De acordo com van de Woude et al. 2001), toda a dinâmica da cadeira de rodas está ligada à forma como o cadeirante interage com ela. Sendo um estado de instabilidade, segundo Kirby et al. 1995), essa facilidade de empurrar a cadeira de rodas.
Músculos
Segundo Zajac (1989), a relação força-comprimento refere-se à força isométrica que o músculo pode exercer em função do comprimento do músculo. O comportamento do músculo pode diferir quando submetido à mesma força, mas sujeito a diferentes taxas de contração (Figura 12).
Sistema músculo esquelético do membro superior
No ombro, os movimentos de anteflexão (flexão) são realizados pelos músculos bíceps longo, bíceps curto, coracobraquial, deltóide anterior e peitoral superior, e os movimentos de retroflexão (extensão) são realizados pelos bíceps longo, redondo maior e grande dorsal. De acordo com van der Woude et al. 2001), parte dos músculos ligados às articulações, que não desempenham papel direto nos movimentos realizados no plano sagital para movimentar a cadeira, desempenham outras funções, como estabilizar e neutralizar as articulações. Outros músculos acabam desempenhando papéis de pouca ou nenhuma importância na criação dos momentos nas articulações para puxar a cadeira, pelo fato de atuarem predominantemente em outros planos, como frontal e transversal.
Modelo musculoesquelético do membro superior
Este capítulo descreve os modelos e métodos utilizados para o trabalho, bem como a integração entre os programas utilizados para desenvolver o modelo matemático. Para a simulação do modelo matemático deste estudo foi considerado um indivíduo com altura de 1,70 m, que é o valor médio entre as alturas médias de homens e mulheres no Brasil, 1,75 m e 1,65 m, respectivamente, e massa corporal de 70kg. Esses valores foram obtidos do modelo original disponível no OpenSim com massa corporal de 75,68 kg e altura de 1,54 m, e a ferramenta foi utilizada para fazer essa alteração.
As características antropométricas dos segmentos corporais do indivíduo importantes para o modelo, como comprimento do braço (B), comprimento do antebraço (A), distância do centro de gravidade (CG) do braço em relação ao ombro (b), a distância do CG do antebraço em relação ao cotovelo (a), a massa do braço (mB), a massa do antebraço (mA), o momento de inércia do braço em relação ao seu CG (jB) e o momento de inércia do antebraço em relação ao seu CG (jA), foi obtido pelas informações fornecidas sobre cada membro do corpo individualmente através do menu "Navigator>Bodies" do OpenSim. Os parâmetros das forças isométricas máximas dos músculos e braços de momento no ombro e cotovelo também foram obtidos do OpenSim através do menu "Navigator>Force>Spears" e das ferramentas gráficas internas de simulação estática que fornecem informações do braço de momento ao longo do ciclo. Nos parâmetros relativos ao antebraço também estão incluídas características antropométricas quanto à massa, centro de gravidade e momento de inércia da mão, pois a massa da mão não pode ser considerada desprezível em relação à massa do antebraço.
A partir da ativação muscular, força do tendão e F isométrico máximo fornecido pelo OpenSim para o movimento descrito, o fator ki (Equação 3) para cada músculo pode ser determinado a partir de:.
Modelo da cadeira de rodas
O valor do parâmetro massa da cadeira de rodas (mCd) foi adotado com base nos valores encontrados em produtos existentes no mercado, bem como o valor da massa da roda (mR). O momento de inércia das rodas da cadeira em relação ao eixo de rotação foi calculado através da equação 4, onde mR é a massa da roda e R2 é o raio da roda. Esses valores também estão listados na Tabela 2. Conforme sugerido por Richter et al.2001) é possível criar uma representação simplificada da combinação cadeira de rodas/cadeira através de um modelo matemático utilizando um mecanismo de quatro barras para simular a propulsão da cadeira de rodas.
O modelo é composto por dois segmentos representando a mão e o antebraço do cadeirante, e outros dois segmentos representando o raio da roda e uma linha imaginária ligando o ombro ao eixo da roda traseira da cadeira, fechando assim o ciclo representado em o plano sagital do corpo humano. , que possui apenas 1 grau de liberdade dependendo do ângulo feito pela roda na distância que a manivela pode percorrer durante a tração.
Modelo do sistema cadeira de rodas/cadeirante
Conforme relatado por outros autores na revisão da literatura, a posição do eixo da roda traseira da cadeira de rodas em relação ao ombro do cadeirante é o fator mais importante na mudança de desempenho durante o ciclo de tração da cadeira de rodas, sendo o parâmetro 'h' relativo ao posicionamento horizontal . e o parâmetro 'v' relativo ao posicionamento vertical, conforme mostrado na Figura 21. Os braços do cadeirante e a borda propulsora das rodas da cadeira estão localizados em planos paralelos ao plano sagital, sendo permitidos movimentos em apenas duas direções, ântero-posterior' x' e vertical 'y';. Se ignorarmos o deslizamento da roda em relação ao piso, o modelo completo (Figura 22) torna-se um mecanismo de quatro barras com um único grau de liberdade.
A orientação da roda γ, do braço β e do antebraço α depende do deslocamento horizontal do ombro preso à cadeira de rodas x. Centro de gravidade do ponto CGA no antebraço Centro de gravidade do ponto CGB na mão Centro de gravidade da roda Ponto CGE. Ângulo entre o braço e a linha vertical Ângulo 'β' (beta) em graus Ângulo entre o cotovelo e a linha vertical Ângulo 'α' (alfa) em graus Ângulo de rotação da roda da cadeira Ângulo 'γ' (gama) em graus Altura individual Parâmetro hPes = 1.700 m .
Aceleração da gravidade Parâmetro "g" = 9,81 m/s² Distância do ombro ao eixo - horizontal Parâmetro 'h' em metros Distância do ombro ao eixo - vertical Parâmetro 'v' em metros Ângulo de rampa Ângulo "nove" em graus Ângulo inicial para posição da mão Ângulo "φ" em graus Posição inicial para deslocamento do ombro Posição "xOi".
Problema de indeterminação neuromuscular
Integração entre os modelos do OpenSim e do Matlab
O programa Matlab que contém o modelo mecânico do sistema utiliza estes parâmetros ki e os braços de momento também retirados do OpenSim para construir a matriz A na Equação 10.
Métodos aplicados
Para simular o modelo em situação de equilíbrio quase estático, leva-se em consideração uma velocidade de deslocamento do punho extremamente baixa (0,001 m/s), o que resulta na resposta dos músculos na situação dada. A faixa total de ajuste do eixo da roda traseira é de 0,30 m na vertical e 0,50 m na horizontal, levando em consideração variações de ajuste com incrementos de 0,05 m entre os valores extremos. O ponto de referência para os ajustes horizontais do modelo (h=0,00 m) é a posição em que o ombro e o eixo da roda traseira da cadeira estão alinhados verticalmente.
A partir deste ponto é possível deslocar o eixo da roda traseira para trás representando valores negativos de h até uma distância de -0,45 m e 0,05 m à frente da linha de referência vertical. Ao ajustar a altura v, os valores propostos para o estudo ficam na faixa de 0,50 m a 0,80 m do acostamento ao eixo da roda. No primeiro estudo, no posicionamento entre o ombro e a roda da cadeira de rodas, a análise é quase estática, ou seja, o movimento ocorre em baixa velocidade de forma que a influência das forças inerciais é desprezível.
No segundo estudo, que investiga a influência da velocidade no esforço de propulsão, é realizada uma análise dinâmica considerando a velocidade constante da cadeira de rodas.
Análise – Ajuste da posição do ombro em relação à roda
Na tabela da Figura 24, tendo em conta os valores para a inclinação de 0,00 graus da encosta, é possível observar uma zona onde os resultados de custo médio apresentam valores mais baixos, em torno de 0,002, que corresponde às células da planilha estes mostram os valores de ajuste vertical v entre 0,55 e 0,60 m e os valores de ajuste horizontal h entre -0,15 a -0,35. Ao analisar esses set points horizontais para os demais ângulos de inclinação é possível observar que os valores médios de custo são menores na região em torno do set point h em -0,25 m. Para resultados formatados como nas tabelas da Figura 24, há é uma maior distribuição de células com valores de baixo custo (em verde) nas colunas para ajustes verticais v entre 0,55 e 0,60 m e também para valores de h em torno de –0,25 M.
Os valores de custo médio comparados nesta análise mostram que o alinhamento usual (Figura 27-A) exige um custo médio aproximadamente quatro vezes maior que o alinhamento na região considerada ótima segundo os critérios biomecânicos utilizados (Figura 27-B), conforme pode ser observado na Figura 24. Chamam a atenção os maiores valores de custo médio, devido ao fato dos músculos possuírem maiores valores de ativação necessários para manter o grupo em equilíbrio estático em uma rampa. Os momentos possuem valores de pico cerca de três vezes maiores que aqueles para a condição de inclinação zero.
Um contraste com esta análise anterior é o fato de existirem amplitudes de custos menores, ou seja, variações menores nos valores de custos ao longo do ciclo nas menores faixas de ajuste de altura v, o que pode ser notado nos valores 0. 55 e 0,60 m, e o comprimento do arco percorrido (variação do ângulo γ) também é maior.
Análise – Dinâmica do conjunto
Buscou-se encontrar as condições de menor custo para ativação muscular de acordo com a posição do eixo da roda traseira da cadeira, para diferentes condições de inclinação da rampa. O próximo estudo investigou o efeito da velocidade da cadeira de rodas e do aro sobre o esforço muscular, com ênfase na análise da influência das forças dinâmicas e da relação força-velocidade muscular em condições de aumento de velocidade. O primeiro estudo mostra claramente que pequenas mudanças na posição relativa entre o eixo do ombro e a roda traseira podem levar a grandes diferenças em termos de esforço de impulso.
O estudo revela ainda que os ajustes básicos de posicionamento do eixo da roda traseira disponíveis em uma cadeira de rodas convencional não são necessariamente suficientes para garantir o mínimo esforço e que os ajustes usuais propostos na literatura, considerando o eixo da roda traseira colocado verticalmente com o ombro, podem não ser considerado o mais favorável do ponto de vista do esforço muscular. Este resultado destaca a importância de considerar as forças inerciais ao estudar a propulsão de cadeiras de rodas. Por outro lado, como mencionado anteriormente, esses arranjos em que a roda traseira se move para trás em relação ao ombro podem prejudicar a capacidade de realizar determinadas manobras, como manobras de mudança de direção e manobras de “roda”, porque posicionam o centro. de gravidade do conjunto mais avançado em relação ao centro da roda traseira.
Desprezando o deslizamento das rodas em relação ao piso, o modelo completo (Figura 1) torna-se um mecanismo de quatro barras com um único grau de liberdade, no qual a orientação da roda γ, braço β e braço α dependem do deslocamento horizontal do ombro preso à cadeira de rodas x. O ombro 'O' do modelo foi definido como origem da base de referência do grupo cadeirante e do cadeirante na Figura 1. Representação gráfica do volante e da mão (gráfico para melhor compreensão da posição do braço do cadeirante com rodas em relação à roda da cadeira).
