Instrumentação eletrônica de uma bengala para auxiliar no monitoramento de marcha de usuários de exoesqueleto inferior

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gonçalves, Henrique de Medeiros
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Monografias da UnB
Texto Completo: http://bdm.unb.br/handle/10483/20115
Resumo: Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Curso de Engenharia Eletrônica, 2017.
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spelling Gonçalves, Henrique de MedeirosSampaio, Renato CoralGONÇALVES, Henrique de Medeiros. Instrumentação eletrônica de uma bengala para auxiliar no monitoramento de marcha de usuários de exoesqueleto inferior. 2017. 93 f., il. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Eletrônica)—Universidade de Brasília, Brasília, 2017.http://bdm.unb.br/handle/10483/20115Trabalho de Conclusão de Curso (graduação)—Universidade de Brasília, Faculdade UnB Gama, Curso de Engenharia Eletrônica, 2017.Pacientes hemiplégicos possuem uma série de limitações físicas que dificultam realizar tarefas funcionais como, por exemplo, locomover-se. Existem algumas tecnologias assistivas que visam promover mobilidade para esse tipo de deficiência, dentre elas pode citar-se o exoesqueleto. Atualmente está em desenvolvimento no LEIA - Laboratório de Sistemas Embarcados e Aplicações de Circuitos Integrados, um projeto com a proposta de desenvolver um exoesqueleto de membro inferior. Uma das frentes de trabalho, trata-se da instrumentação de uma bengala para monitorar a marcha do paciente. O dispositivo deve ser capaz de medir a atitude do instrumento e a força axial aplicada pelo paciente durante a marcha. Nesse contexto, foram utilizados os sensores acelerômetro, giroscópio e magnetômetro em conjunto com o algoritmo de Filtro de Kalman para estimar a posição angular da bengala (roll, pitch e yaw). A implementação desse algoritmo foi realizado inicialmente no Matlab e posteriormente embarcada no microcontrolador Arduino Micro. Os resultados obtidos pela fusão sensorial mostram que o Filtro de Kalman foi capaz de atenuar o ruído causado pelo acelerômetro e magnetômetro assim como eliminar o efeito de drift causado pelo giroscópio. A identificação da força foi realizada por meio de um sensor de força resistiva (FSR) modelo A401 da Tekscan. A curva de calibração desse sensor foi identificada experimentalmente com a máquina de tração/compressão da marca Instron, cuja resultado se aproxima a uma curva polinomial de segundo grau. O ruído das medidas relacionadas ao FSR foi atenuado com o filtro de média móvel implementado no microcontrolador. Feito isso, embarcou-se o algoritmo de instrumentação no Arduino Micro e utilizou-se o módulo XBee S2C para transmitir os dados processados para um computador remoto a uma taxa de 70Hz. Após a prototipação da bengala, realizou-se testes de campo a fim de verificar o desempenho e a eficiência do dispositivo quanto a proposta desse trabalho. Os resultados obtidos mostram que durante o trajeto percorrido pelo paciente os ângulos de roll e pitch oscilaram em torno de }20∘ e }5∘ respectivamente. Pode-se mapear por meio do ângulo de yaw os períodos que ocorreram as rotações realizadas durante o percurso. Com relação aos resultados de força, pode-se notar que o paciente apresentou um período de marcha de aproximadamente 1,5s e que a força média aplicada foi cerca de 22% da massa corporal do paciente. A bengala mostrou ser uma ferramenta funcional de caracterização de marcha que possui aplicação não somente para o exoesqueleto robótico mas também para trabalhos voltados a identificação de padrão de marcha de um ser humano.Submitted by Caroline Botelho Teixeira (carolineteixeira@bce.unb.br) on 2018-05-15T13:21:58Z No. of bitstreams: 3 license_text: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) 2017_HenriqueMedeirosGoncalves_tcc.pdf: 38156043 bytes, checksum: 9a834459be996b5911e997236aea6e84 (MD5)Approved for entry into archive by Luanna Maia (luanna@bce.unb.br) on 2018-05-21T14:27:02Z (GMT) No. of bitstreams: 3 license_text: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) 2017_HenriqueMedeirosGoncalves_tcc.pdf: 38156043 bytes, checksum: 9a834459be996b5911e997236aea6e84 (MD5)Made available in DSpace on 2018-05-21T14:27:02Z (GMT). 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The accelerometer, gyroscope and magnetometer sensors were used together with the Kalman Filter algorithm to estimate the angular position of the cane (roll, pitch and yaw). The implementation of this algorithm was done initially in Matlab and later embedded on the microcontroller Arduino Micro. The results obtained by sensory fusion show that the Kalman Filter was able to attenuate the noise caused by the accelerometer and magnetometer as well as to eliminate the effect of drift caused by the gyroscope. To identify the force, the Tekscan A401 force-sensitive resistor was used. The calibration curve of this sensor was experimentally identified with the Instron traction and compression machine and the results show that the curve is a second degree polynomial.The noise of the FSR measurements was attenuated with the moving average filter implemented in the microcontroller. After this, algorithm instrumentation was loaded in the Arduino Micro and the XBee S2C module was used to transmit the processed data to a remote computer at a rate of 70Hz. Field tests were performed with the device to verify the performance and efficiency of the proposal of this work. The results show that during the course of the patient the roll and pitch angles oscillated around }20∘ and }5∘ respectively. It is possible to map by the angle of textit yaw the periods that occurred the rotations during the course. With respect to force, it can be noted that the patient had approximately 1.5s a gait period and that the mean force applied was about 22 % of the patient’s body mass. The cane showed to be a functional tool of characterization of gait that has application not only for the robotic exoskeleton but also for works aimed at identifying the gait pattern of a human.Tecnologia assistivaFiltro de KalmanInstrumentação eletrônica de uma bengala para auxiliar no monitoramento de marcha de usuários de exoesqueleto inferiorinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis2018-05-21T14:27:02Z2018-05-21T14:27:02Z2017-12-11info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Monografias da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNBORIGINAL2017_HenriqueMedeirosGoncalves_tcc.pdf2017_HenriqueMedeirosGoncalves_tcc.pdfapplication/pdf38156043http://bdm.unb.br/xmlui/bitstream/10483/20115/1/2017_HenriqueMedeirosGoncalves_tcc.pdf9a834459be996b5911e997236aea6e84MD51CC-LICENSElicense_urllicense_urltext/plain49http://bdm.unb.br/xmlui/bitstream/10483/20115/2/license_url4afdbb8c545fd630ea7db775da747b2fMD52license_textlicense_textapplication/octet-stream0http://bdm.unb.br/xmlui/bitstream/10483/20115/3/license_textd41d8cd98f00b204e9800998ecf8427eMD53license_rdflicense_rdfapplication/octet-stream0http://bdm.unb.br/xmlui/bitstream/10483/20115/4/license_rdfd41d8cd98f00b204e9800998ecf8427eMD54LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain1817http://bdm.unb.br/xmlui/bitstream/10483/20115/5/license.txt21554873e56ad8ddc69c092699b98f95MD5510483/201152018-05-21 11:27:22.78oai:bdm.unb.br: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Biblioteca Digital de Monografiahttps://bdm.unb.br/PUBhttp://bdm.unb.br/oai/requestbdm@bce.unb.br||patricia@bce.unb.bropendoar:115712018-05-21T14:27:22Biblioteca Digital de Monografias da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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