Functional movement modeling for robot-assisted upper limb rehabilitation: the case of a simulated reduced-freedom anthropomorphic manipulator

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Artigo Original
Volume 28, Número 1, p. 3-10, 2012

DOI: 10.4322/rbeb.2012.001

Functional movement modeling for robot-assisted upper
limb rehabilitation: the case of a simulated reduced-freedom
anthropomorphic manipulator
Fernando Gonçalves Abadia, Paulo Roberto Pereira Santiago, Marco Antônio Assfalk de Oliveira,
Marcus Fraga Vieira*
Abstract This paper presents the results of anon-going investigation into the use of an anthropomorphic robotic
manipulator with three degrees of freedom (two DOF shoulder joint and one DOF elbow joint) for rehabilitation
of a human upper arm. The reduction to three DOF for this manipulator allows for a simpler project, leading to
a lower cost of production and maintenance: important factors for its intended wide-spread use in financiallyrestricted areas, e.g., the state of Goiás, Brazil. The project focuses on determining the variations observed for
a class of trajectories known as functional movements. These functional movements are trajectories realized
when a limb is used for a given function, e.g., combing the hair. In this present paper we use three functional
movements: hair combing, bringing a cup to one’s mouth and awaving movement. We describe how these
functional movements are acquired from test subjects and compared in computer simulations to the equivalent
functional movements of our proposed reduced-order anthropomorphic manipulator. Our research indicates
that the errors incurred in using a reduced-order shoulder joint are well within the observed variation in the
functional movements of human subjects,when compared among different subjects and also between similar
functional movements of any one given human subject. Despite the limitations, the proposed manipulator
would be viable for rehabilitation of patients in early phases of a stroke, at lower cost of production.
Keywords

Functional movements, Robot-assisted rehabilitation, Anthropomorphic manipulator.

Modelagem de movimentosfuncionais para reabilitação de membros
superiores assistida por robô: caso de um manipulador antropomórfico
simulado com reduzidos graus de liberdade
Resumo

Este trabalho descreve os resultados de uma investigação do uso de um manipulador robótico antropomórfico
de três graus de liberdade (dois GDL na articulação do ombro e um GDL na articulação do cotovelo) na
reabilitação do membrosuperior humano. A redução feita para três graus de liberdade deste manipulador
permite a elaboração de um projeto mais simples, levando a custo de produção e de manutenção reduzidos,
fatores importantes tendo em vista que se pretende o seu uso em larga escala em áreas de baixa renda, como
o estado de Goiás, Brasil, por exemplo. O projeto teve como principal objetivo determinar as variaçõesobservadas em uma classe de trajetórias conhecidas como movimentos funcionais. Estes movimentos funcionais
são trajetórias percorridas pelo membro quando em uso em uma determinada ação, por exemplo, pentear o
cabelo. Neste trabalho, foram utilizados três movimentos funcionais: pentear o cabelo, trazer um copo à boca
e o movimento de acenar. Foi descrito como esses movimentos funcionais foram capturadosde voluntários e
comparados a simulações em computador de movimentos funcionais equivalentes do manipulador robótico
antropomórfico proposto. Essa pesquisa indica que as limitações advindas do uso de uma articulação do
ombro com redução de um grau de liberdade estão próximas das variações observadas em movimentos
funcionais humanos, quando comparados entre diferentes indivíduos e também entremovimentos funcionais
semelhantes de um dado indivíduo. A despeito dessa limitação, o manipulador proposto seria viável na
reabilitação de pacientes durante a fase inicial de um acidente vascular encefálico, a um baixo custo de
produção.
Palavras-chave

Movimento funcional, Reabilitação assistida por robô, Manipulador antropomórfico.

*e-mail: marcus.fraga.vieira@gmail.com
Recebido:...
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