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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”
CURSO EM TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
PEDRO HENRIQUE SANTANA DA SILVA
VICTOR HUGO LIMA DA SILVA
CADEIRA DE RODAS CONVERSÍVEL EM MACA
GARÇA
2018
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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Júlio Julinho Marcondes de Moura”
CURSO EM TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL
PEDRO HENRIQUE SANTANA DA SILVA
VICTOR HUGO LIMA DA SILVA
CADEIRA DE RODAS CONVERSÍVEL EM MACA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado a Faculdade de Tecnologia “Dep. Júlio Julinho Marcondes de Moura” – FATEC Garça, como requisito para conclusão do curso de tecnologia em mecatrônica industrial o, examinado pela seguinte comissão de professores: Data de aprovação: 14 /12 /2018. _____________________________________
Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes
FATEC Garça
_____________________________________
Prof. Me. Gustavo Adolfo Mesquita Serva Coraini
FATEC Garça
_____________________________________
Prof. Espec. Pedro Augusto da Cunha
FATEC Garça
GARÇA
2018
CADEIRA DE RODAS CONVERSÍVEL EM MACA
Pedro Henrique Santana da Silva1 [email protected]
Victor Hugo Lima da Silva [email protected]
Prof. Dr. Ulysses de Barros Fernandes2
[email protected] Resumo Os conhecimentos adquiridos ao longo do curso sendo, em mecânica e
eletrônica e programação irão constituir para o projeto. A mecânica participará da estrutura e mecanismos que fará a sustentação da cadeira e maca, já a eletrônica realizará a movimentação das partes mecânicas, com isso o projeto terá seu funcionamento de forma simples, porém não existente ainda no mercado, fará um excelente trabalho. O projeto está sendo desenvolvido para que se alinhe com a cama, e com apenas a altura ideal os enfermeiros, cuidadores e entre outros, a cadeira ficará alinhada, ou seja, acento com encosto, o encosto se inclinará para a posição horizontal se alinhando com o acento, formando a espécie de uma maca. O projeto também fará o processo inverso de retirar o paciente da cama e passar para cadeira de rodas, realizando a operação de voltar o encosto até sua posição original e em seguida abaixando a estrutura que envolve o acento e o encosto, pois estamos visando facilitar a mobilidade dos indivíduos que vão ser ajudados. O funcionamento se constituirá no conjunto de fim de curso e botões, portanto ao acionar o botão, o motor da cadeira será acionado, o microcontrolador fará a leitura do fim de curso atrelado ao botão, desta maneira a verificação será constante, e assim que chegar ao fim do percurso os motores irão parar, e a cadeira estará em modo maca, para voltar em modo cadeira novamente, será acionado uma chave de direção para inverter o sentido de rotação do motor e assim ele poderá ser ligado novamente e a cadeira irá fazer o percurso contrário. Palavras-chave: Cadeira de Rodas. Mobilidade. Indivíduos. Maca.
Abstract
The knowledge acquired throughout the course being in mechanics and electronics and programming will constitute for the project. The mechanics will participate in the structure and mechanisms that will support the chair and stretcher, and the electronics will perform the movement of the mechanical parts, with this the project will have a simple but non-existent operation in the market, it will do an excellent job. The design is being developed to align with the bed, and at just the ideal height nurses, caregivers and among others, the chair will be aligned, ie accent with backrest, the backrest will tilt to the horizontal position aligning with the accent, forming the species of a litter. The project will also reverse the process of removing the patient from the bed and moving to a wheelchair, performing the operation of returning the backrest to its original position and then lowering the structure that involves the accent and the backrest, as we are aiming to facilitate the mobility of individuals who will be helped. The operation will consist of the end of course set and buttons, so when you push the button, the motor of the chair will be activated, the microcontroller will read the end of stroke attached to the button, this way the verification will be constant, and as soon as it
1 Aluno do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial – Fatec Garça 2 Docente da Fatec - Garça
arrives at the end of the course the motors will stop, and the chair will be in stretcher mode, to return in chair mode again, a direction switch will be turned to reverse the direction of rotation of the motor and so it can be turned on again and the chair will do the opposite course. Keywords: Wheelchair. Mobility. Individuals. Stretcher.
1. INTRODUÇÃO
O tema escolhido é de suma importância atualmente, está no contexto do curso
de Mecatrônica Industrial, em que será utilizada eletrônica, mecânica e programação,
tem relevância social por contemplar o idoso e pessoas com deficiência física que
necessitam de cadeira de roda. Ela vem por muito tempo fazendo parte da vida de
muitas pessoas, sendo elas deficientes físicos e/ou pacientes em hospitais. Oferece
diversos tipos, como: motorizadas, manual e algumas aprimoradas
Para a realização deste trabalho optou-se por pesquisa comprobatória, obtendo
melhor aprimoramento de ideias. A pesquisa envolve referências bibliográficas,
entendimento adquirido em sala de aula e sugestões para a solução de problemas e
melhorias. Em relação a isso, buscou-se dados comprobatórios de acordo com o
crescimento do número de idosos.
Segundo o Instituto Brasileiro de Geografia Estatística (IBGE), “O número de
idosos aumentou 4,8 milhões de idosos desde 2012, superando a marca dos 30,2
milhões em 2017”, um crescimento de 18%. Ocorre isto devido à maior expectativa de
vida obtida nos últimos anos, não só no Brasil, como em todo o mundo.
Com o crescimento da população de idosos citada, houve consequentemente
um aumento no número de asilos, lares de idosos. “Desde 2012, o número de idosos
em abrigos conveniados aos estados e municípios, a maioria em instituições de longa
permanência, cresceu 33% - passou de 45.827 naquele ano, para 60.939 em 2017,
ano dos dados mais recentes disponíveis” (MINISTÉRIO DE DESENVOLVIMENTO
SOCIAL, 2018).
A partir de visitas em um asilo, percebeu-se a dificuldade dos cuidadores em
retirar e colocar o paciente/idoso com dificuldade de locomoção da cama, então
nasceu o projeto da cadeira de rodas conversível em maca, mas não só pensando
nos idosos, e sim em todos os cadeirantes.
O foco do trabalho é melhorar a relação que o cuidador terá com o idoso, logo
foi pensado na estrutura da cadeira, para oferecer conforto e segurança ao usuário,
também nos equipamentos que serão utilizados, sendo: motores, baterias,
engrenagens, fuso, microcontrolador, material para sua fabricação, componentes da
eletrônica analógica.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivos Geral
Criar um protótipo a relacionar a teoria com a prática, com isso observamos
que a capacidade de realizar algo que ajude as pessoas. No caso deste projeto, o
foco em enfermeiros, cuidadores, cadeirantes e/ou idosos, procurando facilitar o
trabalho e dar uma melhor qualidade de vida às pessoas que necessitam de ajuda
para locomoção.
1.1.2 Objetivos Específicos
Descobrir o que as pessoas necessitam é importante para a invenção e para a
inovação, pois isso é um processo suscetível que outrora pode haver mudanças,
melhorias e este produto estão sendo aprimorado através do conhecimento na área
de mecatrônica para inovar o produto. Essa inovação constitui em várias maneiras,
além da visão geral que proporciona o desenvolvimento do projeto, oferecendo auxílio
ao cuidador e maior qualidade de vida ao idoso acamado. Englobará os
conhecimentos adquiridos e os pesquisados para a construção do projeto, como a
eletrônica, mecânica e linguagem C.
1.2 JUSTIFICATIVA
O protótipo possui relevância social, por ter foco em melhorar a qualidade de
vida de cadeirantes, principalmente os idosos que necessitam de uma cadeira de
rodas para se locomover e também em auxiliar seus cuidadores para movimentá-los.
2. DESENVOLVIMENTO
2.1 REFERENCIAL TEÓRICO
Para o desenvolvimento do protótipo foi realizado o aprofundamento teórico de
alguns temas da Mecatrônica, como, princípios da mecatrônica, com o livro de João
Maurício Rosário, eletrônica analógica, com a leitura do datasheet de diodos,
eletrônica digital e microcontraladores, com busca mais afundo no manual do
PIC16F1827, entendendo suas características e especificações, resistência dos
materiais, tendo utilizado a relação de transmissão, para entender a transmissão de
rotação por polias e correias, entre ter força ou velocidade. Esses assuntos
tecnicamente são distintos, mas ao adequar no trabalho torna-se Mecatrônico.
2.2 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
O problema para o qual buscou-se encontrar solução para o risco de
tombamento, que foi revisado estudar o corpo humano para adequar o projeto de
pesquisa.
A placa de circuito impresso, ou PCBs como são chamadas, são feitas a partir
de uma base não condutiva, como fenolite ou fibra de vidro e cobertas por uma
camada de cobre, que é um excelente condutor. Durante a preparação da placa, todo
o cobre, exceto aquele que fará as conexões dos componentes, é retirado. Para a
realização da PCB utilizamos um software de eletrônica chamado Proteus 8
Professional, onde o processo fotográfico foi utilizado na impressão do layout em
papel transparente, em seguida a placa de fenolite é passada em uma tinta que a
secagem é através da luz ultravioleta (UV), nisso o papel impresso está em cima da
tinta realizando uma sombra onde haverá separação da malha negativa e malha
positiva. Após a secagem, necessita-se retirar a tinta de onde será as trilhas de
condução de corrente. Já com o layout aplicado na placa, é mergulhada então em um
banho em uma substância corrosiva que irá corroer o cobre não protegido e deixar
apenas as áreas cobertas. As áreas protegidas não serão afetadas, deixando as
trilhas necessárias na placa.
Foi necessário ter conhecimento sobre transmissão de forças em um sistema,
visto isso, procuramos sobre os tipos de transmissão, e decidiu-se utilizar polias e
correias.
“É um dos modos mais antigos para a transmissão de potência entre dois eixos”
(Professor Flávio de Marco), chamados de motor e movido. A transmissão da potência
se dá por meio de atrito.
Polias são peças cilíndricas que são movimentas pelo eixo do motor e pelas
correias. “São classificadas em: polia de aro plano, de aro abaulado, escalonada de
aro plano, escalonada de aro abaulado, com guia, trapezoidal simples (em “V”),
trapezoidal (em “V”) múltipla, para correia dentada, para correia redonda” (LINO,
Paulo Sérgio Costa).
As correias são as responsáveis de interligar as polias, e fazer transmitir uma
força de um eixo ao outro. São construídas com materiais como: borracha, polímeros
sintéticos, reforços de nylon, tiras metálicas, tecido, couro.
Tipos:
Planas
“Valores Máximos:
Potência=1600KW (~2200cv)
Rotação=18000rpm
Força tangencial=50KN (~5000Kgf)
Velocidade tangencial=90m/s
Distância centro a centro=12m
Relação de transmissão ideal=1:5
Relação de transmissão máxima=1:10
Em “V”
Valores Máximos:
Potência=1100KW (~1500cv)
Velocidade tangencial=26m/s
Relação de transmissão ideal=1:8
Relação de transmissão máxima=1:15”
(ANDRADE, Dr. Alan Sulato)
Quando a relação de transmissão é muito alta, deve-se utilizar um tensionador
para aumentar o grau de contato entre a polia e correia.
Relação de transmissão:
i=n1/n2=D2/D1
n1: diâmetro da polia menor;
n2: diâmetro da polia maior;
D1: número de rotações por minuto da polia menor (rpm);
D2: número de rotações por minuto da polia maior (rpm);
2.2.1 Metodologia do projeto
A cadeira de rodas vem por muito tempo fazendo parte da vida das pessoas,
sendo elas deficientes físicos e/ou pacientes em hospitais. Ela oferece diversos tipos:
motorizadas, manual e algumas aprimoradas. Já de início, a cadeira será aprimorada,
pois fará funções que as outras ainda não fazem, mas as ideias são provenientes dos
outros tipos de cadeiras de rodas.
De acordo com o Instituto de Física de São Carlos (IFSC, 2016), pode-se notar
o avanço tecnológico na área da medicina e a grandeza à relação na vida das
pessoas. Nesta área observou-se que cada aprimoramento é necessário, desde a
cirurgia até o destino do paciente que na maioria dos casos é a cama. É de suma
importância que possamos melhorar o equipamento e diminuir riscos que possam
surgir.
Para que haja o funcionamento deste projeto, será utilizado motores de 12 e 24
volts, articulações e programação. Os motores serão utilizados juntamente à
articulação realizando a inclinação, e em seguida realizar a regulagem até a altura da
cama, sempre em uma velocidade constante, sem opção de alteração. Um problema
para o qual terá que encontrar solução é o risco de tombamento, e adequar ao projeto
de pesquisa tanto lateral quanto na horizontal, pois se deixasse a cadeira de rodas
fora do cento das rodas, a massa do paciente será melhor distribuída, pois segundo a
PUC RS cerca de 70% da massa corporal se encontra entre o tronco e a cabeça e os
outros 30% do tronco até os pés. Portanto, fez-se com que o eixo traseiro da cadeira
se desloque, aumentando a distância entre eixo e somente após que o encosto se
recline.
Este Projeto de Pesquisa visa à praticidade, com isso há a relevância em
projetos que auxiliem no âmbito social. A maior preocupação que existe, está
relacionado ao tempo que um enfermeiro e/ou cuidador passa ajudando um acamado
ou muitas pessoas pós-cirurgia, levando em consideração o tempo que irá causar
algumas doenças devido ao trabalho.
A cadeira de rodas será construída com materiais leves, e com uma estrutura
que possibilite fácil manutenção, já que o objetivo é diminuir custo, com intuito de
desenvolver um projeto novo e que seja viável para todas as classes sociais,
especificamente as classes de baixa renda, pois elas geralmente não possuem poder
aquisitivo para a adquirir a cadeira desejada, uma característica relevante no âmbito
socioeconômico.
2.2.2 Metodologia do protótipo
Pesquisou-se sobre os componentes fundamentais para o funcionamento da
cadeira, o modo como deveria ser feito sua estrutura mecânica.
Fazendo com que a cadeira de rodas que se converta para maca e vice-versa.
Os botões a serem pressionados ficarão no encosto, onde o cuidador (a) e/ou
enfermeiro (a) terá acesso aos botões facilmente. A cadeira de rodas conversível em
maca poderá prosseguir com o processo quando o eixo traseiro se deslocar para trás,
aumentando o entre eixo e retirando o risco de tombamento e, somente após o
deslocamento do eixo ocorrerá a reclinação do encosto formando a maca e por fim
elevando-a até a altura da cama, bastando somente movimentar o paciente da maca
para a cama.
Figura 1 – Modo cadeira
Fonte: Os autores
O processo de maca ocorrerá ao pressionar os botões, mas um de cada vez,
fará com que os motores girem no sentido horário, ao pressionar o botão gangorra, os
motores mudarão de sentido, ou seja, girando no sentido anti-horário.
Figura 2 – Modo maca
Fonte: Os autores
Protótipo pronto
Fonte: Os autores
Fonte: Os autores
Fonte: Os autores
O microcontrolador PIC 16F1827 foi programado para determinar os limites das
articulações da cadeira de rodas conversível a maca. Para que haja o funcionamento
em harmonia, programou-se o PIC para que controlasse toda a eletrônica, respeitando
os limites impostos da estrutura mecânica. A programação funcionará da seguinte
maneira, dependendo da chave pressionada, o microcontrolador fará a leitura do
micro switch referente a chave acionada, ou seja, realizando a verificação caso o micro
switch for pressionado.
Para tanto utilizou-se semicondutores foram utilizados no desenvolvimento da
placa. No software Proteus 8 Professional, desenvolveu-se o esquema de ligação que
contêm quatro botões, sendo eles, três push botton (retorno por mola) e botão do tipo
gangorra para selecionar a direção que os motores atuarão, selecionando a direção
há a obtenção que os motores girarão em mesmo sentido, sendo sentido horário e
anti-horário.
Na figura 3 apresenta-se a posição de seus componentes para a realização do
protótipo.
Figura 3 - Layout da placa em 3D view
Fonte: Os autores
Na figura 4, apresenta o esquema elétrico que fará o acionamento dos motores e
chaves micro switch.
Figura 4 – Esquema elétrico completo
Fonte: Os autores
Para realizar os movimentos e haver as duas funcionalidades, observou-se as
melhores condições de articulações e de acordo com pesquisas referentes analisou-
se o tamanho que a maca teria, então de acordo com a pesquisa do BBC, mostra-se
que o brasileiro está com altura média do homem é 1.73m e as mulheres com 1.60m,
então a quando a cadeira está como maca, tem-se 1.75m de comprimento para
atender maior números de pessoas com deficiência possível.
2.3 MICROCONTROLADOR E SOFTWARE
A empresa Microchip Technology oferece uma série de circuitos integrados que
chama de " Controladores de Interface Periférica ", ou microcontroladores PIC, como
são conhecidos. Combinam um microprocessador, memória e uma interface em um
único chip, oferecendo uma plataforma de utilização para o desenvolvimento de
sistemas eletrônicos controlados por software. Microcontroladores PIC vêm em uma
variedade de recursos, a partir de unidades de 8 bits simples aos mais sofisticados
chips de 32 bits. Esses microcontroladores possuem tecnologia RISC (Reduced
Instruction Set Computer) e processadores com conjunto de instruções reduzidas
(neste caso, são 35 instruções simples que executam em 1 ou 2 ciclos de máquina).
Existem PICs de 14, 16 e 32 bits, de 8 a 40 pinos no encapsulamento, o que permite
uma ampla gama de opções de aplicação (ZANCO, 2006).
Segundo a Microchip Technology o microcontrolador PIC 16F1827 está na
família de microcontrolador 16F que é classificado como intermediário por possuir 18
pinos. As características do microcontrolador são:
Tabela de informações do PIC
Microcontrolador PIC 16F1827
Faixa de tensão operacional 1,8 a 5,5v
Entradas e saídas (I/Os) 16
Memória EEPROM 256 bytes
Corrente por pino 25mA
Entradas e saídas digitais AD 12 pinos
Bytes SRAM 384 bytes
Faixa de temperatura -40 a 125ºC
Pinos de gravação 5 Pinos (VCC, VDD, RA5-MCLR,
RB7-DATA, RB6-CLOCK)
Fonte:MICROCHIPTECHNOLOGY3
O software PIC C foi desenvolvido pela Microchip para compilar arquivos do
compilador para o PIC. Isto se desenvolveu, pois os microcontroladores consegue ler
a linguagem binária, ou seja, zero (0) e um (1), então foi necessário que o compilador
fizesse este trabalho para facilitar ao desenvolvedor.
2.3.1 Ponte H com relés
Segundo o site da Universidade Estadual de Londrina UEL diz que para
inverter a rotação no sentido horário e anti-horário do motor é necessário utilizar um
circuito eletrônico conhecido como ponte-H, que consiste em diversos transistores
polarizados como chaves eletrônicas (modos saturação e corte) e dispostos maneira
que podem conduzir corrente elétrica para o motor DC, em ambos os sentidos (do
pólo positivo para o negativo, ou vice-versa). Existem diversos circuitos integrados
que contém a ponte H, os mais conhecidos são os CIs das famílias L293 e L298.
Basicamente, é um circuito para controle de motores DC, que controla o sentido
de rotação do mesmo e, também, sua velocidade em alguns casos.
A figura 5, apresenta o esquema elétrico de uma ponte H.
3 Disponível em <http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41391D.pdf>.
Figura 5 – Esquema elétrico da ponte H
Fonte: Os autores
2.3.2 Diodos
Segundo o datasheet FARCHILD SEMICONDUTOR é um componente
eletrônico de dois terminais que conduz corrente elétrica em uma direção e bloqueado
sua passagem no sentido oposto, outra característica excelente característica de
mencionar é devido os retificadores de tensão que é possível desenvolver. O diodo
utilizado na ponte H está polarizado inversamente e em paralelo com o relé. A
relevância deste diodo está em remover a tensão induzida no presente na bobina do
relé no ato do desacionamento.
O diodo 1N4007 opera com a corrente de 1A e tensão máxima reversa de
1000V.
2.3.3 Transistores
Com base no Instituto Federal de Santa Catarina (IFSC) os transistores
bipolares (BJT´s) são dispositivos que possuem três terminais onde um sinal de baixa
potência aplicada entre dois terminais, permite controlar dispositivos de alta potência.
Basicamente um transistor é a junção de uniões PN (a mesma junção dos diodos),
capazes de controlar a passagem de uma corrente. Podem ser de dois tipos, de
acordo com as uniões: PNP ou NPN. O Transistor possui três regiões, região ativa,
região de corte, região de saturação.
2.3.4 Chaves micro switch
A empresa ACR informa que os fins de curso de posição são dotados de micro
interruptores de abertura 1 normalmente aberto (NA) e 1 normalmente fechado (NF).
Os micros interruptores são de abertura positiva, utilizados para funções de segurança
fim de curso, a funcionalidade é de como um interruptor em comandos elétricos.
2.3.5 Linguagem C
A geração do programa executável a partir do programa fonte obedece a uma
sequência de operações antes de tornar-se um executável. Depois de escrever o
módulo fonte em um editor de textos, o programador aciona o compilador que no UNIX
é chamado pelo comando cc. Essa ação desencadeia uma sequência de etapas, cada
qual traduzindo a codificação do usuário para uma forma de linguagem de nível
inferior, que termina com o executável criado pelo indicador.
3. RESULTADOS
Após pesquisas sobre o aumento do número de idosos, e observando em
pesquisa de campo a dificuldade de cuidadores de asilo em remover um paciente da
cadeira para a cama, se obteve o resultado esperado, com protótipo auxiliando um
cuidador/enfermeiro em seu trabalho, e também oferecendo uma melhor qualidade de
vida aos idosos/cadeirante, assim não sendo necessário realizar tanto esforço para
retirá-lo e colocá-lo na cama.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho não teve a finalidade de esgotar o tema ficando para mais
pesquisadores aprofundarem mais o tema. Algo relevante visto que a cadeira
conversível a maca pode estar totalmente motorizada, podendo atender qualquer
pessoa que necessite. Há muitas pessoas com paraplegia levando uma vida normal,
visando tornar esta pessoa ainda mais independente, pensamos em motorizar
totalmente a cadeira conversível a maca, pois esta poderá utilizar a cadeira como
cama ao pressionar um botão, ou seja, ter todo o controle nas próprias mãos e para
melhor movimentação da cadeira, torná-la tamanho padrão para não haver outro tipo
de fabricação de peças e encarecer o produto. Pode-se melhorar confeccionando um
carregador de baterias e indicando quando estiverem baixas indicado por uma
sonoridade. Através da programação é possível adicionar outras maneiras de
movimentação combinando posições, ou seja, realizando o sentido de giro dos três
motores simultaneamente.
5. REFERÊNCIAS
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<https://www.bbc.com/portuguese/geral-36892772>. Acesso em: 20 out. 2018.
ANDRADE, Dr. Alan Sulato. Elementos Orgânicos de Máquinas II. Disponível em:
http://www.madeira.ufpr.br/disciplinasalan/AT102-Aula05.pdf. Acesso em: 13 nov.
2018.
Avanços tecnológicos na medicina. Disponível em: < https://www2.ifsc.usp.br/portal-
ifsc/os-avancos-tecnologicos-na-area-da-medicina-no-brasil/> Acesso em: 05 abr.
2018.
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<https://www.diodes.com/assets/Datasheets/ds28002.pdf>. Acesso em: 01 nov.
2018.
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<ftp://ftp.ufv.br/dma/tutoriais/c%2B%2B/introd_ling_c.pdf>. Acesso em: 14 set. 2018.
LINO, Paulo Sérgio Costa. Polias, correias e transmissão de potência. Disponível
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Total de idosos que vivem em abrigos públicos sobe 33% em cinco anos. Disponível
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