Os doentes com fraqueza muscular progressiva (distrofia muscular) sofrem frequentemente de grandes limitações na sua mobilidade. O exosqueleto "Autonomyo" pode apoiar os músculos enfraquecidos. A potência adicional provém de pequenos motores com sensores magnéticos de binário especialmente integrados.

"Quando a fraqueza muscular se manifesta nas pernas, a marcha torna-se cada vez mais difícil e, a certa altura, deixa de funcionar sem apoios", explica Mohamed Bouri, chefe do grupo de investigação Rehabilitation and Assistive Robotics (Reha Assist) da Escola Politécnica de Lausanne, na Suíça (EPFL).

"Os músculos ainda funcionam, mas já não têm força suficiente para uma postura estável ou um movimento independente das pernas. Isto tem um enorme impacto na amplitude de movimentos e na qualidade de vida. Uma hemiplegia após um AVC tem efeitos semelhantes. O nosso objetivo era ultrapassar estas limitações tanto quanto possível com a ajuda de um dispositivo de assistência motorizado em que os doentes podem contribuir para os seus próprios movimentos."

Como é que o novo desenvolvimento funciona?

Os exoesqueletos comuns, que permitem aos paraplégicos andar sem muletas, pesam frequentemente mais de 40 kg. O "Autonomyo" desenvolvido pela Reha Assist é significativamente mais leve, pesando apenas 25 kg, e funciona incorporando o sistema músculo-esquelético enfraquecido, mas ainda parcialmente funcional, do doente. É fixado ao tronco com um espartilho e às pernas com braçadeiras. De cada lado, três pequenos motores fornecem a força que falta aos músculos para o movimento. Um motor de cada lado é responsável pela flexão e extensão da anca e do joelho. O terceiro pequeno motor suporta a abdução e a adução da perna na articulação da anca, ou seja, o movimento lateral para fora do eixo central do corpo. Os motores ajudam assim o doente a manter o equilíbrio e a andar direito. Um estudo clínico recente com pessoas com dificuldades de locomoção, entre outras, mostrou que o exoesqueleto funcionou como pretendido: proporcionou liberdade de movimento de acordo com as intenções do utilizador e não afectou negativamente a amplitude de movimento das articulações ou a cadência da marcha.

O exoesqueleto pode suportar músculos enfraquecidos e permite uma sequência de movimentos intuitiva que segue a sequência natural.

"O primeiro impulso é expresso por uma pequena mudança na posição dos membros inferiores", diz Mohamed Bouri. Isto, diz ele, é detectado através da combinação de informações de uma unidade de medição inercial, oito sensores de carga nas solas dos pés e os codificadores nos motores, que actuam como sensores de posição das articulações. Estes dados também ajudam a apoiar o equilíbrio. De acordo com Mohamed Bouri, a interação entre o exoesqueleto e o seu utilizador é crucial ao caminhar. Um sensor de binário magnético desenvolvido pela Faulhaber (cf. caixa da empresa) detecta esta interação, que é importante para a estratégia de apoio.

Sensor magnético de binário como alternativa aos extensómetros

Os extensómetros que podem ser deformados pela força aplicada são normalmente utilizados para a medição do binário. Um ponto fraco construtivo é a ligação adesiva para a sua aplicação. Por isso, os criadores da Faulhaber substituíram-nos por um sistema de medição magnético de alta resolução, com o qual é possível obter um desvio inferior a 1,5 % na gama de medição de +/- 30 Nm. O sensor de binário magnético fornece assim um valor altamente preciso do binário de reação no movimento de marcha, que é de importância central para o controlo do exoesqueleto. "A adaptação do dispositivo a cada doente requer uma calibração muito diferenciada de todo o sistema. Com base nos diferentes parâmetros e no feedback do movimento, o software calcula os sinais de controlo para os accionamentos. O tipo e a extensão do apoio fornecido pelos pequenos motores são então determinados com base nesta informação", explica o diretor do grupo de investigação Reha Assist.

Quais são os requisitos para a potência de acionamento?

O núcleo das seis unidades de acionamento instaladas é o motor compacto sem escovas 3274 BP4 com um diâmetro de 32 mm, que fornece um binário nominal de 158 mNm. A sua potência é transmitida por uma engrenagem planetária 42 GPT com um veio especialmente fabricado para esta aplicação. O codificador IE3 fornece os dados de posição ao controlador. O sensor magnético de binário está integrado nas engrenagens dos quatro pequenos motores para os movimentos de flexão e extensão do joelho e da anca.

OS ESPECIALISTAS EM CONDUÇÃO DE SCHÖNAICH

A Faulhaber é especializada no desenvolvimento, produção e utilização de sistemas de acionamento pequenos e micro de alta precisão, componentes servo e controladores com uma potência de saída até cerca de 250 watts. Isto inclui a realização de soluções completas personalizadas, bem como uma vasta gama de produtos padrão, tais como motores sem escovas, micromotores CC, codificadores e controladores de movimento. Segundo a empresa, a marca Faulhaber é sinónimo de elevada qualidade e fiabilidade em áreas de aplicação complexas e exigentes, como a tecnologia médica, a automação de fábricas, a ótica de precisão, as telecomunicações, a indústria aeroespacial e a robótica. Desde o potente motor de corrente contínua com 224 mNm de binário contínuo até ao micro drive filigranado com um diâmetro exterior de 1,9 milímetros, o portfólio standard da Faulhaber inclui mais de 25 milhões de opções para montar um sistema de acionamento ideal para uma aplicação. Este sistema de tecnologia modular é também a base para modificações, de modo a poder satisfazer os requisitos especiais dos clientes para projectos especiais.

A procura de um fornecedor adequado não é difícil

Os requisitos para as unidades de acionamento são típicos dos pequenos motores Faulhaber: elevado desempenho com o menor volume e peso possíveis, precisão, fiabilidade e longa vida útil. De acordo com Mohamed Bouri, a procura de um fornecedor adequado não foi particularmente difícil: "Ao definir as especificações, a seleção de motores elegíveis já era muito fácil de gerir. O grupo de investigação astrofísica interprofissional da nossa universidade já trabalha com a Faulhaber, pelo que fez recomendações convincentes. Além disso, a Faulhaber conseguiu desenvolver o sensor de binário num período de tempo muito curto, o que foi muito importante para o nosso projeto."

Qual é o potencial de desenvolvimento da novidade?

O sensor magnético de binário não faz parte, por enquanto, dos produtos de série e até agora só foi fabricado em pequenas quantidades para a aplicação descrita com o exoesqueleto. No entanto, são concebíveis outras áreas de aplicação em que é necessário medir valores de binário muito precisos, por exemplo, em aplicações hápticas como a assistência por robôs na sala de operações, em que o cirurgião guia o instrumento e a máquina fornece força e precisão. O sensor presta-se à documentação na garantia de qualidade.

Fonte: Andar sem muletas com pequenos motores e sensor de binário (vogel.de) (09.12.2022)