Modelagem e simulação da propulsão por alavancas de cadeiras de rodas manuais

Abstract

Cadeiras de rodas com propulsão por aros são utilizadas em larga escala por sua praticidade e baixo custo de fabricação. Porém, estima-se que 70% dos usuários deste tipo de cadeira de rodas sofre de algum desconforto ou dores nos membros superiores. Além disso, a locomoção com cadeiras de rodas manuais por aros é reconhecidamente ineficiente em termos energéticos. Uma forma de propulsão alternativa é a propulsão por alavancas, indicada na literatura científica como uma solução superior mas ainda pouco investigada. Não se conhece bem, por exemplo, os efeitos biomecânicos associados à variação de parâmetros construtivos. Nesse contexto, neste trabalho, propôs-se um modelo computacional e uma abordagem de controle ótimo para prever e investigar a influência de parâmetros como o comprimento de alavanca, a relação de transmissão e a posição do eixo de rotação da alavanca. Dois modelos representativos do conjunto de cadeira de rodas com propulsão por alavancas foram propostos, um atuado por momentos nas articulações e outro, por músculos equivalentes. O primeiro é eficiente computacionalmente mas não representa adequadamente as propriedades intrínsecas dos músculos envolvidos. O segundo, por sua vez, é capaz de representar funcionalmente modelos complexos do sistema músculo-esquelético dos membros superiores enquanto garante continuidade e baixa dimensionalidade, atributos importantes para a solução eficiente de problemas de controle ótimo. Simulações preditivas foram realizadas em diferentes velocidades médias, inclinações de rampa, relações de transmissão, posições do centro de rotação da alavanca e posições da mão na alavanca. Os resultados mostram que a posição do centro de rotação da alavanca é essencial para o desempenho da cadeira, sendo que posições mais posteriores e mais próximas ao eixo e rotação das rodas traseiras mostraram-se mais vantajosas. Os resultados mostraram ainda que as relações de transmissão mais adequadas dependem da velocidade média imposta e da inclinação da rampa e que há uma faixa de valores para o posicionamento da mão na alavanca que levou consistentemente a esforços musculares menores

Handrim-propelled wheelchairs have been used on a large scale due to its simplicity and low cost. Nevertheless, up to 70% of wheelchair users suffer from upper extremity pain or injury. Moreover, the handrim-propelled wheelchair locomotion is considered energetically inefficient. The lever-propelled wheelchair is a promising alternative mode of propulsion, but few studies on this wheelchair type are available in the literature. For instance, the biomechanics effects associated with wheelchair design parameters are not well-understood. In this context, this study proposed two computational models and an optimal control approach to predict and investigate the influence on locomotion performance of parameters such as the lever length, gear ratio and position of the lever center of rotation. One model is actuated by ideal joint moments, the other is actuated by equivalent muscle models which represent a reference, complex musculoskeletal upper extremity model available in the modeling software OpenSim. The latter model assures continuity and low dimensionality, important aspects for the efficient solution of optimal control problems. The predictive simulation was generated for different average velocities, slope vs. horizontal locomotion, gear ratios, positions of the lever center of rotation and hand positions along with the lever. The results show that the position of the lever center of rotation is important for locomotion performance and that posterior positions of the center of rotation are advantageous. The results also show that the appropriate gear rations depend on the locomotion speed and slope angle, and that there is a range of hand positions on the lever that consistently lead to a lower muscle effort