PROJETO E CONSTRUÇÃO DE ESTEIRA ERGOMÉTRICA DE BAIXA VELOCIDADE PARA O DESENVOLVIMENTO E APRENDIZADO DA

HABILIDADE MOTORA FUNDAMENTAL DA MARCHA EM CRIANÇAS

Fernando Marques Fernandes 1, Emerson Alves de Oliveira 1, Felipe Aragão Paes de Souza 1, Gidelvan Santos Souza 1, Michele Rodrigues Antunes 1, Tauan de Abreu Jorge 1 e Carlos

Alberto Amaral Moino 1.

1 Departamento de Engenharia Mecânica – UNISANTA – Universidade Santa Cecília Rua Oswaldo Cruz, 277 - Boqueirão – Santos – São Paulo – Brasil

fmarques@unisanta.br

RESUMO

A utilização da esteira ergométrica para o aprimoramento da deambulação em crianças que possuem disfunções locomotoras auxilia na prática do movimento correto através da repetição do ciclo de marcha promovendo um padrão de locomoção. Trata-se de um aparelho eletromecânico que permite a simulação de uma caminhada ou corrida sem se deslocar. Uma esteira ergométrica adaptada permite obter-se uma velocidade inicial reduzida e conta, ainda, com apoios laterais ajustáveis para que crianças com uma maior funcionalidade possam se apoiar sozinhas. Nota-se que, para que seja possível a redução da velocidade de um equipamento eletromecânico alguns conceitos fundamentais devem ser aplicados na análise do projeto. Dentre eles, destacam-se: transmissão de potência, variação de velocidade mecânica a partir de dispositivos elétricos e eletrônicos, padronização do mecanismo segundo as normas vigentes e parâmetros para montagem de equipamentos. A partir dos quesitos citados, uma metodologia foi elaborada para testes iniciais e escolha do melhor procedimento a ser aplicado para a redução da velocidade inicial da esteira. Para realizar este procedimento, a esteira passou por uma série de modificações em sua estrutura. Além disso, barras de apoio laterais foram desenvolvidas e fixadas na mesma, de maneira que podem ser ajustadas de acordo com a altura do paciente. No caso da redução de velocidade, testes demonstraram a eficácia do método utilizado, sendo possível reduzir a velocidade inicial em 98% de seu valor. Para os passos subsequentes modificações foram executadas em sua estrutura afim de atestar a segurança do usuário. O equipamento está sendo utilizado na clínica de fisioterapia da Universidade Santa Cecília.

Palavras-chave: Deambulação; Esteira ergométrica; Inversor de frequência.

1. INTRODUÇÃO

A intervenção fisioterapêutica no restabelecimento da função locomotora tem se mostrado eficaz no

desenvolvimento da deambulação e autonomia de pessoas portadoras de necessidades especiais.

Muitas técnicas que unem terapia e aparelhos mecânicos destinados à reabilitação coordenam a

prática e reprodução de um movimento funcional visando a melhoria da estabilidade motora, o

aumento da força muscular, a normalização da marcha, entre outros benefícios, objetivando uma

maior independência do paciente. Nesse contexto, os avanços tecnológicos em diferentes áreas da

engenharia melhoraram a eficiência e complexidade de diversos recursos e equipamentos utilizados

na reabilitação dos pacientes, além de ampliarem o leque de opções de tratamentos.

Para o aprendizado da marcha, mais propriamente dita, a esteira ergométrica surge como um

recurso ímpar que contribui para o desenvolvimento e o reaprendizado do ato de caminhar

normalmente. O treino locomotor associado ao uso da esteira é um recurso fisioterapêutico que

auxilia na aquisição e restauração da habilidade de reproduzir os passos de forma segura para

pessoas com disfunções locomotoras.

Nesse caso, analisando-se a marcha de crianças, as esteiras convencionais impossibilitam sua

utilização como recurso fisioterapêutico, pois possuem uma velocidade inicial elevada e não

possuem apoios laterais adaptáveis para um paciente de porte menor.

Ao analisar o funcionamento de uma esteira ergométrica, nota-se a possibilidade de alterações em

seu funcionamento que possibilitam uma redução em sua velocidade inicial sem alteração do torque

e a possibilidade de adaptação de apoios laterais em sua estrutura.

Partindo de tais ideias iniciais, foi possível formular soluções que foram subordinadas à avaliação

técnica, referente ao funcionamento específico que se deseja obter, e considerações de despesas e

investimentos, atentando para aspectos de manutenção e segurança.

O objetivo deste projeto é a construção de uma esteira ergométrica de baixa velocidade, que permite

a sua utilização no departamento de fisioterapia da Universidade Santa Cecília (UNISANTA) por

crianças em processo de reaprendizado e treinamento da habilidade locomotora.

1.1 Fundamentação Teórica

1.1.1 O processo de marcha

O termo marcha é utilizado para descrever um padrão de movimentos dos membros inferiores para

mover o corpo mantendo sua postura estável. De acordo com [1], trata-se de um processo locomotor

onde o corpo permanece ereto e movimenta-se apoiando uma perna após a outra de maneira

sucessiva. Enquanto o corpo permanece apoiado em uma perna, a outra perna embala para frente

se preparando para um novo ciclo de apoio. Uma sequência completa desses movimentos dos

membros é denominada ciclo de marcha.

Para completar o curso de um ciclo da marcha um dos pés permanece sempre apoiado no chão e a

outra perna completa o movimento de avanço. Há um breve momento em que os dois pés

permanecem apoiados no chão para que se possa transferir o peso do corpo de uma perna para

outra. Conforme a velocidade da marcha aumenta e o indivíduo inicia uma corrida, os períodos em

que os dois pés permanecem apoiados diminui até que um dos pés não estará mais apoiado. Este

movimento é denominado duplo balanço.

1.1.2 Divisões do ciclo de marcha

Cada ciclo de marcha pode ser dividido em períodos de apoio e balanço. Apoio é usado para se

definir o tempo em que o pé permanece em contato com o chão. Balanço define o período em que

o pé permanece no ar para que ocorra o avanço da perna [2]. A Figura 1 ilustra a sequência de

movimentos das fases de apoio e balanço.

Figura 1 - Subdivisões do apoio e suas relações com o padrão de contato bilateral com o solo [2].

1.1.3 Passada e passo

O termo passada é utilizado para denominar um ciclo de marcha. Para [2], a passada é baseada nas

ações de um membro, a duração de uma passada é o intervalo entre dois contatos iniciais

sequenciais entre o solo e o mesmo membro.

O termo passo é utilizado para caracterizar o intervalo entre os dois pés. Em cada ciclo de marcha

existem dois passos. Os termos citados acima estão representados na Figura 2.

Figura 2 - Caracterização de passo e passada [2].

1.2 Análise da marcha em crianças

Durante a infância, as habilidades e capacidades motoras são desenvolvidas de modo ordenado,

tais habilidades que são executadas de maneira natural por um adulto, em uma criança dependem

do desenvolvimento do sistema muscular e esquelético, amadurecimento do sistema nervoso e são

influenciados por atividades em seu desenvolvimento.

De acordo com [3], conforme a criança se desenvolve, seu meio social se amplia, passando de um

ambiente familiar para um meio que apresenta maiores desafios. A partir dessa transição, a criança

começa a tornar-se mais independente, aumentando normalmente sua autonomia.

Dessa forma, a evolução locomotora é formada do resultado do aprendizado e da aquisição de

habilidade na execução de movimentos, incluindo atos usuais praticados no dia a dia.

1.2.1 Velocidade da marcha e dimensões da passada de crianças

A velocidade “normal” da marcha de uma criança não pode ser completamente definida, as crianças

podem alterar a velocidade do caminhar de diferentes formas e baseados em estímulos do ambiente

(ex.: brincando, correndo) ou podem escolher o modo como caminham de forma aleatória. Portanto,

não se pode definir um padrão de velocidade, conforme [1], a velocidade da passada pode ser

descrita como o produto do comprimento da passada por sua frequência. A Figura 3 apresenta um

estudo que avalia as dimensões da marcha em meninos e meninas.

Figura 3 - Dimensão da marcha em meninos e meninas [1].

1.3 Utilização da esteira ergométrica

A esteira ergométrica tem sido empregada como recurso ímpar no desenvolvimento da marcha, além

de proporcionar um aperfeiçoamento das habilidades sensoriais de crianças com deficiência

locomotora. A utilização da esteira facilita o treinamento de passadas repetitivas melhorando a

habilidade dos pacientes, além de ser um recurso que facilita a prática do exercício de caminhar e

pode ser utilizado de forma eficaz no departamento de fisioterapia infantil da Unisanta.

1.4 Conceitos básicos de transmissão de potência

De acordo com [4], os sistemas de transmissão normalmente são caracterizados por uma

capacidade em potência, tal especificação determina qual combinação de velocidade e torque que

o elemento pode suportar. Vale salientar que, se tratando de um caso ideal, a potência produzida é

igual a potência de saída. Como é necessário considerar as perdas, então será analisada a potência

do sistema e não apenas as potências de entrada ou de saída. Para uma polia que esteja associada

ao eixo do motor, seu raio será considerado como o braço de alavanca. Neste caso, a aplicação da

força pode ser considerada de dois modos diferentes: a força sendo aplicada no centro do eixo e

transmitida para a extremidade da polia ou a força sendo aplicada na extremidade da polia e

transmitida para o eixo. A transmissão do movimento pode ser realizada por meio de engrenagens

acopladas ou polias ligadas por correia. Assim, o conjugado e, por consequência, a velocidade de

rotação, podem ser modificados para atender as diferentes solicitações de serviço. Para as polias a

Equação (1) pode ser aplicada.

𝑑1

𝑑2=

𝑛1

𝑛2=

𝐶1

𝐶2 (1)

Sendo:

o índice 1 a polia fonte do movimento e o índice 2 a polia receptora do movimento

d o diâmetro das polias

n a rotação

C o conjugado do motor.

1.5 Relação entre velocidade e frequência

Analisando-se o funcionamento de máquinas e mecanismos, onde a frequência de rotação de um

eixo é conhecida, pode-se expressar o número de revoluções que este eixo realiza em um

determinado intervalo de tempo, a frequência pode ser expressa em Hertz, onde 1 Hz = 1 ciclo por

segundo. Considerando que 1 ciclo seja 2𝜋 multiplicado pela frequência, a velocidade angular é dada

pela Equação (2).

𝜔 = 2 𝜋 𝑓 (2)

Sendo:

𝜔 a velocidade angular (rad/s)

f a frequência em Hertz.

De acordo com [4], considerando que os pontos das periferias das duas rodas devem ter a mesma

velocidade linear para que não haja escorregamento e sendo os ângulos apresentados em radianos,

o cálculo da velocidade é dado pela Equação (3).

𝑉 = 𝜔 𝑟 (3)

Sendo:

𝜔 a velocidade angular (rad/s)

r o raio da roda (mm)

V a velocidade (m/s).

Desta forma, substituindo-se a Equação (2) na Equação (3), teremos a Equação (4):

𝑉 = 2 𝜋 𝑓 𝑟 (4)

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para a execução deste projeto, alguns conceitos sobre o funcionamento de dispositivos elétricos

aplicados à mecânica foram utilizados. Tendo sido avaliados alguns dispositivos, tais como o

potenciômetro, inversor de frequência e caixa redutora, foi escolhido o que melhor atende os

requisitos de custo e manutenção previamente definidos.

O método proposto buscou associar os critérios de aplicabilidade, funcionalidade, bom uso no

tratamento, investimento e benefício que atendam de forma simples as solicitações de trabalho da

esteira.

2.1 Dispositivos de redução de velocidade avaliados

A esteira utilizada foi a Dream Fitness DR 1600, após a aquisição da esteira, a primeira etapa

executada foi a verificação do motor e demais componentes a fim de avaliar sua funcionalidade e a

possibilidade da instalação de um dispositivo de redução de velocidade. O motor original da esteira

é fabricado pela FCM Motores e trata-se de uma máquina de corrente contínua de 1,6 HP de potência

e permite a utilização de um potenciômetro que reduz a tensão aplicada ao motor diminuindo, assim,

sua rotação. No teste de velocidade do motor, observou-se que ao reduzir sua rotação, haveria

também uma redução significativa em seu torque, ou seja, o motor operando em baixas velocidades

não seria capaz de movimentar a esteira quando a mesma estivesse carregada.

Assim sendo, surgiu a necessidade de substituir o motor por um que mantivesse seu torque a baixas

velocidades, foi utilizado então um motor WEG de corrente alternada.

Ao modificar o motor de corrente contínua para um de corrente alternada, o uso do potenciômetro

fica inviável, portanto, o inversor de frequência seria necessário para reduzir a velocidade. A redução

de velocidade através da variação das polias também foi avaliada, porém, para alcançar a redução

desejada, as polias teriam que variar muito seu tamanho, ou seja, uma delas seria muito grande,

isso dificultaria a montagem da carenagem da esteira, aumentaria o peso do equipamento e

diminuiria a gama de velocidades possíveis.

2.2 Caraterização do componente utilizado

O inversor de frequência é um componente eletrônico utilizado para variar a velocidade de giro de

um motor de indução trifásico. Esse dispositivo transforma corrente elétrica alternada fixa em

corrente elétrica alternada variável moderando a potência consumida pela carga variando a

frequência entregue pela rede.

A frequência de entrada no motor é fornecida pela rede e determina a velocidade com qual o motor

trabalha. O inversor varia a frequência na entrada do motor, alterando, assim, a velocidade do motor,

ou seja, se a frequência aumenta, a velocidade do motor aumenta, se a frequência diminui, a

velocidade do motor também diminui. O uso de um inversor oferece algumas vantagens, como, por

exemplo, instalação simples, evita partidas bruscas, baixo custo de manutenção.

O inversor utilizado foi o modelo MOVITRAC 0500 da marca SEW Eurodrive.

2.3 Adaptações na esteira

Algumas modificações feitas na esteira foram necessárias para acomodar o novo motor e o inversor

de frequência. Assim como as alterações na estrutura para adaptar os corrimões, o controle de

velocidades e display também foram reformulados para se adequar aos novos dispositivos

instalados.

2.3.1 Adaptação na estrutura

A primeira modificação feita na esteira foi o suporte para o motor. O motor original da esteira era um

pouco maior, suportado por duas vigas metálicas em L conforme mostra a Figura 4.

Figura 4 - Suporte original do motor (autores).

Para alocar o novo motor, duas peças de 180 mm de uma viga U de aço 1020 foram serradas e

soldadas na estrutura com uma distância de 35 mm entre elas. As dimensões para soldar as barras

foram escolhidas de forma em que a polia e o eixo do motor permanecessem aproximadamente na

mesma posição que se encontrava o motor original. A Figura 5 mostra o novo suporte para o motor.

Figura 5 - Suporte feito para o motor (autores).

A segunda modificação na estrutura metálica da esteira foi a colocação de corrimões móveis. Para

a base que prende o corrimão a mesma viga U foi utilizada. Inicialmente a viga foi marcada e dividida

ao meio para que as partes ficassem simétricas. A Figura 14 mostra uma barra cortada que ficou

inutilizada por não ter simetria, mas que ilustra o método utilizado.

Após o corte, uma barra circular de 30 mm de diâmetro foi soldada na lateral de uma das partes e

em seguida as metades da barra U foram soldadas de modo que se encaixaram na estrutura da

esteira tal qual uma viga caixão. Dessa maneira, a base do corrimão pode correr sobre a barra de

sustentação do equipamento, podendo assim, ajustar a altura desejada. A Figura 6 ilustra a

montagem do equipamento de segurança.

Figura 6 – Barra U dividida ao meio e soldada na estrutura da esteira (autores).

2.3.2 Adaptação do controle de velocidade

O controle de velocidade na disposição inicial da esteira era feito através de um dispositivo digital,

localizado na parte superior do painel da mesma. Como o controle do inversor de frequência é um

dispositivo analógico que controla as frequências (em Hertz) da máquina, o mesmo precisou ser

adaptado para que fosse possível fazer a leitura das velocidades em quilômetros por hora.

A fiação foi trocada para que o mesmo alcançasse a parte superior do painel da esteira, e um novo

display foi acoplado na parte superior do controle fazendo as analogias entre a frequência e a

velocidade obtida.

2.4 Esteira finalizada

Após todos os reparos e modificações estruturais, a esteira foi montada e passou por etapas de

acabamento. foi feita a colocação de isotubo nos corrimões para proteção do usuário e a adaptação

de um painel de material acrílico. Por fim, um dispositivo de segurança do tipo botoeira foi instalado

na base da esteira, o qual pode ser usado pelo fisioterapeuta que acompanhará o treinamento do

paciente. A Figura 7 apresenta a esteira finalizada.

Figura 7 - Esteira finalizada (autores).

3. RESULTADOS

Após testes e medições, ficou constatada a eficácia do método utilizado para reduzir a velocidade

do equipamento. O inversor de frequência empregado no projeto cumpriu os requisitos esperados

do mesmo, ou seja, reduziu a velocidade da esteira sem reduzir o torque a baixas velocidades.

A menor velocidade inicial atingida foi de 0,006 m/s e toda a variação de velocidades, de acordo com

a frequência ajustada pelo inversor, pode ser verificada na Tabela 1.

Tabela 1 - Velocidades obtidas após a instalação do inversor

Frequência Velocidade

[Hz] m/s Km/h

0,5 0,006 0,021

0,6 0,007 0,025

0,7 0,008 0,029

0,8 0,009 0,034

0,9 0,011 0,038

1,0 0,012 0,042

5,0 0,058 0,210

10,0 0,117 0,420

15,0 0,175 0630

20,0 0,233 0,840

25,0 0,292 1,050

30,0 0,350 1,260

35,0 0,408 1,470

40,0 0,467 1,680

45,0 0,525 1,891

50,0 0,584 2,101

55,0 0,642 2,311

60,0 0,700 2,521

4. CONCLUSÕES

A esteira ergométrica apresentou menor velocidade inicial sem perder seu torque, ou seja, foi

possível obter-se uma partida suave mesmo carregada e com velocidades bem abaixo do padrão

inicial. As velocidades atingidas apresentaram valores abaixo dos iniciais obtidos com o motor de

corrente contínua, tendo em vista que, o valor inicial antes da substituição do motor era de 1 km/h e

após a instalação do inversor de frequência esse valor diminuiu para 0,021 km/h, ou seja, sua

velocidade foi reduzida a aproximadamente 98% de seu valor inicial, sendo possível aumenta-la

gradualmente conforme a solicitação do serviço.

A identificação dos recursos de segurança que possuem maiores potenciais para garantir a

estabilidade do usuário, no que diz respeito à proteção contra quedas e demais acidentes foi

fundamental no presente projeto, pois quanto maior a segurança melhor será a autonomia do

paciente ao usar o equipamento.

Nesse sentido, ressalta-se a importância dos estudos fundamentais que abordam o conceito de

transmissão de potência, soldagem, seleção de materiais e estudo de falhas mecânicas em

estruturas estáticas que foram utilizados como uma ferramenta transversal que, devido à sua

aplicação e compreensão dos resultados, como neste trabalho, surgiram como peça primordial na

construção do equipamento, que atuou como parte de um sistema de melhoria, mensurando,

avaliando e consequentemente, atendendo aos critérios inicialmente propostos.

5. REFERENCIAS

[1] ROSE, Jessica; GAMBLE, James G. Marcha Humana. Premier Editora. São Paulo. 1998. [2] PERRY, Jacquelin. Análise de Marcha: Marcha Normal. Editora Manole. São Paulo. 2005. [3] BURNS, Yvone R.; MACDONALD, Julie. Fisioterapia e Crescimento na Infância. Editora Santos. São Paulo. 1999. [4] BUDYNAS, Richard G.; NISBETT, J. Keith. Elementos de Máquinas de Shigley: Projeto de Engenharia Mecânica. AMGH Editora. 8ª edição. Porto Alegre. 2011. Agradecimentos

Os autores agradecem a UNISANTA - Universidade Santa Cecília pelo apoio recebido durante

toda a execução desta pesquisa e a todos que colaboraram para a produção deste artigo.