Desenvolvimento de um exoesqueleto robótico de cotovelo de baixo custo utilizando o princípio de atuação elástica em série

Abstract

Os sistemas robóticos de exoesqueletos fornecem assistência dinâmica e controlada ao movimento, permitindo o monitoramento biomecânico de pacientes e a otimização de protocolos de reabilitação. Porém, os elevados custos de fabricação limitam a adoção dessas tecnologias em larga escala, ressaltando a demanda por soluções acessíveis. Este trabalho descreve o projeto e a validação experimental de um exoesqueleto de cotovelo de baixo custo, acionado por um Atuador Elástico em Série (do inglês, Series Elastic Actuator - SEA) e operado via controle de impedância. Foram conduzidos ensaios em dois modos de operação: (i) transparência (impedância zero), focado em movimentos complacentes conduzidos pelo usuário com resistência mínima, e (ii) impedância ativa, para o rastreio de perfis dinâmicos predefinidos. Os resultados evidenciaram estabilidade no controle da junta, embora a transparência mecânica total não tenha sido atingida devido à detecção de torques residuais no SEA. Com um custo de materiais e componentes inferior a $ 100,00 (cem dólares), o sistema valida a viabilidade de dispositivos assistivos econômicos e estabelece uma base sólida para o desenvolvimento incremental de tecnologias de reabilitação acessíveis.

Robotic exoskeleton systems provide dynamic and controlled movement assistance, enabling biomechanical monitoring of patients and the optimization of rehabilitation protocols. However, high manufacturing costs limit the large-scale adoption of these technologies, highlighting the demand for affordable solutions. This work describes the design and experimental validation of a low-cost elbow exoskeleton, driven by a Series Elastic Actuator (SEA) and operated via impedance control. Trials were conducted in two modes: (i) zero impedance, focused on compliant, user-driven movements with minimal resistance, and (ii) active impedance, for tracking predefined dynamic profiles. The results evidenced stability in joint control, although full mechanical transparency was not achieved due to the detection of residual torques in the SEA. With a cost of materials and components below $ 100.00 (one hundred dollars), the system validates the feasibility of affordable assistive devices and establishes a solid foundation for the incremental development of accessible rehabilitation technologies.