Desenvolvimento de um exosqueleto passivo para actividades fatigantes

Abstract

O desenvolvimento de estruturas mecˆanicas, que permitam a transferˆencia de parte da carga transportada directamente para o solo, ao inv´es da via fisiol ´ogica das pernas do indiv´ıduo, dever´a permitir que soldados, bombeiros, trabalhadores do campo, entre outros, transportem cargas pesadas, reduzindo o risco de les˜ao e a quantidade de esfor¸co metab´olico que consomem na sua realiza¸c˜ao. Estes mecanismos podem, igualmente, permitir ao indiv ´ıduo uma maior rentabiliza¸c˜ao da sua capacidade f´ısica, possibilitando a realiza¸c˜ao de percursos de marcha mais longos, com menor dispˆendio de energia. Outra potencial aplica¸c˜ao reside no aux´ılio do movimento de pessoas debilitadas fisicamente, onde estes mecanismos podem ser um meio para a minimiza¸c˜ao dos esfor¸cos desenvolvidos durante o ciclo de marcha. O trabalho aqui apresentado visou a realiza¸c˜ao de um anteprojecto e da an´alise estrutural de um exosqueleto passivo, para utiliza¸c˜ao em paralelo com os membros inferiores, de modo a que a carga adicional de uma mochila nas costas de um indiv´ıduo, possa ser transferida, parcialmente, para o solo pela estrutura do exosqueleto, reduzindo o esfor¸co f´ısico desenvolvido pelo indiv´ıduo. Foi igualmente objecto deste estudo, a implementa¸c˜ao de sistemas passivos no exosqueleto que permitam o armazenamento de energia mecˆanica nas fases de trabalho negativo do membro inferior. Para alcan¸car este objectivo, procedeu-se, numa fase inicial, ao estudo da anatomia do membro inferior, em particular das suas articula¸c˜oes e respectivas estruturas musculoesquel´eticas. Numa segunda fase, realizou-se um estudo biomecˆanico do membro inferior em termos cinem´aticos e cin´eticos. Estes dados permitiram determinar as amplitudes de movimentos e momentos nas diferentes articula¸c˜oes do exosqueleto, para diferentes actividades di´arias. Numa terceira etapa realizou-se uma avalia¸c˜ao antropom´etrica do indiv´ıduo, para diferentes percentis e posturas, com especial incidˆencia nos dados antropom´etricos do membro inferior. Estes dados serviram de base ao dimensionamento dos diferentes segmentos do exosqueleto. Ap´os esta etapa, analisaram-se, do ponto de vista estrutural, os diferentes tipos de exosqueletos desenvolvidos na ´ultima d´ecada, assim como a identifica¸c˜ao das suas principais limita¸c˜oes. Procedeu-se, ainda, `a realiza¸c˜ao de uma an´alise funcional, para a identifica¸c˜ao dos principais requisitos que o exosqueleto deve respeitar na perspectiva do utilizador. De seguida, realizou-se o anteprojecto do exosqueleto com recurso a modela¸c˜ao geom´etrica em sistema de CAD. Na ´ultima etapa efectuou-se uma an´alise estrutural dos principais componentes do exosqueleto, identificando-se os componentes e as suas regi˜oes criticas em termos estruturais. O anteprojecto aqui desenvolvido servir´a de base `a constru¸c˜ao de um prot´otipo para a avalia¸c˜ao experimental da sua eficiˆencia e desempenho.

The development of mechanical structures, that allow the transfer of part of the load carried, directly to the ground instead of the legs of the user, should allow that soldiers, fireman, field workers, among others, transport heavy loads, reducing the risk of lesion and the amount of metabolic effort needed for it’s performance. These mechanisms also give the user an improvement in his physical ability, meaning he will be able to go further with less energy expenditure. Another potential application lies on the aid of physically disabled individuals where, this mechanisms, can be a way to minimize their effort during the gait cycle. The work here presented, focused on the development of a preliminary project and a structural analysis of a passive exoskeleton, to be used in parallel with the lower limb, in order to transfer the additional load of a backpack, partially, to the ground, by it’s structure. Thus, reducing the physical effort developed by the individual. It was also an objective of this study to implement passive systems into the exoskeleton, so that it allows the storage of mechanical energy in the phases of negative work of the lower limb. In order to achieve this objective, and in an initial phase, the anatomy of the lower limb was studied. In particular, it’s joints and respective muscle-skeletal structures. In a second phase, it was performed a biomechanical study on the lower limb in terms of it’s kinematics and kinetics. This data enabled to be determined the ranges of motion and torque on the different joints of the exoskeleton, for different daily activities. On a third phase, it was developed an anthropometric evaluation of the individual, for different percentiles and postures, with a particular note on the data of the lower limb. This data served as a base to the dimensioning of the different segments of the exoskeleton. After this phase, it was analyzed, from the structural point-of-view, the different types of exoskeletons that were developed in the last decade and the identification of their main limitations. But also, it was performed a functional analysis in order to identify the main requirements that the exoskeleton must fulfill from the user perspective. Following, it was developed the preliminary project of the exoskeleton using CAD geometric models. On the last phase, a structural analysis was performed on the main components of the exoskeleton, identifying the components and their critical zones, concerning their structure. This preliminary project will serve as a foundation for the construction of a prototype for the experimental evaluation of it’s efficiency and performance.