Modelagem, controle e simulação de uma prótese de mão.

Abstract

Desde o século XVIII, a biomecânica da mão humana vem sendo estudada para ser aplicada como um modelo para dispositivos mecânicos. Com a sofisticação desses dispositivos, impulsionada pelos avanços na robótica e a miniaturização de atuadores e sistemas eletrônicos, tornou-se possível desenvolver mãos automatizadas para servir de prótese em seres humanos ou ainda substituir a mão humana em qualquer situação. Nos dias de hoje, há melhorias na geração de próteses de mão por meio do uso crescente da tecnologia. Assim, é cada vez mais comum o desenvolvimento de dispositivos ativos que muitas vezes são controlados por sinais mioelétricos ou eletroencefalográficos. O desenvolvimento de próteses ativas é um trabalho multidisciplinar e faz uso de diversas áreas, como a biomecânica, a engenharia biomédica, o processamento de sinais, a robótica e a engenharia de controle. Dessa forma, este trabalho visa estudar topologias comumente utilizadas em próteses de mão (mãos robóticas), bem como a modelagem do sistema eletromecânico (utilizando uma abordagem de Euler-Lagrange para encontrar um modelo na forma canônica da dinâmica de um manipulador) e a proposição de leis de controle (a saber, PI, PD e dinâmica inversa) para o modelo encontrado. A partir do modelo obtido para representar os movimentos dos dedos e, após simular todas as proposições de leis de controle, obteve-se o mais eficiente com base nos resultados esperados para o sistema. Em malha aberta, o sistema é irrefreável, sendo necessária a aplicação de um atrito para estabilizá-lo. Com o controle PI foi possível realizar o controle em malha fechada com erro reduzido, porém tem-se que o movimento de cada falange link, elo e/ou junta influencia no movimento da outra. Por meio da lei de controle PD, foi possível realizar o controle multivariável a fim de obter a independência dos links, garantindo maior estabilidade ao sistema. Outra estratégia abordada foi a modelagem em malha fechada por meio da dinâmica inversa que busca uma lei de controle realimentada não linear para a obtenção do torque de cada link. Esse modelo, além de garantir a independência dos links, garantiu uma resposta mais rápida do sistema. Em suma, o modelo da dinâmica obtido para o manipulador robótico representa os movimentos de flexão e extensão dos dedos das mãos em que, após o estudo das teorias de leis de controle, foi possível garantir a estabilidade dos dedos em torno do ponto de operação garantida pela teoria de Lyapunov e pelas equações de Euler-Lagrange. Além disso, este projeto buscou implementar a simulação do comportamento dinâmico de uma garra (união polegar/indicador) em um ambiente gráfico Unity a fim de permitir visualizar o comportamento da melhor lei de controle projetada. Para isso, implementou-se a modelagem e a lei de controle mais eficiente (dinâmica inversa), em que para movimentar o protótipo, o usuário aplica torque positivo ou negativo em cada link, simplesmente ao pressionar as suas teclas específicas.