07. Sistema de Controle

A determinação dos parâmetros de controle é realizada por um método escolhido para reproduzir estes valores na articulação protética do joelho. Estudou-se dois métodos, sendo estes um controle de posição baseado em estados finitos e um controle de impedância baseado em estados finitos.

O método de controle de posição baseado em estados finitos caracteriza-se por realizar um simples controle de posição conforme determinado pelos estados finitos. Ou seja, os estados determinam diretamente a posição desejada da prótese e sua velocidade. Para isto, ocorre uma conversão deste parâmetro para pulsos, o qual gera um erro que passa por um sistema proporcional-integral derivativo (PID) que dá precisão ao controle realizado na articulação protética.

Atualmente, existem três programas principais que funcionam com a prótese SmartLeg Beta. Cada um tem um foco principal, mas todos os três compartilham alguns “blocos” fundamentais (funções), que serão discutidas posteriormente, após descrever de forma mais geral os programas de DataLogging, Seguidor de Joelho e Funcionamento Autônomo.

O primeiro programa, mais simples, é o DataLogger. Feito para funcionar apenas com a placa principal, os sensores de movimento e palmilha instrumentada (sem a prótese), este programa serve para adquirir e armazenar dados, para análises biomecânicas ou de controle. Este programa tem, portanto, leitura de dados bruta, conversão e filtragem de dados, temporização apurada (funcionamento em intervalos bem determinados de tempo) e formatação e envio de dados pela porta Serial ao computador.

O segundo programa em ordem de complexidade é o seguidor de joelho. Este programa faz com que a prótese funcione como um espelho da perna da pessoa que está vestindo os sensores de movimento, servindo basicamente para demonstrar as capacidades de movimento da prótese e de sensoriamento dos IMU’s. Este programa consiste em leitura de dados bruta, conversão e filtragem de dados, comparação entre dos dados lidos pelos sensores, tomada de decisões, conversão dos valores desejados para valores que o motor pode compreender e por fim a atuação do motor, controlando seu comportamento a partir do feedback.

O terceiro programa é o de funcionamento autônomo, que tem como objetivo testar os conceitos de biomecânica aplicados à prótese, funcionando a partir dos modelos criados baseados na marcha humana. Atualmente, esse programa utiliza uma máquina de estados finitos para compreender a intenção de movimento do usuário e agir de acordo. Este programa consiste em leitura de dados bruta, conversão e filtragem de dados, comparação entre os dados lidos pelo sensor com as fases da marcha, contidas na máquina de estados, tomada de decisão, conversão do ângulo desejado para valores que o motor pode compreender e, por fim, a atuação do motor, controlando seu comportamento a partir do feedback.

Discussão

O método de controle de impedância baseado em estados finitos, ou Finite State-based Impedance Control, caracteriza-se por ser uma modelagem matemática para robôs manipuladores que simula a função dos músculos por meio de parâmetros como amortecimento e rigidez (HOGAN, 1985). A Equação 2 descreve a lei de controle de cada articulação para cada estado finito.

Onde é o torque controlado, K é a rigidez, é o ângulo do joelho, é o ângulo de equilíbrio desejado, B é o coeficiente de amortecimento e é a velocidade angular.

Observou-se que este método tem sido utilizado nos últimos anos pelos dispotivos robóticos do estado da arte por conta de sua fidelidade à biofísica, considerando este fator como vantajoso. Contudo, exige maior poder de processamento e modelagem do motor. Os coeficientes da matriz K terão que ser somados com a matriz Bω. Porém, a matriz Bω será problemática de ser feita porque é dinâmica, dependendo de integral em ω. Para isto, o microcontrolador necessita de recursos de tempo real para poder integrar a velocidade angular de forma dinâmica.

O controle do motor brushless no software embarcado é feito por meio da contagem de pulsos do sensor de efeito Hall. A partir do número de pulsos contados, é determinada a posição angular da prótese. O software compara o ângulo atual com o ângulo desejado, definindo uma taxa de erro. A partir desse erro é definido o quantos pulsos o motor precisa fornecer para atingir o ângulo desejado e sua velocidade proporcional. A marcha humana é descrita, em geral, com o que ocorre em apenas um ciclo, presumindo uma igualdade dos ciclos sucessivos. Este padrão exclui as variações que podem ocorrer entre pessoas diferentes ou até mesmo com a mesma pessoa, tendo ênfase em fatos observáveis comuns a todos. Segundo Henning (1999), o andar é uma ação aprendida. Se a marcha é uma atividade aprendida, não é surpreendente que cada um de nós mostre algumas peculiaridades pessoais superpostas ao padrão básico da locomoção bipedal. Mesmo tendo características individuais, a maneira como a maioria das pessoas andam é similar. Essas similaridades e diferenças devem ser consideradas para ser possível a visualização de mudanças no padrão de locomoção.

A utilização desses parâmetros são importantes por permitir a configuração das variáveis quantitativas das plataformas de controle de próteses microcontroladas. Segundo Da Silva Jr. (2010), classificam-se as variáveis como antropométricas, dinâmicas e eletromiográficas. Essas podem ser usadas isoladas ou em conjunto, de acordo com a necessidade e a disponibilidade para a análise de um determinado movimento. Quando estes aspectos da marcha humana são considerados, o uso de valores médios ajuda o desenvolvimento de uma compreensão geral das relações básicas existentes entre os principais segmentos do membro inferior. Entretanto, segundo Gamble (2007), entre essas atividades básicas superpõem-se diversos movimentos menos evidentes de partes isoladas do corpo, tendo variações individuais maiores, e também há grande diferença individual na localização dos eixos de movimento, conferindo a cada indivíduo um modo distinto de andar. Assim, considerando estes aspectos, o uso de valores médios pode dificultar o reconhecimento de certas inter-relações.