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http://hdl.handle.net/1843/83153
Type: | Dissertação |
Title: | Projeto de freio magneto reológico otimizado para aplicação em órtese híbrida de membro superior |
Authors: | Arthur Torres Caetano |
First Advisor: | Claysson Bruno Santos Vimieiro |
First Referee: | Jánes Landre Júnior |
Second Referee: | Rafhael Milanezi de Andrade |
Abstract: | Este trabalho apresenta o projeto e a otimização de um freio magneto reológico (FMR) aplicado em uma órtese híbrida de membro superior voltada à reabilitação de pacientes pós acidente vascular encefálico (AVE), que frequentemente são acometidos por sequelas motoras nos membros superiores. A reabilitação destes indivíduos geralmente envolve uso de órteses associadas a técnicas terapêuticas. Dentre elas, destaca-se a robótica, que incorpora mecanismos à órtese com o para melhorar a mobilidade membro afetado. Neste contexto, propõe-se o projeto de um FMR otimizado, integrado a uma órtese híbrida de membro superior, que possui atuação muscular via estimulação elétrica funcional (FES). O FMR atua na dissipação de energia durante a extensão do cotovelo e na imobilização do antebraço quando necessário. Para obter os torques atuantes no movimento do cotovelo, desenvolveram-se modelos biomecânicos estático e dinâmico, considerando a massa do antebraço, da mão, da órtese com o FMR e de um objeto de 0,5 kg preso à mão. Obteve-se como resultado torque estático de 5,6 Nm e dinâmico de 9,96 Nm. A otimização do FMR, baseada em algoritmo genético, visou minimizar a massa e potência dissipada. O projeto do FMR foi parametrizado por 5 variáveis - 3 geométricas e 2 magnéticas. As principais restrições de projeto foram: massa máxima de 0,5 kg, potência dissipada de até 15 W e torque de frenagem superior ao do modelo biomecânico dinâmico. Como resultado, obteve-se um FMR que fornece um torque de frenagem de até 11,08 Nm, massa de 0,453 kg e potência dissipada de 2,2 W. A validação do projeto foi realizada por análises pelo método elementos finitos (FEM) - magnéticas, térmicas, estruturais e mecânicas, por análises estáticas na posição de maior torque. A análise magnética indicou ausência de saturação nos componentes do FMR, com densidades de campo magnético (B) máximas de 1,64 T em peças de AISI 1030 e 0,54T no fluido magneto reológico (MR). A análise térmica apresentou temperatura máxima de 26,7ºC, segura para a operação do fluido MR e também para o usuário. Na análise estrutural verificaram-se tensões de 21,75 MPa na haste inferior da órtese e de 11,46 MPa nos discos de freio, indicando que a estrutura da órtese e os discos são capazes de suportar os esforços máximos esforços impostos. Assim, os resultados confirmam a viabilidade e a eficácia do FMR para uso na órtese de membro superior, oferecendo uma solução mais leve, compacta, e energeticamente eficiente em comparação com atuadores convencionais, e que pode contribuir para a melhora da reabilitação em indivíduos pós-AVE. |
Abstract: | This study presents the design and optimization of a magnetorheological brake (MRB) applied to a hybrid upper limb orthosis aimed at the rehabilitation of post-stroke patients, who are frequently affected by motor impairments in the upper limbs. The rehabilitation of these individuals generally involves the use of orthoses combined with therapeutic techniques. Among them, robotic therapy stands out, incorporating mechanisms into the orthosis to improve the mobility of the affected limb. In this context, an optimized MRB is proposed, integrated into a hybrid upper limb orthosis with muscular actuation via functional electrical stimulation (FES). The MRB is responsible for dissipating energy during elbow extension and immobilizing the forearm when necessary. To determine the torques involved in elbow movement, static and dynamic biomechanical models were developed, considering the mass of the forearm, hand, the orthosis with the MRB, and a 0.5 kg object held by the user. The resulting torques were 5.6 Nm (static) and 9.96 Nm (dynamic). The MRB optimization, based on a genetic algorithm, aimed to minimize both mass and dissipated power. The MRB design was parameterized using five variables - three geometric and two magnetic. The main design constraints included a maximum mass of 0.5 kg, maximum power dissipation of 15 W, and a braking torque greater than that required by the dynamic biomechanical model. As a result, an MRB capable of delivering up to 11.08 Nm of braking torque was achieved, with a mass of 0.453 kg and power dissipation of 2.2 W. Design validation was performed through finite element method (FEM) analyses - magnetic, thermal, structural, and mechanical — conducted under the condition of maximum torque. Magnetic analysis showed no saturation in the MRB components, with maximum magnetic flux densities (B) of 1.64 T in AISI 1030 steel parts and 0.54 T in the magnetorheological (MR) fluid. Thermal analysis showed a maximum temperature of 26.7°C, safe for MR fluid operation and user contact. Structural analysis revealed stresses of 21.75 MPa in the lower rod of the orthosis and 11.46 MPa in the brake discs, indicating that both the orthosis and the break discs withstand the maximum imposed loads. These results confirm the feasibility and effectiveness of the MRB for use in upper limb orthoses, offering a lighter, more compact, and energy-efficient solution compared to conventional actuators, with the potential to enhance rehabilitation outcomes in post-stroke patients. |
Subject: | Engenharia mecânica Acidentes vasculares cerebrais Órtese Magneto Reologia Membros superiores |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica |
Rights: | Acesso Aberto |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/83153 |
Issue Date: | 25-Feb-2025 |
Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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