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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA
CADEIRA DE RODAS ARTICULADA PARA CÃES
Porto Alegre, 9 de novembro de 2017.
Autor: Rafael Leite da Silva
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Curso de Engenharia de Controle e Automação
Av. Ipiranga 6681, - Prédio 30 - CEP: 90619-900 - Porto Alegre - RS - Brasil
Email: [email protected]
Orientador: Rubem da Cunha Reis
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Av. Ipiranga 6681, - Prédio 30 - Bloco F - Sala 204 - CEP: 90619-900 - Porto Alegre - RS- Brasil
Email: [email protected]
RESUMO
Este artigo visa demonstrar o desenvolvimento de uma cadeira de rodas para cães de pequeno
porte. Onde se utilizara de modelagem 3D, componentes de automação padrões de mercado e de
tecnologias de prototipagem rápida para a obtenção do referido produto, com o objetivo de
melhorar a qualidade de vida de animais que por algum motivo nasceram ou adquiriram alguma
lesão medular, assim impossibilitando a movimentação dos membros posteriores. O diferencial
proposto, será a possibilidade de o animal deitar-se, sem a necessidade de retirar o equipamento e
sem a intervenção do seu cuidador. Assim tornando mais prática a movimentação diária do animal
no ambiente doméstico e em eventuais passeios.
Palavras-chave: cão. cadeira. mobilidade. automação.
ABSTRACT
This article aims to demonstrate the development of a wheelchair for small dogs. Where 3D
modeling, automation components, market standards and rapid prototyping technologies were
used to obtain this product, with the objective of improving the quality of life of animals that for
some reason were born or acquired some spinal cord injury, thus making it impossible the
movement of the hind limbs. The proposed differential will be the possibility of the animal to lie
down, without the need to remove the equipment and without the intervention of its caregiver.
Thus making more practical the daily movement of the animal in the domestic environment and in
eventual walks.
Key-words: dog. chair. mobility. automation
1 INTRODUÇÃO
No presente artigo será demonstrado o desenvolvimento de um equipamento para facilitar a
movimentação de cães com paralisia dos membros posteriores. O referido cão sofreu uma grave
lesão na medula, perdendo os movimentos das patas posteriores. Com a crescente popularização das
impressoras 3D, e de plataformas de desenvolvimento open source, como o Arduino e a Launch
Pad da Texas Instruments, pode-se realizar a confecção de dispositivos personalizados, com um
custo relativamente baixo, assim possibilitando realizar o desenvolvimento do equipamento aqui
exposto. Para assim abrir novas possibilidades no mercado de equipamentos para animais de
estimação com deficiência.
1.1 Tema de Pesquisa
O equipamento proposto para o estudo, será similar a uma cadeira de rodas, também
conhecida como andador pet, com a tração para a deslocamento horizontal, feita pelo animal,
através de suas patas dianteiras. Para as patas posteriores, será desenvolvido o mecanismo, dotado
de automação nos movimentos de levantar e abaixar-se, de acordo com as reações do cão. Visando
melhorar a ergonomia, para o deslocamento do animal. Este dispositivo deverá monitorar o
comportamento do animal, através de sensores dispostos na cadeira de rodas, e identificar a melhor
ação para o posicionamento de seus componentes mecânicos. Após a identificação, serão acionados
os motores para a troca de postura do animal, de forma autônoma. Sem a necessidade de
intervenção humana.
1.2 Justificativa do Tema
Através da convivência diária, com o referido cão. Foram observado os problemas
enfrentados pelo animal. Problemas como ferimentos causados pelo atrito com o solo, dificuldades
ao descansar, postura inadequada, choques de suas articulações ao solo e grande esforço ao se
deslocar pelo arrasto dos membros posteriores.
E fora percebida uma grande carência de equipamentos para cães com deficiência no
mercado brasileiro, e os que estão disponíveis, são muito caros e relativamente pouco elaborados,
praticamente concebidos de forma artesanal. Assim foi decidido a desenvolver este estudo, para
melhorar esta realidade. Oferecendo ao mercado para animais de estimação, uma nova alternativa
para os cães com paralisia ou amputação dos membros posteriores.
1.3 Objetivo do Trabalho
No estudo e desenvolvimento do equipamento para o cão participante, será assumido como
principal objetivo, possibilitar uma melhor mobilidade do animal, diminui o atrito de seu corpo com
o solo, evitar sobrecargas na coluna, desenvolver melhorias na ergonomia do equipamento e
facilitar o descanso do animal, onde ele poderá deitar-se sem a necessidade da intervenção de seu
cuidador, lhe devolvendo uma pequena parcela de sua autonomia.
1.4 Delimitações do Trabalho
O estudo será limitado ao desenvolvimento de equipamento para cães com o peso máximo
de 7 kg. Com os movimentos das patas anteriores em perfeitas condições, para que se possa
tracionar com facilidade o equipamento, e os movimentos do estudo ficam limitados a deitar-se e
levantar para entrar em regime de caminhada. Compreende-se como deitar o ato de o animal abaixar
seus membros anteriores e posteriores, apoiando seu peito no solo. O posicionamento para dormir,
não será considerado, sendo assim o equipamento deverá ser retirado neste momento.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Os cães costumam ser animais muito ativos, e por este motivo podem ser acometidos por
lesões causadas por acidentes ou até por doenças, comuns a determinadas raças. Em alguns casos o
procedimento indicado é a amputação. A amputação é o mais antigo dos procedimentos cirúrgicos
(CRENSHAW, 1996).
Os animais que sofreram amputação de algum membro ou lesão medular, são aptos a seguir com
sua vida, com algumas limitações e adaptações.
Para este fim surgiram os equipamentos conhecidos popularmente como cadeira de rodas ou
andadores pets. Durante as pesquisas para a confecção do primeiro modelo, atualmente usado pelo
cão participante deste estudo, não foram encontrados materiais precisos e profissionais para o
referencial teórico.
Os equipamentos disponíveis aqui no Brasil, quase que na sua totalidade, são concebidos de
maneira artesanal. Utilizando-se de materiais como barras de alumínio ou canos de PVC, onde o
animal fica impossibilitado de deitar-se para descansar as patas.
Assim sendo, como este estudo visa desenvolver um equipamento inovador, onde serão
utilizadas técnicas de automação, com o auxílio da modelagem 3D, para uma melhor acomodação
do animal. Usaremos como referencial teórico as disciplinas de física mecânica, processamento
digital de sinais, programação de microcontroladores e eletrônica para embasar as escolhas
realizadas neste estudo.
2.1 Detecção dos movimentos
Para que o equipamento funcione conforme se necessita, deve-se detectar os movimento do
cão de forma precisa e com uma constante de tempo adequada ao propósito. Segundo B. P. Lathi
(2007, p. 200) “[…] os sistemas possuem um certo tempo de resposta. Em outras palavras, quando
uma entrada (estímulo) é aplicada a um sistema, uma certa quantidade de tempo passa antes que o
sistema responda completamente àquela entrada. Este intervalo de tempo ou tempo de resposta é
chamado de constante de tempo do sistema.”.
Porém não poderá ter uma resposta dinâmica demasiadamente alta, para assim evitar que o sistema
instabilize em momentos como o de uma caminhada. Esse efeito ruidoso poderá ser evitado com o
aumento da constante de tempo do sistema. Segundo B. P. Lathi (2007, p. 201) “[…] uma constante
de tempo pequena indica em um sistema capaz de responder a rápidas variações da entrada.
Portanto, existe uma conexão direta entre a constante de tempo do sistema e suas propriedades de
filtragem.
2.2 Distribuição de peso do animal
Para aumentar o conforto do animal, deve-se distribuir o peso de forma que não haja
sobrecargas nos membros anteriores. Segundo estudo realizado por BASTIAN, NATALIA
CAROLINA [...]”, os animais não tinham o membro anterior direito, o peso transferido para seu
lado esquerdo ...”.
Nesse mesmo estudo, segundo BASTIAN, NATALIA CAROLINA [...]” Com os Grupos 3 (sem
posterior esquerdo) e 4 (sem posterior direito), os animais acabaram distribuindo seus membros
anteriores, mas sempre ficando o lado que possui os dois membros com maior porcentagem de
peso”.
2.3 Processamento dos dados
Para processamento dos dados gerados pelos sensores, será utilizado um microcontrolador
da Texas instruments. Este controlador foi desenvolvido para ser utilizado em aplicações onde se
necessita baixo consumo de energia, onde se trabalha com fonte de energia limitada. Como por
exemplo equipamentos portáteis, alimentados a baterias.
Como descrito na página do fabricante “[…] A arquitetura, combinado com cinco modos de
baixa energia, é otimizada para alcançar a vida da bateria em aplicações portáteis de medição. O
dispositivo possui um poderoso CPU RISC de 16 bits”.
Na figura 1 abaixo, o diagrama funcional do microcontrolador MSP430. Retirado da página
5 do documento Datasheet SLAS735J, disponível no site da Texas Instruments.
Figura 1 – Diagrama funcional, MPS430G2x53
Podemos ver que este controlador possui diversos dispositivos, bastante úteis em um único
encapsulamento, como ADC, UART, SPI e I2C. Diminuindo assim a quantidade de hardware
necessária, para muitas aplicações, possibilitando compactação dos dispositivos. O seu baixo custo
é outro diferencial.
2.4 Movimentação
Para obter a alternância de posicionamento, do nosso dispositivo de estudo, serão
necessários os conhecimentos e conceitos da física clássica. Como por exemplo a definição do
torque. Segundo David Halliday (1996, 4 ed. Vol.1 p. 257) “[…] Uma força F, ao girar ou torcer um
corpo em relação a um eixo de rotação, produz um torque.”
Como veremos na metodologia este conceito será de grande utilidade para o
dimensionamento dos componentes mecânicos. Onde deverá ser empregada uma força que se
sobreponha a força peso do animal e o equipamento, para que ocorra a mudança de postura dos
mecanismos.
3 METODOLOGIA
A abordagem neste artigo, será em grande maioria teórico x prática. Onde serão
apresentados os problemas encontrados durante o desenvolvimento, com a metodologia utilizada
para solucionar ou reduzir tal questão a valores aceitos.
Serão realizadas medições no animal e em seu equipamento utilizado atualmente, para que
se tenha uma referência inicial aos estudos aqui realizados. E assim adicionar melhorias ao
dispositivo foco deste artigo.
Para iniciarmos os estudos do dispositivo em questão, as seguintes etapas deverão ser
consideradas, como descritas nos subitens a seguir.
3.1 Verificação prévia do cão
Como descrito no item 1.4, deste artigo. O objeto do estudo possui algumas limitações
básicas, para que o cão esteja apto a sua perfeita utilização.
Deve se verificar as condições de saúde do animal, como a sua capacidade de tração nas patas
dianteiras, flexibilidade e as condições dos membros traseiros. As condições dos membros traseiros
devem ser levados em conta no estudo inicial, para que possamos definir uma melhor forma de
acomodação do animal ao equipamento, que no caso de ainda possuir os membros, deve-se
conceber orifícios e suportes para a sustentação dos mesmos.
Outra verificação que deve ser feita, é a referente ao sexo do animal, que em sua anatomia,
possui particularidades entre macho e fêmea, necessitando de posicionamento diferente de orifícios
para que possa realizar a evacuação.
3.2 Massa do cão
Primeiramente devemos obter a massa total do cão, para que se possa dimensionar os demais
componentes do dispositivo, como os motores e eixos por exemplo.
3.3 Medidas do cão
Para que possamos iniciar a modelagem da base e das articulações do dispositivo, devemos
obter algumas medidas do animal.
A altura do peito do cão em relação ao solo deve ser obtida, para que se possa ter uma
referência do nivelamento da parte traseira do animal. O comprimento do corpo do cão deve ser
medido para se obter o parâmetro de apoio necessário, para a sustentação confortável dos membros
traseiro.
A largura do tórax e da parte traseira deverão ser verificadas assim como as posições dos
órgãos genitais e diâmetro da pernas traseiras. Outro item importante, verificar a diferença de altura
em relação ao solo, entre o tórax e abdômen.
3.4 Modelamento da base
A base será o componente central do equipamento desenvolvido neste estudo, nela serão
fixadas, a coleira que fará a sustentação e a tração do equipamento, os suportes para a fixação dos
motores, os sensores, componentes eletrônicos e baterias.
O objetivo que deve se assumir ao realizar o modelagem da referida base, é o de seguir,
dentro do possível a anatomia do animal. Evitando arestas pontiagudas, e sempre que possível usar
meios que possa melhorar o conforto do animal.
Este componente, terá que ser leve e suficientemente resistente, para suportar o peso do
animal, junto com os demais componentes do sistema. E resistente aos esforços empregados em sua
utilização diária.
3.5 Massa dos componentes
Nesta etapa do estudo, ainda não temos um modelo exato para obter as massas totais do
equipamento, sendo assim devemos realizar uma estimativa da massa total, com o auxilio de
catálogos e informações de fabricantes.
3.6 Modelamento da estrutura de elevação
Para a estrutura de elevação, deve ser observada se a altura que a base ficará do solo, será
compatível com a postura do cão de pé, evitando inclinações positivas ou negativas. Os raios das
rodas são parte da dimensão final do sistema, e devem ser consideradas para o dimensionamento do
sistema de elevação.
3.7 Escolha dos motores
Nesta etapa já estamos com o sistema de elevação praticamente definido, sendo assim
possuímos as informações necessárias para calcular os torques envolvidos no sistema. E também
quais as necessidades angulares do sistema.
A massa dos motores deve ser observada com cuidado nesta etapa, pelo motivo que o cão
deverá deslocar a sua própria massa, juntamente com a massa dos motores, e todos os outros
componentes do sistema, unicamente com a força das patas dianteiras. Além de motores muito
robustos consumirem uma maior energia para o seu funcionamento, o que acarretaria na
necessidade de baterias maior porte, sobrecarregando o animal.
3.8 Escolha do sensor
O sensor desempenhará a tarefa de informar o microcontrolador alguma mudança na sua
inclinação, para que o microcontrolador possa tomar as devidas ações, de acordo com a sua
programação e os dados informados.
Será necessária a monitoração da aceleração e inclinação nos três eixos, para que se possa
definir a ação a ser executada. Para este fim, escolhemos o MPU6050, por incorporar os
acelerômetros e giroscópios num mesmo chip.
3.9 Escolha do controlador
Para este projeto, necessitaremos de um microcontrolador, que disponha de um baixo
consumo e de uma quantidade suficiente de portas I/O. Onde necessitaremos comunicar com os
sensores, coletar os dados e depois de manipulados enviar os sinais necessários ao controle dos
motores.
O microcontrolador utilizado neste estudo é pertencente à família MSP430, da Texas
instruments. Ele foi escolhido por apresentar baixo consumo de energia, em plena operação, e a
facilidade de materiais e ferramentas disponibilizadas no site do fabricante.
3.10 Dimensionamento das baterias
Com o sistema funcionando em bancada, serão realizadas as medições do consumo, em pleno
funcionamento, para assim com estes dados dimensionar a capacidade, a tensão e a quantidade de
baterias necessárias para o funcionamento do dispositivo.
4 APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA
A partir deste ponto, será discutida ponto a ponto, a aplicação da metodologia para a execução
do dispositivo proposto. Descrevendo os seus objetivos, limitações e soluções observadas.
A metodologia será aplicada visando manter um equilíbrio entre o custo, disponibilidade de
componentes e conforto para o animal participante do estudo. O item de grande importância, que
deverá ser considerado, é a massa que será agregada ao deslocamento do animal, que deve ser
mantida dentro de limites, que não prejudiquem o deslocamento em passeios mais prolongados.
4.1 Verificação prévia do cão
Em observações do comportamento do cão, podemos obter algumas das informações, sobre
sua capacidade de locomoção. O cão participante deste estudo possui grande capacidade de tração
nas patas dianteiras, visto que ele se desloca em superfícies lisas, com certa facilidade. Onde ele
consegue vencer o atrito, que parte de seu corpo tem com o solo, como podemos verificar na figura
2.
O animal não sofreu amputações, porém os membros posteriores não respondem aos seus
comandos. Por vezes, realizando movimentos involuntários.
Figura 2 – Deslocamento do cão em superfícies lisas
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
4.2 Massa do cão
Ao realizar as medições para verificar a massa do cão, percebe-se a necessidade de o animal
em realizar mais exercícios, pelo motivo de ele estar acima de seu peso ideal, porém apto aos
parâmetros do estudo em questão.
Já que não ultrapassou a massa de 7 kg, especificada anteriormente, na seção 1.4, onde temos
expostas as delimitações do trabalho.
4.3 Medidas do cão
As dimensões de largura do tórax, a largura da parte posterior, alturas do solo e comprimento,
nesta etapa são essenciais, para a etapa seguinte.
Iniciaremos a coleta das dimensões, para isso utilizaremos trena e paquímetro, primeiramente
irá se medir o comprimento do ponto de ancoragem até o fim da parte posterior do cão. Para melhor
ilustrar as explicações, utilizaremos fotos dos passos executados.
Para a ancoragem ao corpo do animal, utilizaremos como referência o ponto onde a coleira se
encontra. Na figura 3, demonstramos a forma que foi utilizada para obter a medida da ancoragem.
Figura 3 – Método de medida do comprimento posterior até a ancoragem
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
A altura do tórax em relação ao solo deve ser obtida com o cão, na posição mais próxima o
possível da que teria naturalmente, quando apoiado sobre as patas traseiras. E utilizaremos como
referência a parte mais próxima do solo. Como ilustrado na figura 4.
Figura 4 – Método de medida altura do tórax ao solo
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Para o correto nivelamento entre a parte anterior e posterior do animal, devemos obter a altura
do seu abdômen, para a realização desta verificação. O animal foi posicionado de maneira que suas
patas posteriores tocassem o solo, tentando manter a sua coluna livre de torções. E com o auxilio de
uma trena e de outra pessoa, medir a distância da parte mais próxima ao solo do abdômen,
conforme ilustrado na figura 5.
Figura 5 – Método de medida altura do abdômen ao solo
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
A largura do tórax, também é um parâmetro importante devido a sua condição, o animal
desenvolveu mais a sua musculatura das patas dianteiras, assim aumentando a sua caixa torácica.
Essa variável deve ser considerada ao desenvolver a ancoragem. Para a execução desta medida, por
questão de conveniência, utilizou-se de um paquímetro, conforme podemos ver na figura 6.
Figura 6 – Método de medida do tórax
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Para o encaixe da parte posterior do animal, devemos obter a largura, o diâmetro das coxas,
para o caso de animais não amputados, e as medidas necessárias para o posicionamento dos
orifícios necessários pra a passagem das pernas e dos órgãos genitais. Na figura 7, ilustramos estas
medidas, realizadas no cão participante.
Figura 7 – Medições realizadas na parte posterior
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
4.4 Modelamento da base
Conforme falamos no item 3.4 deste artigo, a base deverá ter algumas características
essenciais. Onde além de conforto para o animal, ela deverá servir de suporte para os demais
componentes do dispositivo estudado.
Para uma modelagem mais precisa, utilizaremos de softwares de CAD 3D. Onde possamos
testar conceitos e formas, de maneirar rápida e sem custos com modelos físicos. Levando em conta
os parâmetros obtidos nos itens anteriores, foi modelada a base de forma mais ergonômica possível.
Figura 8 – Base inferior modelada em CAD
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Na base inferior, foram dispostos os orifícios necessários para a acomodação do animal,
mantendo-se arestas arredondadas e formas orgânicas. Para a confecção desta peça e de outras deste
estudo será utilizada a técnica de impressão 3D. Porque nos permite ter um modelo físico, com
grande liberdade de formas, e suficientemente resistente para a validação do trabalho.
A impressão será feita com filamentos de PLA, este material possui boa resistência mecânica,
é bastante leve e de fácil aquisição no mercado nacional.
Esta base foi modelada de maneira, que mantenha o corpo do animal apoiado, evitando
tensões excessivas em sua coluna, ela possui um desnível, que acompanha a diferença de altura do
corpo do animal.
Foram modeladas áreas planas na parte inferior, para possibilitar a acomodação da placa de
circuito impresso e do sensor.
Figura 9 – Base inferior (vista lateral)
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
4.5 Modelamento da estrutura de elevação
Com as dimensões da base definidas, pode-se modelar a estrutura responsável pela elevação
do dispositivo. Para a respectiva movimentação, foi decidido no uso de dois servos motores.
Os servos motores foram escolhidos pela vantagem de possuírem a possibilidade se
posicionar sem a necessidade de encoder ou sensores adicionais. A definição do tipo de motor a ser
escolhido nesta etapa, é importante para que se tenha a noção de qual a capacidade de
movimentação do motor.
Servo motores possuem limitação em relação ao ângulo de giro, geralmente os limites são de
- 90° à +90°, sendo assim o nosso dispositivo deverá fazer a sua movimentação completa, dentro
destes limites impostos pelo servo motor.
Com o giro de 180°, disponível nos servos, conseguimos a variação de 111 mm (Figura 10),
na altura do dispositivo, sendo o suficiente para os objetivos do dispositivo.
Figura 10 – Limites de elevação
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
4.6 Escolha dos motores
Conforme foi definido na modelagem do sistema elevatório,devemos escolher o servo motor
capaz de movimentar esse sistema. Para tal tarefa utilizaremos o MG 995, este servo possui
engrenagens metálicas, e torque de 10kgf.cm (0,980Nm) . Sendo assim calculamos as forças e
verificaremos a eficácia da movimentação do sistema com este motor.
Figura 11 – Esquemático sistema de elevação
𝜏𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 𝑟1 × 𝐹1
𝐹1 =0,980
0,03= 32,6 N
𝐹1𝐵 = 𝐹1. 𝑠𝑒𝑛(∝) = 32,6 . 𝑠𝑒𝑛(41°) = 21,38 N
𝐹𝑃 = 𝑚 . 𝑔 = 3,5 . 9,81 = 34,335 N
𝐹𝑃𝐵 = 𝐹𝑃. 𝑠𝑒𝑛(∝) = 34,335 . 𝑠𝑒𝑛(49°) = 25,91 N
𝐹𝑅 . 0,04 = 𝐹1𝐵. 0,12
𝐹𝑅 =2,5656
0,04= 64,14 N
𝐹𝑅 = 𝐹𝑅𝐵. 𝑠𝑒𝑛(49°)
𝐹𝑅𝐵 =64,14
𝑠𝑒𝑛 (49°)= 84,98 N
Após os cálculos efetuados, verificamos que o sistema funcionará com o servo motor
escolhido, já que a força peso FP é menor que a força resultante FR do sistema.
4.7 Escolha do sensor
O sensor MPU, foi o escolhido para a tarefa de monitorar os eixos necessários para a
verificação das ações a serem executadas pelo microcontrolador. O MPU6050 da Invensense foram
projetados para dispositivos de baixa potência onde os requisitos necessários são baixo custo e alto
desempenho.
Em um único encapsulamento, este dispositivo combina um giroscópio de 3 eixos, um
acelerômetro de 3 eixos e o processador de movimento digital (DMP).
Figura 12 – Disposição dos eixos do MPU
Fonte: Site TDK Invensense [2017]
O DMP tem a capacidade de processar algoritmos complexos de 6 eixos, sem a necessidade de
intervenção do microcontrolador.
Figura 13 – MPU-6000 Family Block Diagram
Fonte: Site TDK Invensense [2017]
Este dispositivo possui interface para comunicação I2C, que facilitará a integração com o
nosso microcontrolador. O MPU6050 fornece os dados na ordem FIFO (First In, First Out).
Para a aplicação no dispositivo deste artigo, foi adquirido o módulo GY-521/ MPU6050, este
módulo possui as conexões necessárias, para a nossa implementação, além de regulador de tensão já
incorporado na PCI.
Figura 14 – Módulo GY-521/MPU6050
Fonte: Site fornecedor Baú da eletrônica [2017]
4.8 Escolha do controlador
Para a tarefa de monitorar os valores informados pelo sensor, foi escolhido o
microcontrolador MSP430g2553, onde possuímos as características necessárias para o projeto em
questão. As características principais deste microcontrolador são as seguintes:
16kB Flash;
512 B RAM;
16 GPIO;
2 x 16-bit timer;
WDT, BOR;
1 x USCI (I2C/ SPI/ UART);
8 ch 10-bit ADC.
Com estas características o MSP430g2553, será apto a controlar a comunicação I2C, gerar os
sinais PWM, para os dois servos motores e tratar os valores lidos do sensor.
A característica mais vantajosa para o projeto, é a do baixo consumo, que no Active Mode é
de 230 uA para a frequência de 1MHz. Na figura 15, está descrito as funções dos terminais do
microcontrolador.
Figura 15 – Pinos MSP430g2553IN20
Fonte: Datasheet MSP430 [2017]
4.9 Implementação
Neste ponto já estamos com os componentes a ser utilizados definidos, então iniciaremos
efetivamente a confecção, a montagem e os testes para obter os resultados esperados neste artigo.
Após a finalização das especificações, foram modelados em CAD 3D as peças necessárias, para o
dispositivo, chegamos a seguinte estrutura ilustrada na Figura 16.
Figura 16 – Modelo 3D do dispositivo
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
O modelo concebido comporta dois servo motores, articulações para as variações de altura,
local destinado à placa de circuito impresso, suporte para estofamento, para evitar lesões ao animal,
baterias e rodas de 80 mm de diâmetro. Após verificar as dimensões do modelo em relação às
necessidades do cão, iniciou-se a confecção das peças, pelo método de impressão 3D.
Figura 17 – Modelo 3D do dispositivo
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Finalizada a etapa da impressão 3D, temos em mãos as peças para iniciar a montagem do
modelo físico do dispositivo, conforme podemos observar na figura 17, deve-se escolher
cuidadosamente a orientação das peças ao realizar a impressão 3D. As partes destacadas em
marrom nesta figura, são os suportes necessários, para que a impressora possa confeccionar a peça
em questão, este material deve ser removido, após o termino da impressão. Na Figura 18, podemos
perceber vestígios destes materiais de suporte.
Estes suportes podem ser removidos, com facilidade, com o auxílio de lixas, e brocas para as
furações. Foi verificado que devemos ter cuidados especiais, em algumas regiões das peças ao
utilizar meios mecânicos para a remoção das imperfeições. Por motivo de que a impressão 3D, não
realiza peças maciças, más sim peças semiocas. O software da impressora desenvolvem estruturas
internas, em forma de colmeias, para manter a estrutura com economia de material. Tornando assim
algumas superfícies frágeis a pressões excessivas, porém esse problema, se tomados os cuidados
necessários, não impedem a utilização desta técnica de confecção para o propósito deste estudo.
Figura 18 – Peças impressas em 3D
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Como descrito no item 4.6, optamos pelo servo motor MG 995, pela sua robustez , baixo
custo, pequenas dimensões e pesos. Neste estudo utilizaremos duas unidades deste servo motor,
sendo assim devemos controlar eles independentemente um do outro.
Para melhor entendimento de como deveremos controlar os servos, e quais os requisitos
necessários para o controle, faremos uma breve explicação do funcionamento dos servos motores.
Os servos motores CC são amplamente utilizados em equipamentos RC, por possuírem a
capacidade de manter a posição, mesmo que se tenha alguma força contraria. Estes motores são
compostos basicamente por quatro partes de componentes principais: motor de corrente contínua,
potenciômetro, caixa de redução por engrenagens e circuito de controle.
Figura 19 – Componentes básico de um servo motor CC
Fonte: Site Citisystems [2017]
O seu funcionamento básico é simples de ser compreendido, o posicionamento de seu eixo é
comandado por um sinal de controle (PWM), este sinal de controle é recebido em um circuito de
controle. Este circuito de controle monitora o valor da resistência do potenciômetro (Sensor de
posição) que está acoplado ao eixo de saída do servo, como se trata de um controle em malha
fechada, a diferença do sinal PWM e o oriundo do sensor de posição, alimentam o circuito
amplificador de erro, buscando anular a diferença entre os sinais, ou seja buscando zerar o erro.
Figura 20 – Diagrama de controle de servos CC
Fonte: Site Citisystems [2017]
Neste estudo necessitaremos movimentar os dois servos na mesma velocidade e posição, o
microcontrolador MSP430, será utilizado para a obtenção dos dois sinais de controle, um para cada
servo. Serão necessários duas saídas diferentes, por motivo de que os servos são posicionados em
lados opostos, e deverão trabalhar em conjunto, sendo a rotação para subir no servo 1, sentido
horário e a do servo 2, sentido anti-horário.
Os sinais PWM, foram gerados utilizando se o timerA0 e o timerA1 do microcontrolador,
assim foi possível ter dois sinais sincronizados, com larguras de pulsos diferentes e controláveis,
conforme a posição desejada. A seguir um trecho da programação, para ilustrar a utilização do
timerA do MSP430:
P1DIR |= 0x40; //P1.6 IMPLEMENTADO COMO SAÍDA (CONTROLE SERVO 1)
P1SEL |= 0x40; //CONFIGURANDO P1.6 COMO PERIFÉRICO TA0.1
P2DIR |= 0x04; //P2.2 IMPLEMENTADO COMO SAÍDA (CONTROLE SERVO 2)
P2SEL |= 0x04; //CONFIGURANDO P2.2 COMO PERIFÉRICO TA1.1
//############## CONFIGURAÇÃO DO TIMER0_A ####################//
// SERVO 1
TA0CCR0 = 16000; //PERÍODO DO PWM 16000
TA0CCTL1 = OUTMOD_7; //MODO DE SAÍDA DO TIMER0_A: RESET/SET
TA0CCR1 = 8000; //DUTY CYCLE DO PWM
TA0CTL = TASSEL_2 + MC_1; //TIMER COM CONTAGEM PROGRESSIVA DE 0
//ATÉ TA0CCR1
// SERVO 2
TA1CCR0 = 16000; //PERÍODO DO PWM 16000
TA1CCTL1 = OUTMOD_7; //MODO DE SAÍDA DO TIMER0_A: RESET/SET
TA1CCR1 = 8000; //DUTY CYCLE DO PWM
TA1CTL = TASSEL_2 + MC_1;
Com o auxílio de um osciloscópio, observou-se o sinal PWM obtido nas saídas do
microcontrolador.
Figura 21 – Sinal PWM servo posição +90°
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Figura 22 – Sinal PWM servo posição -90°
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Agora que obtemos os sinais para variar a posição dos servos, necessitamos de um circuito de
drive para interconectar os servos e o microcontrolador. O MSP430 pode fornecer como corrente
máxima em seus terminais 6 mA, e tensão de 3,3V. Os servos MG995 operam na faixa de tensão
de 4,8V a 7,2V e consomem uma corrente em torno de 100 mA. Esses valores ultrapassam a
capacidade do microcontrolador, para sanar estes problemas, foi desenvolvida a placa de circuito
abaixo, com ela será possível alimentar os servos motores, o microcontrolador, estabelecer a
comunicação I2C com o sensor e interconectar os servos ao microcontrolador, sem ter os problemas
relacionados acima.
Figura 23 – PCI desenvolvida para o projeto
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Ao iniciar os testes práticos, com os servos montados em seus alojamentos, e devidamente
acoplados ao sistema de elevação. Verificou-se a eficácia dos servos para esta função, porém foi
percebida uma variável que até o momento não se tinha considerado.
Quando o cão posiciona-se na posição sentado, o seu peso por vezes, não fica distribuído
igualmente entre aos dois servos, sobrecarregando um ou outro. Essa sobrecarga causará desgaste
prematuro em seus componentes, além de causar um desequilíbrio na elevação do dispositivo.
Para direcionar esta variável, a valores aceitos, utilizaremos o conjunto de duas molas de
tração, estas molas serão adicionadas ao sistema de elevação, e trabalharão em conjunto com os
servos motores, no sentido de compensarem e assumirem o esforço extra dos servos, deixando para
os servos a função de posicionar e manter a posição do sistema.
Para isso devemos calcular a mola necessária, para esta compensação. Segundo a lei de
Hooke:
F = −k . 𝑥
Primeiramente calculamos a força peso:
P = m . g = 0,442 kg . 9,81m
s2
𝑃 = 4,336 N
Com esta força peso, a mola sofreu um deslocamento x = 0,018m, com esta informação
podemos calcular a constante da mola adquirida:
P = k . 𝑥
4,336 = k . 0,018
k = 240,9N
m
Para se adicionar uma força de 50N ao sistema de elevação, devemos deslocar a mola x metros:
F = k. 𝑥
50 = 240,9 . 𝑥
𝑥 =50
240,9= 0,2 m
Solucionada esta etapa, seguiremos com a implementação do sistema de controle, como foi
especificado nos itens anteriores, para a detecção dos movimentos do cão utilizaremos o módulo de
sensor GY-521. Foi escolhido o eixo Y do acelerômetro e do giroscópio, para realizar as leituras do
sensor.
As leituras serão transmitidas ao microcontrolador por meio de comunicação de protocolo
I²C. Este protocolo necessita da seguinte sequência de informações:
Figura 24 – Diagrama de sequencia para comunicação I²C
Fonte: Site Spakfun [2017]
Como fica claro na figura 24, o protocolo I²C necessita de dois canais distintos. O SDA é o
responsável pelo envio e recebimento das informações, já o SCL é responsável pelo sincronismo da
comunicação. Após o procedimento de START, o microcontrolador deverá enviar na rede I²C o
endereço 0x68, pertencente ao modulo GY-521. E ele deverá receber a confirmação ACK, vinda do
GY-521. Na figura 25, com o auxilio de um osciloscópio, podemos ver a comunicação sendo
executada entre o microcontrolador e o módulo do sensor.
Figura 25 – Sinais da comunicação I²C
Fonte: Arquivo pessoal do autor [2017]
Realizadas as tarefas anteriores, possuímos todas as ferramentas para a implementação
completa da programação do microcontrolador, após testes chegamos a seguinte estrutura de
programação:
Figura 26 – Estrutura de fluxo da programação
Na estrutura do programa, podemos ver que foi necessário o monitoramento da inclinação e
da movimentação do cão. Depois de estabelecida as comunicações necessárias, o dispositivo
comuta para a configuração superior, independente do estado atual, para facilitar a acomodação do
animal ao dispositivo. A seguir o programa entra em um laço de monitoramento dos eixos, onde se
verifica de o dispositivo está ou não em movimento, caso esteja em movimento, mantêm-se na
posição superior. Caso contrário, verifica-se a inclinação, para se decidir a ação necessária. Se o cão
estiver parado, porém de pé, o dispositivo deverá manter esta configuração.
No caso de o animal estar de pé, e flexionar suas patas frontais a fim de deitar-se, uma
mudança negativa na inclinação será detectada, assim posicionando o dispositivo na configuração
inferior. Para a situação inversa, o valor da mudança de inclinação será positivo, levando
novamente o dispositivo a configuração superior.
5 CONCLUSÃO
No decorrer do estudo para a elaboração do dispositivo deste artigo, foram percebidas
algumas limitações nas técnicas de prototipagem utilizadas, como por exemplo, a confecção de
alojamentos para os parafusos, estes alojamentos apresentaram fragilidades, por serem feitos em
uma peça semioca, característica da impressão 3D. Para o dispositivo em questão, estas limitações
foram contornadas.
Outra dificuldade encontrada no decorrer do estudo, foi a de obter as medidas exatas do
animal, assim como alguns valores físicos, que foram obtidos através de testes e experimentos. No
decorrer dos experimentos, foram observadas variáveis não percebidas no inicio do estudo, más que
foram tratadas, de maneira que tivessem seus efeitos negativos, reduzidos a valores aceitáveis ao
objetivo do projeto.
O microcontrolador MSP430 em conjunto com o sensor MPU6050, se mostrou bastante
eficaz nesta função. Podendo certamente ser utilizado no dispositivo deste artigo.
O dispositivo elaborado mostrou-se viável, pelo seu baixo custo e sensação de liberdade
adicionada ao dia a dia do animal participante. Os objetivos de reduzir o atrito do animal com o solo
e o de diminuir as torções na coluna do animal, foram alcançados, possibilitando que o animal possa
descansar sem que sua parte posterior fique elevada. As rodas possuem um baixo nível de ruído,
melhorando a utilização em apartamentos e pisos de madeira, a base possui uma boa área de apoio
para a parte posterior do animal, com formas bem próximas às curvas do corpo do cão, obtivemos
uma acomodação satisfatória.
Apesar de os objetivos serem alcançados, deve se ter a ciência de que podemos melhorar as
formas utilizadas para a confecção do dispositivo, melhorar o sistema de elevação e diminuir as
dimensões externas do dispositivo.
Em uma visão geral, acredita-se no sucesso do estudo, na questão de validar uma nova
alternativa para cães acometidos por problemas de locomoção.
6 REFERÊNCIAS
CRENSHAW, A.H. Amputações. In: CRENSHAW, A.H. Cirurgia ortopédica de Campbell. 8. ed.
São Paulo: Manole, 1996. v. 1, p. 400-600.
Citisystem. Funcionamento de Servo Motores. Disponível em:
https://www.citisystems.com.br/servo-motor/ Acesso em 08 de novembro 2017
Fundamentos de física vol. 1 – Mecânica / David Halliday – 4. ed. – Rio de Janeiro: LTC, 1997
TDK INVENSENSE. Datasheet MPU6050. Disponível:
https://www.invensense.com/products/motion-tracking/6-axis/mpu-6050/ Acesso em 08 novembro
2017.
TEXAS INSTRUMENTS. Datasheet MSP430. Disponível em:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430g2553.pdf Acesso em 29 agosto 2017.
Sinais e sistemas lineares / B. P. Lathi – 2. ed. - Porto Alegre: Bookman, 2007.
SPARKFUN. Tutoriais I²C. Disponível em:
https://learn.sparkfun.com/tutorials/i2c Acesso em 09 de novembro 2017.
