Development of an Optical Force Sensor: A Novel Approach for Monitoring Physical Interaction in Robotic Walkers
Nome: DANIEL EDUARDO GARCIA ALVAREZ
Data de publicação: 20/02/2026
Banca:
Nome |
Papel |
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| ANSELMO FRIZERA NETO | Coorientador |
| CAMILO ARTURO RODRIGUEZ DIAZ | Presidente |
| EDUARDO ROCON DE LIMA | Examinador Externo |
| MARCELA CRISTINA MUNERA RAMÍREZ | Coorientador |
| MARIANA LYRA SILVEIRA | Examinador Interno |
Resumo: Nos últimos anos, alterações demográficas, o envelhecimento da população e o aumento da prevalência de doenças neurológicas e musculoesqueléticas têm contribuído para o crescimento do número de pessoas com limitações de mobilidade. Como consequência, as tecnologias de assistência à marcha tornaram-se um importante foco de pesquisa, com os andadores inteligentes (smart walkers– SWs) surgindo como uma solução promissora para oferecer suporte físico, cognitivo e sensorial durante a reabilitação e as atividades da vida diária. Um requisito fundamental desses dispositivos é a estimativa precisa das forças de interação entre o usuário e o andador, já que constituem o principal canal de comunicação para a detecção de intenção, assistência adaptativa e análise da marcha. As tecnologias convencionais de medição de força comumente utilizadas em SWs, como células de carga, sensores resistivos de força e sensores multiaxiais de alta resolução, apresentam diversas limitações, incluindo fragilidade mecânica, sensibilidade a desalinhamentos, integração complexa e altos custos de produção. Essas limitações dificultam sua escalabilidade e o uso prolongado em cenários reais. Para enfrentar esses desafios, este trabalho propõe o desenvolvimento e validação de um sensor óptico de força baseado no princípio de sensoriamento por guia de onda. O sensor integra emissores de luz e fotodiodos incorporados em uma camada de silicone, na qual deformações da superfície causadas pelo contato modulam a propagação interna da luz. O sistema de sensoriamento proposto foi caracterizado experimentalmente por meio de ensaios controlados de indentação e validado utilizando uma célula de carga de referência. Além disso, uma rede neural feedforward foi empregada para modelar a relação não linear entre os sinais ópticos e a força aplicada. Diferentes configurações do sensor foram avaliadas para analisar a influência do material de encapsulamento e do comprimento de onda da iluminação no desempenho do sensor. A solução proposta também foi comparada diretamente com um sistema comercial de sensoriamento distribuído de força sob condições equivalentes de carregamento. Por fim, o sensor óptico foi integrado a um andador assistivo social e avaliado durante tarefas de seguimento de trajetória com participantes saudáveis. Os resultados experimentais demonstram que a abordagem de sensoriamento proposta é capaz de estimar com precisão as forças de interação entre o usuário e o andador. De modo geral, esta dissertação demonstra a viabilidade de sensores ópticos baseados em guias de onda, combinados com modelos orientados por dados, como uma abordagem robusta e escalável para a estimativa de forças em SWs, permitindo o monitoramento confiável da interação física entre usuário e dispositivo.
