A expande cada vez mais para vários setores da atividade humana. Os simuladores de voo constituem conhecido exemplo, já que permitem reproduzir as mesmas condições enfrentadas pelos pilotos de aeronaves diminuindo custos envolvidos em práticas reais. Hoje a realidade virtual está vulgarizada em vídeo games, como o modelo Wii, que utiliza um controle sensível ao movimento, complementando com movimentos naturais os antigos dispositivos de controle providos somente de botões, permitindo a imersão na atividade simulada: um jogo de boliche, de tênis, uma corrida de carros. Imagine-se agora um dispositivo que integre um sistema mecânico computadorizado à realidade virtual para aplicação em fisioterapia, de forma a fazer com que a pessoa assistida se sinta realizando marchas, subindo e descendo rampas ou escadas. Esse foi o objetivo do trabalho de pesquisa de doutorado, financiado pela Fapesp, desenvolvido por Alvaro Joffre Uribe Quevedo, no Laboratório de Automação da Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM) da Unicamp. Orientado pelo professor João Mauricio Rosário, professor da FEM, o trabalho deu origem à tese que apresenta o desenvolvimento de um dispositivo mecatrônico que acompanha o processo de reabilitação de membro inferior com deficiência parcial através de sua integração com um perambulador, possibilitando ao usuário o movimento dentro de um ambiente virtual. O perambulador é um sistema mecatrônico que, por meio da realidade virtual, permite que o usuário se desloque em um ambiente gerado por computador através dos movimentos das pernas.

O professor explica que as atividades de terapia e reabilitação se caracterizam pela execução de movimentos repetitivos durante ciclos que permitem ao terapeuta avaliar o desenvolvimento e a evolução do paciente. Esta terapia assistida tem a eficácia diminuída com o cansaço do terapeuta que assiste ou do paciente em razão de suas capacidades físicas. A terapia também fica comprometida quando o paciente, ao realizar exercícios por sua conta, não executa adequadamente os movimentos devido às faltas de supervisão e referências ou mesmo ao cansaço ou dor. Para contornar esses problemas, o trabalho propõe a reabilitação de um membro inferior com deficiência parcial, através do desenvolvimento de um dispositivo mecatrônico simples que, além de assistir à movimentação, permita ao usuário a interação com um ambiente virtual, interagindo com o usuário e incentivando a execução dos movimentos próximos ao real.

O sistema proposto torna possível monitorar posição, velocidade e aceleração do membro inferior durante a movimentação. As informações sobre os movimentos realizados e as interfaces do usuário permitirão a imersão e a interação que possibilita ao paciente a correta execução da terapia. Rosário esclarece que “o trabalho propõe o desenvolvimento de um dispositivo para membro inferior de baixo custo, integrado a um ambiente virtual de interação com o usuário que servirá de ferramenta para complementar o processo de reabilitação”.

O desenvolvimento do dispositivo proposto está fundamentado no estudo de conceitos biomecânicos, cinemáticos e dinâmicos que possibilitam a assistência da movimentação, proporcionando um ambiente seguro, controlado, supervisionado e com monitoramento do usuário. O docente explica que “a metodologia fundamenta-se na análise biomecânica do membro inferior humano e suas relações antropométricas para propor a solução do problema cinemático e de geração das trajetórias para, então, possibilitar a definição de modelo mecatrônico capaz de responder em consonância com movimentos padronizados”.

A integração da robótica e da realidade virtual com processos e procedimentos em diferentes áreas da medicina vem obtendo certo impacto social. No caso da reabilitação, tanto fisiológica quanto psicológica, estas áreas apresentam formas únicas e inovadoras para complementar e melhorar os processos de terapia. Esses novos processos exigem o desenvolvimento da órtese robótica – estrutura mecânica que se ajusta à anatomia do membro cujos movimentos devem ser recuperados e que se semelha a uma prótese – e do exoesqueleto – dispositivo robótico utilizado para aumentar a força humana, a exemplo das vestimentas utilizadas em filmes como Avatar. Esses dispositivos que visam assistir a fisioterapia do membro inferior são ainda hoje de uso exclusivo e restrito devido às dimensões e custos.

Segundo os autores, as pesquisas nas áreas de robótica para o corpo, de perambulador e de realidade virtual orientada à reabilitação vêm sendo realizadas isoladamente, com poucas e recentes integrações entre si. Os novos dispositivos de interface humana permitem a procura de soluções que aproveitam a anatomia do ser humano criando motivação no paciente. A realidade virtual oferece um ambiente que permite expor e monitorar o paciente em cenários controlados; aplica-se à reabilitação nos casos de déficits cognitivos, motores e físicos; oferece um aprendizado ativo e experimental motivante; mostra-se eficaz no tratamento de fobias, na redução da dor durante o tratamento de queimaduras, no tratamento através de punções e de pacientes com deficiência de sentidos.

O sistema
Para o desenvolvimento da metodogia houve necessidade de realizar a modelagem biomecânica da marcha e da reabilitação; projetar dispositivo mecatrônico baseado no estudo biomecânico e de reabilitação; construir um protótipo experimental do dispositivo e a realização dos respectivos testes; desenvolver um ambiente virtual para navegação; integrar o dispositivo da perna com o ambiente virtual e outros elementos do perambular.
O desenvolvimento do trabalho ocorreu em três etapas como apresentado em ilustração nesta página. A primeira, baseada em modelos, envolveu a análise biomecânica que incluiu a cinemática, a geração de movimentos, a dinâmica e o sistema de controle. Na segunda fase foi desenvolvido o mecanismo adequado à contemplação dos tipos de movimentos mais utilizados e mais básicos no dia a dia das pessoas. O exoesqueleto então criado foi testado em simulações envolvendo os movimentos básicos pretendidos. Na terceira etapa a preocupação foi a de adaptar o mecanismo em uma pessoa da forma mais rápida e confortável possível e introduzir o conceito de realidade virtual de mais baixo custo.

Em vista disso, diz o docente, “utilizamos os componentes de mercado, a exemplo do modelo Wii e Kinect, e basicamente um programa de computador que permite o mapeamento da pessoa, de tal forma que ela tenha a sensação que está imersa no ambiente em que realiza os movimentos solicitados, sejam marchas ou o enfrentamento de rampas ou escadas, por exemplo”. O paciente acompanha na tela do monitor o desenvolvimento dos exercícios e recebe a imediata resposta aos movimentos executados e também, quando necessário, a força adicional de que precisa, ou então ocorrem adequações do ambiente que o levem aos movimentos corretos. Em suma, o sistema obriga ao usuário, a exemplo do fisioterapeuta, a realizar o movimento exigido pela terapia. O professor considera fases distintas do trabalho a construção do sistema e a criação de um ambiente que possa ser utilizado para reabilitação.

Rosário enfatiza que o sistema desenvolvido é aplicado em pacientes com mobilidade parcial em apenas uma das pernas, porque o estudo usa como referência para o movimento a perna sadia. Para ele, o objetivo principal do trabalho foi a construção de um dispositivo – o exoesqueleto – que permitisse a uma pessoa com deficiência parcial nas pernas recuperar os movimentos. Moveu-o ainda ao estudo o domínio de uma tecnologia, que não considera fácil, e ainda a redução de custos, que possibilitaria o aumento do universo atendido.

Publicação
Tese: “Desenvolvimento de dispositivo para reabilitação de membro inferior com deficiência parcial”
Autor: Alvaro Joffre Uribe Quevedo
Orientador: João Mauricio Rosário
Unidade: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM)
Financiamento: Fapesp