Como conceber um exoesqueleto

Um exoesqueleto tem de ser leve, compacto, eficiente, fiável e fácil de utilizar — nada mais simples, certo? Vários responsáveis pelo desenvolvimento em todo o mundo dedicam-se a esta matéria com diferentes graus de sucesso. Christian Bermes, Chefe de Equipa da VariLeg enhanced explica a que se resume tudo isto.

Sistema mecânico

“Emular a marcha humana com sistemas mecatrónicos é um enorme desafio de engenharia. A estrutura que suporta a pessoa tem de ser a mais leve possível, mas também robusta, pois cada quilo adicional tem um impacto nos sistemas de acionamento. Por esta razão, muitas vezes são utilizados materiais leves, tais como o carbono. Também é importante que o exoesqueleto não seja demasiado largo, pois o piloto tem de ser capaz de passar por qualquer porta sem dificuldade”.

Acionamentos

“Os sistemas de acionamento compostos por um motor e redutor têm de proporcionar um elevado binário. Forças enormes entram em ação, especialmente ao subir e descer escadas. Ao mesmo tempo, é necessário um elevado nível de dinâmica, porque os motores devem mudar constantemente o sentido de rotação devido ao movimento da marcha. O artigo final da lista de desejos é um design compacto que ocupe o menor espaço possível”.

Interface de utilizador

“Os pilotos têm de ter o controlo total da sua locomoção, pelo que os controlos do movimento têm de ser concebidos de forma a serem acessíveis e intuitivos. Além disso, para assegurar que a interface transmite de forma fiável as enormes forças em causa, protegendo ao mesmo tempo a pele sensível do piloto, tem de ser ajustado individualmente às pernas e tronco do piloto”.

Piloto e experiência

“Este é provavelmente o ponto mais importante. Na prática, o funcionamento adequado de um exoesqueleto depende principalmente do piloto, que deve habituar-se à assistência robótica e aprender a utilizá-lo da melhor forma possível. Algumas pessoas confiam mais na força, outras mais na técnica. De qualquer forma, o funcionamento requer muito treino.”

Graus de liberdade

“Quantos graus de liberdade devem existir? Essa é uma questão complicada. Os designers de exoesqueletos optam frequentemente por dois graus de liberdade por perna, pelo que apenas a anca e o joelho se movem. As vantagens disto são: menos peso, um sistema de controlo mais simples e, por isso, menos fontes de erro. Contudo, é possível ter três ou quatro graus de liberdade. Isto significa que se pode ter movimento lateral, por exemplo, ou acionar adicionalmente o tornozelo. Isto proporciona ao piloto uma liberdade de movimento adicional e uma maior estabilidade em superfícies irregulares. Por outro lado, isto torna todo o sistema mais pesado e mais complexo, diminuindo assim a vida da bateria”.

Software

“À primeira vista, controlar menos graus de liberdade parece simples. Contudo, olhando mais pormenorizadamente, a implementação é bastante mais complexa. Isto porque têm de ser controlados muitos movimentos diferentes e os acidentes têm de ser evitados por dispositivos de segurança. Além disso, todo o exoesqueleto deve ser desenvolvido em colaboração com o piloto. Isto só pode ser conseguido com uma arquitetura de software viável”.

Christian Bermes é Chefe de Equipa da VariLeg enhanced e Professor de Automação e Mecatrónica na HSR Universidade de Ciências Aplicadas, em Rapperswil.

Novo exoesqueleto VariLeg composto por motores com o dobro da potência

A Equipa da VariLeg enhanced está a desenvolver e a construir um exoesqueleto para a Cybathlon 2020. Contudo, o projeto em curso pouco tem a ver com a equipa VariLeg da ETH Zurich que participou em 2016. O exoesqueleto atual foi desenvolvido como um projeto de estudantes. Uma equipa mista da ETH Zurich e da HSR Universidade de Ciências Aplicadas de Rapperswil está atualmente a trabalhar na conclusão do sistema robótico. O sistema tem dois graus de liberdade. Existem dois motores planos sem escovas da maxon em cada lado para movimentar a anca e os joelhos. Estes fornecem uma potência de até 600 W.

Otto Ineichen, Desenvolvimento Empresarial na Indústria Médica na maxon: “Acima de tudo, os acionamentos para exoesqueletos têm de ser leves. E uma altura geral reduzida também é importante. Contudo, é ao mesmo tempo necessária uma elevada densidade de potência e dinâmica, pois os motores têm de mudar o sentido de rotação de forma frequente e muito rápida. Na maxon, estamos atualmente a desenvolver uma nova plataforma de produtos de motores, especialmente concebida para satisfazer as necessidades do mercado da robótica. Estes novos acionamentos são baseados no conceito EC-i sem moldura. Podem ser combinados com redutores adequados, dependendo da aplicação e dos requisitos”.