Joelho magneto-reológico para próteses transfemurais: prototipagem digital, fabricação e identificação experimental

• Autor(a) principal: Rafhael Milanezi de Andrade
• Data de Publicação: 2018
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AZ2MNM
• topic: Joelho; Fluido Magneto-Reológico; Biomecânica; Prótese Transfemural; Biomecânica; Prótese; Bioengenharia; Joelhos; Engenharia mecânica

O movimento executado pelo joelho é fundamental para reproduzir a marcha adequada em próteses transfemorais e permitir maior grau de mobilidade do indivíduo amputado. O desenvolvimento de joelhos protéticos tem sido extensivamente estudado nas últimas décadas. De uma forma geral, esses atuadores podem ser divididos em três grandes grupos: passivo, semiativo e ativo. Nos joelhos passivos e semiativos o indivíduo compensa a falta de torque ativo com movimentos adicionais do quadril e do tronco. Próteses passivas, por exemplo, não reproduzem a marcha adequadamente, determinando um gasto de até 60% mais energia metabólica. Apesar dos avanços e pesquisas em tecnologia assistiva e das desvantagens dos atuadores semiativos e passivos, as próteses de joelhos ativas desenvolvidas ainda apresentam algumas limitações, tais como peso, torque ativo e resistivo baixos e gasto energético inadequados. Esta tese de doutorado propõe o desenvolvimento de um joelho magneto-reológico (MR) ativo para próteses transfemurais. Os fluidos MR são materiais inteligentes que podem ter suas propriedades controladas pela indução de um campo magnético. Tais materiais têm sido utilizados no desenvolvimento de dispositivos, como amortecedores de suspensões veiculares, válvulas e próteses, por apresentarem baixo consumo de energia e alto torque/força resistivo em relação ao peso. O Joelho MR é composto por uma unidade motora (motor EC 60 flat, redutor harmônico CSG-14-100-2a e acoplamento MR) montada em paralelo a um freio MR, podendo funcionar como motor, embreagem e freio. Esta configuração foi concebida para que o controle do dispositivo durante a marcha possa ser feito independentemente pela unidade motora ou pelo freio MR, aproveitando o melhor de cada subsistema. Inicialmente foi elaborado o projeto do acoplamento e freio MR. O projeto foi otimizado usando um algoritmo PSO (particle swarm optimization), visando à redução do peso e do consumo de energia. Em seguida foi desenvolvido o protótipo digital do Joelho MR. As propriedades do protótipo, dimensões, massa e inércia, foram usadas para construir o modelo dinâmico para simulações e implementação de um controlador. Após as análises, o Joelho MR foi fabricado conforme o protótipo digital e testado em uma bancada experimental. Foi levantado o modelo dinâmico experimental dos subsistemas e desenvolvido um controle preliminar de torque. Os resultados indicam que o Joelho MR é promissor para as aplicações propostas, as quais requerem múltiplas funções, tamanho compacto, baixos peso e consumo de energia e rápido tempo de resposta