arduino IDE


46

3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

O presente projeto baseia-se na pesquisa de natureza aplicada e

exploratória, que propõe gerar conhecimentos para a aplicação prática que serão

dirigidos a solução dos problemas estabelecidos (SILVA, et.al, 2005). Os

procedimentos utilizados para esta pesquisa serão levantamento bibliográfico e

análises de exemplos que estimulem a compreensão.

O levantamento e atualização de bibliografia especializada, referente ao

tema de pesquisa, utilizando para isso os recursos existentes na biblioteca da

Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), seja nos periódicos e livros

de seu acervo, seja através de recuperação de mecanismos ali existentes para

fontes secundárias, também através de acesso às informações disponibilizadas na

internet. O local de execução do projeto foi nas dependências da própria

universidade e na residência de um dos integrantes do projeto.

Para o desenvolvimento de projetos multidisciplinares onde possuem

conhecimentos das áreas mecânica, eletrônica e computacional geralmente inicia-

se pelo desenvolvimento do sistema mecânico que deverá levantar parâmetros para

o dimensionamento eletrônico, e em seguida para o computacional (VIDAL et. al.,

2010). A metodologia utilizada nas tarefas de montagem e funcionamento do

protótipo está listada a seguir:

• Aquisição dos componentes;

• Montagem da estrutura mecânica;

• Testes em bancada do conjunto eletrônico;

• Montagem do conjunto eletrônico;

• Montagem do conjunto mecânico

• Definição das ações da cadeira definindo assim a estrutura da programação;

• Teste inicial do protótipo;

• Ajustes necessários;

• Testes de carga.

• Acabamentos estéticos.

47

3.1 Software de modelamento e estudo mecânico

O dimensionamento mecânico assim como simulações de carga do protótipo

foi realizado com o SolidWorks que é um software Computer Aided Design (CAD)

muito utilizado no âmbito industrial, com esta ferramenta é possível a geração de

objetos, modelamentos e edição de peças em três dimensões (3D). Além do

modelamento outra característica importante é a simulação de movimentos ou até

mesmo a realização de analises de carga com a aplicação de forças nos objetos

criados. Por estes motivos a aplicação desta ferramenta torna-se de suma

importância para o presente projeto, podendo prever melhorias e falhas em sua

estrutura mecânica, na figura 34 pode-se ver o modelamento da cadeira.

Figura 34: Modelamento da estrutura mecânica no SolidWorks


3.2 Desenvolvimento elétrico/eletrônico

Os diagramas elétricos foram realizados através da ferramenta Proteus Isis

que permite a geração de circuitos elétricos/eletrônicos, também simulações de

funcionamentos destes circuitos. A ferramenta possui uma variedade de utilizações

e bibliotecas, a Figura 35 ilustra o ambiente de trabalho da ferramenta.

48

Figura 35: Ferramenta para circuitos elétricos Proteus ISIS


49

4 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO

Os componentes e quantidades dos itens utilizados no projeto foram

separados em três grupos para melhor visualização do conjunto. Os grupos foram

denominados em Mecânica, Eletrônica e Programação.

Mecânica

• 6m Tubo PVC 25 mm;

• 47 Conexões PVC;

• 2 Chapas de acrílico 20x12mm;

• Cola para tubo de PVC;

• Parafusos auto atarraxante;

• Parafusos;

• Arruela de pressão;

• Arruela lisa;

• Porca.

Eletrônica

• Arduino Uno Rev3

• Monster Moto Shield VNH2SP30

• Motor 12Vcc

• Eletroventilador 12Vcc

• Bateria Selada 12Vcc 12Ah

• Joystick

• Cabos de sinais

• Bateria 9V

• Chave liga/desliga

4.1 Sistema mecânico

O sistema mecânico de uma cadeira de rodas motorizada consiste na estrutura

e o processo de fixação dos componentes eletrônicos e mecânicos utilizados.

4.1.1 Dimensionamento

O levantamento de medidas foi realizado com base no dimensionamento de uma

criança de 145cm de altura. Foi desenvolvido um esboço inicial com as medidas de:

50

• Assento ao topo do ombro;

• Profundidade do tronco;

• Profundidade do Assento;

• Comprimento do pé;

• Largura do ombro;

• Largura do Quadril;

• Altura do pedal.

Para a aprovação das medidas, a modelagem de um manequim 3D no

software com as dimensões aproximadas de uma criança foi utilizada para esboçar

a cadeira inicial que pode ser visualizada na figura 36. A modelagem do manequim

pode ser observada no Apêndice C.

Figura 36: Dimensões da Cadeira de Rodas


As dimensões obtidas e o detalhamento técnico podem ser observados no

Apêndice D.

51

4.1.2 Estrutura da Cadeira de Rodas

Após o dimensionamento inicial da estrutura, foi iniciado o processo de

desenvolvimento da estrutura da cadeira de rodas, utilizando os tubos e conexões

de PVC de ¾ “ (25 mm):

• Joelho 90º Soldável;

• “T” Soldável;

• Conexão em “X”

• Tubo PVC

Figura 37: Estrutura da cadeira de rodas


4.1.3 Análise de cargas

Foi gerado um relatório de análise com base em uma carga de 60kg,

considerando um nível de segurança acima do máximo de carga admitida pelo

projeto. Os resultados obtidos podem ser visualizados na imagem abaixo, que indica

a aprovação da estrutura da cadeira de rodas.

A análise considerou a aplicação de uma carga axial no assento e a aplicação

de uma carga radial no encosto da cadeira de rodas. As figuras 38 e 39 indicam que

os tubos que estão sobre a ação de uma força distribuída de 60kgf, considerando o

peso especificado da criança, equipamentos e componentes eletrônicos e um fator

de segurança de 1.8.

52

Figura 38: Distribuição do fator de segurança (Solidworks)


Figura 39: Análise de tensão (Solidworks)


As tensões indicam maiores deformações em uma escala de cor que varia do

vermelho para as regiões mais solicitadas e cor azul para as regiões que sofrem

53

menos esforços. Os gráficos indicam que a estrutura suporta a carga projetada com

margem de segurança, sem atingir regiões críticas de tensão.

O relatório completo pode ser visualizado no Apêndice E.

4.1.4 Fixação dos motores e rodas

Os motores primeiramente são presos em placas já previamente furadas com

os respectivos furos do motor e furos para fixação na cadeira, a distância destes

furos é especificada no site do fabricante Bosch, disponível no Anexo F. As rodas

dianteiras são fixadas no motor de para-brisa com prolongadores de rosca M8 com

20mm de comprimento, conforme figura 40, estes prolongadores de rosca são

inseridos nos furos das rodas presos diretamente no eixo dos motores, para garantir

uma boa fixação dos prolongadores travas químicas para parafuso são utilizadas.

Figura 40: Fixação dos motores


4.1.5 Montagem da Cadeira

Com os resultados positivos obtidos nas análises realizadas. A Estrutura

mecânica foi desenvolvida conforme o 3D do software e pode ser visualizada na

figura 41.

54

Figura 41: Cadeira de rodas motorizada desenvolvida


Para o assento e apoio dos pés, foram utilizadas chapas de mdf com espessura

de 6mm e 3mm, respectivamente, de acordo com o peso a ser suportado por cada

parte. A fixação destas chapas ocorreu por meio de parafusos nos tubos de PVC.

Figura 42: Assento e apoio dos pés


4.1.6 Fixação das placas eletrônicas, eletro ventilador e bateria 9V

Pensando em isolar os principais componentes eletrônicos do sistema, optou-

se em fixar os mesmos em uma caixa plástica da marca Patola PB-119 assim

evitando acidentes elétricos do usuário e uma possível contaminação com pequenos

resíduos provenientes do meio onde vai ser utilizada a cadeira. Este modelo de caixa

55

plástica normalmente já é utilizado para fixação de componentes eletrônicos como

fontes de alimentação e outros, os detalhes das montagens podem ser vistos nas

figuras 43, 44 e 45.

Figura 43: Caixa Plástica

Fonte: Patola (2018)

Figura 44: Fixação das placas eletrônicas


Figura 45: Caixa eletrônica montada


56

Pode-se observar que foi necessário a inserção de rasgos laterais na caixa para

entrada e saída de ar que servirá como resfriamento da placa de potência. Na figura

46 é possível entender como é realizada a circulação do ar dentro da caixa plástica.

Figura 46: Rasgo para circulação do Ar


A tabela 4 detalha a diferença de temperatura nos chips de controle a placa de

potência com e sem a colocação do sistema de resfriamento. Os dados foram

levantados com um termômetro infravermelho SCANTEMP ST-600.

Tabela 4: Diferença de temperatura.

Temperatura sem sistema de resfriamento

Temperatura com sistema de resfriamento

54°C 23°C


4.1.7 Fixação das baterias

Para o projeto serão utilizadas 3 baterias de Chumbo-Ácido de 12Ah, a ligação

das mesmas será feita em paralelo assim aumentando a capacidade de carga para

36Ah e mantendo a tensão em 12V. Encontramos no mercado bateria selada de

40Ah sem dificuldades, porém ao considerar preço, tamanho e peso torna-se mais

vantajoso utilizar 3 baterias de 12Ah em paralelo ao invés de uma de 40Ah.

57

Como não haverá movimentos bruscos no acionamento da cadeira pois foi

optado em utilizar uma rampa de aceleração no acionamento dos motores, também

o sistema não sofre muitos esforços axiais e radiais nas baterias, foram utilizadas

abraçadeiras de nylon Hellerman T18 para a fixação das baterias. Na figura 47 é

possível ver os furos para passagem das abraçadeiras.

Figura 47: Furos fixação das baterias


Na figura 48 é possível ver as emendas das braçadeiras e na figura 49 o

conjunto de baterias montado.

Figura 48: Emendas nas abraçadeiras


58

Figura 49: Conjunto de baterias fixadas


Para de garantir que as baterias não irão se desprender da chapa de madeira,

foi feito um simples teste erguendo a chapa com as baterias e virando-a com cuidado

e sem grandes movimentos, figura 50.

Figura 50: Teste baterias


4.1.8 Fixação do Joystick

A fixação do joystick é separada em dois momentos, a fixação do joystick em

um suporte e a fixação do suporte na cadeira de rodas. A fixação do joystick no

suporte é feita com o próprio gabarito de furação do joystick e utilização de

parafusos e porcas, o suporte que será fixado na cadeira é uma caixa plástica da

marca Patola, modelo PB-119, que serviu como caixa de passagem onde são feitas

a ligações elétricas.

Para a montagem foi necessário um furo para a mobilidade do joystick, quatro

furos para a fixação e um furo para passagem dos cabos.

59

Figura 51: Fixação do joystick na caixa patola


O furo para fixação do suporte na cadeira é o mesmo que foi utilizado para

passagem dos cabos, para dar acabamento e melhora na fixação, uma bucha é

colocada no furo de fixação do suporte, figura 52.

Figura 52: Fixação do joystick na cadeira


4.2 Sistema Eletrônico

O sistema eletrônico primeiramente foi testado fora da estrutura mecânica

com o objetivo de garantir que todos seus componentes estão em perfeito

funcionamento. Nesta etapa foram utilizados os motores de para brisa, Arduino Uno,

Monster Moto Shield, as baterias de 12V 12Ah, bateria de 9V para a alimentação do

60

microcontrolaor e chaves tácteis (push button) para simular o joystick que será

utilizado. O sistema foi montado conforme o esquema elétrico da figura 53.

Figura 53: Esquema elétrico apenas para teste inicial do sistema


Após completar os primeiros testes de funcionamento, os itens acima foram

fixados na estrutura mecânica para assim iniciar os testes de funcionamento.

4.2.1 Inserção do cabo de comando

As ligações elétricas dos cabos de sinais são feitas conforme o esquema

elétrico da figura 54 utilizando um conector DB15 para a conexão do cabo na caixa

eletrônica, após feitas as ligações o cabo de comando é passado por dentro dos

tubos até chegar no joystick onde é soldado no mesmo.

61

Figura 54: Esquema ligação cabo de comando


4.2.2 Ligações elétricas

Após todas os componentes fixados são feitas as ligações elétricas da cadeira

conforme o esquema elétrico da figura 55. Podemos notar que o sistema se inicia

com as baterias (1) ligadas na chave geral do sistema (2), que se distribui para a

alimentação em 12Vdc dos eletros ventiladores (3) e placa de potência (4). A

alimentação do Arduino no R3 (5) se dá pela bateria de 9V (6), o acionamento da

placa de potência é feito por comandos vindo do Arduino Uno R3 que recebe qual o

sinal do usuário pelo joystick (7).

62

Figura 55: Esquema elétrico geral do sistema


4.3 Estrutura de Programação

A programação foi estruturada garantindo uma maior confiabilidade nos

comandos, utilizando bibliotecas próprias da Monster Moto Shield disponibilizadas

pelo fabricante da placa de potência. O software para desenvolvimento do firmware

é a própria IDE do Arduino que utiliza a linguagem em C, onde podemos além de

escrever o programa gravar no microcontrolador e utilizar a saída serial para verificar

o funcionamento do programa.

Antes de começar a escrever o programa na IDE para obter uma melhor

visualização dos procedimentos que o firmware deve tomar optou-se em fazer um

simples fluxograma de todas as tarefas que o sistema tem no seu funcionamento,

este fluxograma encontra-se na figura 56.

63

Figura 56: Fluxograma de programação


A primeira etapa do firmware é destinada às definições de bibliotecas e

configurações dos pinos do micro controlador ATMEGA, onde serão entradas ou

saídas de dados. O comando “#define” é uma diretiva de pré processamento, onde

o compilador, antes de compilar o código, substitui todos os símbolos utilizados

declarados nas diretivas pelos seus valores, assim otimiza a escrita do código e sua

revisão, por exemplo no firmware é utilizado #define CW 1 isto significa que CW será

substituído pelo valor de 1 antes da compilação, se tornando um valor constante no

programa.

64

Figura 57: Início do firmware


A segunda etapa do firmware é a implementação da lógica utilizada no

fluxograma de programação utilizando a linguagem própria do microcontrolador, esta

lógica é alocada dentro do comando “void loop ()”, primeiramente alocamos o valor

lido na variável de entrada do micro controlador e guardamos o valor em uma variável

do programa, este valor vem do acionamento do joystick (se o usuário pressionar o

joystick para a direita o valor 1 será guardado na variável estado_direita). Vale a

pena lembrar que é selecionada as entradas e saídas digitais do micro controlador,

isto significa que o micro controlador irá interpretar e mandar comandos somente

como 1 ou 0.

A lógica implementada no projeto é relativamente simples, onde o micro

controlador fica lendo as entradas digitais e caso alguma suba de nível ele interpreta

qual entrada foi selecionada e manda o acionamento para a placa de potência pela

função “motorGo” que foi criada para melhor interpretação do código. Esta função

envia para o chip da placa de potência os valores de qual motor será acionado (motor

0 ou motor 1), se o sentido de rotação será horário ou anti-horário (CW ou CCW) e

o valor do PWM. Com este comando fica mais fácil escrever o programa pois sem

ele cada acionamento seria uma linha de programa o que futuramente pode acarretar

problemas caso precise alterar o programa, por exemplo, sem ele, se o usuário

acionar o comando de virar à direita, seria necessária uma linha para mandar o

comando de qual motor ligar, outra pra mandar o valor do PWM e outra para o sentido

de rotação, o que simplificamos em uma linha a partir deste comando. Pensando em

visualizar se os comandos acionados estão sendo realizados corretamente,

65

juntamente com os valores que são enviados para a placa de potência são escritos

na tela serial do ambiente de programação que comando foi acionado, ou seja, se o

usuário acionar o botão para ir a esquerda na tela serial é impresso o texto “MOTOR

ESQUERDA”.

Figura 58: Lógica de programação


4.4 Primeiros testes de funcionamento

Concluída a montagem do protótipo, com os itens mecânicos e eletrônicos, foi

ligado pela primeira vez o equipamento e analisados os movimentos que a cadeira

realizava a fim de verificar se seria necessário alterações no programa e itens

mecânicos sendo que a eletrônica do projeto já tinha sido testada anteriormente.

Primeiro item que foi verificado foi o movimento de aceleração da cadeira quando

era acionado o botão para ir em frente, nele foi notado que ao colocar os valores de

PWM iguais para acionamento dos motores a cadeira movimentava-se para a direita,

este caso ocorreu também quando acionava a cadeira para ir para trás. A conclusão

que foi obtida é que o motor de para-brisa na sua construção tem rotações diferentes

ao acionar no sentido horário e anti-horário.

66

Figura 59: Primeiros testes de funcionamento


Mesmo com este agravante continuou-se os testes de funcionamento para no

fim realizar juntas as alterações necessárias, assim foi verificado os movimentos

para a esquerda e direita que funcionaram conforme previsto pela programação.

Outro fator observado foi o movimento brusco ao acionar a cadeira quando a mesma

estava em repouso, este fato ocorre devido ao acionamento ser realizado mandando

diretamente o valor desejado do PWM para os motores fazendo com que eles já

iniciem com a velocidade desejada.

Pensando em facilitar os testes iniciais do protótipo foi desenvolvido um

controle de teste que simula o funcionamento do joystick, figura 60, pois como o

joystick está montado na estrutura do protótipo, havia a interferência sobre a cadeira

ao acionar o joystick e acompanhar a cadeira. Com este controle pode-se

acompanhar os movimentos da cadeira ao lado utilizando um cabo longo sem que

atrapalhe o teste.

67

Figura 60: Controle de teste


Após vários testes movimentando a cadeira ocorreu de uma das rodas

dianteiras (que estão fixadas nos motores) soltar do motor, a análise relatada foi que

ao acionar o movimento de ré o prolongador de rosca utilizado para fixar a roda no

motor acabou soltando do motor.

Figura 61: Roda que soltou nos testes


Em torno de 30 minutos foram realizados testes de funcionamento

contínuos na cadeira para verificar se havia mais algum problema tanto na eletrônica

68

quanto na mecânica do protótipo, ao fim dos testes foi aberta a caixa com os itens

eletrônicos e percebeu-se que mesmo com o sistema de resfriamento o chip da placa

de potência continuava a esquentar, chegando a 120°C. Este teste foi realizado com

o termômetro infravermelho SCANTEMP ST-600 (figura 62), onde foi possível medir

o valor de temperatura diretamente no chip onde é feito os acionamentos dos

motores. Segundo o datasheet do fabricante da placa esta temperatura elevada é

comum pois a corrente de acionamento dos motores é considerada alta para o chip,

ainda assim o mesmo pode continuar sendo utilizado segundo o fabricante.

Figura 62: Termômetro SCANTEMP ST-600


Mesmo com as ocorrências acima citadas o protótipo funcionou conforme o

esperado e sem muitos problemas na sua construção e funcionamento. O joystick

enviou os comandos corretamente para o micro controlador que interpretou a

mensagem enviando para a placa de potência que acionou os motores nos

momentos corretos. O sistema de resfriamento diminuiu a temperatura do chip da

placa de potência coletando o ar em temperatura ambiente do meio e jogando em

cima da shield jogando o ar quente para fora pelos rasgos laterais da caixa. Os itens

necessários para realizar ajustes e obter melhor funcionamento são:

• Valor do PWM dos motores para sincronizar o movimento da cadeira;

• Acionamento brusco quando os motores estão em repouso;

• Roda dianteira soltando da fixação com o motor;

69

• Placa de potência com temperatura elevada devido a corrente dos

motores.

4.5 Ajustes necessários

Seguindo os itens mencionados acima foram necessários realizar ajustes no

protótipo tanto na parte mecânica quanto na eletrônica e programação.

4.5.1 Ajuste rotação dos motores

Este ajuste foi realizado atribuindo valores alternados para o PWM até

alcançar a sincronia dos motores sendo que um rotaciona no sentido horário e outro

no sentido anti-horário. Pode-se identificar na figura 63 como ficou a programação

após esta alteração.

Figura 63: Firmware após alteração para correção da rotação dos motores


70

4.5.2 Ajuste para acionamento em rampa

Pensando em eliminar o problema de acionamento brusco da cadeira também

foi realizada uma alteração de firmware utilizando um acionamento em rampa a partir

do valor de PWM dos motores. Na figura 64 nota-se que o programa inicia-se com

um valor fixo, porém baixo do PWM e caso o usuário acione o joystick para frente

este valor vai incrementando até o valor máximo para cada motor.

Figura 64: Alteração para acionamento em rampa dos motores


4.5.3 Ajuste para roda dianteira

Para acabar com o problema da roda dianteira direita que estava soltando

devido ao movimento do motor foi utilizado uma arruela de pressão, como ilustrado

na figura 65, assim não ocorreu mais de as rodas soltarem durante o movimento da

cadeira.

71

Figura 65: Arruela trava posicionada na fixação da roda com o motor


4.5.4 Ajuste para problema de temperatura

Pode-se dizer que este foi o problema mais crítico que ocorreu no projeto da

cadeira, pois com este aquecimento dos chips que realizam o acionamento dos

motores poderia a qualquer momento queimar a placa de potência e assim

comprometer severamente o funcionamento da cadeira.

A primeira medida foi conferir o valor da corrente da cadeira durante seu

acionamento para frente onde os motores trabalham no máximo de sua capacidade,

verificou-se que o valor da corrente estava aproximadamente 18A o que deixou uma

dúvida pois este valor de corrente é aceito para a placa segundo o fabricante. Assim

sendo a resposta a esta problemática foi utilizar dissipadores de calor em cima dos

chips com a intenção de diminuir a temperatura como é feito em processadores de

computador, e como é utilizado um micro ventilador na região acima desta placa,

este calor dissipado vai diretamente para fora do gabinete com os itens eletrônicos.

Este retrabalho está ilustrado nas figuras 66, 67 e 68.

72

Figura 66: Placa de potência antes dos ajustes


Figura 67: Aplicação da pasta térmica em cima dos chips


Figura 68: Placa de potência com os dissipadores de calor


73

Obs.: Para ajudar na dissipação de calor foi colocado entre o dissipador e os

chips uma camada de pasta térmica.

4.6 Testes de carga na cadeira

Após os primeiros testes de funcionamento da cadeira deixando-a com os

movimentos em perfeito estado o passo seguinte e mais importante de todos, foi

testar os movimentos da cadeira de rodas simulando a massa corporal e uma criança

de até nove anos. Pode-se dizer que este é o teste mais importante do projeto pois

ele irá validar se a cadeira tem suporte para transportar um indivíduo sem apresentar

nenhuma falha em seus movimentos.

Como citado anteriormente a cadeira deverá suportar uma carga nominal de

33 kg, os pesos utilizados no teste estão na figura 70. Para estes testes utilizou-se

uma balança para verificar o valor dos pesos e embalagens contendo as cargas

necessárias para o teste, na figura 69 pode-se ver a balança utilizada no teste.

Figura 69: Balança


Figura 70: Pesos utilizados nos testes Fonte: Autoria própria

74

Figura 71: Teste de carga no protótipo Fonte: Autoria própria

Realizados os testes de carga verificou-se que a velocidade da cadeira

diminuiu devido a carga aplicada nela, o que era esperado neste teste.

4.7 Medições finais

Finalizados todos os procedimentos de montagem e ajustes no protótipo,

foram realizadas medições de corrente total do sistema para especificar o consumo

do mesmo. Para este teste foi utilizada a mesma metodologia que foi aplicada para

a aquisição dos valores de corrente dos motores. Vale a pena salientar que para este

teste, foram utilizados os pesos para simular a criança em cima da cadeira pois com

isto obtêm-se os valores de corrente dos motores com carga, os valores podem-se

observar na tabela 5.

Carga aplicada na cadeira

Corrente total do sistema

33kg 19,47A

Tabela 5. Corrente com carga Fonte: Autoria própria

4.8 Teste de autonomia das baterias

Com a finalidade de levantar qual a autonomia do sistema, foi realizado um

teste para verificar quanto tempo que a cadeira funciona até atingir o limite de tensão

que as baterias suportam sem danificá-las, lembrando que as baterias de chumbo-

75

ácido não podem ser descarregadas além de 1,75V por célula, caso a descarga

ultrapasse este limite várias vezes a bateria torna-se inutilizável (RONTEK, 2018).

Foi disponibilizado um espaço para a cadeira se movimentar sem nenhum

obstáculo, figura 72, assim também foi criado um programa de teste para a cadeira

se movimentar sozinha sem precisar o acionamento do controle, figura 73. Desta

forma o teste foi aplicado e cronometrado o tempo até as baterias chegarem a carga

limite.

Figura 72 Espaço disponibilizado para o teste Fonte: Autoria própria

Figura 73 Cadeira movimentando-se sozinha no teste de autonomia


Após o teste verificou-se que as baterias chegaram ao limite de carga com um

tempo de 93 minutos, assim pode-se dizer a cadeira suporta a carga de uma criança

de até 9 anos por 1 hora e 30 minutos operando de maneira contínua.

76

4.9 Acabamentos

Pensando no conforto e segurança da criança que utilizará a cadeira foram

construídas almofadas para o assento e encosto, como ilustrado nas figuras 74 e 75.

Estas almofadas foram feitas pelos próprios integrantes do projeto, utilizando

espuma de travesseiro e tecido na cor roxa.

Figura 74 Almofada para encosto lateral


Figura 75 Almofada para assento


Para que o usuário não sofra nenhum acidente foi integrado ao sistema um

cinto de segurança que fica fixado diretamente no chassi principal, conforme figura

76. O cinto utilizado é encontrado facilmente em lojas especializadas em artigos

automotivos como uma autopeças.

77

Figura 76 Cinto de segurança


4.10 Relação de custos

A tabela a seguir relaciona todos os itens utilizados no projeto juntamente

com os seus respectivos valores comerciais.

78

N° ITEM Quant. Custo

1 Tubo PVC 25 mm 6m R$15,48

2 Conexão “Joelho” 90° 10 R$4,10

3 Conexão “T” 7 R$6,23

4 Conexão “X” 6 R$7,56

5 Chapa acrílico 20x12mm 2 R$16,00

6 Cola para tubo PVC 1 R$2,85

7 Parafuso Auto Atarraxante 8 R$5,45

8 Parafuso M8 x 15mm 6 R$8,70

9 Barra roscada 1/8’” 1 R$5,00

10 Porca 1/8”” 12 R$4,19

11 Arruela 1/8”” 20 R$2,00

12 Chapa madeira 3 R$10,00

13 Caixa Patola PB-119 1 R$24,90

14 Bateria Selada 12v 12Ah 3 R$416,70

15 Chave unipolar Margirius LIGA/DESLIGA 1 R$3,75

16 Led verde alto brilho 1 R$1,00

17 Micro ventilador 12V 1 R$4,80

18 Monster Moto Shield VNH2SP30 1 R$45,92

19 Arduino Uno R3 1 R$29,90

20 Joystick 1 R$42,99

21 Bateria 9V 1 R$6,49

22 Motor Bosch CHP F 006 B20 093 12V 2 R$296,00

23 Rodas e rodízios 4 R$93,92

24 Cabos R$11,56

25 Abraçadeira Hellerman T18 10 R$6,80

26 Almofadas para os assentos 2 R$5,90

27 Cinto de segurança 1 R$13,40

28 Placa fenolite perfurada 1 R$6,00

TOTAL R$1097,59

Tabela 6. Itens utilizados no projeto.

Tendo em vista que o custo objetivo do projeto era de R$1100,00 pode-se

considerar que o projeto atendeu os requisitos financeiros para o desenvolvimento

do mesmo.

79

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

No desenvolvimento do projeto foram aplicadas e aprimoradas todas as

técnicas e conhecimentos adquiridos no decorrer do curso, abrangendo as áreas de

mecânica, eletrônica e programação. A integração dos sistemas eletrônicos e

mecânicos proporcionou ao projeto uma programação simples do sistema sem que

ela necessitasse de severas alterações para compensar alguma deficiência nas

áreas mecânica e eletrônica, a única alteração necessária foi para sincronizar os

motores. Assim pode-se obter um equipamento com boa mobilidade e que suporta

as cargas de uma criança de até 9 anos de idade, comprovado pelos testes de

funcionalidade e de carga.

Os testes de carga aplicados no sistema puderam mostrar que o protótipo

consegue atingir uma autonomia de 1 hora e 30 minutos considerando uma

superfície plana, carga de 33 kg e operando de maneira contínua. O sistema de

motorização, foi desenvolvido a partir de motores de para-brisa automotivo de fácil

acesso no mercado e com bom torque. No entanto, observou-se que a escolha do

motor poderia ser um de velocidade maior com um consumo menor, não sendo

necessário a alteração direta do motor mas do sistema para movimentação da

cadeira também possa favorecer uma solução de movimentação mais rápida, pois

em relação a modelos convencionais de cadeiras motorizadas, como o modelo E4

do fabricante Ortobras que tem uma velocidade média de 6,5 km/h, a cadeira

desenvolvida neste projeto ficou com uma velocidade calculada em 4,78 km/h.

Após a simulação da estrutura mecânica em um software CAD, foi possível a

construção de um protótipo utilizando materiais de fácil acesso no mercado com o

intuito de atender as necessidades de locomoção para crianças com deficiência

motora. A aplicação deste tipo de materiais permite a manutenção da cadeira por

qualquer indivíduo sem necessitar de grandes conhecimentos na área técnica. No

decorrer do projeto não houve alterações expressivas no que diz respeitos aos

materiais utilizados na construção mecânica e eletrônica, este fato permitiu o

desenvolvimento do projeto com um custo objetivo de R$1097,59 que está próximo

ao definido no escopo do projeto.

Tendo em vista os fatos acima relatados o projeto torna-se de grandiosa

importância na área de tecnologia assistiva, permitindo que outras pessoas possam

80

desenvolver uma cadeira de rodas motorizada com materiais de fácil acesso e se

embasar nele para desenvolver outras tecnologias nesta área.

81

5.1 Sugestões para trabalhos futuros

Como o projeto se desenvolveu a partir de um protótipo deve-se alertar que

não foram utilizadas como referência normas para a comercialização do

equipamento, o que pode ser um aspecto a ser pensado em projetos futuros.

Pensando também na comercialização da cadeira, seria de grande importância para

o usuário final um manual de usuário onde o mesmo irá entender o funcionamento,

todos os comandos e instruções para a utilização da cadeira.

O acionamento da cadeira foi desenvolvido em um controle com chaves onde

se pode obter somente duas respostas a cada comando, acionado ou não acionado

(liga/desliga). Pensando nisto propomos a aplicação de um controle com saída

analógica conectado à entrada ADC do microcontrolador que seria interpretado e

assim refinando o movimento da cadeira.

Com a intenção de diminuir o custo final do projeto, pode-se redimensionar o

sistema para a utilização de um motor com um torque menor, implementando um

sistema de correias por exemplo. Com a diminuição da potência total do sistema os

componentes como placa de potência e baterias podem ser substituídos por itens

com um valor de mercado menor, itens estes que no projeto são os de maior valor

comercial.

A implementação de um indicador de carregamento para as baterias de 12V,

também seria interessante, assim como o desenvolvimento de um carregador de

baterias de chumbo-ácido ou então a aquisição de um carregador já existente no

mercado.

Seria válido para próximos projetos a implementação de baterias mais

eficazes no que se diz respeito a capacidade e peso. Uma indicação seria a utilização

de baterias lítio-polímero, que são baterias com formatos mais compactos,

espessuras reduzidas e segurança melhorada por ser mais resistente a sobrecarga.

Como o sistema foi projetado para superfícies não irregulares e de fácil acesso

uma ideia para próximos projetos seria a utilização de rodas e rodízios para terrenos

com mais imperfeições, redimensionando todo o sistema de motorização, pois ao

82

alterar o tamanho e formato das rodas, todas as fixações e relação de velocidade da

cadeira será alterada.

No decorrer do projeto ocorreu um problema de sobreaquecimento da placa

de potência, para não precisar da utilização de micro ventiladores e dissipadores de

calor, pode ser estudado a implantação de outras placas de potência que suportem

mais corrente com a POLOLU DUAL VNH5019 MOTOR DRIVER SHIELD que pode

suportar picos de até 150A e corrente nominal de 20A por canal. Lembrando que a

implementação de uma placa que suporta estas cargas impacta no custo final do

produto, pois tem valor de mercado maior que a placa utilizada no projeto.

83

REFERÊNCIAS

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ARDUINO UNO. Disponível em: <https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno> Acesso em: 28 Ago, 2016.

ASSITIVA TECNOLOGIA E EDUCAÇÃO. Disponível em <http://www.assistiva.com.br/tassistiva.html> Acesso em: 14 fev. 2016.

BARCELOS, Arlei; GONÇALVES, José N.S; FLORES, Maxsuel; BARBOSA, Warllem. SISTEMA DE CONTROLE E MOTORIZAÇÃO DE CADEIRA DE RODAS. Rio de Janeiro, 2008.

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BERSCH, Rita. Tecnologia Assistiva e Educação Inclusiva- Ensaios Pedagógicos. Ministério da Educação e Secretaria da Educação Especial, Brasília, 2006.

BERTOGNA, Eduardo G. MICROCONTROLADORES AVR BASEADO ATMEGA328 . Apostila- Departamento de Eletrônica- Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR),2014.

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86

APÊNDICE(S)

APÊNDICE A – Esquema elétrico do projeto

87

APÊNDICE B – Firmware do projeto

// Projeto: Trabalho conclusão de curso

// Mecatronica Industrial

// Autor: Rodrigo Pereira Machado

// Data: 04/2018

#define BRAKEVCC 0

#define CW 1

#define CCW 2

#define BRAKEGND 3

#define CS_THRESHOLD 15 // Definição da corrente de segurança

int inApin[2] = {7, 4}; // INA: Sentido Horário Motor0 e Motor1

int inBpin[2] = {8, 9}; // INB: Sentido Anti-Horário Motor0 e Motor1

int pwmpin[2] = {5, 6}; // Entrada do PWM

int cspin[2] = {2, 3};

int bot_frente = 10;

int bot_re = 11;

int bot_direita = 12;

int bot_esquerda = 13;

int estado_frente;

int estado_re;

int estado_direita;

int estado_esquerda;

int i = 50;

int j = 100;

void setup() // Faz as configuração para a utilização das funções no Sketch

{

88

pinMode(inApin,OUTPUT);

pinMode(inBpin,OUTPUT);

pinMode(pwmpin,OUTPUT);

pinMode(bot_frente,INPUT_PULLUP);

pinMode(bot_re,INPUT_PULLUP);

pinMode(bot_direita,INPUT_PULLUP);

pinMode(bot_esquerda,INPUT_PULLUP);

Serial.begin(9600);

}

void loop(){

estado_frente = digitalRead(bot_frente);

estado_re = digitalRead(bot_re);

estado_direita = digitalRead(bot_direita);

estado_esquerda = digitalRead(bot_esquerda);

if (estado_frente == HIGH){

motorGo(0, CW, j);

motorGo(1, CW, i);

i++;

j++;

delay(10);

//Serial.println("MOTOR FRENTE");

Serial.println(i);

if(i>199){

i=254;

}

if(j>254){

j=200;

}

}

89

else if (estado_re == HIGH){

motorGo(0, CCW, 255);

motorGo(1, CCW, 200);

Serial.println("MOTOR RE");

}

else if (estado_direita == HIGH){

motorGo(0, CW, 120);


Serial.println("MOTOR DIREITA");

}

else if (estado_esquerda == HIGH){



Serial.println("MOTOR ESQUERDA");

}

else{

motorGo(0, CW, 0);

motorGo(1, CW, 0);

}

}

void motorOff(int motor) //Função para desligar o motor se o mesmo travar

{

digitalWrite(inApin, LOW);

digitalWrite(inBpin, LOW);

analogWrite(pwmpin[motor], 0);

digitalWrite(13, HIGH);

Serial.println("Motor Travado");

}

void motorGo(uint8_t motor, uint8_t direct, uint8_t pwm)

90

{

if (motor <= 1)

{

if (direct <=4)

{

if (direct <=1)

digitalWrite(inApin[motor], HIGH);

else

digitalWrite(inApin[motor], LOW);

if ((direct==0)||(direct==2))

digitalWrite(inBpin[motor], HIGH);

else

digitalWrite(inBpin[motor], LOW);

analogWrite(pwmpin[motor], pwm);

}

}

}

91

APÊNDICE C – Esboço de uma criança de até 9 anos de idade

92

APÊNDICE D – Dimensões da cadeira

93

APÊNDICE E – Relatório de analise mecânica

Simulação da

Estrutura Cadeira de

rodas

Data: sábado, 31 de março de 2018

Projetista: Lethicia Santos

Nome do estudo: Análise estática

Tipo de análise: Análise estática

94

Nome do modelo: Estrutura

Configuração atual: Valor predeterminado

Corpos sólidos

Nome e referência do

documento Tratado como

Propriedades

volumétricas

Estrutura

da Cadeira de

Rodas

Massa:2.13656 kg

Volume:0.00164349 m^3

Densidade:1300.02 kg/m^3

Peso:20.9383 N

Nome do estudo Análise estática

Tipo de análise Análise estática

Tipo de malha Malha sólida

Efeito térmico: Ativada

Opção térmica Incluir cargas de temperatura

Temperatura de deformação zero 298 Kelvin

95

Tipo de Solver FFEPlus

Opções de união incompatíveis Automático

Calcular forças de corpo livre Ativada

96

Propriedades do material

Referência do

modelo Propriedades Componentes

Nome: PVC Rígido

Tipo de

modelo:

Isotrópico

linear elástico

Critério de

falha

predeterminado:

Desconhecido

Resistência à

tração:

4.07e+07

N/m^2

Módulo

elástico:

2.41e+09

N/m^2

Coeficiente

de Poisson:

0.3825

Massa

específica:

1300 kg/m^3

Módulo de

cisalhamento:

8.667e+08

N/m^2

Corpo sólido

1(Importado1)(Simulacao 02)

Dados da curva:N/A

Unidades

Sistema de unidades: SI (MKS)

Comprimento/Deslocamento mm

Temperatura Kelvin

Velocidade angular Rad/s

Pressão/Tensão N/m^2

97

Acessórios de fixação e Cargas

Nome do

acessório

de fixação

Imagem de

acessório de fixação Detalhes de acessório de fixação

Fixo-1

Entidades: 4 face(s)

Tipo: Geometria fixa

Nome da

carga Carregar imagem Detalhes de carga

Força-1


Referência: Face< 1 >

Tipo: Aplicar força

Valores: ---, ---, -60 kgf

Força-2


Referência: Face< 1 >

Tipo: Aplicar força

Valores: ---, ---, -20 kgf

98

Resultado do Estudo

101

ANEXO(S)

ANEXO A – Esquema elétrico da placa de potência Monster

Moto Shield

102

ANEXO B – Datasheet do driver da placa de potência

103

ANEXO C – Esquema elétrico Arduino Uno R3

104

ANEXO D – Especificações elétricas ATMEGA328P

105

ANEXO E – Datasheet motor para brisa automotivo Bosch CHP

F0006B20093

106

ANEXO F – Dimensões motor Bosch CHP F0006B20093

desenvolvimento de uma cadeira de rodas motorizada...

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