Eletroestimulador funcional de oito canais com malha de realimentação utilizando Controlador Digital

Abstract

Foi desenvolvido um Eletroestimulador Funcional Microcontrolado para geração de movimentos nos membros inferiores de paraplégicos, visando acelerar o processo de reabilitação. O estimulador neuromuscular é constituído por oito canais microcontrolados, com formas de onda de corrente bifásica, retangular e carga balanceada, com capacidade para fornecer correntes com amplitude de até 140 mA, utilizando modulação por largura de pulso (PWM). Foi implementado um controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) embarcado para uso com o eletroestimulador, sendo possível determinar a energia a ser aplicada ao membro estimulado, de forma a mantê-lo em uma posição pré-estabelecida. O projeto desse controlador se baseou em um modelo matemático linear de segunda ordem, que representa o comportamento da força muscular devido a um estímulo elétrico. Para validação e teste do funcionamento do sistema, funções matemáticas que descrevem o comportamento fisiológico do membro inferior foram representadas por circuitos eletrônicos. Desta forma, neste projeto foi possível integrar o controlador, o estimulador e o modelo fisiológico do músculo, observando-se a resposta temporal durante a eletroestimulação, descartando, inicialmente, a realização de testes com pessoas, visando preservar a integridade física dos voluntários. Após a verificação do bom funcionamento do equipamento, realizou-se testes com voluntários aplicando o controle em malha fechada

A Microcontrolled Functional Electrical Stimulation (FES) system was developed for generating movements in the lower limbs of paraplegics in order to accelerate their rehabilitation process. The neuromuscular stimulator consists of eight channels, microcontrolled, rectangular, biphasic current waveform, balanced load, with the ability to deliver current with amplitude of 140 mA using pulse width modulation (PWM). A PID controller was implemented for using with the microcontrolled stimulator, and the energy to be applied to the stimulated member can be determined in order to keep the leg in a pre-determined position. The design of this controller was based on a linear second order mathematical model, which describes the behavior of a muscle strength due to an electrical stimulus. For validation and testing the microcontrolled electrical stimulator system, mathematical functions that represent the physiological behavior of the lower limbs were represented by electronic circuits. Thus, this project integrates the controller, the stimulator and the muscle model, observing the time response during electrical stimulation, avoiding testing it with patients and preserving the physical integrity of the volunteers. After verifying the proper operation of the equipment, tests with volunteers were carried out applying closed loop control