4o . SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, São Paulo, SP, 08-10 de Setembro de 1999

UMA ÓRTESE ROBOTIZADA DE MÃO

Mário Fernando Montenegro Campos e Saulo Augusto de Paula PintoLaboratório de Robótica, Visão e Percepção Ativa

Departamento de Ciênc ia da ComputaçãoUniversidade Federal de Minas Gerais

Av. Antônio Carlos 6627, Pampulha, 31270-010, Belo Horizonte, MG{mario, saulo}@dcc.ufmg.br

1 INTRODUÇÃOA mão do homem é um órgão impressionante que é essencialpara sua interação com o mundo físico que o cerca . Pelas mãose através da manipulação de objetos, o homem transforma omundo à sua volta. Em geral, a capacidade de manipularpequenos objetos é muito importante, mas ela é fundamentalpara a execução das Atividades da Vida Diária (AVD) dequalquer pessoa. Essas atividades são aquelas executadasrotineiramente como escovar dentes, vestir-se e despir-se,pentear o cabelo, alimentar-se, escrever, etc e normalmentenecessitam de manipulação de pequenos utensílios . Com aperda da capacidade manipulat éria, essas pessoas vêem-seprivadas total ou parcialmente de executar suas AVD, o queleva à dificuldades na retomada de suas atividades tantoprofissionais· como sociais e mesmo pessoais. Por exemplo , amanipulação de escovas de dente e aparelhos de barbear éimportante para a higiene pessoal, enquanto que a manipulaçãode canetas, borrachas, blocos de papel e livros é muitoimportante no ambiente escolar ou em um escritório.

Desta forma, a perda da capacidade manipulatória das mãosleva a graves problemas para o indivíduo afetado. Sem acapacidade de executar ·os movimentos básicos da mão, aoposição e a contra-oposição do dedo polegar a um dos outros.com a aplicação de força, a pessoa perde a possibilidade desegurar (e soltar) pequenos objetos de forma eficiente, sem oauxílio de algum outro mecanismo.

A fim de manipular pequenos objetos, a mão executa umagama de movimentos conhecidos como preensões de precisãoou pinças [IJ . Urna destas formas de prcensão, a bidigital entreos dedos polegar e indicador, é responsável por cerca de 20%das AVD [3], sendo a forma de preensão mais comum.

Pessoas com lesão medular de níveis C5-C6, C6 e C6-C7 são,em geral, capazes de posicionar sua mão no espaço mas nãopossuem habilidade para segurar e .soltar objetos.Frequentemente, esta desabilidade é o principal entrave àreintegração destas pessoas ao seu ambiente de vida social eprofissional.

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Este trabalho apresenta o projeto e implementação de umdispositivo simples e de baixo custo que amplia ou devolve acapacidade de uma pessoa de executar a pinça entre os dedosindicador e polegar. Um protótipo da õrtese foi construído paraavaliar-se o ganho funcional obtido com a sua utilização. Osresultados indicam que o desempenho com a órtese é superiorao da tenodese [4,5].

2 BACKGROUNDPessoas com lesão medular de níveis C5-C6, C6 e C6-C7manipulam objetos utilizando a tenodese. Ela é um tipo desinergia na qual a extensão do punho provoca uma flexão dosdedos (fechamento para segurar objetos) e urna flexão dopunho provoca uma extensão dos dedos (abertura para soltarobjetos). A tenodese apenas é bastante limitada, principalmentepara a manipulação de objetos mais densos. Isso por que ela édevida, entre outros fatores, - à tensões passivas nos tendões eligamentos dos dedos [5].

A busca por soluçõe s que visam restaurar a capacidadefuncional da mão não é nova. Desde o século XVIII sãoconstruídos dispositivos com esta finalidade [12J. Maisrecentemente, profissionais das áreas de Fisioterapia, TerapiaOcupacional e Engenharia Biomédica [6, 7J têm desenvolvidodispositivos com este objetivo. Além destas , a RobóticaReabilitat ória tem evoluído e tende a representar uma fonte desoluções para este tipo de problema [2] .

A despeito do recente desenvolvimento e do aumento nonúmero de .aplicações . que visam .a restauração dafuncionalidade em indivíduos com desabilidades motoras [8, 9,10], a Robótica Reabilitatória ainda deve evoluir bastante, jáque o número de dispositivos efetivamente úteis édesapontador. Segundo Kumar et al. [2] este fato é devido aoalto custo envolvido na construção de dispositivos sofisticados,à pobre interface entre os dispositivos e os usuários e peloestigma social existente para com os robôs.

No tocante à aplicação da Robótica Reabilitatória narestauração de movimentos da mão, são conhecidos ·algunspoucos trabalhos que apresentam próteses que visam substituira mão perdida por amputação [10,13], mas não são conhecidos

Figura 3: montagem do potenciômetro. As setas indicam adireção do desvio rádio-ulnar.

Controle da Órtese pelo Usuário

O controle da preensão é feito pelo movimento de extensão dopunho . O sistema nervoso central do usuário envia impulsosnervosos para fazer com que o punho seja estendido (e, assim,os dedos serem flexionados). A "rotação" do punho é medidapelo sensor de posição (um potenciômetro) e é convertido parauma posição angular (set point) pela unidade de controle. Umalgoritmo de controle simples recebe esta posição angular,converte-a em uma largura de pulso proporcional - À. na Figura5, que é o sinal de comando do servomotor. O servo aplica umtorque na junta correspondente à articulação MCF do dedoindicador, o qual leva ao fechamento da pinça em torno doobjeto. Antes do contato entre dedos e objeto, osproprioceptores (mesmo que residuais) da mão do usuário e suavisão fecham a malha de controle externa da abertura da pinça.Simultaneamente, o senso r de posição envia a posição angulardo punho para o sistema de controle automático - (Jp na Figura5 - e a posição da junta da MCF - (JMCF na Figura 5 - érealimentada para o sistema de controle interno do servomotor,o qual implementa um controlador PD. Após o contato entre oobjeto e os dedos, forças de preensão maiores podem serconseguidas pela movimentação do punho no mesmo sentido(para uma maior extensão). Deste ponto em diante, osensoriamento da força é feito pelos sensores de tato e de força(pressão) da mão do usuário e, também, pela sua visão a qualpode ser a única fonte de realimentação presente [14, 15].Assim, o loop cutâneo - proprioceptivo - visual/robótico écapaz de prover o controle completo da órtese. Este loop éextremamente importante para a aceitação da órtese pelousuário, bem como para minimizar o tempo de aprendizadopara o controle do dispositivo. A principal razão para isso é ainclusão dos sensores táteis e proprioceptivos do usuário noloop de controle. Isso acontece pois a realimentação é feita porórgãos do próprio corpo do usuário que estão em contato com oobjeto. Assim, ele pode sentir a manipulação. A contra-oposição é executada de modo similar mas é utilizado omovimento de flexão do punho para controlá-la.

O controle da órtese pelo usuário é muito simples e natural. Asimplicidade vem do fato de que existe apenas um grau deliberdade a ser controlado. O controle é muito natural para ousuário por que os movimentos de flexo-extensão do punho,que provocam a tenodcse, são utilizados para controlar odispositivo. Como a tenodese já é utilizada para a manipulaçãode objetos, o tempo de aprendizagem de como utilizar a órteseé bastante reduzido. O diagrama de blocos mostrando ofuncionamento do dispositivo e sua interação com o usuário émostrado na Figura 4.

3 METODOLOGIA

A estrutura é composta de três partes (ou links) que são unidaspor uma junta atuada e outra passiva. O link intermediáriomantém o dedo polegar em uma posição funcional (fixa) quepermite o fechamento da pinça apenas com o movimento dodedo indicador. Isto é feito através da atuação de umservomotor DC que é acoplado diretamente sobre o eixo(aproximado) da articulação metacarpofalangiana (MCF) dodedo indicador - Figura 2.

Um protótipo da ór tese é mostrado na Figura I. A estrutura éconstruída a partir dc material termo plástico moldável embaixas temperaturas (em torno de 70° C) [6]. Este tipo dematerial é leve, de baixo custo e pode ser moldado para seadequar aos contornos do corpo do usuário , aumentando onível de conforto na utilização do dispositivo.

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trabalhos que visam a construção de uma órtese funcional demão, ou seja, um dispositivo que seja acoplado à mão de umapessoa para restaurar-lhe algumas de suas funções, como o queé aqui proposto.

Figura 1: o protótipo.

Figura 2: esquema de atuação via acoplamento direto(direct drive).

Um potenciômetro localizado, aproximadamente, sobre o eixode flexo-extensão da articulação do punho, informa a posiçãoangular deste, que é o set point para o sistema de controle, paraum micro controlador.

O dispositivo possui apenas um grau de liberdadeartificialmente atuado e dois passivos. Estes últimoscorrespondem à articulação do punho e possibilitam amovimentação livre durante a flexo -extensão do punho,enquanto permite uma liberdade de movimentação limitada nadireção rádio-ulnar (setas na Figura 3). Esta liberdade, aindaque limitada, provê conforto durante a utilização da órtese emaior facilidade para colocá-Ia e retirá-la do corpo.

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Figura 4: cont role da órtese pelo usuário.

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do [nervos ExtensoresIFlexores J.:..=:=:qjóIimpulso do punhonervoso L-__..;.... L...:__-!-__-"-__--'-!

Abertura da pinça I posição da juntaMCF (?) L-__-,-__--'

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Figura 5: o sistema de controle automático da órtese.

4 RESULTADOS

6rtese foi vestida em sua mão esquerda (não-dominante),enquanto que a mão direita (dominante) foi utilizada para ostestes sem a órtese. Isso se justifica pelo fato de estarmoscomparando a capacidade funcional de uma mão teoricamentemenos destra mas vestida com a 6rtese (esquerda), com outrateoricamente mais destra, já que é a dominante, mas sem aórtese (direita).

Observações iniciais dos benefícios da órtese sugerem que elaproporciona bom ganho em funcionalidade, permitindo aousuário executar tarefas importantes como alimentar-se eescrever e outras que ele não consegue sem a órtese, comomanipular objetos como livros de maneira eficiente. Alémdisso, testes de força executados [16] mostraram que objetos decerca de 0,5 Kg podem ser manipulados com a órtese; devendo,entretanto, ser observado que este valor depende dascaracterísticas do objeto e do meio onde se realiza a tarefa. Issopor que objetos cujo atrito entre eles e os dedos do usuário forrelativamente baixo tendem a ser mais "difíceis" de seremmanipulados.

A fim de quantificar o ganho funcional, um teste de apreender-e-soltar foi conduzido . O teste é descrito como segue e maioresdetalhes podem ser encontrados em [5], [li] e [16].

Teste de Apreender-e-soltarFoi escolhido um conjunto de objetos - Tabela 1 - de forma arepresentar uma variedade de outros objetos manipuláveis comapenas uma das mãos.

O "pino" e o bloco representam objetos como canetas epequenos pedaços de alimentos, enquanto que a lata e a fita devideocassete representam objetos de peso médio como copos elivros. Estes objetos devem ser manipulados da seguinte forma:são apreendidos em uma posição lateral intermediária,carregados transpondo uma barreira de 4,5 em de altura esoltos (colocados) frontalmente .

Cada sessão consiste de testar cada objeto, com e depois sem a6rtese, 5 vezes. Os voluntários são orientados a completar omáximo de tarefas dentro de triais de 30 segundos e o númerode conclusões e falhas são contados para cada trial. Os objetossão testados em ordem randômica para minimizar errossistemáticos devido à aprendizagem e fadiga do voluntário. Háum intervalo de 30 segundos entre cada trial .

Objeto Peso (N) Tamanho (em) Material

Pino 0.0196 0.71 x 7.6 Madeira

Bloco 0.0981 2.5 x 2.5 x 2.5 Made ira

Lata 2.207 6.5 x 12.2 Alumín io

Fita de 3.286 3.0 x 12.3 x 22.5 Plásticovídeo

Tabela 1: Objetos utilizados no teste.

Resultados do Teste de Apreender-e-soltarA Figura 6 apresenta alguns resultados para quatro sessões detestes aplicadas em quatro dias consecutivos. Pode-se notar queo desempenho com a órtese foi consistente e superior ao datenodese - vide Seção 2, exceto para o objeto lata, em que aperformance foi similar à medida em que o usuário foiaprendendo a utilizar a órtese. As diferenças mais marcantessão vistas para os objetos pino e para a fita de videocassete,sendo que esta não pôde ser manipulada em nenhuma dassessões, sem a órtese. Quanto ao objeto pino, a tenodesemostrou-se ineficiente devido à contrações involuntárias dosmúsculos motores dos dedos (espasmos musculares), as quaistornaram inconsistente seu desempenho. No tocante à fita devídeo, o fato de ela só poder ser manipulada com a órtese éextremamente importante para a sua aceitação pelo usuário, jáque mostra um exemplo de uma tarefa que ele consegueexecutar com o auxílio da 6rtese mas não consegue sem ela

Apenas um voluntário participou do teste. Ele possui lesão denível C6-C7, com bom controle dos membros superiores. A

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AGRADECIMENTOSOs autores desejam agradecer a todos que de alguma formacontribuíram para a execução deste trabalho. Em especial aoaluno de Graduação em Ciência da Computação LeonardoAlves pela implementação dos circuitos eletrônicos. Estetrabalho foi parcialmente suportado pela CAPES, CNPq522618-96.0 and FAPEMIG TEC 609/96.

lIÓ1ese• Tenodese

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direta por um outro que diminua o espaço ocupado peloservomotor na mão ou mesmo o desloque para uma posiçãomais próxima ao cotovelo deve ser feita.

Sucessos - médias aritméticas - 4 sessões

25..----------------,2Ot-----------",---Jil----J

2 3 4Objetos (por sessão)

OI15 -I-n-- - -D--+- -g 10Ul

5

o

Figura 7: falhas durante o teste de apreender-e-soltar.

5 CONCLUSÕES

Alguns problemas necessitam ser resolvidos a fim de tomar a6rtese mais aceitável para seus usuários. Melhorias estéticasdevem ser introduzidas e a substituição do esquema de atuação

6 REFERÊNCIAS[1] Napier J. R., Hands, George Allen & Unwin , London,

England, 1980.

[2] Kumar V., Rahman T., Krovi V., "Assistive Devices forPeople with Motor Disabilities", to be edited in WileyEnciclopaedia of Electrical and Electron ics Engineering,1997.

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mOrtese.Tenodese

2 3 4Objetos (por sessão)

,iiGilFalhas - médias ar itméticas - 4 sessões

Figura 6: conclusões com sucesso para o teste deapreender-e-soltar.

Em relação ao número de falhas - Figura 7, aquelas com aórtese foram bem menores e foram devidas, principalmente, aofato de o voluntário tentar executar o máximo de manobrasdentro do tempo de cada trial, após ter-se acostumado com aórtese. A diferença é substancial para os objetos pino e fita devídeo. Para este último não foi observada nenhuma falhadurante as sessões de teste.

o projeto, a implementaç ão de um protótipo e a 'avaliaçâo(parcial) da funcionalidade de uma õrtese de mão foramapresentadas' aqui. As principais características do dispositivosão a sua performance, baixo custo (se levarmos em contaapenas o material gasto, o custo fica próximo e abaixo de U$100), simplicidade, facilidade de uso e possibilidade deadaptação para outros indivíduos . Os resultados do teste deapreender-e-soltar indicam que a órtese possibilita ganhofuncional real para seus usuários. Evidentemente, mais testescom uma população estatisticamente significativa necessitamser executados para confirmar esta indicação. A despeito disso,o voluntário que participou dos testes ficou muito satisfeitocom ·a. performance e a facilidade de uso do dispositivo, aoponto de ter motivação para utilizá-lo em sua vida diária. Isto édevido, principalmente, ao fato de o dispositivo parecer-lheconfortável, fácil de controlar, fácil de "vestir" e fornecerestabilidade durante a manipulação. Entretanto, o fator maisimportante para esta motivação foi a possibilidade de executartarefas que ele não consegue sem a órtese, como a manipulaçãoda fita de vídeo durante os testes).

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H., "A DexterousRobotic and Prosthetic12, 455-463, Cambridge

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