Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30023
Título: Desenvolvimento de uma órtese robótica para o movimento de flexão dos quirodáctilos por controle miolétrico: protótipo em código aberto
Título(s) alternativo(s): Development of a robotic orthosis for finger flexion motion by myoelectric control: open source prototype
Autor(es): Martins, Hygor Vinícius Pereira
Orientador(es): Campos, Daniel Prado de
Palavras-chave: Inteligência artificial - Aplicações médicas
Processamento de sinais
Sistemas de reconhecimento de padrões
Robótica
Aparelhos ortopédicos
Mãos - Ferimentos e lesões
Artificial intelligence - Medical applications
Signal processing
Pattern recognition systems
Robotics
Orthopedic apparatus
Hand - Wounds and injuries
Data do documento: 21-Jul-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: MARTINS, Hygor Vinícius Pereira. Desenvolvimento de uma órtese robótica para o movimento de flexão dos quirodáctilos por controle mioelétrico: protótipo em código aberto. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Biomédica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.
Resumo: Distúrbios neuromusculares como a lesão de plexo braquial, acidente vascular encefálico e paralisia cerebral afetam as capacidades sensoriomotoras dos membros superiores. Indivíduos acometidos tem a performance das mais fundamentais atividades de vida diária (AVDs) afetadas, e muitos não podem retornar ao trabalho. Este estudo propôs uma protótipo open-source de uma órtese robótica de mão mioelétrica para retomada de AVDs. Foi utilizada uma metodologia “user-tuned”, onde os requisitos recomendados em literatura recente e estado da arte (2017 à 2020) foram utilizados como ponto de partida para projetar requisitos ergonômicos, de sistema e usabilidade, mas a calibração do protótipo para estes requisitos é realizada por meio das métricas retiradas de um voluntário hígido. A órtese possui dois módulos: (i) sistema transmissor-interpretador (STI) e (ii) sistema receptor-atuador (SRA). No STI destaca-se o eletromiógrafo de superfície MyoWare, e 1 ESP32 com um classificador por análise discriminante linear (LDA) construído a partir de 10 conjuntos de sinais mioelétricos de superfície (SMEs) gravados do voluntário. Os SMEs são coletados em tempo real, segmentados por janelas disruptivas de 80 ms, filtrados e discriminados em 3 possíveis classes: (i) preensão pinça, (ii) preensão cilíndrica e (iii) repouso. Um voto majoritário é aplicado em 3 classes recém classificadas, e a classe com maior ocorrência entre as 3 é enviada ao SRA. Todo o processo do STI ocorre em 300 ms. No módulo SRA destaca-se 1 ESP32, 2 motores de corrente contínua N20, tendões artificiais de náilon e talas de pulso e dedos impressas em tecnologia 3D. O SRA recebe uma classe do STI e utiliza uma máquina de estados finitos para decidir qual das três poses de mão serão realizadas baseado na classe recebida, o estado atual da máquina, e a classe anteriormente recebida. As talas foram construídas a partir das medidas retiradas da mão do voluntário, e ajustadas até o encaixe e amplitude de movimento estarem confortáveis ao voluntário. O protocolo de teste foi baseado no teste de função motora da mão do instituto de reabilitação de Toronto (TRI-HFT), e usou objetos de uso diário: (i) um cartão, (ii) um lápis, e (iii) uma garrafa plástica de 600 ml cheia de água. O protótipo alcançou todos os requisitos de ergonomia recomendados na literatura, e foi a órtese que mais cumpriu tais requisitos quando comparadas às órteses robóticas de mão mioelétricas do estado da arte. Adicionalmente, a acurácia do sistema alcançou 90% nos testes em tempo real. Por fim, o custo de produção da órtese é de R$ 856,35 ou 2,98% do valor da órtese de mão mioelétrica comercial mais barata no mercado (PowerGrip), ambos os preços cotados em Novembro de 2021.
Abstract: Neuromuscular disorders such as brachial plexus injury, stroke, and cerebral palsy affect the sensorimotor capabilities of the upper limbs. Individuals with such disorders have their performance in the most fundamental activities of daily living (ADLs) affected, and many are unable to return to work. This study proposed an open-source prototype of a myoelectric robotic hand orthosis to support ADLs. A “user-tuned” methodology was used, where the requirements recommended in recent literature and state of the art (2017 to 2020) were used as a starting point to design the orthosis’ system, usability, and ergonomics, but the prototype calibration for these requirements is performed using metrics taken from the user. The orthosis has two modules: (i) transmitter-interpreter system (TIS) and (ii) receiver-actuator system (RAS). The TIS is composed of a MyoWare surface electromyograph and an ESP32 imbued with a linear discriminant analysis (LDA) classifier trained with 10 datasets of surface myoelectric signals (sMES) recorded from a healthy volunteer. SMES are collected in real-time, segmented into 80 ms disruptive windows, filtered, and classified into three possible classes: (i) pulp pinch, (ii) transverse volar grip, and (iii) resting hand. A majority vote is cast on a vector containing 3 recent classified classes, and the class with the highest occurrence among the 3 is sent to the RAS. The entire TIS process occurs in 300 ms. The RAS module includes an ESP32, 2 N20 direct current motors, nylon artificial tendons, and wrist and finger splints printed in 3D technology. The RAS module receives a class from the TIS module and uses a finite state machine to decide which of the three hand poses to perform based on the class received, the current state of the machine, and the class previously received. Splints were constructed from measurements taken from the volunteer’s hand and adjusted until fitting and range of motion were comfortable for the volunteer. The test protocol was based on the Toronto Rehabilitation Institute Hand Function Test (TRI-HFT) and used everyday objects: (i) an ATM card mockup, (ii) a pencil, and (iii) a 600 ml plastic bottle filled with water. The prototype achieved all the ergonomics requirements recommended in the literature, and it was the orthosis that most fulfilled said requirements when compared to stateof-the-art myoelectric robotic hand orthoses. Additionally, the system’s accuracy reached 90% in real-time tests. Finally, the cost of producing the orthosis is R$856.35 or 2.98% of the value of the cheapest commercial myoelectric hand orthosis on the market (PowerGrip), both prices quoted in November 2021.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30023
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Biomédica

Arquivos associados a este item:
Arquivo Descrição TamanhoFormato 
orteseroboticacodigoaberto.pdf4,6 MBAdobe PDFThumbnail
Visualizar/Abrir


Este item está licenciada sob uma Licença Creative Commons Creative Commons