mãobiônicacontroladaporluvade sensores ......resumo...

Universidade Federal de Ouro PretoInstituto de Ciências Exatas e AplicadasDepartamento de Computação e Sistemas

Mão biônica controlada por luva desensores

Deivyson Bruno Silva Ribeiro

TRABALHO DECONCLUSÃO DE CURSO

ORIENTAÇÃO:Prof. Dr. Harlei Miguel de Arruda Leite

COORIENTAÇÃO:Prof. Dr. Víctor Costa da Silva Campos

Dezembro, 2018João Monlevade–MG

Deivyson Bruno Silva Ribeiro

Mão biônica controlada por luva de sensores

Orientador: Prof. Dr. Harlei Miguel de Arruda LeiteCoorientador: Prof. Dr. Víctor Costa da Silva Campos

Monografia apresentada ao curso de Engenharia daComputação do Instituto de Ciências Exatas e Apli-cadas, da Universidade Federal de Ouro Preto, comorequisito parcial para aprovação na Disciplina “Traba-lho de Conclusão de Curso II”.

Universidade Federal de Ouro PretoJoão Monlevade

Dezembro de 2018

A meu pai Cecilio dos Santos Ribeiro, minha mãe Maria Aparecida Silva Ribeiro, minhasirmãs Josiane e Dayane, que sempre me apoiaram nesta caminhada durante a graduação

Agradecimentos

Primeiramente venho agradecer a Deus por me dar forças e guiar me permitindochegar até o fim do curso.

Aos meus pais e familiares que sempre estiveram ao meu lado me apoiando nosmomentos difíceis de minha graduação. Aos meus amigos de faculdade que me proporcio-naram grandes momentos de descontração durante os períodos mais complicados do cursoe a equipe da Arcelor Mittal Monlevade que me proporcionou uma ótima oportunidade deestágio.

Importante agradecer também meu orientador Harlei e coorientador Víctor porme apoiarem neste projeto, ao qual não seria capaz de concluí-lo sem a orientação dosmesmos. Agradeço ao Sr. Afonso Gervano que se prontificou a me ajudar com a impressão3D das partes necessárias para a montagem do protótipo. E por fim agradecer a todosmeus professores que durante esses anos me passaram todos os conhecimentos necessáriospara a conclusão desta etapa da minha vida.

“Transmita o que aprendeu. Força, mestria. Mas fraqueza, insensatez, fracasso também.Sim, fracasso acima de tudo. O maior professor, o fracasso é. Luke, nós somos o que eles

crescem além. Esse é o verdadeiro fardo de todos os mestres.”

— Yoda,

ResumoUma mão biônica é um dispositivo robótico que possui a capacidade de imitar os movi-mentos e características de uma mão humana. O seu uso pode variar de aplicações emteleoperação, próteses, construção de robôs humanoides, dentre outras. Este trabalhoapresenta uma mão biônica controlada por uma luva de sensores que possa ser usada emteleoperação. O objetivo é utilizar materiais encontrados no mercado nacional a fim dereduzir o custo de fabricação. Para isso foi feita uma revisão na literatura a fim de analisarcomo poderia ser implementada. A mão biônica foi construída por meio de impressão 3Dem PLA. A escolha deste método foi dada por de manufatura barata e rápida. Os testesrealizados com um voluntário contrastaram que a mão biônica se comporta de maneiraestável e que é possível ser construída.

Palavras-chaves: Mão biônica, luva de sensores, teleoperação robótica, impressão 3D

AbstractA bionic hand is a robotic device that has the ability to mimic the movements andcharacteristics of a human hand. Its use can range from applications in teleoperation,prostheses, construction of humanoid robots, among others. This work presents a bionichand controlled by a sensor glove that can be used in teleoperation. The goal is to usematerials found in the domestic market in order to reduce manufacturing cost. For this, areview was made in the literature to analyze how it could be implemented. The bionichand was built using 3D printing in PLA. The choice of this method was given by cheapand quick manufacturing. The tests performed with a volunteer contrasted that the bionichand behaves in a stable way and that it is possible to be constructed.

Key-words: Bionic hand, sensor gloves, robotic teleoperation, 3D printing

Lista de ilustrações

Figura 1 – Mão biônica com capacidade de tato. Fonte: (DIGITAL, 2013) . . . . 12Figura 2 – Mão biônica espelhando o movimento de punho fechado. Fonte: (PAM-

BUDI; SIGIT; HARSONO, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Figura 3 – Prótese de mão controlada por BCI-SSVEP. Fonte: (MULLER-PUTZ;

PFURTSCHELLER, 2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Figura 4 – Mão Biônica impressa em 3D. Fonte: (KOPRNICKY; NAJMAN; ŠAFKA,

2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Figura 5 – Movimento de polegar e indicador. Fonte: (ARIYANTO et al., 2016) . 16Figura 6 – Interface de usuário baseada em reconhecimento de gestos em tempo

real. Fonte: (ARTAL-SEVIL et al., 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 7 – Movimentos realizados para teste do software de simulação. Fonte:

(ZHIMING et al., 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 8 – Mão biônica aplicando diferentes forças ao segurar um copo de papel.

Fonte: (YULIN; CAIJUN; JIE, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 9 – Anatomia de uma mão humana. Fonte: (NETTER, 2000) . . . . . . . . 18Figura 10 – Sensor flexível. Fonte: do autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 11 – Luva de sensores. Fonte: do autor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 12 – Circuito da luva. Fonte: do autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 13 – Modelo 3D da mão biônica. (GYROBOT, 2014) . . . . . . . . . . . . . 21Figura 14 – Mão biônica montada. Fonte: do autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Figura 15 – Servo motor sg90g utilizado no projeto.(ROBOUTIQUE, 2018) . . . . 22Figura 16 – Base fixada ao punho Fonte: do autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 17 – Junta flexível impressa com filamento flex3DBr Fonte: do autor . . . . 23Figura 18 – Mão Biônica conectada a luva de sensores. Fonte: do autor . . . . . . . 24Figura 19 – Testes Iniciais de Leitura. Fonte: do autor . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 20 – Teste de Movimento da Mão Biônica. Fonte: do autor . . . . . . . . . . 28

Lista de tabelas

Tabela 1 – Teste de Leitura analógica dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Tabela 2 – Leituras dos Sensores nos Testes da Mão Biônica . . . . . . . . . . . . 28Tabela 3 – Valores Gastos na Prototipação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Lista de abreviaturas e siglas

3D Tridimensional

BCI Brain-Computer Interface (Interface Cérebro-Computador)

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

LED Light Emitting Diode

PD Proporcional-Derivativo

PLA polylactic acid

RF Radiofrequência

SSVEP Steady State Visually Evoked Potentials (Potenciais Evocados Visualmente em EstadoEstacionário)

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.1 Mão Biônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2.1 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.4 Estrutura do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.1 Fabricação dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2 Montagem da luva de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.3 Montagem da Mão Biônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.4 Aquisição e tratamento dos sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4 EXPERIMENTO PRÁTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.1 Protocolo Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3 Melhorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

APÊNDICES 34

APÊNDICE A – PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR . 35

12

1 Introdução

1.1 Mão BiônicaO rápido crescimento tecnológico tem impulsionado a robótica nas tarefas rotineiras

e viabilizou o desenvolvimento da técnica biônica, que pode ser definida como a aplicaçãode conhecimentos da biologia na resolução de problemas inerentes a engenharia e design(BORBA, 2005).

As mãos biônicas são elementos robóticos que imitam as características físicas efuncionais de uma mão humana (HOSODA; IWASE, 2010). As aplicações de mão biônicavão desde o uso no contexto da tecnologia assistiva até a manipulação de objetos demaneira teleoperada. Também pode ser utilizada no desenvolvimento de humanoides eandroides. A Figura 1 mostra um exemplo de mão biônica.

Figura 1 – Mão biônica com capacidade de tato. Fonte: (DIGITAL, 2013)

Normalmente, o funcionamento de uma mão biônica pode ser decomposto em recebere interpretar os sinais de controle que serão usados para movimentar os componentesfísicos da mão, de forma a realizar o movimento esperado. De forma simplificada, podemosdescrever tal funcionamento em 4 etapas:

1. O microcontrolador recebe os sinais provenientes de algum sensor

2. Tratamento dos sinais recebidos e interpretação dos movimentos

3. Envio do comando de movimentação para os atuadores

4. Atuador realiza o movimento enviado pelo microcontrolador

Apesar de já existirem produtos comerciais de mão biônica, o completo domínio deseus aspectos técnicos ainda não foi alcançado, motivando pesquisas em diferentes frentes

Capítulo 1. Introdução 13

com o objetivo de melhorar esta tecnologia. Suas aplicações também servem como fatorde motivação para o constante aperfeiçoamento deste inovador instrumento de interaçãocomo podemos ver em (ABEDINI; JAVADPOUR, 2011) .

1.2 ObjetivosO objetivo deste trabalho é criar um protótipo de mão biônica que possa ser

teleoperada, usando componentes disponíveis no mercado nacional e de baixo custo.

1.2.1 Objetivos Específicos

• Luva de sensores: Elaborar um método de aquisição e tratamentos de sinais dosmovimentos executados.

• Mão biônica: Desenvolver uma mão composta de atuadores que consiga repetir osmovimentos enviados pela luva de sensores.

1.3 JustificativaCom o objetivo de melhorar as mãos biônicas, um grande número de pesquisas têm

sido desenvolvidas, envolvendo áreas multidisciplinares. No entanto, o custo para aquisiçãode uma mão biônica dotada de um sistema de controle rápido e eficiente ainda é inviávelpara a maioria das pessoas, por ainda ser uma tecnologia recente e em desenvolvimento.

Os altos custos são decorrentes dos componentes utilizados e dos gastos em pesquisae desenvolvimento. Os investimentos para uma mão biônica pode chegar à 55 milhões dedólares, como no caso da iniciativa Proto 2 da DARPA, uma iniciativa de pesquisa paradesenvolvimento de braços biônicos (ABEDINI; JAVADPOUR, 2011).

1.4 Estrutura do TrabalhoO trabalho está dividido em cinco capítulos. O capítulo 1 introduz o conceito de

mão biônica e justifica a importância deste trabalho. O capítulo 2 apresenta trabalhoscorrelatos que serviram de fundamentação teórica. No capítulo 3 são apresentados osrequisitos e métodos utilizados para o desenvolvimento da luva de aquisição de movimentose da mão biônica. O capítulo 4 discute metodologias de avaliação e resultados obtidos e,por fim, são apresentadas as conclusões no capítulo 5.

14

2 Revisão bibliográfica

Um problema particularmente interessante no contexto da engenharia é a construçãode mãos biônicas devido ao fato da mão apresentar um número relativamente alto degraus de liberdade envolvendo todo conjunto, o que implica em um sistema de controlerelativamente complexo.

Pambudi, Sigit e Harsono (2016) desenvolveram uma mão biônica usando sensormioelétrico e redes neurais para o controle. Nesta abordagem, os sensores captam ossinais mioelétricos e o sistema de controle o classifica por meio de uma rede neural,transformando este sinal em comando de controle. A Figura 2 mostra os sensores e a mãobiônica desenvolvida.

Figura 2 – Mão biônica espelhando o movimento de punho fechado. Fonte: (PAMBUDI;SIGIT; HARSONO, 2016)

Muller-Putz e Pfurtscheller (2008) mostram como fazer o controle de uma prótesebiônica controlada por um sistema BCI-SSVEP (do inglês "Brain-Computer Interfacebased on Steady State Visually Evoked Potentials"). Para isso, foi desenvolvida uma mãobiônica que realiza os movimentos de girar o punho para ambas as direções e abrir e fechara mão. A prótese possui quatro LEDs representando os estímulos visuais: no indicador,um estímulo para girar o punho à direita, no mindinho, um estímulo para girar à esquerdae no punho, estímulos para abrir e fechar a mão. A Figura 3 ilustra a prótese.

Capítulo 2. Revisão bibliográfica 15

Figura 3 – Prótese de mão controlada por BCI-SSVEP. Fonte: (MULLER-PUTZ; PFURTS-CHELLER, 2008)

O trabalho de (KOPRNICKY; NAJMAN; ŠAFKA, 2017) apresenta uma mãobiônica feita em uma impressora 3D. O sistema de controle foi desenvolvido e testadoem dois modos: (i) modo onde o programador define o movimento a ser realizado e (ii) omovimento é realizado por meio da interpretação de sinais mioelétricos. Apesar da mãobiônica impressa em 3D não ser equivalente às soluções comerciais, a manufatura em 3Dmostrou um grande potencial no desenvolvimento de próteses de baixo custo. A Figura 4mostra a mão biônica.

Figura 4 – Mão Biônica impressa em 3D. Fonte: (KOPRNICKY; NAJMAN; ŠAFKA,2017)

Ariyanto et al. (2016) realizaram a implementação de uma mão biônica de baixocusto. A mão é dotada de 6 articulações controlada por 6 atuadores. O usuário dá ocomando de movimento da mão por uma luva de sensores. A luva consiste em seis sensoresflexíveis colocados nos dedos e na junção do punho que detectam a dobra dos dedos emum ângulo articular em cada dedo. A Figura 5 mostra a mão biônica.


Figura 5 – Movimento de polegar e indicador. Fonte: (ARIYANTO et al., 2016)

Artal-Sevil et al. (2018) mostram em seu trabalho um algoritmo para controle deuma pequena mão biônica. O seu trabalho usa um dispositivo de Leap Motion Controller,capaz de captar os movimentos de uma mão humana em tempo real. O algoritmo emquestão faz a interpretação desses movimentos e replica os movimentos na mão biônica. Osmovimentos são captados pelo dispositivo quando o usuário realiza os movimentos em suaproximidade. As informações coletadas são então processadas de forma a gerar comandosde aplicação para a mão biônica. A Figura 6 mostra a simulação.

Figura 6 – Interface de usuário baseada em reconhecimento de gestos em tempo real. Fonte:(ARTAL-SEVIL et al., 2018)

Zhiming et al. (2014) apresentam em seu trabalho um software que faz umasimulação de uma mão biônica que possui 14 graus de liberdade. O seu trabalho tem comoprincipio fundamental reduzir o gasto com prototipagem desnecessária quando se estáem fase de desenvolvimento de uma prótese biônica. A partir do estudo da dinâmica dosmovimentos de uma mão humana, ele desenvolveu um controle PD. A figura 7 apresentaum exemplo de simulação executado pelo software.


Figura 7 – Movimentos realizados para teste do software de simulação. Fonte: (ZHIMINGet al., 2014)

Um sistema de controle para melhorar o desempenho de mão biônicas ao segurarobjetos foi proposto por (YULIN; CAIJUN; JIE, 2016). O sistema faz o controle da forçaaplicada ao segurar alguns objetos a partir de dados recebidos por sensores de pressão queestão presentes nos dedos da mão biônica. O algoritmo proposto faz a leitura dos sensoresde pressão e faz o controle de força que os atuadores farão para agarrar os objetos. AFigura 8 apresenta a mão usada em testes agarrando alguns copos.

Figura 8 – Mão biônica aplicando diferentes forças ao segurar um copo de papel. Fonte:(YULIN; CAIJUN; JIE, 2016)

Como podemos observar em (NETTER, 2000) a mão humana é dividida em carpo,metacarpo e falanges. Os ossos do carpo são divididos em oito outros ossos alocados emduas fileiras, a fileira proximal e fileira distal. Os ossos do metacarpo se encontram ligadosao carpo e é constituído por 5 ossos metacarpianos. Por fim, as falanges são subdivididas em


3 grupos: proximal, média e distal. Na Figura 9 podemos ver uma imagem exemplificandoa divisão dos ossos.

Figura 9 – Anatomia de uma mão humana. Fonte: (NETTER, 2000)

19

3 Metodologia

Neste capítulo são apresentadas as etapas de construção da luva de sensores eda mão biônica. O processo de desenvolvimento foi incremental por experimentação, deforma a obter uma solução simples, eficiente e de baixo custo. Nas seções seguintes, umadescrição detalhada de todo o processo é apresentada.

3.1 Fabricação dos sensoresComo apresentado por (FLORES et al., 2014), os sensores flexíveis podem ser

construídos usando um material condutor flexível cuja condutividade se altere ao sercomprimido ou flexionado. Em seu trabalho, foram utilizadas como exemplo espumascondutoras para a fabricação de sensores flexíveis. Neste trabalho foi adotado o mesmoprincípio, no entanto, foram utilizadas superfícies cobertas por grafite, que apresenta aspropriedades necessárias para este tipo de sensor.

Os sensores foram fabricados utilizando dois fios condutores e uma superfíciecondutora flexível (papel coberta por grafite). Os fios condutores foram colados na partesuperior da superfície flexível coberta de grafite, com os fios distanciados entre si, fazendodeste modo que a corrente passasse pela superfície do grafite. Ao flexionar a superfície,uma variação de condutividade ocorre, fazendo assim com que a resistência do sensor sealtere, possibilitando a leitura e tratamento dos sinais enviados pelo sensor.

O sensor flexível fabricado tem funcionamento semelhante ao sensor flexível encon-trado no mercado, porém seu range é menor e consequentemente a precisão das leiturasrealizadas. Para a aplicação do projeto o sensor mostrou resultados satisfatórios. A fabri-cação dos sensores permitiu reduzir consideravelmente o valor do protótipo da luva. NaFigura 10 pode-se ver o sensor.

Capítulo 3. Metodologia 20

Figura 10 – Sensor flexível. Fonte: do autor.

3.2 Montagem da luva de sensoresA luva de sensores tem por finalidade fazer a leitura da posição dos dedos do usuário.

Para a sua montagem, foram utilizados 5 sensores flexíveis, uma luva e um Arduíno ,responsável pela leitura e processamento dos sinais provenientes dos sensores. A Figura 11apresenta a luva de sensores.

Figura 11 – Luva de sensores. Fonte: do autor.


A Figura 12 apresenta o esquemático do circuito para a leitura dos sinais da luva desensores. Pode-se ver que o Arduíno faz a leitura de tensão proveniente do sensor. Quandoo dedo é flexionado a resistência do sensor muda, o que consequentemente altera a tensãolida pelo Arduíno, sendo assim possível identificar o movimento que a luva exerceu paracada um dos dedos.

Figura 12 – Circuito da luva. Fonte: do autor

Após a leitura dos sinais provenientes dos sensores, o microcontrolador enviacomandos para os servos motores de forma a reproduzir o movimento efetuado pelousuário.

3.3 Montagem da Mão BiônicaO projeto da mão biônica utilizada foi obtida de um projeto open source em

(GYROBOT, 2014) . A decisão de imprimir a mão em 3D foi decorrente da alta qualidadedas impressões 3D atuais, praticidade e baixo custo em comparação a outras formas demanufatura. A Figura 13 apresenta o projeto da mão biônica utilizada.

Figura 13 – Modelo 3D da mão biônica. (GYROBOT, 2014)


Após a impressão, as peças foram ajustadas manualmente de forma a removerqualquer imprecisão decorrente do processo de impressão, até chegar na versão final,apresentada na Figura 14.

Figura 14 – Mão biônica montada. Fonte: do autor

Concluída a montagem das peças impressas, passou-se para a etapa de acoplamento.Os atuadores utilizados para este protótipo foram os micro servos sg90g. Tais servosapresentam um baixo custo e um torque de 1,6kg/cm, suficiente para os testes desteprojeto. O servo é exibido na Figura 15.

Figura 15 – Servo motor sg90g utilizado no projeto.(ROBOUTIQUE, 2018)


Os servos são ligados a uma base fixa no punho da mão biônica, em posição relativaao antebraço como mostra a Figura 16. Ligado aos servos estão os fios de nylon, quefuncionam como tendões. Ao ser acionado, o servo se movimenta até um limite de 180graus, dependendo do movimento adquirido pela luva de sensores, fazendo com que os fiosde nylon sejam puxados e que os dedos da mão se fechem.

Figura 16 – Base fixada ao punho Fonte: do autor

As juntas dos dedos foram feitas com filamento flex3DBr, um material flexívelusado em impressoras 3D, de forma que as juntas funcionassem como molas. A Figura 17apresenta a junta.

Figura 17 – Junta flexível impressa com filamento flex3DBr Fonte: do autor


Ao ser exercido a força pelos servos as juntas se flexionam, quando os servosretornam a posição inicial elas deixam de exercer tal força, o que permite que as juntasretornem a sua posição inicial fazendo com que os dedos das mão se abram. O uso defilamento flexível permitiu a redução de fios nas mãos, uma vez que elimina a necessidadede usar os servos para fazer a abertura das mãos.

Concluída a montagem da mão, os servos foram ligados ao microcontrolador daluva que faz o tratamento dos sinais provenientes da luva de sensores. A Figura 18 mostraa montagem final do protótipo.

Figura 18 – Mão Biônica conectada a luva de sensores. Fonte: do autor

3.4 Aquisição e tratamento dos sinaisOs sinais provenientes da luva de sensores alimentam o microcontrolador, que

mapeia os sinais de tensão para um intervalo entre 0 e 180 graus por meio da função MAPnativa do Arduíno. Para a leitura mínima do sensor o parâmetro passado foi 0 graus, poisquando o usuário estiver com a mão aberta o sensor estará em leitura mínima logo osservos deverão receber 0 graus e manter a mão biônica aberta. Quando usuário fecha amão o sensor tem sua leitura máxima, o parâmetro passado para a função é 180 graus ,que indica que ao receber a leitura máxima do sensor, o servo deve se mover em 180 grausfechando assim a mão biônica.

Abaixo podemos ver o trecho de código que faz o tratamento dos sinais da luva desensores. Na função MAP o parâmetro in0 recebe a leitura do sensor. Esta variável é dotipo inteiro e recebe um valor entre 0 e 1024, o valor 570 é o valor mínimo de leitura que afunção irá considerar para seus cálculos, enquanto que o valor 580 é o valor máximo queserá considerado pela função. Os valores 0 e 180 são o intervalo que pretende-se normalizar.Logo se a leitura de in0 for menor que 570 a saída da função MAP será 0 e se a leitura for


maior que 580 a saída será 180. Leituras intermediárias são normalizadas entre 0 e 180.Após passar pela função MAP os valores passam pela função Constrain que restringe o va-lor a estar entre 0 e 180, tendo em vista que os servos usados só se movem entre 0 e 180 graus.

1

// v e r i f i c a r l e i t u r a s antes de mapear movimentos3 servopos =map( in 0 , 570 , 580 , 0 , 180 ) ;

se rvopos = cons t r a i n ( servopos , 0 , 180 ) ;5 S e r i a l . p r i n t ( " dedo 1= " ) ; // ind i cador

S e r i a l . p r i n t ( in 0 ) ;7 S e r i a l . p r i n t ( " \n " ) ;

s e rvo 1 . wr i t e ( servopos ) ;

O valor de saída da função Constrain é escrito no servo que esta ligado aos fios denylon que controlam o movimento da mão biônica, como visto na figura 18.

O código acima é replicado para os 5 sensores levando em consideração que osparâmetros da função MAP devem ser calibrados para cada teste realizado tendo em vistaque as leituras podem variar de teste para teste, e cada sensor tem um range de leituradiferente.

Após feita a leitura, os valores obtidos com mão aberta e fechada devem ser passadoscomo parâmetro no trecho de código mencionado anteriormente e recompilado, desta formaos valores mínimos e máximos que serão usados para o mapeamento de sinal serão osvalores que estão sendo lidos naquele instante pelos sensores.

26

4 Experimento Prático

4.1 Protocolo ExperimentalA metodologia para avaliação da mão biônica foi formulada para analisar a via-

bilidade de uso na realização de tarefas de teleoperação. Para isto, o objetivo é que amão biônica replique os movimentos realizados pelo usuário. Os movimentos replicados demaneira correta permitem que tarefas possam ser executadas a uma longa distância.

O usuário tem total liberdade de realizar movimentos com a mão para replicação.

Para verificar a viabilidade do projeto, a mão foi testada de forma a verificar se elaé capaz de replicar os movimentos do usuário, de maneira rápida e precisa.

Sendo assim, o usuário irá colocar a luva de sensores em sua mão direita e farámovimentos que serão captados e replicados na mão biônica. Os movimentos realizadospelo usuário nos testes serão :

• Movimentar cada dedo individualmente

• Manter a mão aberta

• Fechar a mão por completo

• Fazer movimentos intermediários entre abertura e fechamento da mão

Para uma melhor precisão na leitura dos sensores, os mesmos foram calibrados antes doteste. O processo e calibração consistiu em realizar a leitura dos sensores com a mão abertae com a mão fechada, para poder ajustar a função de mapeamento, como mencionado em3.

4.2 ResultadosOs primeiros testes realizados não se mostraram promissores. A primeira versão da

mão não apresentava uma boa movimentação em decorrência da falta de torque ocasionadopela disposição das alavancas dos servos. Desta forma, foi necessário a troca das alavancaspor peças chamadas ServoPulled, que fazem o deslocamento circular, aumentando o torquepara 1,6 kg/cm, possibilitando o movimento adequado dos dedos, pois um braço de alavancamaior necessita um maior torque para se movimentar.

A Tabela 1 apresenta as leituras executadas nos testes iniciais sem estar conectadaà mão biônica para se obter as leituras dos sensores. Nota-se claramente que a variação de

Capítulo 4. Experimento Prático 27

leitura é pequena e se da em intervalos, sendo necessária uma normalização dos valores. Paraa leitura dos sensores ser convertida em Volts, deve-se usar a formula leitura ∗ (5v/1023).

Tabela 1 – Teste de Leitura analógica dos sensores

Dedos Leitura mão aberta Leitura mão fechada Leitura intermediáriaDedo 1 588 à 598 687 à 691 624 à 630Dedo 2 430 à 440 766 à 770 660 à 670Dedo 3 853 à 860 893 à 905 875 à 885Dedo 4 678 à 688 828 à 834 730 à 740

(a) Mão Aberta

(b) Mão Fechada

(c) Movimento In-termediário

Figura 19 – Testes Iniciais de Leitura. Fonte: do autor

Com o uso do ServoPulled os movimentos executados pela mão biônica apresentaramresultados satisfatórios e a mão conseguiu responder ao usuário de forma rápida e precisa.A Tabela 2 apresenta as leituras executadas pelos sensores flexíveis e os movimentos sãomostrados na Figura 20


Tabela 2 – Leituras dos Sensores nos Testes da Mão Biônica

Dedos Movimento mão Aberta Movimento Mão Fechada Movimento Apontar Movimento dois DedosIndicador 491 a 495 579 a 585 491 a 495 491 a 495Dedo do meio 574 a 580 647 a 655 647 a 655 647 a 655Anelar 756 a 760 820 a 825 820 a 825 820 a 825Mindinho 402 a 410 589 a 600 589 a 600 402 a 410Dedão 817 a 825 840 a 850 840 a 850 817 a 825

(a) Movimento Mão Aberta (b) Movimento Mão Fechada

(c) Movimento Apontar (d) Movimento com Dois Dedos

Figura 20 – Teste de Movimento da Mão Biônica. Fonte: do autor

As leituras executadas nos testes se mostraram bastante condizentes com os movi-mentos. Foram executados quatro movimentos para os testes como apresentados na Figura20. Pode observar na Tabela 2 no movimento de apontar que apenas o dedo indicador semanteve com leitura de mão aberta, como era de se esperar, pois neste movimento apenaso indicador se mantém distendido. O mesmo é observado nos dedos médio e anelar noultimo movimento de teste realizado.

Também pode-se observar a diferença entre as leituras na Tabela 1 e nas leiturasfinais na Tabela 2, que os sensores podem variar suas leituras de teste para teste, sendonecessário assim a calibração dos mesmos a cada uso, como já mencionado em 3.

A precisão dos movimentos avaliados se mostrou satisfatória para movimentos emque deseja-se fechar por completo ou manter aberto um dedo, o que já permite a realização


de uma gama de movimentos. Já para movimentos intermediários onde o usuário não váabrir ou fechar todo dedo o protótipo não se mostrou preciso, devido as instabilidades dosensor desenvolvido.

O tempo de resposta para os movimentos foi satisfatório. Porém, para evitar asvibrações por conta da variação de leitura nos sensores, foi adicionado um delay de meiosegundo ao final de cada ciclo de leitura, para uma melhor estabilidade da mão biônica.

A Tabela 3 apresenta os valores gastos em componentes para a fabricação da mãobiônica. Pode-se notar que o custo foi baixo se comparado a outros projetos similaresencontrados na literatura e no mercado.

Tabela 3 – Valores Gastos na Prototipação

Componente ValorServo motor Sg 90g 5x R$ 19,00Sensor flexível R$ 15,00Filamento PLA para impressão R$ 70,00Arduíno Uno R$ 39,50Cabos R$ 10,00Filamento Flexível para impressão R$ 50,00

Um fator que contribuiu para a redução do custo do projeto foi a fabricação dossensores flexíveis, que custou R$ 15,00, como mostra a Tabela 3, valor muito abaixo de umsensor flexível comercial. Outro importante fator para a redução do custo de fabricação,foi a impressão feita sem cobrança pelo sr. Afonso Gervano, pois desta maneira não foinecessário pagar para que fosse feita tal impressão e nem a compra de uma impressora 3Dque tem um alto custo. Alguns laboratórios permitem o uso sem custo, onde o usuárioleva o material, e pode fazer suas impressões.

4.3 MelhoriasPara melhores resultados os servos Sg90g podem ser substituídos por servomotores

mg995, pois estes oferecem um torque de 13 kg/cm, que resultará em uma maior forçanos dedos da mão biônica. Já para uma melhor precisão nos movimentos, podem serusado os sensores flexíveis comerciais, que aumentará a precisão de leitura dos movimentos.Também poderiam ser usados amplificadores operacionais para ampliar o intervalo deleitura dos sensores, porém usando os amplificadores, também se amplificariam os ruídos.

Para um maior alcance de operação, pode ser usado na mão biônica o envio dedados por meio de transmissor RF do Arduíno, modulo Bluetooth, ou até mesmo envio dedados por meio da internet, possibilitando assim que a mesma seja controlada por longasdistâncias.


As melhorias mencionadas acima elevam o valor do projeto, porém dependendode cada aplicação onde a mão biônica será usada, elas podem ser incorporadas para ummelhor resultado nesta aplicação.

31

5 Conclusão

Este trabalho apresentou o desenvolvimento de uma mão biônica controlada poruma luva de sensores. Foi relatada a metodologia usada, bem como os passos para afabricação dos componentes necessários e montagem do protótipo do projeto. Por fim foiapresentado o experimento prático onde foram testados o funcionamento e viabilidadedeste projeto.

Os experimentos práticos foram realizados com um usuário, que foi orientadoquanto aos movimentos que deveriam ser realizados para teste. Os resultados obtidosmostraram que o projeto é viável, uma vez que o protótipo da mão biônica conseguiureplicar os movimentos de maneira precisa nas situações de abrir ou fechar todo o dedo.No entanto, o experimento mostrou que os sensores desenvolvidos não são eficientes pararegistrar movimentos intermediários.

5.1 Trabalhos FuturosDurante o desenvolvimento do trabalho, diversas oportunidades de continuidade

foram identificadas, sendo elas:

• Implantação de comunicação sem fio entre a luva de sensores e a mão biônica viarádio frequência ou Bluetooth.

• Implementação de um antebraço e um punho que possa girar

• Novo design da mão biônica que permita um maior grau de fechamento da mão.

• Novos métodos de controle para a mão biônica

• Uso de diferentes topologias de medição para os sensores.

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Referências

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https://roboticlaval.ca/en/modules/18-sg-90g-servo-motor.html?search_query=servo&results=1



Apêndices

35

APÊNDICE A – Programação domicrocontrolador

Código para tratamento dos Sinais provenientes do sensor#inc lude <Servo . h>

2

i n t in 0=0 ;4 i n t in 1=0 ;

i n t in 2=0 ;6 i n t in 3=0 ;

i n t in 4=0 ;8 Servo servo 1 ;

Servo servo 2 ;10 Servo servo 3 ;

Servo servo 4 ;12 Servo servo 5 ;

i n t out=0 ;14 void setup ( ) {

16 S e r i a l . begin ( 9600 ) ;s e rvo 1 . a t tach ( 5 ) ; // ind i cador

18 se rvo 2 . a t tach ( 6 ) ; //meioservo 3 . a t tach ( 7 ) ; // ane l a r

20 se rvo 4 . a t tach ( 8 ) ; // mindinhoservo 5 . a t tach ( 9 ) ; // dedao

22 se rvo 1 . wr i t e ( 0 ) ;s e rvo 2 . wr i t e ( 0 ) ;

24 se rvo 3 . wr i t e ( 0 ) ;s e rvo 4 . wr i t e ( 0 ) ;

26 se rvo 5 . wr i t e ( 20 ) ;

28 }

30 void loop ( ) {

32

34 in 0= analogRead ( 0 ) ;in 1= analogRead ( 1 ) ;

36 in 2= analogRead ( 2 ) ;in 3= analogRead ( 3 ) ;

38 in 4= analogRead ( 4 ) ;i n t servopos ;

APÊNDICE A. Programação do microcontrolador 36

40

// v e r i f i c a r l e i t u r a s antes de mapear movimentos42 servopos =map( in 0 , 570 , 580 , 0 , 180 ) ;

se rvopos = cons t r a i n ( servopos , 0 , 180 ) ;44 S e r i a l . p r i n t ( " dedo 1= " ) ; // ind i cador

S e r i a l . p r i n t ( in 0 ) ;46 S e r i a l . p r i n t ( " \n " ) ;

s e rvo 1 . wr i t e ( servopos ) ;48

50 S e r i a l . p r i n t ( " dedo 2= " ) ; //meioS e r i a l . p r i n t ( in 1 ) ;

52 S e r i a l . p r i n t ( " \n " ) ;se rvopos =map( in 1 , 590 , 630 , 0 , 180 ) ;

54 servopos = cons t r a i n ( servopos , 0 , 180 ) ;s e rvo 2 . wr i t e ( servopos ) ;

56

S e r i a l . p r i n t ( " dedo 3= " ) ; // ane l a r58 S e r i a l . p r i n t ( in 2 ) ;

S e r i a l . p r i n t ( " \n " ) ;60 servopos =map( in 2 , 780 , 820 , 0 , 180 ) ;

se rvopos = cons t r a i n ( servopos , 0 , 180 ) ;62 se rvo 3 . wr i t e ( servopos ) ;

64 S e r i a l . p r i n t ( " dedo 4= " ) ; // mindinhoS e r i a l . p r i n t ( in 3 ) ;

66 S e r i a l . p r i n t ( " \n " ) ;se rvopos =map( in 3 , 400 , 500 , 0 , 180 ) ;

68 servopos = cons t r a i n ( servopos , 0 , 180 ) ;s e rvo 4 . wr i t e ( servopos ) ;

70

S e r i a l . p r i n t ( " dedo 5= " ) ; // dedao72 S e r i a l . p r i n t ( in 4 ) ;

S e r i a l . p r i n t ( " \n " ) ;74 // servopos =map( in4 , 825 , 840 ,0 ,180) ;

se rvopos = cons t r a i n ( servopos , 0 , 180 ) ;76 se rvo 5 . wr i t e (map( in 4 , 820 , 840 , 0 , 180 ) ) ;

S e r i a l . p r i n t ( " \n " ) ;78

delay ( 700 ) ;80 }

mãobiônicacontroladaporluvade sensores ......resumo...

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