Modelagem e simulação da propulsão de cadeiras de rodas manuais

Abstract

A inclusão social e profissional de pessoas portadoras de necessidades especiais tem sido foco crescente de atenção. O tema acessibilidade ganha destaque na sociedade na medida em que as pessoas precisam de uma maior independência e autonomia na execução das tarefas cotidianas, necessitando de facilidade de acesso, de transporte e fazendo o uso de diversos equipamentos que as auxiliam. Entre esses equipamentos, as cadeiras de rodas são utilizadas por milhões de pessoas ao redor do mundo, seja permanente ou esporadicamente, para deslocamento de indivíduos que têm a mobilidade de seus membros inferiores reduzida ou totalmente incapacitada. Porém, a locomoção com cadeiras de rodas manuais é considerada de baixa eficiência, principalmente devido a aspectos biomecânicos desfavoráveis durante a propulsão. Devido às suas características ergonômicas, isto é, o posicionamento do usuário em relação à cadeira e a forma de propulsão em cadeiras de rodas manuais tradicionais exige esforço muscular elevado e impõe carregamentos excessivos às estruturas articulares dos membros superiores, particularmente a do ombro, levando a lesões e dores nos membros superiores e na coluna da maioria dos cadeirantes. Estudos experimentais e, em menor proporção, investigações computacionais têm contribuído para a compreensão dos fenômenos e esforços que ocorrem durante a propulsão. Estes estudos tem permitido a formulação de recomendações para os ajustes de cadeiras de rodas, o desenvolvimento de novos tipos de equipamentos e a sugestão de novas técnicas de propulsão. Este trabalho propõe um modelo do sistema cadeira de rodas-cadeirante durante o fase de propulsão que integra modelos mecânicos da cadeira de rodas e do sistema esquelético do membro superior e um modelo complexo do sistema musculoesquelético do membro superior extraído do programa aberto OpenSim.. O modelo permite a determinação das ativações e forças musculares durante a fase de propulsão para diferentes parâmetros de ajuste da cadeira de rodas, inclinações do pavimento e forças resistivas a partir da prescrição de uma velocidade constante da cadeira de rodas. As ativações musculares são determinadas resolvendo-se um problema de otimização estática. Dois estudos foram realizados utilizando o modelo e a abordagem propostos. No primeiro estudo, realizou-se uma investigação da influência do posicionamento relativo entre ombro e roda traseira no esforço de propulsão. Os resultados indicam que um posicionamento do ombro mais inferior e anterior à roda traseira da cadeira é mais favorável do ponto de vista puramente biomecânico quando comparado ao posicionamento típico utilizado em cadeiras de rodas manuais. No segundo estudo, investigou-se a influência da velocidade da cadeira no esforço de propulsão. Os resultados mostram que as forças inerciais associadas à aceleração dos braços têm uma influência negativa importante sobre o esforço, mais importante ainda que a influência deletéria da relação força-velocidade dos músculos.

The social and professional inclusion of people with disabilities has been the focus of much attention in the past decades. Accessibility becomes more and more important in society as people need greater independence and autonomy in carrying out daily tasks, requiring ease of access, transport and making use of different assistive devices. Among these devices, the wheelchairs are used by millions of people around the world, whether on a permanent or on an occasional basis, to provide displacement of individuals who have the mobility of the lower limbs reduced or totally disabled. However, wheelchair locomotion is considered inefficient. The positioning of the user with respect to the propulsion rims and the propulsion patterns in manual wheelchairs require great effort in the propulsion phase of the cycle and impose heavy loads to the upper extremity joints, particularly the shoulder joint, leading to a large incidence of pain and injuries among wheelchair users. Experimental as well as computational studies have been providing insights into the loads imposed to the upper limbs and the phenomena occurring during propulsion. These studies have, for instance, contributed to the development of guidelines for wheelchair adjusting and to the proposal of alternative designs and propulsion strategies. The current dissertation proposes a model of the wheelchair-user system in the propulsion phase of the cycle that integrates a mechanical model of the wheelchair, a skeletal system model of the upper limbs and a complex model of the musculoskeletal system extracted from the open-source software OpenSim, which is widely used by the biomechanics community. The model permits the determination of muscle activations and forces during the propulsion phase for different propulsion scenarios, including different slope angles, rolling resistance forces and wheelchair parameters for a given, constant wheelchair speed. The muscle activations are determined by solving a static optimization problem. The proposed model and approach are used in two studies. The first study investigated the influence of the relative position of shoulder and rear wheel on the propulsion effort in a quasi-static condition. The results indicate a lower and more anterior position of the shoulder with respect to the propulsion rim is more favorable biomechanically than the usual adjustment. The second study investigated the influence of wheelchair speed on the propulsion effort. The results show that the inertial forces associated to the arm accelerations at moderate velocities have an important negative effect on the propulsion effort, an influence which is even more deleterious than the reduction in muscle capacity due to the force-velocity relationship.