Através da Figura 5.4, apresentam-se os resultados da simulação do comportamento das juntas da prótese transfemoral, durante um ciclo de marcha com uma velocidade de 0.5 m/s, implementando a arquitetura de controle proposta no presente trabalho. Nessa gráfica é realizada uma comparação entre a referência, dada pelo comportamento de uma articulação biológica (traço continuo), e a trajetória que desenvolve a junta prostética (traço descontínuo). Tanto no caso da articulação do joelho na Figura 5.4(a), quanto no caso da junta do tornozelo na Figura 5.4(b), observa-se no início do ciclo de marcha uma diferença entre os sinais. Isso sugere que a arquitetura de controle e o mecanismo proposto, tem dificuldades para acompanhar o movimento quando a junta desenvolve uma maior velocidade angular. No entanto, através da simulação encontra-se um erro máximo de 2.45O no joelho e 3.31O no tornozelo.
(a) (b)
Figura 5.4. Resposta geral do Sistema
A partir dos anteriores valores para o controlador de baixo nível, realiza-se uma simulação sobre a dinâmica de movimento do atuador, integrando a etapa de predição de movimento a fim de validar o comportamento do dispositivo. Os resultados sobre o deslocamento linear do cursor são apresentados na Figura 5.5 (a) para o caso da articulação do joelho e na Figura 5.5 (b) para o caso do tornozelo. Através dessas é possível afirmar que o atuador consegue acompanhar o deslocamento necessário para atingir o posicionamento angular das articulações. No entanto, no caso do tornozelo a apreciação é limitada devido a que o comportamento desta articulação parece necessitar de uma velocidade linear maior.
(a) (b)
Figura 5.5. Comportamento do deslocamento linear do dispositivo de acionamento.
A Figura 5.6 expõe o erro do controlador de nível intermediário, que calcula o estado desejado da prótese através de cada um dos modelos de estimação descritos no capítulo anterior. A partir desta, pode-se observar que o erro do estimador é variável no tempo, e não consegue superar os 0.05 rad (2.86O) tanto no caso do joelho quanto no caso do tornozelo.
(a)
(b)
O erro encontrado durante um ciclo de marcha nos controladores de nível de junta é apresentado na Figura 5.7. Em ambos casos, observa-se que este tipo de erro não se estabiliza no tempo. No entanto, permanece em uma faixa menor aos 0.0004 m para ambos casos, o que representa 0.0249 rad (1.427O) na articulação do joelho (a) considerando a equação (28), e
0.0069 rad (0.398O) no tornozelo (b) com a relação (29). Esses resultados são importantes,
devido a que permitem inferir que os controladores tipo PID, podem ser implementados em futuros desenvolvimentos, que pretendam controlar as próteses regulando outras variáveis como o torque do motor, ou a força na saída do dispositivo de acionamento.
(a) (b)
Figura 5.7. Erro no controlador de nível de junta.
Outra variável analisada durante a simulação do comportamento do dispositivo de acionamento, é a velocidade angular do motor desenvolvida durante o ciclo de marcha. Os resultados são apresentados na Figura 5.8, tanto para o dispositivo de acionamento do joelho (a) e quanto do tornozelo (b). No primeiro caso, observa-se que a velocidade acompanha o sinal de erro apresentado na ilustração anterior, mas no segundo caso observa-se que a velocidade angular do motor no tornozelo alcança o valor máximo da mesma. Isso sugere que a configuração na redução nos mecanismos do dispositivo de acionamento, devem ser alterados em função de aumentar a velocidade linear máxima do cursor.
(a) (b) Figura 5.8. Velocidade angular no atuador.
Analisando os torques desenvolvidos pelo sistema de acionamento, pode-se observar que no caso dos testes realizados com o joelho, o torque se encontra dentro da sua faixa de operação. No entanto, analisando os resultados do teste para o caso do tornozelo, esses refletem em uma limitação do atuador no início do ciclo de marcha. Portanto, considera-se que o dispositivo de acionamento projetado no tornozelo, deve ter um motor que ofereça uma maior potência que no joelho, considerando a maior demanda de velocidade angular e torque na junta.
(a) (b)
A Figura 5.10(a) expõe a trajetória no plano sagital de extremidades saudáveis, utilizando o modelo cinemático direto descrito no capítulo 3 deste documento, e a informação sobre a rotação das articulações exposta na Figura 3.15. De outro lado, na Figura 5.10(b) apresenta-se a trajetória no plano sagital de um paciente com uma prótese transfemoral implementando a arquitetura de controle proposta no presente trabalho. Comparando essas representações, aprecia-se que não existe grande diferença entre as simulações. Portanto, infere-se que existe a possibilidade de desenvolver um movimento natural, através da abordagem do controle de prótese utilizando um estimador do movimento da extremidade complementar.
(a)
(b)
Através da Figura 5.11 complementa-se a comparação proposta na Figura 5.10, focalizando a simulação sobre a extremidade assistida. Por meio dessa, confirma-se na Figura 5.11(b) que a trajetória da extremidade assistida com a prótese transfemoral, é similar ao comportamento tomado como referência, representado pela Figura 5.11(a).
(a)
(b)
Figura 5.11 Trajetória da extremidade assistida.
Considerando as simulações apresentadas tanto na Figura 5.10 quanto na Figura 5.11, conclui-se que a arquitetura proposta permite reproduzir as funções de rotação do joelho e tornozelo, desenvolvendo um ciclo de marcha próximo ao natural. Essa ideia motiva o desenvolvimento e ampliação dessa arquitetura a estudos, que consideram a dinâmica do acoplamento da prótese transfemoral.
Por meio da Figura 5.12, apresenta-se uma expansão do comportamento das extremidades inferiores acoplando a prótese transfemoral proposta. Através destes cinco ciclos de marcha expostos na simulação, pode-se notar que o sistema desenvolve uma atividade de marcha ordinária.
Figura 5.12. Simulação de múltiplos ciclo de marcha.
5.5Comentários Finais
Neste capítulo foi apresentada a abordagem da arquitetura de controle proposta, onde foi integrado o estimador de movimento desenvolvido no capítulo anterior e a modelagem e controle de um dispositivo de acionamento linear. Além disso, foram apresentados os resultados obtidos durante a simulação do comportamento da arquitetura e uma simulação do ciclo de marcha considerando a assistência da prótese. A partir disso, foram analisados os erros presentes em ambos níveis de controle, a resposta do atuador e os possíveis efeitos sobre a rotação do joelho e tornozelo.
Analisando os resultados obtidos para ambos níveis de controle, e o comportamento do dispositivo de acionamento para este tipo de sinais, confirma-se a possibilidade de abordar o controle de prótese a partir da relação de movimento entre as articulações. Convém destacar que a importância de realizar um projeto de dispositivo de acionamento, a fim de encontrar uma configuração adequada que permita-lhe acompanhar o sinal de referência do sistema.
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CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS
Esta Dissertação de Mestrado teve como principal objetivo, a implementação de uma arquitetura de controle para um dispositivo de prótese, integrando um estimador de movimento construído com a técnica MARS no nível de controle intermediário, e um controlador do tipo PID atuando em cada grau de liberdade do dispositivo (baixo nível). Para tanto, foi desenvolvido um estudo da revisão de arte que permitisse entender a problemática das amputações e obter uma visão geral das mesmas. Continuou-se com o desenvolvimento de uma análise biomecânica da marcha, que estabelece as relações cinemáticas das extremidades e a base para a construção do estimador. Nesse passo, foi necessário o estudo e análise das técnicas de regressão multivariável, que decorreu na escolha de MARS como algoritmo para o desenvolvimento do controlador intermediário. Esse foi integrado em um sistema de controle de malha fechada para um dispositivo de acionamento linear, o qual foi utilizado para a validação de resultados e a simulação da marcha, considerando a prótese controlada pela arquitetura proposta.
O presente trabalho apresenta resultados satisfatórios, portanto, demostra-se que a abordagem e a implementação da estrutura de controle proposta merece ser expandidos e aprofundados, dado que poderiam contribuir significativamente no desenvolvimento de soluções para mitigar os efeitos das amputações.
Através do desenvolvimento deste projeto de pesquisa, pode-se concluir que as próteses transfemorais projetadas para a substituição da articulação do joelho e tornozelo, na sua grande maioria podem ser divididas com base no estado da arte nos seguintes elementos: A estrutura da prótese, o mecanismo que substitui a articulação afetada, o dispositivo de acionamento que fornece o movimento, a arquitetura de controle, um sistema de sensoriamento e aquisição de dados, e a unidade de alimentação que fornece a energia aos sistemas.
Nos sistemas de controle para prótese, percebe-se nos últimos anos a normalização e consolidação do conceito da arquitetura de controle hierárquica, a qual inicialmente em grande parte dos trabalhos eram implementados através de técnicas heurísticas nos níveis superiores de controle. No entanto, nos avanços recentes começaram a ser implementadas técnicas associadas ao conceito de inteligência artificial. Esse fenômeno respalda e valida, a relevância da abordagem da arquitetura de controle proposta no presente trabalho.
A análise da biomecânica possui uma grande importância dentro do presente trabalho, devido a que através desta, consegue-se entender e descrever o processo de marcha e a partir disso definir os parâmetros de desenvolvimento do estimador. Além disso, dentro desta etapa é estabelecida a relação entre o deslocamento da extremidade e a rotação das articulações por médio de uma modelagem cinemática. Esses resultados agem como conceitos base para a validação da arquitetura, e a simulação do ciclo de marcha considerando a prótese transfemoral. O estimador de movimento implementado no presente trabalho, pode ser classificado como uma estrutura de controle intermediário, devido a sua capacidade de determinar um estado desejado da prótese, e fornecer esse valor como referência para a configuração do dispositivo de acionamento que age como articulação.
Os resultados do estimador de movimentos, permitem demonstrar a existência de uma ligação entre a rotação das articulações de ambas extremidades inferiores no ciclo de marcha. Isso respalda o estudo de novas formas de controle para prótese dinâmicas, com base em análise do comportamento dos órgãos presentes no paciente.
A principal contribuição da implementação da técnica de MARS está associada à simplicidade do seu modelo generalizado, que permite a sua fácil interpretação e implementação, além de ser um recurso que demanda um custo computacional módico, pensando na implementação dos modelos sobre placas eletrônicas utilizadas para o controle de próteses.
Por outro lado, convém destacar que o processo de obtenção do modelo de MARS para o tipo de aplicação descrita no trabalho demanda um tempo de processamento importante. Portanto, recomenda-se o desenvolvimento de testes preliminares limitando a quantidade de basis functions, e alterando as variáveis envolvidas no modelo, a fim de analisar a contribuição que essas oferecem para aumentar a qualidade da estimação.
A implementação do modelo cinemático e dinâmico, do dispositivo de acionamento dentro da arquitetura de controle, evidencia-se uma grande oportunidade de aprimorar o desempenho da interação atuador-arquitetura, através de uma etapa de projeto do sistema de acionamento para cada uma das juntas.
A integração das diferentes etapas do desenvolvimento, permitiu realizar uma comparação da marcha com duas extremidades biológicas, e a marcha com uma prótese transfemoral em uma das pernas, a qual é controlada pela arquitetura proposta.
Como proposta de trabalhos futuros pretende-se estender os resultados da arquitetura de controle exposta no presente documento, propondo-se as seguintes sugestões para desenvolvimentos posteriores.
• Validar o funcionamento e desempenho dos modelos dos estimadores de movimento (Apêndice A e B) sobre uma interface eletrônica, que permita analisar a informação de sensores de posição, como também à sinal de saída que corresponde ao ângulo do joelho e o tornozelo.
• Desenvolver a análise do comportamento dinâmico da extremidade inferior e as variáveis cinéticas envolvidas, utilizando a informação de rotação obtida na análise da biomecânica da marcha, apresentada nos capítulos anteriores.
• Expandir o trabalho a outras atividades como trotar e correr, mediante a implementação de um nível de controle de nível superior que permita identificar o tipo de atividade, explorando técnicas de classificação de dados encontradas na revisão do estado de arte.
• Tomando como base o presente trabalho, propõe-se implementar a modelagem e controle de um atuador elástico, no qual seja controlada tanto a posição do dispositivo de acionamento quanto a força de saída do mesmo.
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