Publicação: Desenvolvimento de sistema para controle de velocidade de esteiras ergométricas
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::SISTEMAS ELETRICOS DE POTENCIA, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
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Resumo
O emprego de estruturas robóticas para reabilitação da marcha humana pode facilitar o
trabalho de profissionais da saúde envolvidos no processo e auxiliar na recuperação do
indivíduo. Neste contexto, a estrutura denominada HOPE-G está sendo desenvolvida no
Laboratório de Automação e Robótica (LAR) da Faculdade de Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Uberlândia. O objetivo é desenvolver um sistema que faça com
que o indivíduo realize o máximo possível do protocolo de reabilitação sem restringir
a movimentação natural do indivíduo. Dentre os elementos que compõem a HOPE-G,
encontra-se uma esteira bipartida, isto é, duas esteiras posicionadas lado a lado que serão
utilizadas no reaprendizado do caminhar. A ideia é fazer com que as esteiras se movimentem
em velocidades ligeiramente diferentes, forçando o indivíduo a adotar ritmos
distintos de passo em cada perna. Isso pode auxiliar na recuperação da coordenação das
pernas. Para que a HOPE-G funcione adequadamente, é necessário desenvolver um sistema
de controle e um circuito eletrônico que façam com que as esteiras sigam referências
de velocidade fornecidas por um profissional da saúde ou um sistema externo. São esses
os objetivos do presente trabalho. Mais especificamente, objetiva-se desenvolver e implementar
controladores de velocidade para as esteiras da HOPE-G. O trabalho é realizado
modificando-se esteiras ergométricas comerciais já disponíveis no LAR, para reduzir o
tempo de desenvolvimento do trabalho. Inicialmente, tais esteiras foram modificadas de
forma a possibilitar a medição das velocidades e a alteração das velocidades por meio
de um Arduino UNO sem atrasos significativos. Então, através de ensaios experimentais,
foram obtidos modelos matemáticos para descrever a relação entre a tensão média
aplicada ao motor e a velocidade linear desenvolvida pelas esteiras. A partir desses modelos,
projetam-se dois controladores (um para cada esteira) utilizando o lugar geométrico
das raízes. Os desempenhos desses controladores são verificados por meio de simulações
e testes experimentais. Ambos mostram que os controladores conseguem fazer com que
as velocidades das esteiras sejam guiadas para valores de referência de acordo com os
requisitos de projeto. Com a presença de um paciente sobre as esteiras, as performances
dos controladores foram afetadas devido à inconsistência da marcha humana. Entretanto,
considerou-se que os resultados foram satisfatórios com as velocidades medidas mantendose
em torno de 20 % das referências estabelecidas, cumprindo assim com a proposta do
projeto.
Abstract
The use of robotic structures for human gait rehabilitation can facilitate the work
of healthcare professionals involved in the process and assist in the individual’s recovery.
In this context, the structure named HOPE-G is being developed at the Automation and
Robotics Laboratory (ARL) of the Federal University of Uberlândia’s Mechanical Engineering
Faculty. The goal is to develop a system that allows the individual to perform as
much of the rehabilitation protocol as possible without restricting the natural movement
of the individual. Among the elements that compose HOPE-G, is a split treadmill, i.e., two
treadmills positioned side by side that will be used in gait retraining. The idea is to make
the treadmills move at slightly different speeds, forcing the individual to adopt distinct
step rhythms on each leg. This can help in the recovery of leg coordination. For HOPE-G
to function properly, it is necessary to develop a control system and an electronic circuit
that make the treadmills follow speed references provided by a healthcare professional or
an external system. These are the objectives of the present work. More specifically, the
aim is to develop and implement speed controllers for HOPE-G’s treadmills. The work is
carried out by modifying commercially available ergometric treadmills already present in
ARL, to reduce the development time. Initially, these treadmills were modified to enable
speed measurement and speed adjustment through an Arduino UNO without significant
delays. Then, through experimental tests, mathematical models were obtained to describe
the relationship between the average motor voltage applied and the linear speed developed
by the treadmills. From these models, two controllers (one for each treadmill) are
designed using the root locus method. The performances of these controllers are verified
through simulations and experimental tests. Both show that the controllers can guide the
treadmills speeds to reference values according to project requirements. With a patient
on the treadmills, the performances of the controllers were affected due to the inconsistency
of human gait. However, it was considered that the results were satisfactory with
measured speeds remaining around 20 % of the established references, thus fulfilling the
project proposal.
Palavras-chave
Reabilitação da marcha humana, Human gait rehabilitation, Controle de velocidade de motor CC, DC motor speed control, Malha fechada, Closed-loop control, Controle clássico, Classical control
Citação
NOBRE, Rafael Lins. Desenvolvimento de sistema para controle de velocidade de esteiras ergométricas. 2024. 60 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecatrônica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024.
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