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Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

PROJETO CADEIRA DE RODAS PARA CÃES

Juliana Gomes de Aguiar, [email protected], Gabriel Vieira Soares, [email protected]¹, Lincoln Reis Rezende, [email protected], Pollyanna

Pedrosa Loschi, [email protected]!, Ricardo Jose Ramos Spencer Lopes, [email protected], Prof. D.Sc. Jorge Nei Brito, [email protected].

1UFSJ - Universidade Federal de São João del Rei, Praça Frei Orlando, 170, Centro. São João del Rei –MG; Departamento de

Engenharia Mecânica

RESUMO: O objetivo do presente trabalho foi estudar as dificuldades e necessidades pertinentes aos cães com deficiência nos membros posteriores, assim como a cadela Fofinha. Os cães nessa situação se tornam deprimidos, dependentes e, muitas vezes, agressivos. Sendo assim, esta pesquisa teve como foco principal a construção de uma cadeira de rodas leve e que permitiria a cadela uma locomoção mais segura, confortável e facilitada. Para que se conseguisse essas características foram consideradas uma série de variáveis de engenharia, como: momento de inércia, tensões atuantes, massa específica de materiais compostos, propriedades dos materiais, entre outras. O gerenciamento do projeto e a simulação dessa estrutura foram feitos através dos softwares MS Project 2000 e HyperMesh, respectivamente. Foi possível verificar que o material composto de fibra de vidro forneceu grande resistência ao impacto por um preço razoável. E ainda, pelo fato de o vidro ser um material fluido, ele permite uma melhor adaptação às cargas dinâmicas. Além disso, a roda com diâmetro relativamente grande, vazada e de material plástico conferiu maior estabilidade e leveza a cadeira de rodas. PALAVRAS-CHAVE: Cadeira de Rodas, Cães com Deficiência, Fibra de Vidro.

PROJECT WHEELCHAIR FOR DOGS

ABSTRACT: The aim of this work was to study the difficulties and needs relevant to dogs with disabilities in the hind limbs, as well as the dog Fluffy. The dogs in this situation become depressed, dependent and often aggressive. Thus, this research has mainly focused on building a lightweight wheelchair and allow the dog locomotion safer, comfortable and easier. For these characteristics that could have been considered a number of variables engineering, such as inertia moment, auantes tension, density composite materials, material properties, among others. The management of the design and simulation of this structure were made through the software MS Project 2000 and HyperMesh, respectively. It was possible to verify that the composite fiberglass provide impact resistance for a reasonable price. And yet, because the glass is a fluid material, it allows a better adaptation to dynamic loads. Moreover, the relatively large diameter wheel, cast and plastic and light stability conferred the wheelchair. KEYWORDS: Wheelchair Dogs with Disabilities, Fiberglass

XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA, 23 a 26 de Setembro de 2014

Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã

Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 2

1. INTRODUÇÃO No Brasil, os cães representam, hoje, os animais mais comumente encontrados e estimados pelas

famílias brasileiras. Segundo a Abinpet (Associação Brasileira da Indústria de Produtos para

Animais de Estimação), eles somam aproximadamente 35,7 milhões. Este fato é explicado pela

afeição e companhia que este animal é para o homem. Em toda a história, não há registro de uma

relação tão duradoura e forte entre espécies distintas, como a de um humano e um cão. Porém,

alguns desses animais se tornam mais dependentes dos seus donos dos que outros devido a alguma

deficiência motora que venham a possuir. Esse problema, além de comprometer a locomoção,

geralmente limita suas atividades normais e causa ansiedade e estresse no animal. É necessário se

atentar ainda ao uso indiscriminado dos membros torácicos que pode causar sobrecarga muscular.

Segundo DIEHL (1998), a deficiência motora pode ser caracterizada como um

comprometimento físico que restringe nos mais diversos níveis de amplitude e localização, os

movimentos de um indivíduo. Tal comprometimento pode ser consequência de fatores traumáticos,

fisiológicos ou genéticos. Para Bartenieff (1990), a locomoção compreende o deslocamento da área

espacial do corpo para o espaço geral do ambiente. Conforme Hodgson e Preston-Dunlop (1990),

no ser humano essa locomoção depende de forma mais acentuada dos membros inferiores, que

servem para transferir o peso, girar, andar, entre outros movimentos. Através dos membros

superiores o ser humano pode tocar, prender e soltar. Já para os cães, apenas a deficiência nos

membros pélvicos já é o suficiente para limitar de forma considerável os seus movimentos.

A lesão na medula espinhal em cães pode ser consequência de fraturas patológicas,

anormalidades congênitas, traumas automobilísticos, quedas e lesões provocadas por outros animais

ou objetos, segundo Shores (1990). Os membros pélvicos são, aproximadamente, duas vezes mais

expostos a fratura dos que os membros torácicos de acordo com Wenkel (2001).

O animal que será objeto desse estudo foi localizado através da Sociedade Protetora dos

Animais SJDR. Trata-se de uma cadela de quatro anos que atende pelo nome de Fofinha. Ela sofreu

uma queda de aproximadamente 3 metros, entre a varanda da sua casa e a calçada, passando a

possuir tal limitação. Um dos recursos que pode facilitar a locomoção da cadela é um aparelho

fisioterápico com rodas ou como popularmente conhecida a cadeirinha de rodas. Com o movimento

dos membros torácicos normalizado, as rodinhas da cadeira deslizariam juntamente com aqueles,

permitindo a locomoção do animal.

Procuraremos desenvolver a cadeira com material leve, barato e de difícil oxidação. Os

materiais constituídos por polímeros reforçados com fibras vêm ganhando grande destaque na

engenharia estrutural. As fibras de carbono destacam-se por sua baixa massa específica e suas

extraordinárias propriedades mecânicas, como resistência a tração e módulo de elasticidade em

temperaturas que superam 2000°C em atmosferas não oxidantes. Porém, a fibra de vidro oferece

melhor relação custo-benefício.





Um material composto é formado pela união de dois materiais de naturezas diferentes,

resultando em um material de performace superior àquela de seus componentes tomados

separadamente. O material resultante é um arranjo de fibras, contínuas ou não, de um material

resistente (reforço) que são impregnados em uma matriz de resistência mecânica inferior as fibras.

Um exemplo clássico é a fibra de vidro.

A resistência das fibras de vidro de pequeno diâmetro é combinada com a ductilidade da matriz

polimérica. As composições das fibras de vidro são variadas e pelo fato de o vidro ser um material

fluido, ele permite uma melhor adaptação às cargas dinâmicas. A fibra de vidro apresenta ainda

uma alta resistência ao impacto e à corrosão.

Os tipos mais comuns de fibras são: de vidro, de aramida (kevlar), carbono, boro etc. As fibras

podem ser definidas quanto à composição de sua orientação, podendo ser: unidirecionais,

bidimensionais e tridimensionais.

Enfatizando as propriedades da fibra que será utilizada na construção da cadeira de rodas para a

cadela Fofinha, a fibra de vidro é um exemplo clássico de compósito moderno. A composição de

fibra de vidro mais utilizada é o vidro-E, em que “E” significa tipo elétrico. O baixo conteúdo de

sódio do vidro-E é responsável por sua condutividade elétrica especialmente baixa e sua

atratividade como dielétrico. Sua popularidade nos compósitos estruturais está relacionada também

à durabilidade química da composição do borossilicato. Além disso, como uma fibra, ele é

relativamente resistente e, quando incorporado em uma matriz de plástico, produz um compósito

que possui uma resistência específica muito alta.

2. JUSTIFICATIVA

Os cães que possuem algum tipo de deficiência motora estão sujeitos a possíveis complicações

psicológicas e traumáticas. Assim, como o animal alvo desse estudo, esses cães se tornam mais

agressivos. Um animal com essa limitação geralmente é mais estressado, porque se encontra

desapropriado da sua autonomia de locomoção. Torna-se deprimido e altamente dependente. Os

raros movimentos de pequena amplitude podem causar lesões e ferimentos devido ao contato da

pele do cão com o solo ou qualquer outra superfície porosa. A criação desses animais se torna mais

complicada para os donos, que devem estar atentos desde as mínimas vontades do animal até ao

momento de suas necessidades fisiológicas. Esses animais possuem menor expectativa de vida e

geralmente são menos procurados para adoção do que cães que não possuem deficiência motora

alguma.

A lesão medular pode causar incapacidade permanente e seu tratamento ainda é um desafio

tanto para a medicina humana como para a veterinária. Além de os neurônios do sistema nervoso

central não terem capacidade de regeneração, não há consenso sobre um tratamento ideal.





O uso de um aparelho fisioterápico, com rodas, leve e seguro, permitiria ao cão maior

autonomia e a garantia de uma qualidade de vida muito melhor. As lesões seriam reduzidas, pois o

contato solo-pele gerador do problema estaria extinto. A possibilidade de exercer atividades comuns

como andar, correr e brincar permitiria ao animal uma vida quase normal, dependendo menos do

seu dono e melhorando sua autoestima.

O interesse nos materiais compostos está ligado a dois fatores: econômico e performace. O fator

econômico vem do fato de o material composto ser muito mais leve que os materiais metálicos. A

redução na massa total do produto pode chegar a 30 % ou mais, em função da aplicação dada ao

material composto. O custo de fabricação de algumas peças em material composto pode ser também

sensivelmente menor se comparado com os materiais metálicos. O fator performace está ligado ao

desempenho de componentes estruturais, sobretudo no que diz respeito às características mecânicas

(resistência a ruptura, resistência à ambientes agressivos etc.).

Na Fig. (1) tem-se o gráfico de Tensão x Deformação para diversos laminados com 40% de teor

de fibra, comparados com o alumínio e o aço. O caráter anisotrópico dos materiais compostos é o

fator primordial para a obtenção das propriedades mecânicas requeridas pelo componente.

FIGURA 1. Comparação de Resistência à Tração de Laminados com 40% em peso de fibra.

A leveza juntamente com as excelentes características mecânicas faz com que os materiais

compostos sejam cada vez mais utilizados dentro de atividades esportivas, por exemplo.

Nas tabelas (1) e (2), podem-se ter as propriedades físicas de matrizes e reforços mais utilizados.





TABELA 1. Propriedades físicas das fibras.

TABELA2. Propriedades físicas de matrizes.

3. METODOLOGIA E PROCEDIMENTOS Será feita uma visita à casa do dono do cão, o que irá viabilizar não só a aquisição de dados,

como uma melhor visão do caso. Dessa forma, recolheremos as medidas do cão, o peso, o nome e a

idade, a causa do seu traumatismo e ainda, suas maiores dificuldades e limitações no dia-dia. Será

questionado se a paralisia é parcial ou total e como são os movimentos nos membros pélvicos do

cão. Para essa aquisição contaremos com uma fita métrica, uma régua rígida, luvas descartáveis e

uma balança. Todos os momentos de aquisição de dados serão registrados por uma câmera

fotográfica.

Será realizado o Teste da Toalha. Esse teste é um método relativamente simples que permite

constatar se o animal possui força nos membros torácicos ou não, pois o simples fato do animal se

arrastar não significa que ele tem “mãos” fortes. O animal será suportado pelo abdômen com uma

toalha levantando seu posterior, nivelando, dessa forma, a coluna. Será avaliado se o animal andará





ou se ainda sim se manterá imobilizado. A importância desse teste está no fato de que é necessário

que o animal possua certa força nesses membros para não sobrecarregá-los durante o uso da

cadeirinha.





3.1. Gerenciamento do projeto

Para garantir organização e um gerenciamento seguro, será usado durante todo o projeto o

software MS Project 2000. Ele se baseia no modelo Diagrama de Rede – ou diagrama de

precedências – e as tarefas poderão ser criadas na forma de blocos interligados, formando uma rede.

O acompanhamento do projeto no software possibilitará programar de forma mais disciplinada as

tarefas que deverão ser realizadas, e ainda, usar tabelas no processo de entrada de dados. A cor de

cada seta indicará o status de cada tarefa no devido momento, como mostram as Figuras (2), (3) e

(4).

FIGURA 2. Descrição das tarefas através do MS Project 2000.





FIGURA 3. Representação dos status das tarefas através do MS Project 2000.

FIGURA 4. Representação dos status das tarefas através do MS Project 2000.





3.2. Simulação da estrutura

A projeção do produto final será obtida a partir do SolidWorks que é um software de CAD

(computer-aided design). Este software permitirá a criação, simulação e o gerenciamento dos dados

adquiridos nas visitas técnicas e nas demais pesquisas relacionadas. Através do software será

possível dimensionar, não só a cadela, como o produto de acordo com os propósitos do projeto e

obter um melhor panorama de como se daria o seu funcionamento, como mostra a Fig. (5).

FIGURA 5. Projeção da cadeira através do SolidWorks.

Quanto à estrutura e às cargas às quais ela se encontra submetida será realizada uma análise de

tensões e possíveis deflexões. Para isso será considerado não só as dimensões da estrutura, como

também o Módulo de Elasticidade ‘E’ e o peso específico p. Para esse cálculo será usado um

simulador de alto desempenho de elementos finitos, o Altair Hypermesh, disponível na

Universidade Federal de São João del Rei. Essa simulação esta demonstrada nas Figuras (6) e (7).

FIGURA 6. Simulação da vista lateral da cadeirinha através do programa HyperMesh.





FIGURA 7. Simulação da vista superior da cadeirinha através do programa HyperMesh.

Além disso, serão analisados alguns mecanismos de absolvição de impacto.

3.3. Memória de Cálculo

A escolha do material para a fabricação da cadeira é fundamental. Com isso, analisando os

materiais que poderiam atender as necessidades para a fabricação da cadeira, levando em

consideração o tamanho e peso da cadela, optamos pelo material compósito (Fibra de vidro).

Considerando os dados das tabelas 1 e 2 têm-se:

3.3.1. Módulo de Elasticidade

Ef = 74 Gpa

Em = 4,5 Gpa

3.3.2. Densidade (massa volumétrica)

Ρf = 2,6 g/cm³

Ρm = 1,2 g/cm³

3.3.3. Coeficiente Poisson

νEF = 0,25

3.3.4. Tensão de ruptura à tração σr = 2500 Mpa Com essas propriedades físicas da fibra e da matriz, podemos obter as características da mistura

reforço-matriz, atentando para as porcentagens volumétricas de cada material (Vf = 70% e Vm =

30%):





3.3.5. Módulo de Elasticidade Efetivo

EEF = EFVF + EMVM (1) EEF = 74(0,7) + 4,5(0,3) EEF = 53,15 GPa

3.3.6. Densidade do compósito (massa volumétrica) � =

�

� (2)

a. Para o reforço (fibra) têm-se:

2,6 =��

,

mf = 1,62 g b. Para a matriz têm-se: 1,2 =

��

,�

mm = 0,36 g

c. Concluindo, obtemos a densidade do compósito:

ρ =(�,��,��)

�

ρ = 2,18 g/cm2

3.2.7. Tensão de ruptura do compósito longitudinal

�r = �Fruptura[V f + (1 – Vf)��

��] (3)

�r = (2500)[0,7 + (1 – 0,7)(4,5x109)/(74x109)] �r = 1795,6 MPa





4. FICHA DA CADELA Nome da cadela: Fofinha

Raça: Pincher 1

Sexo: Fêmea

Idade: 4 anos e meio

Altura: 23 cm

Comprimento: 29 cm

Peso: 2,2 kg

4.1. Medidas da cadela

De acordo com a Fig. (8), temos as medidas da cadela Fofinha.

Figura 8. Medidas a serem analisadas.

A = 19 cm H = 9 cm

B = 18 cm I = 7,5cm

C = 25 cm J = 14,5cm

D = 19 cm K = 3,5 cm

E = 30 cm

F = 18 cm

G = 9,5 cm

4.2. Observações

• Causa da paralisia: Trauma

• A paralisia é parcial e estável

• Acidente ocorrido há três anos

• Possui movimento em ambos os membros, porém só consegue se sustentar pelas patas

dianteiras.





• O cão possui comportamento agitado

• Não precisou de cirurgia

• Foi feito o teste da toalha para detectar a força do animal

5. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS E CONCLUSÃO

No item 3.3 deste trabalho há a demonstração dos cálculos que foram feitos para o

desenvolvimento do projeto da cadeira de rodas. Vale ressaltar que através dos resultados pode-se

fazer uma comparação entre materiais metálicos (ex.: alumínio) e materiais compósitos (ex.: fibra

de vidro) e validar o uso do material composto. Das equações (1), (2) e (3) obtêm-se propriedades

físicas essenciais que determinaram a escolha do material. Tendo em vista que a cadela tem massa

de 2,2 kg, o material compósito possui a leveza e a resistência necessária para o bem estar da

mesma. Na versão final da cadeira, sua massa é de 434 g, ou seja, representa cerca de 1/5 da massa

da cadela.

Na tabela (3), as propriedades físicas de alguns materiais metálicos são identificadas e pode-se

concluir que o material composto é tão eficiente quanto os materiais metálicos, o qual possui a

vantagem de ter densidade bem menor.

TABELA 3. Propriedades físicas de alguns materiais metálicos.

Infere-se então que a roda escolhida para cadeira é de um diâmetro maior (11 cm) para a

diminuição da força de impacto realizada pela “Fofinha”. Essa técnica facilitará o movimento da

cadela para subir degraus e superar obstáculos. É relevante dizer que a roda é de plástico, o que

reduz consideravelmente sua massa, e também é vazada permitindo a redução do momento de

inércia.





6. REFERENCIAIS TEÓRICOS A partir dos dados recolhidos será estudado o tipo de aparelho mais adequado e quais as

dimensões devem ser aplicadas para garantir ao animal estabilidade, conforto e segurança. Arias

(2006) faz uma revisão da fisiopatologia e dos possíveis tratamentos quando um cão é submetido a

esse tipo de lesão no texto: Trauma Medular em Cães e Gatos: revisão da fisiopatologia e do

tratamento médico. Segundo Arias (2006), o trauma medular é uma das entidades neurológicas mais

frequentes e graves na prática clínica e considera que a intervenção deve ser considerada

emergencial, podendo limitar, dessa forma, a extensão dos danos.

Arias (2006) defende que a lesão primária ocorre devido ao esforço mecânico instantâneo, após

o acontecimento traumático. Já a lesão secundária é a que ocorre devido a alterações locais

extracelulares e intracelulares, associada a lesões sistêmicas, como hemorragia, hipóxia entre

outras.

As deteriorações secundárias cometem àqueles cães que já sofreram o trauma e permanecem de

alguma forma, limitados na sua autonomia. Essas lesões resultam em mudanças biomecânicas e

patológicas que podem desencadear deterioração funcional e comprometer significativamente a

estrutura da medula espinhal.

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O projeto da cadeira de rodas foi de grande valia não só para o aprendizado no campo da

engenharia, mas para a integração com a sociedade que fez com que a visão dos estudantes voltasse

para um ambiente familiar, a qual não existe máquinas, produção em série e produto final, mas sim

pessoas que se importam com um bom estar de seus familiares e de seus animais de estimação.

A cadeira de rodas foi projetada para trazer o conforto e longevidade à cadela “Fofinha”.

8. DIREITOS AUTORAIS

Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluídos no seu

trabalho. REFERÊNCIAS

ARIAS, M. V. B., SEVERO, M. S., TUDURY, E. A., Trauma Medular em cães e gatos: revisão

da fisiopatologia e do tratamento médico, 2006.

BARTENIEFF, I., LEWIS, D., Body movement: coping with the enviroment, New York: Gordo

and Breach, 1990.

CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia dos Materiais Uma Introdução, LTC, 7ª edição.





DIEHL, R., Qualidade e cinesfera do movimento de jogadores de basquete em cadeira de rodas,

1998.

HODGSON, J., PRESTON-DUNLOP V., LABAN, R.; An introduction to his work and

influence. Plymouth: Northcote house, 1990.

LABAN, R., Choreographie: ertest heft. Viena: Verlag, 1926.

SHACKELFORD, J. F., Ciência dos Materiais, editora Pearson, 6ª edição.

SHORES, A., Fractures and locations of the vertebral column., Veterinary Clinics of North

American: Small Animal Practice, v.22.

WENKEL, R., KAULFUSS, K-H, Fractures in small and pet animal – frequencies, classification

and therapy. Kleintierpraxis, v.46, n7, p.401-410, 2001.

Agradecimentos Agradecemos primeiramente a Deus, pelas oportunidades concedidas e pelo momento presente.

Agradecemos ao Professor e Orientador Jorge Nei Brito, pelo constante incentivo, dedicação,

prontidão e paciência durante a realização desse projeto.

Ao Professor Márcio Eduardo Silveira, pela incontestável colaboração e interesse na otimização

do projeto junto aos membros da Equipe.

Ao Professor Túlio Hallak Panzera pelo incentivo e pelas orientações relativas aos materiais de

engenharia.

À Mara por acreditar e apoiar o nosso projeto. Aos proprietários da cadela Fofinha, Andrea e

Marino, pela disponibilidade em colaborar com a aquisição das informações necessárias.

Ao Dudu da Lanternagem, por nos ensinar sobre a manutenção da fibra e as ferramentas

necessárias ao processo.

Enfim, queremos agradecer a todos que de alguma forma colaboraram para a realização desse

projeto. Muito obrigado.

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