5 luva guia para deficientes visuais

VOL. 03, N° 03 - DEZEMBRO, 2015
http://dx.doi.org/10.18010/sp.v3i3.1
ARTIGO CIENTÍFICO
LUVA GUIA PARA DEFICIENTES VISUAIS
Camila Lopes Schirmer, Bruna Amélia de Oliveira Coelho, Stephanie Vertelo Porto, Leonardo Vasconcelos
Alves e Renato Zanetti
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Av. Amazonas n° 5253,
Belo Horizonte -MG, Brasil.
Resumo: A população brasileira apresenta 23,9% de indivíduos com algum tipo de deficiência, segundo o IBGE.
Entre eles a estimativa é de que 18,8% sejam deficientes visuais. É comum vê-los andando por ruas cheias de obstáculos com certa dificuldade, apenas com o apoio de um Bastão de Hoover. Visando melhorar a qualidade de vida
dos mesmos propõe-se um dispositivo para aumentar a segurança durante deslocamento a um preço acessível.
Trata-se de uma luva, que, dotada de sensores de ultrassom e de um motor vibracall, será capaz de transduzir
a distância em que o deficiente se encontra de um obstáculo em estímulos vibratórios. Um microcontrolador
PIC18F2550 foi empregado no dispositivo controlando-o, para realizar o calculo da distância com um sensor HC-SR04 e acionar o motor vibracall posicionado no dorso da mão com potência variada por meio de modulação por
largura de pulso (PWM). Desenvolveu-se o firmware na ferramenta CCS C Compiler e emulações fodo mesmo foram realizadas no software Proteus ISIS. Obteve-se um protótipo funcional, com exatidão de medição de distância
inferior a 1 cm e capaz de gerar intensidades diferentes de estímulo para quatro faixas de distância (2-25, 25-50,
50-75, 75-100 cm). Assim, o protótipo atende a requisitos de precisão de medição e operação, quando comparado
a outros dispositivos com mesmo intuito propostos na literatura.
Palavras-chaves: Deficiente visual; Acessibilidade; Luva Guia Microcontrolada.
Abstract: The Brazilian population has 23,9% of people with some kind of disability and 18,8% of that is estimated
being visually impaired (VI). With streets full of obstacles, Brazilian VI people are usually seen walking with difficult
just helped with a hoover cane. Aiming at improving life quality of those people it is proposed a glove as a supporter
for a safe walking. Endowed with a ultrasonic sensor and a vibracall motor it can transduce distance in vibration,
indicating presence of an obstacle. A microcontroller PIC18F2550 is used to control the device, calculating distance
by the reading of a HC-SR04 sensor and driving vibracall motor by pulse with modulation (PWM). A functional prototype were obtained, with distance measure resolution less than 1 cm and capable of generating different vibrating
stimulus for four distance ranges (2-25, 25-50, 50-75, 75-100 cm). Therefore, the prototype meets requirements of
distance measure resolution and operation when compared to other devices at literature.
Keywords: Visually impaired; Accessibility; Guidance Glove Microcontrolled.
5
Luva guia para deficientes visuais
1 INTRODUÇÃO
Segundo o World Health Survey, aproximadamente
765 milhões de pessoas com 15 anos ou mais (cerca de
15% da população mundial) vivem com algum tipo de
deficiência – citado pela Organização Mundial de Saúde
(OMS) [1]. Na população brasileira, por sua vez, 23,9% dos
indivíduos declararam ter alguma dentre as deficiências
indicadas no Censo Demográfico de 2010 do IBGE, e dessas 18,8% apontaram ter alguma deficiência visual [2].
Sabe-se que a visão é o um dos canais que permite ao
individuo relacionar-se com o mundo exterior. Por meio
dela pode-se, por exemplo, identificar objetos e a que
distância estes encontram. É possível distinguir também
cores, formas e tamanhos, além de ser uma ferramenta
de comunicação não verbal. A perda desse sentido pode
ter como consequência a dificuldade de locomoção e a
discriminação social [3].
O avanço da tecnologia nas últimas décadas permitiu
a criação de diversos dispositivos e ferramentas com intuito de facilitar o dia a dia do ser humano. No âmbito da
utilização da tecnologia em prol de pessoas portadoras de
deficiências, pode-se empregar o termo Tecnologia Assistiva (TA). De acordo com Bersch (2013, p. 2):
Tecnologia Assistiva é um termo ainda novo, utilizado para identificar todo o arsenal de recursos
e serviços que contribuem para proporcionar ou
ampliar habilidades funcionais de pessoas com
deficiência e consequentemente promover vida
independente e inclusão.
Pode-se então chamar de TA as ferramentas, dispositivos, softwares, equipamentos, dentre outros, que auxiliam deficientes a executarem tarefas simples do dia a dia,
tais como se locomover, comunicar (por meios escritos ou
verbais) e utilizar computadores [4-5]. Em suma, as TAs
permitem uma vida mais independente e inclusão social
aos deficientes [6].
Existem algumas TAs voltadas a atender deficientes visuais. Por exemplo, pode-se citar programas de síntese
de voz (tanto em computadores, quanto em Smartphones), navegadores textuais, navegadores com voz, ampliadores de tela, audiodescrição, reglete, relógio sonoro
e impressora braile [5]. Quando se trata de TAs voltadas
à locomoção, alguns avanços podem ser citados desde
a invenção do bastão de Hoover [7] e da utilização de
cães guias, principalmente no que se trata de sistemas
de navegação indoor/outdoor [8-9-10]. Tal qual descrito
em [9], sistemas avançados para deslocamento indoor já
foram propostos. Esses utilizam processamento de imagem para identificar objetos no ambiente a ser percorrido
e redes wifi para determinação da exata localização do
usuário. Porém, devido à complexidade de infraestrutura demandada e à própria tecnologia empregada, esses
sistemas não são acessíveis à maioria da população defi-
6
ciente visual.
Uma solução relativamente simples se comparada a
anterior e que pode ser de grande utilidade no quesito
deslocamento ou na identificação de objetos é o projeto
Sonar para Cegos [11]. O dispositivo proposto tem como
objetivo permitir ao usuário perceber a existência de obstáculos ao seu deslocamento. Para isso, utiliza um microcontrolador Arduino Uno, sensores ultrassônicos e dois
servomotores, transduzindo a distância entre o usuário
e algum objeto em movimentação dos motores. Dessa
forma, o usuário poderia ter uma “sensação de distância”.
Desta forma, para criar um projeto de correspondente
ao Sonar para Cegos, foi proposto o projeto Luva Guia,
que será composta basicamente por um sensor de ultrassom, um microcontrolador da família PIC18 do fabricante
Microchip e um motor vibracall, sendo alimentado por bateria. A luva deverá ser capaz de determinar a existência
de um obstáculo à sua frente bem como a qual distância o
objeto se encontra do dispositivo, transduzindo essa distância em estímulos vibratórios de níveis de intensidades
pré-determinadas.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
A Luva Guia baseia-se em três principais componentes,
como é possível visualizar no diagrama de blocos mostrado na Figura 1.
Figura 1: Diagrama de blocos simplificado
2.1 Sensor de ultrassom
O sensor de ultrassom HC-SR04 (Figura 2) foi usado por
ser encontrado facilmente no mercado, ser barato, ter
precisão suficiente para a aplicação e já ter sido desenvolvido para ter uma interface simples com o um dispositivo
de maior inteligência a ele conectado, existindo dois pinos
de interface com o microcontrolador: echo e trigger [12].
O sensor de ultrassom ao receber um pulso no pino
de trigger de pelo menos 10 µs de largura, emite pulsos
ultrassônicos. Nesse instante, o nível lógico no do pino de
echo muda de nível baixo para alto (lógica TTL - Transistor-Transistor Logic). O pino de echo permanece em nível
alto enquanto não há retorno do sinal de ultrassom emitido. A Figura 3 representa o funcionamento do sensor,
segundo seu datasheet [12].
Figura 2: Sensor de ultrassom [12]
Luva guia para deficientes visuais
Figura 3: Diagrama de funcionamento do HC-SR04 [12]
Caso não haja reflexão desse ultrassom, o pino de echo
retornará a nível lógico baixo após um período de tempo
determinado.
2.2 Microcontrolador
O microcontrolador (Figura 4) utilizado inicialmente foi
o PIC18F4550. Esse possui a vantagem de ter encapsulamento PDIP (Plastic Dual In line Package), podendo ser
montado em Protoboard [13].
Figura 4: Imagem do PIC18F4550 [13]
A função do PIC é coordenar o funcionamento do sistema: basicamente gerar um sinal de trigger a cada 1 s,
determinar quanto tempo o pino de echo esteve em nível
lógico alto e acionar continuamente o motor vibracall em
acordo com a distância medida. Uma chave ON/OFF foi
a solução utilizada para se determinar quando o sistema
está operando, dessa forma, as medições de distância podem ser desligadas pelo usuário a qualquer momento.
A distância entre um objeto e o sensor é calculada de
acordo com a Equação 1, disponível no datasheet do sensor [12], em que “d” é a distância medida em centímetros,
tHI é o tempo, em microssegundos, em que o sinal de
echo permaneceu em nível lógico alto e “58” uma constante determinada considerando-se a velocidade do ultrassom no ar de 340 m/s.
d = tHI / 58
2.5 Firmwares
Os firmwares são programas específicos para sistemas
embarcados, microcontrolados. O firmware da Luva Guia
foi desenvolvido na ferramenta CCS C Compiler (CCS, Inc)
e emulados no software Proteus ISIS Professional da Lab
Center Eletronics antes de se projetar uma placa de circuito integrado.
Basicamente, utilizou-se os dois módulo de Captura,
Comparação e PWM (Pulse Width Modulation) do PIC18
para executar as duas principais tarefas da aplicação: a)
medir a distância até um objeto por meio do sensor de
ultrasson; b) ativar o motor vibracall com diferentes níveis
de intensidade vibratória.
Para se medir o tempo em nível alto do sinal de echo,
configurou-se um segundo periférico Capture, Compare
and PWM em modo Capture, funcionando por interrupção gerada por borda. Assim, o firmware foi dividido em
dois fluxogramas para facilitar o entendimento. A Figura
5 apresenta o fluxograma para o programa principal e a
Figura 6 o fluxograma para a rotina de tratamento de interrupção do Capture.
Há um botão (chave com trava) que irá habilitar ou desabilitar o funcionamento do circuito. Após este botão ser
pressionado o PIC18 envia um pulso de 5 volts durante
10µs para o pino trigger do sensor.
No firmware principal configura-se o módulo CCP2
no modo Capture para detectar borda de subida. O pino
echo do sensor está conectado no circuito ao CCP2, e
quando este detecta que o houve o início de um pulso,
ou seja, borda de subida, uma interrupção (Figura 6) no
firmware é iniciada. Na interrupção o modo Capture é reconfigurado para detectar agora uma borda de descida.
Além disso, é armazenado o valor do contador do módulo de timer associado ao CCP do PIC18, criando-se assim
uma referência temporal de tal evento.
Se uma borda de descida for detectada faz-se novamente uma leitura do contador e então é feita a subtração
entre os valores lidos nos dois instantes. Como o timer do
PIC18 é configurado para realizar uma contagem a cada
1/3 de microssegundo, o resultado dessa subtração gera
o tempo em que o echo ficou em nível alto.
2.4 Vibracall
O vibracall é responsável pela vibração que será sentida pelo deficiente visual. Este motor elétrico foi escolhido
devido a seu pequeno tamanho.
O vibracall é acionado pelo PIC18 por meio do periférico Capture, Compare and PWM no modo PWM (Pulse
Width Modulation). A modulação PWM permite variar a
potência média entregue ao motor, fazendo-o ter diferentes intensidades de vibração.
7
Luva guia para deficientes visuais
alto (5 volts).
Com diferentes duty cycles a porcentagem do tempo
em que haverá tensão no vibracall será diferente e isso
influenciará em sua potência, fazendo-o vibrar mais ou
menos. Por exemplo, entre 2 cm e 25 cm o duty cycle do
PWM é de 800, o que significa que o vibracall ficará 80%
do tempo de contagem recebendo 5 volts.
Figura 5: Fluxograma do programa principal
Com o resultado é possível se saber a distância entre o
objeto e o sensor, de acordo com a Equação 1. Este valor é
armazenado em outra variável e finaliza-se a interrupção.
2.5 Testes realizados
O desenvolvimento foi dividido em etapas, de modo a
poder-se testar cada parte que compõe o dispositivo separadamente.
Utilizando-se o ISIS, tanto os firmwares parciais quanto
a versão final puderam ser emulados para verificação de
funcionamento. Na Figura 7, por exemplo, é possível observar-se a montagem de componentes para a simulação
no ISIS, que é similar à montagem real feita em protoboard. Para o teste, o sensor foi trocado por um gerador de
pulso por não existir no ISIS.
Figura 7: Circuito montado no ISIS
Figura 6: Fluxograma da Interrupção de Capture
A variável que armazena o valor da distância é usada
para se determinar as faixas de intensidade do vibracall.
Cada faixa apresenta um duty cycle (relação entre tempo em nível alto e período total em uma onda retangular)
diferente. No módulo CCP1 é configurado o PWM, que é
associado a um contador, o Timer2 do PIC18. O duty cycle
do PWM indica a percentagem de tempo em que pulso
liberado pelo pino relativo ao CCP1 permanecerá em nível
8
Para a comprovação prática, foram feitos inúmeros
testes em protoboard com o sensor e o PIC18. Observou-se, por exemplo, a geração do sinal de trigger e a existência do sinal de echo. Posteriormente foi possível se medir
o tempo em que o echo permanecia em nível alto e se
determinar a distância correta entre um objeto e o sensor
de ultrassom por meio de um osciloscópio digital. Um display LCD (Liquid Crystal Display) 16x2 caracteres foi adicionado a essa etapa de teste como dispositivo de interface
no qual seria exibido o valor da distância calculado pelo
microcontrolador. Com o avanço das matérias ministradas foi possível utilizar-se o periférico Capture, Compare
and PWM, que foram usados para se determinar a largura do pulso echo e para se variar as faixas de intensidade
do vibracall.
O osciloscópio foi usado para observar os valores obtidos nestes testes, devido ao fato do tempo dos pulsos ser
muito pequeno, e de medições de corrente e tensão, por
exemplo, serem mais precisos quando observados neste
equipamento. A Figura 8 apresenta uma imagem de um
sinal PWM gerado, com aproximadamente 75% de duty
Luva guia para deficientes visuais
cycle (relação entre o tempo em nível alto e o tempo em
nível baixo do sinal).
Figura 10: Teste prático utilizando-se o display LCD
Figura 8: Observação do modo PWM no osciloscópio
2.6 Disposição final
Para que houvesse uma adequação dos componentes
na luva um segundo protótipo foi produzido com o objetivo de se reduzir espaço ocupado. Foi feita a aquisição do
PIC18F2550, que tem as mesmas propriedades do PIC18
usado anteriormente, com a diferença de possuir um menor número de pinos (o PIC18F4550 possuía 40 pinos e
este, 28).
A confecção de uma nova placa foi feita, podendo ser
observada na Figura 9. Todos os testes foram realizados
novamente, para assegurar o funcionamento correto do
firmware e do circuito.
Figura 9: Nova placa, utilizando o PIC18F2550
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A efetuação de testes possibilitou que vários erros fossem detectados. O simulador ISIS permitiu a validação
das configurações do microcontrolador e a detecção de
erros no algoritmo desenvolvido.
Nos testes em protoboard detectaram-se problemas
como erros de temporização do sistema, valores inesperados de distância medida, não detecção de pulsos do
echo (que geralmente estavam associados a montagens
incorretas e mau contato entre fios e componentes) e
novamente problemas no firmware. Os erros foram corrigidos, possibilitando medições corretas, como se pode
observar na Figura 10 em que há um objeto situado a 3
cm do sensor, e que este valor de distância é mostrado
corretamente no display.
A montagem do segundo protótipo, já na luva, possibilitou que testes mais reais fossem feitos e o comportamento do dispositivo fosse avaliado durante sua operação.
Definiram-se alguns parâmetros de operação do sistema:
as leituras acontecerão a cada 1 segundo; o valor máximo
da distância útil (capaz de gerar variação na intensidade
de vibração) será de 1 metro; haverá quatro faixas de distância (cm) nas quais o vibracall apresentará diferentes
intensidades de vibração (2-25, 25-50, 50-75, 75-100).
A escolha da luva a ser utilizada baseou-se na análise
do custo, material e viabilidade. Usou-se uma luva do material neoprene, que é leve, resistente e flexível. Foram
usadas fitas de velcro para se colar a placa na luva. Deste
modo, esta pode ser removida, assim como a bateria de
9 volts que alimenta o dispositivo (utilizou-se a recarregável, para proporcionar menor custo ao usuário, que, caso
contrário, teria que substituí-la todas as vezes que descarregasse). O modelo final pode ser visto na Figura 11.
O custo total do protótipo até o momento é de aproximadamente R$100,00 (Tabela 1), um valor considerado
satisfatório.
Tabela 1: Descrição dos itens utilizados e seus
respectivos custos
Descrição
Valor (R$)
Componentes
63,85
Luvas
5,90
Bateria
20,00
Outros
10,20
Total
99,95
9
Luva guia para deficientes visuais
Figura 11: Protótipo final da Luva Guia
4 CONCLUSÃO
O protótipo é capaz de realizar o que foi proposto, a
medição da distância e o acionamento do vibracall em
diferentes intensidades. Construiu-se um protótipo que
poderá ser utilizado para avaliação de operação do dispositivo em ambientes variados (dentro de casa, em espaços
abertos, na rua, etc.), que atende também ao requisito de
preço.
Apesar de ser possível realizar tanto a medição quanto
o acionamento do vibracall por PWM, o firmware desenvolvido ainda não trabalha com exceções de operação.
Por exemplo, caso o sensor deixe de funcionar, o microcontrolador travará na etapa de medição do tempo em
nível alto do sinal de echo.
Dessa maneira, são necessárias melhorias e previsões/
contornos de exceções no firmware. Além disso, pretende-se utilizar os modos de operação em baixo consumo
do microcontrolador para reduzir o consumo de energia
por parte do dispositivo.
Outras melhorias são estudadas, como a utilização de
um acelerômetro. Com isso a Luva Guia só seria acionada
quando a luva estivesse posicionada em uma determinada direção, evitando o gasto de energia quando a mão
estiver posicionada para baixo, por exemplo.
REFERÊNCIAS
[1] SEDPD-SP/ OMS. Relatório Mundial Sobre a Deficiência.
2011. Disponível em: < http://goo.gl/WnSfYh>. Acesso em 16 de
Out. de 2014.
[2] IBGE. Censo demográfico de 2010: características gerais
da população, religião e pessoas com deficiências. 2010. Disponível em: <http://goo.gl/P5Xp8F>. Acesso em 12 de Dez. de
2015.
[3] MEC Secretaria de Educação Especial. Subsecretaria Nacional de Promoção dos Direitos da Pessoa com Deficiência. Comitê de Ajudas Técnicas. Tecnologia Assistiva. Brasília: CORDE,
10
138 p, 2009.
[4] BERSCH, R. Introdução à tecnologia assistiva. Porto Alegre, 2013. Disponível em: <http://goo.gl/1Qm1kJ>. Acesso em 16
Out. 2014.
[5] NUNES, E. V.; DANDOLINI, G.A.; SOUZA, J.A. As tecnologias
assistivas e a pessoa cega. DataGramaZero – Revista de Informação – v.15 n.1 fev/2014.
[6] CEZARIO, K. G.; PAGLIUCA, L.M.F.; Tecnologia Assistiva em
Saúde para Cegos: Enfoque na Prevenção de Drogas. 2007.
[7] HOFFMANN, S. B. História do Uso e das Técnicas de Manejo da Bengala. 2009. Disponível em < http://goo.gl/45nLSG>.
Acesso em 16 out. 2014.
[8] LOOMIS, J. M.; GOLLEDGE, R.G.; KLATZKY, R.L.; Navigation
System for the Blind: Auditory Display Modes and Guidance.
Presence, Vol. 7, No. 2, April 1998.
[9] HUB, A.; DIEPSTRATEN, J.; ERTL, T. Design of an Object
Identification and Orientation Assistant for the Deaf blind.
2005.
[10] RAN, L.; HELAL, S.; MOORE, S.. Drishti: An Integrated Indoor/Outdoor Blind Navigation System and Service. Computer
& Information Science & Engineering Department University of
Florida, Gainesville, FL 32611, USA, 2004.
[11] HOEFER, S. Meet The Tacit Project. It’s Sonar For The
Blind. Grathio Labs. Disponível em < http://goo.gl/nsnen>. Acesso em 24 jul. 2014.
[12] ElecFreaks. HCSR04 User Guide. Disponível em: <http://
goo.gl/QpdJr5>. Acesso em: 18 fev. 2015.
[13] Microchip, Inc. Datasheet PIC18F4550. DS39632D, 2007.
Disponível em: <http://goo.gl/KgZhS5>. Acesso em: 18 fev. 2015.