Joelho magneto-reológico para próteses transfemurais: prototipagem digital, fabricação e identificação experimental
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Eduardo Jose Lima II
Meinhard Sesselmann
Daniel Neves Rocha
Luciano Luporini Menegaldo
Meinhard Sesselmann
Daniel Neves Rocha
Luciano Luporini Menegaldo
Resumo
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
Abstract
The movement performed by the knee is essential to reproduce the proper gait in transfemoral prostheses and to allow greater mobility of the amputee. The development of knee prostheses has been extensively studied in the last few decades. In general, knee actuators can be divided into three major groups: Passive, semi-active and active. In passive and semi-active knees, the amputee compensates the lack of active torque with additional hip and trunk movements. Passive prostheses, for example, do not reproduce gait pattern properly, determining an expense of 60% more metabolic energy. Despite advances and research in assistive technology and disadvantages of the semi-active and passive actuators, developed active knees still have some limitations, such as weight, low active and resistive torque and high energy consumption. This doctoral thesis proposes the development of an active magnetorheological (MR) knee for transfemoral prostheses. MR fluids are smart materials which can have their properties controlled by an induced magnetic field. MR fluids have been used in devices development such as shock absorbers for vehicle suspensions, valves, and prostheses, for they present low power consumption and high torque to weight ratio. The MR Knee consists of a motor unit (EC 60 motor, CSG-14-100-2a harmonic drive, and MR clutch) in parallel with a MR brake, so it can works as motor, clutch, or brake. During the gait the control of the knee can be done independently by the motor unit or by the MR brake, taking the best of each subsystem. Initially, the MR clutch and brake design was developed. The design was optimized using a PSO (particle swarm optimization) algorithm, aiming to reduce their weight and energy consumption. Then the digital prototype of the MR Knee was developed. The prototype properties (dimensions, mass and inertia) were used to build the dynamic model for simulations and implementation of a controller. After analyzes, the MR Knee was fabricated according to the digital prototype and tested on a test bench. The experimental dynamic model of the subsystems was measured and a preliminary torque control was developed. The results show that the MR Knee is promising for the proposed applications, which require multiple functions with compact size, low weight, low energy consumption and quick response time
Assunto
Biomecânica, Prótese, Bioengenharia, Joelhos, Engenharia mecânica
Palavras-chave
Joelho, Fluido Magneto-Reológico, Biomecânica, Prótese Transfemural