FOCO CIRÚRGICO CONTROLADO POR JOYSTICK

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1 FOCO CIRÚRGICO CONTROLADO POR JOYSTICK Prof. Dr. Carlos Alberto Ynoguti, Fernando Daniel Finger, Luiz Alberto de Oliveira Júnior Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel Avenida João de Camargo, 510 Santa Rita do Sapucaí MG CEP s: Resumo Este estudo consiste no desenvolvimento de um foco cirúrgico controlado por joystick, numa primeira etapa; e, por comandos de voz, numa segunda etapa. Primeiramente se analisou a possibilidade de apenas adaptar um foco cirúrgico mecânico para torná-lo controlado. Percebendo que tornaria inviável iniciou-se o estudo do desenvolvimento de um braço mecânico que atendesse as necessidades. Será abordado, ainda, estudos relacionados às coordenadas retangulares e cilíndricas, assim como métodos de controle. Termos relacionados Foco cirúrgico, controle, joystick, comandos de voz, microprocessador, microcontrolador. I. INTRODUÇÃO Atualmente, no Brasil, iniciaram-se grupos de estudos para o desenvolvimento de equipamentos e soluções para substituir as importações de tecnologias que atendessem às carências para a área médico-hospitalar. E, se não bastasse, iniciaram-se, também, estudos para desenvolvimento de melhorias para os equipamentos que estão disponíveis no mercado, ou, até mesmo, desenvolvimento de novos equipamentos. Diante dessa visão, percebeu-se que hoje, no mercado, apenas estão disponíveis focos cirúrgicos com sistema manual de posicionamento, o que possui como principal desvantagem, dependendo da quantidade de cúpulas, o sistema se tornar de difícil movimentação, fazendo com que o cirurgião passe a necessitar de um(a) auxiliar a fim de apenas mover o foco cirúrgico para a posição em que ele deseja, pois, caso ele tenha que movimentar o sistema de iluminação, a sensibilidade manual com a qual ele estava realizando a cirurgia passa a ser afetada. Assim, buscando tecnologias, passaram-se a estudar maneiras de se conseguir um foco cirúrgico em que o movimento fosse realizado de maneira semi-automática e que o cirurgião pudesse movimentá-lo apenas manuseando um joystick, ou, ainda, apenas através de comandos de voz que fazem parte desse estudo em que se vem desenvolvendo um protótipo de um foco cirúrgico controlado por joystick. II. O PRÉ-PROJETO Antes de iniciar o desenvolvimento do projeto propriamente dito, é necessário que se passe a conhecer o cenário onde ele será aplicado no futuro. Nesta fase de pré-projeto, passaram-se a conhecer os principais fabricantes de foco cirúrgico juntamente com suas características. As características dos equipamentos disponíveis, no mercado atual, são: painel para controle do nível de potência que será fornecida para as lâmpadas; braços articulados que, através de um sistema de molas, é possível mantêlo em uma determinada posição escolhida pela enfermeira ou pelo próprio cirurgião; cúpula que é um jogo de lâmpadas que possuem um controle de abertura e fechamento para tornar possível o ajuste do foco sobre a cama cirúrgica; e o sistema de filtros para que não se transmita o calor para o local de onde está se realizando a cirurgia. É bom lembrar que, atualmente, os filtros estão sendo vendidos como opcional, visto que agregam uma boa parte do valor final do produto, além do sistema de armazenamento de imagem que pode ser usado para registrar as imagens da cirurgia. Diante desse cenário, numa primeira etapa, cogitou-se a idéia de apenas adaptar um foco cirúrgico mecânico para receber os atuadores e os sensores a fim de poder controlá-lo por um joystick; e, numa próxima etapa, através de comandos por voz. Essa idéia foi abortada pelo fato de os focos mecânicos possuírem mais pontos de articulação do que o necessário para um controle semi-automático, além de que ele não foi preparado para receber tais modificações. Assim, percebeu-se que era necessário o desenvolvimento de uma estrutura leve para receber esses atuadores juntamente com os sensores de posicionamento angular. Nesse momento, iniciou-se a modelagem de como poderiam ser os braços a fim de dar todo o movimento necessário para o sistema. Foram feitos dois modelos para que se decidisse o que fosse mais viável: o primeiro trabalhava com as coordenadas retangulares, porém possuía uma estrutura que, por seu de grande tamanho, tornou-se inviável; já o segundo, que foi o escolhido para o desenvolvimento do protótipo, trabalha com coordenadas esféricas que depois são convertidas pelo sistema de processamento em coordenadas retangulares, isto é, o cirurgião fornece, através de um joystick ou por um comando de voz posicionamentos retangulares, por exemplo, direita, esquerda..., e o sistema de controle faz com que os motores sejam acionados através de mudanças angulares em coordenadas esféricas a fim de possibilitar um movimento preciso e eficiente.

2 Os modelos desenvolvidos podem ser visualizados nas imagens abaixo: Figura 03 Vista do Modelo 02 Figura 01 Vista do Modelo 01 Figura 04 Vista do Modelo 02 Figura 02 Vista do Modelo 01 III. O PROJETO III.1. A Construção Do Protótipo O protótipo foi dividido nas seguintes partes: base, braços, eixos, engrenagens e suportes. A caixa da base, os braços, os eixos e os suportes foram construídos em alumínio devido às vantagens apresentadas pelo material que são: leveza do material, boa resistência em pequenas barras e imunidade à oxidação. Já, as engrenagens foram feitas em tecnil devido às mesmas características apresentadas. A base é que sustenta todo o sistema, pois é ela que fica presa ao teto; dentro dela, foi instalado um motor que atua em um eixo vertical através de uma engrenagem para dar o movimento de rotação ao foco cirúrgico. Esse movimento é

3 controlado por um sensor de posicionamento angular instalado no próprio eixo. O primeiro braço preso ao eixo da base é responsável pelo movimento de elevação, visto que nele temos anexado um outro motor que transmite o movimento à uma engrenagem que está fixa em um eixo vertical que está, também, fixo no segundo braço. O movimento de aumentar/diminuir o raio é feito atuando nos motores presos aos braços 2 e 3. Com esse mesmo raciocínio, é que se consegue o movimento da cúpula que está fixa no quarto braço. Após a construção do protótipo, tornou-se possível realizar as medidas da força necessária para o movimento de cada uma das articulações onde chegou-se à conclusão de que motores DC, para o caso do protótipo, cuja alimentação fosse de 12 [V], caso fosse necessário em uma situação de emergência, seria possível o movimento, usando um sistema de baterias internas, cujo torque fosse, considerando o pior caso e condições de segurança, de aproximadamente 50 [Kg.cm]. Além de que esses motores deveriam possuir um sistema de freio interno para que o sistema ficasse parado quando não se possuía alimentação nos motores. Com essas especificações, buscaram-se, no mercado, motores que atendessem às exigências e foi escolhido motores Mabuchi Motor modelo JC/LC-578-VA ou equivalentes. III.3. Os Drivers De Acionamento Dos Motores Para o acionamento de motores através de um processador ou de um microcontrolador, é necessário que se use um driver para elevação de tensão e corrente, sabendo que as portas de saída possuem corrente baixa e a tensão de alimentação dos controladores geralmente estão na faixa dos 5 [V]. Com o driver, é possível alimentar cada um dos motores com uma determinada polaridade para um sentido horário, por exemplo, e com a polaridade invertida, tem-se o sentido anti-horário. Para isso são necessárias duas saídas do controlador. A tabela de funcionamento é apresentada a seguir, sendo considerados 0 nível lógico baixo e 1 nível lógico alto: Figura 05 Vista do Modelo que foi gerado o protótipo Pino A Pino B Efeito 0 0 Parado 0 1 Horário 1 0 Anti-horário 1 1 Parado Tabela 01 Sentido de giro relacionado com o nível de tensão enviado para cada pino Para o controle da velocidade do movimento, é usada a modulação pela largura do pulso, conhecida por controle PWM. Esse controle pode ser realizado por um circuito dedicado ou pelo próprio controlador, caso exista a disponibilidade. O diagrama em blocos do driver com o controle PWM é apresentado a seguir: Figura 06 Vista do Modelo que foi gerado o protótipo III.2. Os Motores Figura 07 Diagrama em blocos do driver com o controle PWM

4 III.4. Os Sensores De Posicionamento Angular Os sensores de posicionamento angular são colocados no eixo do movimento a fim de informar a variação angular através de uma medida indireta de tensão. Esses sensores são resistências variáveis de acordo com o ângulo, que modifica a tensão entre o terminal de referência e o terminal de controle. Essa conversão é feita da seguinte maneira: 360 Tensão Ângulo = 5 (1) 5 Ângulo Tensão = 360 (2) Para que o controlador consiga interpretar os valores, é feita uma conversão analógica-digital. Figura 08 Coordenadas Retangulares III.5. O Controlador O controlador que está sendo usado no desenvolvimento deste projeto é, numa primeira etapa, um PIC 16F877 da Microchip que possui o número necessário de portas analógicas e digitais, controle PWM, além de que, através de um compilador C, torna-se possível a conversão de coordenadas retangulares em esféricas e vice-versa, o que será explorado nos próximos tópicos. Já, numa segunda etapa, será usado um DSP 56F826 da Motorola, pois ele possui como vantagens: ser aplicável ao processamento de sinais de voz, além da alta velocidade no processamento de instruções. Vale lembrar que já está sendo usado, em paralelo, desenvolvimentos no DSP. V. AS COORDENADAS ESFÉRICAS No sistema de coordenadas esféricas, cada ponto é representado por uma tripla ordenada, onde uma é a distância e, as outras duas, ângulos. Esse sistema é análogo ao sistema de latitude e longitude utilizado para identificar pontos na superfície da Terra. O sistema é representado pela tripla ordenada (ρ, θ, ø), onde ρ é a distância entre o ponto P e a origem, ρ 0, θ é o mesmo ângulo usado em coordenadas cilíndricas, 0 θ < 2π e ø é o ângulo entre o semi-eixo positivo dos z e o segmento de reta orientado OP, 0 ø π. IV. AS COORDENADAS RETANGULARES O sistema de coordenadas retangulares é representado pela tripla ordenada (a, b, c) de números reais. Para representar o espaço, fixamos um ponto O (origem) e três retas orientadas passando por O que sejam perpendiculares entre si, que são chamadas de eixos coordenados, denotados por eixo x, eixo y e eixo z. Geralmente, colocamos os eixos x e y como retas horizontais e o eixo z como reta vertical. Esses três eixos coordenados determinam três planos coordenados. O plano xy contém os eixos x e y, o plano yz contém os eixos y e z, já o plano xz contém os eixos x e z. Com a ordenada tripla (a, b, c), podemos percorrer todo o espaço, sendo o valor de a, um valor no eixo x, o valor de b, no eixo y e o valor de c no eixo z. Figura 09 Coordenadas Esféricas

5 VI. A CONVERSÃO DAS COORDENADAS RETANGULARES EM ESFÉRICAS A conversão de coordenadas retangulares em esféricas é definida pelas fórmulas seguintes: 2 ρ = 2 2 x + y + z 2 (3) y θ = arctan x (4) z φ = arccos x + y + z (5) Com elas, podem-se obter os parâmetros da tripla ordenada das coordenadas esféricas. VII. CONCLUSÃO Com base nos estudos mencionados: posicionamento espacial utilizando coordenadas retangulares e esféricas, acionamento de motores através de um controlador que recebe informações dos sensores de posicionamento angular juntamente com os movimentos solicitados por um joystick; estudos da inteligência em que se pode conseguir através de controladores de processamento rápido de informação; além de estudos no desenvolvimento de estruturas mecânicas e transferências de movimento (que não foram abordadas) é que tem se construído um protótipo para realizar a movimentação do foco cirúrgico. Vale lembrar que, na segunda parte do projeto, o comando será dado por voz o que demandará o estudo do reconhecimento de voz.