Equipe desenvolve exoesqueletos de joelho versáteis para levantamento mais seguro

Um conjunto de exoesqueletos de joelho, construído com joelheiras disponíveis comercialmente e motores de drone na Universidade de Michigan, demonstrou ajudar a neutralizar a fadiga em tarefas de levantamento e transporte. Eles ajudaram os usuários a manter uma melhor postura de levantamento mesmo quando cansados, um fator-chave na defesa contra lesões no trabalho, dizem os pesquisadores de um novo artigo publicado no periódico Ciência Robótica.

“Em vez de reforçar diretamente as costas e desistir da forma adequada de levantamento, fortalecemos as pernas para mantê-la”, disse Robert Gregg, professor de robótica da UM e autor correspondente do estudo. “Isso difere do que é mais comumente feito na indústria.”

Já, trabalhadores que levantam peso regularmente, como na construção e na manufatura, podem usar suportes para as costas. Exoesqueletos para as costas, que usam molas ou motores para ajudar no levantamento, são uma tecnologia emergente. Mas dispositivos que dão suporte às costas pressupõem levantamento inseguro, ou abaixamento, e exoesqueletos para as costas tendem a ser dispositivos incômodos que devem ser desativados para permitir movimentos que não fazem parte da tarefa de levantamento, disse Gregg.

A equipe de Michigan diz que seus exoesqueletos de joelho são os primeiros a dar suporte aos músculos quadríceps, que fornecem a maior parte da força no levantamento seguro de agachamento, como uma maneira menos intrusiva de ajudar a proteger os trabalhadores de lesões nas costas. Os participantes do estudo os testaram com tarefas de levantamento e transporte usando um kettlebell de 20 libras.

As tarefas incluíam levantar o peso do chão e colocá-lo de volta no chão, e levantar e carregar o peso em solo plano, subir e descer uma inclinação, e subir e descer escadas. O estudo descobriu que depois de ficarem fatigados, os participantes mantiveram uma postura melhor com a ajuda do exoesqueleto, e também levantaram mais rápido — apenas 1% mais lento do que seus passos pré-fatigados, contra 44% mais lento sem a ajuda dos exoesqueletos.

“Isso é especialmente importante quando um trabalhador tem que acompanhar uma correia transportadora. Normalmente, quando um trabalhador está fatigado, ele acompanha essa taxa, mas com uma postura comprometida. Ele dobra mais as costas, e é quando as lesões são mais prováveis”, disse Nikhil Divekar, pesquisador de pós-doutorado em robótica na UM e primeiro autor do estudo.

Os participantes também sentiram o benefício — eles disseram principalmente que estavam bastante ou muito satisfeitos, com exceção de caminhar em solo plano, com o qual estavam mais ou menos satisfeitos. Isso acompanha a pequena quantidade de assistência necessária para o quadríceps durante essa tarefa relativamente fácil; Gregg descreveu isso como suporte suficiente para neutralizar o peso do exoesqueleto.

Uma das chaves para tornar o exoesqueleto tão usável são os motores e a maneira como eles são engrenados, o que permite que os usuários balancem os joelhos livremente para uma marcha natural. A outra é o software, que prevê que tipo de assistência o usuário precisa medindo o ângulo da articulação do joelho, as orientações da coxa e da perna inferior e a força captada por um sensor no calçado do usuário.

Com essas três medições de ambas as pernas, é possível descobrir qual movimento o usuário está tentando fazer e quanta assistência dar. Essas medições foram feitas 150 vezes por segundo, permitindo que os exoesqueletos se movam perfeitamente entre as atividades.

Essa abordagem contrasta com muitos controladores de exoesqueleto, que seguem padrões predefinidos para um conjunto limitado de tarefas. Trocar tarefas pode ser um problema para esses controladores, e eles podem precisar de um segundo inteiro para descobrir o que o usuário está tentando fazer, disse Gregg.

“Se o seu exo estiver tentando subir escadas e você estiver tentando descer escadas, isso pode ser um problema, certo?”, ele disse.

O novo controlador também combina um modelo físico com aprendizado de máquina, o que evita que o exoesqueleto faça movimentos inesperados caso o usuário comece a se comportar de maneira diferente de qualquer atividade incluída nos dados de treinamento do controlador.

Os protótipos de laboratório custam cerca de US$ 4.000 o par, então Gregg prevê que, se os exoesqueletos fossem produzidos em escala, eles poderiam custar cerca de US$ 2.000 o par.

Os 10 participantes do estudo, cinco mulheres e cinco homens, fizeram todas as tarefas em dois dias diferentes, um dia descansados ​​e o outro fatigados. Para induzir a fadiga, cada participante realizou uma série de levantamentos de agachamento com o kettlebell até que não conseguissem continuar sem uma longa pausa entre as repetições. Todos os participantes tinham experiência com técnicas adequadas de levantamento de agachamento.

A equipe solicitou proteção de patente com a assistência da UM Innovation Partnerships e está buscando parceiros para levar a tecnologia ao mercado.