ESCOLA TÉCNICA ESTADUAL PROFESSOR LUCILO ÁVILA PESSOA

EXOESQUELETO ROBÓTICO PARAM MEMBROS INFERIORES                                        

                                                   JUSTIFICATIVA

 A constatação do crescente número de casos de pessoas com mobilidade reduzida nas pernas e de paraplégicos, decorrentes de acidentes e outros fatores, foi o motivo pelo qual esse projeto foi desenvolvido. O censo realizado no Brasil no ano 2000 informou que o número   de   portadores de algum tipo de paralisia   nos membros (paraplegia, hemiplegia ou tetraplegia) no país é de aproximadamente 1.000.000 de pessoas. Outro ponto importante a ser considerado é o aumento da expectativa de vida dos brasileiros. Entre 1991 e 2007, a população do país ganhou em torno de 5 anos em sua expectativa de vida ao nascer, ao passar de 67 anos, em 1991, para 72 anos, em 2007 [IBGE 2007]. Isto indica que o número de idosos crescerá neste país nos próximos anos. A medida que a estrutura da população está mais envelhecida, a proporção de pessoas com alguma deficiência motora aumenta, surgindo um novo elenco de demandas para atender as necessidades específicas deste grupo que carece de cuidados especiais e dispositivos para auxiliar os idosos a se locomoverem com segurança e com menos esforço [IBGE 2000]. 

                                                      MOTIVAÇÃO

 O presente projeto considera o problema de projetar, construir, implementar e validar um exoesqueleto   dos membros inferiores humano   com a finalidade de melhorar a reabilitação das pessoas paraplégicas nas atividades físicas nos espaços de recuperação. O sistema pessoa   – máquina tem   uma   interação contínua   e, graças ao controle, o dispositivo robótico responde às necessidades e intenções da pessoa de maneira rápida, efetiva e o mais naturalmente possível, melhorando a autoestima dos paraplégicos de baixa renda. Para muitos trabalhos que requerem esforço físico elevado, a capacidade humana é limitada, podendo ser aumentada mediante o uso de um dispositivo externo com   acionamento   ativo.   Outro   motivo   para   o   desenvolvimento   deste projeto   é   a necessidade de equipamentos práticos capazes de recuperar, a resposta da força humana quando submetidos a esforços físicos excessivos ou por longos períodos.

                                           INTRODUÇÃO

Existem milhares de pessoas no mundo com deficiência no caminhar, que necessitam de ajuda diariamente para executar ações consideradas normais no cotidiano. Este fato, além de causar uma dependência do deficiente de outras pessoas, que segundo pesquisas, aumentam as chances de depressão ou morbidez, ainda pode causar problemas de saúde, tais como: diminuição da massa muscular, diminuição da capacidade aeróbica, infecção urinária, osteoporose, disfunção renal e doenças cardíacas; já que a movimentação nos membros inferiores é muito reduzida ou nula, estes fatores combinados causam uma grande redução na expectativa de vida. A primeira solução, para que sejam evitados estes problemas é a fisioterapia e o exercício físico, que ajudam muito a prevenir estas doenças, melhorando sua qualidade de vida. A utilização da robótica para fins de reabilitação cresceu muito nos últimos anos, principalmente devido aos benefícios comprovados de exercícios a membros não utilizados.

                                                 RESUMO 

 Este projeto consiste no desenvolvimento mecatrônico de um exoesqueleto de baixo custo, capaz de elevar ou garantir a capacidade física humana que tem se mostrado promissor e em constante ascensão nos últimos anos, tanto na área militar, quanto na área industrial   e médica.  Assegurando   assim, menor   exaustão do combatente e   do operário   e   ainda   proporcionando melhorias   técnicas   de   reabilitação   corporal. Construímos este aparelho, como mais uma ferramenta para ser utilizada nas clínicas fisioterápicas   e   academias, auxiliando   na   reabilitação   na   marcha   humana   de paraplégicos com movimentos reduzidos nos membros inferiores, melhorando a sua qualidade   de   vida.   O   equipamento   necessita   da   utilização   de   muletas, barras   ou andadores. O mecanismo possui seis   graus de liberdade, sendo quatro atuados por motorredutores  (joelho   e  quadris)   e   dois  suportados  por   molas  (tornozelos),   sendo necessário   para   ser   ativado;   o   controle   dos   atuadores   com   um   microcontrolador, sensores e drivers de potência e o projeto mecânico.  Nosso objetivo também é de ajuda os deficientes a terem inclusão social, melhorando a sua independência e autoestima, e ainda a formação de novos atletas para representar o nosso país em paralimpíadas. 


                                           OBJETIVOS

Objetivo Geral:Este projeto tem por finalidade desenvolver a solução aplicada na movimentação e reabilitação de pessoas paraplégicas ou com deficiência motora nos membros inferiores, permitindo ao usuário locomover-se de maneira autônoma com o acionamento do exoesqueleto pelos motores.  

Objetivos Específicos: Desenvolver exoesqueleto para contribuir com a participação de paraplégicos de baixa renda na sociedade; Construção de hardware e software para medição e movimento dos membros inferiores; Melhorar a qualidade de vida de pessoas portadoras de paraplegia nas reabilitações e exercícios físicos. 

                                             PROBLEMÁTICA

 Vários deficientes paraplégicos desejam ter oportunidade de se desfazerem da cadeira de   rodas, precisando   de   meios   facilitadores   para   sua   reabilitação   em   clínicas   de fisioterapia e academias, como solução de voltar a ter uma vida normal. Diante disso, questiona-se: É possível, com o auxílio de braços eletrônico e exoesqueletos, realizar movimentos que possam oferecer condições para qualificar os serviços oferecidos nas indústrias, na medicina e em diversas áreas, conforme as suas necessidades? 

                                                     HIPÓTESE

 Já   recebemos   diversos   pedidos   de   deficientes   para   contribuir   com   acessibilidade, criando aparelhos que solucionem seus problemas. E uma maneira mais eficiente, que encontramos de melhorar a recuperação de pacientes são eles fazendo uso das técnicas inovadoras   de   fisioterapia, e   entre   as   diversas   formas   adotadas   para   ajudar   na reabilitação de pessoas que sofreram algum dano na coluna vertebral, ou nos membros inferiores que existe atualmente, como por exemplo a chamada plataforma robótica de reabilitação, podendo ser pelo uso de exoesqueleto capaz de reproduzir movimentos antropomórficos. O principal papel desta máquina é apoiar parcialmente o peso do paciente e podendo contar também com o uso de uma órtese ativa fixada ao usuário, gerando   uma   marcha   simétrica   e   periódica   nos   membros   inferiores   que   perderam parcialmente   o   movimento.   O   objetivo   desta   técnica   de   reabilitação   é   melhorar   a habilidade de andar dos pacientes. Tem sido demonstrado que o uso desse tipo de reabilitação é potencialmente benéfico para o paciente, principalmente por reproduzir de maneira mais fiel as atividades musculares durante uma caminhada normal. 

                                                  METODOLOGIA

 Neste   projeto   utilizamos   motorredutores   que   são   projetados   especialmente   para exoesqueleto, sendo compostos de um motor de corrente contínua de imã permanente e um redutor harmônico do tipo panqueca de forma adequada para minizar peso e volume. Para calcular os esforços solicitados em cada articulação foi desenvolvido um modelo dinâmico do corpo humano para simular os movimentos que o exoesqueleto é capaz de realizar, que são: marchar, sentar, levantar, subir e descer escadas. O modelo utilizado do corpo humano possui cinco ligamentos rígidos e é capaz de simular movimentos no plano vertical. Os resultados obtidos da simulação são comparados   com resultados experimentais da literatura e são considerados satisfatórios Ele foi dividido em duas partes, sendo a primeira: o estudo das estruturas de exoesqueletos existentes, a fim de realizar   uma   análise   sobre   os   métodos   utilizados   em   suas   construções, tais   como atuadores, materiais, e fontes de energia; e a segunda, na construção de um protótipo em escala de um exoesqueleto para fins de reabilitação. Uma vez com os dados da primeira etapa adquiridos inicia-se o projeto baseado em outros projetos comerciais, com o objetivo de criar um segmento de pesquisa na área biomédica em reabilitação. O projeto será   realizado   com   seis   graus   de   liberdade, sendo   quatro   ativos, desta   forma   a mobilidade é muito boa e o grau de complexidade do trabalho é razoável. A avaliação de desempenho será realizada por controle externo utilizando dispositivo de comando e, ou interface em computador.

                                                    RESULTADOS

O projeto do exoesqueleto foi concluído, a partir de simulações onde se pode verificar que possui bom funcionamento, mas quando foram realizados testes reais, tivemos que aprimorar   os   movimentos   e   posicionar   melhor   o   controle.   A   interface   gráfica desenvolvida ajudou a validar o projeto do encoder, já que a partir dela se pode ver como o circuito variava os pulsos. Um dos maiores desafios foi a comunicação entre Arduino e a   interface gráfica, mas   conseguimos solucionar, colocando duas placas Arduinos, pois com apenas uma não foi possível realizar o acionamento dos quatro motores e sensores, Foi realizado um estudo para escolher qual o melhor método de controle a ser utilizado, como complexidade do modelo completo é muito avançada e com uma quantidade avançada de graus de liberdade, são propostos dois métodos de controle: obter o modelo linear através de ensaios para projetar o controlador ou utilizar outro método. Como foi possível utilizar um controlador PID e parametrizar sem a necessidade   de   um   modelo.   Portanto,  o   controle   de   acionamento   dos   motores   do exoesqueleto está funcionando como desejávamos e o usuário portador da máquina deve saber manusear cada articulação com o controle.

                                                    CONCLUSÃO 

 Este projeto consiste no desenvolvimento do projeto de um exoesqueleto robótico para membros   inferiores   visando   à   sua   utilização   por   paraplégicos   com   movimentos reduzidos. Para a elaboração do projeto foram feitos os seguintes estudos: Revisão bibliográfica referente à órtese para membros inferiores; Estudo da anatomia humana para   se   conhecer   os   níveis   de   paraplegia; Estudo   da   movimentação   humana   e   a modelagem   da   mesma   com   finalidade   de   obtenção   dos   espaços   exigidos   nas articulações e, também, permitir simulações matemáticas dos movimentos; Estudo da biomecânica, que investiga o movimento, sob aspectos mecânicos, suas causas e efeitos nos organismos; Cinesiologia refere-se ao estudo científico de movimento humano, a estrutura e função do sistema esquelético humano; Estudo dos materiais que foram utilizados no projeto e; Desenho em três dimensões do exoesqueleto, nos programas auto card e soline Works. Aqui apresentamos os resultados experimentais obtidos a partir de técnica de cinémetria realizada no nosso laboratório de robótica em diversos visitantes e em Faculdade de Curso  de Fisioterapia com especialistas e estudantes, demonstrando que mesmo sem controle da posição das juntas e sem as referências angulares extraídas exatamente dos movimentos antropomórficos, foi possível testar e validar tanto os atuadores, os sensores presentes no sistema, as placa controladoras de acionamento dos motores e a interface usuário-aparelho.  

                                  AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS

 Depois de definidas as dimensões  do  exoesqueleto a serem utilizadas, foi possível calcular a força necessária exigida pelos atuadores com base nos acionamentos de torque obtida pela dinâmica. Conhecendo a posição e o torque necessário em cada instante de tempo, é possível encontrar o movimento de força. Força necessária nos atuadores do quadril, joelho e do pé durante a marcha, sendo possível perceber que existem valores positivos e negativos, o que equivale a esforços no sentido de contração e expansão, respectivamente, já 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 Força [N] Tempo [s] F quadril F joelho 100 que o sentido do torque foi definido para que a contração tenha valores positivos. É importante perceber que a força exigida, cujo valor máximo fornecido pelo atuador de 1000 N na transição da fase de apoio médio, mas que rapidamente se mantém a uma faixa admissível. Naturalmente, não seria possível utilizar um exoesqueleto com esses requisitos, mas os experimentos apresentados mostram que o valor real necessário para o movimento está abaixo de 1000 N, ou seja, o atuador fornecerá o torque necessário mesmo que seja exigido o seu valor máximo de pressão e contração. 

                              REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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 ARDUINO   SITE   OFICIAL.  Arduino   Fio:   version   9.0   [online].   2013.   Disponível: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardFio. [capturado em 5 novembro de 2013]

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VALIENTE, A.; Design of a Quasi-Passive Parallel Leg Exoskeleton to Augment Load Carrying For Walking. 200


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