Síntese e análise de um mecanismo estaticamente equilibrado para aplicação em exoesqueletos

Abstract

Nos exoesqueletos, a compensação de gravidade é normalmente obtida de forma ativa, o que provoca um aumento global da massa e do volume do sistema. Buscando minimizar estes efeitos, o presente trabalho propõe o desenvolvimento e análise de um mecanismo reconfigurável com compensação de gravidade passiva para aplicação em exoesqueletos de membros superiores. O estudo foi conduzido considerando a ação muscular do bíceps e do tríceps e os movimentos osteocinemáticos das juntas do cotovelo e do ombro apenas no plano sagital. Arranjos constituídos por cabos e polias foram incorporados a balanceadores básicos e, por meio de um conjunto de regras de modificação, foram alterados de modo a obter um exoesqueleto para membros superiores com 3 graus de liberdade. Cadeias virtuais foram utilizadas para alterar a cadeia cinemática do mecanismo desenvolvido, possibilitando a análise estática por meio do método de Davies. Após a validação da condição de equilíbrio estático, um modelo tridimensional foi desenvolvido e avaliado em ambiente virtual. O resultado obtido foi um exoesqueleto capaz de contrabalancear o próprio peso e o peso do membro afetado, em aproximadamente 50% de todo o espaço de trabalho alcançado pelo sistema esquelético de um membro superior, em movimentos de extensão/flexão do cotovelo combinados com a rotação e extensão/flexão do ombro.

Abstract: On exoskeletons, gravity compensation is normally obtained in an active way, causing an overall increase in the mass and volume of the system. Seeking to minimize these effects, the present work proposes the development and analysis of a reconfigurable mechanism with passive gravity compensation for application in upper limb exoskeletons. The study was carried out considering the muscle action of the biceps and triceps and the osteokinematic movements of the elbow and shoulder joints only in the sagittal plane. Arrangements consisting of cables and pulleys were incorporated into basic balancers and, through a set of modification rules, were changed in order to obtain an upper limb exoskeleton with 3 degrees of freedom. Virtual chains were used to change the kinematic chain of the developed mechanism, enabling the static analysis using the Davies? method. After validating the static equilibrium condition, a three-dimensional model was developed and evaluated in a virtual environment. The result obtained was an exoskeleton capable of counterbalancing its own weight and the weight of the affected limb in approximately 50% of the entire working space reached by the skeletal system of an upper limb in elbow extension/flexion movements combined with rotation and extension/shoulder flexion.