Projeto de um Medidor de Esforço a partir de um EMG

1. UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA Projeto de um Medidor de Esforço a partir de um EMG Aluno: Guilherme Gellis Gomes Professor: Luciano Cavalcanti Natal, 7 de Dezembro de 2009

2. Sumário • Introdução • Projeto • EMG • Processador • Conclusão

3. Introdução O EMG é um aparelho que cápta as tensões geradas pela contração dos músculos no corpo humano. É um aparelho muito sensivel, que requer uma precisão muito grande, já que essas tensões geradas são da ordem de milivolts. Esse projeto consiste em captar essas tensões e processa-las, determinando se a força gerada no momento é de intensidade fraca, média ou forte. O projeto pode ser de grande utilidade para propósitos médicos, como para fisioterapeutas, ou até ainda robótico, na construção de próteses de braços e pernas.

4. Projeto O projeto do medidor de esforços foi dividido em duas partes: a primeira seria a construção do EMG, enquanto a segunda a construção de um processador de sinais.

5. EMG O EMG é um equipamento que, atráves de eletrodos como em um eletrocardiógrafo, cápta sinais gerados pelos músculos quando esses são contraidos. Os sinais variam de músculo para músculo, por isso vamos pegar como base sinais gerados pelo bíceps. Esses sinais gerados possuem uma amplitude que varia de 50 uV a 5 mV e uma frequência que varia de 100 a 500 Hz. A partir desses valores, construimos um EMG que possui um ganho de aproximadamente 1600 (para trabalharmos com valores na ordem de 5 Volts) e um filtro passa-faixa de 70 a 1000 Hz (para filtrarmos os ruidos).

6. Filtros Filtro Passa Alta: Circuito Sallen-Key tipo Butterworth de 2ª ordem, com frequência de corte de 70 Hz e um ganho de 40. Filtro Passa Baixa: Circuito Sallen-Key tipo Butterworth de 2ª ordem, com frequência de corte de 1 kHz e um ganho de 40. Ligados em cascata formam um Filtro Passa Faixa com frequência de corte inferior de 70 Hz e superior de 1 kHz, e ganho total de 1600 V/V. No projeto utilizamos um LM324 como amplificadores operacionais.

7. Captação do sinal Para captar o sinal, utilizamos dois eletrodos posicionados em dois lugares do braço diferentes, um no bíceps e o outro no antebraço.

8. Captação do sinal Recebemos dois sinais vindo dos 2 eletrodos diferentes. Precisamos então fazer a subtração do sinal vindo do bíceps pelo sinal vindo do antebraço. Para isso, usamos um amplificador de instrumentação de alta precisão. No projeto, escolhemos o PGA206.

9. Amplificador de Instrumentação com ganho programavel PGA206 O sinal do eletrodo do antebraço entra no Vin-, enquanto o do bíceps entra no Vin+. O sinal de saída Vo é o sinal que entra no FPF mostrado anteriormente. Esse CI possui ainda um ganho digital programavel que pode ser de 1, 2, 4 e 8. Determinamos esse ganho entrando com o valor digital 00, 01, 10 ou 11 nas entradas A1 e A0 do CI.

10. Esquemático do EMG

11. Placa EMG

12. Detalhes do Projeto do EMG • O sinal captado, por ter amplitude e frequências muito baixas, está muito exposto a ruidos externos. O próprio corpo humano é uma grande fonte de ruido que pode atrapalhar a captação do sinal. Outro ruido que pode atralhar na medição é o sinal de 60 Hz da rede. • Para resolver esses problemas, adotamos 2 medidas: a primeira seria a alimentação dos CI’s por uma bateria de 12V e a segunda seria aterrarmos o próprio corpo humano. • Para aterrarmos o corpo humano, pegamos o a metade dos dois sinais de entrada o jogamos em um buffer. A saída colocamos no terra do circuito.

13. Sinal de Saída Sinal de saída quando o músculo está relaxado. Sinal de saída quando o músculo está sendo contraído.

14. Retificador Como vimos, o sinal de saída é muito oscilatório. Então, fazemos a retificação do sinal para trabalharmos com tensões continuas. Podemos usar o circuito abaixo para tal retificação:

15. Sinal de saída Retificado O acréscimo de um capacitor ligado ao terra auxilia nas variações bruscas como vemos no gráfico acima, quando o músculo se contrái. Por final, temos um sinal com tensões analógicas definidas, e podemos assim processar o sinal.

16. Procesador O processador tem como objetivo captar o sinal de entrada e determinar se esse sinal corresponde a um sinal de contração fraca, contração média, ou contração forte do músculo. A magnetude do sinal captado na contração muscular varia linearmente com a intensidade da força feita pelo músculo. Quanto maior a força, maior a magnetude do sinal gerado.

17. Projeto do Processador Partindo do princípio da linearidade, podemos fazer um projeto simples de análise do sinal vindo do EMG. Os sinais, primeiramente, são transformados em valores digitais, através de um conversor A/D. Então, compara-se o sinal atual com os sinais previamente captados, correspondentes a um sinal com intensidade de força mínima (músculo relaxado) e outro com intensidade de força máxima(músculo em contração máxima). Esses sinais de forças mínima e máxima são captados no início de cada medição, e armazenados em registradores. O esforço gerado atualmente pela pessoa é mostrado através de leds.

18. Diagrama de Blocos

19. Projeto do Processador O esforço atual será considerado de intensidade fraca quando ele for maior que o sinal de intensidade de força mínima previamente registrado. Para determinarmos se ele é de intensidade de força média, utilizamos duas contas: a primeira é a média aritmética entre os sinais de intensidade mínima e máxima (chamado de sinal de força média). Então, pegamos o resultado esse resultado e fazemos sua média aritmética com o sinal de força mínima. Se o esforço atual for maior que esse valor, ele é considerado de intensidade média. Para determinarmos se o esforço é de intensidade forte, consideramos a média aritmética do sinal de força máxima com o sinal de força média. Se o esforço atual for maior que esse valor, ele é considerado de intensidade forte.

20. Simulação O primeiro passo foi a simulação do circuito em VHDL através do programa Quartos II. Escrevemos o VHDL correspondente ao diagrama de blocos, e então o simulamos no próprio programa, através da ferramenta Simulation.

23. Simulação em VHDL Sinal Atual Sinal de intensidade de força mínima Sinal de intensidade de força máxima Média aritmética entre sinal de força máxima e mínima

24. Implementação na Protoboard Foi utilizado os seguintes CI’s: • Para a conversão A/D, foi usado um ADC0804LCN de 8 bits (mas apenas os 4 mais significativos foram utilizados no projeto); • Para a soma e divisão por 2, foi utlizado o Somador paralelo de 4 bits DM74LS283, tirando do resultado o bit menos significativo e acrescentando o bit de carrier como mais significativo; • Para a comparação do sinal atual com os sinais calculados, foi utilizado o comparador de magnetude de 4 bits DM74LS85N; • Para os registradores, foi utilizado o Flip-Flop tipo D de 6 bits 74LS174.

26. Simulação na Protoboard Como a implementação do EMG não foi possivel a tempo, simulamos o sinal captado pelo músculo através de um potenciômetro. Foram feitos alguns testes, todos com resultados positivos. A seguir, temos a tabela de resultados da simulação.

27. 1ª Simulação: o sinal de força máxima registrado foi de 5V, enquanto o sinal de força mínima registrado foi 1V.

28. 2ª Simulação: o sinal de força máxima registrado foi de 2,9V, enquanto o sinal de força mínima registrado foi 0,5V.

29. Video da Simulação

30. Conclusão O projeto foi foi concluido com sucesso. A implementação completa do projeto foi comprometida pela dificuldade da fabricação da placa impressa do EMG. Por ser muito sensivel a ruidos, não podemos implementa-la na protoboard. Já o processador foi implementado com sucesso, como podemos ver nas simulações. A implementação completa pode ser mais tarde realizada, já com o EMG em mãos.