BRAO ROBTICO UTILIZANDO ATUADORES DE SRIE ELSTICA PARA

APLICAO EM ROBTICA PARA REABILITAO

Apresentador: Leandro Tom Martins

Orientador: Rodrigo da Silva Guerra

Co-autores: Reinhard Gerndt e Roberta Pretto

Centro de Tecnologia, Univ. Federal de Santa Maria,

Av. Roraima, 1000, Santa Maria, RS, Brazil

{leandromartins,robertapretto}@mail.ufsm.br,

rodrigo.guerra@ufsm.br

Ostfalia Univ. of Applied Sciences, Dept of Computer Sciences,

Am Exer 2, 38302 Wolfenbttel, Germany

r.gerndt@ostfalia.de

1 INTRODUO

As disfunes cerebrais que causam uma diminuio da destreza nos movimentos nos

membros superiores dos seres humanos so problemas que assolam cada vez mais a sociedade

mundial. Na tentativa de diminuir os efeitos dos prejuzos causados pela incapacidade de

alguns movimentos, a reabilitao amplamente utilizada. Constantemente buscam-se

solues na robtica para reabilitao para aprimorar a dinmica e compensar a perda da

capacidade motora dos pacientes. Diversos prottipos robticos para reabilitao de membros

superiores podem ser encontrados na literatura. Como exemplo pode ser citado o MIT-

MANUS [1], [2], o qual, em sua primeira verso, foi caracterizado por uma estrutura com

dois graus de liberdade para a reabilitao do ombro e cotovelo do paciente, aps, um terceiro

grau de liberdade foi adicionado para a reabilitao do pulso.

Os sistemas robticos utilizados para reabilitao so cooperativos, pois possuem

interface de contato fsico entre o rob e o usurio [3]. Isso quer dizer que a pessoa est em

contato direto com o rob exigindo, assim, uma interao segura e eficiente. Um problema

frequentemente encontrado so os atuadores que, por sua vez, so atuadores tipicamente

rgidos e resultam em robs com juntas rgidas. Uma soluo cada vez mais empregada a

utilizao de atuadores de srie elstica, para se aproveitar as propriedades da elasticidade nos

sistemas robticos.

A maioria das solues que empregam elasticidade no design das juntas dos robs

podem ser divididas em dois grupos: (1) elasticidade ativa ou simulada e (2) elasticidade

passiva ou real. A elasticidade simulada obtida por software, controlando-se continuamente

a impedncia de sada dos motores eltricos. A elasticidade real ou passiva obtida atravs do

emprego de elementos elsticos fsicos, tipicamente molas, no mecanismo das juntas.

Pesquisadores e roboticistas espalhados pelo mundo debatem as vantagens e desvantagens

entre a escolha da elasticidade ativa versus a elasticidade passiva [4]. No entanto, no que diz

respeito a interao homem/rob, h um consenso de que a elasticidade passiva garante maior

segurana [5].

2 OBJETIVOS

Este projeto tem por objetivo o desenvolvimento de um brao robtico com dois graus

de liberdade utilizando em suas juntas os atuadores de srie elstica. Estes atuadores de srie

elstica possuem a capacidade de desacoplar a inrcia da carga da inrcia do motor

garantindo, dessa forma, uma interao mais segura com o usurio, controle de torque de cada

motor e uma melhor proteo das partes mecnicas do sistema.

3 METODOLOGIA

O brao robtico trata-se de um prottipo de um rob planar com dois graus de

liberdade e seu projeto envolve conhecimentos em diversas reas, principalmente em

mecnica, eletrnica, redes de comunicao e software.

3.1 Mecnica

A estrutura mecnica do brao robtico utiliza peas metlicas resultantes do projeto de

um rob humanoide desenvolvido pela Universidade de Ostfalia. As estruturas das pernas

desse rob humanoide foram utilizadas como elos do brao robtico. A base do brao

robtico foi feita utilizando uma barra de perfil de alumnio cortada que fixa em uma chapa

tambm de alumnio. A Figura 1 mostra a estrutura do brao robtico montada.

Figura 1: Estrutura mecnica do brao robtico.

3.2 Controle das juntas utilizando Atuador de Srie Elstica

O Atuador de srie elstica caracterizado pela associao de um elemento elstico

em srie com a sada de um servo motor rgido convencional adicionando elasticidade ao

acoplamento. Estes atuadores so utilizados no brao robtico para controle das juntas do

mesmo inserindo caratersticas elsticas na dinmica do rob.

O elemento elstico constitudo por um conjunto de quatro peas que so

posicionadas entre o servo motor e uma carga proporcionando um desacoplamento da inrcia

do motor em relao a inrcia da carga. Essas peas foram projetadas em software CAD

visando a fabricao simples de um mecanismo padronizado e modular capaz de ser

facilmente adaptado em diferentes robs e so mostradas na Figura 2.

Figura 2: Peas que compem o Atuador de Srie Elstica.

3.3 Eletrnica

Dois circuitos eletrnicos responsveis pela adaptao, leitura e interface do encoder

magntico com um protocolo de comunicao foram desenvolvidos, a fim de medir a

deflexo do elemento elstico causado pela atuao de uma fora contrria atuao do servo

motor. Estes circuitos podem ser vistos na Figura 3.

Figura 3: Circuitos eletrnicos implementados.

4 RESULTADOS E DISCUSSES

Um teste foi realizado para estimar a rigidez do elemento elstico. Esta rigidez dada

pela frmula

, onde o torque externo exercido, a deflexo do elemento

elstico medida e a rigidez do elemento elstico.

Dessa forma, a medio via software de foi possvel atravs da leitura do

magnetmetro, ou seja, corresponde somente ao ngulo formado pela deflexo do

elemento elstico e no possui relao com o ngulo do servo motor. Foi utilizada uma clula

de carga e, dessa forma, o torque externo foi fixado em um valor desejado.

Este mesmo procedimento foi repetido para diferentes valores de massa, resultando na

curva que est mostrada na Figura 4.

Figura 4: Curva obtida de ensaio.

5 CONCLUSES

Neste trabalho abordou-se o desenvolvimento de um brao robtico utilizando juntas

elsticas capaz de auxiliar na reabilitao de pessoas com disfunes motoras de seus

membros superiores. O trabalho encontra-se ainda em desenvolvimento, mas j se pde

perceber a presena dos efeitos da elasticidade no sistema, tais como absoro de impactos.

Durante a execuo dos testes o sistema mostrou perceber a inteno do usurio e,

com isso, aceitar que usurio tivesse o controle do movimento do rob. No entanto, o torque

aplicado para tentar corrigir o movimento foi muito baixo e o brao pode ser facilmente

desviado da trajetria que havia detectado anteriormente.

Como direes futuras, espera-se um aprimoramento no software do rob a fim de

obter-se a resposta desejada perante o desvio da trajetria calculada pelo software e, assim,

resultando na correo do movimento. Espera-se tambm a realizao de mais testes para uma

melhor validao dos experimentos.

6 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] Krebs H.I, Hogan N., Aisen M.L, and Volpe B.T. Robot aided neurorehabilitation. IEEE

Transactions on Rehabilitation Enngineering, 6(1): 75-87, 1998.

[2] Volpe B.T., Krebs H.I. and Hogan N. Robot-aided sensorimotor training in stroke

rehabilitation. Adv. Neurol., 92: 429-433, 2003.

[3] J. V. G. Robertson, N. Jarrass, A. Roby-Brami. Rehabilitation robots: a compliment to

virtual reality. Schedae, 6(1): pp. 77-94, 2010.

[4] W. Wang, R. N. K. Loh, E. Y. Gu, Passive compliance versus active compliance in

robot-based automated assembly systems. Industrial Robot, 25(1): pp. 48-57, 1998.

[5] L. T. Martins, R. M. Pretto, R. Gerndt, R. Guerra. Design of a Modular Series Elastic

Upgrade to a Robotics Actuator. Symposium RoboCup 2014 submission, 2014.