Electric Assisted Pedal for Rehabilitation of Lower Limbs

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaOs membros inferiores permitem-nos movimentar de forma natural e ergonómica e como tal são essenciais à qualidade de vida e ao bem-estar do ser humano. Recorrentemente são fustigados por diversas patologias que acabam por prejudicar essa mesma capacidade de agilidade no movimento. A pensar nisso surge a ideia de poder ajudar as pessoas com essas patologias através da criação de um sistema de reabilitação que possa reduzir ao máximo o tempo de recuperação de um doente. Partindo de um sistema constituído por uma bicicleta estática ativa, com um motor em corrente contínua (motor DC) que é controlado em velocidade (malha fechada), sensores de força nos pedais, um sensor de batimento cardíaco e com o auxílio de um computador, procedeu-se à criação de novos modos de funcionamento com vista a reabilitação de doentes com patologias nos membros inferiores. Dos diversos modos desenvolvidos, um permite a um paciente com perda parcial ou total da funcionalidade num dos membros inferiores, efetuar o movimento normal da pedalada, sendo este compensado pelo motor consoante a percentagem de funcionalidade em falta (modo Perna Imóvel). Com vista a abranger um leque maior de possíveis utilizadores, foi desenvolvido o modo Bicicleta Estática Normal em que é possível regular a resistência ao movimento. De forma a possibilitar ao paciente/utilizador aquecer e realizar os respetivos alongamentos, imprescindíveis antes e após o exercício físico, foi desenvolvido o modo Estimulação e Relaxamento Muscular. Com o objetivo de contornar problemas de imprecisão e saturação dos sensores de força foi desenvolvido o modo de Calibração que permite calibrar o valor dos sensores de força de acordo com o peso do paciente. Foram ainda feitos diversos ajustes na interface do paciente com o objetivo de a tornar mais funcional e intuitiva.Estes modos de funcionamento bem como toda a interface gráfica, foram desenvolvidos com o software Matlab/Simulink da MathWorks.The lower limbs allow us to move naturally and ergonomically and as such are essential to the life quality and welfare of the human being. Recurrently, these limbs are hampered by several pathologies which harm its agility capacity when moving. For that reason, it arises the idea to help people with those pathologies through the creation of a rehabilitation system that could substantially reduce the duration time of the patient’s recovery.Starting from a system consisting of an active static bicycle with a continuous current motor (DC motor) with speed control (closed loop), force sensors on the pedals, a heartbeat sensor and the aid of a computer, we proceed to create new operation modes to rehabilitate patients with lower limbs pathologies.Several operation modes were developed, one allows a patient with partial or total loss of the functionality of the lower limbs to perform the usual movement of the cycling, being compensated by the motor depending on the missing functionality percentage (Weakened Leg mode). Wishing to cover a wider range of possible users or purposes, the Normal Static Bicycle mode was developed in which it is possible to regulate the resistance against movement. In order to allow the patient/user to warmup and perform its corresponding stretches, indispensable before and after workout, the Stimulation and Muscle Relaxation mode was developed. To bypass imprecision and saturation problems of the force sensors, the calibration mode was developed which can calibrate the value of the force sensors accordingly with the weight of the patient. In addition to these modes, several adjustments to the patient interface were made in order to make it more functional and intuitive.These modes as well as the graphical interface, were developed with Matlab/Simulink software by MathWorks