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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL

FACULDADE DE ENGENHARIA

CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA DE DESENVOLVIMENTO PARA

PLATAFORMA DE MEDIÇÃO DE FORÇA

Porto Alegre, 08 de dezembro de 2017.

Autor: Rodrigo Soriano Fay

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

Curso de Engenharia Elétrica ou Engenharia de Controle e Automação

Av. Ipiranga 6681, - Prédio 30 - CEP: 90619-900 - Porto Alegre - RS - Brasil

Telefone: (51) 99922-3455 (celular) Email: [email protected]

Orientador: Júlio César Marques de Lima, Me. Eng.

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

LEPUC - Laboratório de Eletrônica de Potência

Av. Ipiranga 6681, – Prédio 30 - Sala 312 CEP: 90619-900 – Porto Alegre – RS– Brasil

Telefone: (51) 3320-3500, ramal: 7688 – Email: [email protected]

RESUMO O presente trabalho desempenha um importante papel na compreensão dos efeitos da microgravidade no corpo humano. Ele tem como objetivo possibilitar a simulação de locomoção em microgravidade através da instrumentação de uma plataforma de medição de força. Assim, foi construído um protótipo de uma plataforma para testar diferentes configurações de hardware e software para captura de dados essenciais para a simulação. Com estes concluídos, foram implementados e se realizaram experimentos na plataforma presente no Laboratório de Engenharia Aeroespacial do Centro de Pesquisa em Microgravidade (MicroG). Concluiu-se que os instrumentos desenvolvidos apresentaram resultados melhores quando comparados à instrumentos de uso comercial.

Palavras-chave: instrumentação. hardware. software. simulação.

microgravidade.

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ABSTRACT

CONSTRUCTION OF A DEVELOPMENT SYSTEM FOR A FORCE PL ATFORM

The present work develops an important role in the understanding of microgravity’s

effect in the human body. It has as objective to make microgravity locomotion simulation

possible through the instrumentation of a force platform. Thus, a platform prototype was

constructed to test different settings of hardware and software for the capture of

simulation’s essential data. With these concluded, they were implemented and experiments

were carried out at the platform present in the Microgravity Centre’s Aerospace

Engineering Laboratory. It was concluded that the developed instruments presented better

results compared with comercial instruments.

Key-words: instrumentation. hardware. software. simulation. microgravity.

1 INTRODUÇÃO

Os seres humanos estão presentes na estação espacial internacional por mais de 16 anos

contínuos, desde que a primeira equipe chegou, em novembro de 2000 (RAINEY, K., 2015).

As viagens espaciais estão cada vez mais frequentes e duradouras, trazendo aos astronautas

riscos fisiológicos antes desconhecidos.

O corpo humano começa a se deteriorar quando é exposto a um ambiente de

microgravidade, como acontece na estação espacial, ou à gravidade parcial como no solo

marciano. Experimentos mostram que em 10 dias de vôo no espaço começa a se observar

significativa perda óssea e muscular (HOLLINGHAM, R., 2014), e para minimizá-la é

necessário encontrar uma maneira de fortalecer o sistema musculoesquelético. Tendo isto em

vista, e dado o custo das viagens espaciais, pesquisadores vêm desenvolvendo meios para

simular a microgravidade e estudar seus efeitos no corpo aqui na terra.

1.1 Descrição do problema

Manter a saúde dos membros das tripulações em viagens espaciais é essencial para

preservar o desempenho das missões. O ambiente de microgravidade ou gravidade parcial em

que se encontram estes tripulantes tem efeito prejudicial e o corpo tentando se adaptar começa

a se deteriorar.

Uma maneira de evitar o enfraquecimento é criar uma rotina de exercícios eficaz, porém até

hoje não há uma técnica capaz de mitigar todos esses efeitos (PERUSEK P. G.,

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LEWANDOWSKI B., GILKEY K, NALL M., JUST L. M., CAVANAGH R. P., KUKLIS

M., NOVOTNY S., 2007).

O Laboratório de Engenharia Aeroespacial do Centro de Pesquisa em Microgravidade

(MicroG) está construindo uma plataforma para simulação de locomoção em microgravidade

para que os efeitos possam ser melhor estudados. A partir desses resultados são desenvolvidos

dispositivos, exercícios e protocolos para astronautas em viagens de longa duração.

1.2 Descrição da proposta

Propõe-se a construção de um sistema de desenvolvimento e aquisição de dados para

que a plataforma possa ser monitorada.

O hardware do sistema para aquisição de dados será composto por quatro células de carga

conectadas em um arranjo do tipo ponte de Wheatstone. As células de carga estão associadas

a um amplificador conectado em um conversor A/D de alta resolução (16 a 24 bits). O

componente escolhido para tarefa de amplificar a converter o sinal foi o Hx710, de 24 bits de

resolução. Este conjunto será então conectado em um microcontrolador da família ARM. Os

dados coletados serão gravados localmente e enviados por meio de uma conexão wireless a

um computador para análise.

1.3 Principais objetivos

Este trabalho tem como objetivo final ajudar no desenvolvimento de rotinas de

treinamentos eficazes e simular locomoção planetária em gravidade parcial. Também são

estudados os efeitos fisiológicos da microgravidade no sistema musculoesquelético e o papel

de exercícios para a prevenção da osteoporose, dado que o mecanismo de perda óssea da

osteoporose é similar àquele em um ambiente de microgravidade.

De forma sintética, os objetivos são:

a) Trocar a tecnologia do microcontrolador usado atualmente na plataforma.

b) Simplificar o circuito de amplificação e conversão analógico-digital (A/D).

c) Tornar mais estável a resposta do sistema.

d) Tornar mais baixo o custo de implementação do sistema.

2 REFERENCIAL TEÓRICO

Neste referencial teórico serão abordados de forma sucinta, tópicos relacionados com a

proposta apresentada, considerados os mais importantes para a fundamentação deste artigo.

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2.1 Célula de Carga

A célula de carga é um transdutor de força, ou seja, um sensor capaz de medir a força

aplicada. Este transdutor utiliza um extensômetro, que é um fio fino em zigue-zague para

medir a deformação causada pela aplicação da força sobre um bloco metálico padrão. O

formato do transdutor foi pensado para sofrer uma deformação elástica quando a este bloco

metálico for aplicada certa força. Quando instrumentado este transdutor, um sinal elétrico cuja

amplitude é linearmente proporcional à força aplicada é gerado.

Este sinal elétrico pode ser uma variação de tensão, corrente ou frequência,

dependendo do tipo de célula de carga utilizado (LOADSTAR SENSORS, 2017).

A plataforma de força é uma estrutura em forma de “H” com quatro células de carga,

uma em cada extremidade da plataforma. O funcionamento da plataforma é semelhante a uma

mesa em que cada pé foi substituído por uma mola. Quando uma carga é aplicada no centro

da mesa, cada mola sofre uma deflexão igual. Se a carga for deslocada sobre a superfície da

mesa, a mola mais próxima deflexiona-se mais que a mola mais distante, mas a deflexão total

das quatro molas será a mesma. Assim, a medição de força aplicada sobre a superfície da

placa independe do ponto de aplicação (BALBINOT A., BRUSAMARELLO V. J., 2007).

2.2 Microcontrolador ARM

ARM é o líder da indústria em fornecimento de tecnologia de microprocessadores. O

núcleo do processador ARM é um componente chave de muitos sistemas 32-bits embarcados

bem sucedidos e está presente em 95% dos smartphones, com mais de 50 bilhões de chips

produzidos (MURRY S., 2014).

Um dos objetivos deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema simples e

compacto para a medição de força, filtragem de ruído presente nas células, armazenamento,

processamento e envio destes dados para um computador por meio de uma conexão wireless.

Para esta tarefa foi escolhido um microcontrolador Cortex-M, pois este dispositivo apresenta

capacidade de processamento muito superior aos microcontroladores de 8 e 16 bits. Entre as

características mais significativas estão o baixo consumo de energia e a simplicidade do

hardware, que permite o desenvolvimento de um circuito confiável, compacto e de baixo

custo. Além disto, estes microcontroladores possuem excelentes ferramentas de

desenvolvimento e depuração em linguagem C.

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2.3 Transmissão de Dados Wireless

A transferência de dados será feita com a utilização de um dispositivo de

radiofrequência (RF) de baixo consumo. Há duas opções sendo estudadas para o projeto: a

tecnologia Zigbee e a Spirit1.

A primeira utiliza uma tecnologia segura de comunicação de alto-nível para criar redes

sem fio de área pessoal (PAN) com rádio digital, como em automação residencial, aquisição

de dados de dispositivos médicos e outras necessidades (LEGG G., 2004). Zigbee é então,

uma rede wireless segura, de baixo consumo, com baixa taxa de transferência de dados e curta

distância, ou seja, é um dispositivo indicado para projetos de pequena escala.

Spirit1 é um módulo de radiofrequência compacto de ultrabaixo consumo com uma

interface fácil de usar, permitindo que usuários criem uma conectividade sem fio em projetos

sem a necessidade de ter experiência com RF.

Serão confrontadas as principais características de cada rádio para determinar qual o

melhor para esta aplicação.

2.4 Filtragem de Sinais

Muitas vezes quando dados são coletados seus sinais vêm carregados de ruído e

oscilações inerentes ao equipamento utilizado para a coleta, como por exemplo,

amplificadores e conversores analógico/digital (A/D).

Filtragem é um processo matemático que remove componentes indesejadas de um

sinal, então, uma maneira de remover as oscilações intrínsecas ao conversor A/D é aplicar

filtros no sinal coletado.

Para este trabalho serão analisados dois filtros, o de média móvel e de mediana. O

primeiro soma um vetor de leituras em uma variável e faz a média delas, criando um novo

valor. No segundo, as leituras são armazenadas em um vetor, organizadas em ordem crescente

e o valor mediano (centro das amostras ordenadas) é retornado.

3 METODOLOGIA

Neste item será descrita a metodologia proposta, destacando os itens mais importantes

para a construção do sistema de desenvolvimento para a plataforma de medição de força.

Dentre esses, serão abordados com maior ênfase o projeto em desenho assistido por

computador (CAD), a aquisição e interpretação dos dados e a programação em linguagem C.

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3.1 Fluxograma descrevendo a metodologia utilizada

A figura 1 apresenta um fluxograma que sumariza as principais etapas realizadas na

elaboração deste trabalho.

Figura 1 - Fluxograma descrevendo a metodologia utilizada.

Fonte: Autoria própria.

3.2 Breve descrição da metodologia

Neste item as etapas destacadas no fluxograma consideradas mais importantes da

metodologia serão descritas de maneira objetiva.

3.2.1 Escolha do tema

Para a definição do tema o aluno conversou com pesquisadores da Pontifícia

Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS), buscando projetos para aplicar o

Escolha do tema

Elaboração do referencial

teórico

Montagem do protótipo

Teste

funcional

Projeto CAD

Verificação.

Erro?

Programação em linguagem

C

Erros?

Aquisição e interpretação

dos dados.

Não OK

OK

Correção

Sim

Não

Sim

Não

Não

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máximo do conhecimento adquirido durante o curso. Dentre os projetos apresentados foi

escolhido o que pareceu ser mais complexo e relevante para formação acadêmica. A proposta

escolhida foi desenvolver a plataforma de força.

3.2.2 Elaboração do referencial teórico

A fase inicial consistiu em uma pesquisa bibliográfica para obter uma visão geral das

tarefas e componentes envolvidos ao longo do projeto.

3.2.3 Montagem do protótipo

Para testar diferentes configurações e a conexão do ESP8266 com o Hx710 e a célula

de carga sem gerar custos adicionais para o projeto foi utilizada uma placa protoboard,

conforme mostra a Fig. 2.

A célula de carga teve seu lado inferior fixado em uma de placa de fibra de média

densidade (MDF), e o superior em uma placa de acrílico. Dessa forma, quando um objeto é

posicionado em cima da placa de acrílico ocorrerá a deformação do extensômetro e

consequentemente uma variação da força medida.

Figura 2 – Primeiro protótipo da plataforma de força.


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3.2.4 Projeto CAD

Para o hardware foram utilizadas PCI’s, que são placas feitas de uma base de material

não condutivo para fixar mecanicamente os componentes. Ilhas e trilhas são feitas de uma

camada condutiva de cobre para fazer a conexão elétrica dos componentes eletrônicos.

A representação gráfica do circuito elétrico, ou esquemático, e design da placa foram

feitos utilizando o software Altium Designer, a partir do esboço de um circuito elaborado no

início do projeto.

Primeiro é feito o esquemático, nesta etapa os componentes que serão utilizados são

escolhidos. A figura 3 mostra o esquemático da CPU básica que fará a automação da

plataforma.

Figura 3 – CPU para automação - Esquemático.


Após a conclusão do esquemático é feita a montagem da PCI. Na montagem, também

via software, os componentes são distribuídos visando a performance, manufaturabilidade e o

roteamento da placa. A figura 4 mostra a montagem concluída.

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Figura 4 – CPU para automação – Montagem.


É possível também, via software, obter a visão 3D da placa desenvolvida, como

mostra a Fig. 5.

Figura 5 – CPU para automação – Placa em 3D.


O modelo ótimo da placa utilizada para captura de dados de medição de força foi

projetado em CAD, a Fig. 6 mostra o esquemático da placa.

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Figura 6 – Circuito para medição de força – Esquemático.


Visando facilitar o uso da placa os conectores foram posicionados nas extremidades,

conforme mostra a montagem na Fig.7.

Figura 7 – Circuito para medição de força – Montagem.


Na visão 3D o projetista pode observar sob uma perspectiva melhor como os

componentes são distribuídos, componentes muito próximos podem, posteriormente,

impossibilitar a soldagem. A figura 8 mostra a distribuição dos componentes em 3D.

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Figura 8 – Circuito para medição de força – Placa em 3D.


Os componentes utilizados no circuito são equivalentes aos usados na protoboard (vide

Fig. 2), porém agora foram empregados componentes surface mount device (SMD), que

utilizam tecnologia de montagem superficial.

3.2.5 Programação em linguagem C

Para utilizar o transmissor wireless ESP8266 NodeMCU, foi preciso programá-lo em

linguagem C através do ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) Arduino.

Foram definidas as portas utilizadas no ESP8266. Um vetor N de 11 posições foi

criado para posteriormente ser utilizado no filtro de média móvel. Com base nas

especificações do datasheet do Hx710 (vide Fig. 9) foi criada uma função para cada placa de

medição, esta função gera a sequência de pulsos necessária para fazer a leitura de dados e

retornar um valor de 0 a 16777215.

Para atenuar oscilações na leitura, dois filtros foram implementados separadamente. O

mais eficaz foi então utilizado no projeto.

Como a plataforma está pressionada contra a célula de carga, ela apresenta um valor

inicial indesejado. Para que este valor não atrapalhe as leituras foi criada uma função que tara,

ou seja, zera os valores iniciais lidos da célula de carga. Isto é feito subtraindo uma média de

25 leituras feitas quando começa a coleta de dados, sem quaisquer outras forças atuando sobre

a plataforma.

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Figura 9 – Sequência de pulsos.

Fonte: “Hx710 datasheet,” Adaptado para português de Avia Semiconductor (Xiamen) Co. LTD., Xiamen, China. A tabela 1 descreve o valor e significado das siglas utilizadas na Fig. 9.

Tabela 1 – Descrição das siglas utilizadas na Fig. 9

Fonte: “Hx710 datasheet,” Adaptado para português de Avia Semiconductor

(Xiamen) Co. LTD., Xiamen, China.

3.2.6 Aquisição e interpretação dos dados

A aquisição de dados acontece como mostra a Fig. 10. A deformação no extensômetro

da célula de carga gera uma variação de tensão que é amplificada e convertida pelo Hx710.

A interpretação é feita pelo microcontrolador ESP8266. O Hx710 é um conversor A/D com

24 bits de resolução. A resolução do conversor determina o número de valores discretos que

ele pode representar. Como os valores são armazenados eletronicamente na forma binária e a

resolução é expressa em bits, o intervalo de valores é encontrado através de uma potencia de

dois. Por exemplo, um conversor com 24 bits de resolução pode gerar 224 valores, ou seja,

16777215 valores, sendo o maior valor dado quando uma massa de 10kg é posicionada na

célula de carga, e 0 quando não há massa. Utilizando pesos-padrão, o fator de conversão foi

calculado e implementado em linguagem C para que a leitura seja dada em gramas.

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Figura 10 – Representação simplificada da ligação do protótipo.


A figura 11 mostra o funcionamento do protótipo na forma de um diagrama de blocos.

Figura 11 – Diagrama em blocos do protótipo.


Para a captura dos dados wireless foram utilizados dois módulos Xbee S2C ZigBee, um

para emitir e outro para receptar. A figura 12 apresenta o módulo utilizado no trabalho.

Figura 12 – Módulo Xbee S2C Zigbee utilizado no trabalho.


Massa é

posicionada

na plataforma

Extensômetro

deforma e

produz uma

variação na

tensão

Hx710

amplifica e

converte o

sinal da

tensão

ESP8266

interpreta os

dados e

mostra massa

em gramas

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Para conectar o receptor dos dados no computador foi utilizado o adaptador Universal

Serial Bus (USB) CON-USBBEE XPlus para o módulo, vide Fig. 13.

Figura 13 – Módulo Xbee S2C Zigbee com adaptador USB.


3.3 Lista de componentes utilizados

Neste item serão listados em forma de tabela os componentes utilizados na construção do

protótipo. A tabela 2 lista os componentes utilizados no protótipo.

Tabela 2 - Componentes utilizados no protótipo.

Componente Especificação

R1 33 Ω

R2 220 Ω

R3 220 Ω

C1 100 nF

C2 100 nF

C3 100 nF

Célula de Carga 10 kg

Regulador de Tensão REF3230

Conversor A/D Hx710

Módulo Wifi ESP8266


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Na CPU para automação foram utilizados os componentes listados na Tab. 3.

Tabela 3 - Componentes utilizados na CPU para automação.

Componente Especificação

R1 390 Ω

R2 560 Ω

R3 10 Ω

R4 10 kΩ

C1 100 nF

C2 1 µF

C3 22 pF

C4 22 pF

C5 100 nF

C6 100 nF

C7 100 nF

SW1 Pushbutton

Regulador de Tensão LD33

Microcontrolador STM32F0

Oscilador de Cristal 8 MHz

D1 LED


4 RESULTADOS EXPERIMENTAIS

Neste item serão apresentados os dispositivos projetados para a implementação da

plataforma de medição de força, bem como os resultados obtidos através de análises

experimentais.

4.1 PCI para medição de força

Para a construção da PCI apresentada na Fig. 8 foi utilizada uma fresadora Computer

Numeric Control (CNC) que realizou a transferência do circuito para a placa por meio da

remoção de material, como mostra a Fig. 14.

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Figura 14 – PCI para medição de força.


Após passar pela retirada de material na fresadora é preciso cobrir a placa com uma camada

de estanho para proteger o cobre, evitando sua oxidação, e soldar os componentes no lugar

projetado, como mostra a Fig. 15.

Figura 15 – PCI para medição de força finalizada.


Para avaliar a qualidade da PCI desenvolvida foram realizados experimentos com a

mesma e com duas placas comerciais. A figura 16 apresenta a placa do fabricante MCIGICM.

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Figura 16 – PCI comercial do fabricante MCIGICM.


A figura 17 apresenta a placa do fabricante TENSTAR ROBOT.

Figura 17 – PCI comercial do fabricante TENSTAR ROBOT.


4.2 Funcionamento do protótipo

Para calibrar uma célula de carga são necessários pesos-padrão, assim o valor lido pelo

A/D pode ser atribuído via software a uma massa conhecida. A figura 18 mostra os pesos-

padrão utilizados para calibrar o protótipo da plataforma de medição de força.

Figura 18 – Pesos-padrão.


18

A figura 19 mostra o peso-padrão posicionado no protótipo para medição.

Figura 19 – Peso-padrão posicionado para medição.


4.3 Principais dados experimentais

Neste item serão apresentados dados obtidos de forma experimental, utilizando o

hardware, do protótipo e da plataforma, construídos ao longo do projeto. Vale ressaltar que

devido ao curto prazo para conclusão do trabalho, o autor apesar de ter implementado dois

sistemas de desenvolvimento, um com o ESP8266 e outro com o microcontrolador ARM,

utilizou apenas o primeiro para coleta de dados.

4.3.1 Resultados obtidos com o protótipo

Para visualizar e interpretar melhor os dados coletados foram utilizadas duas

ferramentas da IDE do Arduino, Serial Plotter e Serial Monitor.

O conversor A/D realiza as leituras a 10 Hz, ou seja, 10 leituras por segundo. O eixo x

representa o número de leituras, sendo que cada marcação corresponde a um intervalo de 100

leituras, ou 10 segundos. O eixo y representa a massa em gramas. Como explicado no item

3.2.5, foram desenvolvidos dois filtros, os dados coletados foram estudados a fim de escolher

o mais adequado para ser implementado.

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A figura 20 mostra os dados coletados e filtrados com a média móvel quando uma

massa de 20 gramas é posicionada no protótipo.

Figura 20 – Medição de uma massa de 20 gramas com filtro de média móvel.


A figura 21 mostra a medição de uma massa de 500 gramas utilizando o mesmo filtro.

Figura 21 – Medição de uma massa de 500 gramas com filtro de média móvel.


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Na figura 22 foi medida uma massa de 20 gramas, neste caso utilizando o filtro de

mediana.

Figura 22 – Medição de uma massa de 20 gramas com filtro de mediana.


A figura 23 mostra a medição de uma massa de 500 gramas com o sinal filtrado pela

mediana.

Figura 23 – Medição de uma massa de 500 gramas com filtro de mediana.


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Foram realizados extensivos experimentos com ambos os filtros, variando a massa

medida e o tempo de medição, sempre comparando com o sinal medido. As leituras

apresentavam variação de mais um menos um grama quando era exercida uma força

constante, o que representa 0,1% em uma força de um quilograma.

Os filtros obtiveram resultados bastante similares, observando atentamente foi possível

notar que o filtro de mediana respondia mais rápido, o que para o trabalho proposto não era

interessante, visto que as vezes ele acabava acompanhando a oscilação. Por isso, apesar de

apresentar um atraso maior, o filtro de média móvel foi escolhido para ser implementado na

plataforma.

Para avaliar a qualidade da PCI de medição de força produzida pelo autor, a placa foi

comparada com as comerciais através de experimentos com o protótipo. Com o propósito de

facilitar a análise dos dados, a placa comercial do fabricante MCIGICM foi chamada de placa

comercial #1, e a do fabricante TENSTAR ROBOT de placa comercial #2.

Para compará-las, os dados foram obtidos com o Serial Monitor da IDE do Arduíno e

graficados utilizando o software MATLAB, do desenvolvedor MathWorks. A figura 24

apresenta o gráfico das três placas em um experimento sem carga sobre o protótipo.

Figura 24 – Comparação das placas, experimento sem carga.


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O eixo x representa a força em gramas, e o y o número de leituras. Percebe-se que a placa

desenvolvida obteve melhor desempenho, mantendo-se em zero com variações de um grama,

enquanto as comerciais variaram três vezes esse valor.

A figura 25 apresenta a comparação medindo uma carga de 100 gramas.

Figura 25 – Comparação das placas, experimento com 100 gramas.


As placas comerciais foram produzidas industrialmente e possuem plano de terra, furos

metalizados e dupla camada. A placa do presente trabalho foi produzida artesanalmente pelo

autor, e mesmo sem as qualidades citadas das placas comerciais, foi observado um sinal

menos ruidoso e muito mais estável na placa desenvolvida quando comparado com as

comerciais. Se o autor dispusesse das ferramentas industriais de fabricação de PCI’s estes

resultados poderiam ser ainda melhores. Um fator que contribuiu para os melhores resultados

na placa desenvolvida foi a utilização do REF3230, um regulador de tensão de precisão que

regulou e estabilizou a tensão de referência do amplificador.

4.3.2 Resultados obtidos na plataforma

Após a construção do hardware proposto no início do projeto, e comprovada a sua eficácia

no protótipo, o código foi otimizado e adaptado para ser implementado na plataforma da Fig.

26.

23

Figura 26 – Plataforma de medição de força.


O processo para calibrar as células de carga em uma esteira horizontal, para que ela

informe medidas de massa é simples, basta posicionar uma massa conhecida sobre ela e

aplicar o código elucidado no item 3.2.5.

No caso da plataforma para simulação de locomoção em microgravidade em que a

esteira é instalada verticalmente, o processo de calibração habitual é inexequível. Neste

cenário uma balança doméstica Geom B530 foi posicionada na esteira, exercendo-se uma

força constante de 20 kg sobre a mesma, como mostra a Fig. 27. Assim, com a força exercida

conhecida e com o valor lido do Hx710 foi possível encontrar um fator de conversão

aproximado. Posteriormente realizaram-se testes na plataforma com a balança, para confirmar

que a força exercida era a mesma da obtida nas leituras.

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Figura 27 – Calibração com balança Geom B530.


Os parafusos que sustentam a esteira na estrutura estavam causando problemas na

medição. Quando era exercida uma força na esteira, esta não voltava à condição inicial e

mantinha a célula de carga pressionada, pois ficava presa em um dente da rosca do parafuso.

Para solucionar o problema o parafuso foi usinado, deixando a parte central lisa. Outras áreas

de contato da esteira com a estrutura foram lubrificadas com o mesmo propósito.

Para usar um ser humano para caminhar na esteira é preciso autorização do Comitê de

Ética em Pesquisa (CEP), por este motivo foi simulada uma caminhada realizando pressão na

esteira com as mãos. A figura 28 apresenta o resultado da simulação de uma caminhada lenta,

com uma parada rápida no meio da caminhada.

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Figura 28 – Resultados simulando uma caminhada lenta.


A figura 29 simula uma caminhada mais rápida, fazendo mais pressão na esteira.

Figura 29 – Resultados simulando uma caminhada mais rápida.


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5 CONCLUSÃO

Estudar e entender os efeitos da microgravidade no corpo é essencial para a

manutenção dos astronautas no espaço e também para as pessoas aqui na terra, dada a

similaridade dos efeitos da osteoporose e os da microgravidade.

Neste trabalho foi realizada a construção de um sistema de desenvolvimento e

aquisição de dados que vai possibilitar a realização de estudos no sistema musculoesquelético

através de simulações de locomoção em microgravidade por meio da inversão postural (uso

da esteira vertical). Além de ter atingido os objetivos propostos no início do projeto, os

resultados obtidos foram muito bons, uma vez que a placa de aquisição desenvolvida tem um

funcionamento muito melhor em relação as comerciais no que diz respeito a redução do ruído

presente na captura dos dados. A PCI produzida proporcionou leituras mais estáveis, com

pouca oscilação, e o código desenvolvido implementou filtros digitais para atenuação das

oscilações e ruídos inerentes às células de carga. Outrossim, o autor teve a oportunidade de

aplicar e aprofundar os conhecimentos adquiridos nas diversas áreas do curso de Engenharia

de Controle e Automação, como instrumentação, eletrônica, processadores e programação em

linguagem C.

Pra trabalhos futuros recomenda-se desenvolver um sistema mais preciso para calibrar

a plataforma, utilizar acelerômetros em conjunto com as células de carga e utilizar a PCI

produzida para a automação da plataforma.

6 REFERÊNCIAS

Balbinot A., Brusamarello V. J., Instrumentação e Fundamentos de Medida, 2. ed., LTC,

2007.

Gary Legg. ZigBee: Wireless Technology for Low-Power Sensor Networks. Disponível

em:

<http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1275760> Acesso em 07 dez. 2017.

Hollingham, R. The effects of space travel on the human body. Disponível em:

<http://www.bbc.com/future/story/20140506-space-trips-bad-for-your-health> Acesso em: 07

dez. 2017.

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Loadstar Sensors. What is a Load Cell? How do a Load Cells Work? Disponível em:

<http://www.loadstarsensors.com/what-is-a-load-cell.html> Acesso em 07 dez. 2017.

Murry S. ARM’s Reach: 50 Billion Chip Milestone. Disponível em:

<https://www.broadcom.com/blog/arms-reach-50-billion-chip-milestone-video> Acesso em

07 dez. 2017.

Perusek P. G., Lewandowski B., Gilkey K, Nall M., Just L. M., Cavanagh R. P., Kuklis M.,

Novotny S. Exercise Countermeasures and a New Ground-Based Partial-g Analog for

Exploration . Anais: 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. 2007.

Rainey, K. 15 Years of Continuous Human Presence Aboard the International Space

Station. Disponível em:

<https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/infographic_15_years> Acesso

em: 07 dez. 2017.

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