Trabalho sobre Freios Weston

7/25/2019 Trabalho sobre Freios Weston

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICACELSO SUCKOW DA FONSECA CEFET/RJ

Prtese binica

Alexandre G. SoaresGilberto PimentaSalviano Evaristo

Professor: Silvio

Rio de JaneiroOutubro de 2015


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Introduo

A binica a tcnica de aplicao de conhecimentos de biologia na solo de

problemas de engenharia. !rante a Segnda Gerra "ndial comearam as

implementa#es de ma intensiva tcnica sistem$tica para fins cient%ficos e pr$ticos &e

clminaram em grande avano da binica.

Atalmente a binica tili'ada principalmente na engenharia aeroespacial( na

ar&itetra( na ciberntica( no pro)eto de prodto e na medicina de pr*teses a

transplantes.

+ avano da tecnologia e a tili'ao dos conceitos da binica est$

possibilitando a elaborao de pr*teses cada ve' mais avanadas e semelhantes aos

membros originais( beneficiando milhares de pessoas &e por tramas( o motivos

genticos( perderam membros speriores o inferiores( vitais para pr$tica de atividades

cotidianas.

Diferena entre prteses binicas e prteses estticas

+ grande diferencial das pr*teses binicas est$ no fato delas serem din,micas(

possibilitando a movimentao volnt$ria por parte do paciente. As pr*teses estticas

possem a vantagem de ter menor csto( mas possem apenas valor decorativo.

Ao contr$rio das pr*teses est$ticas &e possem a fno de apenas aparentarnormalidade( as pr*teses binicas permitem m maior n%vel de independ-ncia por parte

do s$rio( o &e fa' este reali'ar atividades &e a princ%pio podem parecer simples(

como amarrar m cadaro( mas &e em ma an$lise mais atenta percebese &e s*

poss%vel com das mos fncionais.

+tro diferencial est$ nos materiais tili'ado para confeco das pr*teses. /omo

as pr*teses est$ticas no foram feitas para receber cargas( elas so prod'idas de

materiais mais fr$geis e mais fiis a pele hmana( como pol%meros e silicone. As


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pr*teses binicas devem resistir a esforos( como m brao org,nico0 por isso so feitas

de metal( em sa maioria o tit,nio( por ser biocompat%vel.

12G34A 5: Pr*tese esttica 6es&erda7 x pr*tese binica 6direita7

Escopo do traba!o

2ndiv%dos recm amptados sofrem modifica#es brscas em sas vidas(

afetando diretamente se estado emocional. 8 comm &e pacientes amptados

apresentem &adros de ansiedade( depresso e desesperana.

Este trabalho tem por ob)etivo a fabricao de ma pr*tese binica( plenamente

fncional( &e permita &e o paciente reali'e sas atividades de maneira mais

independente( e &e com o tempo e adaptao possa voltar 9s sas atividades normais(

recperando( assim( sa atoestima.

Inspirao

/omo toda tcnica binica( a inspirao para este trabalho veio da pr*pria

natre'a. "ilh#es de anos de evolo troxeram sol#es complexas( &e com mito

estdo podem ser aproveitadas na engenharia.


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Estdando o mecanismo de m brao hmano podemos basear a movimentao

da pr*tese e analisar os pontos cr%ticos de articlao. Para maior conforto do paciente(

a pr*tese deve ser o mais fiel poss%vel de m brao hmano.

12G34A : Articlao de m brao hmano

P"bico a#o

Para no haver necessidade de cirrgia para redirecionamento dos nervos( a

pr*tese ser$ constrindo visando os amptados acima do cotovelo( &e ainda possem

parte da msclatra do brao.


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12G34A ;:


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$unciona%ento terico

&o%o funciona o brao binico

O brao

+s movimentos do nosso corpo so processados primeiro no crebro e( atravs dosnervos( ativam a msclatra da $rea dese)ada( assim( movimentando o nosso corpo.

>ossa mo binica tem o mesmo princ%pio( primeiro com o processamento cerebral(

essa inteno de movimentar o brao( ir$ chegar ate a extremidade do brao amptado(atravs dos nervos. >essa extremidade sero colocados eletrodos capa'es de captaresses sinais nervosos( &e ser$ )ogado em m m*dlo( onde cada implso nervoso ser$trad'ido por m movimento do brao. Esse basicamente o ?sistema nervoso@ donosso brao binico.A parte de movimentao ser$ feitas por motores( &e sero alimentados por ma

bateria acoplada ao brao. Esses motores iro pegar o sinal &e passo pelo m*dlo ereali'ar o movimento. em pr*ximo da conexo entre o coto 6 como chamada a parte&e resto da amptao7 ter$ m motor rotor( &e ir$ girar o brao binico. + braoter$ m cotovelo &e ir$ fa'er m movimento rotat*rio( no antebrao ser o local onde a

bateria ser$ arma'enada. >o pnho( ter$ otro motor( fa'endo a mo girar.


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Os %otores

+s motores sados sero servosmotores( pois precisamos de ma maior preciso( paradar movimentos mais saves ao brao. >esses motores se controla o tor&e atravs da

corrente &e vai para o motor( &e ser$ controlada pelo m*dlo.

12G34A D: Exemplo servo motor

Servomotor ma m$&ina( eletromec,nica( &e apresenta movimento proporcional a

m comando. Servomotores so dispositivos de malha fechada( o se)a: recebem m

sinal de controle0 &e verifica a posio atal para controlar sa movimentao indo

para a posio dese)ada com velocidade monitorada externamente sob feedbac de m

dispositivo denominado taco o sensor de efeito Fall o encoder o resolver( o tachsin(

dependendo do tipo de servomotor e aplicao.

Em contraste com os motores cont%nos &e giram indefinidamente( o eixo dos servo

motores possi a liberdade de apenas cerca de 5HI gras 6;CHI em algns modelos7mas so precisos &anto a posio.

Para isso possem tr-s componentes b$sicos( ilstrados na imagem.


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12G34A :Sinal de controle dos servomotores

(iste%a atuador o sistema atador constit%do por m motor eltrico( emboratambm possa encontrar servos com motores de corrente alternada( a maioria tili'a

motores de corrente cont%na.


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dese)ados( isso( claro( dependendo de como o m*dlo ir$ interpretar os sinais do

eletrodo.

)otores nos dedos

Para os dedos( tili'aremos m motor de passo para cada dedo( e ma fio &e ligar$ o

motor a ponta do dedo( &ando o motor pxar o fio( o dedo ir$ retrairse( e &ando o

motor afroxar o fio( o dedo ir$ relaxar( mecanismo semelhante 9 m brin&edo criado

nos anos H.

12G34A K: rin&edo &e o mecanismo da pr*tese foi sado

*i+a utii,ada

3tili'aremos como liga met$lica para nossa pr*tese a liga de tit,nio


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12G34A 5H: Pr*tese de &adril com liga


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12G34A 55 "aniplador 44 em movimento plano vertical

+ brao se movimentar$ em apenas m plano( conforme o modelo acima exemplifica.

&ine%tica Direta-

x=a1cos (1 )+a2cos (1+2 ) e&.: 5

y=a1 sen (1 )+a2 sen (1+2 ) e&.:

12G34A 55 Geometria do maniplador 44


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&ine%tica Indireta-

r =x +y

e&.: ;

2nclindo e& 5 e e& na e&;( temos:(1+2 )+sen (1 ) sen(1+2)

cos (1 ) cosr =a1+a2+2a1a2

e&.: =

+x +y =a1+a2+2a1a2cos (2)

e&: B!e onde se tira:cos (2 )=(x +y a12a2)2a1a2

2= arccos((x +y a12a2)2a1a2) e&.: C

/om essas e&a#es podemos definir todos os pontos alcanados pelo brao bionico.

&acuo de Di%ensiona%ento

3ma ve' &e a estrtra ser$ pro)etada para pe&enas cargas( o calclo dodimensionamento se fa' mais necess$rio a nivel de escolha de e&ipamentos( ma ve'&e sabendo todos os tor&es gerados( possimos o tor&e especifico &e o motor ter$&e atender.Ser$ considerada ma massa de Bg na extremidade do brao( sendo assim ele podesportar at Bg.!a% temos &e temos &e a potencia de cada motor ser$ dada por:

Pm=Pu+Pr e&.: D

+nde:Pm L Potencia do motorP L Potencia JtilPr L Potencia de resistencia.Por meio de dados pr$ticos( vistos anteriormente em otros modelos( ser$ consideradama potencia de resistencia de 5BMPNogo:

Pm=1,15Pu e&.:

Pu1=M1w1 e&.: K

+nde O5 a velocidade anglar em do segmento 5.


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Pu2=M2w2

+nde O a velocidade anglar em do segmento .

Nembrando &e cada articlao possi m servomotor pr*prio.Abaixo mostrado o diagrama de corpo livre do brao esticado. 1oi considerada essa

posiao( por conter os maiores esforos para as articla#es:

12G34A 5 !/N do brao bionico

+nde:P=mg

P1=Pesodosegmento L1

P2=Pesodo motor 2

P3=Pesodo segmentoL2

m5L;(BCg0 m L H(Kg0 N5 L ;;(=cm0 NL (5Bcm0 N; L 5B(Bcm( g L K(5msQ

M1=L1

2 P1+L1 P2+(L1+L22) P3+(L1+L3 ) 59.81 e&.: 5H

)1 . ///%

)1 . //34+6c%

M2=L22

P3+L359 ,81 e&.: 55

)2 . 738 %

)2 . 411/ +6c%

Sabendo &e a articlao do cotovelo se move a 5CH grass( e a articlao do plso a5HHgrass


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w2=2

T=1,745rps

Nogo:Pu1=93,02W

Pu2=13,9W

Nogo a potencia nesses$ria no motor 5 ser$:Pm1=107W

E a potencia do motor dada por:Pm2=16W

+ servo motor tili'ado( com base na potencia ser$ o FSDKH


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&acuo de Posiciona%ento dos Dedos

A flexo maxima considerada para cada articlao do dedo ser$ de KHI

Abaixo ser$ calclada a cinem$tica para m dedo( c)o valor ser$ o mesmo para os

demais.

12G34A 5B "aniplador 444 em movimento plano vertical

+ dedo se movimentar$ em apenas m plano( conforme o modelo acima exemplifica.

&ine%tica Direta

x=a1cos (1 )+a2cos (1+2 )+a3cos (1+2+3) e&.: 5

y=a1 sen (1 )+a2 sen (1+2 )+a3 sen(1+2+3) e&.: 5;

>otase &e a cinem$tica inversa no pode ser feita( ma ve' &e temos das e&a#es e

tr-s incognitas.

8 necess$rio assmir ma condio a mais. 1ixamos a orientao da )nta T; com o

,nglo U 6com relao 9 hori'ontal7

Por geometria tirase &e a posio de T;( denotada por x; e V; vale:


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x3=xa3(cos)

e&.: 5=

y3=ya3(sen)

e&.: 5B

A partir dai( podemos calclar a cinem$tica inversa.

&ine%tica In#ersa

2=arccos (xa3cons ( ))2+(ya3 (sen ))2a12a22

2a1a2

e&.: 5C

1=arctan (ya3 ( sen ))(a1+a2cos (2))(xa3cos ( ))a2 sen(2)

(xa3 (cos ))(a1+a2cos (2))+(ya3sen ( ))a2 sen (2)

e&.: 5D

&acuo para esco!a do %otor dos dedos+ calclo do dimensionamento se fa' mais necess$rio a nivel de escolha dee&ipamentos( ma ve' &e sabendo todos os tor&es gerados( possimos o tor&eespecifico &e o motor ter$ &e atender.

!a% temos &e a potencia de cada motor ser$ dada por:Pm=Pu+Pr

+nde:Pm L Potencia do motorP L Potencia JtilPr L Potencia de resistencia.Por meio de dados pr$ticos( vistos anteriormente em otros modelos( ser$ consideradama potencia de resistencia de 5BMPNogo:

Pm=1,15Pu

Pu1=M1w1 onde O5 a velocidade anglar em do segmento 5.

Pu2=M2w2 onde O a velocidade anglar em do segmento .

Pu3=M3 w3 onde O; a velocidade anglar em do segmento ;.

Abaixo mostrado o diagrama de corpo livre do dedo esticado. 1oi considerada essaposiao( por conter os maiores esforos para as articla#es:


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12G34A 5C: !/N do dedo bionico

+nde:P=mg



P3=Pesodo segmentoL3

P4=Pesodomotor 2

P5=Pesodomotor 3

g L K(5msQ

P5LH(H5B>H(HH5Bg0 P L H(H5KD>H(HHg0 P;L H(HH=K> H(HHHBg 0 N5 L (BBcm0NL ;(Ccm0 N; L 5(HHcm(

M1=L1

2 P1+L1 P4+(L1+L22) P2+(L1+L2 ) P5+(L1+L2+

L3

3) P3 e&.: 5

)1.000521)1.005/1+6c%

M2=L2

2 P2+L2 P5+(L2+L33) P3 e&.: 5K

)2. 00021

)2. 0021+6c%

M3=L3

2 P3

)/. 000025 +6c% e&.: H)/ . 0000025Sabendo &e cada articlao do dedo se move a KH grass.


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Pu3=0,0004W

+ servo motor tili'ado( com base na potencia ser$ o FS;BF!.

Especifica9es do ser#o %otor-Relocidade: H.5H secCH sem carga


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e a partir desse ponto as pr*teses iro ficar cada ve' mais presentes no dia dia( tendo

como $pice m corpo totalmente binico com somente a consci-ncia hmana.

>ossa pr*tese visa apenas devolver algmas fncionalidades &e m brao normal teria(

mas com mitas limita#es( pelo fato de &e a tecnologia de facil acesso no provenha

de e&ipamentos &e proporcionem ma melhor &alidade.

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