Integration of 3D printed sensors into orthotic devices

Abstract

Nos últimos anos tem-se vindo a registar um aumento do interesse, por parte da comunidade científica, pela área dos exosqueletos, onde novos modelos e conceitos são constantemente apresentados, com o objetivo de desenvolver a próxima geração de dispositivos. Uma das razões que pode vir a justificar este aumento de interesse, por parte da comunidade científica, é o aumento da esperança média de vida. De acordo com a organização mundial de saúde, a percentagem de população mundial com mais de 60 anos aumentará de 11% para 22%, entre 2000 e 2050. Com o aumento da esperança média de vida, espera-se também um aumento da incidência de doenças associadas ao envelhecimento que, em muitos dos casos, podem levar a incapacidades motoras. Como tal, é necessário desenvolver dispositivos capazes de assistir indivíduos que se encontrem nestas situações. Uma possível medida a implementar, seria o desenvolvimento de exosqueletos dedicados à reabilitação, assim como dispositivos capazes de assistir indivíduos com deficiências locomotoras, no seu dia-a-dia. Com a perspetiva do aumento da esperança média de vida, é também importante adotar medidas de prevenção, de modo a evitar complicações no futuro, ao nível do sistema locomotor, especialmente para pessoas com trabalhos mais físicos. Estas complicações poderiam ser potencialmente reduzidas com a aplicação de exosqueletos nos variados locais de trabalho, com vista a melhorar a postura e desempenho dos trabalhadores, auxiliando-os nas suas tarefas diárias. Independentemente do objetivo para qual o exosqueleto está a ser desenvolvido, é essencial que o mesmo tenha uma boa estratégia de controlo. Existem várias estratégias de controlo, sendo uma delas o controlo baseado na força/torque aplicado pelo utilizador. Neste tipo de controlo, como o nome indica, a força/torque aplicado pelo exosqueleto é proporcional à leitura de sensores que se encontram entre o utilizador e o exosqueleto, que indiretamente interpretam a intenção do utilizador. Estes sensores são normalmente sensores de eletromiografia (EMG) e/ou sensores de força. Para além de uma boa estratégia de controlo é também importante monitorizar as forças de interação entre o exosqueleto e o utilizador. A incorreta aplicação de forças, por parte do exosqueleto, pode levar à alteração do padrão natural de ativação dos músculos, sendo por sua vez contraprodutivo no caso da fisioterapia, por exemplo. Por outro lado, forças que são incorretamente aplicadas podem também desencadear fadiga, desconforto e, em último caso, colocar em risco a segurança do utilizador. Como tal, a monitorização das forças aplicadas pelo exosqueleto é algo verdadeiramente importante, que pode ser executado através da implementação de sensores de força. A partir da informação apresentada, é possível concluir que a integração de sensores de EMG e força nas interfaces dos exosqueletos é uma possível estratégia a adaptar, quando o objetivo é otimizar o desempenho dos mesmos. No entanto, não existem muitos casos de exosqueletos com este tipo de sensores incorporados. Uma das razões que pode vir a justificar este fenómeno é a geometria deste tipo de sensores, que se encontram atualmente no mercado, ser fixa e de difícil customização, o que influencia diretamente o design do exosqueleto. Para além da geometria dos sensores, na maioria dos casos, quando o objetivo é fabricar sensores de alta resolução, o processo de fabrico é constituído por múltiplas etapas, o que pode dificultar a escalabilidade de manufatura, aumentando o custo de fabrico, o que em última instância comprometerá o design e o processo de fabricação dos exosqueletos. Com o objetivo de encontrar alternativas aos sensores convencionais, alguns desenvolvimentos têm sido feitos numa tentativa de incorporar a tecnologia de impressão 3D ao mundo dos sensores. Uma das grandes vantagens desta simbiose é a possibilidade de poder, numa só etapa, produzir e integrar o sensor, sem limitações de design, no local desejado, neste caso na interface do exosqueleto. Como tal, o objetivo deste trabalho seria o desenvolvimento de uma interface de um exosqueleto, impressa em 3D, com sensores de EMG e de força incorporados, também impressos em 3D. O exosqueleto que será utilizado provirá de um projeto em desenvolvimento pelo grupo Brussels Human Robotics Research Center, BruBotics, mais especificamente pelo projeto BioMot. Neste projeto em específico, devido à complexidade do objetivo estipulado, apenas os sensores de EMG e de força, impressos em 3D, foram desenvolvidos e testados. Para além dos sensores, um estudo sobre a deformação dos músculos da parte inferior da perna, durante ciclo de marcha, foi também realizado, de modo a facilitar o futuro design da interface do exosqueleto. Um sensor de EMG é constituído por dois elétrodos condutores, isolados por um material não condutor, de modo a possibilitar a captação dos sinais elétricos provenientes dos músculos, que, por sua vez, refletem a intenção do utilizador. Como tal, para produzir este tipo de sensores, utilizando técnicas de impressão 3D, mais especificamente, técnicas de impressão FDM (modelagem por deposição fundida), é preciso: um material condutor (neste caso semicondutores, devido à inexistência de filamentos condutores, para este tipo de impressão 3D) e um material não condutor. Para este projeto foram utilizados: o filamento semicondutor Proto-pasta conductive PLA (Protoplant, Inc., USA) e o filamento não condutor Ultimaker TPU 95A (Ultimaker B.V., The Netherlands). Com estes dois materiais foi possível, com algumas limitações, produzir um sensor EMG funcional, que poderá, possivelmente, vir a ser integrado num exosqueleto, em trabalho futuro. É necessário, no entanto realizar primeiro um estudo intensivo, de modo a compreender as restrições de funcionamento deste mesmo sensor. Relativamente aos sensores de força, o seu design/modo de funcionamento, foi baseado num condensador de elétrodos paralelos. De forma a produzir este tipo de sensor, é necessário um material semicondutor (dado, mais uma vez, a inexistência de materiais condutores para o tipo de técnica de impressão 3D que será utilizado) e um material não condutor. A ideia seria imprimir um sensor com duas finas placas semicondutoras, separadas por outra fina placa não condutora, denominado de dielétrico. Neste tipo de sensores, quando uma força é aplicada, a distância entre as placas semicondutoras diminui, induzindo um aumento da capacidade do condensador, sendo que este aumento será proporcional à força aplicada ao sensor, permitindo assim o seu registo. Com o objetivo de desenvolver este tipo de sensor, foi necessário primeiro desenvolver um sistema capaz de captar, e posteriormente transferir para um computador, as variações da capacidade do sensor de forma a possibilitar a sua posterior análise. Para além do sistema de registo, foi também necessário testar vários tipos de materiais e as várias definições de impressão, de modo a selecionar quais os mais adequados para a impressão deste sensor, dado que. Neste caso, os materiais e as definições de impressão mais adequadas, seriam as que conferissem ao dielétrico a maior flexibilidade possível dado que, quanto maior a flexibilidade do dielétrico, maior a variação da capacidade, e, como tal, maior resolução dos sinais captados. Após o desenvolvimento de um sistema de registo, e da escolha dos materiais mais adequados ao objetivo deste projeto, um sensor capacitivo foi produzido. As placas condutoras foram impressas com o filamento PI-ETPU 95-250 Carbon Black (Palmiga Innovation, Sweden) e o dielétrico com o filamento não condutor NinjaFlex 85A (Fenner Inc., USA). Ao contrário das placas condutoras, o dielétrico foi impresso com um preenchimento concêntrico ocupando apenas 50% do espaço, conferindo deste modo uma maior flexibilidade ao sensor. Com a produção do sensor completa, o mesmo foi testado. A partir dos resultados dos testes realizados, foi possível verificar um aumento da capacidade do sensor quando sujeito à aplicação de uma força, sendo que este aumento foi proporcional à magnitude da força aplicada. Apesar dos resultados terem sido bastante positivos, o sensor demonstrou ter uma elevada histerese, como tal, antes da implementação destes sensores em exosqueletos, os mesmos terão de ser rigorosamente testados, com vista a melhor compreender as suas limitações e modular, se possível, a resposta dos sensores tendo em conta a sua histerese, dependência do tempo de aplicação das forças, entre outros fatores. Após o desenvolvimento dos dois tipos de sensores, foi crucial compreender qual o melhor local para os aplicar, de modo a otimizar a informação proveniente dos sinais, por eles captados. Seguindo esta ordem de pensamentos, um algoritmo foi desenvolvido de modo a melhor compreender a deformação da superfície da parte inferior da perna, e como tal dos músculos que a constituem, durante o ciclo de marcha. Esta informação é especialmente relevante aquando da implementação dos sensores de EMG, dado que os locais onde os mesmos devem ser colocados, correspondem à zona mais proeminente dos músculos que estão a ser avaliados, que naturalmente estão sujeitos a maiores níveis de deformação. Para compreender quais os vários locais de deformação da parte inferior da perna, vários varrimentos de imagem (scans) de vários indivíduos, em várias fases do ciclo de marcha, foram obtidos, e comparados entre si, através do algoritmo desenvolvido, nestes scans as parte mais proeminentes dos músculos em estudo foram assinaladas com marcadores. O algoritmo desenvolvido tem a capacidade de identificar, com algum erro associado, os marcadores, alinhar os diversos scans das várias fases do ciclo de marcha, com base na localização espacial desses mesmos marcadores e segmentar transversalmente os scans, nas zonas mais proeminentes dos músculos. A análise da deformação é feita a partir do raio de curvatura deste segmento em zonas especificas previamente estipuladas. Apesar do algoritmo precisar de alguns melhoramentos, de forma a possibilitar uma avaliação pormenorizada e exata da deformação da superfície da parte inferior da perna, foi possível concluir, a partir dos resultados de saída do algoritmo, que as maiores deformações ocorrem nos limites dos músculos e não nas zonas mais proeminentes dos músculos (apesar de existir um deslocamento espacial das mesmas zonas). Esta informação será bastante relevante para a construção da interface do exosqueleto, mais especificamente para a escolha dos materiais, mais rígidos ou mais flexíveis por exemplo, e onde os corretamente colocar, de modo a assegurar o constante contacto entre o utilizador e os sensores, enquanto a eficiência do exosqueleto é assegurada.

There has been an increasing interest on the research of exoskeletons in the last years, with novel designs and concepts emerging to develop the next generation of devices. One of many research areas, involved in the optimization of the exoskeletons’ performance, is the integration of sensors, more specifically Electromyography (EMG) sensors and force sensors, into the exoskeleton’s interfaces, being the interfaces, the exoskeleton’s component responsible for the power transmission from the exoskeleton to the user’s biological structures. The integration of sensors into the exoskeletons’ interfaces can potentially improve the exoskeleton’s control, comfort, safety, and ergonomics. However, the integration of the sensors that are currently on the market into the exoskeletons’ interfaces has complications such as the sensors’ fixed geometry, lack of customisation and fabrication costs. One alternative to these conventional sensors is combining the 3D printing technology to the sensor’s world and produce 3D printed orthosis embedded with 3D printed sensors, where an integrated manufacturing strategy can be adopted, allowing the production of customized interfaces. Therefore, the goal of this project was to develop and test 3D printed EMG and force sensors to be integrated, in future work, into the cuffs of 3D printed orthotic devices. To help the design of these orthotic devices, an analysis of the deformation of the lower limb muscles, during the gait cycle will was also performed. In this project a working 3D printed EMG sensor, along with a 3D printed capacitance-based force sensor were successfully produced, also an efficient reading system for the force sensor was developed. Besides the 3D printed sensors, an algorithm, able to detect possible deformations, and measure those same deformations, was developed. From the algorithm’s results, it was possible to conclude the existence of variations in the muscle’s limits due to changes in the gait cycle positions.