Desenvolvimento de um controlador de corrente para um motor CC operado por meio de sinais mioelétricos

Abstract

Muitas próteses ativas que utilizam eletromiografia interpretam as contrações musculares como sinais discretos para entrada de comandos. Nessa abordagem, os sinais mioelétricos utilizados para execução de movimentos de um membro natural produzem resultados intrinsecamente diferentes em um membro prostético, requerendo treinamento por parte do usuário. Este trabalho apresenta um experimento demonstrando a viabilidade de um sistema de prótese ativa que responda de maneira similar a um membro natural, convertendo a intensidade de sinais mioelétricos em valores de torque na junta. Desenvolveu-se um sistema que realiza essa interface utilizando um motor CC como análogo à junta de uma prótese e adquirindo sinais musculares através de eletromiografia. A conversão desses sinais em um sinal de referência foi realizada através de um filtro digital de Butterworth de segunda ordem, e um controlador PI foi desenvolvido para a corrente de armadura do motor CC. Após o desenvolvimento desse sistema, testes foram realizados coletando sinais do bíceps. A partir dos resultados obtidos, verificou-se que foi possível controlar o nível média do torque de eixo do motor, entretanto as abordagens utilizadas no desenvolvimento do controlador e na correspondência entre a intensidade de contrações musculares e o sinal mioelétrico não renderam resultados satisfatórios. A performance obtida pode ser refinada com a incorporação dos efeitos da dinâmica mecânica no projeto do controlador, a utilização das características de frequência de sinais mioelétricos para identificar a intensidade das contrações e o teste de algoritmos mais complexos de obtenção da referência de corrente a partir do sinal original.

Many active prostheses which use electromyography read the muscular contractions as discrete signals for command input. In this approach, the myoelectric signals used to execute movement in a natural limb produce intrinsically different results in a prosthetic limb, and require user training. This essay presents an experiment demonstrating the feasibility of an active prosthetics system which responds in a manner more akin to a natural limb, converting myoelectric signal intensity into torque values at the joint. A system which executes this interface was developed using a DC motor as an analogy for a prosthetic joint and acquiring muscular signals through electromyography. The conversion of such signals into a reference signal was achieved through a second order digital Butterworth filter, and a PI controller was designed for the armature current of the DC motor. After the development of this system, tests were conducted by col-lecting biceps signals. Through the obtained results, the plausibility of using myoelectric signals for controlling torque at the joint was verified, however the approaches used in the development of the controller and in the correspondence between the intensity of muscular twitches and the myoelectric signal did not yield satisfactory results. The performance achieved can be refined with the inclusion of the mechanical dynamics effects in the controller design, the usage of the myoelectric signals frequency characteristics to identify the intensity of the twitches and the testing of more complex algorithms in the acquisition of the armature current reference from the original signal.