UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” INSTITUTO DE BIOCIÊNCIAS – RIO CLARO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO HUMANO E TECNOLOGIAS DISPOSITIVO ROBÓTICO PARA REABILITAÇÃO DE MEMBROS SUPERIORES: CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO HEBER ROCHA MOREIRA Rio Claro 2020 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” INSTITUTO DE BIOCIÊNCIAS – RIO CLARO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO HUMANO E TECNOLOGIAS DISPOSITIVO ROBÓTICO PARA REABILITAÇÃO DE MEMBROS SUPERIORES: CONSTRUÇÃO E VALIDAÇÃO HEBER ROCHA MOREIRA Orientadora: Profa. Dra. Cynthia Yukiko Hiraga Tese apresentada ao Instituto de Biociências do Câmpus de Rio Claro, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Desenvolvimento Humano e Tecnologias. Rio Claro 2020 M838d Moreira, Heber Rocha Dispositivo robótico para reabilitação de membros superiores : construção e validação / Heber Rocha Moreira. -- Rio Claro, 2020 132 p. : tabs., fotos Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Biociências, Rio Claro Orientadora: Cynthia Yukiko Hiraga 1. Reabilitação de Membro Superior.. 2. Reabilitação Robótica. 3. Acidente Vascular Encefálico. I. Título. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca do Instituto de Biociências, Rio Claro. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada. Dedico este trabalho a minha esposa, Liliane Silva Gomes Moreira, ao meu filho, Matheus Gomes Moreira, e toda minha família, com todo o meu amor e gratidão. AGRADECIMENTOS A Deus, pela vida e por me permitir realizar tantos sonhos. A minha família, por me encorajar e me apoiar em todos os momentos. A minha orientadora, Profa. Dra. Cynthia Yukiko Hiraga, pelos ensinamentos, pela dedicação e sublime orientação. A Profa. Dra. Ana Maria Pellegrini, pela hospitalidade e contribuições. Aos colegas do LABORDAM, pelo convívio e troca de experiências. Ao LEBAC, em especial ao Pesquisador Dagmar Carnier Neto, pelas contribuições com a confecção das peças do dispositivo. A UNESP, seu corpo docente, direção е administração que oportunizaram a realização deste curso. Ao IFSULDEMINAS, pela liberação integral das atividades de ensino durante a realização do doutorado. Por fim, a todos aqueles que contribuíram, direta ou indiretamente, para a realização deste trabalho, o meu sincero agradecimento. “Nunca ande pelo caminho traçado, pois ele conduz somente até onde os outros já foram”. Alexander Graham Bell RESUMO A tecnologia abriu caminhos para terapias inovativas, tal como a reabilitação robótica. Os dispositivos robóticos possibilitam a realização de tarefas específicas, repetidas vezes e de alta intensidade, permitindo contribuir na melhoria da capacidade motora de pacientes, como os acometidos por acidente vascular encefálico (AVE). Apesar do significante avanço na área, desafios como o alto custo e o acesso a um dispositivo, por exemplo, tornam o uso de dispositivos robóticos uma realidade distante nas clínicas de reabilitação. O presente trabalho tem como objetivos: (i) desenvolver um dispositivo robótico integrado (i.e., hardware e software) para reabilitação de membros superiores; (ii) validar as medidas do dispositivo robótico desenvolvido; (iii) testar a usabilidade do dispositivo robótico para reabilitação motora de membros superiores em pacientes acometidos pelo AVE; (iv) desenvolver o dispositivo robótico para treino bilateral de membros superiores. Um dispositivo robótico de deslizamento linear móvel com foco nas articulações de ombro e cotovelo foi desenvolvido. Os resultados dos testes de validação das medidas realizadas no dispositivo robótico foram satisfatórios. Os testes quanto à usabilidade do dispositivo robótico, tanto pelo profissional como pelo paciente, atingiram uma escala de nível excelente. Com base no dispositivo robótico para o membro superior afetado pelo AVE, um dispositivo robótico de reabilitação para o modo bilateral foi desenvolvido. A associação da robótica na reabilitação do movimento das articulações de ombro e cotovelo demonstrou grande potencial para auxiliar os profissionais de saúde na reabilitação de pacientes que apresentam sequelas motoras do AVE. Palavras-chaves: Reabilitação de Membro Superior. Reabilitação Robótica. AVE. ABSTRACT The technology has paved the way for innovative therapies, such as robotic rehabilitation. Robotic devices allow to perform specific tasks repeatedly and of high intensity, contributing to the improvement of patient’s motor capacity, such as those affected by stroke (cerebrovascular accident - CVA). Despite significant progress in the area, challenges such as high cost and access to a device, for example, make the use of robotic devices a distant reality in rehabilitation clinics. The present work aims to: (i) develop an integrated robotic device (i.e., hardware and software) for the rehabilitation of the upper limbs; (ii) validate the measurements of the developed robotic device; (iii) testing the usability of the robotic device for motor rehabilitation of the upper limbs in patients affected by stroke; (iv) develop the robotic device for bilateral training of upper limbs. A movable robotic linear sliding device focusing on the shoulder and elbow joints was developed. The results of the validation tests of the measurements performed on the robotic device were satisfactory. Tests on the usability of the robotic device by both the professional and the patient reached a scale at excellent level. Based on the robotic device for the upper limb affected by the stroke, a robotic rehabilitation device for bilateral mode was developed. The association of robotics with motor rehabilitation addressing shoulder and elbow joints showed great potential to assist professionals for rehabilitation of patients who still have motor sequelae of stroke. Keywords: Upper Limb Rehabilitation. Rehabilitation Robotics. Stroke. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Efetuador-final para reabilitação de membros superiores ............................. 30 Figura 2 - Modelo 3D da estrutura mecânica................................................................. 37 Figura 3 - Dimensões do dispositivo. ............................................................................. 38 Figura 4 - Elementos internos do dispositivo robótico. .................................................. 39 Figura 5 - Sistema de tração. ........................................................................................ 40 Figura 6 - Sistema de frenagem/resistência. ................................................................. 41 Figura 7 - Deslizador. .................................................................................................... 42 Figura 8 - Efetuador ....................................................................................................... 42 Figura 9 - Arduino Nano ................................................................................................ 45 Figura 10 - Drivers motores de passo. (a) DRV8825; (b) MP6500. ............................... 46 Figura 11- Encoder KY-040 ........................................................................................... 47 Figura 12 - Chave fim de curso KW-11-3Z. ................................................................... 47 Figura 13 - Botão de emergência. ................................................................................. 48 Figura 14 - Módulo Bluetooth HC-05 ............................................................................. 49 Figura 15 - Fonte de alimentação 12 V / 10 A. .............................................................. 49 Figura 16 - Componentes para sinalização. (a) LEDs e resistores. (b) Alto-falante. ..... 50 Figura 17 – Componentes de interconexão. (a) Conector DB-25. (b) Cabo paralelo. ... 51 Figura 18 - Diagrama do circuito eletrônico. .................................................................. 51 Figura 19 - Interações entre Hardware, Firmware, Aplicativo e Usuário. ...................... 53 Figura 20 - Diagrama de caso de uso do aplicativo de controle. ................................... 55 Figura 21 - Telas do aplicativo. (a) Tela principal. (b) Tela de conexão. ....................... 56 Figura 22 - Tela Modo de Operação. ............................................................................. 57 Figura 23 - Telas de ajuste de parâmetros. (a) Modo Passivo. (b) Modo Ativo-Assistido. (c) Modo Ativo-Resistido................................................................................................ 58 Figura 24 - Tela Iniciar Treinamento. ............................................................................. 59 Figura 25 - Tela Parar Treinamento. ............................................................................. 60 Figura 26 - Menu do aplicativo. ..................................................................................... 61 Figura 27 - Opções do app. (a) Terminal. (b) Menu Ajuda. (c) Menu Sobre este app. .. 62 Figura 28 - Protótipo ...................................................................................................... 63 Figura 29 - Montagem do circuito eletrônico na protoboard. ......................................... 64 Figura 30 - Maleta de armazenamento do circuito eletrônico. ....................................... 65 Figura 31 – Protótipo finalizado. .................................................................................... 65 Figura 32 - Torque vs. Força no efetudador. (a) Velocidade de 40 rpm. (b) Velocidade de 60 rpm. (c) Velocidade de 80 rpm. (d) Velocidade de 100 rpm. (e) Velocidade de 120 rpm. (f) Sobreposição das curvas. ................................................................................. 68 Figura 33 - Intensidade de Frenagem vs. Força no Efetuador. ..................................... 70 Figura 34 - Modelo 3D do modo bilateral. ..................................................................... 99 Figura 35 - Segunda unidade do dispositivo (vista lateral direita). .............................. 100 Figura 36 - Segunda unidade do dispositivo (vista lateral esquerda). ......................... 100 Figura 37 - Diagrama do circuito eletrônico (bilateral). ................................................ 102 Figura 38 - Diagrama em blocos do controle do modo bilateral .................................. 103 Figura 39 - Tela Modo de Operação. ........................................................................... 104 Figura 40 - Telas do aplicativo. (a) Tela Iniciar Treinamento. (b) Tela Parar Treinamento. .................................................................................................................................... 105 Figura 41 - Dispositivo Bilateral (vista frontal). ............................................................ 106 Figura 42 - Dispositivo Bilateral (vista lateral esquerda). ............................................. 106 Figura 43 - Dispositivo Bilateral (Vista lateral direita). ................................................. 107 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Valor da carga para cada opção disponível no aplicativo de controle ......... 70 Tabela 2 - Resultado do teste de conexão. .................................................................. 72 Tabela 3 Tempo de resposta do sistema ..................................................................... 73 Tabela 4 - Resultado da validação das medidas de distância. ..................................... 75 Tabela 5 - Resultado da validação das medidas de velocidade. ................................... 76 Tabela 6 - Velocidade correspondente a cada opção disponível no aplicativo de controle. ...................................................................................................................................... 77 Tabela 7 - Caracterização dos fisioterapeutas participantes da pesquisa em termos de sexo e tempo de experiência. ........................................................................................ 84 Tabela 8 - Características dos pacientes participantes da pesquisa. ........................... 85 Tabela 9 – Rank Percentil por Escore SUS. .................................................................. 87 Tabela 10 – Interpretação do escore SUS – Escala de Conceito. ................................. 88 Tabela 11 - Pontuação total do Questionário SUS, percentil e escala de conceito do grupo Fisioterapeuta ...................................................................................................... 89 Tabela 12 - Nota média dos componentes de qualidade do grupo Fisioterapeuta. ...... 89 Tabela 13 - Pontuação total do Questionário SUS, percentil e escala de conceito do grupo Paciente. ............................................................................................................. 90 Tabela 14 - Nota média dos componentes de qualidade do grupo Paciente. .............. 90 LISTA DE QUADROS Quadro 1- Fatores de risco para o AVE. ....................................................................... 22 Quadro 2- Requisitos de projeto. ................................................................................... 36 Quadro 3 - Questões para avaliar a usabilidade do dispositivo robótico conforme o SUS. ...................................................................................................................................... 82 Quadro 4 - Associação entre os componentes de qualidade para avaliar a usabilidade por Nielsen (2012) e as questões incluídas no SUS (BROOKE, 1996). ........................ 83 Quadro 5 - Informações extraídas dos comentários não obrigatórios. ......................... 93 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................. 14 2. JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 17 3. OBJETIVOS ...................................................................................................... 19 4. REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................. 20 4.1. ACIDENTE VASCULAR ENCEFÁLICO ........................................................................ 20 4.1.1. Comprometimentos decorrentes do acidente vascular encefálico .................... 23 4.1.2. Reabilitação após o acidente vascular encefálico ............................................ 25 4.2. REABILITAÇÃO ROBÓTICA ..................................................................................... 27 4.2.1. Reabilitação robótica para membros superiores ............................................... 28 4.3. SUMÁRIO ............................................................................................................ 34 5. ESTUDO 1 ........................................................................................................ 35 5.1. REQUISITOS DE PROJETO .................................................................................... 35 5.2. PROJETO MECÂNICO ............................................................................................ 36 5.2.1. Sistema de Tração ............................................................................................ 39 5.2.2. Sistema de Frenagem/Resistência ................................................................... 40 5.2.3. Deslizador ......................................................................................................... 41 5.2.4. Efetuador .......................................................................................................... 42 5.2.5. Confecção das peças ....................................................................................... 43 5.3. ELETRÔNICA ....................................................................................................... 44 5.3.1. Microcontrolador ............................................................................................... 44 5.3.2. Drivers .............................................................................................................. 45 5.3.3. Encoder ............................................................................................................ 46 5.3.4. Chave fim de curso ........................................................................................... 47 5.3.5. Botão de emergência ........................................................................................ 48 5.3.6. Módulo de comunicação Bluetooth ................................................................... 48 5.3.7. Fonte de Alimentação ....................................................................................... 49 5.3.8. Sinalização ....................................................................................................... 50 5.3.9. Interconexão entre o circuito eletrônico e o módulo mecânico ......................... 50 5.3.10. Diagrama do circuito ......................................................................................... 51 5.4. MODOS DE OPERAÇÃO ......................................................................................... 52 5.5. SOFTWARE ......................................................................................................... 53 5.5.1. Firmware ........................................................................................................... 53 5.5.2. Aplicativo .......................................................................................................... 54 5.6. MONTAGEM DO PROTÓTIPO .................................................................................. 62 5.7. SUMÁRIO ............................................................................................................ 66 6. ESTUDO 2 ........................................................................................................ 67 6.1. TESTAGEM E VALIDAÇÃO TÉCNICA DO DISPOSITIVO ................................................. 67 6.1.1. Teste do sistema de tração ............................................................................... 67 6.1.2. Teste do sistema de frenagem.......................................................................... 69 6.1.3. Teste de comunicação ...................................................................................... 71 6.1.4. Teste de resposta do sistema ........................................................................... 72 6.1.5. Validação das medidas de distância ................................................................. 74 6.1.6. Validação das medidas de velocidade .............................................................. 75 6.1.7. Teste dos modos de operação ......................................................................... 77 6.2. SUMÁRIO ............................................................................................................ 78 7. ESTUDO 3 ........................................................................................................ 80 7.1. AVALIAÇÃO DA USABILIDADE ................................................................................ 80 7.2. MATERIAIS E MÉTODO ......................................................................................... 83 7.2.1. Participantes ..................................................................................................... 83 7.2.2. Procedimentos .................................................................................................. 85 7.3. TRATAMENTO E ANÁLISE DOS DADOS .................................................................... 86 7.4. RESULTADOS ...................................................................................................... 88 7.4.1. Fisioterapeuta ................................................................................................... 88 7.4.2. Pacientes .......................................................................................................... 90 7.5. DISCUSSÃO ......................................................................................................... 91 7.6. SUMÁRIO ............................................................................................................ 94 8. ESTUDO 4 ........................................................................................................ 96 8.1. TREINO BILATERAL .............................................................................................. 96 8.2. MODO DE OPERAÇÃO ........................................................................................... 98 8.3. CONSTRUÇÃO DO MODO BILATERAL ...................................................................... 98 8.3.1. Mecânica .......................................................................................................... 99 8.3.2. Eletrônica ........................................................................................................ 101 8.3.3. Software .......................................................................................................... 102 8.4. DISPOSITIVO BILATERAL ..................................................................................... 105 8.5. TESTES ............................................................................................................ 107 8.6. SUMÁRIO .......................................................................................................... 107 9. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................ 109 9.1. TRABALHOS FUTUROS ....................................................................................... 111 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 112 APÊNDICE A – QUESTIONÁRIO SUS ....................................................................... 128 14 1. INTRODUÇÃO A tecnologia é parte do modus vivendi da nossa sociedade. O conceito de tecnologia remete às inovações presentes no cotidiano, tais como smartphones, computadores de alta performance, dispositivos de conexão via bluetooth, entre outras. Tecnologia é uma palavra que abrange definições com diferentes perspectivas na literatura científica (WAHAB, RADUAN e OSMAN, 2012). Em uma observação mais ampla, ‘conhecimento ou técnica’ e o ‘fazer as coisas’ são elementos comumente presentes na definição sobre tecnologia (LAN e YOUNG, 1996). Nesse contexto, a tecnologia reflete um conjunto de processos com base no conhecimento científico e substancialmente apoiada nas necessidades humanas para a obtenção de um produto ou serviço. A tecnologia promove o desempenho humano em diversos setores. A robótica aplicada à reabilitação motora, por exemplo, é uma área que avança rapidamente. A robótica é a ciência que estuda a construção de robôs. Brady (1985) define a robótica como o conhecimento preocupado com a conexão inteligente da percepção à ação. Em específico, um robô é um manipulador multifuncional reprogramável projetado para mover materiais, peças, ferramentas ou dispositivos especializados por meio de vários movimentos programados para a execução de uma variedade de tarefas (ROBOT INSTITUTE OF AMERICA, 1979). Um robô de reabilitação é uma máquina operada de forma automática, que foi projetada especificamente para auxiliar na recuperação de movimentos de pessoas com alguma limitação física (REINKENSMEYER, 2018). Normalmente, são dotados de sensores que captam o movimento do paciente e respondem conforme uma programação prévia. O quadro clínico do AVE (Acidente Vascular Encefálico) tem recebido muita atenção para dispositivos robóticos. MACIEJASZ et al. (2014), por exemplo, documentaram e analisaram os dispositivos robóticos existentes para reabilitação de membros superiores. O AVE é caracterizado por evidência de morte celular de áreas do encéfalo, medula espinhal ou da retina devido a uma causa vascular com base em exames patológicos ou imagem, com ou sem presença de sintomas clínicos (SACCO et al., 2013). As estatísticas indicam que o AVE é hoje a principal causa de incapacidade no mundo e a segunda principal causa de morte, ultrapassado apenas 15 por doenças cardíacas isquêmicas (WHO, 2004). A recuperação motora parece ocorrer predominantemente nos primeiros meses após o AVE, embora alguns pacientes apresentem recuperação em fases posteriores (HENDRICKS et al., 2002). Portanto, uma reabilitação motora eficaz é parte essencial dos cuidados com os pacientes acometidos de AVE. A recuperação da função dos membros superiores, quando acometidos, é um dos objetivos da reabilitação pós-AVE. Uma avaliação durante todo período de internação hospitalar pós-AVE até a liberação demonstrou que a paresia severa persistiu em 64 (56%) dos pacientes que sobreviveram ao AVE. Enquanto que os 51 pacientes restantes apresentaram recuperação completa da função do membro superior afetado (n = 17) ou recuperação parcial (n = 34) (NAKAYAMA et al., 1994). Diante desses números, fica evidente que a ocorrência do AVE deixa sequelas motoras relevantes. Então, abordagens inovativas como a da reabilitação robótica não só oferece uma alternativa para incrementar a terapia, mas otimiza o processo de recuperação da capacidade funcional do membro afetado. A robótica apresenta potencial para maximizar os protocolos de reabilitação motora. Krebs (2006) argumenta que robôs atendem facilmente aos requisitos de movimentos cíclicos e intensivos da reabilitação; apresentam melhor controle para produzir e introduzir forças durante os movimentos; reproduzem as mesmas condições nas repetições do exercício; além de apresentar precisão no controle de parâmetros do movimento. Os robôs apresentam potencial para adaptação ao treinamento conforme as necessidades do paciente, armazenam informações do treinamento permitindo acompanhar o progresso do paciente de maneira objetiva (RICHARDSON, BROWN e PLUMMER, 2000). Contudo, a reabilitação robótica não é limitada a pacientes pós-AVE. A mesma pode ser estendida a outros déficits motores, tais como esclerose múltipla (GIJBELS et al., 2011), pacientes com paralisia cerebral (KREBS et al., 2009) ou doença de Parkinson (PICELLI et al., 2014). Os avanços tecnológicos permitiram diversas propostas de dispositivos nos últimos anos. Tendo em vista articulações e segmentos dos membros superiores, os dispositivos robóticos podem ser construídos com enfoque em certas articulações ou segmentos. O membro superior é um segmento complexo, com sete graus de liberdade, incluindo três na articulação do ombro, dois no cotovelo e dois no punho, sem considerar todas articulações da mão. Os dispositivos robóticos descritos na 16 literatura então envolvendo um ou vários segmentos articulares do membro superior tem apresentado resultados promissores (KREBS et al., 1998; MEHRHOLZ et al., 2020). Um número substancial de estudos para os membros superiores tem demonstrado efeitos positivos da reabilitação robótica em pacientes acometidos pelo AVE (MACIEJASZ et al., 2014; SHENG et al., 2016; MOLTENI et al., 2018). Esses dispositivos devem fazer parte de uma rotina padrão na reabilitação motora. No entanto, algumas barreiras se contrapõem para a disseminação de tais equipamentos em clínicas de reabilitação. Dentre as barreiras destacam-se o alto custo e a falta de opção para compra no mercado nacional. O dispositivo ARM (Assistive Rehabilitation Machine) da Vivax, desenvolvido e produzido aqui é provavelmente o único tipo disponível no Brasil. O custo de aquisição do aparelho é de R$ 200 mil. Alternativamente, o interessado poderá alugar o equipamento por cerca de R$ 60 mil ao ano, com opção de compra após dois ou três anos (FAPESP, 2017). O presente trabalho propõe e desenvolve um dispositivo para reabilitação robótica com foco sobre os membros superiores. Em específico, no movimento das articulações dos cotovelos e dos ombros. A informação de entrada para o robô que assiste o paciente é o deslocamento do membro superior sobre o dispositivo de modo que o robô ajusta a carga ou para facilitar ou resistir ao movimento. Esse ajuste depende do grau de capacidade motora do paciente. Um aspecto fundamental que guia a proposição do dispositivo para a reabilitação robótica para membros superiores aqui é que tal dispositivo seja acessível, de fácil manuseio e móvel. Toma-se como base para o desenvolvimento do dispositivo robótico indivíduos que sofreram AVE. 17 2. JUSTIFICATIVA O AVE é uma condição incapacitante e morbidade com alto impacto social e econômico. Mais de 80 milhões de pessoas sobreviveram ao AVE em 2016 (JOHNSON et al., 2019). Cerca de 50% dos sobreviventes ao AVE apresentam déficits crônicos (DONKOR, 2018). Rajsic et al. (2019) em uma revisão sistemática concluíram que o tratamento e os cuidados pós-AVE apresentam maior custo nos Estados Unidos (US$ 4850,00 por mês) e menor na Austrália (US$ 752,00 por mês). Os serviços de reabilitação e enfermagem contribuíram substancialmente nesse custo. O AVE é a segunda causa mais comum de expectativa de vida corrigida por incapacidade – EVCI (GORELICK, 2019). A EVCI é uma medida desenvolvida pela Organização Mundial da Saúde para medir os anos de vida saudáveis perdidos por conta da mortalidade prematura ou ao viver com déficits que limitam a rotina diária (WHO, 2020). A tendência de mudança do perfil populacional nas próximas décadas em função da expectativa de vida. Em torno do ano 2025 o número global de pessoas idosas irá exceder o número de pessoas jovens (com menos de 60 anos). Nesse contexto há uma expectativa de que a incidência de doenças crônicas como o AVE também aumente, afetando o bem-estar e a qualidade de vida das pessoas. Ainda que o custo do AVE, conforme a EVCI, padronizada por idade, tenha diminuído de 1990 a 2016, o número absoluto de EVCI aumentou no mesmo período. Esse aumento se deve ao crescimento populacional e envelhecimento, apesar do declínio da incidência e melhora na sobrevida ao AVE (JOHNSON et al., 2019). A terapia robótica não é um procedimento disseminado nas clínicas para reestabelecer as funções motoras. Em particular, a terapia robótica para membros superiores é um campo que avança há pelo menos vinte anos (KREBS et al., 1998; KREBS et al., 2000). A American Heart Association (AHA) sugere que a terapia robótica para membros superiores seja considerada razoável para oferecer uma prática mais intensiva para indivíduos com paresia de moderada a grave, atingindo evidência de Classe IIa, Nível A (WINSTEIN et al., 2016). Classe IIa significa que o Benefício >> Risco, i.e., é razoável realizar o procedimento e/ou administrar o tratamento. Já o nível A significa que múltiplas populações foram avaliadas e os dados 18 foram derivados de múltiplos ensaios clínicos randomizados ou advém de meta- análise. Portanto, as recomendações por parte da área médica baseada em evidência estimulam o desenvolvimento de dispositivos para popularizar a reabilitação robótica. A reabilitação motora após o AVE é baseada na repetição e treino de exercícios. Birkenmeier, Prager e Lang (2010) sugerem um mínimo de 300 repetições por dia para reabilitação de membros superiores. O trabalho do profissional pode se tornar cansativo e tedioso. A reabilitação se torna mais cansativa ao paciente na medida em que o mesmo apresenta muita dificuldade em evoluir no seu tratamento. A terapia robótica pode lidar com grande número de repetições. As repetições exigem interação do paciente com o robô de modo a criar condições de uma intervenção ajustada à limitação motora do paciente. O dispositivo robótico, em geral, é equipado com processadores e memórias e, por isso, capaz de processar e armazenar dados. Dessa forma, um robô projetado para a reabilitação de membros superiores apresenta capacidade em medir mudanças sobre as variáveis relativas ao movimento do membro em interação com o robô. As informações coletadas pelo robô são valiosas na medida que podem auxiliar os terapeutas no planejamento do tratamento e na definição de metas. Além disso, o terapeuta poderá obter o desempenho do paciente com o dispositivo a cada sessão e identificar a taxa de recuperação ao longo da reabilitação. A taxa de recuperação pode ser um indicador mais significativo quando se leva em conta o grau de comprometimento motor. A reabilitação robótica é uma tecnologia assistiva que facilita a recuperação de déficit motor. Em vez de focalizar a compensação, a terapia robótica se concentra na melhoria do membro comprometido de acordo com os conceitos de neuroplasticidade (DURET, GROSMAIRE e KREBS, 2019). Estes mesmos pesquisadores argumentam que a terapia robótica possibilita incluir intensidade, interatividade, flexibilidade e adaptação conforme as necessidades do paciente, além de aumentar a produtividade no processo da reabilitação. Muitos são os desafios para que robôs sejam disseminados e tornem-se uma realidade. O custo e o acesso para adquiri-los são algumas das principais barreiras para a popularização da terapia robótica. O presente trabalho, então, busca desenvolver um dispositivo robótico de apoio aos profissionais da reabilitação motora para membros superiores que facilite a reabilitação e, fundamentalmente, seja acessível e de fácil manuseio. 19 3. OBJETIVOS Projetar um dispositivo robótico integrado (i.e., hardware e software) para reabilitação de membros superiores; Validar as medidas do dispositivo robótico para reabilitação de membros superiores; Examinar a usabilidade do dispositivo robótico para reabilitação de membros superiores em pacientes acometidos pelo AVE; Desenvolver o modo bilateral do dispositivo robótico para reabilitação de membros superiores. 20 4. REVISÃO DE LITERATURA 4.1. Acidente vascular encefálico O AVE é popularmente chamado de derrame. O AVE é uma condição com sinais clínicos de rápido desenvolvimento de distúrbio focal ou global da função cerebral, com duração de mais de 24 horas ou levando à morte, sem outra causa aparente, além dessa de origem vascular (AHO et al., 1980). Essa é uma definição antiga da OMS elaborada para um estudo que avaliou a prevalência e as origens do AVE. Em um esforço coletivo, a AHA e a American Stroke Association (ASA) (SACCO et al., 2013) elaboraram um documento de consenso para uma compreensão atualizada de AVE. A definição, portanto, deve ser além da clínica, tendo em vista os mais recentes avanços científicos e tecnológicos. Esses avanços permitem examinar a lesão neurológica associada ao AVE em diferentes níveis de análise, como o morfológico, o celular ou o molecular. Sacco e colaboradores (2013) descrevem que o infarto do SNC (Sistema Nervoso Central) está associado à morte celular de áreas cerebrais, da medula espinhal ou da retina atribuível à isquemia. A constatação da morte celular deve ter base em evidências neuropatológicas, de neuroimagem e/ou clínicas de lesão permanente. Sobre um espectro clínico, o AVE isquêmico refere-se especificamente ao infarto do SNC acompanhado por sintomas evidentes, enquanto o infarto silencioso, por definição, não causa sintomas conhecidos. O AVE também inclui, de forma ampla, hemorragia intracerebral e hemorragia subaracnóidea. Portanto, a definição atualizada de AVE, conforme o esforço coletivo (SACCO et al., 2013) incorpora critérios clínicos e fisiológicos e podem ser incorporados à prática, à pesquisa e à avaliações da saúde pública. O AVE do tipo isquêmico é o mais comum. A ocorrência é de aproximadamente em 80% dos casos (SPENCE e BARNETT, 2013). O AVE isquêmico resulta de oclusão vascular que causa a redução da perfusão cerebral privando o tecido cerebral de oxigênio e nutrientes. Ainda que o cérebro represente 2% do peso corporal, utiliza cerca de 20% do oxigênio e da glicose (SIMARD et al., 2007). Um déficit de oxigênio 21 e suprimentos durante a isquemia leva à morte de células cerebrais. Segundo Saver (2006), em um evento isquêmico cerca de 120 milhões de neurônios morrem a cada hora sem tratamento. Esse número corresponde a um envelhecimento cerebral de 3,6 anos a cada hora se comparada com a taxa normal de perda celular. Nesse contexto, quanto mais rápido o indivíduo conseguir cuidados médicos, maiores as chances de recuperação. De acordo com Spence e Barnett (2013), os processos fisiopatológicos que resultam no AVE isquêmico são pela (a) trombose: formação de um coágulo no vaso cerebral; (b) embolia: o coágulo se forma em outra parte do corpo, como o coração, a aorta e as carótidas e é transportado para o cérebro por meio da circulação sanguínea; (c) infarto lacunar: doença de pequenas artérias penetrantes no cérebro e hipoperfusão nos territórios arteriais mais distais. O AVE hemorrágico ocorre pelo sangramento em um local do cérebro devido ao rompimento de vaso sanguíneo (SPENCE e BARNETT, 2013). Mesmo que este tipo de AVE seja menos comum, é mais severo e com alta taxa de mortalidade (ANDERSEN et al., 2009). Os processos fisiopatológicos associados ao AVE hemorrágico são pela (a) hemorragia intraparenquimatosa: quando o extravasamento de sangue vai para o interior do cérebro; (b) hemorragia intraventricular: quando o sangramento vai para o sistema ventricular; (c) hemorragia subaracnóideo: quando o extravasamento de sangue vai para o espaço subaracnóideo (PONTES-NETO et al., 2009). O AVE pode afetar indivíduos de todas as idades. Os idosos são os mais atingidos e a incidência aumenta agudamente com a idade (ROTHWELL et al., 2005; GOLDSTEIN et al., 2011). Segundo Rojas et al. (2007), a taxa de AVE duplica em homens e em mulheres para cada 10 anos sucessivos após os 55 anos de idade. Além disso, o AVE é mais comum entre homens do que entre mulheres, mas essa diferença tende a diminuir com a idade (KAMMERSGAARD et al., 2004). A literatura aponta maior incidência racial do AVE entre indivíduos negros, asiáticos, hispânicos e outras minorias (HAJAT et al., 2011). Outro dado relevante diz respeito ao risco do AVE se tornar maior em países subdesenvolvidos quando comparados aos países desenvolvidos (FEIGIN et al., 2003). 22 Os sintomas do AVE variam de indivíduo para indivíduo. A variação depende muito da área ou estrutura do cérebro afetada pela lesão. Os sinais clínicos específicos e muito característicos que indicam a ocorrência de um AVE é a fraqueza repentina ou dormência da face, braço e/ou perna, geralmente em um lado do corpo (BRASIL, 2013). Outros sinais frequentes incluem: confusão mental, alteração cognitiva, dificuldade para falar ou compreender, engolir, enxergar com um ou ambos os olhos e caminhar; distúrbios auditivos; tontura, perda de equilíbrio e/ou coordenação; dor de cabeça intensa, sem causa conhecida; diminuição ou perda de consciência (BRASIL, 2013). Quanto mais cedo a doença for tratada, melhores serão os prognósticos para o paciente. A lesão neurológica como o AVE apresentam fatores de risco. Os fatores se classificam em modificáveis e não modificáveis (SPENCE e BARNETT, 2013). Conforme os pesquisadores, embora não seja possível controlar os fatores não modificáveis, as pessoas que se enquadram nesse grupo podem receber maior atenção nos cuidados básicos de saúde. Já os que se enquadram no grupo de fatores modificáveis devem ser incentivados a buscar um estilo de vida mais saudável, a fim de diminuir os riscos e evitar a doença. O Quadro 1 apresenta os principais fatores de risco modificáveis e não modificáveis para AVE. Quadro 1- Fatores de risco para o AVE. Fatores de risco não modificáveis Fatores de risco modificáveis Idade Sexo Etnia Genética Histórico familiar Hipertensão Fibrilação atrial Diabetes Doença vascular coronária e periférica Doenças cardíacas Obesidade Sedentarismo Tabagismo Consumo excessivo de álcool Uso de drogas (p. ex., cocaína) Fonte: Adaptado de (SPENCE e BARNETT, 2013). 23 O tratamento ao AVE depende do momento após o acometimento pela lesão. Após a lesão encefálica há três fases distintas (KIRAN, 2012). A primeira é a fase aguda e permanece até duas semanas após o AVE. A segunda é a subaguda que compreende o período que inicia imediatamente após a fase aguda e se estende até seis meses a partir do episódio. Por fim, a fase crônica que sucede a fase subaguda e começa 6 meses após a ocorrência do AVE e pode continuar pelo resto da vida do indivíduo. Os pacientes, em geral, apresentam sintomas característicos em cada fase. O tratamento, portanto, poderá variar de acordo com a fase do acometimento ao AVE. 4.1.1. Comprometimentos decorrentes do acidente vascular encefálico O AVE causa muitos problemas na rotina do paciente. As sequelas podem variar dependendo do local e da extensão da lesão (ALEXANDER et al., 2010). Os indivíduos que sobrevivem ao AVE podem apresentar alterações no nível de consciência e comprometimento das funções sensoriais, motricidade, cognição, percepção e linguagem (FUGL-MEYER et al., 1975; DA COSTA, DA SILVA e DA ROCHA, 2011; JACQUES e CARDOS, 2011). O foco de interesse no presente trabalho é os problemas que acarretam o comprometimento do sistema motor e que levam o paciente às limitações funcionais. Pacientes acometidos pelo AVE podem apresentar déficit do controle motor caracterizado por fraqueza muscular e alteração do tônus muscular. Tais déficits podem limitar a realização de atividades diárias associadas à alimentação, à higiene pessoal, entre tantas outras. A fraqueza muscular é caracterizada pela falta da capacidade de gerar níveis de força adequados para realizar o movimento (OVANDO, 2009). As causas para a fraqueza muscular se devem à diminuição do recrutamento de unidades motoras, às modificações fisiológicas do músculo parético, à atrofia muscular resultante da redução da atividade física ou pelo desuso. Os membros superiores são frequentemente mais afetados pela fraqueza do que os membros inferiores. Normalmente, os músculos distais exibem déficits de força maiores que os músculos proximais. Também, uma fraqueza discreta ocorre no lado ipsilateral (COLEBATCH e GANDEVIA, 1989). É interessante que a intensidade da 24 fraqueza apresentada pelo paciente pode variar dependendo da tarefa funcional específica, ou seja, o paciente pode parecer mais forte quando realiza uma tarefa que quando realiza outras (MURATORI et al., 2013). Dependendo da extensão da lesão, a fraqueza muscular pode variar em nível de gravidade: (a) perda total ou severa da atividade muscular, denominada paralisia ou plegia; (b) perda branda ou parcial, denominada paresia. Paralisia ou plegia é definida como “uma diminuição do recrutamento voluntário da unidade motora e reflete em uma incapacidade ou dificuldade no recrutamento de unidades motoras esqueléticas para gerar torque ou movimento” (SHUMWAY-COOK e WOOLLACOTT, 2010, p. 103). Os termos hemiplegia ou hemiparesia são utilizados para referenciar a plegia e a paresia que afeta um lado do corpo, que normalmente ocorre no lado contralateral à região do cérebro afetada (DA SILVA, 2010). Um comprometimento comum logo após a ocorrência do AVE é o tônus muscular diminuído ou ausente. Esta condição caracteriza a hipotonia ou flacidez, dificultando ou impedindo a realização de movimentos voluntários (DA SILVA, 2010). A hipotonia ou flacidez não oferece resistência ao movimento passivo, por exemplo. Desta forma, o paciente não consegue manter o membro em alguma posição voluntariamente. Este estágio pode permanecer por horas, dias ou semanas. Entretanto, com o passar do tempo, o tônus muscular tende a aumentar, levando à substituição de um quadro de hipotonia por hipertonia, no qual há um aumento da resistência ao movimento passivo e a espasticidade se instala. Nos membros superiores, a espasticidade predomina nos músculos flexores, com postura em adução e rotação interna do ombro, flexão do cotovelo, pronação do punho e flexão dos dedos (TEIVE, ZONTA e KUMAGAI, 1998). Conforme os pesquisadores, uma característica comum dos membros espásticos é o aumento de resistência ao movimento passivo, que é mais acentuado com o aumento da amplitude e da velocidade imposta. Outra característica relacionada ao movimento rápido com o membro espástico, é uma resistência inicial alta ao estiramento passivo, que diminui com a continuação do movimento, caracterizando o chamado sinal do canivete. 25 4.1.2. Reabilitação após o acidente vascular encefálico As sequelas resultantes do AVE implicam em algum grau de dependência. Tal dependência repercute na vida e na autonomia do indivíduo, nas suas atividades profissionais e sociais. As sequelas da lesão estão relacionadas com a localização da área afetada e com a gravidade da lesão, porém, podem ser reversíveis (GIRARDON- PERLINI et al., 2007). Dessa forma, o tratamento, a reabilitação, que em geral começa já na hospitalização, deve continuar após a liberação hospitalar com profissionais especializados. O processo de reabilitação busca desenvolver um trabalho para prevenir complicações, recuperar ao máximo as funções comprometidas e reintegrar o paciente à sua rotina pessoal e/ou profissional. A recuperação da capacidade e da função motora após a lesão neural ocorre em dois processos associados. Shumway-Cook e Woollacott (2010) categorizam estes processos em restaurativos (diretos) e compensatórios (indiretos). Nos mecanismos diretos, a restituição da função acontece de forma espontânea, pela resolução de mudanças temporárias e pela capacidade dos tecidos neuronais circunjacentes de assumirem funções neuronais idênticas às das células lesionadas. No indireto, circuitos neuronais completamente diferentes capacitam a recuperação da função perdida ou comprometida. Isso é possível graças a habilidade que o cérebro tem de se reorganizar e se adaptar às mudanças provocadas pela lesão. Este fenômeno é denominado neuroplasticidade e é base fundamental para a reabilitação por parte do profissional especializado. A intervenção pelo profissional especializado busca aplicar técnicas e manipulações no processo reabilitativo. Em geral, tais intervenções têm como objetivo recuperar a força, normalizar o tônus muscular, melhorar a sensibilidade, coordenação e equilíbrio, treinar o paciente para a realização das atividades da vida diária (AVDs), além de prevenir complicações e novos episódios de AVE. As diversas formas adotadas no processo de reabilitação podem levar o indivíduo a readquirir capacidades e funções, mas podem também levar o indivíduo a aprender novas formas de realizar determinadas tarefas. Essas novas formas refletem um modo de compensar por qualquer disfunção residual, permitindo maior independência ao paciente. 26 A recuperação durante e após a reabilitação pode ser completa ou parcial. Os resultados da reabilitação variam de indivíduo a indivíduo. Diversos estudos demonstram que a gravidade inicial da lesão (i.e., do AVE), tempo de acometimento e idade são os principais fatores que contribuem substancialmente para a recuperação das capacidades e funções (OVANDO, 2009; SPENCE e BARNETT, 2013). Entretanto, é difícil prever com precisão o nível de recuperação e independência que o paciente alcançará (STINEAR, 2010). A literatura cientifica tem buscado avaliar diferentes tipos de reabilitação motora em pacientes acometidos pelo AVE. Dentre os tipos de reabilitação pode-se destacar um programa baseado em AVDs (ALBUQUERQUE et al., 2011); terapia de contenção induzida (RIBERTO et al., 2005); estimulação elétrica funcional (OSHIRO et al., 2012); uso de órtese (GARROS, GAGLIARDI e GUZZO, 2010), programa baseado em hidroterapia (CUNHA et al., 1998) e cinesioterapia que inclui a fisioterapia por meio da dança (RAMOS CALIL et al., 2007). Adicionalmente, as abordagens experimentais que tentam sistematizar e compreender como potencializar a recuperação das capacidades motoras aumentam cada vez mais (YEJUN et al., 2005; O'DELL, LIN e HARRISON, 2009). As tecnologias estão cada vez mais presentes como estratégias para a reabilitação motora. Por exemplo, a gameterapia utiliza jogos interativos, de realidade virtual não-imersiva para estimular a prática de movimentos e exercícios específicos para reabilitação dos pacientes. Jogos de videogame ativos como os do Wii da Nintendo® são adaptados para compor um programa de reabilitação motora (DEUTSCH et al., 2011). Segundo Soares, Carneiro e Moreira (2013), a gameterapia é um excelente meio de reabilitação devido a interação entre o paciente e o ambiente virtual do jogo. O GenVirtual (CORREA et al., 2007) é uma ferramenta de musicoterapia que se utiliza do recurso de realidade aumentada, com a finalidade de conferir acessibilidade a instrumentos virtuais. Novas tecnologias surgem rapidamente na área da reabilitação motora. Tais tecnologias visam auxiliar pacientes que apresentam perdas sensório-motoras totais ou parciais (HESSE et al., 2003). O treino e a prática de exercícios do membro acometido são imprescindíveis para o processo de reabilitação. Nesse contexto, sistemas robóticos podem proporcionar essa movimentação com maior controle e possibilidade de acompanhamento do processo. O uso da robótica para a reabilitação 27 avança rapidamente, com diversos equipamentos testados em ambientes de laboratório, com pouca ou tímida difusão em clínicas privadas ou públicas. Em comparação com a terapia convencional, a terapia assistida por robô pode ser mais eficaz na recuperação da função do membro superior, especialmente em pacientes acometidos por AVC crônico (BERTANI et al., 2017). 4.2. Reabilitação robótica Um robô é uma máquina que combina sinergicamente partes mecânica, elétrica e eletrônica. Um robô deve possuir capacidade computacional e um sistema de controle capaz de executar tarefas repetitivas, predefinidas ou pré-programadas. Mais adiante, um robô também deve ser capaz de realizar tarefas de modo inteligente (i.e., autônomo), capaz de perceber o ambiente, tomar decisões e agir conforme a situação em que se encontra (HILLMAN, 2004; ROMERO et al., 2017). A aplicação desta tecnologia na recuperação da função comprometida pelas lesões neurológicas com o intuito de propiciar ao paciente um nível ótimo de vida e um estado de bem-estar físico, mental e social, resulta na reabilitação robótica. O uso de robô na reabilitação ganhou impulso a partir das tecnologias assistivas para pessoas com deficiência. Um rápido e notório crescimento nos últimos anos tem sido dedicado à terapia robótica tendo como base o AVE (MOLTENI et al., 2018). A reabilitação robótica para membros superiores teve seu impulso inicial no final da década de 90, com o desenvolvimento do MIT-MANUS (AISEN et al., 1997; KREBS et al., 1998). O objetivo das pesquisas pioneiras foi o de assistir, aprimorar, quantificar e documentar a neuro reabilitação. Desde seu início até os dias atuais, a reabilitação robótica tem se expandido, devido a quantidade de pesquisa sobre o tema e ao crescente número de dispositivos. As pesquisas têm demonstrado as vantagens da reabilitação robótica (KREBS, 2006; APPEL, 2014; QIAN e BI, 2015). Conforme Appel (2014), o uso da reabilitação robótica permite produzir movimentos repetitivos com muita precisão e alta qualidade, com controle da força, velocidade e posição. Além disso, o dispositivo robótico pode fornecer dados para avaliar o progresso do paciente de forma objetiva. Desta forma, 28 pode-se variar e adaptar os exercícios da reabilitação de acordo com as necessidades do paciente. Estas qualidades fazem dos dispositivos robóticos um recurso adicional para auxiliar os profissionais que atuam com reabilitação. A grande finalidade em utilizar os robôs na reabilitação consiste em acelerar e melhorar a qualidade da recuperação das capacidades e funções. No entanto, Kwakkel, Kollen e Krebs (2008) explicam que a reabilitação robótica geralmente não diferencia entre estratégias de compensação e restaurações motoras genuínas. Os dispositivos robóticos constituem um poderoso instrumento de aprimoramento terapêutico. O robô torna-se um facilitador e motivador do paciente. As evidências científicas sugerem que exercícios repetitivos e intensos, como os produzidos pelos dispositivos robóticos, maximizam a neuroplasticidade e facilitam a reorganização cortical, pelo menos em primatas (NUDO et al., 1996). Em pacientes humanos, Lefebvre et al. (2015) mostraram uma conformação prolongada da ativação cerebral, quando a estimulação transcraniana por corrente contínua era aplicada, durante o treino de habilidades motoras, com lado superior parético. Esta alteração na ativação cerebral foi acompanhada por melhorias na aprendizagem de habilidades motoras dos pacientes. 4.2.1. Reabilitação robótica para membros superiores A interação homem-máquina fundamenta a reabilitação robótica. Nesse contexto, a AHA documentou um guia no que diz respeito à reabilitação robótica de membros superiores: (1) a terapia robótica oferece a quantidade de prática motora necessária para os pacientes reaprenderem habilidades motoras com menos assistência terapêutica; (2) a maioria dos robôs para reabilitação motora permite a assistência robótica para iniciar e orientar o movimento e fornece uma análise do desempenho terapêutico; (3) adicionalmente, alguns robôs proporcionam resistência ao movimento; (4) a terapia robótica de membros superiores pode melhorar funções motoras durante o período de internação pós-AVE (MILLER et al., 2010). Uma análise minuciosa e detalhada pela AHA (MILLER et al., 2010) dos resultados do uso da reabilitação robótica evidencia que a terapia robótica para 29 membros superiores já alcançou Classe I, Nível de Evidência A para pacientes ambulatoriais e em fase crônica. E já alcançou Classe IIa, Nível de Evidência A para pacientes em fase hospitalar. A Classe I é definida como: Benefícios >>> Risco. Procedimento/Tratamento DEVE ser realizado/administrado; a Classe IIa é definida como Benefícios >> Risco. É RAZOÁVEL realizar o procedimento/administrar o tratamento; Nível de evidência A é definido como múltiplas populações avaliadas: Dados derivados de vários ensaios clínicos randomizados ou meta-análises. Em complemento, as diretrizes da prática clínica do Veterans Administration e Department of Defense dos Estados Unidos chegaram à mesma conclusão, de modo a endossar o uso de robôs para reabilitação de membros superiores (THE MANAGEMENT OF STROKE REHABILITATION WORK GROUP, 2019). Há um número de modelos e protótipos para reabilitação robótica no mercado e em centros de pesquisa. Os robôs são desenvolvidos para tratar partes específicas do membro superior envolvendo articulações do ombro, do cotovelo, do pulso ou das mãos. Em termos de estrutura mecânica, os dispositivos robóticos para reabilitação são classificados em duas categorias: efetuador final ou terminal (i.e., end-effector) e exoesqueleto (i.e., exoskeleton). A principal diferença entre as duas estruturas consiste na forma como o movimento é transferido do dispositivo para o paciente. A seguir, uma síntese de alguns dos dispositivos encontrados na literatura da categoria efetuador final, foco de estudo da presente pesquisa. 4.2.1.1 Efetuadores Finais O efetuador final é um tipo de dispositivo no qual o paciente se conecta (i.e., agarrando) a um seguimento móvel do robô. Nos dispositivos do tipo efetuador final, então, os movimentos são gerados a partir do segmento mais distal do membro superior e não requer alinhamento entre as articulações do paciente e as do robô (MOLTENI et al., 2018). Dessa forma, o efetuador final é a parte do robô que interage com o paciente (Figura 1). Os modelos de efetuadores finais apresentam uma conexão entre a mão do paciente e o efetuador do robô. Alguns modelos apresentam suporte para o antebraço. Este tipo de robô pode facilmente se adaptar a pacientes 30 de diferentes tamanhos e biótipos. Contudo, estes dispositivos sofrem com o controle das articulações proximais do membro, o que pode resultar em padrões de movimento limitados (CHANG e KIM, 2013). Figura 1 - Efetuador-final para reabilitação de membros superiores . Fonte: Adaptado de (GASSERT e DIETZ, 2018). Um dos mais importantes modelos de robôs do tipo efetuador final é o MIT- Manus (KREBS et al., 2003). Este robô foi projetado com dois graus de liberdade que focaliza o movimento do ombro e principalmente do cotovelo no plano horizontal. Um aplicativo customizado permite que se visualize em uma tela a trajetória do efetuador que se move e que deve ser perseguido pelo paciente. A versão comercial do MIT- Manus é o InMotionTM produzida em dois módulos de robôs, uma para a parte proximal da parte superior extremidade (ombro/cotovelo) e a outra para a distal (punho). Ambas as versões utilizam o controle de impedância para fornecer assistência ou resistência com o paciente buscando atuar ativamente em favor ou contra a resistência, respectivamente. Um outro modelo que se destaca é o Mirror Image Movement Enabler - MIME (LUM et al., 2006). O MIME é baseado em robô industrial no qual o braço afetado do usuário é acoplado ao mesmo de modo a mover o antebraço em uma variedade de posições e orientações no espaço tridimensional. Em particular, o MIME é um dos primeiros dispositivos robóticos a oferecer treinamento bilateral O dispositivo usa um manipulador PUMA 560 para fornecer assistência ou resistência ao paciente ativamente, tentando movimentar o braço em uma trajetória pré-programada por meio 31 de um controlador PID (Proporcional Integral Derivativo). O dispositivo auxilia o membro, movendo o antebraço afetado para a posição e orientação do antebraço contralateral, i.e., o não afetado. O Assisted Rehabilitation and Measurement (ARM) (REINKENSMEYER et al., 2000) é um outro modelo interessante. Neste dispositivo, o antebraço do paciente é preso a uma tala que desliza ao longo de um rolamento linear e imita o movimento de alcançar. Os pesquisadores consideraram a relevância dessa ação para muitas atividades da vida diária. O dispositivo auxilia ou resiste ao movimento do braço ao longo do rolamento linear. A orientação da tala do robô pode gerar movimentos nos planos vertical e horizontal. A troca de orientação de um plano para outro deve ser realizada manualmente pelo terapeuta. Assim, o paciente recebe feedback sobre o movimento e geração de força do braço em um monitor de vídeo. O robô GENTLE/s (HAWKINS et al., 2002) é um robô com um braço de interface háptica com três graus de liberdade, disponível comercialmente pela Haptic Master, Fokker Control Systems. Uma interface háptica usa um dispositivo de movimentos restritos para imitar algumas das modalidades somatossensoriais. O membro superior do paciente é suspenso por uma tipoia para eliminar a gravidade durante a terapia. O robô háptico assiste os pacientes para que os mesmos alcancem posições-alvo por um caminho predefinido representado em um ambiente virtual, envolvendo o controle de admitância. O robô GENTLE/s também pode operar na terapia aos pacientes nos modos assistivo e resistido. Um robô de produção nacional denominado Assistive Reabilitation Machine (ARM) foi recentemente desenvolvido em parceria com a FAPESP (FAPESP, 2017). Trata-se de um robô que tem um braço robótico similar a um tipo de joystick, onde a mão do paciente fica agarrada ou presa por faixas de velcro. O braço robótico permite movimentos em diferentes orientações com foco no movimento de ombro e de cotovelo, aliados a um conjunto de jogos digitais de variados temas (https://vivaxbr.com/home/). Desta forma, por se tratar de um dispositivo robótico, o paciente recebe auxilio do robô para realizar os movimentos funcionais durante o jogo. A versão comercial deste dispositivo é negociada pela empresa Vivax Serviços LTDA. Os resultados quanto ao uso de diversos dispositivos robóticos para membros superiores em pacientes pós-AVE indicam que a terapia robótica é segura, apesar de https://vivaxbr.com/home/ 32 em alguns casos demandar maior número de repetições em comparação à terapia convencional (VEERBEEK et al., 2017). Os resultados com uso da terapia robótica foram comparáveis com a terapia convencional. Por exemplo, o MIME 9–13, MIT- Manus 14–24 e os sistemas ARM-Guide 25-27 demonstraram que a intervenção de exercícios usando dispositivos robóticos tem efeitos positivos na amplitude de movimento, força e atividade motora (NOROUZI-GHEIDARI, ARCHAMBAULT e FUNG, 2012; DURET, GROSMAIRE e KREBS, 2019; QASSIM e WAN HASAN, 2020). Contudo, a melhoria na capacidade funcional não é relatada em diversos estudos, os resultados ainda são inconsistentes (DURET, GROSMAIRE e KREBS, 2019). Uma questão que surge é se há dispositivos robóticos com melhores resultados. Recentemente, um estudo de revisão sistemática indicou que não há dispositivo robótico que seja melhor ou pior que qualquer outro dispositivo (MEHRHOLZ et al., 2020). Nesse contexto, a capacidade do robô em interpretar as demandas do paciente, seja para assistir ou resistir, é um fator fundamental na melhoria da capacidade motora do paciente pós-AVE. Duret, Grosmaire e Krebs (DURET, GROSMAIRE e KREBS, 2019) defendem que os tipos de feedbacks, seja visual, auditivo, tátil ou háptico, presentes nos vários modelos de robôs, não somente podem aumentar a motivação do paciente, mas também podem melhorar o aprendizado e a recuperação da capacidade motora. 4.2.1.2 Modos de operação Os métodos e procedimentos para um programa de reabilitação robótica podem variar. Tal programa dependerá dos fundamentos que irão determinar as variáveis relevantes para a progressão do tratamento, o tipo de movimento envolvido em função do dispositivo robótico e o contexto das atividades. Lum et al. (2002b) propõem e enfatizam que a reabilitação robótica pós-AVE, independente da configuração mecânica (i.e. exoesqueleto ou efetuador final), pode apresentar três modos de operação: 33 • Passivo: o robô produz a força necessária para movimentar o membro afetado por toda amplitude do movimento, enquanto o paciente permanece relaxado, i.e., sem contração muscular voluntária. • Ativo-assistido: o paciente inicia o movimento e, se necessário, o robô fornece auxílio quando o paciente não consegue completar o movimento desejado de forma independente. Tipicamente, o robô fornece assistência aplicando uma força ou um impulso, estimulando o paciente a realizar o movimento em uma amplitude maior. • Ativo-Resistido: o paciente inicia o movimento contra uma força/resistência gerada pelo robô. Cada modo apresentado tem um propósito diferente. O modo adequado vai depender da capacidade apresentada pelo paciente e da fase da reabilitação que o mesmo se encontra. Para os pacientes com grau de comprometimento motor maior, o modo passivo pode ser usado para manter a amplitude de movimento nas articulações e a flexibilidade no músculo e no tecido conjuntivo. Este modo pode ser usado para reduzir temporariamente a hipertonia ou a resistência ao movimento passivo. Além disso, pode ajudar o paciente nas informações proprioceptivas sobre o espaço de trabalho do membro comprometido, à medida que a recuperação progride (LUM et al., 2002b). Para os pacientes com alguma capacidade motora, o modo ativo-assistido pode ser adequado. Este modo estimula o movimento produzido pelo próprio paciente resultado de contrações musculares (i.e., ativo). Deste modo, o modo ativo-assistido oferece benefícios, além daqueles conseguidos com o modo passivo, auxiliando na recuperação da força e da função muscular progressivamente, além de reduzir o risco de tromboembolismo (FERNANDES, 2015). O modo ativo-resistido deve ser usado por pacientes com grau de comprometimento motor menor. Este modo exige o máximo de esforço do paciente, e tem por objetivo aumentar a força, a potência e a resistência muscular, além de melhorar a coordenação motora (KISNER e COLBY, 2016). Um dispositivo robótico com estes três modos é útil e produtivo na recuperação motora do paciente, pois o nível de dificuldade pode ser manipulado ao longo do programa de reabilitação. 34 4.3. Sumário A reabilitação robótica apresenta resultados promissores para os pacientes acometidos pelo AVE. A grande maioria dos dispositivos de reabilitação robótica para membros superiores existentes no mercado é tecnologicamente avançada. A disponibilidade desses dispositivos em ambientes clínicos é limitada, já que muitos desses dispositivos foram projetados para pesquisa. Segundo del-Ama et al. (2014), menos de 2% das clínicas de reabilitação possuem dispositivos robóticos de terapia. Conforme o pesquisador, as principais razões desta lacuna são o alto custo financeiro dos dispositivos disponíveis comercialmente e a dificuldade para operá-los. Além disso, o fato de não haver evidências científicas suficientes para afirmar que os robôs são melhores que as terapias de reabilitação convencionais, em termos de custo-benefício, tem ampliado essa lacuna. Desse modo, há a necessidade do desenvolvimento de dispositivos cujos modelos possam, além de trazer melhorias e soluções aos problemas já identificados, facilite a popularização e o uso massificado dos dispositivos robóticos adicionalmente às terapias convencionais. 35 5. ESTUDO 1 O estudo 1 tem como objetivo desenvolver um dispositivo para reabilitação motora de membros superiores. Este capítulo focaliza a concepção e o design do dispositivo. Em específico, os requisitos de projeto do dispositivo robótico para reabilitação motora de membros superiores de pacientes acometidos por AVE são apresentados. E, ainda, os componentes fundamentais do sistema, as principais características, modos de operação, bem como a montagem final do dispositivo são apresentados. 5.1. Requisitos de Projeto O dispositivo robótico proposto no presente trabalho foi projetado para cooperar fisicamente com um ser humano. Em particular, pacientes com comprometimento motor de membro superior provocado por um episódio de AVE. Os requisitos do dispositivo foram concebidos de modo a auxiliar efetivamente nos movimentos, e, ao mesmo tempo, garantir a segurança do paciente. Dessa forma, algumas funcionalidades e características desejáveis foram definidas para o dispositivo. Tais requisitos foram baseados em dispositivos robóticos propostos anteriormente (POLI et al., 2013) e são mostrados no Quadro 2. 36 Quadro 2- Requisitos de projeto. Requisito Palavra-chave Descrição 1 Tipo de movimento Deve possibilitar movimentos de flexão/extensão de ombro e cotovelo no plano horizontal e um grau de liberdade 2 Simplicidade O dispositivo deve ser construído a partir de soluções simples e acessíveis. 3 Portabilidade O dispositivo deve ser fácil de carregar e transportar; possibilitando sua utilização em diferentes ambientes, como na clínica ou em casa. 4 Aplicabilidade Refere-se a utilização do dispositivo nas diferentes fases de recuperação. 5 Adaptabilidade Relaciona-se a capacidade do dispositivo de se adaptar à condição específica de cada paciente e à sua evolução. 6 Controlabilidade Deve ser controlável de acordo com a intenção do usuário. Possibilitando diferentes modos de operação e ajustes de parâmetros. 7 Usabilidade Diz respeito à praticidade e facilidade de uso, tanto para o terapeuta como para o paciente 8 Efetividade Deve produzir o efeito e cumprir os objetivos para os quais fora projetado. 9 Aquisição de dados Deve ser capaz de obter dados relativos aos treinamentos. Fonte: Do autor. Estes nove requisitos definiram as diretrizes da construção e nortearam o desenvolvimento do dispositivo robótico. Tal dispositivo busca ser uma solução viável para a reabilitação motora de membros superiores e pretende contribuir para uma aproximação entre os dispositivos robóticos e as clínicas de reabilitação, conforme as expectativas dos profissionais de saúde e dos pacientes. 5.2. Projeto mecânico A proposta para a configuração mecânica do dispositivo é do tipo efetuador final. O tipo de movimento do dispositivo focaliza a flexão/extensão de ombro e de cotovelo, tendo em vista a prática de exercícios repetitivos e intensivos para alcançar 37 o máximo de benefício na reabilitação. A vantagem de se utilizar um efetuador final é que sua estrutura é mais simples do que a de um exoesqueleto e, por isso, menos dispendiosa, além do controle ser menos complexo (BONIKOWSKI et al., 2016), 2016). Dessa forma, busca-se atender os requisitos 1, 2, 3 e 4 do Quadro 2. Recentemente, Lee et al. (2020) demonstraram melhores resultados de recuperação da capacidade funcional do membro superior pós-AVE, em pacientes com comprometimentos de moderado a grave, envolvendo um dispositivo robótico do tipo efetuador final em comparação com um tipo de exoesqueleto. Mesmo que tenha sido um dos primeiros trabalhos a comparar os sistemas, mais pesquisas são necessárias para comprovar a superioridade de um sistema sobre outro. O dispositivo foi projetado utilizando-se um conceito modular. As figuras a seguir retratam um módulo que corresponde ao treinamento unilateral. Desta forma, para o treinamento bilateral é preciso unir dois módulos unilaterais. Entretanto, não basta colocar um módulo do lado do outro. Esta ação aumenta a complexidade do controlador, uma vez que o mesmo deve executar novas tarefas, como a sincronização dos dois módulos. Questões relativas a isto serão discutidas posteriormente. A Figura 2 mostra o modelo 3D da estrutura mecânica proposta. Figura 2 - Modelo 3D da estrutura mecânica. Fonte: Do autor. 38 O projeto tem como base um perfil estrutural de alumínio 45(A) x 90(L) x 761,4(C) mm. A peça é bem resistente e fornece a estrutura necessária para sustentar todos os outros componentes. O design foi projetado para ser confortável quanto ao uso e relativamente portátil. As dimensões físicas do dispositivo são mostradas pela Figura 3. A medida do ressalto do motor não é mostrada na figura e corresponde a 70 mm. Desta forma, considerando-se um prisma retangular envolvendo todo o dispositivo. A medida total será de 215(L) x 350(A) x 780(C) mm, o que resulta em um volume de 58.695.000 mm3 ou 58,7 L. Com estas dimensões é possível, por exemplo, transportar o dispositivo facilmente no porta-malas de qualquer veículo. Figura 3 - Dimensões do dispositivo. Fonte: Do autor. A estrutura foi idealizada visando a funcionalidade desejada e o conforto do paciente. No caso, ele deve realizar movimentos de puxar ou empurrar a manopla, exigindo, desta forma, a flexão/extensão do cotovelo e ombro, no qual a amplitude máxima de movimento é limitada em 40 cm. Para isso, a parte superior do dispositivo, mostrada na Figura 2 e na Figura 3, é móvel. Esta se desloca descrevendo uma trajetória linear no plano. Para utilizar o dispositivo, o usuário deve se posicionar à frente do mesmo, agarrar a manopla com a mão enquanto acomoda o braço no suporte para antebraço, o qual é ajustável, permitindo a utilização por pessoas de diferentes tamanhos. Além 39 disso, graças ao design simétrico do dispositivo, ele pode ser usado tanto pelo membro superior do lado direito como do lado esquerdo, sem restrições. Assim, a estrutura precisa dar suporte a todos os elementos que compõem o dispositivo. Internamente, estão os sensores, os atuadores, as polias, as correias, as peças de suporte entre outros. A Figura 4 apresenta os elementos internos do dispositivo robótico. Figura 4 - Elementos internos do dispositivo robótico. Fonte: Do autor. Para facilitar o entendimento, será descrito cada sistema que compõe o dispositivo, a saber: o sistema de tração, o sistema de frenagem/resistência, o deslizador e o efetuador final. 5.2.1. Sistema de Tração O sistema de tração é composto pelo motor, pelas polias, pelas correia e pelas peças de acoplamento e de suporte. O motor utilizado para tração é um motor de passo padrão Nema 23 da marca Wotion, modelo WS23-0240-20-4. Este motor possui torque estático de 24 kgf.cm, corrente por fase de 2 A, ângulo de passo de 1,8º. Este motor foi escolhido porque é compacto, tem alta precisão quanto ao posicionamento, bom torque, baixo consumo de energia e de fácil reposição. A polia escolhida foi a polia sincronizadora 25T10 6F e a correia escolhida foi a correia sincronizadora PU/Aço T10 1560, ambas da marca Optibelt. Este sistema tem o objetivo de fornecer 40 o torque necessário para movimentar o deslizador quando necessário. A Figura 5 mostra o sistema de tração. Figura 5 - Sistema de tração. Fonte: Do autor. 5.2.2. Sistema de Frenagem/Resistência A carga resistiva é adicionada por meio de um sistema de frenagem mecânico. A peça feita de celeron, que é um material de derivação fenólica, reforçado com tecido de algodão, entra em atrito com uma peça de alumínio. A intensidade da frenagem é controlada por meio da variação da força de atrito entre as duas peças componentes do freio. Por sua vez, a variação da força de atrito é conseguida por meio da variação da força de contato entre as peças através de um sistema mecânico acionado por um motor de passo padrão Nema 17. O motor é produzido pela MotionKing, modelo 17HS4401. O motor possui torque estático de 4 kgf.cm, corrente por fase de 1,7 A, ângulo de passo de 1,8º. A Figura 6 mostra o sistema de frenagem/resistência. 41 Figura 6 - Sistema de frenagem/resistência. Fonte: Do autor. 5.2.3. Deslizador O deslizador é o elemento fixado no sistema de tração e é o responsável por guiar o movimento do efetuador final. O deslizador se desloca sobre duas barras paralelas, nas quais está fixado por meio de buchas de UHMW (Ultra High Molecular Weight Polyethylene). A bucha é um tipo de material plástico com excelentes propriedades mecânicas, entre elas destacam-se: a alta resistência ao desgaste por abrasão, a alta resistência ao impacto e o baixo coeficiente de atrito. A Figura 7 mostra em detalhes a estrutura do deslizador. 42 Figura 7 - Deslizador. Fonte: Do autor. 5.2.4. Efetuador É através do efetuador (manopla) que o paciente estabelece contato com o dispositivo. Desta forma, tem-se também o suporte de antebraço, o qual foi concebido para ser estável, confortável e adaptável para todos os tamanhos de mão e de braço, atendendo, em parte, ao requisito 5. Adicionalmente, o suporte de antebraço também serve para evitar movimentos anormais e reduzir o efeito da gravidade. O efetuador é mostrado pela Figura 8. Figura 8 - Efetuador Fonte: Do autor. 43 5.2.5. Confecção das peças As peças que compõem o dispositivo foram fabricadas sob medida. Tecnologias de usinagem e impressão 3D, a partir de modelos digitais criados por meio dos aplicativos Autocad e Solidworks. De acordo com Prado Filho (2019), “usinagem é a operação que confere à peça forma, dimensões ou acabamento superficial, ou ainda uma combinação destes, através da remoção de material sob a forma de cavaco”. Entende-se cavaco como uma porção de material da peça retirada pela ferramenta, caracterizando-se por apresentar forma irregular. Desta forma, parte-se de uma peça bruta do material a ser usinado, em formato, por exemplo, de bloco, de chapa, de tarugo, entre outros, e de tamanho maior do que aquilo que se deseja produzir e retira-se material até obter a peça desejada. De um modo geral, as principais operações de usinagem podem ser classificadas em torneamento, em aplainamento, em fresamento, em furação, em brochamento e em retificação. A maioria das peças produzidas por meio de usinagem é de alumínio. Este é um dos materiais mais utilizados para este fim, devido principalmente às suas características físicas, entre elas: excelente condutividade térmica, alta resistência à corrosão em ambientes úmidos e leveza; por exemplo, o alumínio pesa cerca de um terço do peso do aço para um mesmo volume de material. Também, algumas peças foram produzidas utilizando-se o material plástico UHMW, principalmente aquelas que se movimentam. O processo de fabricação de peças com a impressora 3D utiliza um conceito oposto ao da usinagem. Ao invés de retirar material, a impressão 3D utiliza um processo de adição de material. Desta forma, as peças são criadas pela deposição de materiais em camadas com base no modelo digital. Existe uma boa variedade de materiais que podem ser utilizados na impressão 3D. Geralmente, utiliza-se materiais plásticos como o ABS (Acrilonitrilo-butadieno-estireno), PLA (Ácido Polilático), PET (Politereftalato de etileno) e nylon. Algumas impressoras podem trabalhar com outros tipos de materiais, como, por exemplo, resina e gesso. Para este projeto, optou-se por usar o ABS, por este material apresentar boa resistência mecânica e térmica, além de 44 apresentar uma qualidade melhor que a de outros plásticos, em relação à acabamento. A decisão de mesclar peças usinadas com peças impressas na montagem do dispositivo está relacionado ao custo e ao peso das peças. As peças usinadas são mais resistentes que as peças impressas, já que, em geral, as peças são fabricadas a partir de materiais metálicos. Em contrapartida, as peças impressas são mais leves e mais baratas para serem fabricadas. Desta forma, buscou-se o equilíbrio na utilização destas tecnologias, de forma a não comprometer a funcionalidade e a durabilidade do protótipo, bem como não o tornar pesado e financeiramente inviável. 5.3. Eletrônica A parte eletrônica é essencial para o funcionamento do dispositivo robótico. Ela é responsável, por exemplo, para fazer o acionamento dos motores, leitura dos sensores, conversão dos sinais analógicos em digitais, interfaceamento, coordenar as ações do robô, entre outras funções. Para realizar as ações são usados diversos tipos de componentes eletrônicos como resistores, capacitores, LEDs (Light Emitting Diodes), microcontroladores, drivers de potência, reguladores de tensão, módulos de comunicação entre outros. A seguir, serão apresentados os principais componentes utilizados neste trabalho, a sua função, bem como uma breve descrição dos mesmos. 5.3.1. Microcontrolador O microcontrolador (MCU, do inglês microcontroller unit) é uma espécie de pequeno computador contido em um único circuito integrado (CI) (STALLINGS, 2017). O microcontrolador é constituído basicamente de uma Unidade Central de Processamento (CPU, do inglês Central Processing Unit), memórias de programa e dados, periféricos de entrada/saída, conversores de sinais, timers, entre outros. Este componente tem sido muito utilizado no desenvolvimento de sistemas embarcados, por ser programável, compacto, consumir pouca energia e de baixo-custo. 45 Neste projeto, o MCU tem papel fundamental. O mesmo desempenha a função de controlador do sistema. Dentre suas atribuições, está a recepção dos comandos do usuário, decodificação e execução dos mesmos. Para isso, o MCU deve realizar a coordenação da operação dos demais componentes. Por exemplo, ele envia sinais de acionamento dos motores, faz leitura dos sensores, conversão de sinais, etc. Além disso, ele pode retornar informações para o usuário. No mercado, encontra-se um grande número de fabricantes e famílias de microcontroladores. Foi escolhido para utilização neste trabalho o microcontrolador Atmel ATmega 328, que possui as seguintes características: Tensão de operação (nível lógico) de 5 V; 14 pinos digitais de I/O (Input/Output); Memória Flash de 32 KB; SRAM de 2 KB; EEPROM 1 KB; Velocidade de Clock de 16 MHz. Este componente pode ser utilizado em modo standalone, numa placa de circuito impresso (PCB, do inglês Printed Circuit Board) ou no protoboard, adicionando os componentes necessários para seu funcionamento. Entretanto, optou-se por utilizar a placa de desenvolvimento Arduino Nano (Figura 9) por já conter todos os componentes necessários e possível utilização na protoboard. Figura 9 - Arduino Nano Fonte: Do autor. 5.3.2. Drivers Os drivers são os componentes utilizados para acionar e controlar os motores de passo conforme a aplicação. O driver converte os sinais de comando enviados pelo controlador em sinais de potência. Tipicamente, um drive de motor de passo requer entrada na forma de direção e pulsos, que controlam, respectivamente, o sentido de 46 rotação (i.e., horário ou anti-horário) e a quantidade de movimento. Para cada pulso, o drive gera corrente em cada fase do motor para mover o rotor em um passo ou micropasso. Serão utilizados os drivers DRV8825 e MP6500 (Figura 10) para acionar os motores de passo Nema 17 e Nema 23, respectivamente. Estes drivers têm características muito similares. Porém, o MP6500 possibilita o controle digital de corrente, o qual é útil para controlar o torque do motor de passo. Esta característica é importante para a implementação dos modos de operação do dispositivo. Figura 10 - Drivers motores de passo. (a) DRV8825; (b) MP6500. Fonte: Do autor. 5.3.3. Encoder O encoder é utilizado para medir movimento rotacional de um eixo. Ele converte o movimento rotacional em impulsos elétricos, gerando uma quantidade precisa de pulsos por giro ao longo de toda a sua rotação. Desta forma, é possível medir o deslocamento do efetuador do dispositivo e determinar sua posição. No caso, será utilizado o encoder KY-040 (Figura 11), que permite rotação contínua (sem limite) e possui resolução de 20 pulsos por revolução, tensão de operação de 5V e corrente máxima de 10 mA. 47 Figura 11- Encoder KY-040 Fonte: Do autor. 5.3.4. Chave fim de curso As chaves de fim de curso são usadas como sensores para delimitar o movimento mecânico das partes móveis do dispositivo. O modelo utilizado foi a KW- 11-3Z (Figura 12). Esta chave de fim de curso conta com uma haste metálica com uma pequena roldana na ponta. Possui três terminais para conexão de fios, e capacidade para trabalhar com uma tensão máxima de 250V e corrente máxima de 5A. Figura 12 - Chave fim de curso KW-11-3Z. Fonte: Do autor. 48 5.3.5. Botão de emergência Para conferir maior segurança ao usuário, utiliza-se um botão de emergência Weg com bloco de contato BCE01F. Este botão possui um contato normalmente fechado que está ligado em série com a alimentação do circuito. Desta forma, se houver emergência, basta pressioná-lo para que a alimentação seja cortada e o dispositivo pare instantaneamente. Figura 13 - Botão de emergência. Fonte: Do autor. 5.3.6. Módulo de comunicação Bluetooth O usuário poderá enviar comandos para o dispositivo por meio de comunicação sem fio do tipo Bluetooth, que é uma tecnologia amplamente difundida e é usada em diversos equipamentos como smartphones, tablets, notebooks e outros. O componente utilizado para prover esta funcionalidade é o HC-05 (Figura 14), que permite uma conexão com alcance médio de 10 m, dissipando uma potência máxima de 2.5 mW. Na configuração padrão, a taxa de transmissão é de 9600 bps, podendo chegar ao máximo de 1382400 bps. Um detalhe importante é que a tensão de operação (nível lógico) utilizada pelo módulo é de 3.3 V, enquanto que a maioria dos MCU utilizam padrão TTL, ou seja, 5V. Desta forma, é preciso utilizar um conversor de nível lógico ou utilizar um divisor resistivo para adequar os níveis de tensão. 49 Figura 14 - Módulo Bluetooth HC-05 Fonte: Do autor. 5.3.7. Fonte de Alimentação A fonte de alimentação é o dispositivo responsável por fornecer energia elétrica aos componentes eletrônicos. Ela transforma a corrente alternada da rede elétrica em corrente contínua, já na tensão adequada para o circuito. No caso, utiliza-se uma fonte chaveada bivolt (127 V ou 220 V), potência de 120 W, que fornece, na saída, tensão de 12 V e corrente máxima de 10 A. Figura 15 - Fonte de alimentação 12 V / 10 A. Fonte: Do autor. 50 5.3.8. Sinalização Algumas informações são comunicadas pelos usuários por meio de luzes e de som. Por exemplo, para sinalizar que o sistema está ligado, utiliza-se um LED de cor verde. Aceso, significa sistema ligado e, apagado, sistema desligado. Outro LED, na cor azul, indica o status da conexão Bluetooth. Piscando, sinaliza que o dispositivo não está conectado. Aceso continuamente, sinaliza que o dispositivo está conectado. Utilizam-se resistores de 300  em série, com os LEDs, a fim de limitar a corrente elétrica e evitar a queima dos mesmos. Além disso, o dispositivo possui um alto-falante de 4 /3 W, que é usado para sinalizar início de operação, início e fim de treinamento, e alcance da distância desejada. Figura 16 - Componentes para sinalização. (a) LEDs e resistores. (b) Alto-falante. Fonte: Do autor. 5.3.9. Interconexão entre o circuito eletrônico e o módulo mecânico Tendo em vista que o circuito eletrônico fica à parte do módulo mecânico, para fazer a conexão entre eles utiliza-se conectores DB-25 fêmea e cabo paralelo macho x macho. Assim, os fios do circuito e do módulo são soldados aos conectores e o cabo paralelo faz a conexão entre eles. A Figura 17 mostra estes componentes. 51 Figura 17 – Componentes de interconexão. (a) Conector DB-25. (b) Cabo paralelo. Fonte: Do autor. 5.3.10. Diagrama do circuito Os componentes estão interligados entre si, conforme o diagrama apresentado na Figura 18. Figura 18 - Diagrama do circuito eletrônico. Fonte: Do autor. 52 5.4. Modos de operação Este dispositivo implementará três modos de operação, sendo eles: passivo, ativo-assistido e ativo-resistido. Estes modos de operação estão em consonância e são similares à forma de operação dos dispositivos encontrados na literatura (MACIEJASZ et al., 2014), além de se equipararem com as formas de treinamento da terapia convencional. A vantagem de se ter modos com objetivos e dificuldades diferentes é a possibilidade de uso por diferentes pessoas, em situações diversas, satisfazendo o requisito 4. No modo passivo, o robô irá produzir a força necessária para movimentar o braço parético durante toda a execução do movimento. A amplitude máxima, bem como a quantidade e a intensidade do treinamento será definido pelo terapeuta de acordo com as condições do paciente. Para isso, será necessário definir parâmetros como número de repetições, distância e velocidade. Para estes dois últimos, pode-se escolher entre cinco níveis diferentes. No modo ativo-assistido, o paciente inicia o movimento e, se necessário, o robô fornece auxílio quando o paciente não consegue completar o movimento desejado de forma independente. No caso, o robô fornece assistência aplicando um impulso, até que o paciente consiga atingir a posição pré-definida pelo terapeuta. O robô atuará sempre que o paciente parar de mover o efetuador antes da posição desejada. Caso o paciente consiga realizar o movimento desejado algumas vezes, sem nenhum auxílio, o dispositivo automaticamente se adaptará e estimulará a realização do movimento em uma amplitude maior. No modo ativo-resistido, o paciente deve mover o braço contra uma resistência gerada pelo robô. A resistência inicial deve ser previamente definida pelo terapeuta. No caso de o dispositivo perceber que o paciente está com dificuldade para completar o movimento, ele automaticamente diminuirá a carga percebida pelo paciente. E, no caso oposto, o dispositivo automaticamente aumentará a carga. Em ambos os casos, o ajuste da carga será feito de forma gradativa. Essas adaptações que o dispositivo realiza, tanto no modo ativo-resistido como no modo ativo-assistido, foram idealizadas para atender ao requisito 5. 53 5.5. Software Para implementar os modos de operação descritos na seção anterior, além do hardware, foi preciso desenvolver um software para controle deste hardware, comumente chamado de firmware; e um software aplicativo, que será especialmente desenvolvido para dispositivos móveis, o qual inclui uma interface gráfica para interação com o usuário. As interações entre estes elementos ocorrem conforme mostrado na Figura 19. Figura 19 - Interações entre Hardware, Firmware, Aplicativo e Usuário. Fonte: Do autor. 5.5.1. Firmware Firmware é um software que é incorporado a um sistema embarcado e fica armazenado em memória não-volátil, tais como ROM, EPROM, EEPROM ou FLASH (STRINGHAM, 2009). Na indústria, firmware também é conhecido como software embarcado ou software de baixo nível, e tem por finalidade controlar todas as funções do dispositivo, além de monitorar e manipular dados. O firmware interage diretamente com o hardware e vice-versa. Para desenvolver o firmware do dispositivo, utilizou-se 54 a linguagem própria do Arduino, que é baseada em C/C++, através da IDE (do inglês Integrated Development Environment) do Arduino. O firmware executa inicialmente uma rotina de inicialização, a qual verifica a posição do efetuador e o estado do freio (i.e., se acionado ou não) e, se necessário, movimenta o manipulador para a posição inicial e/ou libera totalmente o freio. Em seguida, verifica se há conexão Bluetooth disponível e realiza a conexão. Depois disso, ele passa a executar as instruções conforme o modo de operação selecionado pelo usuário, satisfazendo, portanto, ao requisito 6. 5.5.2. Aplicativo Um aplicativo mobile, popularmente conhecido como app, é um software desenvolvido para ser especialmente utilizado por dispositivos móveis como smartphones e tablets, onde as principais plataformas são o iOS e o Android. A ideia é desenvolver um aplicativo cuja interface gráfica seja simples, intuitiva e com layout amigável, de fácil aprendizagem e uso. A interface gráfica (GUI, do inglês Graphical User Interface) consiste em um modelo de interface do utilizador que permite a interação com o dispositivo através de elementos gráficos (GALITZ, 2007). Uma boa interface gráfica é importante para tornar a experiência de interação homem-máquina mais fácil e produtiva. Nisto, surge o conceito de usabilidade, que corresponde ao requisito 7 do projeto. A Figura 20 mostra o diagrama de caso de uso para o aplicativo de controle proposto. Por meio dele, é possível ter uma visão geral do funcionamento do aplicativo, que permite realizar a conexão e a desconexão entre o dispositivo móvel e o dispositivo robótico, via Bluetooth, selecionar o modo de operação, ajustar os parâmetros, iniciar e parar o treinamento. 55 Figura 20 - Diagrama de caso de uso do aplicativo de controle. Fonte: Do autor. O aplicativo de controle foi desenvolvido por meio do ambiente de programação MIT App Inventor (MIT, c2020). O App Inventor foi escolhido por ser um ambiente de programação visual de código aberto, bastante versátil e flexível, e que possibilita a criação de aplicativos móveis de forma ágil e eficaz. Com esta ferramenta, foi possível construir um aplicativo que pode ser utilizado em smartphones e tablets da plataforma Android. Na sequência, apresentam-se as telas do aplicativo, suas funcionalidades e o fluxo empregado para controlar o dispositivo robótico. Ao abrir o aplicativo, a tela principal será mostrada (Figura 21a). A primeira ação que deverá ser realizada é a conexão com o dispositivo robótico. Para isso, basta clicar no botão “Conectar” e selecionar, na lista de dispositivos Bluetooth pareados, aquele correspondente ao dispositivo robótico, conforme mostra a Figura 21b. Caso a conexão seja bem-sucedida, o aplicativo dará acesso às outras funcionalidades do dispositivo. Senão, uma mensagem de erro aparecerá na tela e o procedimento para conexão deverá ser repetido. 56 Figura 21 - Telas do aplicativo. (a) Tela principal. (b) Tela de conexão. Fonte: Do autor. Após a conexão com o dispositivo, a tela para selecionar os modos de operação será exibida, conforme a Figura 22. Observa-se que o ícone e o status da conexão se alteram, de modo a indicar o status atual da conexão. Percebe-se, também, que o botão “Conectar” se altera para “Desconectar”, permitindo que o usuário interrompa a conexão no momento em que ele desejar. No menu de modo de operação, há três opções disponíveis: Passivo, Ativo-Assistido e Ativo-Resistido (descritos no item 5.4). 57 Figura 22 - Tela Modo de Operação. Fonte: Do autor. Após selecionar um dos modos de operação, a tela de ajuste de parâmetros correspondente será apresentada. A Figura 23 mostra as telas de ajuste de parâmetro para os modos passivo (a), ativo-assistido (b) e ativo-resistido (c). Os parâmetros configuráveis são: Repetições e Distância (comum a todos os modos); Velocidade (modo passivo); Resistência (modo ativo-resistido). O parâmetro Repetições é um campo numérico, no qual se digita o número de repetições pretendidas. Já o parâmetro Distância é uma lista com cinco itens onde se deve selecionar um deles, dentre as opções: 5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm e 40 cm. Com relação ao parâmetro Velocidade, este também é uma lista com cinco itens, a saber: Muito Lenta, Lenta, Média, Rápida, e Muito Rápida. O parâmetro Resistência corresponde a carga que será aplicada pelo sistema, a qual poderá ser: Muito Leve, Leve, Médio, Pesado e Muito Pesado. 58 Figura 23 - Telas de ajuste de parâmetros. (a) Modo Passivo. (b) Modo Ativo-Assistido. (c) Modo Ativo-Resistido. Fonte: Do autor. Após os ajustes dos parâmetros, basta clicar em confirmar para que estas informações sejam enviadas para o dispositivo robótico, o qual se preparará para executar o treinamento, conforme os parâmetros selecionados. Depois de alguns instantes, a tela mostrada na Figura 24 será apresentada. O treinamento somente terá início quando o usuário pressionar o botão Iniciar. Se o usuário pressionar o botão Cancelar/Voltar, o aplicativo cancela as configurações realizadas e retorna à tela modo de operação, dando a possibilidade de o usuário selecionar outro modo de operação e realizar nova configuração de parâmetros. 59 Figura 24 - Tela Iniciar Treinamento. Fonte: Do autor. Depois de clicar em Iniciar o dispositivo robótico começará a executar o treinamento conforme a configuração do usuário. No aplicativo, será exibida a tela conforme a Figura 25. Nesta tela, o usuário tem a possibilidade de interromper o treinamento ou, então, aguardar até a conclusão do mesmo. Em ambos os casos, o aplicativo retorna para a tela de modos de operação, possibilitando a configuração de um novo treinamento. 60 Figura 25 - Tela Parar Treinamento. Fonte: Do autor. No canto superior direito, encontra-se o menu com algumas opções do aplicativo. Ao pressionar o ícone (≡) são apresentadas, conforme a Figura 26, as seguintes opções: Fechar Menu, Terminal On/OFF, Ajuda, Sobre este app e Encerrar. 61 Figura 26 - Menu do aplicativo. Fonte: Do autor. O item Fechar Menu simplesmente fecha o menu, sem nenhuma alteração. O item Terminal On/OFF adiciona uma caixa de texto na interface gráfica para mostrar informações do treinamento, como a iteração atual e o tempo gasto para executar o exercício (Figura 27a), satisfazendo de forma simplificada ao requisito de projeto nº 9. Já o item Ajuda apresenta informações para auxiliar o usuário (Figura 27b). Em relação ao item Sobre este app, este apresenta informações sobre o desenvolvedor e formas de contato (Figura 27c). Quanto ao item Encerrar, ao confirmar a operação, o dispositivo é colocado em posição para o transporte, a conexão é encerrada e o aplicativo fechado. 62 Figura 27 - Opções do app. (a) Terminal. (b) Menu Ajuda. (c) Menu Sobre este app. Fonte: Do autor. 5.6. Montagem do protótipo De posse de todas as peças mecânicas, dos componentes eletrônicos e também dos elementos de fixação como parafusos, arruelas e porcas, iniciou-se o processo de montagem da mecânica do protótipo, que consistiu em unir todas as peças assegurando a fixação correta e precisa de todos os elementos, a fim de garantir a qualidade de montagem e evitar falhas. A Figura 28 apresenta a montagem final da parte mecânica do protótipo. 63 Figura 28 - Protótipo Fonte: Do autor. O processo de montagem da mecânica do protótipo não foi uma tarefa simples, principalmente porque as peças impressas não se encaixavam corretamente. Um problema percebido foi que algumas peças apresentavam deformação: um empenamento. Este problema é conhecido como warping, um termo em inglês que significa entortar. Isso acontece quando a peça começa a esfriar, e pela contração do material, a peça se descola da mesa e empena. Este efeito é mais percebido nas extremidades das peças e acontece mais frequentemente com peças grandes. Isto demandou muitos ajustes, necessitando desbastar faces e cantos de algumas peças. Este procedimento exigiu várias tentativas até conseguir um encaixe adequado, demandando muito tempo. Quanto às peças usinadas, estas têm uma precisão maior do que as peças impressas e, portanto, o encaixe é mais fácil. Porém, durante a montagem, percebeu-se a ausênci