Biomechanical analysis of slip-like perturbations for target specifications definition towards a fall preventing wearable device

Abstract

De acordo com a OMS, um total de 684 000 quedas fatais ocorrem todos os anos, fazendo deste evento a segunda causa mais frequente de morte, por lesão. De entre as possíveis causas de uma queda, as quedas por escorregamento evidenciam-se. De forma a limitar a sua incidência, surge a necessidade do desenvolvimento de soluções tecnológicas orientadas especificamente para esta problemática. Estas devem ser capazes de prever, detetar e responder a uma situação iminente de queda. A presente dissertação procurou identificar as especificações alvo para o desenvolvimento de um dispositivo robótico wearable através da análise de dados experimentais, onde os indivíduos foram induzidos a escorregar, em laboratório. A análise dos dados recolhidos permitiu uma compreensão da globalidade da resposta biomecânica humana da perna perturbada bem como da perna não perturbada. Neste estudo foram consideradas diversas variáveis externas nomeadamente a velocidade da marcha, o pé (esquerdo ou direito) que foi perturbado, a inclinação da superfície e a intensidade da perturbação. Variáveis cinemáticas, cinéticas, espaço temporais e EMG foram analisadas de forma a proceder-se a uma investigação completa da resposta biomecânica. A partir desta análise foram definidos torques, RoM, rpm e tempos de atuação e deteção para o dispositivo a desenvolver. A resposta biomecânica da anca, joelho e tornozelos da perna perturbada foi caracterizada, respetivamente, por momentos extensores, fletores e de flexão plantar. Por sua vez, a resposta biomecânica da perna não perturbada foi caracterizada por flexão da anca, extensão do joelho e flexão plantar do tornozelo. Estas respostas foram influenciadas pela velocidade da marcha, inclinação da superfície e intensidade da perturbação. As especificações alvo determinadas relativas ao RoM foram de 85.90°, 106.34°, e 95.23°, respetivamente, para a anca, joelho e tornozelo. Relativamente aos rpm, foram definidas as gamas de [17.85 - 51.10] para a anca, [21.73 - 63.80] para o joelho e [17.52 - 57.14] para o tornozelo. Por fim, os valores de torque definidos foram de [-3.05 a 3.22], [-1.70 a 2.34] e [-2.21 a 0.90] em Nm/kg, respetivamente para as articulações da anca, joelho e tornozelo.

According to WHO, 684 000 fatal falls occur every year, making them the second leading cause of death by injury. Slip is the most common cause of a fall among the many possible reasons. As a result, because it is critical to limit the occurrence of these incidents, there is a need to focus on the development of purpose-oriented technological solutions capable of predicting, detecting, and responding to an imminent fall situation. The current dissertation sought to identify the target specifications for the development of a wearable robotic system for slip-like fall prevention based on the analysis of experimental data in which individuals were asked to handle induced slip-like perturbations. The statistical analysis of experimental data allowed a full understanding of the natural human biomechanical response to slip perturbations of both perturbed and unperturbed legs. The research considered a wide variety of external characteristics such as gait speed, perturbed foot, surface inclination, and perturbation intensity. Kinematic, kinetic, spatiotemporal, and EMG data were analysed to complete the investigation of this natural reaction. Based on the experimental data analysis, torques, RoM, rpm, detection and actuation times were established. The biomechanical response to slip-like perturbations by the hips, knees, and ankles' of the perturbed limb were defined by extension, flexion, and plantarflexion moments, respectively. Biomechanical response in the unperturbed limb was characterised by hip flexion, knee extension, and ankle plantarflexion. These responses were also affected by gait speed, surface inclination, and perturbation intensity. The RoM goal parameters for hips, knees, and ankle joints were 85.19°, 106.34°, and 95.23°, respectively. For the hip, knee, and ankle joints, rpm values of [17.85 - 51.10], [21.73 - 63.80], and [17.52 - 57.14] were found, respectively. Finally, for the hip, knee, and ankle joints, flexion/extension torque values of [-3.05 to 3.22], [- 1.70 to 2.34], and [-2.21 to 0.90] in Nm/kg were estimated.