Sistema Auxiliar para Reabilitação de Joelho

Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Gerência de Ensino e Pesquisa
Departamento Acadêmico de Eletrônica
Departamento Acadêmico de Mecânica
REQUISITOS DO PROJETO INTEGRADOR 1
Sistema Auxiliar para Reabilitação de Joelho
Organizador: Gilson Yukio Sato
2° Semestre/2012
1. Proposta
Planejar, projetar, implementar e demonstrar o funcionamento de um sistema para
auxiliar a reabilitação de joelho.
O sistema deve ser capaz de dobrar o joelho do paciente de forma repetitiva,
auxiliando no processo de reabilitação. O sistema deverá funcionar em dois modos. No
primeiro modo, o paciente deverá poder controlar manualmente a operação do sistema. No
segundo modo, o paciente deverá poder escolher os parâmetros do tratamento: a
velocidade, o número de repetições e o ângulo máximo em que o joelho será dobrado. O
sistema, então, deverá executar o tratamento assim estabelecido automaticamente. Os
modos de funcionamento e os parâmetros do tratamento deverão ser selecionados pelo
usuário usando o teclado e o LCD do sistema.
O projeto foi inspirado em produtos existentes no mercado (por exemplo,
http://www.palg.com.br/joelho) e protegidos por patente. Por isso, se alguma das soluções
obtidas durante o desenvolvimento do projeto mostrar-se comercialmente viável, será
necessário verificar-se se não haverá problemas de propriedade intelectual, antes de se
iniciar o processo de transformação dessa solução em produto.
Essa proposta contém os requisitos mínimos do projeto assim como características
extras que, se implementadas, serão consideradas na avaliação do projeto.
2. Objetivos da Unidade Curricular de Projeto Integrador 1
• Integrar os conhecimentos adquiridos em diferentes unidades curriculares cursadas
até o módulo 3, inclusive;
• Desenvolver o espírito de trabalho em equipe;
• Propiciar uma visão integrada das diversas áreas da mecatrônica;
• Relacionar os conhecimentos adquiridos em sala de aula com aplicações práticas.
3. Requisitos do Projeto
Os requisitos básicos indicam as características mínimas que o sistema deve
apresentar para concorrer à nota máxima. A nota será atribuída em função da avaliação
detalhada na tabela 1 (veja o item que trata da avaliação). Os desafios indicam
características extras que, se implementadas, valerão uma nota adicional. A nota adicional
depende da característica implementada e do seu funcionamento. Os detalhes do
funcionamento e os parâmetros para validação dessas características extras deverão ser
combinados com o professor da Disciplina de Projeto Integrador 1.
3.1 Cenário de Uso
A presente seção apresenta um dos possíveis cenários de uso do sistema. Tal cenário
tem por objetivo ilustrar a forma com que as operações deverão ocorrer e descrever alguns
comportamentos que se espera do sistema. É importante ressaltar que o sistema deve ser
capaz de realizar as operações necessárias para satisfazer os requisitos a serem descritos
abaixo, incluído as rotinas de validação. O cenário de uso é o seguinte:
“O paciente fixa a sua perna esticada no sistema e seleciona o modo de
funcionamento manual por meio de um teclado numérico ligado a um
sistema microcontrolado. Nesse modo, o sistema permite que o paciente
escolha a velocidade em que o joelho vai ser dobrado. Ele pode escolher
entre três velocidades. Escolhida a velocidade, o paciente aciona uma tecla
que faz com que o sistema comece a dobrar seu joelho na velocidade
escolhida. O paciente deve manter a tecla acionada até que o joelho atinja
a angulação desejada para o tratamento. O sistema apresenta ao paciente
o ângulo (aproximado) em que o joelho foi dobrado em um LCD (Liquid
Crystal Display) ligado a um sistema microcontrolado. O paciente, então,
pode acionar outra tecla que faz com que o sistema volte à posição inicial,
esticando a perna. O paciente pode repetir essa operação quantas vezes
desejar. O paciente decide passar para o modo automático e faz essa
seleção via o teclado. No modo automático, o sistema solicita a velocidade
de dobramento do joelho, o número de repetições e o ângulo em que o
joelho será dobrado. O paciente insere esses parâmetros e aperta uma
tecla para iniciar o tratamento. Caso ele precise interromper o tratamento,
ele deve apertar uma tecla qualquer. Ao fim do número de repetições
solicitado, o sistema volta para o menu de escolha do modo de operação e
aguarda até que o paciente entre com uma nova solicitação.”
3.2 Requisitos básicos
Com relação às funcionalidades:
•
O sistema deve ser capaz de dobrar um joelho sem causar novas lesões no
paciente. Além disso, o sistema não deve causar desconforto desnecessário
ao paciente.
•
O sistema não deve, de forma alguma, machucar o paciente (cortes, choques
elétricos, etc.).
•
O sistema deve operar satisfatoriamente para pessoas com alturas variando
de 1,60 m e 1,85 m.
•
O sistema deve permitir que o joelho e o quadril se dobrem em até 90°.
•
O sistema deve permitir que o pé seja atado ao sistema de forma prática,
rápida e indolor.
•
O paciente deverá ser tratado na posição deitada ou quase deitada. O
controle do sistema deve poder ser feito pelo paciente.
•
O sistema deve ser capaz de operar em dois modos: no modo manual e no
modo automático.
•
No modo manual, o sistema deve permitir que a velocidade de operação seja
selecionada pelo paciente. Devem existir três opções: lento, médio e rápido.
•
No modo manual, o paciente deve poder acionar o sistema manualmente. O
paciente deve poder, usando uma tecla, controlar o ângulo de dobramento do
seu joelho. Ele deverá poder, usando outra tecla, voltar sua perna à posição
esticada.
•
No modo manual, o sistema deverá apresentar ao paciente, por meio de um
LCD, o ângulo aproximado em que o joelho foi dobrado.
•
No modo automático, o paciente deve poder inserir três parâmetros de
tratamento: número de repetições, velocidade de operação e ângulo de
dobramento do joelho. O número de repetições deve ser de até 99 vezes. A
velocidade de operação, de forma similar ao modo manual, deve oferecer três
opções: lento, médio e rápido. O ângulo de dobramento deve ser de até 90°.
•
No modo automático, o paciente deve poder interromper o tratamento
apertando uma tecla qualquer do sistema.
•
No modo automático, o sistema deve apresentar no LCD a contagem do
número de repetições.
•
O sistema deve ter uma proteção contra sobrecarga do motor.
Com relação à implementação e ao teste:
•
O
sistema
deve
ser
necessariamente
controlado
por
microcontrolado (qualquer tipo ou arquitetura) e não um PC.
um
sistema
•
O sistema deve ser operado por meio de um teclado e de um LCD.
•
Sensores de fim de curso devem ser usados sempre que aplicáveis.
•
Não há restrição quanto à linguagem de programação usada.
•
Recomenda-se que sejam usados materiais reaproveitados ou padrão.
•
A parte eletro-eletrônica do sistema deve ser implementada em placa de
circuito padrão ou em placa de circuito impresso.
•
A parte eletro-eletrônica deve estar acomodada em um gabinete e a parte
mecânica deve se adequar ao fim que se destina o projeto.
•
A
parte
mecânica
pode
ser
implementada
de
inúmeras
formas.
Recomendamos que antes de escolher uma solução, sua complexidade seja
considerada.
•
Os materiais utilizados no sistema (tanto para as partes mecânicas e
eletrônicas) devem ser selecionados pela equipe executora, salvo se já
estiverem definidos na especificação.
Outros requisitos:
•
O sistema deve garantir, ainda que de forma mínima, a segurança das
pessoas que vão operá-lo e assistir a sua operação.
•
O sistema deve poder ser operado pelo paciente sendo submetido ao
tratamento que está deitado.
•
O sistema deve permanecer no mesmo lugar enquanto operando.
•
O sistema não deve causar danos ao ambiente (sala de aula) em que opera;
•
O ambiente de trabalho em sala de aula deve estar limpo após testes do
sistema.
Validação
•
Primeiro, o sistema será validado sem carga, ou seja, sem uma perna atada a
ele.
•
O sistema será validado, então, com um paciente atado ao sistema.
•
O sistema deverá ser validado, no dia especificado para a apresentação, por
um dos integrantes da equipe e pelo professor.
3.3 Desafios
•
Implementar o sistema usando o Arduíno. Sugestão de nota extra: 1,0.
•
Permitir que o paciente ative e desative de forma emergencial o sistema por
meio de uma transmissão sem fio. Sugestão de nota extra: 1,5.
•
Propostas de novas funcionalidades do sistema devem ser negociadas com o
professor responsável da unidade curricular.
4. Equipe
O projeto integrador deve ser desenvolvido por equipes de 2 a 4 integrantes. O
esforço estimado para sua execução bem sucedida envolve 4 integrantes. Isso significa que
equipes de 2 e 3 integrantes deverão dispensar um esforço extra.
Cada integrante da equipe pode tornar-se responsável por uma parte do sistema (ex.
mecânica, sistema de potência, sistema microprocessado, etc), no entanto o sucesso do
projeto depende de todos. A desistência ou um desempenho insuficiente de um integrante
da equipe acarreta uma sobrecarga dos demais integrantes.
Rearranjos na equipe poderão ser feitos até a data prevista para entrega da segunda
meta. Esse rearranjo só poderá ser feito com o consentimento do professor responsável
pela unidade curricular. Após esse prazo, as equipes devem se manter até o final do
semestre. Os problemas internos das equipes deverão ser preferencialmente resolvidos
dentro da equipe. Caso isso não seja possível, a equipe solicitará a intervenção do professor
responsável pela unidade curricular.
5. Desenvolvimento da Disciplina
No intuito de melhorar o desempenho das equipes na execução dos projetos,
utilizaremos algumas ferramentas de trabalho em equipe.
Reuniões Periódicas
A princípio, as reuniões com o professor da unidade curricular devem ocorrer em todas
as aulas. Essas reuniões deverão ser de curta duração (cerca de 10 a 15 minutos). O
objetivo dessas reuniões é possibilitar que o professor avalie o andamento do projeto. Por
isso, em cada uma delas a equipe deverá apresentar o progresso do trabalho, as
dificuldades e a forma com que elas foram superadas. A equipe pode ser representada por
somente um dos integrantes, mas nesse caso o representante deverá abordar todas as
áreas do sistema. A reunião servirá como verificação da presença da equipe, ou seja,
equipes que não comparecerem à reunião semanal serão consideradas ausentes e
receberão falta.
Etapas do Projeto
No presente documento, estão previstas algumas metas a serem apresentadas. O
objetivo dessas metas é servir de guia para a equipe executora do projeto. Com elas é
possível decidir prioridades e controlar o andamento do projeto. No entanto, elas não são
suficientes para o bom desenvolvimento do projeto. É necessário que a equipe defina um
cronograma mais detalhado, com as etapas a serem executadas para o cumprimento das
metas. Aqui fazemos algumas sugestões de etapas que devem ser planejadas.
Parte Mecânica: Concepção, Estudo de alternativas, Escolha da alternativa, Escolha
dos materiais, Projeto, Simulação, Execução, Testes, etc.
Parte Eletrônica: Escolha do microcontrolador, Escolha do motor, Projeto do sistema
microcontrolado, Projeto do acionamento do motor, Teste do sistema microcontrolado, Teste
do acionamento do motor, Integração do microcontrolador e acionamento do motor,
Montagem em placa padrão, Teste da placa padrão, etc.
Firmware: Concepção, Representação, Codificação, Teste, etc.
Envolvimento dos integrantes
Cada um dos integrantes da equipe pode ser o responsável por uma das partes do
projeto, mas todos são responsáveis pelo todo. A mentalidade “eu fiz minha parte” pode não
ser o suficiente para realização do projeto e certamente não o será para avaliação. Partes
do sistema não serão avaliadas separadamente, somente o funcionamento do sistema
possibilita a aprovação na unidade curricular.
Desenvolvimento das etapas
As tarefas podem ser divididas entre os integrantes da equipe (A fica responsável
pela mecânica, B pela eletrônica, etc), mas todos devem estar a par do que está sendo feito
nas outras áreas do projeto.
Além disso, é essencial que as tarefas sejam desenvolvidas simultaneamente dentro
das possibilidades. Por exemplo, enquanto a mecânica está sendo executada, por dois dos
integrantes, um terceiro deverá estar desenvolvendo a eletrônica. Desenvolver uma etapa
após a outra poderá gerar atrasos que não conseguirão ser recuperados posteriormente.
Se a equipe decidir que todos devem participar ativamente em todas as etapas (ex.
todos fazem a mecânica, todos fazem a eletrônica), então todos devem estar conscientes
que deverão passar muito tempo juntos. O projeto poderá ser melhor, mas é preciso que a
equipe analise o tempo disponível para o projeto.
Decisões Iniciais
Decisões nas etapas iniciais do projeto têm impacto importante nas etapas
subseqüentes. Por exemplo, a escolha do motor (por exemplo: motor de passo) tem um
impacto na escolha do circuito de acionamento. Por isso, no início, deve-se refletir sobre as
escolhas a serem feitas, consultar os professores, tentar vislumbrar os problemas que
podem surgir e os riscos a que se está sujeito ao tomar determinadas decisões.
Além disso, nessas decisões devem ser consideradas todas as áreas do projeto. Por
exemplo, decidir facilitar a mecânica pode complicar demasiadamente ou inviabilizar a
eletrônica, decidir facilitar o hardware pode complicar o firmware. Deve-se buscar um
equilíbrio nessas questões conforme as circunstâncias de cada equipe.
Para poder desenvolver etapas em paralelo, a equipe deve tomar algumas decisões
críticas. Por exemplo, o tipo do motor, sua potência, sua mecânica, etc. Por isso, se
questões desse tipo surgirem, elas devem ser discutidas o quanto antes.
6. Metas e Prazos
Os seguintes prazos referem-se às datas nas quais deverão ser apresentadas
determinadas Metas. Além das Metas, foi estabelecida uma sub-meta da parte eletrônica
que deverá ser apresentada conforme especificado no quadro abaixo.
Dia
18/12/2012
(3ª semana)
19/02/2013
(5ª semana)
Meta
Sub-meta: Diagrama em blocos da parte eletrônica
(documento)
Apresentação do pré-projeto
12/03/2013
(8ª semana)
26/03/2013
(10ª semana)
16/04/2013
(13ª semana)
30/04/2013
(15ª semana)
07/05/2013
(16ª semana)
Apresentação da parte mecânica (protótipo)
Apresentação da parte eletrônica com firmware de teste
(protótipo)
Apresentação da parte eletrônica com firmware de
operação (protótipo)
Apresentação da integração das partes mecânica,
eletrônica e firmware e entrega do relatório final
Apresentação do projeto para banca
ATENÇÃO: As datas acima devem ser rigorosamente respeitadas. Vale ressaltar que o
cumprimento de cada uma das etapas dentro da data especificada tem impacto direto
na avaliação final, mais especificamente no item 3.3 da tabela 1 (Cumprimento de
Prazos). Cada semana de atraso no cumprimento da etapa acarreta em perda de 25%
da nota referente à etapa (quatro semanas de atraso acarretam em nota zero). Ainda
deve ser observado que, mesmo quando a etapa não for cumprida no prazo, a sua
conclusão é determinante na avaliação total do projeto, ou seja, todas as etapas
deverão ser cumpridas.
6.1. Descrição das Metas
O cumprimento das metas será avaliado conforme as diretrizes abaixo. A nãoconformidade com uma dessas diretrizes implica no não-cumprimento da meta.
Diagrama em blocos da parte eletrônica (documento)
• Documento com o diagrama em blocos da parte eletrônica do projeto.
• A nota da sub-meta será computada juntamente com a Meta da parte eletrônica.
Entrega de Pré-projeto
• Apresentação (Power Point ou similar) do pré-projeto com a participação de todos
integrantes da equipe.
• Completude do pré-projeto. Todos os itens indicados na unidade curricular de Gestão
de Projetos devem ser contemplados.
Apresentação da parte mecânica (protótipo)
• Protótipo físico da parte mecânica. Não serão aceitos protótipos virtuais, mock-ups ou
desenhos.
• Os motores ainda não precisam estar acoplados, mas o acoplamento já deve estar
previsto.
Apresentação da parte eletrônica com firmware de teste (protótipo)
• O hardware deverá estar montado em placa padrão ou placa de circuito impresso.
• O LCD e o teclado deverão ser usados para comandar motores e atuadores e ler
dados dos sensores e transdutores. As teclas permitirão rodar o motor ou acionar os
atuadores e o LCD mostrará a informação dos motores e sensores.
• O uso de todos os motores, atuadores, sensores e transdutores planejados no projeto
deve ser demonstrado.
• Tanto motores, atuadores quanto sensores e transdutores não precisam estar
conectados à mecânica, embora isso seja desejável.
Apresentação da parte eletrônica com firmware de operação (protótipo)
• O firmware deverá comandar o hardware de forma a simular a operação do sistema.
Ou seja, os motores, atuadores, sensores, transdutores, teclado e LCD devem ser
acionados simulando-se a operação do sistema.
• Tanto motores, atuadores quanto sensores e transdutores não precisam estar
conectados à mecânica, embora isso seja recomendável.
Apresentação da integração (mecânica-eletrônica-firmware) de forma integrada e entrega do
relatório final
• Toda operação do sistema deve ser demonstrada. As operações que validam o
funcionamento do sistema devem ser demonstradas (ver item 3.2).
• Entrega do relatório técnico final.
Apresentação do projeto
• Apresentação (Power Point ou similar) do projeto com a participação de todos
integrantes da equipe para banca.
• Demonstração do projeto para banca.
7. Apresentação do projeto
A apresentação deverá ser preparada em PowerPoint ou software livre similar (ex:
OpenOffice Impress). Cada equipe fará uma explanação sobre o seu projeto; detalhes da
apresentação serão negociados durante a disciplina. Todos os integrantes da equipe
deverão apresentar o projeto.
A apresentação é um requisito obrigatório para obtenção da aprovação na
disciplina. Mesmo que o projeto funcione, se a apresentação não for realizada a equipe
será reprovada.
8. Documentação
O relatório final do projeto deve seguir as normas da UTFPR para redação de
relatórios, disponível em http://www.utfpr.edu.br/documentos/normas_trabalhos_utfpr.pdf.
Para aqueles interessados em aprender uma nova ferramenta, existe um modelo e
tutoriais
para
o
uso
do
LaTex.
Esse
material
pode
ser
encontrado
em:
http://pessoal.utfpr.edu.br/hvieir/orient/Modelo do Hugo
Cópias eletrônica e impressa do documento, juntamente com todos os programas
desenvolvidos deverão ser entregues ao professor da unidade curricular de Projeto
Integrador 1.
A entrega da documentação é um requisito obrigatório para obtenção da
aprovação na disciplina. Mesmo que o projeto funcione, se a documentação não for
entregue a equipe será reprovada.
Plágio
Se for constatado plágio no Relatório Final, a equipe será reprovada na unidade
curricular. Embora um problema importante, o plágio não tem uma definição consensual.
Por isso, nessa unidade curricular, o plágio será constatado se houver mais de dois
trechos de mais de duas linhas que sejam cópias de outros textos não devidamente
referenciados. Ressalto que esse é um critério para esse trabalho e não pode ser estendido
para outros textos. Em alguns contextos, esse critério pode ser considerado muito “frouxo”.
A redação do relatório final deverá seguir as técnicas de redação científica (ex.
paráfrase, citação) para evitar o plágio. Mesmo que o texto seja referenciado
adequadamente, pode-se considerar plágio se o texto é copiado integralmente da
fonte. Se o texto é copiado integralmente então deve ser usada uma citação que deve ser
delimitada por aspas. Caso use-se a paráfrase, é necessário reescrever o texto com
palavras próprias.
Segue
um
exemplo
que
como
usar
uma
fonte
adequadamente.
_________________________________________________________________________
Referência como deve aparecer na lista de referências no fim do trabalho.
TCHEKHOV, Anton. O assassinato e outras histórias. São Paulo: Cosac & Naify Edições,
2002.
Trecho original do livro que se deseja utilizar como fonte (TCHEKHOV, 2002, p.49).
“Na estação de Progónaia, celebravam a missa de vésperas. Diante do grande ícone,
pintado com cores vivas sobre um fundo dourado, achava-se a multidão dos funcionários da
estação, suas mulheres e seus filhos, bem como os lenhadores e serradores que
trabalhavam nas proximidades da estrada de ferro. Todos estavam em silêncio, fascinados
com o brilho das velas e com o bramido da tempestade que de repente desabara lá fora,
apesar de ser véspera do dia da Anunciação. Um velho sacerdote de Vedeniápino celebrava
a missa; o sacristão e Matviei Terekhov cantavam.”
Para usar uma citação curta (menor que três linhas), é preciso usar as aspas. Por exemplo:
Matviei Terekhov e o sacristão cantavam para “a multidão dos funcionários da estação, suas
mulheres e seus filhos, bem como os lenhadores e serradores que trabalhavam nas
proximidades da estrada de ferro” por ocasião da missa da tarde do dia anterior ao da
Anunciação (TCHEKHOV, 2002, p.49).
Para usar uma paráfrase é preciso reescrever o texto da fonte. Por exemplo:
Tchekhov (2002, p.49) descreve o ambiente reinante na estação de Progónaia na missa
vespertina celebrada no dia anterior ao da Anunciação. Matviei Terekhov e o sacristão
cantavam para uma platéia composta tanto por funcionários da estação e suas famílias
quanto por trabalhadores braçais da região. Tal platéia permanecia silenciosa e fascinada
pelo barulho da chuva e pela luz das velas.
_________________________________________________________________________
Essas são orientações superficiais. Para maiores detalhes, consulte o manual de normas da
UTFPR que pode ser encontrado no link acima.
9. Avaliação
Será atribuída uma nota final de 0 a 10 para o Projeto Integrador 1. O modelo da ficha
de avaliação com os itens a serem observados e seus respectivos pesos na composição da
nota final é apresentado na tabela 1.
Vale ressaltar que não existem itens individuais de avaliação, portanto o
desempenho de cada integrante da equipe afeta a nota de toda equipe. Quando da
apresentação final, haverá uma banca avaliadora composta por ao menos mais dois
professores além do próprio professor da unidade curricular (ao todo três ou mais
professores). Essa banca atribuirá a nota do item 2.
Tabela 1: Ficha de avaliação do Projeto Integrador 1.
1. Documentação (15%)
Peso
Nota Parcial
1.1. Nível técnico do relatório
40%
0,0 - 4,0
1.2. Objetividade e clareza do texto
25%
0,0 - 2,5
1.3. Adequação ao formato UTFPR (ABNT)
15%
0,0 - 1,5
1.4. Qualidade das ilustrações (tabelas, figuras, gráficos, etc.)
20%
0,0 - 2,0
ND
0,0 - 10,0
100%
0,0 - 10,0
NB
0,0 - 10,0
3.1. Atendimento dos requisitos
45%
0,0 - 4,5
3.2. Qualidade do acabamento do protótipo
15%
0,0 - 1,5
3.3. Cumprimento dos prazos
40%
0,0 - 4,0
NP
0,0 - 10,0
100%
0,0 – 10,0
NA
0,0 - 10,0
e dos anexos e apêndices (diagramas, esquemas, etc.)
2. Banca (10%)
3. Projeto (65%)
4. Professor (10%)
Apresentação do projeto:
•
Qualidade dos slides
•
Postura e dicção
•
Uso da linguagem
•
Demonstração do protótipo
•
Qualidade do acabamento do protótipo
•
•
•
•
Participação em sala de aula
Participação nas reuniões
Uso de recursos
Organização
Cálculo da Nota Final: NF = 0,15.ND + 0,1.NB + 0,1.NProf +0,65.NProj
NF = nota final, ND = nota da documentação, NB = nota da banca, NP = nota do projeto e NA=nota do professor
10. Agradecimentos
O conteúdo desse documento foi discutido com vários professores. Agradeço as
contribuições dos professores com quem discuti. Evidentemente, erros e omissões são de
responsabilidade do organizador do documento.