DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO E SOFTWARE DE CONTROLE DE PRÓTESE DE MEMBRO SUPERIOR PROTOTYPE DEVELOPMENT AND CONTROL SOFTWARE OF UPPER LIMB PROSTHESIS

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1 DESENVOLVIMENTO DE PROTÓTIPO E SOFTWARE DE CONTROLE DE PRÓTESE DE MEMBRO SUPERIOR PROTOTYPE DEVELOPMENT AND CONTROL SOFTWARE OF UPPER LIMB PROSTHESIS Crisman Penalva Santos Graduando em Engenharia da Computação Unisalesiano Araçatuba - crismansantos@gmail.com Bruno Calhiari Graduando em Engenharia Mecatrônica Unisalesiano Araçatuba - brunocalhiari.blc@gmail.com Fernando Henrique Alves Benedito Graduando em Engenharia Mecatrônica Unisalesiano Araçatuba - fhabrike@gmail.com Prof. Orientador Dr. Edval Rodrigues de Viveiros Unisalesiano Araçatuba edvalrv@ig.com.br RESUMO A tecnologia de desenvolvimento de próteses biônicas ainda é incipiente no Brasil, comparando-se com outros países, contrastando com a crescente demanda de produtos nesta área, ocasionado ou por problemas de má formação genética, ou ainda pelo aumento na quantidade de acidentes no trânsito e outras causas. Pensando-se no alto custo de tais equipamentos, desenvolveu-se neste projeto um protótipo de uma mão biônica de baixo custo. Além da construção desta prótese de membro superior, fundamentada em medidas antropométricas, o projeto traz como inovação rebro-computador (ICC) não invasiva, para controle mecatrônico da mesma. Uma primeira etapa de comunicação entre o microcontrolador e os servomotores da mão biônica foi executada, assim como o comando e controle via computador. Atualmente trabalha-se nos últimos ajustes computacionais e mecatrônicos para se efetuar a comunicação entre a ICC e respectivo software de controle da mão biônica. Palavras-chave: Automação e Controle. -computador. INTRODUÇÃO O grand -computador concentrava-se na aplicação dos modelos de mapeamento funcional de Brodmann e Broca, modelos estes que limitavam a interpretação sobre os níveis elétricos dos chamados potenciais de ação. Trabalhos conduzidos por Miguel Nicolelis e colaboradores possibilitaram desenvolver-se algoritmos computacionais baseados em redes neurais e inteligência artificial, de modo a permitir utilizar padrões de reconhecimento (pattern recognition) de cada ação cognitivo-motora, para posterior construção de vários tipos e modelos de Universitári@ - Revista Científica do Unisalesiano Lins SP, ano 7, n.14, jan-jun de 2016 Edição Especial 1015

2 interface cérebro-máquina, interface -computador, interface cérebrocomputador-cérebro e outras. (NICOLELIS, LEBEDEV, 2009) Entretanto, o caráter altamen -computador não invasiva. Este projeto utiliza um modelo de ICC não invasiva da marca Emotiv Epoc, de baixo custo (aproximadamente 700 dólares). Por outro lado, a tecnologia de construção de próteses biônicas vem crescendo nas últimas décadas, principalmente devido ao exponencial avanço nas áreas das engenharias da computação, eletrônica e mecânica ou, mais apropriadamente, na engenharia mecatrônica. (VENTIMIGLIA, 2012) Atualmente, técnicas de construção mecânica como a prototipagem em 3D vem possibilitando grande diminuição nos custos de tais próteses. Neste sentido, algumas iniciativas internacionais tem sido desenvolvidas, citando, por exemplo, o j The Open Hand Project Contudo, outro problema se impõe quanto ao uso da maioria destas próteses, além do altíssimo custo (algumas chegam a custar 100 mil dólares), que é a dificuldade em sua utilização, pois em alguns casos demanda-se um tempo longo de treino da musculatura e nervos residuais num indivíduo com determinado nível de amputação. Este problema, entretanto, poderia ser minimizado e solucionado através do uso de uma ICC para se efetuar o comando elétrico cerebral (neuronal) direto (CHENG, CHING, 2009). Uma ICC do tipo Emotiv Epoc possibilita o uso de técnicas de imageria mental e de padrões de reconhecimento até mesmo por pessoas cegas (VIVEIROS, 2013), já que tal treino cognitivo exige o recrutamento çõ feedback OBJETIVO GERAL -computador. Universitári@ - Revista Científica do Unisalesiano Lins SP, ano 7, n.14, jan-jun de 2016 Edição Especial 1016

3 DESENVOLVIMENTO Na Figura 1 apresenta-se o funcionamento completo do sistema de automação da mão biônica. Assim, a ICC Emotiv Epoc lê, interpreta e compila os dados elétricos neuronais provenientes do cérebro humano, por intermédio do software Panel Control, concomitante ao funcionamento deste software, outro E C comunicação com o software desenvolvido para a pesquisa, que faz a intermediação ou interfaceamento com esta parte e consequentemente com o controle dos servomotores contidos na mão biônica. ç -computador Fonte: Elaborada pelos autores, METODOLOGIA Materiais e métodos A metodologia do treino cognitivo de imageria mental segue protocolos definidos por Nicolelis e Lebedev (2009), pelo protocolo Ecolig aplicado por Miguel (2010), e o mesmo protocolo empregado por Viveiros (2013). Basicamente, esta metodologia envolve uso de padrões do eletroencefalograma (EEG) e ritmos Universitári@ - Revista Científica do Unisalesiano Lins SP, ano 7, n.14, jan-jun de 2016 Edição Especial 1017

4 cerebrais via software 3dBrainVisualizer, decodificados pelo software TestVBench (aquisição de sinal analógico e transformação para sinal digital via transformada de Fourier), formatação de protocolos de comunicação utilizando o software Panel Control e Emokey e estabelecimento de interface com o software do Arduino, via linguagem C++. A interpretação dos dados neurocognitivos (EEG e ritmos cerebrais Alpha, Beta, Delta e Theta) foram realizados pelo software LabChart (ADInstruments). RESULTADOS PRELIMINARES Basicamente foram obtidos três resultados: 1 o : Construção de três modelos de próteses, de acordo com a demanda técnica de cada fase do projeto (Figuras 2, 3 e 4). 2 o : Construção de um software de controle do microcontrolador Arduino e a ICC Emotiv Epoc ; 3 o : Construção de programação para automação da mão biônica. Protótipo 1 Este protótipo foi desenvolvido para estudo do processo de automação via microcontrolador Arduino. Na Figura 2 vemos o protótipo sendo apresentado na 11 ª Semana da Engenharia do Unisalesiano (Outubro de 2014). Figura 2 Primeiro protótipo desenvolvido, acionado pelo microcontrolador Arduino Fonte: Elaborada pelos Autores, Universitári@ - Revista Científica do Unisalesiano Lins SP, ano 7, n.14, jan-jun de 2016 Edição Especial 1018

5 Nesta fase foram executados os primeiros testes com acionamento dos servomotores para controle do movimento dos dedos, necessários para se processar a programação necessária para automação. Protótipo 2 Desenvolvido em material acrílico, este modelo já foi ergonomicamente projetado, fundamentado em medidas antropométricas de um dos acadêmicos pesquisadores. Figura 3 Montagens do protótipo em acrílico Fonte: Elaborada pelos autores, Protótipo 3 Este protótipo final foi confeccionado em material ABS numa impressora de prototipagem em 3D. Universitári@ - Revista Científica do Unisalesiano Lins SP, ano 7, n.14, jan-jun de 2016 Edição Especial 1019

6 Figura 4 Modelo de prótese prototipada em impressora 3D Fonte: Elaborada pelos autores, CONCLUSÕES Os resultados até agora alcançados são extremamente animadores, porque fornecem importantes bases científicas para posteriores projetos que possam aprofundar e sofisticar tanto o desenvolvimento da prótese em si mesma, quanto sua automação e controle via uso de interface cérebro-computador não invasiva, ambas de baixíssimo custo. REFERÊNCIAS CHEN, C. W.; CHING, C. K. Hand Orthosis Controlled Using Brain computer Interface. Journal of Medical and Biological Engineering, 29(5): , MIGUEL, P.V. O. - -computador. [Tese de Doutorado] E E C ç FEEC. UNICAMP, NICOLELIS, M. A. L.; LEBEDEV, M. A. Principles of neural ensemble physiology underlying the operation of brain-machine interfaces. Nature Reviews Neuroscience, v. 10, n. 7, p , Jul OPEN HAND PROJECT. Disponível em: < >. Acesso em: 08 maio Universitári@ - Revista Científica do Unisalesiano Lins SP, ano 7, n.14, jan-jun de 2016 Edição Especial 1020

7 VENTIMIGLIA, P. Design of a Human Hand Prosthesis - A Major Qualifying Project. Report submitted to the Faculty of the Worcester Polytechnic Institute in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Bachelor of Arts. Advised by: Professor Taskin Padir Professor Jerome Schaufeld. Worcester Polytechnic Institute, Worcester, MA, Apr. 26, VIVEIROS, E. R. - - computador. [Tese de Doutorado] -gradu ç E ç a Ciência. Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho, UNESP, Bauru f. Universitári@ - Revista Científica do Unisalesiano Lins SP, ano 7, n.14, jan-jun de 2016 Edição Especial 1021