Metodologia para concepção de prótese ativa de mão utilizando impressora 3D

No presente trabalho de Conclusão de Curso, os autores apresentam uma prótese ativa de mão com um grau de liberdade e impressa com materiais rígido e flexível. Para isso, utilizou-se uma impressora 3D de baixo custo do modelo Prusa Mendel. Desenvolveu-se toda a metodologia de prototipagem da prótese, desde sua modelagem, os parâmetros utilizados nos softwares de impressão, até sua instrumentação e o controle. A modelagem da prótese foi feita utilizando os softwares CATIA e Sketch Up. Levou-se em conta os limites de impressão de 200x200x65mm impostos pela tecnologia da impressora 3D utilizada. A prótese foi impressa em duas etapas, sendo uma delas para impressão da mão robóticas e outra para o suporte e as polias. A mão robótica foi desenvolvida de modo a permitir o movimento de uma pinça que foi possível graças à combinação entre o plástico rígido e o flexível, o suporte foi projetado para o encaixe da mão robótica e os servomotores, já as polias, para serem acopladas aos braços dos servos e prender os fios que, quando tracionados, fecham a mão. A prótese é controlada pelo sinal eletromiográfico de superfície (EMG-S) proveniente da contração muscular. Utilizou-se para a captação de tal sinal um eletrodo ativo revestido por uma capa impressa na impressora 3D e com conectores de prata no contato com a pele para diminuição do ruído. O circuito do eletrodo consiste em um amplificador de instrumentação(INA 118) e um filtro passa baixas para eliminar as componentes acima de 500 Hz. Externamente ao eletrodo, desenvolveu-se um circuito de conformação do sinal com mais um estágio de ganho, para ajuste em diferentes usuários, e um retificador inversor com detecção de envoltórias. O sinal de saída é conectado diretamente ao conversor A/D do microcontrolador, uma vez que ele não apresentará tensões negativas. O microcontrolador utilizado foi o Arduino, com o objetivo de amostrar o sinal de EMG resultante do circuito de instrumentação e transformá-lo em um sinal de controle. Essa transformação consiste em gerar uma onda quadrada, onde cada contração é representada por uma janela retangular com a mesma duração. Na borda de subida desse sinal, o microcontrolador gera um sinal modulado por largura de pulso (PWM) para abrir ou fechar a prótese. Foi proposto um protocolo para captação do sinal eletromiográfico, que vai desde a assepsia da pele até o posicionamento do eletrodo no músculo. A aquisição foi realizada com três voluntários, cada um com diferentes características e que efetuaram ou não o protocolo. Com o protocolo de aquisição do sinal observou-se um aumento da relação sinal ruído dos dados capturados. Contudo, o controle pôde ser realizado mesmo para sinais com significativa contaminação por ruído. Por fim, os resultados mostraram que é viável a concepção da prótese, tanto na modelagem com materiais rígido e flexível, quanto ao seu controle utilizando o método de comparação de limiar fixo à envoltória do sinal de EMG-S capturado. ______________________________________________________________________________ ABSTRACTIn the present coursework conclusion, the authors present an active hand prosthesis with one degree of freedom that is printed with rigid and flexible materials. For this purpose, it was used a low cost 3D printer model named Prusa Mendel. It is presented all the prototyping methodology for the prosthesis, from its modeling, the parameters used in the printing software, to the instrumentation and control . The modelling of the prosthesis was performed using the software CATIA and Sketch Up, taking into account the size limits of 200x200x65mm, imposed by the technology of the 3D printer model. The prosthesis was printed in two steps, one of them to print the robotic hand and other for the support and pulleys. The robotic hand was developed to provide the movement of a claw, which was possible by the combination of rigid and flexible plastic. The support was designed to fit the robotic hand and servo motors, pulleys were projected as a coupling to the servo arms and to hold the wires, that closes the hand when pulled. The prosthesis is controlled by surface electromyographic signal (EMG - S), generated from muscle contraction. To capture that signal, an active electrode coated with a cover printed on 3D printer, and witch connectors in contact with the skin are made of silver for noise reduction. The electrode circuit consists of an instrumentation amplifier (INA 118) and a low-pass filter to remove components above 500 Hz. Externally to the electrode, it was developed another circuit with another gain stage, for adaptation to different users, and a inverting rectifier for signal envelope detection. The output signal is connected directly to the A/D converter of the micro-controller, since it does not present negative voltages. The Arduino microcontroller was used in order to sample the EMG signal resulting from instrumentation circuit and turn it into a control signal. This transformation is to generate a square wave , where each contraction is represented by a rectangular window of the same duration . On the rising edge of this signal , the microcontroller generates a pulse width modulation (PWM) to open or close the prosthesis. It was proposed a protocol to capture the electromyographic signal, ranging from skin asepsis to the placement of the electrode in the muscle. The acquisition was performed with three subjects , each one with different characteristics and performing or not the protocol. It was noted that following the proposed acquisition protocol induced an increase in the signal to noise ratio of the captured data. However , the control could be performed even for signals with significant noise contamination. Finally, the results showed that it is feasible to design the prosthesis, both in modeling with rigid and flexible materials , as its control from the comparison between a fixed threshold and the signal envelope captured EMG-S