exoesqueleto para movimentação/reabilitação de

POSMEC 2014 – Simpósio do Programa de Pós - Graduação em Engenharia Mecânica
Faculdade de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Uberlândia
26 a 28 de Novembro de 2014, Uberlândia - MG
EXOESQUELETO PARA MOVIMENTAÇÃO/REABILITAÇÃO DE
DEFICIENTES FÍSICOS
Glicerinho Danter Lopes Soares Júnior, Centro, [email protected]
Rogério Sales Gonçalves, Centro, [email protected]
João Carlos Mendes Carvalho, Centro, [email protected]
Resumo. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um exoesqueleto para auxiliar pessoas com paraplegia ou com
os membros inferiores debilitados a se locomoverem sem a ajuda de terceiros, utilizando unicamente a força do
próprio usuário para acionamento do exoesqueleto. Para tanto, foi realizada a revisão bibliográfica e o estudo de
diversos sistemas mecânicos, o que permitiu o desenvolvimento de um exoesqueleto capaz de realizar o movimento de
caminhar sendo este acionado pelo próprio usuário.
Palavras chave: Exoesqueleto, paraplégico, reabilitação e deficiente físico.
1. OBJETIVO
Desenvolver um exoesqueleto aplicado na movimentação/reabilitação de pessoas paraplégicas ou com deficiência
motora nos membros inferiores, permitindo ao usuário locomover-se de maneira autônoma, sem a utilização de motores
e fontes de energia elétrica ou combustíveis, apenas a força do próprio usuário para acionamento do exoesqueleto.
2. INTRODUÇÃO
Segundo o censo do IBGE (2010) em 1991 havia cerca 460 mil deficientes físicos no Brasil, dos quais
aproximadamente 200 mil eram paraplégicos. Ainda segundo o censo do IBGE (2010), o número de deficientes físicos
aumentou para aproximadamente 955 mil em 2000 e para aproximadamente 13,36 milhões (7% da população brasileira)
em 2010, o número de paraplégicos não foi divulgado.
Devido ao não cumprimento das leis de inclusão social, a acessibilidade dos deficientes físicos nas cidades
brasileiras é precária. A infraestrutura de hospitais, ônibus, comércios, entre outros, dificulta a locomoção dos
indivíduos, reduzindo sua liberdade na medida em que o torna mais dependente de outras pessoas.
A utilização de um equipamento que permita a locomoção ao deficiente físico pode minimizar diversos problemas
enfrentados pelos paraplégicos, além de melhorar o aspecto psicológico. A falta de movimentação dos músculos pode
acarretar feridas profundas na pele (escaras), diminuição da capacidade aeróbica, má circulação sanguínea, osteoporose,
constipação intestinal e fecaloma, problemas renais, infecção urinária, doenças cardíacas, entre outras. Tais problemas
poderiam ser minimizados se deficientes físicos pudessem ficar em pé e andar.
Assim, a criação de um exoesqueleto para locomoção/reabilitação de pessoas com paralisia/deficiência motora nos
membros inferiores pode dar maior liberdade e autonomia ao paciente, além de acelerar o processo de reabilitação. O
exoesqueleto proposto visa proporcionar ao paciente a capacidade de locomover-se com estabilidade e segurança, e sem
a dependência de terceiros, utilizando sua própria força. Culminando na redução dos problemas citados e na,
consequente, melhora da qualidade de vida do usuário.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Exoesqueletos são largamente utilizados na locomoção de pacientes com algum tipo de limitação no movimento dos
membros inferiores. Existem vários trabalhos que abordam estruturas e dispositivos que auxiliam na
locomoção/reabilitação do membro inferior, atuando nas articulações do quadril, joelho e tornozelo. Contudo, não
existe muitos trabalhos realizados no qual o acionamento do exoesqueleto é realizado pelo próprio usuário.
Como exemplo de exoesqueletos aplicados a movimentação/reabilitação de deficientes físicos pode-se citar a órtese
ativa para membros inferiores de Farris et al. (2011) que fornece assistência a pessoas com lesão na medula espinhal na
realização de movimentos como sentar, levantar e caminhar. Sua utilização deve ser feita em conjunto com uma órtese
para tornozelo-pé ou com apoio. A estrutura possui 2 graus de liberdade em cada perna (quadril - flexão /extensão e
joelho - flexão/extensão), utiliza motores CC brushless com reduções de engrenagem nas articulações, a energia é
fornecida por uma bateria de polímero de lítio e suporta o sistema durante uma hora em caminhada contínua, com uma
velocidade média de 0,8 km/h.
Glicerinho Danter Lopes Soares Júnior, Rogério Sales Gonçalves e João Carlos Mendes Carvalho
Exoesqueleto para movimentação/reabilitação de deficientes físicos
A órtese ativa de Merodio et al. (2012) aplicada a membros inferiores para crianças quadriplégicas do sexo feminino
e com mais de 8 anos de idade, permite as crianças levantar, sentar e caminhar. A estrutura foi desenvolvida de modo a
ser portável, leve, confortável e segura para o usuário, provendo estabilidade na realização de movimentos. A estrutura
possui 3 graus de liberdade por perna, sendo 1 grau de liberdade no quadril (flexão/extensão), 1 grau de liberdade no
joelho (flexão/extensão) e 1 grau de liberdade no tornozelo (flexão/extensão), apenas a articulação do quadril e do
joelho são ativas. A medida da posição angular das articulações é feita através de um goniômetro flexível 2D. O
controle dos movimentos é realizado utilizando técnicas de controle dinâmico de estabilidade, a partir de informações
sobre o centro de pressão, e controle de impedância dos atuadores.
Santos (2011) desenvolveu o projeto mecânico de um exoesqueleto capaz de caminhar, subir e descer escadas,
sentar e levantar, permitindo ao usuário se deslocar com o auxilio de muletas. O exoesqueleto possui 3 graus de
liberdade em cada perna, sendo 1 grau de liberdade no quadril (flexão/extensão), 1 grau de liberdade no joelho
(flexão/extensão) e 1 grau de liberdade no tornozelo (flexão/extensão). Toda a estrutura foi confeccionada com barras
de liga de alumínio e pode suportar uma pessoa de até 1,9 m e com peso de até 100 kg.
Outro exoesqueleto de Banchadit et al. (2012) pode ser aplicado na reabilitação de pessoas paraplégicas com
aproximadamente 60kg, possui 5 graus de liberdade em cada perna, sendo 2 graus de liberdade no quadril
(adução/abdução e flexão/extensão), 1 grau de liberdade no joelho (flexão/extensão) e 2 graus de liberdade no tornozelo
(flexão/extensão e inversão/eversão). Motores elétricos são utilizados para acionar as articulações do joelho e do
tornozelo (ambas flexão/extensão). Molas foram utilizadas nas articulações motorizadas a fim de armazenar energia a
partir do início da fase de apoio e devolver esta energia a partir do meio da fase de apoio. O controle do exoesqueleto
foi realizado utilizando-se a técnica de controle de movimentos pré-programados baseado na análise clínica da marcha.
Os testes realizados confirmam que a utilização das molas nas articulações do joelho e do tornozelo reduziu o torque
requerido do motor e a trajetória desenvolvida pela estrutura foi adequada ao padrão utilizado, porém o tempo de
resposta do sistema de controle não foi satisfatório para um ciclo de marcha regular.
Um exoesqueleto chamado WSE (Walking Supporting Exoskeleton) de Onen et al. (2013) foi desenvolvido para
pessoas com perda total ou parcial da atividade muscular da perna e possibilita realizar movimentos básicos como
caminhar, sentar e levantar, entre outros. O controle de movimento é realizado através da técnica de “controle préprogramado de movimento” (PMC – preprogram med motion control), o que facilita a interação usuário-máquina. Esta
possui 3 graus de liberdade para cada perna, sendo 1 grau de liberdade no quadril (flexão/extensão), 1 grau de liberdade
no joelho (flexão/extensão) e 1 grau de liberdade no tornozelo (flexão/extensão), apenas as articulações do quadril e do
joelho são ativas, sendo acionadas por servomotores CC, o controle dos motores é realizado por controladores de lógica
fuzzy baseado em redes adaptativas. O peso total do exoesqueleto é de 29,5 kg e suporta uma pessoa de até 75 kg, com
autonomia de 3 h.
Outro exoesqueleto a ser citado é um protótipo de órtese ativa de Araújo (2010) para pessoas com parcial ou total
perda dos movimentos nos membros inferiores capaz de reproduzir alguns dos movimentos da marcha humana como
andar em linha reta, sentar e levantar. O movimento de cada articulação é realizado por um motor com o eixo
perpendicular ao eixo da articulação, sendo o motor fixo em uma parte da estrutura com seu eixo acoplado a um fuso de
esferas recirculantes com uma castanha fixa na outra parte da estrutura, o movimento de rotação do motor causa um
deslocamento linear ao longo do eixo do motor, este movimento causa a rotação da articulação. O controle dos motores
é realizado através de um sistema eletrônico embarcado.
3. ESTADO DA ARTE
Após a realização da revisão bibliográfica, fez-se um estudo combinando diversos tipos de sistemas mecânicos afim
de obter como resultado um mecanismo capaz de reproduzir o caminhar humano e que pudesse ser implementado em
uma estrutura.
Como resultado desenvolveu-se uma estrutura, puramente mecânica e com um grau de liberdade, que permite ao
deficiente físico realizar o movimento de caminhar sem que haja a necessidade de intervenção de terceiros e acionada
pelo próprio usuário.
Por ser um projeto inovador foi realizado o pedido de patente deste exoesqueleto.
As proximas etapas deste projeto envolvem a fabricação do protótipo e testes experimentais.
4. REFERÊNCIAS
Araújo, M. V., Desenvolvimento de uma Órtese Ativa para os Membros Inferiores com Sistema Eletrônico Embarcado,
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Computação da UFRN, Natal, 2010.
Banchadit, W., Temram, A., Sukwan, T., Owatchaiyapong, P., Suthakorn, J., Design and Implementaiton of a New
Motorized-Mechanical Exoskeleton Based on CGA Patternized Control, IEEE International Conference on Robotics
and Biomimetcs, Guangzhou, China, dec. 2012.
Farris, R. J., Quintero, H. A., Goldfarb, M., Preliminary Evalutation of a Powered Lower Limb Orthosis to Aid Walking
in Paraplegic Individuals, IEEE Transactions on Neural Systems andRehabilitationEgineering, v19, pp. 652 - 659,
dec. 2011.
POSMEC 2014 – Simpósio do Programa de Pós - Graduação em Engenharia Mecânica
26 a 28 de Novembro de 2014, Uberlândia - MG
Merodio, D. S., Cestari, M., Arevalo, J. C., Garcia, E., A lower-limb exoskeleton for gait assistance in quadriplegia,
IEEE International Conference on Robotics and Biomimetcs, Guangzhou, China, dec. 2012.
Onen, U., Botsali, F. M., Kalyoncu, M., Tinkir, M., Yilmaz, N., Sahin, Y., Design and Actuadtor Selection of a Lower
Extremity Exoskeleton, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, feb. 2013.
Santos, D. P., Projeto Mecânico de Exoesqueleto Robótico para Membros Inferiores, dissertação de mestrado, USP, São
Paulo, set. 2011.
5. RESPONSABILIDADE PELAS INFORMAÇÕES
Os autores são os únicos responsáveis pelas informações incluídas neste trabalho.