Protótipo de um medidor de força muscular de
baixo custo para fisioterapia na perda de movimento das mãos
Universidade Federal de Lavras
Projetos de Física Experimental I
Turma Especial
Lauana Abigail Faria - 201721101
Sheila Cristina Gonçalves - 201911125
Data: 17/06/2021
De acordo com estudos podemos considerar que a mão é um órgão extremamente complexo e importante. Em conjunto com o pulso, cada mão apresenta 27 ossos distintos e complementando esse conjunto, as mãos consistem em cinco grupos de músculos: músculos tênares, músculos hipotênares, lumbricais, interósseos palmares e interósseos dorsais formando a anatomia das mãos. Esses ossos juntamente com os músculos e articulações, permitem o manuseio de objetos e fornecem para o corpo sustentabilidade e flexibilidade.
Devido algum tipo de patologia ou deformidade congênita, reumática ou traumas ocasionados por acidentes, pacientes perdem de forma total ou parcial as funções da musculatura das mãos, prejudicando na perda da massa e da força muscular ocasionando no paciente uma série de problemas como dificuldades nos movimentos e habilidades motoras. Com o avanço tecnológico a área medicinal busca por instrumentos de medidas que são capazes de determinar com precisão os melhores diagnósticos. Podemos encontrar no mercado diversos aparelhos digitais e analógicos que fazem essa função, porém, a maioria possui um alto valor.
Na constante busca pelos avanços tecnológicos e por melhorias no condicionamento físico desses pacientes esse protótipo consiste na montagem de um instrumento relativamente de baixo custo, utilizando arduino e sensores que sejam capazes de medir com a melhor precisão a força muscular das mãos desses pacientes, após sessões de fisioterapia.
Sendo assim, esse protótipo apresenta função similar de um dinamômetro (aparelho que mede a intensidade de forças), porém, consiste num protótipo de montagem simples podendo ser feito em casa, possuindo baixo custo e viabilizando um melhor condicionamento para o paciente.
III. Metodologia
Após realizar pesquisas bibliográficas percebe se que no mercado aparelhos de medição para força muscular são de custo alto, além de sua construção e materiais serem bem caros de se repor, suas medições não possuem medições exatas. Diante da pesquisa, o projeto tem como objetivo a construção de um protótipo de baixo custo voltado para a fitoterapia ou para estudos médicos, especificamente para pessoas que perderam parte do movimento da mão ocasionado por um acidente ou outros problemas de saúde.
Materiais:
⦁ Arduino Uno;
⦁ Sensor ultrassônico de distância;
⦁ Molas de diferentes valores de constantes elástica;
⦁ Nicho de madeira em MDF com dimensões de 30 cm de comprimento, 30 cm de altura e 13,5 de largura;
⦁ Barbante;
⦁ Duas seringas de 20 mL;
⦁ Isopor de 3 cm de diâmetro;
⦁ Jumpers;
⦁ Papel color set;
⦁ Puxador de plástico.
Microcontroladores:
Utilizando o Arduino Uno, dispositivo que permite programar com a finalidade de
controlar diversos sensores, para controlar um sensor ultrassónico de distância e coletar
dados, sendo fundamental para o projeto.
Molas:
Cada mola possui uma constante elástica que basicamente se trata da dureza da mola,
com o valor da constante elástica da mola e a distância que ela se deforma desde o ponto em que não a deformação se pode calcular a força elástica. Para encontrar a constante elástica de duas molas foi usado três massas diferentes, uma de 1,5 kg, uma de 3 kg e uma de 7kg. Após vários testes foi feito o cálculo da força elástica F = K.X, sendo F força elástica, a distância em metros X e a constante elástica K. Os pesos foram pendurados na mola e usando a formula da força peso F = m.g, sendo m massa e g o valor da aceleração da gravidade 9,81 m/s^2. Relacionando as formulas temos que m.g = K.X, resolvendo os cálculos encontramos os valores das duas constantes para as molas sendo uma de 200 N/m e uma de 649 N/m.
Etapas e procedimentos:
Para a primeira etapa através de testes foi encontrado o valor da constante elástica de cada mola, usando uma massa conhecida de um objeto e prendê-lo a mola ela se deforma por causa da força peso. Após medir a distância distendida da mola com o sensor ultrassônico se encontra a constante elástica usando a lei de Hooke.
A segunda etapa foi planejada a construção da estrutura do projeto para a leitura da força, para isso foi pensado uma estrutura que possa ser colocada em uma mesa e que possa ficar pendurado por um suporte, além de ser de fácil manuseio tanto para uso quanto para manutenção de materiais de baixo custo.
Terceira etapa foi focada na programação do Arduino e em simulações através de sites, garantindo que o protótipo consegue fazer a leitura dos dados esperados. Os comandos usados no Arduino foram feitos para calcular a força através da lei de Hooke, desta forma multiplicando a constante elástica da mola vezes a distância que a mola foi deformada se obtém a força aplicada.
A quarta e última etapa ficou por conta da finalização do projeto, com a estrutura e comandos prontos, realizado testes com uma pessoa para a calibração e verificar o desempenho do projeto.
Estrutura:
A estrutura contará com um suporte de madeira MF de 30 por 30 formando um quadrado, são quatro taboas de 30 cm unidas uma na outra com espessura de 3 cm e 7 cm de largura. Na parte superior da estrutura duas seringas unidas estão presas no centro do teto da estrutura, seu propósito é garantir que a mola ao distender siga uma linha reta na vertical. Também no centro da parte superior pendendo no teto da estrutura foi preso prego e arames para segurar a seringa no centro e para o encache do gancho para molas, desta maneira é possível trocar a mola por uma resistente.
Uma mola com ganchos em suas pontas é presa no gancho dentro da seringa, do gancho da extremidade de baixo da mola é presa uma corda que está ligada a um puxador improvisado feito de um arco de cabide para roupa. Na base foi entortado um parafuso grande de apoio para o dedão que pode ser enroscado com finalidade de ser removido, também na base foi colocado dois elásticos que ficam a uma distância de 5 cm do centro que vai da base até o teto, os dois elásticos garantem que o puxador só se movimente em sentido vertical evitando que rode no próprio eixo atrapalhando a leitura da força. No topo do puxador foi preso um palito de picolé com uma ponta colada no puxador e a outra ponta pende para a esquerda, na extremidade da esquerda foi preso um pedaço circula de isopor com raio de 1,5 cm.
Um arduino foi usando para controlar um senso ultrassónico de distância preso no teto da estrutura de forma o sensor identifique a distância o pedaço de isopor, o sensor é preso com elástico e tem a finalidade de medir a distância que o isopor se move e assim saber o quanto a mola se deformou.
IV. Resultados Esperados
É esperado que o protótipo consiga ser usado por uma pessoa em processo de recuperação da força muscular, para isso a pessoa aplica uma força ao puxar a mola fechando a mão. Após puxar a mola será feita a leitura da força em Newton, com a finalidade fazer a leitura da força no momento e a força média para cada força. Também tem como prioridade ser um protótipo simples capaz de ser ajustado, fazer as trocas de molas para obter resultados de forças maiores além de força o usuário a aplicar mais força.
Dificuldades:
A estrutura inicial teve problemas para aguentar a força aplicada na mola sendo substituída por madeira MF, outra dificuldade encontrada foi ajustar a leitura do sensor, tendo uma precisão de 3 mm mas que estava variando o valor onde a força deveria ser zero, necessita de um estudo mais aprofundado dos comandos c++ e da oscilação das molas para corrigir parte da leitura.
Melhorias:
A programação pode ser melhorada ao acrescentar um banco de dados no código a fim de criar um relatório de programação do usuário, também adicionar um dispositivo que permita enviar os dados por internet direto para o fisioterapeuta.
Código e Circuito:
Comando:
int contanteelastica = 400;
int altura = 4;
float distancia;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(12,OUTPUT);
pinMode(11,INPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(12,LOW);
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(12,HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(12,LOW);
distancia = pulseIn(11,HIGH);
distancia = (((distancia/58)-altura)/100)*contanteelastica;
Serial.print(distancia);
Serial.println(" N");
}
V. Custos
Neste protótipo, a maioria dos materiais utilizados, foram emprestados ou aproveitados de outros materiais simples e encontrados em casa, sendo assim listamos todos os materiais e o preço no mercado. Optou-se por pesquisar os materiais com melhores preços e sem perder na qualidade.
Obs.
A parte do código “int contanteelastica = 200;” e “int altura = 4;” respectivamente deve ser colocado o valor da constante elástica da mola e a distância entre o sensor e o referencial sendo o isopor.
VI. Cronograma
O cronograma para construção do protótipo foi realizado semanalmente e discutido pelos componentes dos grupos em reuniões, também de forma semanal.
Descrição das atividades:
⦁ Pesquisa sobre os temas e adversidades: primeiro contato com os integrantes do grupo, para a exposição das ideias e pesquisa dos âmbitos e temáticas.
⦁ Definição e discussão da temática: discussão, pesquisa e escolha dos temas pertinentes e seleção do melhor projeto de acordo com as barreiras e restrições.
⦁ Análise de viabilidade: estudo sobre a acessibilidade e possibilidade de sucesso ou fracasso do projeto.
⦁ Orçamento e pesquisa dos materiais: pesquisa sobre onde adquirir os componentes, bem como valores acessíveis e empréstimos dos materiais.
⦁ Aquisição dos componentes: depois de orçar, faz-se necessário a aquisição das ferramentas juntamente com todos os materiais cedidos.
⦁ Programação e ajustes eletrônicos: parte dos códigos necessários para dar vida ao protótipo e ao funcionamento de acordo com as necessidades.
⦁ Montagem: junção de todos os materiais físicos com a parte eletrônica, de acordo com o planejado. É nessa parte que se verifica se o projeto saiu conforme o esperado.
⦁ Ajustes finais e finalização: caso ocorra alguma irregularidade no funcionamento ao testar o equipamento, faz-se necessário ajustes para garantir o funcionamento adequado e atinja o objetivo proposto.
VII. Conclusão
O protótipo desenvolvido atingiu os principais objetos apresentados, que são: o baixo custo e a medição da força aplicada pelas mãos. Levando em consideração as dificuldades e as melhorias a serem aprimoradas, o equipamento apresenta uma certa flexibilidade para atendimento de pacientes adultos e crianças, tanto destros quanto canhotos, possuindo também a opção de regular as molas para atender a diferentes graus de força.
De acordo com pesquisas observamos que algumas clínicas de fisioterapia na cidade de Lavras/MG e algumas cidades próximas não possuem esse aparelho para medição, e portanto, com o baixo custo do mesmo, pode suprir essa carência proporcionando uma maior acessibilidade dos profissionais da área e os pacientes.
Concluímos que o protótipo auxiliará no acompanhamento e progressão positiva dos pacientes a partir da inclusão de sessões de fisioterapia, facilitando assim um melhor condicionante físico desse público.
VIII.Apresentação:
link para o vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=mYfjVKsZfUE
IX. Bibliografia
[1] https://www.scielo.br/j/brjp/a/bpM3BbFS3rgwDkGqCbXStLQ/?lang=pt
[2] Livro Roberts,M.M. Arduino básico. Novatec Editora. 2 ed. 20154
[3] Livro Boylestad,R.L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos.8 ed.
[4] https://www.tinkercad.com
[5] https://www.kenhub.com/pt/library/anatomia/anatomia-da-mao
[6] http://www.ortopediabr.com.br/especialidade-ortopedica/mao-e-pulso/VII. Bibliografia
[1] https://www.scielo.br/j/brjp/a/bpM3BbFS3rgwDkGqCbXStLQ/?lang=pt
[2] Livro Roberts,M.M. Arduino básico. Novatec Editora. 2 ed. 20154
[3] Livro Boylestad,R.L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos.8 ed.
[4] https://www.tinkercad.com
[5] https://www.kenhub.com/pt/library/anatomia/anatomia-da-mao
[6] http://www.ortopediabr.com.br/especialidade-ortopedica/mao-e-pulso/