Instrumentação eletrônica de uma bengala para auxiliar no monitoramento de marcha de usuários de exoesqueleto inferior

Abstract

Pacientes hemiplégicos possuem uma série de limitações físicas que dificultam realizar tarefas funcionais como, por exemplo, locomover-se. Existem algumas tecnologias assistivas que visam promover mobilidade para esse tipo de deficiência, dentre elas pode citar-se o exoesqueleto. Atualmente está em desenvolvimento no LEIA - Laboratório de Sistemas Embarcados e Aplicações de Circuitos Integrados, um projeto com a proposta de desenvolver um exoesqueleto de membro inferior. Uma das frentes de trabalho, trata-se da instrumentação de uma bengala para monitorar a marcha do paciente. O dispositivo deve ser capaz de medir a atitude do instrumento e a força axial aplicada pelo paciente durante a marcha. Nesse contexto, foram utilizados os sensores acelerômetro, giroscópio e magnetômetro em conjunto com o algoritmo de Filtro de Kalman para estimar a posição angular da bengala (roll, pitch e yaw). A implementação desse algoritmo foi realizado inicialmente no Matlab e posteriormente embarcada no microcontrolador Arduino Micro. Os resultados obtidos pela fusão sensorial mostram que o Filtro de Kalman foi capaz de atenuar o ruído causado pelo acelerômetro e magnetômetro assim como eliminar o efeito de drift causado pelo giroscópio. A identificação da força foi realizada por meio de um sensor de força resistiva (FSR) modelo A401 da Tekscan. A curva de calibração desse sensor foi identificada experimentalmente com a máquina de tração/compressão da marca Instron, cuja resultado se aproxima a uma curva polinomial de segundo grau. O ruído das medidas relacionadas ao FSR foi atenuado com o filtro de média móvel implementado no microcontrolador. Feito isso, embarcou-se o algoritmo de instrumentação no Arduino Micro e utilizou-se o módulo XBee S2C para transmitir os dados processados para um computador remoto a uma taxa de 70Hz. Após a prototipação da bengala, realizou-se testes de campo a fim de verificar o desempenho e a eficiência do dispositivo quanto a proposta desse trabalho. Os resultados obtidos mostram que durante o trajeto percorrido pelo paciente os ângulos de roll e pitch oscilaram em torno de }20∘ e }5∘ respectivamente. Pode-se mapear por meio do ângulo de yaw os períodos que ocorreram as rotações realizadas durante o percurso. Com relação aos resultados de força, pode-se notar que o paciente apresentou um período de marcha de aproximadamente 1,5s e que a força média aplicada foi cerca de 22% da massa corporal do paciente. A bengala mostrou ser uma ferramenta funcional de caracterização de marcha que possui aplicação não somente para o exoesqueleto robótico mas também para trabalhos voltados a identificação de padrão de marcha de um ser humano.