Projeto de um Medidor de Esforço a partir

UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO 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
Sumário
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•
•
Introdução
Projeto
EMG
Processador
Conclusão
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Esquemático do EMG
Placa EMG
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.
Sinal de Saída
Sinal de saída quando o músculo
está relaxado.
Sinal de saída quando o músculo
está sendo contraído.
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:
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.
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.
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.
Diagrama de Blocos
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.
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.
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
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.
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.
1ª Simulação: o sinal de força máxima registrado foi de 5V, enquanto o sinal de
força mínima registrado foi 1V.
Sinal Atual (V)
Led_Fraco
Led_Médio
Led_Força
0,9
L
L
L
1
H
L
L
1,5
H
L
L
2
H
H
L
2,5
H
H
L
3
H
H
L
3,5
H
H
L
4
H
H
H
4,5
H
H
H
5
H
H
H
2ª Simulação: o sinal de força máxima registrado foi de 2,9V, enquanto o sinal de
força mínima registrado foi 0,5V.
Sinal Atual (V)
Led_Fraco
Led_Médio
Led_Força
0,5
H
L
L
0,75
H
L
L
1
H
L
L
1,5
H
L
L
1,75
H
H
L
2
H
H
L
2,25
H
H
H
2,5
H
H
H
2,75
H
H
H
2,9
H
H
H
Video da Simulação
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.