Sistemas Mecânicos
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- Modelagem e simulação da propulsão por alavancas de cadeiras de rodas manuais(2019) De Vito Júnior, A. F.Cadeiras de rodas com propulsão por aros são utilizadas em larga escala por sua praticidade e baixo custo de fabricação. Porém, estima-se que 70% dos usuários deste tipo de cadeira de rodas sofre de algum desconforto ou dores nos membros superiores. Além disso, a locomoção com cadeiras de rodas manuais por aros é reconhecidamente ineficiente em termos energéticos. Uma forma de propulsão alternativa é a propulsão por alavancas, indicada na literatura científica como uma solução superior mas ainda pouco investigada. Não se conhece bem, por exemplo, os efeitos biomecânicos associados à variação de parâmetros construtivos. Nesse contexto, neste trabalho, propôs-se um modelo computacional e uma abordagem de controle ótimo para prever e investigar a influência de parâmetros como o comprimento de alavanca, a relação de transmissão e a posição do eixo de rotação da alavanca. Dois modelos representativos do conjunto de cadeira de rodas com propulsão por alavancas foram propostos, um atuado por momentos nas articulações e outro, por músculos equivalentes. O primeiro é eficiente computacionalmente mas não representa adequadamente as propriedades intrínsecas dos músculos envolvidos. O segundo, por sua vez, é capaz de representar funcionalmente modelos complexos do sistema músculo-esquelético dos membros superiores enquanto garante continuidade e baixa dimensionalidade, atributos importantes para a solução eficiente de problemas de controle ótimo. Simulações preditivas foram realizadas em diferentes velocidades médias, inclinações de rampa, relações de transmissão, posições do centro de rotação da alavanca e posições da mão na alavanca. Os resultados mostram que a posição do centro de rotação da alavanca é essencial para o desempenho da cadeira, sendo que posições mais posteriores e mais próximas ao eixo e rotação das rodas traseiras mostraram-se mais vantajosas. Os resultados mostraram ainda que as relações de transmissão mais adequadas dependem da velocidade média imposta e da inclinação da rampa e que há uma faixa de valores para o posicionamento da mão na alavanca que levou consistentemente a esforços musculares menores
Dissertação Modelagem e simulação da propulsão de cadeiras de rodas manuais(2015) Costa, Heitor RogérioA inclusão social e profissional de pessoas portadoras de necessidades especiais tem sido foco crescente de atenção. O tema acessibilidade ganha destaque na sociedade na medida em que as pessoas precisam de uma maior independência e autonomia na execução das tarefas cotidianas, necessitando de facilidade de acesso, de transporte e fazendo o uso de diversos equipamentos que as auxiliam. Entre esses equipamentos, as cadeiras de rodas são utilizadas por milhões de pessoas ao redor do mundo, seja permanente ou esporadicamente, para deslocamento de indivíduos que têm a mobilidade de seus membros inferiores reduzida ou totalmente incapacitada. Porém, a locomoção com cadeiras de rodas manuais é considerada de baixa eficiência, principalmente devido a aspectos biomecânicos desfavoráveis durante a propulsão. Devido às suas características ergonômicas, isto é, o posicionamento do usuário em relação à cadeira e a forma de propulsão em cadeiras de rodas manuais tradicionais exige esforço muscular elevado e impõe carregamentos excessivos às estruturas articulares dos membros superiores, particularmente a do ombro, levando a lesões e dores nos membros superiores e na coluna da maioria dos cadeirantes. Estudos experimentais e, em menor proporção, investigações computacionais têm contribuído para a compreensão dos fenômenos e esforços que ocorrem durante a propulsão. Estes estudos tem permitido a formulação de recomendações para os ajustes de cadeiras de rodas, o desenvolvimento de novos tipos de equipamentos e a sugestão de novas técnicas de propulsão. Este trabalho propõe um modelo do sistema cadeira de rodas-cadeirante durante o fase de propulsão que integra modelos mecânicos da cadeira de rodas e do sistema esquelético do membro superior e um modelo complexo do sistema musculoesquelético do membro superior extraído do programa aberto OpenSim.. O modelo permite a determinação das ativações e forças musculares durante a fase de propulsão para diferentes parâmetros de ajuste da cadeira de rodas, inclinações do pavimento e forças resistivas a partir da prescrição de uma velocidade constante da cadeira de rodas. As ativações musculares são determinadas resolvendo-se um problema de otimização estática. Dois estudos foram realizados utilizando o modelo e a abordagem propostos. No primeiro estudo, realizou-se uma investigação da influência do posicionamento relativo entre ombro e roda traseira no esforço de propulsão. Os resultados indicam que um posicionamento do ombro mais inferior e anterior à roda traseira da cadeira é mais favorável do ponto de vista puramente biomecânico quando comparado ao posicionamento típico utilizado em cadeiras de rodas manuais. No segundo estudo, investigou-se a influência da velocidade da cadeira no esforço de propulsão. Os resultados mostram que as forças inerciais associadas à aceleração dos braços têm uma influência negativa importante sobre o esforço, mais importante ainda que a influência deletéria da relação força-velocidade dos músculos.- Estudo da influência das forças inerciais e das propriedades musculoesqueléticas na propulsão de cadeiras de rodas manuais(2016) Amancio Junior, A.A população de usuários de cadeiras de rodas no Brasil corresponde a aproximadamente 5 milhões de pessoas que, em sua maioria, são deficientes físicos que dependem permanentemente da cadeira de rodas para se locomover. A cadeira de rodas mais utilizada por essa população é a cadeira de rodas manual, porém a locomoção com cadeiras de rodas como meio de transporte é considerada de baixa eficiência, devido a aspectos biomecânicos que desfavorecem a propulsão. Além disso, a locomoção com cadeiras de rodas manuais sujeita os membros superiores a altas cargas e a esforços repetitivos. Essa demanda relativamente alta de atividade física com elevados esforços durante a propulsão da cadeira de rodas manual levam a um alto número de reclamações por parte dos usuários, devido a dores e lesões nos membros superiores. Estudos experimentais têm colaborado para a compreensão dos esforços durante a propulsão e dos fatores que levam à incidência de doenças musculoesqueléticas em cadeirantes. Porém, a aquisição de dados experimentais está sujeita a limitações técnicas, custos relativamente altos e alta demanda de tempo para serem realizados. Em menor número, estudos envolvendo simulações computacionais também têm colaborado para o entendimento da propulsão. Com modelos matemáticos cada vez mais condizentes com a realidade e o crescente poder de processamento computacional, as simulações computacionais possibilitam a realização de testes virtuais em variados cenários com custo e demanda de tempo relativamente reduzido. O presente trabalho estuda a influência das forças inerciais, gravitacionais e musculares e também das propriedades musculoesqueléticas na propulsão de cadeira de rodas manuais. Para isso, foi desenvolvido um modelo do sistema cadeira de rodas e usuário e uma abordagem para estimar as ativações dos músculos envolvidos na propulsão de cadeira de rodas a partir de dados experimentais da cinemática do sistema e das forças aplicadas no aro da cadeira de rodas através da resolução de um problema de otimização estática. Com o objetivo de ilustrar a aplicação dos métodos e realizar um estudo de caso, foram coletados dados de cinemática e forças no aro para um voluntário em duas velocidades de locomoção em um laboratório de análise de movimento. A cinemática foi filmada utilizando uma câmera e as forças no aro foram medidas utilizando o sistema SmartWheel.
- Estudo dos padrões de marcha de diabéticos por simulação preditiva(2017) Santos, G. F.Diabéticos apresentam enfraquecimento dos músculos flexores e extensores do tornozelo, além de maior rigidez deste complexo articular. Estes fatores colaboram para o padrão de marcha alterado destes indivíduos, caracterizado por menor velocidade, maior tempo de apoio simples e duplo apoio, menor amplitude de movimento articular, além de alterações cinéticas e nas ativações musculares. Contudo, as relações de causa e efeito entre estas alterações e os acometimentos do sistema musculoesquelético típicos do diabetes não estão bem estabelecidos na literatura. O objetivo do presente estudo foi analisar os efeitos isolados da redução da capacidade de geração de força muscular do tibial anterior, sóleo e gastrocnêmio e do aumento de rigidez no tornozelo durante a marcha. Um modelo do sistema musculoesquelético humano e uma abordagem de simulação preditiva da marcha diabética foram desenvolvidos. O modelo possui propriedades que podem ser modificadas para representar o efeito da doença sobre o sistema musculoesquelético. As alterações dos padrões de marcha são simuladas de maneira preditiva por meio da resolução de um problema de controle ótimo. Especificamente, as forças isométricas máximas dos músculos gastrocnêmio, sóleo e tibial anterior foram reduzidas e a curva de momento passivo na articulação do tornozelo foi alterada de maneira a aumentar a rigidez da articulação, representando as alterações típicas causadas pelo diabetes. A redução de força isométrica máxima dos músculos do tornozelo atrasou a ativação do sóleo e gastrocnêmio, reduziu a força no gastrocnêmio e aumentou a força do músculo iliopsoas, aumentando assim o momento de flexão do quadril na fase de propulsão da marcha. Esses resultados indicam a adoção de uma estratégia motora para compensar o déficit de momento no tornozelo por meio de um aumento do momento de flexão do quadril, denominada estratégia do quadril na literatura. O aumento de rigidez na articulação do tornozelo também levou à adoção da estratégia do quadril, com atraso na ativação do sóleo, redução de geração de força muscular no sóleo e gastrocnêmio e aumento, mesmo que mais discreto, da ativação do iliopsoas na fase de propulsão da marcha. Além disso, ambas as alterações no sistema musculoesquelético causaram maior utilização das estruturas elásticas passivas no tornozelo, de forma a armazenar energia na fase de apoio médio e liberá-la na fase de propulsão. Este trabalho contribui para a compreensão dos efeitos do diabetes nos padrões de marcha e pode embasar a formulação de terapias mais apropriadas a esta população.