UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS REGIONAL CATALÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO MESTRADO PROFISSIONAL EM GESTÃO ORGANIZACIONAL LISIAS CARNEIRO CAMARGO DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVOS MÓVEIS PARA CONTROLE DE VOZ DE PRÓTESE BIÔNICA DE MÃO CONFECCIONADA POR MANUFATURA ADITIVA CATALÃO, 2016
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS REGIONAL CATALÃO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO MESTRADO PROFISSIONAL EM GESTÃO ORGANIZACIONAL
LISIAS CARNEIRO CAMARGO
DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVOS MÓVEIS PARA CONTROLE DE VOZ DE PRÓTESE BIÔNICA DE MÃO CONFECCIONADA POR MANUFATURA
ADITIVA
CATALÃO, 2016
TERMO DE CIÊNCIA E DE AUTORIZAÇÃO PARA DISPONIBILIZAR AS TESES E DISSERTAÇÕES ELETRÔNICAS (TEDE) NA BIBLIOTECA DIGITAL DA UFG
Na qualidade de titular dos direitos de autor, autorizo a Universidade Federal de Goiás (UFG)
a disponibilizar, gratuitamente, por meio da Biblioteca Digital de Teses e Dissertações (BDTD/UFG), sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o documento conforme permissões assinaladas abaixo, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
1. Identificação do material bibliográfico: [ X ] Dissertação [ ] Tese
*Necessita do CPF quando não constar no SisPG 3. Informações de acesso ao documento: Concorda com a liberação total do documento [ ] SIM [ X ] NÃO1
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___________________________ Data: ....../...../....... Assinatura do (a) autor (a):
1 Neste caso o documento será embargado por até um ano a partir da data de defesa. A extensão deste prazo suscita justificativa junto à coordenação do curso. Os dados do documento não serão disponibilizados durante o período de embargo.
LÍSIAS CARNEIRO CAMARGO
DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVOS MÓVEIS PARA CONTROLE DE VOZ DE PRÓTESE BIÔNICA DE MÃO CONFECCIONADA POR MANUFATURA
ADITIVA
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação – Mestrado em Gestão Organizacional, da Universidade Federal de Goiás – Regional Catalão para obtenção do título de Mestre em Gestão Organizacional.
Área de Concentração: Gestão Organizacional Linha de Pesquisa: Inovação, Desenvolvimento e Tecnologia. Orientação: Prof. Dr. Marcelo Henrique Stoppa
CATALÃO, 2016
Autorizo a reprodução e divulgação total ou parcial deste trabalho, por qualquer meio convencional ou eletrônico, para fins de estudo e pesquisa, desde que citada a fonte, respeitando-se as restrições expressas no Termo de Ciência e de Autorização.
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) GPT/BC/UFG
Camargo, Lísias Carneiro
DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVOS MÓVEIS PARA CONTROLE DE VOZ DE PRÓTESE BIÔNICA DE MÃO CONFECCIONADA POR MANUFATURA ADITIVA
[Dissertação] / Lísias Carneiro Camargo. - 2016. LXI, 61 f.
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Henrique Stoppa.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Goiás, Regional Catalão, Catalão, Programa de Pós-Graduação em Gestão Organizacional (profissional), Catalão, 2016.
Bibliografia.
Inclui abreviaturas, lista de figuras, lista de tabelas, anexos.
1. Tecnologia Assistiva. 2. Aplicativos. 3. Prótese de Mão. I.
Stoppa, Marcelo Henrique, orient. II. Título.
FOLHA DE APROVAÇÃO
LÍSIAS CARNEIRO CAMARGO
DESENVOLVIMENTO DE APLICATIVOS MÓVEIS PARA CONTROLE DE VOZ DE PRÓTESE BIÔNICA DE MÃO CONFECCIONADA POR MANUFATURA
ADITIVA
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação – Mestrado em Gestão Organizacional, da Universidade Federal de Goiás – Regional Catalão para obtenção do título de Mestre em Gestão Organizacional.
Aprovada em 15 de março de 2016.
BANCA EXAMINADORA:
_______________________________ Prof. Dr. Marcelo Henrique Stoppa – Presidente da Banca
Curso de Matemática Industrial – Universidade Federal de Goiás (UFG/RC)
_______________________________ Profa. Dra. Maria Elizete Kunkel – Membro Efetivo
Externo ao Programa – Engenharia Biomédica – Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
_______________________________ Profa. Dra. Ivania Vera – Membro Efetivo,
Curso de Enfermagem – Universidade Federal de Goiás (UFG/RC)
AGRADECIMENTOS
Inicio meus agradecimentos a Deus, que nos concede a cada dia uma nova
chance para colocarmos em prática ações que visem o bem coletivo.
Em segundo lugar agradeço aos meus pais Euzeni e Delício que desde
cedo se preocuparam em me fornecer uma educação não voltada ao materialismo.
A vocês digo que a linha de pesquisa do presente Mestrado veio de encontro ao
que me ensinaram.
Aos meus irmãos Lascínia, Daniel e meu irmão Tiago que não se encontra
fisicamente conosco. Por sempre me incentivarem a prosseguir nos objetivos
traçados, mas sempre orientando também para a preocupação com as coisas
simples da vida.
Agradeço a Universidade Federal de Goiás e meu orientador professor Dr
Marcelo Henrique Stoppa. Não acreditava que conseguiria atingir o resultado deste
projeto no início, sabia apenas que devia continuar adiante por algum motivo.
Então, hoje olho para trás e vejo com clareza que nada foi em vão e que nada foi
por acaso, mas percebo a responsabilidade na quantidade de trabalho que ainda
deve ser feito.
Ninguém caminha sozinho, é a vocês amigos e familiares que agradeço
pelos resultados.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................... 8
LISTA DE ABREVIATURAS ............................................................................................. 9
LISTA DE TABELAS ........................................................................................................ 10
Figura 1- Trajetória Metodológica .................................................................................. 17
Figura 2 - Ossos da mão Direita – Vista Palmar. ......................................................... 19 Figura 3 - Movimentos da mão e articulações ............................................................. 19
Figura 4 - Articulações e Movimentos ........................................................................... 20
Figura 5 - Preensões da mão ......................................................................................... 22
Figura 6 - Ilustrações de Preensões .............................................................................. 23
Figura 7 - Demonstrativo de Pessoas com Deficiência .............................................. 24 Figura 8 – Percentual de diferentes tipos de deficiência............................................ 25
Figura 9 - Prótese do período da Renascença ............................................................ 27
Figura 10 – Exemplos de próteses comercialmente disponíveis: (a) Prótese I-Limb; (b) Prótese Michelangelo ...................................................................................... 27
Figura 11- Próteses sensivas: (a) de mão, (b) de perna ............................................ 30 Figura 12 – Robô do projeto inMoov ............................................................................. 31 Figura 13 – Modelo de prótese disponível no Enabling ............................................. 31
Figura 14 - Mão biônica de Aszmmann ......................................................................... 33 Figura 15 - Java x Dalvik ................................................................................................. 39
Figura 17 - Acoplamento entre servomotores e cabos acionadores ........................ 43
Figura 18 - Placa HC6 ligada ao Arduino® UNO .......................................................... 44
Figura 19 - Bluetooth HM10 (LE) ................................................................................... 44
Figura 20 - Questões levantadas ................................................................................... 45
Figura 21 - Protótipo em Android ................................................................................... 46 Figura 22 - Telas do Aplicativo em Interface Android ................................................ 47
Figura 23 - Telas do Aplicativo em IOS ......................................................................... 49
Figura 24 - Componentes utilizados .............................................................................. 50
Figura 27 - Passos da Comunicação ............................................................................ 51
LISTA DE ABREVIATURAS
APK: Android Package File
TA: Tecnologia Assistiva
BLE: Bluetooth Low Energy
CNN: Cable News Network – Canal de Notícias dos USA
DEX Dalvik Executable
FAQ: Frequently Asked Questions
GPL: General Public Licence
IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IDE: Integrated Development Environment
LED: Light Emiting Diode
MIT: Massachusetts Institute of Technology
OS: Operational System
PLA: Polylactic Acid (Ácido Polilático)
RAM: Random Acess Memory
TIOBE: The Importance Of Being Earnest
USB: Universal Serial Bus
WWDC: Worldwide Developers Conference
LISTA DE TABELAS
TABELA 1- Quantidade de Pessoas com Deficiência 2000/2010 ............................ 24
TABELA 2 - Popularidade de Linguagens de Programação ...................................... 38
TABELA 3 – Ícones de ação e comunicação com a Prótese .................................... 48
RESUMO
CAMARGO, L. C. Desenvolvimento de aplicativos móveis para controle de voz de prótese biônica de mão confeccionada por manufatura aditiva. [Dissertação]. Catalão: Universidade Federal de Goiás; 2016. 61p.
A mão humana é um sistema que permite movimentos complexos graças a
sua anatomia. Por vezes estes movimentos são corrompidos ou
congenitamente perdidos. Para recuperar estes movimentos é de
fundamental importância que a tecnologia assistiva seja usada. Assim, novos
meios tecnológicos têm sido desenvolvidos ao longo dos anos com o intuito
de auxiliar aos portadores de necessidades especiais a retomarem suas
atividades. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um
sistema para controle de uma prótese biônica de mão construída por
manufatura aditiva. O projeto consiste na criação de dois aplicativos, um para
o sistema operacional Android® e outro para celulares da Apple® com o intuito
de realizar a comunicação sem fio à uma placa Bluetooth® e Arduino®
acopladas na prótese, esta por vez contendo cinco servomotores
responsáveis pelos movimentos de extensão e flexão dos dedos. Tanto para
aplicativo em Android® quanto em iOS® foi possível a realização de
comunicação por meio de Interface Gráfica. Além disso, para o Android®
foram implementados recursos possibilitando comunicação também por
comandos de voz. Aqui ainda são apresentadas a especificação dos
componentes utilizados na pesquisa e uma visão geral sobre próteses de
mão.
Palavras-chave: Tecnologia assistiva, Aplicativos, Prótese de mão.
ABSTRACT
CAMARGO, L.C. App development on mobile devices for voice control in man-ufacture bionic prosthesis control. [Dissertação]. Catalão: Universidade Federal de Goiás; 2016. 61p.
The human hand is a system that allows complex movements thanks to your
joints and anatomy. Sometimes these movements are injured or congenitally
lost. To recover these movements is very important that assistive technology
be present. Thus, new devices and process technological have been
developed to help people to get back their normal activities. This study aims
to develop a control system to a bionic hand prosthesis made by 3D printing.
The design involves the creation of two apps, one for Android and one for
Apple's mobile phones in order to perform wireless communication with a
que as comunicações sem fio Bluetooth padrão e é também conhecida como
Bluetooth inteligente ou Bluetooth 4.0 (BROUSELL, 2014),
Ambas as placas HC-06 e HM 10 possuem compatibilidade com o Arduino,
mas para o site da Apple o núcleo do Bluetooth LE fornece as classes necessárias
para o IOS e aplicativos Mac poderem se comunicar com dispositivos equipados
com esta tecnologia sem fio. (Melhorar parágrafo)
Figura 19 - Bluetooth HM10 (LE)
Fonte: O autor
Para controle dos movimentos enviados aos motores servos também foi
desenvolvido um aplicativo para dispositivo móvel a fim de gerenciar os sinais de
controle enviado aos servomotores. Para a construção desse aplicativo foi
necessário utilizar uma plataforma SDK (Software Development Kit), denominada
Eclipse que é uma plataforma de desenvolvimento de software livre extensível,
baseada em Java que foi criada em 2001 pela IBM, sendo uma estrutura e um
45
conjunto de serviços para desenvolvimento de aplicativos. (GALLARDO;
ANISZCYK, 2012).
Uma outra SDK disponível para desenvolvimento em Android® se trata do
App Inventor que segundo o Instituto de Tecnologia de Massachusetts é uma
inovação para iniciantes em programação cujo objetivo é criar aplicativos e
transformar a complexidade de linguagens de textos em blocos de construção
visual através de movimentos simples de arrastar e soltar.
Ainda de acordo com o MIT (Massachusetts Institute of Technology) o App
Inventor foi criado pelo professor Mark Friedman e por Hal Abelson enquanto este
trabalhava no Google em 2009. O App Inventor funciona como um serviço web e é
administrado por uma equipe no centro de aprendizado para Mobile do MIT, o qual
é uma colaboração do Laboratório de Inteligência Artificial e do MIT Media Lab.
Assim, o uso do Eclipse na presente pesquisa se justifica por uma desvantagem
do App Inventor que corresponde ao fato de limitar a personalização do código em
uma aplicação. Esta desvantagem é uma das questões levantadas no FAQ
(Frequently Asked Questions) do MIT, uma delas é sobre a exportação de código
para Eclipse ou outras IDE’s. O site informa não ser possível gerar código Java no
App Inventor conforme Fig. 20:
Figura 20 - Questões levantadas
* Tradução livre: Posso desenvolver em App Inventor e exportar o código para o Eclipse ou outra IDE para trabalhar depois? Não. App Inventor não gera código Java.
Fonte: FAQ MIT12
Após a implementação em Java, foi acoplado ao Arduino® um circuito
eletrônico simplificado, composto por um LED (diodo emissor de luz) e um resistor.
Isto foi utilizado para testar a abertura da comunicação com a placa Arduino® via
Bluetooth® por interface de dispositivo móvel. Na sequência, o próximo passo foi
implementar um protótipo de tela em Java com dois botões que enviassem como
12 Disponível em http://appinventor.mit.edu/explore/content/faq.html
*
46
sinal os caracteres ‘A’ ou ‘B’ (Fig. 21a).
Os botões implementados permitiam acender e apagar um LED. Como
consequência da verificação de conexão de abertura da porta de comunicação, foi
possível acoplar e controlar, simultaneamente um servomotor teste de 5,5V, e
adicionar Barras de Progresso para envio de informações sobre qual rotação o
servomotor deveria executar. (Fig. 21b). No caso do servomotor, o botão no
aplicativo enviava os sinais de modo análogo ao primeiro caso (botões), com a
diferença de que neste caso específico, à barra foram ajustados os ângulos de giro
do servo.
Figura 21 - Protótipo em Android
(A) (B)
Fonte: print screen da aplicação
O processo de comunicação pode ser descrito pelos recursos disponíveis na
plataforma de desenvolvimento Java, que possibilita a implementação de funções
acessíveis por módulo Bluetooth, utilizados para permitir o envio de sinais para a
placa HC-06, por meio das seguintes bibliotecas: BluetoothAdapter,
BluetoothDevice e BluetoothSocket.
O BluetoothAdapter representa em linguagem de programação o dispositivo
físico no qual a aplicação está rodando e o BluetoothDevice representa o dispositivo
com o qual a aplicação deseja enviar sinais. Já o BluetoothSocket permite abrir
uma conexão com dispositivos, possibilitando o início da comunicação para o envio
de sinais (SANTOS et al., 2012).
Barras de
Progresso
47
5 RESULTADOS
5.1 Comunicação aplicativo/prótese
Com a conexão Bluetooth® implementada, foi possível criar uma tela em
aplicativo Android® com duas opções de movimento, sendo uma para controle
manual dos movimentos da prótese e outra para realização de movimentos
automáticos. Esta primeira tela tinha também como função, abrir a comunicação
BluetoothSocket para distribuir a conexão as outras telas (Fig. 22).
Figura 22 - Telas do Aplicativo em Interface Android
Fonte: print screen da aplicação
Os ícones do aplicativo e comunicação com a prótese são descritos na Tab 3.
que apresenta o ícone do aplicativo e a sua função em relação ao posicionamento
dos servomotores correspondentes aos dedos que executam o movimento.
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TABELA 3 – Ícones de ação e comunicação com a Prótese
Ícone Aplicativo Movimento
Prótese
Preensão Força: Realiza movimento de todos
os motores servos para o ângulo 120º.
Preensão centrada: Rotaciona os quatro
motores para a posição 120º, exceto o quinto
motor correspondente ao dedo indicador.
Pinça: Rotaciona os motores correspondentes
aos dedos Indicador e Polegar para a posição
60º.
Voltar Movimentos: Todos os motores são
rotacionados ao ângulo 0º
Fonte: O autor
Similar às telas para Android® foi implementado uma Interface em sistema iOS®
Fig 23.
No entanto foi possível perceber a incompatibilidade desta interface com a placa
Bluetooth HC-06. Como solução utilizou uma nova placa Bluetooth BLE HM10.
49
Figura 23 - Telas do Aplicativo em IOS
Fonte: print screen da aplicação
Em relação à comunicação entre o aplicativo/prótese no momento em que o
usuário solicita uma conexão à prótese, o aplicativo verifica se o Bluetooth® do
aparelho está ativado, caso contrário é informado que o mesmo seja ativado.
Quando a conexão com a placa Bluetooth® é estabelecida é possível que o
usuário escolha dentre os movimentos que deseja realizar, podendo estes serem
Automáticos ou Manuais.
Os movimentos automáticos são pré-definidos por ícone ou por voz. Caso o
usuário pressione um ícone do aplicativo na tela “Automático”, é enviado um sinal
à placa Bluetooth conectada ao Arduino®, onde o mesmo se encarrega de
direcionar os sinais até os servomotores da prótese.
O usuário pode escolher também se deseja realizar estes comandos por voz,
sendo necessário para isto ativar a conexão com a Internet.
Caso escolha os movimentos manuais será possível enviar sinais a cada
servomotor individual por meio de barras de progresso em interface ou por
movimentos individuais por comandos de voz.
A Fig. 24 exibe os componentes utilizados e todo aparato de controle sem fio
para os movimentos dos dedos, as figuras 25 e 26 mostram o Arduino® utilizado e
Foi possível verificar algumas dificuldades durante o desenvolvimento do
projeto. Dentre elas, destaca-se o carregamento do código fonte para a placa
Arduino®, durante a recepção e a emissão dos sinais, os quais não eram carregados
quando se acoplava a placa HC06 nas portas 0 e 1 do Arduino, exatamente as
indicadas pelo fabricante, com a finalidade de transmitir e receber estes sinais (TX,
53
RX). Para resolver o problema, foi necessário habilitar a emissão e recepção nas
portas 10 e 11 do Arduino®, liberando então o carregamento do código fonte para esta
placa.
Em relação aos aplicativos desenvolvidos, sua programação dependia
essencialmente do estabelecimento e manutenção da conexão com a placa
Bluetooth®. Após isso, o desafio passou a ser o compartilhamento desta mesma
conexão para todas as telas, uma vez que, na alternância entre telas, havia uma perda
do sinal já estabelecido. Como solução, foi necessário criar uma classe própria, cujo
objetivo era manter a conexão com a placa HC06, bastando repassá-la às demais
telas.
Outra dificuldade encontrada foi na emissão de sinais por meio de barras de
progresso na interface do aplicativo. Era preciso enviar ao servomotor, o ângulo
desejado de rotação, no entanto, na placa Arduino® era necessário distinguir dos
demais, este sinal destinado exclusivamente a um servomotor específico. Ao enviar
os sinais a um dado servomotor, todos os outros eram indesejadamente executados.
Como solução foi necessário enviar além do ângulo de acionamento, um caractere
especificamente criado para identificação.
Posteriormente identificou-se uma incompatibilidade do sistema iOS® com o
dispositivo físico (placa) HC-06. Outra placa foi adquirida, e testes foram realizados
com o Bluetooth Low Energy HM 10 apontando eficácia na comunicação, permitindo
o envio de sinais por sistema iOS.
Como proposta de continuidade deseja-se avaliar a implementação de
comando de voz por meio do aplicativo disponível no sistema iOS® e também a
implementação de recursos em Android® para comunicação com a placa Bluetooth
Low Energy, centralizando a comunicação para os dois aplicativos em um mesmo
dispositivo Bluetooth®.
É oportuno e necessário, agradecer ao CNPq, pelo apoio financeiro, via
edital 84/2013, proc. 458649/2013-9, (Tecnologia Assistiva – Núcleos Nascentes)
sem o qual não seria possível o bom desenvolvimento desta pesquisa.
Durante o desenvolvimento deste estudo, foram apresentados e publicados os
seguintes trabalhos científicos:
- CAMARGO, Lísias, STOPPA, Marcelo. Desenvolvimento de Aplicativo de
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Controle de Próteses Biônicas de Mão para Sistemas Embarcados Móveis - Enciclopédia biosfera - sumário da edição v. 10 nº 19/2014, p.211. Edição especial - 2º seminário de integração: mestrado profissional em áreas interdisciplinares e de inovação. Recebido em: 28/10/2014 – Aprovado em: 05/11/2014 – Publicado em: 06/11/2014. CAMARGO, Lísias, STOPPA, Marcelo. Desenvolvimento de Aplicativo de Controle de Próteses Biônicas de Mão para Sistemas Embarcados Móveis - II Seminário de Integração: Mestrado Profissional em Áreas Interdisciplinares e de Inovação – SIMPAII, 2, 2014, Catalão, Universidade Federal de Goiás, 2014. - CAMARGO, Lísias, STOPPA, Marcelo. Controle sem fio por Dispositivos Móveis de Prótese Biônica de Mão. III Seminário de Pesquisa, Pós-Graduação e Inovação_RC-UF. Apresentação Oral, recomendado para publicação em 28/10/2015.
AMORIN, Marcia; GARRIDO, Lina. Mão biônica permite movimentos similares aos humanos. ADS. Disponível em: <http://professionals.ottobock.com.br/cps/rde/xbcr/ob_br_pt/081204_Michelangelo.pdf> Acesso em: 16 jul. 2015. APPLE, About Core Bluetooth. Disponível em: < https://developer.apple.com/library/IOS/documentation/NetworkingInternetWeb/Conceptual/CoreBluetooth_concepts/AboutCoreBluetooth/Introduction.html>. Acesso em: 28 nov. 2015. APPLE. 2015. About Swift <https://developer.apple.com/library/prerelease/IOS/documentation/Swift/Conceptual/Swift_Programming_Language/>. Acesso em: 07 ago. 2015.
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