Projeto de um Medidor de Esforo a partir de um EMG

Projeto de um Medidor de Esforo a partir de um EMGAluno: Guilherme Gellis GomesProfessor: Luciano Cavalcanti

UNIVERSIDADE DO RIO GRANDE DO NORTECENTRO DE TECNOLOGIADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICAINSTRUMENTAO ELETRNICA

Natal, 7 de Dezembro de 2009SumrioIntroduoProjetoEMGProcessadorConclusoIntroduoO EMG um aparelho que cpta as tenses geradas pela contrao dos msculos no corpo humano. um aparelho muito sensivel, que requer uma preciso muito grande, j que essas tenses geradas so da ordem de milivolts. Esse projeto consiste em captar essas tenses e processa-las, determinando se a fora gerada no momento de intensidade fraca, mdia ou forte. O projeto pode ser de grande utilidade para propsitos mdicos, como para fisioterapeutas, ou at ainda robtico, na construo de prteses de braos e pernas.ProjetoO projeto do medidor de esforos foi dividido em duas partes: a primeira seria a construo do EMG, enquanto a segunda a construo de um processador de sinais.

EMGO EMG um equipamento que, atrves de eletrodos como em um eletrocardigrafo, cpta sinais gerados pelos msculos quando esses so contraidos. Os sinais variam de msculo para msculo, por isso vamos pegar como base sinais gerados pelo bceps. Esses sinais gerados possuem uma amplitude que varia de 50 uV a 5 mV e uma frequncia que varia de 100 a 500 Hz.A partir desses valores, construimos um EMG que possui um ganho de aproximadamente 1600 (para trabalharmos com valores na ordem de 5 Volts) e um filtro passa-faixa de 70 a 1000 Hz (para filtrarmos os ruidos).Filtros

Filtro Passa Alta:Circuito Sallen-Key tipo Butterworthde 2 ordem, com frequnciade corte de 70 Hz e um ganho de 40.Filtro Passa Baixa:Circuito Sallen-Key tipo Butterworthde 2 ordem, com frequnciade corte de 1 kHz e um ganho de 40.Ligados em cascata formam um Filtro Passa Faixa com frequncia de corte inferiorde 70 Hz e superior de 1 kHz, e ganho total de 1600 V/V. No projeto utilizamos um LM324 como amplificadores operacionais.

Captao do sinalPara captar o sinal, utilizamos dois eletrodos posicionados em dois lugares do brao diferentes, um no bceps e o outro no antebrao.

Captao do sinalRecebemos dois sinais vindo dos 2 eletrodos diferentes. Precisamos ento fazer a subtrao do sinal vindo do bceps pelo sinal vindo do antebrao. Para isso, usamos um amplificador de instrumentao de alta preciso. No projeto, escolhemos o PGA206.O sinal do eletrodo do antebrao entra no Vin-, enquanto o do bceps entra no Vin+. O sinal de sada Vo o sinal que entra no FPF mostrado anteriormente.Esse CI possui ainda um ganho digital programavel que pode ser de 1, 2, 4 e 8. Determinamos esse ganho entrando com o valor digital 00, 01, 10 ou 11 nas entradas A1 e A0 do CI.

Amplificador de Instrumentao com ganho programavel PGA206 Esquemtico do EMG

Placa EMG

Detalhes do Projeto do EMGO sinal captado, por ter amplitude e frequncias muito baixas, est muito exposto a ruidos externos. O prprio corpo humano uma grande fonte de ruido que pode atrapalhar a captao do sinal. Outro ruido que pode atralhar na medio o sinal de 60 Hz da rede.Para resolver esses problemas, adotamos 2 medidas: a primeira seria a alimentao dos CIs por uma bateria de 12V e a segunda seria aterrarmos o prprio corpo humano.Para aterrarmos o corpo humano, pegamos o a metade dos dois sinais de entrada o jogamos em um buffer. A sada colocamos no terra do circuito.Sinal de Sada

Sinal de sada quando o msculo est relaxado.

Sinal de sada quando o msculo est sendo contrado.

RetificadorComo vimos, o sinal de sada muito oscilatrio. Ento, fazemos a retificao do sinal para trabalharmos com tenses continuas. Podemos usar o circuito abaixo para tal retificao:

Sinal de sada Retificado

O acrscimo de um capacitor ligado ao terra auxilia nas variaes bruscascomo vemos no grfico acima, quando o msculo se contri. Por final, temosum sinal com tenses analgicas definidas, e podemos assim processar o sinal.ProcesadorO processador tem como objetivo captar o sinal de entrada e determinar se esse sinal corresponde a um sinal de contrao fraca, contrao mdia, ou contrao forte do msculo.A magnetude do sinal captado na contrao muscular varia linearmente com a intensidade da fora feita pelo msculo. Quanto maior a fora, maior a magnetude do sinal gerado.

Projeto do Processador Partindo do princpio da linearidade, podemos fazer um projeto simples de anlise do sinal vindo do EMG. Os sinais, primeiramente, so transformados em valores digitais, atravs de um conversor A/D. Ento, compara-se o sinal atual com os sinais previamente captados, correspondentes a um sinal com intensidade de fora mnima (msculo relaxado) e outro com intensidade de fora mxima(msculo em contrao mxima). Esses sinais de foras mnima e mxima so captados no incio de cada medio, e armazenados em registradores. O esforo gerado atualmente pela pessoa mostrado atravs de leds.Diagrama de Blocos

Projeto do ProcessadorO esforo atual ser considerado de intensidade fraca quando ele for maior que o sinal de intensidade de fora mnima previamente registrado. Para determinarmos se ele de intensidade de fora mdia, utilizamos duas contas: a primeira a mdia aritmtica entre os sinais de intensidade mnima e mxima (chamado de sinal de fora mdia). Ento, pegamos o resultado esse resultado e fazemos sua mdia aritmtica com o sinal de fora mnima. Se o esforo atual for maior que esse valor, ele considerado de intensidade mdia.Para determinarmos se o esforo de intensidade forte, consideramos a mdia aritmtica do sinal de fora mxima com o sinal de fora mdia. Se o esforo atual for maior que esse valor, ele considerado de intensidade forte.SimulaoO primeiro passo foi a simulao do circuito em VHDL atravs do programa Quartos II. Escrevemos o VHDL correspondente ao diagrama de blocos, e ento o simulamos no prprio programa, atravs da ferramenta Simulation.

Simulao em VHDL

Sinal de intensidade de fora mximaSinal de intensidade de fora mnimaMdia aritmtica entre sinal de fora mxima e mnimaSinal AtualImplementao na ProtoboardFoi utilizado os seguintes CIs:Para a converso A/D, foi usado um ADC0804LCN de 8 bits (mas apenas os 4 mais significativos foram utilizados no projeto);Para a soma e diviso por 2, foi utlizado o Somador paralelo de 4 bits DM74LS283, tirando do resultado o bit menos significativo e acrescentando o bit de carrier como mais significativo;Para a comparao do sinal atual com os sinais calculados, foi utilizado o comparador de magnetude de 4 bits DM74LS85N;Para os registradores, foi utilizado o Flip-Flop tipo D de 6 bits 74LS174.

Simulao na ProtoboardComo a implementao do EMG no foi possivel a tempo, simulamos o sinal captado pelo msculo atravs de um potencimetro. Foram feitos alguns testes, todos com resultados positivos. A seguir, temos a tabela de resultados da simulao.Sinal Atual (V)Led_FracoLed_MdioLed_Fora0,9LLL1HLL1,5HLL2HHL2,5HHL3HHL3,5HHL4HHH4,5HHH5HHH1 Simulao: o sinal de fora mxima registrado foi de 5V, enquanto o sinal de fora mnima registrado foi 1V.Sinal Atual (V)Led_FracoLed_MdioLed_Fora0,5HLL0,75HLL1HLL1,5HLL1,75HHL2HHL2,25HHH2,5HHH2,75HHH2,9HHH2 Simulao: o sinal de fora mxima registrado foi de 2,9V, enquanto o sinal de fora mnima registrado foi 0,5V.

Video da SimulaoConclusoO projeto foi foi concluido com sucesso. A implementao completa do projeto foi comprometida pela dificuldade da fabricao da placa impressa do EMG. Por ser muito sensivel a ruidos, no podemos implementa-la na protoboard.J o processador foi implementado com sucesso, como podemos ver nas simulaes.A implementao completa pode ser mais tarde realizada, j com o EMG em mos.