Plataforma de estudos do sinal eletromiográfico para aquisição, análise e acionamento da prótese na mão

      O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento e a implementação de uma plataforma de estudos do sinal biológico eletromiográfico (EMG) com o intuito de ser uma ferramenta eficiente no futuro desenvolvimento de prótese de mão robotizada de alta tecnologia e mais baixo custo na instituição IFSP.

      Esta plataforma permite condicionar este sinal, analisar seu comportamento, além de possibilitar a adequação do mesmo para que possa servir de ferramenta no acionamento eletromecânico da prótese.

      O sinal EMG, aqui estudado, é uma pequena corrente elétrica que é liberada quando um músculo é contraído. Este sinal pode ser medido, colocando elementos condutores invasivos ou eletrodos na superfície da pele sobre a região do músculo.

      Este sinal pode ser lido a partir de dois grupos diferentes de músculo do antebraço superior, onde então poderá ser analisado e diagnosticado seu padrão, permitindo ainda gerar sinais de controle que poderão controlar o movimento de uma prótese de mão ou outros tipos de mecanismos.

      A plataforma é composta por: eletrodos não invasivos, cabos, duplo amplificador de sinais EMG, um software de aquisição e monitoramento em ambiente PC para a análise e determinação de padrões deste sinal e ainda um sistema duplo de drivers eletrônicos para dois motores DC para acionamento de mecanismo de prótese de mão, por exemplo, além de uma sugestão de prótese mecânica, todos aqui apresentados.

      Contém também um programa de monitoração para PC via USB com algumas funções versáteis como a de filtrar e condicionar o sinal bem como: a visualização no domínio do tempo, da freqüência, o valor RMS e integração(IEMG) destes sinais, permitindo que um pesquisador desta área tenha um dispositivo de baixo custo e excelente eficiência podendo ser utilizado para fins diversos nas áreas como as de: reabilitação, fisioterapia, fisiologia para o esporte entre outras áreas relacionadas a biomédica.

Uma arquitetura de sistema para supervisão e controle de robôs via web baseada na linguagem natural

      Alguns recentes avanços tecnológicos nas áreas da robótica, da inteligência artificial e das redes de comunicação são abordados de forma pragmática ao se fazer uma proposição de solução de acionamento de um robô à distância com linguagem natural.

      Foram abordados conceitos como a progressão “dado – informação – conhecimento”, noções suficientes sobre descoberta de conhecimento (knowledge discovery), definição e estruturas da linguagem natural comparativamente às linguagens artificiais, o Processamento da Linguagem Natural ou Linguística Computacional, sua implementação através de métodos determinísticos e estocásticos (estatísticos), da cadeia oculta de Markov (Hidden Markov Model ou HMM), dos autômatos de estados finitos, do algoritmo de Viterbi, das redes Beyasianas e a importância do uso de ontologias bem planejadas para obtenção dos resultados esperados.

      Para a implementação prática, foi proposta uma solução simples, que pudesse servir como prova de conceito funcional do uso conjunto das tecnologias em questão. Nenhum recurso especial foi usado tendo-se em vista o objeto de propor uma solução facilmente acessível, mesmo que baseada em novas tecnologias. A solução implementada consiste de:

      a) Um robô nacional de propósito educativo, acionado por um canal de comunicação sem fio, com uma API (Advanced Programming Interface) disponibilizada pelo fabricante;

      b) Um ambiente de desenvolvimento integrado com uma linguagem de programação que permitem desenvolvimento rápido de aplicações (e de baixo custo) e é suportada tanto pela iniciativa privada (Microsoft) quando pela comunidade de software livre (Mono); e

      c) Uma arquitetura de integração orientada a serviços, que pode ser descentralizada e configurada de acordo com uma variedade aplicações e contextos de utilização.

      São os recursos presentes no robô que definem quais serviços estariam disponíveis para acionamento pela interface natural. Outros robôs ofereceriam recursos diferentes e, consequentemente, outros serviços . Caso fossem utilizados mais de um robô, um novo elenco de serviços poderia ser elaborado, tendo-se em vista a possibilidade de trabalho cooperativo. Foram detalhadas as formas disponibilizadas de comunicação, para seu acionamento e controle.

      Por fim, a arquitetura descentralizada de integração entre essas tecnologias é apresentada em frente à solução prática proposta. São avaliadas as funcionalidades tornadas possíveis, a potencialidade das novas que podem ser criadas, sua capacidade de conformação às características do robô (ou dos robôs) que venham a ser usados e as diversas interfaces homem-máquina que podem ser conectadas para acionamento dos serviços existentes. Na conclusão foram incluídas sugestões de desenvolvimentos futuros e outras implementações.

      Dentre as possibilidades da solução proposta, algumas foram elencadas naturalmente pela sua aparente relevância e são apresentadas juntamente da contextualização teórica, assim como algumas limitações previstas. Outras limitações adicionais surgiram e foram acrescentadas após a realização dos testes práticos.

      Os problemas de implementação e as soluções encontradas, ou mesmo as condições onde a solução não foi encontrada, ilustram um panorama de interação entre essas novas tecnologias no contexto de uma aplicação prática.

Simulação de controle em aplicação de estímulo elétrico funcional

      Através do uso do Musculoskeletal Modeling Software (MSMS) em conjunto com Matlab – Simulink, desenvolveu-se uma ferramenta denominada Modelo de Controle e Simulação Musculoesquelética (MCSM), que permite simular um gerador de estímulo elétrico em conjunto com um controlador PID, atuando sobre um modelo musculoesquelético simulado por computador. Sendo assim, é possível simular a resposta muscular a um estímulo elétrico, contribuindo para reduzir o uso de seres humanos em etapas preliminares do desenvolvimento de órteses de estímulo elétrico funcional (FES), como exemplo de aplicação, simula-se uma órtese FES que atua sobre os músculos do bíceps e do tríceps para alcançar o posicionamento angular do braço em relação ao antebraço de uma pessoa.

      São explorados conceitos importantes sobre ativação muscular provocada por impulso elétrico, suas aplicações e limitações, permitindo compreender detalhes do desenvolvimento do MCSM através da aplicação proposta, onde o braço simulado é posicionado em vários ângulos diferentes simulando uma movimentação que garanta certo grau de independência a pacientes que sofram de limitações motoras, valorizando a movimentação mais que sua execução harmoniosa.

      Para alcançar esse resultado, os ganhos do controlador PID foram obtidos através do métodos experimental proposto por Ziegler–Nichols fazendo uso de dois critérios de cálculos, permitindo determinar a melhor abordagem para sintonia dos ganhos PID resultando em um comportamento mais realista para o MCSM.

      A partir dos testes realizados para ângulos de posicionamento predefinidos, gerou-se curvas de tendência para os ganhos PID, onde supõe-se que a variação de ganhos entre pontos conhecidos possa ser representada através de uma reta, o que permite calcular o valor dos ganhos em posições angulares intermediárias, através da simples interpolação dos pontos conhecidos. Essa tratativa contribui para o desenvolvimento de um controlador de sintonia automática dos ganhos PID, em ângulos intermediários partindo de ângulos predefinidos.

      Verificou-se que um critério de cálculo não convencional dos ganhos PID para o método de Ziegler–Nichols permite uma movimentação mais coerente com o conceito de funcionalidade esperado para uma órtese FES, gerando contribuição significativa para o desenvolvimento de dispositivos biomecânicos, que permitam maior independência motora, a pacientes com restrição de movimento e boa integridade muscular.

Estudo da eletromiografia e de técnicas para captura de sinais mioelétricos

      O projeto apresentado se trata do desenvolvimento de método para captação e interpretação de sinais mioelétricos provenientes da inervação motora das extremidades superiores para aplicação no controle de uma prótese de membro superior, mais especificamente mão.

      Os métodos atuais disponíveis no mercado possuem formas restritas de captura e controle pelo usuário e é limitada a pouca quantidade de graus de liberdade que fornecem como saída. A proposta desse trabalho está relacionada com outro projeto do mestrado no IFSP, cujo qual também atuará com o controle da prótese, que é de desenvolver um mecanismo com maior facilidade para captação, adaptação pelo usuário e maior precisão que os atuais podendo ser utilizado comercialmente em curto prazo e baixo custo. É um método que integra os movimentos intrínsecos de controle do paciente sem requerer grandes adaptações, permitindo um controle e utilização da prótese de forma mais natural e fisiológica pelo paciente.

      Serão testados os sinais captados por diversos eletrodos e suas diferentes configurações para obtenção da melhor combinação proveniente da análise de referências a cerca da aplicação do sinal mioelétrico.

Desenvolvimento do mecanismo de uma prótese de mão

      Os projetos relacionados à reabilitação ainda estão muito atrasados no Brasil, em relação aos países desenvolvidos, e este é um dos principais motivos que deixam as próteses disponíveis no mercado com preços elevados, e às vezes inacessíveis aos amputados com baixa renda.

      Considerando a necessidade de haver uma prótese em um patamar intermediário em relação a avanço tecnológico, além do custo acessível, esta iniciação tecnológica objetiva o desenvolvimento de um protótipo virtual, e posteriormente um protótipo físico em prototipagem rápida, da estrutura mecânica de uma mão antropomórfica para ser utilizada em uma prótese mioelétrica de membro superior.

      Este trabalho faz parte de um projeto de maior magnitude, que envolve todo o desenvolvimento de uma prótese mioelétrica, desde a captação do sinal emitido pelo cérebro através dos músculos, até o processamento e controle deste sinal movimentando a estrutura mecânica desenvolvida.

Sistema de sensor para sinais mioelétricos

      O projeto apresentado se trata do desenvolvimento de um sistema de sensores capaz de identificar os sinais mioelétricos da atividade muscular. Durante a atividade de contração muscular são gerados Sinais Mioelétricos (SME). Esses sinais oriundos do encéfalo são transmitidos através do sistema nervoso periférico por sinapses dos neurônios para as Unidades Motoras.

      Com a identificação desses sinais é possível dar entradas para controlar próteses de membro superior, permitindo abrir e fechar uma mão, por exemplo. Este trabalho faz parte de um projeto em andamento no IFSP sobre próteses de membro superior (MS) que aglutina alunos da graduação e do mestrado. O projeto vem gerando resultados positivos e será de grande valia científica e social.

Desenvolvimento do protótipo do mecanismo de atuação de prótese de membro superior

      Este trabalho é continuação do projeto Desenvolvimento mecânico de uma prótese de mão que já teve resultados publicados em dois congressos e apresentado na feira internacional de reabilitação REATECH em 2011 e 2012.

      Neste momento o projeto apresentado tem a finalidade de permitir o dimensionamento, projeto e execução do mecanismo de atuação dos dedos da prótese de mão. A atuação se dará a partir de motores brushless com caixa de redução e encoder conectados a um sistema de transmissão de potência concebido por polias e cabos acoplado aos atuadores.

       O conjunto atuadores /transmissão será encarregado de permitir a movimentação da prótese, abrir e fechar da mão, controlada pelo software e pela placa de controle em desenvolvimento (outro projeto).

      Este projeto faz parte do trabalho de um grupo de pesquisa em prótese de membro superior e se encaixa junto ao projeto de desenvolvimento mecânico da prótese em desenvolvimento e já bastante adiantado por outro aluno de iniciação cientifica. O grupo possui outras frentes trabalhando com os sinais mioelétricos do corpo humano para serem utilizados no controle da prótese, desenvolvido por alunos de IC e do mestrado do IFSP.

      O projeto colabora para a apoio do Laboratório de Robótica e Reabilitação (LABORE) que está em implantação no campus São Paulo, contando com uma máquina de prototipagem rápida FDM, um scanner 3D entre outros equipamentos em implementação.

Estudo da eletromiografia e de técnicas para captura e processamento de sinais mioelétricos segundo módulo

      Este trabalho tem o objetivo de realizar a implementação de um sistema que reconheça o sinal EMG e apresente como saida um sinal de controle a ser utilizado em sistemas de reabilitação.

      Neste estudo serão avaliadas duas técnicas de filtragem para o sinal mioelétrico a fim de atenuar a interferência dos principais ruídos que corrompem este sinal.

      Também será implementado e analisado um sistema simplificado de reconhecimento dos padrões para este sinal, realizado por meio de uma rede neural artificial, em que será aplicado em sua entrada o própio sinal mioelétrico e/ou suas características obtidas por processamentos matemáticos.