Research on Biomedical Engineering
http://rbejournal.org/doi/10.4322/rbeb.2012.001
Research on Biomedical Engineering
Original Article

Modelagem de movimentos funcionais para reabilitação de membros superiores assistida por robô: caso de um manipulador antropomórfico simulado com reduzidos graus de liberdade

Functional movement modeling for robot-assisted upper limb rehabilitation: the case of a simulated reduced-freedom anthropomorphic manipulator

Abadia, Fernando Gonçalves; Santiago, Paulo Roberto Pereira; Oliveira, Marco Antônio Assfalk; Vieira, Marcus Fraga

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Resumo

Este trabalho descreve os resultados de uma investigação do uso de um manipulador robótico antropomórfico de três graus de liberdade (dois GDL na articulação do ombro e um GDL na articulação do cotovelo) na reabilitação do membro superior humano. A redução feita para três graus de liberdade deste manipulador permite a elaboração de um projeto mais simples, levando a custo de produção e de manutenção reduzidos, fatores importantes tendo em vista que se pretende o seu uso em larga escala em áreas de baixa renda, como o estado de Goiás, Brasil, por exemplo. O projeto teve como principal objetivo determinar as variações observadas em uma classe de trajetórias conhecidas como movimentos funcionais. Estes movimentos funcionais são trajetórias percorridas pelo membro quando em uso em uma determinada ação, por exemplo, pentear o cabelo. Neste trabalho, foram utilizados três movimentos funcionais: pentear o cabelo, trazer um copo à boca e o movimento de acenar. Foi descrito como esses movimentos funcionais foram capturados de voluntários e comparados a simulações em computador de movimentos funcionais equivalentes do manipulador robótico antropomórfico proposto. Essa pesquisa indica que as limitações advindas do uso de uma articulação do ombro com redução de um grau de liberdade estão próximas das variações observadas em movimentos funcionais humanos, quando comparados entre diferentes indivíduos e também entre movimentos funcionais semelhantes de um dado indivíduo. A despeito dessa limitação, o manipulador proposto seria viável na reabilitação de pacientes durante a fase inicial de um acidente vascular encefálico, a um baixo custo de produção.

Palavras-chave

Movimento funcional, Reabilitação assistida por robô, Manipulador antropomórfico

Abstract

This paper presents the results of an on-going investigation into the use of an anthropomorphic robotic manipulator with three degrees of freedom (two DOF shoulder joint and one DOF elbow joint) for rehabilitation of a human upper arm. The reduction to three DOF for this manipulator allows for a simpler project, leading to a lower cost of production and maintenance: important factors for its intended wide-spread use in financially restricted areas, e.g., the state of Goiás, Brazil. The project focuses on determining the variations observed for a class of trajectories known as functional movements. These functional movements are trajectories realized when a limb is used for a given function, e.g., combing the hair. In this present paper we use three functional movements: hair combing, bringing a cup to one’s mouth and a waving movement. We describe how these functional movements are acquired from test subjects and compared in computer simulations to the equivalent functional movements of our proposed reduced-order anthropomorphic manipulator. Our research indicates that the errors incurred in using a reduced-order shoulder joint are well within the observed variation in the functional movements of human subjects, when compared among different subjects and also between similar functional movements of any one given human subject. Despite the limitations, the proposed manipulator would be viable for rehabilitation of patients in early phases of a stroke, at lower cost of production.

Keywords

Functional movements, Robot-assisted rehabilitation, Anthropomorphic manipulator.
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Res. Biomed. Eng.

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