Hyundai cria robô vestível para assistência à locomoção que oferece total mobilidade

DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

"Usando o LabVIEW e a arquitetura LabVIEW RIO, pudemos reduzir o tempo de desenvolvimento e teste do algoritmo de controle de nosso novo robô a apenas 1 semana, em vez de 1 mês que seria necessário com uma linguagem textual. Pudemos criar protótipos de software e hardware com maior rapidez e nos adaptarmos às rápidas mudanças dos requisitos de controle."

- DongJin Hyun, PhD, Hyundai Motor Company

O desafio

Desenvolver um sistema que possa utilizar algoritmos de controle complexos para capturar dados remotamente de diversos sensores simultaneamente e realizar o controle em tempo real de vários atuadores para um dispositivo robótico vestível de assistência à locomoção.

A solução

Usar a plataforma LabVIEW RIO, composta por um sistema embarcado CompactRIO e uma controladora de tempo real com arquitetura de controle por FPGA fornecida pelo Single-Board RIO, para adquirir dados de diversos sensores e unidades periféricas de controle, dispositivos de comunicação de alta velocidade e atuadores; utilizar o software LabVIEW para adquirir dados confiáveis, realizando análises em tempo real e utilizando diversos algoritmos de controle robótico para reduzir drasticamente o tempo de desenvolvimento.

O Central Advanced Research and Engineering Institute (Instituto Central de Engenharia e Pesquisas Avançadas) da Hyundai Motor Company está desenvolvendo o futuro das tecnologias de mobilidade. Em vez de fornecer veículos convencionais aos clientes, esse centro de pesquisa cria novos dispositivos de mobilidade, para diversas velocidades e diferentes pessoas, incluindo idosos e pessoas com dificuldades de locomoção. Nossa sociedade está envelhecendo, e há uma maior necessidade por sistemas que possam auxiliar a mobilidade. Por esse motivo, estamos desenvolvendo robôs de exoesqueleto vestíveis com controladores embarcados da NI para os idosos e pacientes com lesões na medula espinhal.


Na área de robótica vestível (em inglês, wearable), a interface física entre o corpo humano e o robô é fonte de diversos problemas de engenharia no projeto mecânico, construção da arquitetura de controle e o projeto do algoritmo de atuação. O espaço e peso permitidos para os dispositivos elétricos são extremamente limitados, porque esses robôs precisam ser vestidos como uma roupa. Além disso, a taxa de amostragem de controle final do robô precisa ser suficientemente rápida para não obstruir movimentos humanos e reagir adequadamente a forças externas. Além disso, permanecem muitas questões relacionadas ao aumento de força humana e algoritmos de controle de assistência para robôs vestíveis, apesar de muitos dos esforços dos pesquisadores em robótica já terem apresentado resultados de sucesso dos robôs vestíveis. Assim, nosso grupo se concentrou nos seguintes requisitos para a seleção de um controlador principal para nossos robôs vestíveis:

  • Alta velocidade no processamento de dados obtidos dos diversos tipos de sensores
  • Tamanho e peso
  • Visualização dos dados em tempo real para o desenvolvimento dos algoritmos de controle
  • Conectividade a outros dispositivos inteligentes, para oferecer funções mais convenientes

 

Configuração do sistema

O controle em tempo real e o ambiente de hardware FPGA garantem a confiabilidade e estabilidade, proporcionando E/S compatíveis com uma ampla variedade de dispositivos de controle robótico. Por exemplo, no processo de construção de nossos robôs vestíveis, tivemos que mudar drasticamente várias vezes toda a arquitetura de controle, devido a trocas de sensores ou mudanças no método de comunicação de controle. Entretanto, essa combinação única de controladora de tempo real e recursos de FPGA incorporada nos produtos NI possibilitou ao nosso grupo lidar rapidamente com essas mudanças, o que ajudou a reduzir o nosso tempo de desenvolvimento.

 

Além disso, a adoção do compacto dispositivo System on Module (SOM) sbRIO-9651 nos ajudou a reduzir o peso do robô a menos de 10 kg, além de maximizar a eficiência da bateria, com o uso de uma configuração base de baixa potência para o sistema.

 

 

Por que escolhemos o LabVIEW

Para as tarefas complexas da área de robótica, temos atualmente uma variedade cada vez maior de sensores e atuadores, além de aumentos exponenciais na complexidade dos algoritmos de controle. Com isso, o processamento simultâneo de todos os dados provenientes de diversos sensores e o envio de instruções a vários atuadores passa a ser um dos desafios mais importantes a serem enfrentados na robótica. O LabVIEW oferece uma visualização global, que permite compreender intuitivamente o processamento dos sinais dos sensores instalados nos robôs e acelerar o projeto do algoritmo de controle nos estágios experimentais. Adicionalmente, os produtos NI oferecem ampla compatibilidade e capacidade de expansão, assim poderemos usar dispositivos inteligentes como interfaces de usuário no futuro.

 

Robótica vestível para assistência à locomoção

Originalmente, foram construídos os seguintes tipos de robôs vestíveis:

  • Exoesqueleto modular para os quadris — Um robô modular que fornece assistência à locomoção a pessoas com desconforto nos quadris.
  • Exoesqueleto modular para os joelhos — Um robô modular que fornece assistência à locomoção a pessoas com desconforto nos joelhos.
  • Exoesqueleto Life-Caring — Um robô modular que combina as partes dos quadris e joelhos para oferecer assistência à locomoção aos idosos ou pessoas com dificuldades para mover seus membros inferiores.
  • Exoesqueleto Medical — Um robô modular que combina as partes dos quadris e joelhos para oferecer assistência à locomoção a pacientes que não conseguem mover seus membros inferiores por conta própria.

 

Após a demonstração do Exoesqueleto Life-Caring vestível para assistência à locomoção de idosos no NIWeek 2015, nós apresentamos o Medical Robot vestível para pessoas com paraplegia, que também foi projetado com o LabVIEW e o CompactRIO. Em uma demonstração clínica conjunta com a Korea Spinal Cord Injury Association (Associação Coreana de Lesões da Medula Óssea), em janeiro de 2016, um paciente paraplégico equipado com o Medical Robot conseguiu se sentar, ficar de pé e andar em um local plano. O paciente que participou desse ensaio clínico tem paralisia na metade inferior do corpo (lesões na segunda e terceira vértebras lombares), com paralisia motor e sensorial. Mas com a assistência do Medical Robot vestível, ele conseguiu andar após um treinamento rápido. Com base no progresso obtido até o momento e no ritmo de nosso desenvolvimento, esperamos fabricar um produto mais leve, melhor e com mais funções até 2018, começando a produção em massa em 2020.

 

As tecnologias da Internet das Coisas nos desenvolvimentos futuros

Nós temos planos de pesquisa de integrar dispositivos inteligentes na interface de usuário para enfrentar os desafios futuros. Atualmente, os robôs para pessoas com deficiências nos membros inferiores utilizam muletas como interfaces sem fio para que os usuários possam alterar configurações como andar, sentar, subir ou descer degraus. Embarcar dispositivos inteligentes nesse tipo de interface de usuário pode ajudar os usuários a ajustar ou incluir parâmetros como tamanho e tempo dos passos ou profundidade/largura para sentar em uma cadeira. Além disso, os dados relacionados a padrões de caminhada ou faixas de atividade normal são úteis para tratamentos e reabilitações. Especialistas em reabilitação ou médicos podem configurar parâmetros mais avançados, como ritmo de caminhada forçada ou ajuste dos movimentos das juntas, para utilizá-los em seus tratamentos.

 

Nós começamos a desenvolver o robô exoesqueleto de próxima geração com base na tecnologia sem fio, para possibilitar a análise do modo de caminhar. Quando alguém veste esse robô, é possível identificar intenção e situação da caminhada, coletando dados de uma área entre o solo e a sola do pé. A tecnologia que transmite esses dados por comunicação ZigBee sem fio já está disponível. Essa tecnologia pode ser ainda potencializada, agora usando a tecnologia da Internet das Coisas (IoT). Em outras palavras, você pode enviar informações adquiridas por uma conexão sem fio a um robô para que ele auxilie os movimentos do caminhante. Além disso, a coleta de dados relevantes pode ajudar os usuários a identificar conjuntos de atividades pessoais e condições baseadas em localização. Então essas informações podem ser integradas no robô, permitindo proporcionar um serviço mais abrangente. Se um paciente vestir esse robô para fins de reabilitação, seus médicos poderão monitorar as condições dos pacientes e do robô e introduzir treinamento ou ajustes em tempo real para aumentar a eficiência e eficácia do tratamento, o que é um bom exemplo de implementação de tecnologia baseada em informações de dados.

 

Informações sobre o autor

DongJin Hyun, PhD
Hyundai Motor Company
37, Cheoldobangmulgwan-ro
Uiwang-si, Gyeonggi-do 437-815
South Korea
Tel: +82 (031) 596 0920
mecjin@hyundai.com

Figura 1. Configuração do sistema do robô vestível
Figura 2. O processamento em tempo real oferecido pela plataforma CompactRIO permitiu que a Hyundai superasse um de seus grandes desafios – reconhecer comandos do corpo humano.
Figura 3. Painel frontal do LabVIEW para o controle do robô
Figura 4. Diagrama de blocos do LabVIEW para o controle do robô
Figura 5. Exoesqueletos da Hyundai para os membros inferiores
Figura 6. Conceitos de exoesqueleto modular e exoesqueleto para os membros inferiores
Figura 7. Exoesqueleto Life-Caring em uso
Hyundai wearable robotics are designed to offer users a better quality of life.
The NI System on Module (SOM) provides Hyundai a powerful heterogeneous architecture in a small form factor to control their wearable robotics.
Hyundai used CompactRIO to quickly implement and adjust to rapidly changing control requirements.