Desenvolvimento e projeto de um exoesqueleto ativo para pacientes com paraparesia-paraplegia

Abstract

A paraplegia traduz-se na perda de controlo e sensibilidade dos membros inferiores, impossibilitando o andar e dificultando permanecer sentado. Esta limitação dos membros inferiores tem como consequência o limite da movimentação dos indivíduos de forma independente, vendo assim comprometida a sua autonomia para as atividades pessoais e profissionais. Provavelmente, a maior limitação de uma pessoa com paraplegia é a sua própria casa, isto pelo facto de a maioria das casas não possuir as condições de acessibilidade e respetivos meios auxiliares de que estas se socorrem para minorar os problemas de locomoção. Tendo em consideração que o meio auxiliar mais utilizado é a cadeira de rodas, qualquer alteração ao nível da superfície de apoio da cadeira torna-se um entrave à acessibilidade destes pacientes, assim como à alteração da direção do movimento, na maioria das vezes incompatível com o espaço livre nos edifícios. Igualmente o facto de a pessoa estar na posição sentada, dificulta ou limita muito as suas atividades, já que grande parte das interfaces estão preparadas para uma postura ereta. Apesar destas limitações a cadeira de rodas continua a ser o meio auxiliar de locomoção mais utilizado por estes pacientes. Esta circunstância deve-se principalmente ao facto de não existirem reais soluções alternativas em termos de flexibilidade, facilidade de utilização, fiabilidade e custo. Assim, foi objetivo da presente dissertação o desenvolvimento e projeto de um exoesqueleto ativo de baixo custo, que replique os princípios de funcionamento dos membros inferiores. Este consiste em estruturas mecânicas paralelas às pernas do indivíduo que, através da utilização de atuadores e de um sistema de controlo, possibilitam os movimentos dos três segmentos do membro inferior, para que estes gerem os movimentos necessários às diferentes atividades fisiológicas a desenvolver, tais como: caminhar, subir e descer escadas, sentar e levantar, garantindo simultaneamente a sustentação do corpo do indivíduo. Inicialmente foi realizada uma análise à anatomia e antropometria dos membros inferiores. Na etapa seguinte aplicou-se um processo estruturado de desenvolvimento de produto, onde foi realizada uma análise de mercado, a recolha e hierarquização das necessidades dos utilizadores, definição das especificações técnicas, desenvolvimento da matriz da qualidade, geração e seleção dos conceitos para as diferentes funções, estabelecida a arquitetura e modularidade, desenvolvida a análise de falhas e efeito cliente e análise de custos, concluindo com a modelação tridimensional do exoesqueleto. Posteriormente, realizou-se a verificação do correto dimensionamento dos elementos estruturais do exoesqueleto, através do método de elementos finitos, para diferentes condições de carga representativas da utilização diária do exoesqueleto, e procedeu-se à realização de um protótipo de aspeto à escala por um processo de prototipagem rápida e ao desenvolvimento dos princípios de controlo e comando do exoesqueleto. O principal resultado deste trabalho é a materialização de toda a documentação técnica com os desenhos de montagem, conjunto e definição que permitem a industrialização e fabricação deste exosqueleto de elevado potencial para indivíduos paraplégicos ou mesmo apenas com parte dos membros inferior, assim como, a sua utilização em ambientes de reabilitação de indivíduos com acidente vascular cerebral, que são em maior número do que aqueles com paraplegia e paraparésia, a um custo bastante competitivo relativamente às soluções disponíveis comercialmente.

The paraplegia is the loss of control and sensitivity of the lower limbs, which restricts ambulatory function and difficult seated posture. This condition of the lower limbs consequently limits personal and professional activities in terms of autonomous individual mobility. Probably, the major limitation of someone with paraplegia, probably, his own house, since most of the houses aren’t equipped with adequate accessibility and proper aid that help lessen locomotion problems. Considering the wheelchair the most used aid, any change in surface’s slope becomes an obstacle to its user, similarly, tight spaces of buildings become a challenge to perform any manoeuvres in change of direction. Moreover the fact that a person is seated greatly hamper its user activities, since most of the activities require the standing position. Although its limitations, the wheelchair remains the main aid of movement used by patients. The main reason of this is the lack of a real alternative solution in flexibility, easy handling, reliability and price. Hence, the main objective of this work is the design and development of an affordable powered exoskeleton, which replicates the principle of lower limb motion. This consists of a set of mechanical structures parallel to the legs, with actuators and control system that enables daily task movements to be performed, such as walking, go up and down stairs, standing and sitting, while insuring user body support. Initially was performed a study of lower limb anatomy and anthropometry. Then was applied the structured process of product development, was made a benchmark of existing products, a survey and rank of user requirements, set target technical specifications, quality function deployment, creation and assortment of concepts of the various functions, establish architecture and modularity, failure mode and effects analysis, estimate cost and computer aided design of exoskeleton tri-dimensional model. The dimensioning of the main structural components was verified through finite element method for the various load conditions related with expected daily use, then a scale model prototype was made by rapid prototyping technics and the principles of command and control of the exoskeleton were developed. The main outcome of this work is the realization of all technical documentation with assembly, assembling and definition drawings to allow fabrication of this exoskeleton of high potential for paraplegic individuals or even with a missing part of the lower limb, as well rehabilitation environment of cerebrovascular accident individuals which are in greater numbers than paraplegia and paraparesis, at a highly competitive cost relatively to the available commercial solutions.