Simulação computacional do movimento de flexão/extensão do cotovelo de uma órtese híbrida para membro superior
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Adriana Maria Valladão Novais Van Petten
Claysson Bruno Santos Vimieiro
Tiago Coelho Magalhães
Claysson Bruno Santos Vimieiro
Tiago Coelho Magalhães
Resumo
O Acidente Vascular Encefálico (AVE) frequentemente causa déficits motores nos membros superiores, cuja reabilitação pode ser potencializada por órteses robóticas híbridas associadas à Estimulação Elétrica Funcional (Functional Electrical Stimulation, FES), melhorando o controle muscular e promovendo a neuroplasticidade. A simulação computacional de sistemas musculoesqueléticos permite otimizar o projeto dessas órteses com FES, reduzindo custos e tempo de desenvolvimento. Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma simulação computacional de órtese híbrida (FES/mecânica) para reabilitação pós-AVE, com foco na modelagem musculoesquelética e controle Proporcional-Integral (PI) dos movimentos de flexão/extensão do cotovelo, além de avaliar estratégias para minimizar a fadiga muscular e analisar a taxa de consumo energético metabólico (modelo de Bhargava) nos músculos bíceps e tríceps. Este estudo expande pesquisas anteriores que desenvolveram uma órtese robótica e, posteriormente, uma versão híbrida com FES (controle em malha aberta), cuja descrição serve como contextualização. Para a simulação computacional, adotou-se o software OpenSim, que contém um modelo simplificado do membro superior denominado arm26. A órtese foi fixada rigidamente ao modelo através da junta WeldJoint. Para as simulações dinâmicas, utilizou-se o Matrix Laboratory (MATLAB) com a biblioteca do OpenSim. O MATLAB foi empregado para a identificação do sistema na forma de função de transferência (mapeando o sinal de excitação muscular como entrada e o ângulo do cotovelo como saída) e para determinar os parâmetros do controlador PI. Posteriormente, o Simulink foi utilizado para implementar e testar o controlador projetado. As simulações implementam um mecanismo de trava mecânica para imobilização articular com desativação concomitante do FES, resultando em redução significativa do consumo energético metabólico (bíceps: 15,87 W para 5,96 W; tríceps: 7,47 W para 6,02 W) e da fadiga muscular. Os controladores PI demonstraram desempenho satisfatório, com tempos de acomodação entre 1,38 e 2,96 s (4,85 s para o tríceps) e sobressinal inferior a 0,7%. Adicionalmente, os modelos de função de transferência apresentaram acurácia superior a 97%. Conclui-se que o OpenSim é uma ferramenta eficaz para o desenvolvimento de órteses, permitindo a implementação de controle em malha fechada (com tempos de acomodação próximos de 3 segundos) e mecanismos de trava mecânica, objetivos principais deste trabalho. Ademais, a simulação computacional indicou que desativar o FES durante a atuação do mecanismo de trava reduz o consumo de energia metabólica, sugerindo menor fadiga. Como limitação, destaca-se o uso de um modelo simplificado do membro superior, o que recomenda a adoção de modelos mais complexos em estudos futuros.
Abstract
Stroke frequently causes motor deficits in upper limbs, whose rehabilitation can be enhanced by hybrid robotic orthoses combined with Functional Electrical Stimulation (FES), improving muscle control and promoting neuroplasticity. Computational simulation of musculoskeletal systems allows optimization of these FES-assisted orthoses designs, reducing development costs and time. This work aims to develop a computational simulation of a hybrid orthosis (FES/mechanical) for post-stroke rehabilitation, focusing on musculoskeletal modeling and Proportional-Integral (PI) control of elbow flexion/extension movements, while also evaluating strategies to minimize muscle fatigue and analyze metabolic energy consumption (Bhargava model) in biceps and triceps muscles. This study expands previous research that developed a robotic orthosis and subsequently a hybrid version with FES (open-loop control), whose description provides context. For computational simulation, OpenSim software was adopted, containing a simplified upper limb model called arm26. The orthosis was rigidly fixed to the model through a WeldJoint. For dynamic simulations, Matrix Laboratory (MATLAB) with OpenSim library was used. MATLAB was employed for system identification in transfer function form (mapping muscle excitation signals as input and elbow angle as output) and to determine PI controller parameters. Subsequently, Simulink was used to implement and test the designed controller. The simulations implement a mechanical locking mechanism for joint immobilization with concurrent FES deactivation, resulting in significant reduction of metabolic energy consumption (biceps: 15.87 W to 5.96 W; triceps: 7.47 W to 6.02 W) and muscle fatigue. The PI controllers demonstrated satisfactory performance, with settling times between 1.38 and 2.96 s (4.85 s for the triceps) and overshoot below 0.7%. Additionally, the transfer function models achieved over 97% accuracy. Therefore, It is concluded that OpenSim is an effective tool for orthosis development, enabling the implementation of closed-loop control (with settling times close to 3 seconds) and mechanical locking mechanisms, which are the primary objectives of this work. Furthermore, computational simulations demonstrated that deactivating FES during the locking mechanism’s operation reduces metabolic energy consumption, suggesting lower fatigue. As a limitation, the use of a simplified upper limb model is noted, recommending the adoption of more complex models in future studies.
Assunto
Acidente vascular cerebral – Reabilitação, Simulação por computador, Órtese, Membros superiores
Palavras-chave
Órtese híbrida, Estimulação elétrica funcional, OpenSim, Membro superior, Reabilitação