Este trabalho consiste no projeto mecânico de um exoesqueleto robótico para paraplégicos com lesões medulares entre T2 a L1, ou seja, sem mobilidade da cintura para baixo e com mobilidade do peito para cima, inclusive das mãos. A utilização do equipamento necessita da utilização de muletas ou andadores. O mecanismo possui seis graus de liberdade, sendo quatro atuados por motorredutores (joelhos e quadris) e dois suportados por molas (tornozelos). Os motorredutores são projetados especialmente para o exoesqueleto, sendo compostos de um motor de corrente continua de imã permanente e um redutor harmônico do tipo panqueca acoplados de forma adequada para minimizar peso e volume. Para calcular os esforços solicitados em cada articulação foi desenvolvido um modelo dinâmico do corpo humano para simular os movimentos que o exoesqueleto é capaz de realizar, que são: marchar, sentar, levantar e subir e descer escadas. O modelo utilizado do corpo humano possui cinco ligamentos rígidos e é capaz de simular movimentos no plano vertical. Os resultados obtidos da simulação são comparados com resultados experimentais da literatura e são considerados satisfatórios. / This work presents a mechanical design of a robotic exoskeleton for paraplegics with spinal cord injuries between T2 to L1, that means, without mobility from the waist down and with mobility from the chest up, including the hands. For using the equipment the paraplegic needs the aid of crutches or walkers. The mechanism has six degrees of freedom, with four degrees actuated by gear motors (knees and hips), and two degrees supported by springs (ankles). The gear motors are designed especially for the exoskeleton. They are composed by an permanent magnet brushless electric motor conveniently coupled with an pancake harmonic speed reducer to minimize weight and volume. For calculating the efforts in each joint a model for the human body is developed to simulate the movements the exoskeleton can perform, which are: walk, sit, standup and climb up and down stairs. The human body model has five rigid links and it is capable to simulate movements in the vertical plane. The results obtained in the simulations are compared very well with experimental results from the literature.

Este trabalho consiste no projeto mecânico de um exoesqueleto robótico para paraplégicos com lesões medulares entre T2 a L1, ou seja, sem mobilidade da cintura para baixo e com mobilidade do peito para cima, inclusive das mãos. A utilização do equipamento necessita da utilização de muletas ou andadores. O mecanismo possui seis graus de liberdade, sendo quatro atuados por motorredutores (joelhos e quadris) e dois suportados por molas (tornozelos). Os motorredutores são projetados especialmente para o exoesqueleto, sendo compostos de um motor de corrente continua de imã permanente e um redutor harmônico do tipo panqueca acoplados de forma adequada para minimizar peso e volume. Para calcular os esforços solicitados em cada articulação foi desenvolvido um modelo dinâmico do corpo humano para simular os movimentos que o exoesqueleto é capaz de realizar, que são: marchar, sentar, levantar e subir e descer escadas. O modelo utilizado do corpo humano possui cinco ligamentos rígidos e é capaz de simular movimentos no plano vertical. Os resultados obtidos da simulação são comparados com resultados experimentais da literatura e são considerados satisfatórios. / This work presents a mechanical design of a robotic exoskeleton for paraplegics with spinal cord injuries between T2 to L1, that means, without mobility from the waist down and with mobility from the chest up, including the hands. For using the equipment the paraplegic needs the aid of crutches or walkers. The mechanism has six degrees of freedom, with four degrees actuated by gear motors (knees and hips), and two degrees supported by springs (ankles). The gear motors are designed especially for the exoskeleton. They are composed by an permanent magnet brushless electric motor conveniently coupled with an pancake harmonic speed reducer to minimize weight and volume. For calculating the efforts in each joint a model for the human body is developed to simulate the movements the exoskeleton can perform, which are: walk, sit, standup and climb up and down stairs. The human body model has five rigid links and it is capable to simulate movements in the vertical plane. The results obtained in the simulations are compared very well with experimental results from the literature.

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Orientador: Aparecido Augusto de Carvalho / Resumo: A Estimulação Elétrica Funcional tem sido utilizada para auxiliar no restabelecimento de funções motoras em paraplégicos. Neste trabalho é proposto um procedimento experimental para identificar as incertezas politópicas de um modelo dinâmico do movimento do membro inferior, produzido por estimulação elétrica aplicada no quadríceps. Foram realizadas comparações entre controle em malha aberta e dois controladores em malha fechada. O projeto dos controladores foi baseado em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Os resultados experimentais foram obtidos para 5 voluntários hígidos e 4 voluntários paraplégicos. Devido à incerteza dos parâmetros da planta, os resultados experimentais mostraram que o sinal de controle é incerto para um ponto de operação. Pela primeira vez aplicou-se controle chaveado com incerteza e estimulação elétrica para controlar o movimento do membro inferior. O controlador chaveado u_(σ,ξ) (t)apresentou o menor valor da derivada temporal da função de Lyapunov e compensou a incerteza do sinal de controle. / Abstract: Functional Electrical Stimulation has been used to aid and restore motor functions in paraplegics. In this work, we propose an experimental procedure to identify the polytopic uncertainties of a dynamic model of the lower limb movement produced by electrical stimuli applied to the quadriceps. A comparison between open-loop control and two closed-loop controllers was performed. The controller design was based on linear matrix inequalities (LMIs). Experimental results were obtained for 5 healthy volunteers and 4 paraplegic volunteers. Due to plant parameters uncertainties, the experimental results showed that the control signal is uncertain for an operating point. For the first time, a robust switched controller and electrical stimulation were applied to control the movement of the lower limb. The switched controller u_(σ,ξ) (t)presented the smallest time-derivative value of the Lyapunov function and compensated the uncertainty in the control signal. / Doutor