2014_Instrumentação e Controle de um Exoesqueleto Parte Inferior do Corpo

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MINISTÉRIO DA DEFESA 
EXÉRCITO BRASILEIRO 
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA 
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 
CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
HELTON NAZARENO CASTANHEIRA SOUSA 
 
 
 
 
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE UM EXOESQUELETO PARTE INFERIOR 
DO CORPO 
 
 
 
 
Rio de Janeiro 
2014 
 
1 
 
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 
 
 
HELTON NAZARENO CASTANHEIRA SOUSA 
 
 
 
 
 
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE UM EXOESQUELETO 
PARTE INFERIOR DO CORPO 
 
 
 
 
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de 
Mestrado em engenharia Mecânica do Instituto 
Militar de Engenharia, como requisito parcial para a 
obtenção do título de Mestre em Ciências em 
Engenharia Mecânica. 
 
Orientador: Maj. Jorge Audrin Morgado de Gois- Dr.Ing. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Rio de Janeiro 
2014 
2 
 
c2014 
 
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 
Praça General Tibúrcio, 80 – Praia Vermelha 
Rio de Janeiro – RJ CEP: 22290-270 
 
 
Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em 
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trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, 
para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que 
seja feita a referência bibliográfica completa. 
 
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es) e do(s) 
orientador(es). 
 
 
 
620.82 
 
Sousa, Helton Nazareno Castanheira 
S725i 
 
 Instrumentação e controle de um exoesqueleto parte inferior do 
corpo / Helton Nazareno Castanheira Sousa, orientado por Jorge 
Audrin Morgado de Góis – Rio de Janeiro: Instituto Militar de 
Engenharia, 2014. 
 
 233p. : il. 
 
 Dissertação (Mestrado) – Instituto Militar de Engenharia, Rio de 
Janeiro, 2014. 
 
 
 1. Curso de Engenharia Mecânica – teses e dissertações. 2. 
Robótica. 2. Sistemas homem-máquina. I. Góis, Jorge Audrin Morgado 
de. II. Título. III. Instituto Militar de Engenharia. 
 
 
 
3 
 
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA 
 
HELTON NAZARENO CASTANHEIRA SOUSA 
 
INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE UM EXOESQUELETO 
PARTE INFERIOR DO CORPO 
 
 Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Mecânica do 
Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em 
Ciências em Engenharia Mecânica. 
Orientador: Jorge Audrin Morgado de Gois – Dr.Ing. 
 
Aprovada em 15 de maio de 2014 pela seguinte Banca Examinadora: 
 
 
________________________________________________________________ 
Prof. Jorge Audrin Morgado de Gois - Dr.Ing. do IME – Presidente 
 
________________________________________________________________ 
Prof. Aldélio Bueno Caldeira - D.Sc. do IME 
 
________________________________________________________________ 
Profa. Sandra Regina Freitas da Silva Morgado de Gois - D.Sc. da UNESA 
 
 
 
Rio de Janeiro 
2014 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho a Deus, minha esposa e todos 
famíliares. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
AGRADECIMENTOS 
 
Agradeço primeiramente a Jesus meu Senhor e Salvador, que me sustentou na 
caminhada concedendo sebedoria e força, para superar todas as dificuldades neste Mestrado. 
A minha esposa Marina, que compreendeu e incentivou meus estudos, a cada dia de aulas e 
avaliações no IME. 
Agradeço a minha mãe e todos familiares , em especial ao meu irmão Helio, pois o 
que conquistei até o momento foi fruto do seu exemplo de vitória e sucesso no que faz. 
Agradeço também o orientador Major Jorge Audrin Morgado de Gois, que direcionou 
a minha formação como Mestre, contribuindo ao meu crescimento na vida acadêmica. 
Também aos Amigos Pedro, Wallace e Paulo pelo companheirismo e 
aconselhamentos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 
 
 SUMÁRIO 
 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ............................................................................................................... 12 
LISTA DE TABELAS ......................................................................................................................... 18 
LISTA DE ABREVIATURAS ........................................................................................................... 19 
 
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 22 
1.1 Objetivo ................................................................................................................. 23 
1.2 Divisão de capítulos .............................................................................................. 23 
 
2 EXOESQUELETOS ........................................................................................................ 25 
2.1 Exoesqueletos para fins de tratameto na recuperação de movimentos ................. 25 
2.3 Principais exoesqueletos desenvolvidos no mercado ............................................ 26 
2.3.1 Walk Assist ............................................................................................................ 26 
2.3.2 Roboknee ............................................................................................................... 26 
2.3.3 Hal ......................................................................................................................... 27 
2.3.4 Rewalk ................................................................................................................... 28 
2.3.5 Rex ........................................................................................................................ 28 
2.3.6 Eleg ........................................................................................................................ 29 
2.3.7 Bleex 1 e 2 ............................................................................................................. 30 
2.3.8 Raytheon ................................................................................................................ 30 
2.3.9 X1 robotic exoeskeleton ........................................................................................ 31 
2.4 Principais projetos acadêmicos de exoesqueletos ................................................. 32 
2.4.1 Projeto mecânico de exoesqueleto robótico para membros inferiores. ................. 32 
2.4.2 Atuadores elásticos em série aplicados no desenvolvimento de um exoesqueleto 
para membros inferiores. ....................................................................................... 33 
2.4.3 Caracterização de um exoesqueletoparte inferior do corpo, para a simulação de 
um espaço espacial para adaptação locomotora. ................................................... 34 
2.4.4 Aprender a andar com um exoesqueleto robótico tornozelo ................................. 35 
2.4.5 Desenvolvimento de um robô móvel exoesqueleto de 3 graus de liberdade para o 
movimento de membro superior humano. ............................................................. 36 
7 
 
2.4.6 Estudos experimentais sobre o papel da reação do tornozelo na transição entre a 
caminhada e a corrida, por meio de um tornozelo – pé-exoesqueleto. ................. 37 
2.4.7 Concepção e desenvolvimento de um exoesqueleto mão para reabilitação após 
cidente vascular cerebral .......................................................................................37 
2.4.9 Modelagem e controle de um atuador pneumático muscular curvo para 
exoesqueleto cotovelo. .......................................................................................... 39 
 
3 INSTRUMENTAÇÃO ....................................................................................... 40 
3.1 Atuadores pam’s .................................................................................................. 40 
3.2 Eletromiografia .................................................................................................... 43 
3.2.1 Sistema nervoso motor ........................................................................................ 43 
3.2.2 Eletromiográfia .................................................................................................... 45 
3.2.3 Exemplo de um eletromiografo ........................................................................... 47 
3.2.3.1 Amplificador operacional .................................................................................... 47 
3.2.3.2 Aplicações básicas com amplificadores operacional .......................................... 49 
3.2.3.2.1 Amplificador inversor ......................................................................................... 49 
3.2.3.2.2 Amplificador não-inversor .................................................................................. 51 
3.2.3.2.3 Somador de tensão .............................................................................................. 52 
3.2.3.2.4 Subtrator de tensão .............................................................................................. 52 
3.2.3.2.5 Comparadores de tensão ...................................................................................... 53 
3.2.3.2.5.1 Tipos de comparadores de tensão ........................................................................ 54 
3.2.3.2.5.1.1 Comparadores de zero ......................................................................................... 54 
3.2.3.2.5.1.2 Comparadores de nivel ........................................................................................ 55 
3.2.3.2.5.1.3 Comparador schmitt trigger ................................................................................ 56 
3.2.3.2.6 Diferenciador e integrador ativos ........................................................................ 57 
3.2.3.2.6.1 Diferenciador ativo .............................................................................................. 57 
3.2.3.2.6.2 Integrador ativo ................................................................................................... 58 
3.2.3.3 Amplificador de instrumentação ......................................................................... 59 
3.2.4 Ativação de pam’s por emg ................................................................................. 62 
3.3 Medição de aceleração ........................................................................................ 63 
3.3.1 Acelerômetros ..................................................................................................... 63 
3.3.1.1 Modelagem .......................................................................................................... 64 
3.3.1.2 Sensibilidade ....................................................................................................... 65 
8 
 
3.3.1.3 Massa ..................................................................................................................... 65 
3.3.1.4 Processo de fabricação do micro-acelerômetro ..................................................... 66 
3.3.1.5 Dinâmica da estrutura de medição do acelerômetro (tecnologia capacitiva) ........ 67 
3.3.2 Giroscópio ............................................................................................................. 69 
3.3.2.1 Modelagem ............................................................................................................ 72 
3.3.2.2 Processo de fabricação de microgiroscópio .......................................................... 73 
3.3.2.3 Dinâmica da estrutura de medição do gisroscópio (tecnologia capacitiva) .......... 74 
3.4 Medição de pressão ............................................................................................... 75 
3.4.1 Definição ............................................................................................................... 75 
3.4.2 Medições de pressão .............................................................................................. 76 
3.4.3 Sensor de pressão piezoresistivo ........................................................................... 77 
3.4.3.1 Processo de fabricação .......................................................................................... 78 
3.4.3.2 Ponte de wheatstone .............................................................................................. 79 
 
4 LÓGICA NEBULOSA E FILTROS DIGITAIS ........................................................... 80 
4.1 Lógica nebulosa ..................................................................................................... 80 
4.1.1 Fundamentos ......................................................................................................... 83 
4.1.1.1 Conjuntos nebulosos ............................................................................................. 83 
4.1.1.2 Plano de uma função de pertinência ...................................................................... 83 
4.1.1.3 Propriedades de conjuntos nebulosos .................................................................... 84 
4.1.1.4 Funções de pertinência básicas ............................................................................. 85 
4.1.1.4.1 Trapezoidal (fig. 4.1.1.4.1.1) ................................................................................. 85 
4.1.1.4.2 Triangular (fig.4.1.1.4.1.2). ................................................................................... 85 
4.1.1.4.3 Função de pertinência gausiana (fig.4.1.1.4.1.3). ................................................. 86 
4.1.1.5 Princípio da extensão fuzzy ................................................................................... 87 
4.1.1.6 Relação fuzzy ........................................................................................................ 87 
4.1.1.7 Operadores t-norm ................................................................................................. 88 
4.1.1.8 Operadores t-conorm(s-norm) ............................................................................... 88 
4.1.1.9 Composição max-min ........................................................................................... 88 
4.1.1.10 Composição max-product ..................................................................................... 89 
4.1.1.11 Variável lingüistica ............................................................................................... 89 
4.1.1.12 Concentração e dilatação dos valores lingüisticos ................................................ 90 
9 
 
4.1.1.13 Intesificação – contraste ........................................................................................ 90 
4.1.1.14 Orthogonalidade .................................................................................................... 90 
4.1.1.15 Regras se-então .....................................................................................................91 
4.1.1.16 Raciocínio fuzzy .................................................................................................... 91 
4.1.1.16.1 Simples regra com antecedente simples ................................................................ 92 
4.1.1.16.2 Regra simples com multiplos antecedentes ........................................................... 92 
4.1.1.16.3 Multiplas regras com multiplos antecedentes ....................................................... 94 
4.1.2 Sistema de inferência fuzzy ................................................................................... 95 
4.1.2.1 Modelo fuzzy mamdani ......................................................................................... 95 
4.1.2.1.1 Centróide da área ................................................................................................... 96 
4.1.2.1.2 Bissetriz da área .................................................................................................... 96 
4.1.2.1.3 Média máximo ....................................................................................................... 97 
4.1.2.1.4 Menor do máximo ................................................................................................. 97 
4.1.2.1.5 Maior do máximo .................................................................................................. 97 
4.2 Filtros digitais ........................................................................................................ 97 
4.2.1 Filtros de abordagem digital direta ........................................................................ 98 
4.2.2 Filtros de abordagem de analógico para digital .................................................. 101 
4.2.2.1 Filtro passa-baixa butterworth ............................................................................. 103 
4.2.2.2 Filtro passa-baixa chebyshev .............................................................................. 104 
4.2.2.3 Filtro passa-baixa bessel ...................................................................................... 105 
4.2.2.4 Comparação entre os filtros iir butterworth, chebyshev tipo i e ii e bessel ......... 107 
 
5 CONCEPÇÃO GLOBAL RESULTADOS DA INSTRUMENTAÇÃO E 
CONTROLE...................................................................................................................108 
5.1 Organização global da instrumentação ............................................................... 108 
5.1.1 Processamento central ......................................................................................... 109 
5.1.2 Processamento local 1 ......................................................................................... 111 
5.1.4 Processamento local 3 e 4 ................................................................................... 113 
5.2 Aproveitamento de tecnologias ........................................................................... 113 
5.2.1 Possibilidades de contribuição ............................................................................ 114 
5.3 Posicionamento de sensores inerciais ................................................................. 117 
5.3.1 Previsão dos pontos de articulação ...................................................................... 118 
10 
 
5.3.1.1 Modelo para o “pé” ............................................................................................. 119 
5.3.1.2 Modelo para a “panturrilha” ................................................................................ 120 
5.3.1.3 Modelo para o “quadril” ...................................................................................... 122 
5.3.1.4 Previsão dos centros de gravidade ...................................................................... 123 
5.3.1.5 Orientações dos centros de gravidade ................................................................. 124 
5.3.1.6 Angulos de euler .................................................................................................. 125 
5.4 Protótipo de processamento local ........................................................................ 125 
5.4.1 Fonte .................................................................................................................... 126 
5.4.2 Hardware para comunicação sem fio .................................................................. 126 
5.4.3 Hardware para processamento local .................................................................... 128 
5.4.4 Hardware para medição de aceleração ................................................................ 128 
5.4.5 Hardware para medição de velocidade angular ................................................... 130 
5.4.6 Hardware de eletromiografia ............................................................................... 133 
5.4.7 Motagem do hardware de processamento local (unidade básica de análise - 
protótipo) ............................................................................................................. 135 
5.4.8 Interface para avaliação de sinais ........................................................................ 136 
5.4.8.1 Labview ............................................................................................................... 137 
5.5 Biblioteca para linguagem c ................................................................................ 139 
5.6 Lógica nebulosa no matlab para implementação de uma válvula proporcional . 142 
5.7 Lógica nebulosa embarcada em hardware arduino ............................................. 146 
5.8 Aplicação física da lógica nebulosa embarcada para controle de uma válvula 
proporcional. ........................................................................................................ 152 
5.9 Implementação final da instrumentação e controle do exoesqueleto .................. 159 
5.9.1 Hardware final de processamento local .............................................................. 159 
5.9.1.1 Arduíno fio .......................................................................................................... 159 
5.9.1.2 Instalação das unidades de processamentos locais .............................................. 160 
5.9.1.3 Unidade de sensoriamento das fases da marcha .................................................. 162 
5.9.1.4 Unidade de processamento global ....................................................................... 164 
5.9.2 Supervisório ........................................................................................................ 168 
5.9.3 Softwares embarcados ......................................................................................... 169 
5.9.3.1 Processamentos locais ( 1, 2, 3 e 4) ..................................................................... 170 
5.9.3.2 Processamento global .......................................................................................... 171 
5.9.4 Filtros digitais embarcados .................................................................................. 173 
11 
 
6 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 177 
6.1 Problemas no projeto e sugestões para trabalhos futuros .................................... 178 
6.1.1 Problemas no projeto ...........................................................................................178 
6.1.1.1 Acloplamento de servos motores ........................................................................ 178 
6.1.1.2 Posicionamento dos medidores de sinais inerciais .............................................. 178 
6.1.1.3 Montagem do sistema eletromiográfico .............................................................. 179 
6.1.1.4 Caixas de proteção dos sistemas de processamento locais ................................. 179 
6.1.2 Sugestão para trabalhos futuros ........................................................................... 180 
6.1.2.1 Desenvolvimento do sistema mecânico .............................................................. 180 
6.1.2.2 Estudo de posicionamento e resposta da medição dos sinais eletromiográficos . 180 
6.2.2.3 Otimização do sistema pneumático ..................................................................... 181 
 
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 182 
 
8 APÊNDICES ................................................................................................................... 187 
8.1 Apêndice 1 – lógica nebulosa válvula proporcional ........................................................ 188 
8.2 Apêndice 2 – processamento local (protótipo) ................................................................ 195 
8.3 Apêndice 3 – processamento local (coxa direita) ............................................................ 197 
8.4 Apêndice 4 – processamento local (perna direita)........................................................... 200 
8.5 Apêndice 5 – processamento local (coxa esquerda) ........................................................ 203 
8.6 Apêndice 6 – processamento local (perna esquerda)....................................................... 204 
8.7 Apêndice 7 – lógica nebulosa para exoesqueleto parte inferior ...................................... 206 
 
9 ANEXO............................................................................................................................ 226 
9.1 Anexo 1 – Instalação e importação da biblioteca fuzzy ................................................... 233 
 
 
 
 
12 
 
LISTA DE ILUSTRAÇÕES 
 
FIG.2.3.1.1 Walk Assist. ............................................................................................ 26 
FIG.2.3.2.1 RoboKnee ............................................................................................... 27 
FIG.2.3.3.1 Hal ........................................................................................................... 27 
FIG.2.3.4.1 ReWalk ................................................................................................... 28 
FIG.2.3.5.1 Rex. ......................................................................................................... 29 
FIG.2.3.6.1 ELeg ........................................................................................................ 29 
FIG.2.3.7.1 Bleex 1 e 2 .............................................................................................. 30 
FIG.2.3.8.1 Raytheon. ................................................................................................ 31 
FIG.2.3.9.1 X1 Robotic Exoeskeleton. ...................................................................... 32 
FIG.2.4.1.1 Projeto Mecânico. ................................................................................... 33 
FIG.2.4.2.1 Atuador elástico em série / Planilha flexível com sensores -SIC. .......... 34 
FIG.2.4.2.2 Fases da caminhada. ............................................................................... 34 
FIG.2.4.3.1 Exoesqueleto armazenador de energia elástica. ...................................... 35 
FIG.2.4.4.1 Exoesqueleto para tornozelos. ................................................................ 35 
FIG.2.4.5.1 Exoesqueleto parte superior. ................................................................... 36 
FIG.2.4.6.1 Exoesqueleto pé – tornozelo. .................................................................. 37 
FIG.2.4.7.1 Exoesqueleto (a) Mão esquerda para reabilitar (b) Mão direita produz 
movimentos. .......................................................................................... 38 
FIG.2.4.7.2 Exoesqueleto (a) Mão esquerda há reabilitar (b) Mão direita produz 
movimentos. .......................................................................................... 38 
FIG.2.4.8.1 Concepção do exoesqueleto para o controle do robô tele controlado ..... 39 
FIG.2.4.9.1 Sistema pneumático de atuação exoesqueleto. ....................................... 39 
FIG.2.4.9.2 Implementação do exoesqueleto. ............................................................ 40 
FIG.3.1.1 Semelhança do PAM com sistema mola ................................................. 40 
FIG.3.1.2 Expansão/Contração em função da força exercida. ................................ 41 
FIG.3.1.3 Gráfico de comparação do PAM FESTO com Cilindro Ideal 
(Modelagem Geométrica). .................................................................... 42 
FIG.3.1.4 Gráfico de comparação do Simulado com Experimental (Modelagem 
Física). ................................................................................................... 42 
FIG. 3.2.1.1 Sistema Neuro – Motor ........................................................................... 43 
FIG.3.2.1.2 Músculos agonista e antagonista ............................................................. 44 
13 
 
FIG.3.2.1.3 Arco Reflexo ........................................................................................... 44 
FIG.3.2.2.1 Geração do Sinal Mioelétrico de um músculo, a partir da somatória dos 
trens de MUAPs .................................................................................... 45 
FIG.3.2.2.2 Gráfico representativo do sinal EMG bruto, retificado e suavizado ....... 46 
FIG. 3.2.3.1.1 Amplificador Operacional ...................................................................... 47 
FIG.3.2.3.2.1.1 Amplificador Inversor ............................................................................. 50 
FIG.3.2.3.2.2.1 Amplificador Não-Inversor ..................................................................... 51 
FIG.3.2.3.2.3.1 Somador de Tensão ................................................................................. 52 
FIG.3.2.3.2.4.1 Subtrator de Tensão ................................................................................ 53 
FIG.3.2.3.2.5.1 Circuito básico de comparador de tensão ............................................... 54 
FIG.3.2.3.2.5.1.1.1 Comparador de zero não-inversor. .......................................................... 54 
FIG.3.2.3.2.5.1.1.2 Comparador de zero inversor. ................................................................. 55 
FIG.3.2.3.2.5.1.2.1 Comparador de nível não-inversor ......................................................... 55 
FIG.3.2.3.2.5.1.2.2 Comparador de nível inversor ................................................................. 56 
FIG.3.2.3.2.5.1.3.1 Schmitt Trigger ....................................................................................... 56 
FIG.3.2.3.2.6.1.1Diferenciador Ativo ................................................................................ 57 
FIG.3.2.3.2.6.2.1 Integrador Ativo ...................................................................................... 58 
FIG.3.2.3.3.1 Esquema simplificado do amplificador de instrumentação. ................... 59 
FIG.3.2.3.3.2 Configuração de pinagem AD8221. ....................................................... 60 
FIG.3.2.3.1 Eletromiografo genérico ......................................................................... 61 
FIG.3.2.4.1 Sinal EMG bruto. .................................................................................... 62 
FIG.3.2.4.2 Sinal EMG filtrado. ................................................................................. 62 
FIG.3.2.4.3 Sinal EMG retificado. ............................................................................. 63 
FIG.3.2.4.4 Sinal EMG suavização através da média móvel. .................................... 63 
FIG.3.3.1.1 Sistema massa-mola-amortecedor .......................................................... 64 
FIG.3.3.1.4.1 Micromotores e micro-engranagens ....................................................... 66 
FIG.3.3.1.4.2 Dimensão de estrutura micro usinadas ................................................... 67 
FIG.3.3.1.4.3 Estrutura comb-drive para o uso em acelerômetros. ............................. 67 
FIG.3.3.1.5.1 Desenho de uma célula básica iMEMS. ................................................. 68 
FIG.3.3.1.5.2 Imagem estrutura acelerômetro .............................................................. 68 
FIG.3.3.2.1 Giroscópio mecânico .............................................................................. 70 
FIG.3.3.2.2 Pendulo de Foucault. ............................................................................... 71 
FIG.3.3.2.3 Giroscópio molecular. ............................................................................. 71 
14 
 
FIG.3.3.2.1.1 Modelo simplificado da estrutura de um giroscópio .............................. 72 
FIG.3.3.2.2.1 Esquemático de um giroscópio de princípio capacitivo. ........................ 73 
FIG.3.3.2.2.2 Estrutura de um giroscópio. .................................................................... 74 
FIG.3.3.2.3.1 Ciclo de oscilação de um giroscópio ...................................................... 74 
FIG.3.3.2.3.2 Estrutura de vibração de silício. .............................................................. 75 
FIG.3.4.2.1 Sensor de pressão MPX5700. ................................................................. 77 
FIG.3.4.2.2 Saída x pressão sensor MPX5700. .......................................................... 77 
FIG.3.4.3.1 Sensor de pressão piezoresistivo ............................................................. 78 
FIG.3.4.3.2 Sensor de pressão .................................................................................... 79 
FIG.3.4.3.2.1 Ponte de Wheatstone ............................................................................... 80 
FIG. 4.1.1 Funções de Pertinência ........................................................................... 82 
FIG.4.1.1.2 Plano da Função de Pertinência. ............................................................. 84 
FIG.4.1.1.4.1.1 Função de Pertinência Trapezoidal ......................................................... 85 
FIG.4.1.1.4.1.2 Função de Pertinência Triangular. .......................................................... 86 
FIG.4.1.1.4.1.3 Função de Pertinência Gaussiana. .......................................................... 87 
FIG.4.1.1.16.1.1 Interpretação gráfica regra simples com antecedente simples ................ 92 
FIG.4.1.1.16.2.1 Interpretação gráfica regra simples para múltiplos antecedentes ........... 94 
FIG.4.1.1.16.3.1 Interpretação gráfica das multiplas regras com multiplos antecedentes. 95 
FIG.4.1.2.1.1 Ilustração de Sistema de Inferência Mamdani. ....................................... 96 
FIG.4.2.1.1 Estruturas do Filtro FIR .......................................................................... 99 
FIG.4.2.1.2 Estruturas do Filtro IIR ......................................................................... 100 
FIG.4.2.2.1 Característica de um filtro com variação de parâmetros. ...................... 102 
FIG.4.2.2.2 Parâmetros para especificação de um filtro passa-baixa. ..................... 102 
FIG.4.2.2.1.1 Aproximação Butterwoeth .................................................................... 103 
FIG.4.2.2.1.2 Resposta ao degrau Butterworth ........................................................... 103 
FIG.4.2.2.2.1 Aproximação Chebyshev tipo I ............................................................ 104 
FIG.4.2.2.2.2 Aproximação Chebyshev tipo II ........................................................... 105 
FIG.4.2.2.2.3 Resposta ao degrau Chebyshev ............................................................. 105 
FIG.4.2.2.3.1 Aproximação Bessel ............................................................................. 106 
FIG.4.2.2.3.2 Resposta ao degrau Bessel .................................................................... 106 
FIG.4.2.2.4.1 Comparação entre filtros ....................................................................... 108 
FIG.5.1.1 Concepção global .................................................................................. 109 
FIG.5.1.1.1 Processamento central........................................................................... 111 
15 
 
FIG.5.1.2.1 Processamento local 1 ........................................................................... 112 
FIG.5.1.3.1 Processamento local 2 ........................................................................... 112 
FIG.5.1.4.1 Processamento Local 3 ......................................................................... 113 
FIG.5.2.1.1 Arduino Mega ....................................................................................... 115 
FIG.5.2.1.2 MBED -ARM ....................................................................................... 115 
FIG.5.2.1.3 LilyPad .................................................................................................. 116 
FIG.5.2.1.4 Arduino Nano ....................................................................................... 116 
FIG.5.2.1.5 Seleção de Tecnologias de processamento de sinais ............................ 117 
FIG.5.3.1.1 Medidas antropométricas. ..................................................................... 118 
FIG.5.3.1.1.1 Marcadores para definição do pé em 3D. ............................................. 120 
FIG.5.3.1.2.1 Marcadores para definição da panturrilha em 3D. ................................ 121 
FIG.5.3.1.3.1 Marcadores para definição do quadril em 3D. ...................................... 122 
FIG.5.3.1.4.1 Locação do centro de gravidade da coxa direita. ................................. 123 
FIG.5.3.1.5.1 Orientações dos centros de gravidade. ................................................. 124 
FIG.5.3.1.6.1 Os três ângulos de Euler (𝜃𝑅, 𝜓𝑅, 𝜙𝑅 ). .............................................125 
FIG.5.4.2.1 Modulo de comunicação Xbee serie 1. ................................................ 126 
FIG.5.4.3.1 Pinagem Lilypad Arduino. ................................................................... 128 
FIG.5.4.4.1 Acelerômetro ADXL3358 com sinal de saída condicionado. ............. 129 
FIG.5.4.4.2 Eixos de sensibilidade do acelerômetro. .............................................. 130 
FIG.5.4.5.1 Hardware Giroscópio. .......................................................................... 131 
FIG.5.4.5.2 Diagrama de bloco recomendado pelo fabricante para condicionamento 
de sinal. ............................................................................................... 132 
FIG.5.4.5.3 Circuito típico recomendado pelo fabricante Murata .......................... 132 
FIG.5.4.5.4 Eixo angular. ........................................................................................ 133 
FIG.5.4.6.1 Muscle Sensor V3 ................................................................................ 133 
FIG.5.4.6.2 Muscle Sensor V3 com cabo ............................................................... 134 
FIG.5.4.6.3 Diagrama eletrônico Muscle Sensor V3. ............................................. 134 
FIG.5.4.6.4 Amplificador diferencial. ..................................................................... 135 
FIG.5.4.7.1 Localização de módulos. ..................................................................... 136 
FIG.5.4.7.2 Visão geral do dispositivo de processamento local. ........................... 136 
FIG.5.4.8.1.1 Interface Xbee/ Serial. ....................................................................... 137 
FIG.5.4.8.1.2 Interface Lógica (LabVIEW). ............................................................ 138 
FIG.5.4.8.1.3 Interface gráfica LabVIEW. .............................................................. 138 
16 
 
FIG.5.5.1 Função de Pertinência Triangular ...................................................... 140 
FIG.5.5.2 Função de Pertinência Triangular ...................................................... 140 
FIG.5.5.3 Função de Pertinência Triangular ...................................................... 140 
FIG.5.5.4 Função de Pertinência Trapezoidal .................................................... 140 
FIG.5.5.5 Função de Pertinência Trapezoidal .................................................... 141 
FIG.5.5.6 Função de Pertinência Trapezoidal .................................................... 141 
FIG.5.5.7 Função de Pertinência Singleton ........................................................ 141 
FIG.5.6.1 Implementação do movimento muscular ........................................... 142 
FIG.5.6.2 Implementação da variação de pressão .............................................. 143 
FIG.5.6.3 Implementação da Alimentação do PAM .......................................... 143 
FIG.5.6.4 Implementação Descarregamento do PAM ....................................... 144 
FIG.5.6.5 Sistema Fuzzy para controle de uma válvula proporcional ............... 145 
FIG.5.7.1 Placa Arduino na porta serial (USB) ................................................. 146 
FIG.5.7.2 Interface serial (compilador) .............................................................. 147 
FIG.5.7.3 Instalação de potenciômetros ............................................................. 148 
FIG.5.7.5 Análise da interface serial .................................................................. 151 
FIG.5.8.1 Estrutura de controle da válvula proporcional ................................... 152 
FIG.5.8.2 Estrutura da válvula proporcional ...................................................... 153 
FIG.5.8.3 Fluxo de atuação da válvula proporcional ......................................... 153 
FIG.5.8.4 Estrutura controle montada ................................................................ 154 
FIG.5.8.5 Superfície comportamental não treinada ........................................... 155 
FIG.5.8.6 Concentração e dilatação de uma função de pertinência triangular. .. 155 
FIG.5.8.7 Superfície comportamental treinada .................................................. 156 
FIG.5.8.8 Movimento Muscular ......................................................................... 157 
FIG.5.8.9 Variação de pressão ........................................................................... 157 
FIG.5.8.10 Alimentação do PAM ........................................................................ 158 
FIG.5.8.11 Descarregamento do PAM ................................................................. 158 
FIG.5.9.1.1.1 Arduino Fio (ARDUINO FIO) .......................................................... 160 
FIG.5.9.1.1.2 Nova unidade de processamento local ............................................... 160 
FIG.5.9.1.2.1 Processamentos Locais ...................................................................... 161 
FIG.5.9.1.2.2 Instalação de Sensores. ...................................................................... 161 
FIG.5.9.1.3.1 Resistência x Força do FSR. .............................................................. 162 
FIG.5.9.1.3.2 Circuito Recomendado pelo fabricante.............................................. 162 
17 
 
FIG.5.9.1.3.3 Hardware condicionador de sinal. ..................................................... 163 
FIG.5.9.1.3.4 Circuito básico de sensoriamento da marcha. .................................... 163 
FIG.5.9.1.3.5 Unidade de sensoriamento das fases da marcha. ............................... 164 
FIG.5.9.1.4.1 Unidade de processamento global – Estrutura ................................... 165 
FIG.5.9.1.4.2 Unidade de processamento global – válvulas .................................... 165 
FIG.5.9.1.4.3 Unidade de processamento global – Eletrônica ................................. 166 
FIG.5.9.1.4.4 Estrutura “Instrumentada” ................................................................. 166 
FIG5.9.1.4.5 Implementação Global ....................................................................... 167 
FIG.5.9.1.4.6 Integração do Sistema ........................................................................ 167 
FIG.5.9.2.1 Interface Supervisório – Eletromiografia .......................................... 168 
FIG.5.9.2.2 Lógica Supervisório – Eletromiografia .............................................. 168 
FIG.5.9.2.3 Interface Supervisório– Baterias ........................................................ 169 
FIG.5.9.3.1 Fluxo Lógico ...................................................................................... 170 
FIG.5.9.3.1.1 Fluxo Lógico da Programação do Processamento Local. .................. 171 
FIG.5.9.3.2.1 Fluxo Lógico da Programação do Processamento Global. ................ 172 
FIG.5.9.4.1 Saída de sinal dosensor MPX5006 ................................................... 173 
FIG.5.9.4.2 Circuitos de condicionamento de sinais -Filtro RC Passa-Baixa ...... 174 
FIG.5.9.4.3 Floxo de sinal do hardware ................................................................ 175 
FIG.5.9.4.4 Interface basica para análise de filtros ............................................... 175 
FIG.5.9.4.5 Lógica de programação - Coleta de sinais ......................................... 176 
FIG.5.9.4.6 Aplicação do Filtro FIR(Pressão(PSI) x Tempo (s)) .......................... 176 
FIG.5.9.4.7 Aplicação do Filtro Chebyshev(Pressão(PSI) x Tempo (s)) ............... 177 
FIG.5.9.4.8 Aplicação do Filtro Bessel(Pressão(PSI) x Tempo (s)) ...................... 177 
FIG.6.1.2.2.1 Sinais EMG’s ...................................................................................... 181 
 
 
 
 
 
 
 
18 
 
LISTA DE TABELAS 
 
TAB.3.2.3.3.1 Tabela de ganhos em função de um resistor ........................................... 600 
TAB.4.1.1.16.2.1 Tabela de relações se – então regra simples com múltiplos antecedentes.
 ............................................................................................................ 933 
TAB.4.1.1.16.3.1 Tabela de relações se – então regra simples com múltiplos antecedentes.
 ............................................................................................................ 944 
TAB.4.2.1.1 Comparativo entre filtros IIR e FIR ...................................................... 1011 
TAB.4.2.2.4.1 Comparação de Filtros .......................................................................... 1077 
TAB.5.3.1.1 Tabela de medições antropométricas ...................................................... 119 
TAB.5.4.2.1 Tabela de pinagem do módulo Xbee. .................................................... 1277 
TAB.5.4.5.1 Tabela dos terminais .............................................................................. 1322 
TAB.5.5.1 Função de Pertinência Triangular ......................................................... 1400 
TAB.5.5.2 Função de Pertinência Triangular com dilatação .................................. 1400 
TAB.5.5.3 Função de Pertinência Triangular dilatada ............................................ 1400 
TAB.5.5.4 Função de Pertinência Trapezoidal ....................................................... 1400 
TAB.5.5.5 Função de Pertinência Trapezoidal ....................................................... 1411 
TAB.5.5.6 Função de Pertinência Trapezoidal ....................................................... 1411 
TAB.5.5.7 Função de Pertinência Singleton ........................................................... 1411 
TAB.5.6.1 Base de Regras ...................................................................................... 1455 
TAB.5.7.1 Construção da regra 1 .......................................................................... 14949 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
19 
 
LISTA DE ABREVIATURAS 
 
ABREVIATURAS 
 
EMG - Eletromiografia 
SIC - Sensor de instante de toque 
PAM - Atuador musculo pneumático 
SEA - Atuadores elásticos em série 
AVC - Acidente cardio vascular 
CI - Circuito integrado 
MUAP’S - Potêncial de ação da unidade motora 
LPM - Laboratório de Projetos Mecânicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
 
RESUMO 
 
A instrumentação e controle de um exoesqueleto parte inferior do corpo, foi desenvolvido 
com base na teória de conjuntos nebulosos e filtros digitais para o sistema embarcado 
utilizado neste trabalho. Serão abordados os sequintes temas: revisão bibliográfica de 
exoesqueletos, tecnologias para instrumentação embarcada, base teórica de lógica nebulosa e 
filtros digitais, concepção global do projeto de instrumentação e resultados. 
Este exoesqueleto é destinado para fins de melhoramento da força humana e, será 
utilizado para o aumento da autonomia energética de combatentes em guerra ou missão de 
ordem e paz. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
21 
 
ABSTRACT 
 
The control and instrumentation of an exoskeleton lower body, was developed based on 
the theory of fuzzy sets and digital filters for the embedded system being used in this work. 
Sequintes the topics will be covered: literature review of exoskeletons, technologies for 
embedded instrumentation, theoretical basis of fuzzy logic and digital filters, the overall 
design of the project instrumentation and results. 
This exoskeleton is designed for the purpose of improving human strength, and will be 
used to increase the energy autonomy of combatants in war or mission order and peace. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
22 
 
1 - INTRODUÇÃO 
 
 
 
Os estudos desenvolvidos em pesquisas de exoesqueletos são divididos em duas principais 
vertentes: Exoesqueleto para tratamento médico, sendo este aplicado em pacientes com a 
ausência movimentos ou com compromento da coordenação motora, ocasionado por diversas 
patologias, principalmente, AVC(Acidente Vascular Cerebral); e Exoesqueleto para aumento 
de forças . 
A questão é : qual é o recurso disponível, e que sistema de aquisição de sinais digitais é 
adequado para aplicação ? São variados ! tais como: Microcontroladores Atmel (PROJETO 
ARDUINO) , interface supervisório, Instrumentação Virtual com Software da National 
Instruments, dentre outros. 
Por meio de revisão bibliográfica serão demonstrados os exoesqueletos desenvolvidos no 
mercado e no meio acadêmico, ou seja, construidos por empresas e pesquisadores com 
implementações finais, desta forma, buscando verificar quais as lacunas, possibillidades e 
contribuições existentes de pesquisas acadêmicas desenvolvidas na referida área. 
Estão disponíveis para a implementação as seguintes ferramentas: microcontroladores 
PIC’s , Arduínos, Processaores ARM(Mbed), sensores microcontrolados e redes 
XBEE(Protocolo ZigBEE). 
Com o desenvolvimento de sistemas digitais, em particular, sistemas microcontrolados e 
microprocessados, nos possibilitou implementações virtuais que substituiram os antigos 
circuitos analógico por linhas de programação. Esses chip’s possuem tamanho reduzido e são 
amigáveis devido possuirem coopiladores em linguagem “C”, a qual é bastante utilizada na 
área de pesquisas de robótica. 
No decorrer desta pesquisa lançaremos mão de sistemas nebulosos embarcados em 
microcontroladores, que possibilitará um controle inteligente do sistema com comportamento 
aproximado de um ser humano. Tais microcontroladores são tão robustos, cuja arquitetura 
pode ser comparada a de um microcomputador, porém, com limitações de memória. 
Esta pesquisa seguirá a vertente exosesqueleto para aumento de forças de um indivíduo, 
utilizaremos sinais eletromiográficos para o controle do usuário sobre o exoesqueleto, deste 
modo o exoesqueleto servirá como uma amplificação de forças do usuário. 
23 
 
É observado que esta pesquisa não levará em consideração o gasto energético do 
exoesqueleto, para tanto será considerado que sempre terá alimentação pneumática suficiente 
para o controle dos PAM’s. 
 
 
1.1 – OBJETIVO 
 
 
Este trabalho tem por finalidade desenvolver a solução de engenharia ciêntifica de todo 
sistema de aquisição de sinais e controle nebuloso para acionamento de músculos artificiais. 
Primeiramente com base na concepção global da instrumentação, será apresentado o 
desenvolvimento do sistema embarcado de acionamento dos PAM’s, unidade básica do 
processamento central chamado de válvulas proporcionais, as quais são baseadasem servos 
mecanismos aclopados em válvulas de fechamento esférico. 
Posteriormente, a criação do hardware piloto de processamento local de medição de sinais 
eletromiográficos e sinais de acelerações. 
Após o desenvolvimento das unidades básicas do projeto de instrumentação, citados nos 
paragrafos anteriores, será expressa a técnica de controle nebuloso embarcado com filtros 
digitais embarcados para integração e controle do exoesqueleto. 
Por fim , montagem e testes de integração dos dispositivos. 
 
 
1.2 – DIVISÃO DA DISSERTAÇÃO 
 
 
Esta Dissertação está dividida na seguinte maneira: 
O tópico Introdução apresenta a introdução. 
24 
 
O tópico Exoesqueletos apresenta os Exoesqueletos de acordo com as suas finalidades, os 
principais exoesqueletos desenvolvidos no mercado, tais como: Walk Assist (Honda 2010), 
Robo Knee (Pratt et al, 2002), Hal (Kawmoto e Sankai, 2002), ReWalk (Argo, 2010), REX 
(Rex Bionics, 2010), ELeg( Berkley Bionics, 2010),Bleex 1 e 2 (Zoss et al, 
2005),Raytheon(Sarcos Research Corp) e X1 Robotic Exoeskeleton(NASA- 2012) e os 
principais trabalhos acadêmicos desenvolvidos. 
O tópico Instrumentação apresenta a instrumentação a ser utilizada no desenvolvimento 
do exoesqueleto com as técnicas de medição de aceleração, eletromiografia e pressão. 
O tópico Lógica nebulosa e filtros digitais apresenta a base teórica para implementação 
do controlador nebuloso e filtros digitais . 
O tópico Concepção global e resultados da instrumentação e controle apresenta a 
concepção global e resultados obtidos no desenvolvimento do sistema embarcado com a 
inteligência artificial. 
O tópico Conclusão apresenta a conclusão e sugestões para trabalhos futuros. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
 
2 - EXOESQUELETOS 
 
 
 
2.1 - EXOESQUELETOS PARA FINS DE TRATAMETO NA RECUPERAÇÃO DE 
MOVIMENTOS 
 
 
Acidentes cardio-vasculares causam paralisias em indivíduos, tais como paralisia de 
partes do corpo e coordenação motora afetada. Os exoesqueletos podem ser utilizados para 
reverter atrofias em membros do corpo humano. A Nasa há algum tempo desenvolveu um 
exoesqueleto para exercícios “extraterrenos”, ou seja, por conta da falta da gravidade os 
astronautas necessitam exercitar – para que não surjam patologias como atrofias e problemas 
renais. “Existem Máquinas desenvolvidas destinadas somente no auxílio aos pacientes para 
que os mesmos possam recuperar os movimentos dos membros inferiores” (SANTOS, Diego 
Pedroso dos, 2011). 
 
 
2.2 – EXOESQUELETOS PARA AUMENTAR FORÇAS 
 
 
Com o aumento da população idosa no planeta, surge a necessidade de um exoesqueleto 
para auxiliar esses idosos na realização de tarefas as quais necessitem esforços além de suas 
capacidades. Esta realidade de exoesqueletos para aumento de forças, já está sendo 
desenvolvido no Japão, para que se possa utilizar tal recurso na indústria. Outra aplicação, 
está na indútria de armamentos em conformidade com a política de defesa de países como os 
Estados Unidos, que investem neste tipo de equipamento, o que aumenta a autonomia dos 
soldados. Podemos idealizar um horizonte para nossas forças armadas, tal como: apoio na 
reconstrução do Haiti, auxílio em missões de pacificação em favelas do Rio de Janeiro, por 
26 
 
exemplo: poder adentrar em locais onde veículos blindados não podem ir, aliado à 
necessidade de aumentar a força de soldados para apreender e carregar peças utilizadas no 
beneficiamento de entorpecentes. 
 
 
2.3 – PRINCIPAIS EXOESQUELETOS DESENVOLVIDOS NO MERCADO 
 
 
2.3.1 – WALK ASSIST 
 
 
De acordo com Diego Pedroso dos Santos(2011) “A Honda desenvolveu o Walk Assist, 
que apresenta duas versões: a primeira tem a característica de aliviar as forças exercidas no 
quadril com a utilização de dois motores; a segunda também utiliza dois servos motores no 
quadril, mas tem como objetivo aliviar o peso corporal”. Podemos ver nas FIG 2.3.1.1.a e 
2.3.1.1.b respectivamente. 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.3.1.1 – Walk Assist (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
 
2.3.2 – ROBOKNEE 
 
27 
 
Segundo Diego Pedroso dos Santos(2011) e Bruno Jardim(2009), respectivamente, “ O 
RoboKnee tem um motor que aumenta a força na articulação do joelho, assim, alcançando 
seu objetivo” e “Ele atua na junta do joelho, determinando a intenção do usuário através das 
forças de reação do solo, e da posição da junta do joelho na aplicação da força quando 
necessário”. Podemos visualizar nas FIG 2.3.2.1.a e FIG.2.3.2.1.b. 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.3.2.1 – RoboKnee (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
 
2.3.3 - HAL 
 
 
Para Santos (2011), “ É um exoesqueleto que compreende o corpo todo e não somente a 
parte inferior. O Hal desenvolvido por Kawmoto e Sankai tem como finalidade aumentar a 
força do usuário. Para isso o Hal utiliza motores elétricos de corrente contínua acoplados a 
redutores de velocidade. Isso pode ser visualizado na FIG. 2.3.3.1. 
 
FIG.2.3.3.1 – Hal (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
28 
 
2.3.4 –REWALK 
 
 
Construído por uma empresa israelense chamada “Argo Medical Technologies” e 
desenvolvido pelo Dr. Amit Goffer, da Argo Medical Technologies, em Israel , este 
equipamento é usado na Medicina para auxiliar paraplégicos a caminhar, subir e descer 
terrenos, sentar e levantar (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). Trabalha com motores de 
corrente contínua, com um sistema de controle que se comunica com um computador. Pode-
se visualizar na FIG. 2.3.4.1. 
 
FIG.2.3.4.1 – ReWalk (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
 
2.3.5 – REX 
 
 
De acordo com Diego Pedroso dos Santos(2011), “Em 2003 a empresa RexBionics, 
desenvolveu um exoesqueleto chamado REX, que pesa cerca de 40kg. O usuário não 
necessita de auxílio de muletas ou andador, já que o equipamento é robusto o bastante para 
controlar o centro de gravidade independentemente do usuário”.Este equipamento possui um 
suporte apoio para as mão com um joystick para o usuário controlar. Trata-se de um 
exoesqueleto para paraplégicos. Visualizado na FIG. 2.3.5.1. 
29 
 
 
FIG.2.3.5.1 – Rex (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
 
2.3.6 – ELEG 
 
 
Consoantes às teorias do autor Santos(2011) “Em 2005 a empresa Berkley Bionics nos 
Estados Unidos, desenvolveu o ELeg, que possui 4 graus de liberdade, sendo um em cada 
coxa e um em cada joelho, ambas com atuadores elétricos”. Podemos visualizar na FIG. 
2.3.6.1. 
 
FIG.2.3.6.1 –ELeg (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
 
30 
 
2.3.7–BLEEX 1 E 2 
 
 
Santos expõe “Chu et al desenvolveram o Bleex , um exoesqueleto com atuadores 
hidráulicos lineares nas articulações dos tornozelos, joelhos e coxas. Esse equipamento tem 
como objetivo aumentar a capacidade dos soldados para andar em terrenos diversos por mais 
tempo e com menor esforço físico”. De acordo com Bruno Jardim(2009). o Bleex 2 possui 
uma estrutura mais enxuta, ou seja , mais leve e não possui exposição de cabos, circuitos e 
atuadores. Este exoesqueleto possui mais de 40 sensores e atuadores, e possui ainda uma rede 
local para os mesmos. Podemos visualizar nas FIG. 2.3.7.1.a e FIG. 2.3.7.1.b . Estes 
exoesqueletos foram financiados pela Agência de Defesa dos EUA (Defense Advanced 
Research Projects Agency, DARPA). 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.3.7.1 – Bleex 1 e 2 (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
 
2.3.8 – RAYTHEON 
 
 
De acordo com Bruno Jardim(2009) “ O grupo de pesquisa da Sarcos Research Corp. , 
liderado pelo Roboticista Stephen Jacobsen, tem trabalhado no que se pode ser o mais 
31 
 
poderoso exoesqueleto jamais construído”. Este equipamento pode auxiliar um usuário a 
carregar um peso de 85 kg sem sentir a carga. Este exoesqueleto também é financiado pela 
Agência de Defesa dos EUA (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA). 
Podemos observar nas FIG. 2.3.8.1.a e FIG. 2.3.8.1.b. 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.3.8.1 –Raytheon (JARDIM, Bruno, 2009). 
 
 
2.3.9 – X1 ROBOTICEXOESKELETON 
 
 
Concomitante ao documento eletrônico disponível na internet 
(http://www.tecnodrop.com/2012/10/nasa-cria-exoesqueleto-que-sera-acessivel-a-
populacao.html), “Este equipamento será capaz de atribuir movimento aos astronautas e as 
pernas de pessoas com dificuldade de locomoção”. Com esse equipamento a Nasa pretende 
otimizar a musculatura de astronautas para evitar atrofia de músculos. “O exoesqueleto tem 
10 juntas, quatro delas são motorizadas nos quadris e joelhos e as outras seis juntas são para 
flexão completa das pernas e pés”.Podemos visualizar na FIG. 2.3.9.1. 
http://www.tecnodrop.com/2012/10/nasa-cria-exoesqueleto-que-sera-acessivel-a-populacao.html
http://www.tecnodrop.com/2012/10/nasa-cria-exoesqueleto-que-sera-acessivel-a-populacao.html
32 
 
 
FIG.2.3.9.1 – X1 Robotic Exoeskeleton (TECNODROP, 2012). 
 
2.4 – PRINCIPAIS PROJETOS ACADÊMICOS DE EXOESQUELETOS 
 
 
2.4.1 – PROJETO MECÂNICO DE EXOESQUELETO ROBÓTICO PARA MEMBROS 
INFERIORES. 
 
 
O autor Diego Pedroso dos Santos apresentou, em 2011, na Ecola Politécnica da 
Universidade de São Paulo um projeto mecânico de um exosesqueleto para membros 
inferiores, este utilizou motores elétricos com atuadores e sensores encoders, capacitivos e de 
proximidade. Na FIG. 2.4.1.1.a podemos visualizar por completo o projeto mecânico, e na 
figura 2.4.1.1.b a disposição dos sensores capacitivos de proximidade. Esses sensores 
capacitivos auxiliam no controle da pisada do esxoesqueleto, e estão rachurados na cor azul. 
33 
 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.4.1.1 – Projeto Mecânico (SANTOS, Diego Pedroso dos, 2011). 
 
 
2.4.2 – ATUADORES ELÁSTICOS EM SÉRIE APLICADOS NO DESENVOLVIMENTO 
DE UM EXOESQUELETO PARA MEMBROS INFERIORES. 
 
 
Bruno Jardim desenvolveu sua tese na construção de atuadores elásticos em série para o 
desenvolvimento de um exoesqueleto. Podemos visualizar os atuadores elásticos em série 
(SEA) na FIG. 2.4.2.1.a. “É composto por 6 peças de suporte , 1 efetuador, 1 motor DC de 
150W, acoplamento elástico fusos de esferas recirculares com castanha, mancais e rolamentos 
para suporte do fuso” (JARDIM, Bruno, 2009). Na FIG. 2.4.2.1.b é demonstrado pelo autor a 
utilização de sensores de instante de contato (SIC). Trata-se de um sensor que apresenta uma 
queda de resistência elétrica com o aumento da força aplicada na sua superfície, sendo 
utilizado pelo autor como chaves para maior precisão e identificação do estágio da marcha 
humana (Fase de Suporte e Fase de Balanço – FIG. 2.4.2.2.a) no contato com o solo. A 
concepção final do exoesqueleto podemos visualizar na FIG. 2.4.2.2.b. 
 
34 
 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.4.2.1 – Atuador elástico em série / Planilha flexível com sensores -SIC (JARDIM, 
Bruno, 2009). 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.4.2.2 – Fases da caminhada (JARDIM, Bruno, 2009). 
 
 
2.4.3 –CARACTERIZAÇÃO DE UM EXOESQUELETOPARTE INFERIOR DO CORPO, 
PARA A SIMULAÇÃO DE UM ESPAÇO ESPACIAL PARA ADAPTAÇÃO 
LOCOMOTORA. 
 
Carr E. Chistopher(2007), em parceria com alguns estudiosos, desenvolveu um 
exoesqueleto para estudar a dinâmica espacial para a compreensão da influência da dinâmica 
sobre os trajes de astronautas. Este exoesqueleto foi projetado para armazenamento de energia 
elástica, e esta peculiaridade deve-se a observação de vídeos que exemplificam a utilização da 
energia elástica que os astronautas utilizam quando aplicam com seus joelhos um torque para 
saltos, ou seja, utilizam seus joelhos como molas. Visualizaremos esse projeto nas FIG. 
2.4.3.1.a e FIG. 2.4.3.1.b. 
35 
 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.4.3.1 – Exoesqueleto armazenador de energia elástica (CHRISTOPHER E. Carr et. al , 
2007). 
 
 
2.4.4 –APRENDER A ANDAR COM UM EXOESQUELETO ROBÓTICO TORNOZELO 
 
 
Keth Gordon (2006) também em parceria com demais estudiosos desenvolveram um 
exoesqueleto para aprendizagem e adaptação motora de indivíduos diferentes. O estudo foca o 
aprendizado de como os sinais eletromiográficos, e nestes casos dependendo de cada 
indivíduo, teremos sinais diferentes para cada adaptação e aprendizagem. A FIG. 2.4.4.1 
ilustra um sistema de aquisição de sinais. 
 
FIG.2.4.4.1 – Exoesqueleto para tornozelos (GORDON, Keith E. et. al, 2006). 
 
36 
 
2.4.5 –DESENVOLVIMENTO DE UM ROBÔ MÓVEL EXOESQUELETO DE 3 GRAUS 
DE LIBERDADE PARA O MOVIMENTO DE MEMBRO SUPERIOR HUMANO. 
 
 
Kazuo Kiguchi (2006) e colaboradores desenvolveram um exoesqueleto superior 
montado sobre uma cadeira de rodas, os objetivos principais são tratamento fisioterápico e 
suporte para idosos ou indivíduos lesionados. Possui um algoritmo anticolisão para evitar o 
contato deste com a cadeira de rodas. Os autores citaram algumas dificuldades que precisam 
ser mostradas aqui: 
(I) A obtenção de sinais iguais de EMG para o mesmo movimento é difícil, por mais que o 
usuário seja sempre o mesmo; 
(II) O nível de atividade de cada um dos músculos e o modo de utilização, para um 
determinado movimento, é diferente entre as pessoas; 
(III) A atividade dos músculos antagonistas afeta o torque articular; 
(IV) O tempo reação e previsão de movimento não são fáceis, pois, muitos músculos estão 
envolvidos em um movimento articular; 
(V) Um músculo não reage apenas com um movimento, mas também com outros tipos de 
movimento; 
 
FIG.2.4.5.1 – Exoesqueleto parte superior (KIGUCHI, Kazuo et. al, 2007). 
 
37 
 
2.4.6 –ESTUDOS EXPERIMENTAIS SOBRE O PAPEL DA REAÇÃO DO TORNOZELO 
NA TRANSIÇÃO ENTRE A CAMINHADA E A CORRIDA, POR MEIO DE UM 
TORNOZELO – PÉ-EXOESQUELETO. 
 
 
Este estudo procura a transição da caminhada para a corrida, através de um exoesqueleto 
tornozelo – pé. De acordo com Malcolm(2009), este equipamento diminui o consumo 
metabólico do usuário e aumenta a velocidade desejada. Podemos observar na FIG. 2.4.6.1 a 
utilização de músculo pneumático neste equipamento. 
 
FIG.2.4.6.1 – Exoesqueleto pé – tornozelo (MALCOLM, P. et. Al, 2009). 
 
 
2.4.7 – CONCEPÇÃO E DESENVOLVIMENTO DE UM EXOESQUELETO MÃO PARA 
REABILITAÇÃO APÓS ACIDENTE VASCULAR CEREBRAL 
 
 
Segundo Md Akhlaquor Rahman (2012), este trabalho tem o objetivo auxiliar pessoas 
que sofreram AVC (Acidente Vascular Cerebral), atrvés de um exoesqueleto-mão esquerda, 
reproduzindo os movimentos da mão direita. Podemos conceber da FIG. 2.4.7.1 a concepção 
do projeto e na FIG. 2.4.7. observamos o hadware utilizado em uma rede XBee(em ambos os 
braços). 
38 
 
 
FIG.2.4.7.1 – Exoesqueleto (a) Mão esquerda para reabilitar (b) Mão direita produz 
movimentos (RAHMAN, Md Akhlaquor et. al, 2012). 
 
FIG.2.4.7.2 – Exoesqueleto (a) Mão esquerda há reabilitar (b) Mão direita produz 
movimentos (RAHMAN, Md Akhlaquor et. al, 2012). 
 
 
2.4.8 – DESIGN E CONTROLE HÍBRIDOPNEUMÁTICO DE FORÇAS COM 
RETROALIMENTAÇÃO DE SISTEMAS PARA BRAÇO EXOESQUELETO, USANDO 
ACIONAMENTO ON / OFF 
 
 
Consoante com Chen Ying (2007) “O braço-exoesqueleto com feedback de força tem 
sido amplamente concebido e utilizado nos campos de robô interface teleoperação”. Este 
equipamento é concebido como um sistema de controle distribuído, ou seja , são utilizados 
vários microcontroladores Mega8 processando as informações localmente em cada parte do 
exoesqueleto. Este trabalho utiliza conjuntos fuzzy no seu controle de sinais pneumáticos. 
Podemos depreender a concepção na FIG. 2.4.8.1. 
39 
 
 
FIG.2.4.8.1 – Concepção do exoesqueleto para o controle do robô tele controlado (YING, 
Chen et. Al, 2007) 
2.4.9 – MODELAGEM E CONTROLE DE UM ATUADOR PNEUMÁTICO MUSCULAR 
CURVO PARA EXOESQUELETO COTOVELO. 
 
 
Podemos verificar que o autores Zhang Jia-Fan (et. Al, 2008) desenvolveram um 
exoesqueleto cotovelo destinado para telerobótica, tratamento de reabilitação e etc. com 
atuadores músculos pneumáticocurvos (PAM) que trabalham com movimentos antagônicos. 
Trata-se de uma junta de rotação com dois PAM’s, os quais proporcionam força e torque para 
o braço do usuário. Visualizaremos nasFIG. 2.4.9.1.a , FIG. 2.4.9.1.b e FIG. 2.4.9.2. 
(a) 
 
(b) 
 
FIG.2.4.9.1 – Sistema pneumático de atuação exoesqueleto (JIA-FAN, Zhang et. Al, 2008). 
 
40 
 
 
FIG.2.4.9.2 – Implementação do exoesqueleto (JIA-FAN, Zhang et. Al, 2008). 
 
 
3 - INSTRUMENTAÇÃO 
 
 
 
3.1 – ATUADORES PAM’S 
 
 
Os PAM’s são músculos pneumáticos artificiais utilizados em aplicações de atuação 
linear acionados por diferença de pressão. Aplicando-se uma carga de gás comprimido 
aumenta-se o diâmetro do PAM, contraindo as fibras de sua estrutura, isso ocasiona o 
encurtamento 25% (sem carga), do seu comprimento no sentido axial, assemelhando-se a um 
sistema mola, demonstrado na FIG. 3.1.1. 
 
FIG.3.1.1 – Semelhança do PAM com sistema mola (MORGADO JUNIOR, Fernando 
d’Assunção, 2011) 
 
41 
 
Consoante (MORGADO JUNIOR, Fernando d’Assunção, 2011), “O PAM é constituído 
por um tubo flexível com uma estrutura tridimensional composta de fibras entrelaçadas, que 
aumentam a sua resistência. As extremidades são compostas por acessórios que podem ser 
fixados diretamente a um sistema, em que o PAM será empregado”. 
Ele descreve que o PAM possui características de monotocidade, semelhante à 
características encontradas no corpo humano, ou seja, “A força máxima sempre decai até zero 
do maior comprimento, até que este esteja totalmente contraído”. Isso pode ser verificado na 
FIG. 3.1.2. 
 
FIG.3.1.2 – Expansão/Contração em função da força exercida (MORGADO JUNIOR, 
Fernando d’Assunção, 2011). 
 Existem seis modelos de estrutura de fabricação do PAM: Músculos com pregas, 
Músculos emaranhados, Músculo Yarlott, Músculo Kukolj, Músculos embutidos e Músculos 
trançados (MORGADO JUNIOR, Fernando d’Assunção, 2011). 
 O PAM é um sistema que trabalha com a diferença de pressão externa e interna, e como 
já mencionado, ocorre a diminuição do seu comprimento no sentido axial, desta forma a 
contração exerce uma força de tração diretamente aplicada em sua extremidade, assim, 
tornando-se um atuador mecânico. 
A aplicação desse atuador já foi tema de pesquisa de Mestrado, desenvolvido por 
(MORGADO JUNIOR, Fernando d’Assunção, 2011). O autor comparou o PAM do 
fabricante FESTO (MAS 20) com modelos analíticos (modelagem geométrica e física) FIG. 
3.1.3 e FIG. 3.1.4, respectivamente, assim, implementando o Controle Baseado em Modelo e 
Controle Baseado em Lógica Nebulosa. O autor concluiu que em ambas as técnicas de 
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controle, o erro ficou abaixo de 10%, sobressaindo-se na Lógica Nebulosa, e que o ponto 
crítico está em baixas pressões, enquanto que em altas pressões é satisfatório. 
Roosevelt Brasileiro Lira (2012) cita que “O músculo trançado que pode ser conhecido 
como McKibben é o tipo mais utilizado em pesquisas e estudos atualmente” e pela 
disponibilidade quatro unidades do PAM, no Laboratório de Projetos Mecânicos no Instituto 
Militar de Engenharia, sendo objeto de estudos desde 2011 pelo pesquisador, Fernando 
d’Assunção Morgado Junior e no ano de 2012, por Lira, será utilizado esses PAM’s do 
fabricante FESTO, devido possuir as mesmas características do Músculo Pneumático 
Artificial McKibben. 
 
FIG.3.1.3 – Gráfico de comparação do PAM FESTO com Cilindro Ideal (Modelagem 
Geométrica) (MORGADO JUNIOR, Fernando d’Assunção, 2011). 
 
FIG.3.1.4 – Gráfico de comparação do Simulado com Experimental (Modelagem Física) 
(MORGADO JUNIOR, Fernando d’Assunção, 2011). 
 
43 
 
3.2 – ELETROMIOGRAFIA 
 
 
3.2.1 – SISTEMA NERVOSO MOTOR 
 
 
 O movimento se inicia a partir de um desejo, uma decisão, e sofre influência das 
informações sensoriais para serem regulados. Então as áreas de controle motor são ativadas 
(gânglios de base e cerebelo) levando sinais pelas vias motoras descendentes para os Inter 
neurônios medulares, que são neurônios que fazem o processamento de uma informação local 
ou transmitem uma informação em uma distância curta, de um lugar do sistema nervoso para 
outro, e moto neurônios, conduzindo o impulso nervoso até a musculatura esquelética, 
promovendo assim a contração muscular. (FIG.3.2.1.1) 
 
FIG. 3.2.1.1 – Sistema Neuro – Motor 
As informações sensoriais de modificações do meio externo e interno são levadas ao 
sistema nervoso central pelos neurônios sensitivos “vias aferentes”, onde são processadas pelo 
44 
 
córtex cerebral e transformadas em estímulos para gerar uma resposta motora. Este estímulo é 
levado através das vias motoras descendentes, para os Inter neurônios medulares seguindo 
para os moto neurônios para gerar a contração. Estas informações são de grande importância, 
pois através destas é possível controlar e regular o movimento, como por exemplo, o tônus 
musculares, a força e a velocidade. 
 
FIG.3.2.1.2 – Músculos agonista e antagonista (NEUROCIÊNCIA – Ekman, 2008) 
 
 
FIG.3.2.1.3 – Arco Reflexo 
Para que se dê o movimento, o músculo agonista (responsável pela principal ação de 
um movimento) e o músculo antagonista (se opõe a ação do músculo agonista com a função 
de regular a velocidade do movimento ou controlar a potência) precisam ser ativados e 
inibidos (FIG. 3.2.1.2). Isso acontece por meio da inervação reciproca, o moto neurônio vai 
fazer duas sinapses, em um o estimulo contrátil e no outro o estimulo inibitório. Ocorre um 
estimulo sensorial, o neurônio sensitivo recebe essa informação e faz duas sinapses uma com 
o córtex e outra com o moto neurônio. O córtex processa esta informação e a transforma em 
uma resposta motora que é enviada através do neurônio motor até o músculo alvo. Quando 
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está ação é reflexa (arco reflexo) não há intervenção do sistema nervoso central, pois ocorre a 
nível medular, nesta forma acontece uma resposta imediata. (FIG. 3.2.1.3) 
 
 
3.2.2 – ELETROMIOGRÁFIA 
 
 
Os autores (MARCHETTI, P. Henrique e DUARTE M. , 2006) cita que “Eletromiografia 
é uma técnica de monitoramento da atividade elétrica das membranas excitáveis, 
representando a medida dos potencias de ação do sarcolema, como efeito de voltagem em 
função do tempo”. 
A propagação do potencial de ação intracelular causa uma corrente transmembrana iônica 
que se propaga também no sarcolema. Em termos de circuito elétrico, a fibra pode ser 
considerada um tubo muito fino no qual a corrente flui axialmente. A velocidade com a qual o 
potencial propaga-se depende do diâmetro e tipo da fibra, sendo chamada de velocidade de 
condução (SANTOS, Sibele Bruno Soares dos, 2011). 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG.3.2.2.1 – Geração do Sinal Mioelétrico de um músculo, a partir da somatória dos trens de 
MUAPs ( RIBEIRO, V. de Sousa et al, 2006) 
O sinal mioelétrico de cada músculo, é composto pela soma dos vários potenciais de 
ação musculares, resultando nos diversos MUAP’s de cada unidade motora e que apresentam 
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características diferentes entre si (FIG. 3.2.2.1) (RIBEIRO, V. de Sousa et al, 2006). MUAP’s 
(Potencial de Ação da unidade motora) constitui a unidade fundamental do sinal EMG. 
É verificado na FIG. 3.2.2.1 a somatória de trens de pulso resultando em um sinal da 
EMG. Tal sinal “bruto” deve ser condicionado para utilização no acionamento dos PAM’s. 
Existem duas formas de captação do sinal EMG, monopolar e bipolar. Monopolar 
utiliza dois eletrodos, um para referência (sem atividade muscular) e outro para o músculo 
ativo (com atividade muscular). No bipolar são utilizados três eletrodos dois nos músculos 
ativos e um para referência. 
Considerando Sinal EMG com captação bipolar, o sinal precisa ser retificado, 
suavizado, o qual está demonstrado na FIG. 3.2.2.2 para depois amplifica-lo. A amplificação 
vai depender do dispositivo de processamento digital de sinal. Como a plataforma Arduino 
trabalha em um range de 0 à 5V, será amplificado o sinal em mil vezes para poder atender a 
aplicação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG.3.2.2.2 – Gráfico representativo do sinal EMG bruto, retificado e suavizado 
(MARCHETTI, P. Henrique