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ORCID:  http://orcid.org/0009-0004-7221-5673
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2028-08-28
Title: Desenvolvimento de uma Nova Estrutura Robótica para Reabilitação Bimanual Acoplada a Jogos Sérios
Alternate title (s): Development of a New Robotic Structure for Bimanual Rehabilitation Coupled with Serious Games
Author: Vasconcelos, Gustavo Bruno Oliveira
First Advisor: Gonçalves, Rogério Sales
First member of the Committee: Silva, Leonardo Rosa Ribeiro da
Second member of the Committee: Souza, Luciane Aparecida Pascucci Sande de
Summary: As limitações funcionais dos membros superiores decorrentes de acidentes vasculares cerebrais comprometem significativamente a independência dos indivíduos, tornando a reabilitação um processo essencial para a recuperação da capacidade funcional. Nesse contexto, a robótica aplicada à reabilitação tem se consolidado como uma alternativa capaz de proporcionar exercícios repetitivos, controlados e monitorados, além de possibilitar o acompanhamento do desempenho durante a realização das atividades. O sistema desenvolvido permite a realização de exercícios repetitivos, por meio da execução contínua de movimentos durante os jogos sérios; controlados, uma vez que os movimentos são monitorados pelos encoders dos atuadores e os limites de movimentação podem ser definidos de acordo com a região de operação estabelecida; e com recursos voltados à operação segura, devido ao controle dos movimentos e à possibilidade de limitar a amplitude de atuação do mecanismo. Além disso, o registro dos dados de movimentação e das forças aplicadas pelos usuários possibilita acompanhar o desempenho ao longo das sessões e obter informações sobre sua evolução durante a utilização do sistema. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma nova estrutura robótica destinada à reabilitação bimanual dos membros superiores, composta por um mecanismo planar de cinco barras acoplado a um terceiro grau de liberdade para movimentação acoplada do membro contralateral. Inicialmente, foi realizado o dimensionamento do espaço de trabalho do mecanismo com base em dados antropométricos da população, seguido pelo desenvolvimento dos modelos geométricos direto e inverso, implementados computacionalmente para o controle da posição do efetuador. Posteriormente, foi conduzida uma otimização das dimensões das barras do mecanismo, visando reduzir suas dimensões sem comprometer a capacidade de atingir toda a região de trabalho especificada. A partir da geometria otimizada, foi realizada uma análise estática utilizando a matriz Jacobiana para determinar os torques requeridos pelos atuadores em diferentes configurações do espaço de trabalho, subsidiando a seleção dos motores empregados no protótipo. O projeto mecânico foi desenvolvido em ambiente CAD e validado por meio de análises computacionais, sendo posteriormente construído um protótipo funcional integrado a um sistema de controle baseado em Arduino e Unity. A interface desenvolvida permite o monitoramento do robô em tempo real e a execução de quatro jogos sérios também desenvolvidos durante o projeto voltados ao treinamento motor, proporcionando maior motivação durante os exercícios de reabilitação. Os resultados obtidos demonstraram a viabilidade mecânica e computacional da estrutura proposta, bem como a eficiência da integração entre os modelos cinemáticos, o sistema embarcado e dos jogos sérios desenvolvidos. Dessa forma, o sistema constitui uma plataforma de baixo custo destinada à reabilitação assistida dos membros superiores, podendo servir como base para futuras pesquisas envolvendo estratégias avançadas de controle, adaptação ao paciente e validação clínica.
Abstract: Upper-limb functional impairments caused by stroke, neurological disorders, and other motor dysfunctions significantly affect patients' independence, making rehabilitation an essential process for functional recovery. In this context, robotic rehabilitation has emerged as an effective alternative for providing repetitive, controlled, and safe therapeutic exercises while enabling continuous monitoring of patient progress. This dissertation presents the development of a novel robotic structure for upper-limb bimanual rehabilitation, consisting of a planar five-bar mechanism coupled with a third degree of freedom responsible for the movement of the contralateral limb. Initially, the robot workspace was designed based on anthropometric data, followed by the development of direct and inverse kinematic models implemented computationally to control the end-effector position. Subsequently, the mechanism dimensions were optimized to reduce the bar lengths while preserving the required workspace. Based on the optimized geometry, a static analysis using the Jacobian matrix was performed to determine the actuator torques throughout representative configurations of the workspace, providing support for motor selection. The mechanical structure was designed using CAD software and validated through computational analyses, resulting in the construction of a functional prototype integrated with an Arduino-based control system and a Unity application. The developed interface enables real-time robot monitoring and the execution of four serious games designed to promote motor training and increase user engagement during rehabilitation exercises. The results obtained demonstrated the mechanical and computational feasibility of the proposed robotic structure, as well as the effectiveness of integrating the kinematic models, embedded control system, and graphical interface. Therefore, the proposed system represents a low-cost platform for assisted upper-limb rehabilitation and provides a solid foundation for future studies involving advanced control strategies, patient adaptation, and clinical validation.
Keywords: Robótica
Robotics
Módulos Robóticos
Robotic Modules
Reabilitação Bimanual
Bimanual Rehabilitation
Jogos Serios
Serious Games
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Subject: Engenharia mecânica
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: VASCONCELOS, Gustavo Bruno Oliveira. Desenvolvimento de uma Nova Estrutura Robótica para Reabilitação Bimanual Acoplada a Jogos Sérios. 2026. 93 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.723.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.723
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/50520
Date of defense: 28-Aug-2026
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
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