Controle em mecanismos atuados por cabos para interação humana.

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Bartholomeu, Victor Pacheco
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Biomechatronics; Cable-actuated device; Compensação de atrito em mecanismos atuados por cabos; Controle de impedâncias; Controle não linear; Dispositivos robóticos para fisioterapia; Impedance control; Modular device; Nonlinear estimator; Physiotherapy; Robótica; Robotics
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3151/tde-24052023-152120/

O número de pessoas com deficiências motoras vem crescendo no mundo devido a diversos fatores, principalmente ao envelhecimento populacional. Para combater as deficiências métodos robóticos vêm sendo explorados nos últimos anos, sejam na forma de equipamentos para fisioterapia e reabilitação, sejam na forma de equipamentos assistivos de uso contínuo. Este trabalho introduz uma abordagem sistemática para o projeto de plataformas modulares de pesquisa, de dispositivos de fisioterapia e de exoesqueletos. A plataforma é dividida em dois módulos: i módulo de potência, contém todos os mecanismos de atuação e interface para operadores; ii) módulo de movimento, transforma esforços do módulo de potência em movimento, interagindo com pacientes para realizar exercícios de fisioterapia. Para conectar e transmitir esforços entre os módulos são utilizados cabos bowden. O módulo de movimento possui polias adaptadas para permitir a troca do módulo por diferentes módulos de movimento.Foram utilizadas técnicas de controle de impedância baseada em corrente em conjunto com um estimador não linear para tornar o controlador mais robusto compensando incertezas e o atrito variável gerado pelos cabos. O módulo de potência pode ser montado para duas arquiteturas mecânicas: i) agonista-antagonista; ii) atuação simples. As duas arquiteturas foram testadas em um módulo de movimento que simula o movimento de tornozelos. A modularização proposta aumenta a versatilidade na localização dos atuadores, modificações no uso da plataforma ou mesmo no projeto de novos mecanismos além de reduzir os custos e tempo de projeto. A concentração de atuadores em um único ponto distante das juntas humanas reduz a massa inercial na junta atuada. O método de controle proposto regula o torque do motor simulando um sistema massa-mola-amortecedor com coeficientes ajustáveis, permitindo a um operador alterar os parâmetros de acordo com o tipo de movimento que deve ser executado. Na arquitetura de atuação simples o motor opera os movimento de flexão e extensão do tornozelo gerando uma folga na transição de movimento. Já na arquitetura agonista-antagonista, é gerada uma impedância mecânica simultânea e permanente. Os sensores de força nos módulos e os cabos atuam como elemento elástico em série reduzindo as impedâncias totais. As duas arquiteturas se mostraram viáveis para aplicação em laboratório para testes com interação humana, mas carece de melhorias para utilização em ambiente clínico, sendo necessária a melhoria de fixação e tensionamento dos cabos, aumento de precisão do encoder, e uso de motores similares entre si, com maior torque e velocidades. A modularização se mostrou uma ideia viável e desejável para diversos tipos de projeto e não apresentou qualquer problema inerente a ela. O controlador de impedâncias baseado em corrente apresentou os resultados esperados, compensando os atritos e demais incertezas com erro inferior a 5% mas bastante suscetível às diferenças de torque de partida no caso agonista-antagonista. O estimador não linear apresentou erro de estimação menor a 1,5% para as duas arquiteturas sendo menor na arquitetura agonista-antagonista. A arquitetura agonista-antagonista exerceu corretamente a função de manter uma impedância permanente, mas o aumento de custos, de peso e de precisão deve ser ponderado em relação aos ganhos de acordo com os requisitos do projetista.