Orientadores: Helder Anibal Hermini, João Mauricio Rosario / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-13T20:48:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_CleudianeSoares_M.pdf: 34564575 bytes, checksum: 2fbbc63d22ac7adbe9326dc90b099350 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Indivíduos que apresentam fraqueza muscular severa e padrões de movimento anormal devido a problemas que podem ocorrer em decorrência de um acidente vascular cerebral (AVC), síndrome de Guillian Barre, traumatismos crânio-encefálicos, ou esclerose múltipla exigem a necessidade de órteses exoesqueléticas. Neste trabalho, apresentamos uma proposta de desenvolvimento de uma órtese de membros inferiores com foco no desenvolvimento de produto de baixo custo e compromisso dimensão e peso reduzido. Na literatura, vários métodos têm sido propostos para equilibrar a gravidade que inclui contrapesos, molas e paralelogramos auxiliares. Utilizamos o método híbrido para conseguir a compensação da gravidade durante o movimento da marcha humana, que pode ser usada em estudos clínicos com indivíduos com comprometimento da perna. Nesta dissertação de mestrado combinamos a utilização de paralelogramos auxiliares para localizar o centro de massa do mecanismo, juntamente com molas para conseguir o equilíbrio de cada perna, sendo implementado um modelo virtual em Pro/ENGINEER e análise cinemática e dinâmica do movimento através de simulação em MATLAB/Simulink¿ / Abstract: Peoples who have severe muscle weakness and abnormal movement patterns due to problems that may occur due to a cerebral vascular accident (CVA), Guillian Barre Syndrome, traumatic brain injury, or multiple sclerosis, or require the need for orthosis exoskeletic. In this work, we present a proposal to develop a lower limb orthosis with a focus on product development of low cost and commitment size and low weight low weight and low cost. In the literature, a number of methods have been proposed for gravity balancing which include counterweights, springs, and auxiliary parallelograms. We use the hybrid method to achieve the balance of gravity during the movement of human gait, which can be used in clinical studies with subjects with leg impairment. This woks combined the use of auxiliary parallelograms to locate the center of mass of the mechanism along with springs to achieve balancing of each leg and implemented a virtual model in Pro/ENGINEER and analysis of kinematic and dynamic motion simulation using MATLAB/Simulink¿ / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Residual gait abnormalities are common following lower limb injury and/or stroke and can have several negative impacts on an individual’s life. Without continuous treatment and follow up, individuals can be prone to chronic pain as abnormal gait may lead to non-physiological loading of the musculoskeletal system. The current industry gold standard for diagnosing abnormal gait requires specialty equipment that is generally only available at designated gait facilities. Due to the inaccessibility and high cost associated with these facilities, a wearable SmartSole device to continuously detect abnormal gait was proposed. A previous iteration of the SmartSole was unable to properly detect abnormal gait and also experienced fracturing throughout the 3D printed body. In this present study, sensor placement and material selection were reconsidered to address these limitations. The objective of this study was to determine if a redesigned SmartSole could identify events of abnormal gait through validation and verification testing against the industry standard force plates. In total, 14 participants were selected for gait studies, 7 with pronounced gait abnormalities (e.g. limps), and 7 with physiological gait. Parameters of interest included stance time, gait cycle time, and the ratio of the force magnitudes recorded during heel strike and toe off. Results indicated that the SmartSole was effective at determining overall event timings within the gait cycle, as both stance and cycle time had strong, positive correlations (left stance: r = 0.761, right stance: r = 0.560, left cycle: r = 0.688) with the force plates, with the exception of right foot cycle time. The sole was not effective at measuring actual values of events during gait as there were weak correlations with the force plates. Furthermore, when comparing parameters of interest between the injured and non-injured sides for test participants with gait abnormalities, neither the SmartSole nor the force plates were able to detect significant differences. The inability of the sole to accurately collect force magnitudes or to detect abnormal gait leads to the conclusion that additional sensors may need to be implemented. Future iterations may consider placement of additional sensors to allow for a “fuller picture” and the inclusion of other types of sensors for improved, continuous tracking of gait abnormalities.

A análise da marcha humana é um dos principais recursos que podem ser utilizados no estudo e tratamento de patologias que envolvem o aparelho locomotor. O presente trabalho visa o projeto e a construção de um robô bípede antropomórfico para ser, juntamente com um laboratório de marcha, uma ferramenta de auxílio aos profissionais da saúde na análise da marcha humana. O robô construído é capaz de reproduzir, de uma forma assistida, padrões de marcha reais, cujos dados são previamente adquiridos por um laboratório de marcha. As características dimensionais e cinemáticas desse robô são semelhantes às de um corpo humano. Dessa forma, a escolha das dimensões dos membros do robô e das faixas de movimentação de suas articulações foi baseada em dados provenientes de corpos humanos. Além disso, para garantir uma semelhança ainda maior com o corpo humano, um mecanismo paralelo foi selecionado para ser o responsável pelos movimentos das articulações do tornozelo e do quadril. Um sistema de sensoriamento barato, baseado em sensores de inclinação e de contato, foi desenvolvido para avaliar a reprodução da marcha humana por parte do robô. Agora, para acionar o robô, servo motores controlados por sinais PWM foram utilizados. Esse trabalho também apresenta o desenvolvimento de um modelo dinâmico tridimensional do robô que considera a sua interação com o solo. / The analysis of the human gait is one of the main resources that can be used in studies and treatment of pathologies which involve the locomotor system. The goal of this research is to design and to build an anthropomorphic biped robot to be used as a tool that could help health professionals to study the human gait. Once built, the robot can reproduce in an assisted way, real gait patterns based on datas that were previously acquired by a gait laboratory. The dimensionals and kinematics traits of this robot are alike to the human body. Therefore the choice of the limb dimensions from the robot and the bustle ranges of its articulations were based on datas originated in human bodies. Beyond this and to guarantee a great similarity to the human body a parallel mechanism was selected to be the responsible for the articulations movements of the ankle and hip. A cheap sensor system based on tilt and contact sensors was developed to evaluate the reproduction of the human gait by the robot. To operate the robot servo-motors controlled by PWM signals were used. This study also presents the development of a three-dimensional dynamic model of the robot that considers its interaction with the ground.

A marcha humana, ou caminhada, é um padrão cíclico de movimentos corporais que se repetem a cada passo que desloca um indivíduo de um local a outro. Atualmente, avaliações biomecânicas da marcha humana tem sido utilizado no diagnóstico de alterações neuromusculares, músculo-esqueléticas e como forma de avaliação pré e pós-tratamento cirúrgico, medicamentoso e/ou fisioterapêutico. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta acadêmica de baixo custo para o estudo da marcha humana. Esse sistema consiste no sensoriamento da marcha de um usuário através de sensores inerciais e de um modelo virtual do corpo humano para permitir a visualização do movimento gerado. Dessa maneira o usuário poderá ter suas ações corrigidas por sua percepção visual e também corrigida pelas orientações de um fisiatra ou fisioterapeuta que terá a reprodução do modelo virtual conforme a movimentação detalhada do paciente para análise. O sistema ainda efetuará os registros das variáveis cinemáticas da marcha (tais como aceleração, velocidade angular, angulações dos membros sensoriados) para estudos e acompanhamento mais detalhado da sua recuperação e/ou tratamento. Como resultado, o sistema desenvolvido obteve erros médios de X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º e erros em RMS de X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º quando comparados com um sistema comercial, sendo esse resultado próximo à literatura e aplicável em exames biomecânicos de marcha. / The human gait is a cyclical pattern of body movements that are repeated every step that moves a subject from one location to another. Currently, biomechanical assessments of human gait has been used for diagnosing neuromuscular disorders, musculoskeletal and as a way of pre and post-surgical treatment, medication and/or physical therapy. This paper presents the development of a low cost academic tool for the study of human gait. This system consists of sensing the motion of a user through inertial sensors and a virtual model of the human body to allow the visualization of the generated movement. In this way, the user can have its actions corrected by his visual perception and also corrected by therapist or physiotherapist who will visualize the virtual model as the detailed movements of patient. The system will also record the kinematic gait variables (as acceleration, angular velocity, angles of the sensed members) for studies and more detailed monitoring of their recovery and/or treatment. As result, the developed system obtained average errors of X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º and errors in RMS X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º compared to a commercial system, and these results close to the ones seen in literature and applicable in biomechanical tests of gait.

In this study, we developed an animation tool to animate 3D virtual characters. The tool offers facilities to integrate motion capture data with a 3D character mesh and animate the mesh by using Skeleton Subsurface Deformation and Dual Quaternion Skinning Methods. It is a compact tool, so it is possible to distribute, install and use the tool with ease. This tool can be used to illustrate medical kinematic gait data for educational purposes. For validation, we obtained medical motion capture data from two separate sources and animated a 3D mesh model by using this data. The animations are presented to physicians for evaluation. The results show that the tool is sufficient in displaying obvious gait patterns of the patients. The tool provides interactivity for inspecting the movements of patient from different angles and distances. We animate anonymous virtual characters which provide anonymity of the patient.

A marcha humana, ou caminhada, é um padrão cíclico de movimentos corporais que se repetem a cada passo que desloca um indivíduo de um local a outro. Atualmente, avaliações biomecânicas da marcha humana tem sido utilizado no diagnóstico de alterações neuromusculares, músculo-esqueléticas e como forma de avaliação pré e pós-tratamento cirúrgico, medicamentoso e/ou fisioterapêutico. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta acadêmica de baixo custo para o estudo da marcha humana. Esse sistema consiste no sensoriamento da marcha de um usuário através de sensores inerciais e de um modelo virtual do corpo humano para permitir a visualização do movimento gerado. Dessa maneira o usuário poderá ter suas ações corrigidas por sua percepção visual e também corrigida pelas orientações de um fisiatra ou fisioterapeuta que terá a reprodução do modelo virtual conforme a movimentação detalhada do paciente para análise. O sistema ainda efetuará os registros das variáveis cinemáticas da marcha (tais como aceleração, velocidade angular, angulações dos membros sensoriados) para estudos e acompanhamento mais detalhado da sua recuperação e/ou tratamento. Como resultado, o sistema desenvolvido obteve erros médios de X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º e erros em RMS de X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º quando comparados com um sistema comercial, sendo esse resultado próximo à literatura e aplicável em exames biomecânicos de marcha. / The human gait is a cyclical pattern of body movements that are repeated every step that moves a subject from one location to another. Currently, biomechanical assessments of human gait has been used for diagnosing neuromuscular disorders, musculoskeletal and as a way of pre and post-surgical treatment, medication and/or physical therapy. This paper presents the development of a low cost academic tool for the study of human gait. This system consists of sensing the motion of a user through inertial sensors and a virtual model of the human body to allow the visualization of the generated movement. In this way, the user can have its actions corrected by his visual perception and also corrected by therapist or physiotherapist who will visualize the virtual model as the detailed movements of patient. The system will also record the kinematic gait variables (as acceleration, angular velocity, angles of the sensed members) for studies and more detailed monitoring of their recovery and/or treatment. As result, the developed system obtained average errors of X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º and errors in RMS X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º compared to a commercial system, and these results close to the ones seen in literature and applicable in biomechanical tests of gait.

A marcha humana, ou caminhada, é um padrão cíclico de movimentos corporais que se repetem a cada passo que desloca um indivíduo de um local a outro. Atualmente, avaliações biomecânicas da marcha humana tem sido utilizado no diagnóstico de alterações neuromusculares, músculo-esqueléticas e como forma de avaliação pré e pós-tratamento cirúrgico, medicamentoso e/ou fisioterapêutico. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta acadêmica de baixo custo para o estudo da marcha humana. Esse sistema consiste no sensoriamento da marcha de um usuário através de sensores inerciais e de um modelo virtual do corpo humano para permitir a visualização do movimento gerado. Dessa maneira o usuário poderá ter suas ações corrigidas por sua percepção visual e também corrigida pelas orientações de um fisiatra ou fisioterapeuta que terá a reprodução do modelo virtual conforme a movimentação detalhada do paciente para análise. O sistema ainda efetuará os registros das variáveis cinemáticas da marcha (tais como aceleração, velocidade angular, angulações dos membros sensoriados) para estudos e acompanhamento mais detalhado da sua recuperação e/ou tratamento. Como resultado, o sistema desenvolvido obteve erros médios de X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º e erros em RMS de X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º quando comparados com um sistema comercial, sendo esse resultado próximo à literatura e aplicável em exames biomecânicos de marcha. / The human gait is a cyclical pattern of body movements that are repeated every step that moves a subject from one location to another. Currently, biomechanical assessments of human gait has been used for diagnosing neuromuscular disorders, musculoskeletal and as a way of pre and post-surgical treatment, medication and/or physical therapy. This paper presents the development of a low cost academic tool for the study of human gait. This system consists of sensing the motion of a user through inertial sensors and a virtual model of the human body to allow the visualization of the generated movement. In this way, the user can have its actions corrected by his visual perception and also corrected by therapist or physiotherapist who will visualize the virtual model as the detailed movements of patient. The system will also record the kinematic gait variables (as acceleration, angular velocity, angles of the sensed members) for studies and more detailed monitoring of their recovery and/or treatment. As result, the developed system obtained average errors of X 0,52º Y 1,20º Z 1,80º and errors in RMS X 3,01º Y 3,30º Z 5,70º compared to a commercial system, and these results close to the ones seen in literature and applicable in biomechanical tests of gait.

A análise da marcha humana é um dos principais recursos que podem ser utilizados no estudo e tratamento de patologias que envolvem o aparelho locomotor. O presente trabalho visa o projeto e a construção de um robô bípede antropomórfico para ser, juntamente com um laboratório de marcha, uma ferramenta de auxílio aos profissionais da saúde na análise da marcha humana. O robô construído é capaz de reproduzir, de uma forma assistida, padrões de marcha reais, cujos dados são previamente adquiridos por um laboratório de marcha. As características dimensionais e cinemáticas desse robô são semelhantes às de um corpo humano. Dessa forma, a escolha das dimensões dos membros do robô e das faixas de movimentação de suas articulações foi baseada em dados provenientes de corpos humanos. Além disso, para garantir uma semelhança ainda maior com o corpo humano, um mecanismo paralelo foi selecionado para ser o responsável pelos movimentos das articulações do tornozelo e do quadril. Um sistema de sensoriamento barato, baseado em sensores de inclinação e de contato, foi desenvolvido para avaliar a reprodução da marcha humana por parte do robô. Agora, para acionar o robô, servo motores controlados por sinais PWM foram utilizados. Esse trabalho também apresenta o desenvolvimento de um modelo dinâmico tridimensional do robô que considera a sua interação com o solo. / The analysis of the human gait is one of the main resources that can be used in studies and treatment of pathologies which involve the locomotor system. The goal of this research is to design and to build an anthropomorphic biped robot to be used as a tool that could help health professionals to study the human gait. Once built, the robot can reproduce in an assisted way, real gait patterns based on datas that were previously acquired by a gait laboratory. The dimensionals and kinematics traits of this robot are alike to the human body. Therefore the choice of the limb dimensions from the robot and the bustle ranges of its articulations were based on datas originated in human bodies. Beyond this and to guarantee a great similarity to the human body a parallel mechanism was selected to be the responsible for the articulations movements of the ankle and hip. A cheap sensor system based on tilt and contact sensors was developed to evaluate the reproduction of the human gait by the robot. To operate the robot servo-motors controlled by PWM signals were used. This study also presents the development of a three-dimensional dynamic model of the robot that considers its interaction with the ground.

Orientador: João Maurício Rosário / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-25T20:31:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Kuteken_RenatoSuekichi_M.pdf: 4564566 bytes, checksum: 3e020109dd07850f4dc6d80cbf4e64b9 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O treinamento de marcha suspensa sobre esteira ergométrica vem sendo aplicado com sucesso em pacientes que perderam os movimentos dos membros inferiores, proporcionando uma reabilitação eficaz, com fortalecimento muscular e redução de atrofias. Além do treino de marcha, exoesqueletos também vem sendo utilizados na recuperação funcional, monitorando e atuando sobre o corpo do paciente. Este trabalho propõe a integração entre um exoesqueleto e uma esteira ergométrica no treinamento de marcha com suspensão de peso através de um sinal de acionamento para a esteira que compense os movimentos das pernas e mantenha fixa a posição do centro de massa do corpo. Este sinal de referência é elaborado a partir de valores angulares obtidos do sensoriamento das juntas do exoesqueleto, aplicados ao modelo cinemático da perna. O desenvolvimento do projeto se deu em duas plataformas, com o uso do Arduino para a aquisição da implementação física e do MATLAB para o desenvolvimento em software / Abstract: The body weight supported gait training on treadmill has been successfully applied on patients who lost their lower limbs movements, providing an efficient rehabilitation, with muscle strengthening and reduction of the atrophy. Besides gait training, exoskeletons have also been used on functional rehabilitation, monitoring and actuating on the patient¿s body. This work proposes the integration between an exoskeleton and a treadmill on the weight supported gait training through a driving signal for the treadmill that compensates the movements of the legs and hold still the position of the center of mass of the body. This reference signal is elaborated making use of angular values obtained from joint sensors on the exoskeleton, applied to the kinematic model of the leg. The development of the project occurred in two platforms, with the use of Arduino to acquisition on the physical implementation and MATLAB to software development / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Computational simulations of gait under abnormal conditions provide insights into the actions of muscles, its relationships with external reaction forces and motions of the body during slips, trips, and falls - the leading causes of occupational injuries worldwide. OpenSimTM, an open-source motion simulation software, was utilized to construct musculoskeletal structures and create dynamic simulations of body movements. Gaits of eighteen subjects were studied to extract experimentally difficult-to-obtained variables under slippery conditions. The joint angles and moments of hip, knee, ankle and the forces of four prime muscle groups were analyzed for body corrective movements during slip events. Besides, the connections between one's perception of the surrounding environment and their postural alterations to prevent falls are also discussed. Hence, this study provides a better understanding on the joint angles, moments and muscle forces of human body, evaluates the movement deviations, and contributes to the development of predictive injury thresholds during slip events.