02. Descrição dos sistemas e sua interação

Como citado anteriormente, a prótese conta com os sistemas mecânico, eletrônico embarcado e de controle. Cada um desses tem papel fundamental para o correto funcionamento da prótese, pois todos estão intrinsecamente interligados. Com estes, existem diversos sub-sistemas que são de extrema relevância, tais como o sistemas estrutura, de atuação, de ativação e bateria, sistemas de sensoriamento e de segurança, entre outros.

O sub-sistema estrutural mecânico, modelado no software SOLIDWORKS (SolidWorks versão 2016), tem praticamente em sua composição a totalidade em alumínio. Conta com encaixes protéticos padronizados tanto na parte superior do joelho quanto na parte inferior da osso tíbia, podendo se interfacear com modelos comerciais de pés protéticos e adaptadores para o coto. A tíbia da prótese é na realidade um sistema mecânico de rosca-parafuso que permite a regulagem da altura, para que a prótese se adapte melhor ao usuário. O sub-sistema de atuação é quem dá a principal característica à SmartLeg Beta. Ele foi projetado no SOLIDWORKS e é constituído por um sistema de redução coroa-parafuso e um motor tipo brushless, tendo peças em aço e alumínio. Existe uma redução de caixa selada, com rolamentos blindados, buscando baixa manutenção (menor infiltração de sujeira). O motor brushless contém sensores, apresenta um conjugado elevado, funcionamento silencioso e boas respostas aos comandos elétricos (tempos de resposta mecânica satisfatórias para o projeto). Ele apresenta potência máxima de 250 W e está acoplado ao parafuso do sistema de redução: eficiência de aproximadamente 60%. Esse sistema apresenta uma relação de redução de 100:1 e entrega um torque de até 20 N.m a uma velocidade de até 150 RPM em seu eixo. O sub-sistema de ativação e bateria elétrica consiste no dispositivo que garante o funcionamento do motor brushless. É basicamente um controlador eletrônico de velocidade (Electric Speed Control - ESC) e uma bateria de alta capacidade e eficiência. Esse ESC é compatível com motores sensoriados(sensored) e tem uma corrente máxima acima do exigido pelo motor (garante o funcionamento uma vez que o ESC tem potência maior que o motor tipo brushless). A bateria é uma LiPo de três células (tensão nominal de 11,1 V) de 5200 m.Ah e tem duração de aproximadamente uma hora de uso contínuo calculado. Além de alimentar o motor, o ESC também tem o papel de alimentar os demais sistemas eletrônicos da prótese, e isso é feito a partir de sua alimentação 5,0 V que vem de seu conector de controle, que utiliza o mesmo padrão de servomotores, assim como sua comunicação com o sistema de controle.

O sub-sistema do circuito impresso, ou a Placa em Circuito Impresso, foi projetado com a ajuda do software EAGLE 7.50 e utiliza um microcontrolador ATMEGA 328p, disposto sobre placa eletrônica desenvolvida. Esta contém proteção eletrônica, conectores rápidos para conexão com os demais componentes da prótese, circuitos condicionadores de sinal para a leitura dos sensores e também para a programação e comunicação com um computador. A principal tarefa desta placa é converter e interpretar os dados dos sensores para decidir o que o atuador fará no instante seguinte, enviando o comando ao ESC. Além disso, o sistema deverá ler o posicionamento do atuador e controlá-lo até que este atinja a posição desejada. A programação desse sistema é toda feita por meio da IDE (Integrated Development Environment) do Arduino. Por fim, é detalhado o sub-sistema de sensoriamento. Este é o responsável por adquirir os sinais do ambiente externo. Por utilizar um sensoriamento não invasivo, adquirimos dados referentes ao movimento do usuário, como o ângulo do coto (coxa) em relação ao solo, velocidade de rotação do coto e força aplicada ao solo pelo pé. Também são adquiridos dados relacionados à posição da prótese, para que esta tenha o comportamento adequado para simular a caminhada humana. Como proteção à falhas do sistema de controle, há também dois sensores de fim-de-curso que podem cortar o fornecimento de energia caso o movimento saia dos limites pré-estabelecidos.

A seguir, falaremos de cada subsistema de forma extensiva, sua caracterização, especificação, funcionamento, entre outros detalhes.