Classificação e Princípios de Exosqueletos Motorizados

Este tópico descreve como os exoesqueletos motorizados são categorizados e os princípios de engenharia que os fazem funcionar. Os dispositivos são comumente agrupados pela região do corpo que servem (membro inferior, membro superior ou corpo inteiro), por seu propósito (assistência, aumento ou reabilitação) e por sua estratégia de atuação e controle. A compreensão desses eixos — e do ciclo compartilhado de sensoriamento e controle subjacente a eles — permite ao leitor situar qualquer dispositivo específico dentro de um mapa coerente do campo.

Definition

Um exoesqueleto motorizado é uma estrutura robótica vestível usada em paralelo com o corpo que utiliza atuadores, sensores e um sistema de controle para aplicar forças ou torques assistivos a uma ou mais articulações; os esquemas de classificação organizam tais dispositivos por região do corpo, propósito, tipo de atuação e estratégia de controle.

Scope

A entrada abrange as dimensões usadas para classificar exoesqueletos robóticos vestíveis e os princípios centrais de sua operação: atuação, sensoriamento e a arquitetura de controle em camadas que liga a intenção do usuário à saída do atuador. Exclui resultados clínicos específicos de dispositivos, que são tratados nos tópicos de locomoção e próteses. É um material de referência educacional, não uma especificação de engenharia ou orientação clínica.

Core questions

• Ao longo de quais eixos os exoesqueletos motorizados são classificados?
• Quais são as diferenças funcionais entre dispositivos assistivos, aumentativos e reabilitadores?
• Como um sistema de controle é estratificado desde o reconhecimento da intenção até o comando do atuador?
• Como as escolhas de atuação e as modalidades de sensoriamento moldam o comportamento de um dispositivo?

Key concepts

• Região do corpo: membro inferior, membro superior, corpo inteiro
• Propósito: assistência, aumento, reabilitação
• Tipo de atuação (elétrica, hidráulica, pneumática, série-elástica)
• Estruturas rígidas versus macias (exoesqueleto macio)
• Controle hierárquico: níveis alto, médio e baixo
• Detecção de intenção e estimativa da fase da marcha
• Conformidade e interação humano-robô

Mechanisms

Revisões do campo descrevem o controle de exoesqueletos motorizados como uma hierarquia de três níveis: um nível alto que percebe a intenção do usuário e seleciona a tarefa assistiva, um nível médio que traduz a intenção em estados ou trajetórias de articulação de referência, e um nível baixo que aciona os atuadores para seguir essas referências [tucker-2015]. A classificação por estratégia assistiva distingue ainda abordagens como rastreamento de trajetória predefinida, assistência conforme a necessidade e controle baseado em impedância ou modelo [yan-2015]. Modalidades de sensoriamento — codificadores de articulação, sensores de força e pressão, unidades inerciais e sinais bioelétricos — alimentam essas camadas. Exoesqueletos de reabilitação baseados em trajetória, por exemplo, impõem ou corrigem caminhos de membros durante o treinamento [banala-2009], enquanto esquemas de assistência conforme a necessidade fornecem apenas o suporte que o usuário não consegue gerar sozinho.

Clinical relevance

Uma classificação consistente ajuda clínicos e pesquisadores a comparar dispositivos, a associar uma classe de dispositivo a um objetivo de reabilitação ou assistência e a interpretar a literatura. Os princípios aqui descrevem como os dispositivos funcionam e são categorizados; eles não indicam qual dispositivo é adequado para um determinado paciente, uma decisão que requer avaliação clínica individualizada.

Evidence & guidelines

Os frameworks de classificação e as taxonomias de controle provêm principalmente de artigos de revisão de engenharia [tucker-2015][yan-2015]; demonstrações de princípios de controle específicos aparecem em estudos de dispositivos [banala-2009]. Não existe uma taxonomia regulatória padronizada única entre as jurisdições, portanto a terminologia varia entre as fontes.

History

Os conceitos de exoesqueletos motorizados datam de protótipos de transporte de carga e aumento de meados do século XX, mas a taxonomia moderna cristalizou-se à medida que os dispositivos de reabilitação e assistência proliferaram nas décadas de 2000 e 2010. Artigos de revisão de meados da década de 2010 consolidaram os eixos de classificação e as estratégias de controle do campo no framework hierárquico agora amplamente citado [tucker-2015][yan-2015].

Debates

Exoesqueletos rígidos versus exoesqueletos macios

Estruturas rígidas podem transmitir grandes torques e suportar totalmente uma articulação, mas adicionam peso e restringem o movimento natural, enquanto exoesqueletos macios são mais leves e menos obstrutivos, mas fornecem forças assistivas menores; a troca molda como os dispositivos são classificados e escolhidos.

Controle de trajetória fixa versus assistência conforme a necessidade

Impor uma trajetória predefinida garante movimento consistente, mas pode reduzir o próprio esforço do usuário, enquanto as estratégias de assistência conforme a necessidade visam promover a participação ativa; revisões debatem qual delas serve melhor à reabilitação.

Seminal works

• tucker-2015
• yan-2015

Frequently asked questions

Quais são as principais formas de classificação dos exoesqueletos motorizados?

Os eixos comuns são a região do corpo atendida (membro inferior, membro superior ou corpo inteiro), o propósito (assistência, aumento ou reabilitação), a estrutura (estrutura rígida versus exoesqueleto macio) e a estratégia de atuação e controle utilizada.

O que se entende por 'hierarquia de controle' em um exoesqueleto?

É a organização em camadas do sistema de controle: um nível alto infere a intenção do usuário, um nível médio converte isso em movimentos articulares alvo, e um nível baixo comanda os atuadores para seguir esses alvos.