Mechanical design of a lower limb exoskeletonfor rehabilitation of paraplegic patients

Abstract

Os exoesqueletos de membros inferiores são robôs vestíveis para membros inferiores, vestidos por operadores humanos para diversas aplicações, tais como: aumento de força, reabilitação, assistência terapêutica, entre outras. Este trabalho apresenta o projeto mecânico de um exoesqueleto de membros inferiores para reabilitação de pacientes paraplégicos. O projeto mecânico proposto pode suportar um usuário de até 1,78 m de altura e 100 kg de peso respectivamente. A estrutura final consiste em cinco graus de liberdade (5DOF) por perna (2 no quadril, 1 no joelho e 2 no tornozelo). Todos os 5DOF são feitos de juntas rotativas, duas juntas ativas (1 no quadril e1 no joelho) e três juntas passivas (1 no quadril e 2 no tornozelo). Considerando que os usuários têm movimentos nas mãos, o uso de muletas ou andadores é necessário. Um conjunto de quatro estados de operações para o projeto final também é proposto (sentar-se, levantar-se, caminhar, parar).O trabalho começa com uma revisão sistemática da literatura e uma análise bibliométrica, na qual os documentos com maior relevância para o tema foram analisados e escolhidos como base para o projeto. Para selecionar componentes adequados para o produto final, foram feitas análises dos cinco componentes de um sistema biomecatrônico de exoesqueletos de membros inferiores, incluindo: mecanismos, atuadores, sensores, controle e interação homem-robô, de vários projetos. Os requisitos do projeto mecânico e a seleção do material para o projeto também foram estabelecidos considerando as propriedades antropométricas do corpo humano da população brasileira, tais como: altura média, peso, velocidade entre outras. Restrições nas juntas e torques de marcha para reabilitação também foram definidos. As condições críticas do exoesqueleto, estáticas e dinâmicas foram modeladas e resolvidas analiticamente para critérios de falha estática erigidez. Usando um software de projeto auxiliado por computador (CAD), o projeto da estrutura mecânica do exoesqueleto robótico foi subdividido em cinco partes principais, que são: suporte para as costas, atuação, elos, articulações do tornozelo e montagem do protótipo. Os resultados foram discutidos e validados. Finalmente, conclusões do projeto foram feitas e alguns trabalhos futuros foram identificados. Um dos focos principais deste projeto é uma solução de baixo custo do produto final.