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O desenvolvimento de um goniômetro inductivo para medição de ângulos articulares, com objetivo de medições até 360° e na presença de graus de liberdade superior a um. O goniômetro visa adaptar sistemas de navegação utilizando o campo magnético para realizar medições de ângulo em pequenas distâncias. O dispositivo é composto por módulos mtx e mrx, sendo que mrx é ligado ao computador b(t) através de um campo magnético alternado gerado pela bobina de excitação. As tensões induzidas nas bobinas do mrx são obtidas e demoduladas para determinar o ângulo de rotação da toróide. O documento também discute a importância de medições de ângulos em áreas da medicina e na indústria de navegação.
Tipologia: Notas de estudo
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Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Biomédica, Programa de Pós- Graduação em Engenharia Biomédica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Área de Concentração: Engenharia Biomédica.
Orientador: Prof. Dr. Sérgio Francisco Pichorim Coorientador: Prof. Dr. Gustavo Theodoro Laskoski
TURQUETI, Carlos A. D’Orazio. Desenvolvimento de um goniômetro indutivo com bobinas ortogonais para aplicações biomédicas. 2017. 81 f. Dissertação – Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017.
Esta dissertação descreve o desenvolvimento de um goniômetro de enlace indutivo para medição de ângulos articulares. O goniômetro tem por objetivo medições de ângulos até 360° e a possibilidade de medição em articulações com mais de um grau de liberdade. Para isto utiliza como base o trabalho de Laskoski (2010) e os sistemas de navegação aeronáuticas. O experimento realizado por Laskoski (2010) efetua medições até 180° as bobinas precisam estar alinhadas. Os sistemas utilizados em navegações aeronáuticas utilizam a bússola eletrônica e o automatic direction finder , estes sistemas trabalham com grandezas na ordem de quilômetros. Este experimento visa adaptar os sistemas de navegação utilizando o campo magnético para poder efetuar medições de ângulo em pequenas distâncias. Os testes foram satisfatórios comparando os erros encontrados com os resultados dos experimentos de Laskoski (2010) e Carbonaro et al. (2014). O erro máximo em uma distância de 7,5 cm é de 10,6°e o desalinhamento entre a bobinas de +20° e -20° gera um erro de no máximo 1,71°.
Palavras-chave: Goniômetro eletrônico. Indução eletromagnética. Toróide. Bobinas ortogonais.
Figura 01 – Goniômetro Universal.............................................................................. Figura 02 – A) Disposição das camadas, onde L1 e L2 são os materiais Piezo- resistivos, L0 é a camada isolante. Os pontos P1, P2, P3 e P4 são os pontos de contatos elétricos. B) Circuito de aquisição, onde as resistências RL1 e RL2 formam um divisor de tensão resistivo que variam conforme o ângulo. A diferença de tensão é amplificada pelos circuitos A1, A2 e A3. ......................................................................... Figura 03 – Diagrama em blocos do goniômetro óptico. (A) transmissor, é composto de um laser, (B) receptor, composto por um fotodiodo, (C) e (D) filtros polarizadores, (E) elemento sensor, é composto por fibra óptica, (F) feixe de luz despolarizada, (G) feixe de luz polarizado. Com o movimento da fibra óptica a polarização da luz é alterada................. Figura 04 – Posicionamento do smart phone para a medição do ângulo da articulação do joelho........................................................................... Figura 05 – Goniômetro comercializado pela empresa NexGen Ergonomics. Figura (A) mostra o goniômetro posicionado na articulação do cotovelo, ligado ao DataLOG, aonde ficam armazenadas as medições que posteriormente podem ser transferidas ao computador. Figura (B) modelos de goniômetros..................................................................... Figura 06 – Diagrama do posicionamento do goniômetro. A distância do centro da articulação (ρ1 e ρ2) é conhecida e a distância d é obtida através do enlace indutivo.................................................................................... Figura 07 – Disposição dos módulos MLTx e METx no corpo humanos, e a ligação do módulo MRx ao computador.......................................................... Figura 08 – Tela principal do software de recepção. Nesta tela é selecionado a distância entre METx e MLTx............................................................. Figura 09 – Goniômetro indutivo trifásico, O Mtx é a bobina transmissora, MRx a toróide receptora, as bobinas L1, L2 e L3 estão defasados 120º..................................................................................................... Figura 10 – Diagrama de um modo de medição referente ao alinhamento do receptor em relação a antena transmissora. A antena Rx1 está posicionada a
90º em relação a antena transmissora e por isto possui a melhor recepção, a antena Rx2 está posicionada a 45º da antena transmissora e possui menor recepção se comparada a Rx1, e a Rx está posicionada a 0º e tem um sinal de recepção próximo a zero..................................................................................................... Figura 11 – As antenas omnidirecionais 1 e 2 possuem a posição determinada, e o Rx1 é móvel, o operador rotacional para determinar o maior nível de recepção e encontrar a direção da antena omnidirecional e efetuar os cálculos de posicionamento................................................................ Figura 12 – Esquema de ligação entre a antena sensora com os enrolamentos A e B. A figura mostra o posicionamento da antena loop na aeronave. θ é o ângulo entre a antena transmissora e a aeronave, VA e VB são as tensões induzidas nas bobinas........................................................... Figura 13 – Esquema em blocos do sistema ADF modelo KR 85. A antena sensora é uma antena não direcional, a antena loop é uma antena composta por duas bobinas e um núcleo quadrado de ferrite, onde uma bobina é posiciona 90º em relação a outra. O goniômetro é um motor com estatores posicionados 90º um do outro, e um rotor. O rotor do goniômetro é acoplado mecanicamente com o motor para movimentar o eixo do eixo...................................................................................... Figura 14 – Representação do princípio de funcionamento da bússola eletrônica. B(t) é o campo magnético alternado gerado pela bobina de excitação em que é percorrido por uma corrente alternada Iexc(t). B 0 é o campo magnético proveniente do meio. A tensão induzida é a resultante do campo magnético B(t) com B0............................................................ Figura 15 – Projeto de uma bússola eletrônica desenvolvida por Aschenbrenner e Goubau............................................................................................... Figura 16 – Comparação entre a bússola eletrônica com e sem campo magnético, onde B0 é o campo magnético externo.............................................. Figura 17 – Representação da ligação do sistema KMT 112, com o sistema KI 525 para indicação da proa magnética...................................................... Figura 18 – A) Frequência de excitação e saturação do núcleo. B) Enrolamento da bobina excitadora................................................................................
Figura 28 – Detalhamento do circuito chopper. O circuito utilizado como chaveador (U21) é o CD4066 da Fairchild. O circuito integrado U22 é um amplificador operacional, TL081 da Texas Instruments, utilizado para amplificar o sinal amostrado proveniente do MTx................................ Figura 29 – Circuito que gera a tensão de referência de 6 V. O amplificador operacional (U13) é um CA741, e é alimentado com 12 V................. Figura 30 – Forma de tensão na saída em um demodulador ativo............................ Figura 31– Gráfico do ângulo θ em função de VTsen e VTcos....................................... Figura 32– Disposição dos módulos MTx e MRx, transferidor com resolução de 1º, para medir a distância do centro de MRx e o módulo MTx foi utilizado uma régua (trilho) com resolução de 1 mm........................................ Figura 33 – Vista do goniômetro desmontado............................................................ Figura 34 – Detalhe das marcas de alinhamento e capacitor de sintonia.................. Figura 35 – Detalhe de posicionamento da bobina MTx em relação a MRx com ângulo θ de 45º. A excursão é realizada no plano perpendicular onde é posicionada a bobina MTx com intervalos θd de 10º........................... Figura 36 – Posicionamento das bobinas MTx e MRx no protótipo 2........................... Figura 37 – Resultados obtidos com o protótipo 1 em que o ângulo entre as bobinas permanece constante (90º) e é variado a distância, tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49,6 kHz........... Figura 38 – Resultados obtidos com o protótipo 1 em que o ângulo entre as bobinas permanece constante (135º) e é variado a distância, tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49,6 kHz........... Figura 39 – Resultados obtidos com o protótipo 1 a uma distância d = 7,5 cm, tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49, kHz, leitura de 8 médias. O maior desvio foi em 255º........................
Figura 40 – Erros obtidos com o protótipo 1 a uma distância d = 7,5 cm, tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49,6 kHz, leitura de 8 médias.........................................................................................
Figura 41 – Resultados obtidos com o protótipo 1 a uma distância d = 11,5 cm, tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49, kHz, leitura no osciloscópio de 8 médias. O maior desvio foi em 255º.....................................................................................................
Figura 42 – Erros obtidos com o protótipo 1 a uma distância d = 11,5 cm, tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49,6 kHz, leitura de 8 médias.........................................................................................
Figura 43 – Resultados obtidos com o protótipo 1 a uma distância d = 8,5 cm, foi posicionado um ferrite a uma distância do centro de MR de 3 cm, a tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49, kHz, leitura no osciloscópio de 8 médias............................................
Figura 44 – Erros obtidos com o protótipo 1 a uma distância d = 8,5 cm, foi posicionado um ferrite a uma distância do centro de MR de 3 cm, a tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49, kHz, leitura de 8 médias......................................................................
Figura 45 – Resultados obtidos com o protótipo 2 em que o ângulo entre as bobinas permanece constante (45º), e a distância é de 8,5 cm, é variado o ângulo no plano perpendicular θd, tensão de excitação de 4,28 VRMS, frequência de excitação de 49,6 kHz..................................................
Figura 45 – Comparação dos erros medidos nos testes 3 e 4. Os pontos são com as bobinas distanciadas 11,5 cm e os quadrados são distanciadas 7,5 cm.................................................................................................
RC Filtro resistor capacitor
RF Rádio frequência
RMI Indicador rádio magnético
Sense Antena sensora
USB Barramento serial universal
ε Tensão induzida θ Ângulo medido no plano normal θd Ângulo medido no plano perpendicular ϕ 1 Fluxo magnético dentro da toróide sentido anti-horário ϕ 2 Fluxo magnético dentro da toróide sentido horário ω Frequência angular Aop Ganho do circuito amplificador B 0 Campo magnético gerado por MTx Bexc1 Campo de excitação 1 Bexc2 Campo de excitação 2 C Capacitância utilizada no circuito LC de envio do sinal de indução C16 Valor do capacitor do filtro RC d Distância entre o centro da bobina de MTx ao centro do toróide de MRx fc Frequência de corte Iexc Corrente de excitação LR Indutância da bobina de amostragem LX Indutância da bobina de transmissão R11 Valor do resistor de número 11 do filtro RC R12 Valor do resistor de número 12 do filtro RC VCos Tensão após o amplificador e filtro de VL VCos’ Tensão após o amplificador e filtro de VL Vind Tensão induzida VL1 Tensão induzida na bobina 1 de MRx VL2 Tensão induzida na bobina 2 de MRx VL3 Tensão induzida na bobina 3 de MRx VL4 Tensão induzida na bobina 4 de MRx VRcos Tensão após o circuito chopper de VCos VRcos’ Tensão após o circuito chopper de VCos’ Vref Tensão de referência VRsen Tensão após o circuito chopper de VSen
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automatic direction finder (ADF) e bússola eletrônica, estes sistemas efetuam medições de 0° a 360º, e não necessitam estar coplanares. Os sistemas ADF e DF são utilizados em distâncias da ordem de quilômetros, portanto utilizam sinais eletromagnéticos. Foi verificada a possibilidade de unir a indução magnética utilizado por Laskoski (2010), onde se produz um campo uniforme em pequenas distâncias e os sistemas de navegação, criando um sistema capaz de efetuar medições de 0° a 360º em pequenas distâncias, possibilitando a utilização em aplicações biomédicas. Foi elaborado um protótipo a fim de testar o sistema proposto, com isto foi possível avaliar a precisão e exatidão de medições, a distância ideal de funcionamento e erros de desalinhamento.
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1.1.1 Objetivo geral
Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um goniômetro indutivo constituído um módulo transmissor (MTx) e um módulo receptor (MRx). O módulo MTx é composto por um circuito ressonante LC e uma bobina para amostragem, o módulo MRx é composto por um toróide com 4 bobinas ortogonais deslocadas 90º entre si, um circuito eletrônico que faz a filtragem, amplificação e demodulação do sinal. Esta proposta utiliza como base o princípio de funcionamento um enlace indutivo, como o trabalho de Laskoski (2010) e de um radiogoniômetro¹, para a utilização em aplicações biomédicas, que utiliza distâncias da ordem de centímetros.
1.1.2 Objetivos específicos
Essa pesquisa tem os seguintes objetivos específicos Projetar, desenhar e desenvolver um sensor toroidal com quatro bobinas, e com ângulo de 90º entre elas. Propor equações ou método para o sistema de medição de ângulo da articulação. Construir e testar um protótipo, utilizando o sensor com enlace indutivo para a validação de sua utilização como goniômetro.
1.1.3 Estrutura da dissertação
Esta dissertação está organizada da seguinte maneira. No capítulo 2 será feita uma explanação do movimento articular e sua importância. Também apresenta os tipos de articulações e como o movimento das articulações podem se alterar.
¹ Radiogoniômetro é um sistema utilizado em navegações marítimas terrestres e aéreas. Trabalha com grandes distâncias.
