Optimized dimensional synthesis for limb prostheses and orthoses mechanisms

Abstract

Os membros do corpo humano desempenham um papel essencial na vida diária e no bem-estar, contribuindo para tarefas fundamentais que definem a interação com o meio ambiente. Os membros superiores são cruciais para atividades como manusear alimentos, defesa pessoal e expressão. Já os membros inferiores são vitais para a locomoção e a independência. Pessoas com limitações ou amputações de membros, resultantes de incidentes, podem enfrentar deficiências funcionais e traumas psicológicos, afetando negativamente sua qualidade de vida. Esta tese aborda os desafios multifacetados na área de projeto de mecanismos para auxiliar pessoas com deficiências nos membros, investigando soluções tecnológicas como próteses e exoesqueletos. Embora esses avanços abordem questões funcionais, as considerações estéticas são críticas para mitigar os desafios psicossociais enfrentados por indivíduos com substituição de membros. A justificativa desta pesquisa está nas lacunas dos dispositivos assistivos atuais, que precisam de melhorias em desempenho, eficiência energética e discrição estética. A principal contribuição deste trabalho é um método sistemático de desenvolvimento de mecanismos aplicados a próteses e exoesqueletos, considerando estruturas biomecânicas e síntese dimensional otimizada. O método proposto visa minimizar o consumo de energia e melhorar os aspectos estéticos, resultando em um impacto positivo na vida das pessoas com dificuldades nos membros. Os objetivos incluem pesquisar metodologias existentes, estabelecer um método para criação de mecanismos, estudar componentes do movimento humano, estruturar restrições e desenvolver um algoritmo de otimização para síntese dimensional. O objetivo final é propor um método para projetar próteses e exoesqueletos que reproduzam os movimentos dos membros humanos e sejam otimizados para tarefas específicas, abordando aspectos funcionais e estéticos. Este trabalho tem o potencial de melhorar significativamente a qualidade de vida de indivíduos que necessitam de dispositivos de assistência, integrando biomecânica, otimização e estética numa abordagem abrangente. Espera-se que o método proposto auxilie em novos projetos focados em robustez e otimização, contribuindo para a autonomia e bem-estar das pessoas que necessitam desses equipamentos assistivos para se moverem

Abstract: Human limbs play an essential role in daily life and well-being, contributing to fundamental tasks that define interactions with the environment. Upper limbs are crucial for activities such as handling food, personal defense, and expression, while lower limbs are vital for mobility and independence. Individuals with limb limitations or amputations resulting from accidents can face functional impairments and psychological traumas, negatively affecting their quality of life. This thesis addresses the multifaceted challenges in the field of mechanism design to assist individuals with limb disabilities, exploring technological solutions like prostheses and exoskeletons. While these advancements address functional issues, aesthetic considerations are critical to mitigating the psychosocial challenges faced by individuals with limb replacements. The rationale for this research lies in the gaps in current assistive devices, which require improvements in performance, energy efficiency, and aesthetic discretion. The principal contribution of this work is a systematic method for the development of mechanisms applied to prostheses and exoskeletons, considering biomechanical structures and optimized dimensional synthesis. The proposed method aims to minimize energy consumption and enhance aesthetic aspects, resulting in a positive impact on the lives of individuals with limb disabilities. The objectives include researching existing methodologies, establishing a method for creating mechanisms, studying components of human movement, structuring constraints, and developing an optimization algorithm for dimensional synthesis. The ultimate goal is to propose a method for designing prostheses and exoskeletons that replicate the movements of human limbs and are optimized for specific tasks, addressing both functional and aesthetic aspects. This work has the potential to significantly improve the quality of life for individuals requiring assistive devices, integrating biomechanics, optimization, and aesthetics into a comprehensive approach. It is expected that the proposed method will aid in new projects focused on robustness and optimization, contributing to the autonomy and well-being of individuals who rely on these assistive devices for mobility.