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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROJETO E FABRICAÇÃO DE UM SUPORTE

PARCIAL DE PESO DE BAIXO CUSTO COM

PROTÓTIPO DE UM INSTRUMENTO PARA

MEDIÇÃO DE MASSA

JOÃO VICTOR ALVES PINTO BEZERRA

NATAL- RN, 2018







MEDIÇÃO DE MASSA


Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. Márcio Valério de Araújo.

NATAL - RN

2018







MEDIÇÃO DE MASSA


Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. Márcio Valério de Araújo ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador

Prof. Dr. Evans Paiva da Costa Ferreira ___________________________

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

Prof. Me. Igor Lopes de Andrade ___________________________ Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

NATAL, 13 de dezembro de 2018.

i

Agradecimentos

Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas

pessoas as quais presto minha homenagem:

Aos meu pais, Edenilson e Marleide, por todo incentivo e por acreditarem

em mim em todos os momentos.

Ao Prof. Dr. Márcio Valério de Araújo pelos seus conselhos, sugestões,

pela sua disponibilidade e dedicação para orientar esse trabalho.

Ao Laboratório de Manufatura (LabMan) da UFRN, em especial aos

técnicos Elmar Damasceno, Francisco Chavier, Francisco Luiz da Silva, João

Maria Alves Frazão, José de Jesus Pereira Santos e ao estagiário do LabMan e

colega de graduação Jordan Nelson, pela disposição, paciência e conselhos

para a realização do trabalho com a máxima qualidade possível.

Ao Laboratório de Metrologia da UFRN, em especial aos técnicos Luis

Henrique, Alan Cesar e ao Prof. Me. Igor Lopes de Andrade, pela enorme

disposição e contribuição para realização deste trabalho.

A minha namorada e companheira de curso Andressa Santos, por toda

sua ajuda, paciência e incentivo para que esse trabalho fosse elaborado da

melhor maneira.

ii

Bezerra, J.V.A.P. Projeto e construção de um suporte parcial de peso de

baixo custo. 2018. 53 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em

Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-

RN, 2018.

Resumo

Este trabalho tem como finalidade a elaboração de um projeto para a

construção de um suporte parcial de peso de baixo custo. A primeira etapa

foi realizar um levantamento de preços e da disponibilidade dos materiais que

podem ser encontrados no comercio local. Após essa etapa foi realizado o

desenho da estrutura no software SolidWorks, para assim, definir suas

dimensões. Com a modelagem do suporte feita no CAD, foi realizada uma

simulação de esforços no SolidWorks simulation, onde foi possível analisar

as tensões e deformações máximas as quais a estrutura será submetida

sendo possível assim calcular o coeficiente de segurança da mesma. Com a

verificação de que o projeto irá atendar as solicitações exigidas foi realizada

a fabricação da estrutura. A construção do equipamento foi feita no laboratório

de Manufatura da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, para sua

fabricação foram realizados processos como: corte, soldagem, furação,

abertura de rosca interna, dobramento. Também foi desenvolvido um

protótipo de um dinamômetro de mola de baixo custo para a realização de

testes preliminares. Ao final do projeto foi possível chegar a um suporte

parcial de peso que atendesse as necessidades desejadas e com um custo

menor do que os vendidos no mercado.

Palavras-chave: Projeto, fabricação, baixo custo, dinamômetro

iii

Bezerra, J.V.A.P. Project and construction of a low cost partial weight

support. 2018. 53 p. Conclusion work project (Graduate in Mechanical

Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.

Abstract

This work has the purpose of elaborating a project for the construction

of a low cost partial weight support. The first step was to conduct a survey of

prices and the availability of materials that can be found in local commerce.

After this step the design of the structure in the SolidWorks software was

carried out, in order to define its dimensions. With the modeling of the support

made in CAD, a simulation of stresses was performed in SolidWorks

simulation, where it was possible to analyze the maximum tensions and

deformations which the structure will be submitted and it is possible to

calculate the safety coefficient of the same. With the verification that the

project will meet the required requirements, the fabrication of the structure was

carried out. The construction of the equipment was done in the Laboratory of

Manufacture of the Federal University of Rio Grande do Norte, for its

manufacture were carried out processes as: cutting, welding, drilling, internal

thread opening, folding. A prototype of a low-cost spring dynamometer was

also developed for preliminary tests. At the end of the project it was possible

to reach a partial weight support that would meet the desired needs and at a

lower cost than those sold in the market..

Keywords: Design, manufacturing, low cost, dynamometer

iv

Sumário

Agradecimentos .................................................................................. i

Resumo ............................................................................................. ii

Abstract ............................................................................................ iii

Sumário ............................................................................................ iv

1 Introdução....................................................................................... 1

1.1 Objetivo geral ........................................................................... 2

1.2 Objetivos específicos ............................................................... 2

2 Revisão Bibliográfica ...................................................................... 3

2.1 Suportes parciais de peso ........................................................ 3

2.2 Sistemas de elevação .............................................................. 7

2.3 Medição de peso ...................................................................... 9

2.3.1 Células de carga.............................................................. 11

2.3.2 Dinamômetros ................................................................. 12

2.4 Análise estrutural ................................................................... 13

2.4.1 Tensão ............................................................................ 14

2.4.2 Deformação ..................................................................... 16

2.4.3 Método dos elementos finitos .......................................... 17

3 Metodologia .................................................................................. 18

3.1 Estrutura do suporte parcial de peso ..................................... 19

3.2 Talha elétrica ......................................................................... 23

3.3 Rodízios ................................................................................. 23

3.4 Dinamômetro ......................................................................... 24

4 Resultados e discussões .............................................................. 27

4.1 Suporte parcial de peso ......................................................... 27

4.1.1 Análise estrutural do suporte parcial de peso .................. 27

v

4.1.2 Medidas finais e custo do SPP ........................................ 30

4.2 Testes preliminares do protótipo do dinamômetro ................. 32

5 Conclusão..................................................................................... 35

6 Referências bibliográficas............................................................. 36

7 Apêndice....................................................................................... 38

1

1 Introdução

O movimento é um aspecto essencial da vida, além de prejudicar aspectos

fundamentais da vida diária, a perda dos movimentos motores causa danos no

psicológico das pessoas afetadas por esses problemas, como perda da

autoestima, ansiedade e depressão.

A reabilitação, após traumas ao sistema nervoso central, requer que o

paciente desenvolva rotinas de movimentos que simulem as tarefas funcionais.

Com isso, planos de reabilitação que ajudam o paciente a aprender ou

reaprender a realizar as atividades funcionais são de suma importância para a

independência do paciente. As estratégias terapêuticas são elaboradas visando

melhorar a qualidade e quantidade dos movimentos e postura. Várias técnicas

podem ser utilizadas no processo de reabilitação motora, como: fisioterapia,

hidroterapia e treino locomotor com o suporte de peso (TLSP).

O treino locomotor com suporte de peso é uma técnica utilizada acerca de

20 anos no campo da reabilitação física. Nesse tipo de processo o indivíduo

treina o caminhar ao passo que sua massa corporal é parcialmente sustentada

pelo suporte. O TSLP não apresenta efetividade apenas nos ganhos motores do

paciente, ele fornece ganhos na capacidade aeróbica, melhora

osteomusculares, reduz o risco de problemas cardiovasculares e melhoras do

ponto de vista psicológico. Apesar de apresentar diversas vantagens o TLSP

ainda é uma técnica bastante restrita. Além de muito caro, os locais que possuem

esse sistema são bastante escassos.

Atualmente no laboratório de robótica do departamento de computação e

automação (DCA) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) é

desenvolvido o projeto de um exoesqueleto robótico, o Ortholeg, que visa dar

acessibilidade e mobilidade a pessoas que perderam os movimentos dos

membros inferiores. Periodicamente são realizados testes do exoesqueleto com

portadores de deficiência física e para isso é necessário garantir a segurança do

paciente e a melhor forma de realizar isso é com a utilização de um suporte

parcial de peso (SPP).

2

Sabendo das dificuldades em se adquirir um SPP e visando atender a

demanda do projeto Ortholeg, esse trabalho teve como finalidade realizar o

projeto e a construção de um suporte parcial de peso de baixo custo, utilizando

tubos de metalon de aço 1020, de seção quadrada de 60mmx60mm, fazendo

uso de uma talha elétrica como sistema de elevação. Além de visar a fabricação

de um sistema barato, foi pensando em um sistema que permita ser desmontado

e assim poder ser transportado com mais facilidade do que os equipamentos

comuns. Também foi desenvolvido um protótipo de um dinamômetro de mola

para ser utilizado no suporte, esse dinamômetro visa realizar alguns testes

preliminares para o projeto Ortholeg.

1.1 Objetivo geral

Projetar e construir um suporte parcial de peso de baixo custo com um

sistema de avaliação de massa corporal.

1.2 Objetivos específicos

Para alcançar o objetivo geral podemos listar alguns objetivos específicos:

1. Realizar o projeto em CAD de um sistema que atenda as demandas

do projeto Ortholeg;

2. Realizar a análise estrutural do SPP através do Método dos elementos

finitos;

3. Construir um protótipo de um dinamômetro de mola para pesar uma

pessoa utilizando um exoesqueleto;

3

2 Revisão Bibliográfica

Para uma melhor compreensão dos fatores que influenciam no projeto e

na fabricação de um suporte parcial de peso e no desenvolvimento de um

sistema de medição de massa, fez-se necessário o estudo de alguns temas. Em

um primeiro momento foi realizado um estudo sobre os tipos de dispositivos

auxiliares de marchas existentes, para assim determinar qual o melhor sistema

para ser utilizado por um paciente que está aprendendo a utilizar um

exoesqueleto. Posterior a isso foi revisado temas referentes a analise estrutural,

com o intuito de projetar uma estrutura segura para um indivíduo com limitações

em seus movimentos. Por fim, uma análise sobre os métodos de medição de

massa de deficientes físicos foi feita, com o objetivo de construir um modelo para

pesagem que melhor se adequasse as necessidades do projeto.

2.1 Suportes parciais de peso

O uso de dispositivos auxiliares de marcha nos treinos motores é de

grande importância nos processos de reabilitação. Dispositivos auxiliares de

marcha ajudam a melhor a postura do paciente durante os exercícios, a evitar

sobrecarga em regiões fragilizadas, assim como também garantir uma maior

autonomia do usuário durante as atividades. Existem alguns tipos de sistemas

de suportes parciais de peso utilizados nos treinos locomotores, equipamentos

que variam de simples bengalas até robustos sistemas de suporte parcial de

peso com utilização de esteiras.

As bengalas têm como objetivo aumentar a base de apoio do usuário para

assim melhorar o seu equilíbrio. A utilização da bengala é aconselhada para

pessoas, principalmente, com comprometimento dos joelhos e quadril.

As muletas podem ser divididas em dois tipos: as axilares e as

canadenses ou de antebraço. As muletas axilares são as mais usuais e

propiciam que o usuário ande sem se apoiar em um dos membros inferiores,

algumas das desvantagens é o incomodo e cansaço nos braços e cotovelos. Já

as do tipo canadense são muletas de fácil ajuste e possuem seu apoio no

antebraço, como desvantagem as muletas canadenses proporcionam um menor

apoio lateral ao paciente.

4

Suporte parcial de peso é um sistema de suspensão que sustenta uma

parte ou a totalidade do peso do paciente durante seções de fisioterapia. Com a

utilização do equipamento é possível reduzir a resultante entre a força

gravitacional e força de suspenção, diminuindo assim a carga sobre os membros

inferiores e como consequência facilita a marcha do paciente, minimiza o risco

de quedas e otimiza o desempenho da atividade de reabilitação.

A suspensão parcial de peso é indicada para pessoas que possuem

alterações provindas de desordens neurológicas, posturais, musculares, assim

como déficit de equilíbrio. Com o uso do suporte, é possível começar mais cedo

o processo de fisioterapia de pacientes com acidente vascular encefálico,

paralisia cerebral, pós traumatismo raquimedular, entre outros. Segundo

Haupenthal et al (2008) em treinos de marcha o suporte pode absorver de 15%

a 80% do peso, vale ressaltar que em outros tipos de exercícios os suportes

podem suportar até 100% do peso do paciente. Na figura 1 é mostrado um

exemplo de suporte parcial de peso.

Figura 1 – Suporte parcial de peso com esteira integrada.

Fonte: MedicalExpo.

Existem basicamente dois tipos de treinos com o suporte parcial de peso,

que é a suspensão do paciente por um colete sobre uma esteira elétrica ou sobre

o chão fixo. Os modelos de suporte variam de fabricante para fabricante, é

possível encontrar no mercado vários tipos de equipamentos, como sistemas

que possuem esteiras elétricas fixadas ao suporte, equipamentos que possuem

atuadores pneumáticos para regulagem de altura, outros suportes apresentam

5

sistema de pesagem digital incorporado ao sistema, alguns outros possuem

corrimões junto com esteiras para dar mais segurança ao paciente. No Brasil,

esse tipo de técnica ainda é escassa seja no mercado ou em clinicas e hospitais.

Com o objetivo de ter uma referência para a construção do suporte foi

realizada uma pesquisa de modelos de suportes parciais de peso existentes.

Nas tabelas 1 e 2 são mostrados dados referentes a dois tipos de suportes de

diferentes fabricantes, as figuras 2 e 3 mostram suas respectivas imagens.

Figura 2 – Suporte parcial de peso da marca PhysioGait

Fonte: PhysioGait.

Tabela 1 – Caracteristicas do suporte da PhysioGait

Capacidade de peso 163 kg

Altura máxima 2,4m

Altura máxima do paciente 2,2m

Comprimento da base 1,2m

Peso da estrutura Não informado pelo fabricante

Distância entre os pés Não informado pelo fabricante

Material Não informado pelo fabricante

Principais características

Atuador pneumático para ajuste de altura; Sistema de pesagem integrado Possibilidade de ser usado com uma esteira;

Preço $ 9,999

6

Preço (Cotação do dia 12/12/18) R$ 38596,14

Fonte: PhysioGait.

Figura 3 – Suporte parcial de peso LiftAid320

Fonte: STATEWIDE HOME HEALTH CARE.

Tabela 2 – Caracteristicas do suporte LiftAid320.

Capacidade de peso 163 kg

Altura máxima 2,18 m

Altura máxima do paciente Não informado pelo fabricante

Comprimento da base 1,4 m

Distância entre os pés 1,55 m

Peso da estrutura 63,2 kg

Material Alumínio

Principais características Atuador pneumático para ajuste de altura; Estrutura dobrável;

Preço $ 5,640

Preço (Cotação do dia 12/12/18) R$ 21770,40

Fonte: STATEWIDE HOME HEALTH CARE.

Uma opção para os SPP oferecidos no mercado é realizar a construção do

equipamento. O trabalho de Chong et al (2009) mostra como foi realizado a elaboração

de um suporte de peso, que possui um sistema de elevação manual composto por polias

e um sistema que monitora e registra o peso corporal sustentado pelo SPP, utilizando

7

uma célula de carga como sensor. Na figura 4 é mostrado o sistema construindo por

Chong et al (2009).

Figura 4 – Sistema construindo por Chong et al (2009).

Fonte: Chong (2009)

2.2 Sistemas de elevação

Os suportes parciais de pesos possuem sistemas de elevação em sua

estrutura. Visando escolher um sistema de içamento adequado para ser utilizado

no projeto foi realizado um estudo sobre máquinas de elevação.

Maquinas de elevação são empregadas para mover cargas em

estabelecimentos ou áreas, departamentos, fábricas e indústrias, nos locais de

construção, de armazenagem e recarga, etc. (Rudenko, 1976). Os sistemas de

elevação dos SPP têm como objetivos elevar total ou parcialmente o paciente

visando melhorar à postura corporal e diminuir os esforços sobre os membros

inferiores do mesmo.

Os equipamentos de suspensão parcial de peso em geral usam dois

tipos de equipamentos de elevação, que são: manual, onde o içamento é

realizado através de polias ou então por um motor elétrico. No mercado existe

uma grande variedade de modelos e marcas de sistemas de elevação para as

8

mais diversas aplicações. Uma escolha eficaz dos aparelhos de elevação exige

um conhecimento adequado do projeto e das características operacionais do

mecanismo. Alguns fatores técnicos observados para a escolha do equipamento

são: tempo programado para operação, espécie e propriedade das cargas,

direção e distância do percurso.

Dos tipos de maquinas de elevação os guinchos é o grupo mais extenso

dentro das maquinas de elevações. Guincho é um equipamento que é utilizado

para elevar cargas ou pessoas na direção vertical por meio de tração e o seu

princípio de funcionamento é bastante simples, ele basicamente é constituído de

um rolo que serve para enrolar um cabo. Os principais tipos de guinchos são:

Guinchos elétricos;

Guinchos hidráulicos;

Guinchos manuais;

Guinchos mecânicos;

Talhas elétricas são guinchos que transformam energia elétrica em

movimento vertical. As talhas elétricas geralmente são compostas por motores

monofásicos, estes motores possuem em seu interior um rolamento de cobre um

rotor não energizado, que possui um polo positivo e um negativo, em motor

monofásico de corrente alternada, que ao ser energizado gera um campo

magnético, girando assim o seu rotor. As principais vantagens de se utilizar esse

tipo de mecanismo são sua grande eficiente e a capacidade de erguer cargas

pesadas sem ocupar um grande espaço.

Figura 5 – Talha elétrica

9

Fonte: Motomil

2.3 Medição de peso

Inicialmente é importante diferenciar os conceitos de massa e peso. A

massa é uma propriedade inercial, que indica a quantidade de matéria de um

corpo. Já o peso é uma quantidade vetorial associada à massa. Peso e massa

se relacionam através da segunda lei de Newton. Na prática o que se é medido

é força, e conhecendo a aceleração da gravidade do local, pode se determinar a

massa de um determinado corpo.

Para pesagem de deficientes físicos, existe a particularidade de que o

indivíduo não consegue manter-se na posição de pé na plataforma da balança

(Ribeiro, 2002). Nesses casos, pode-se utilizar um dos quatro mecanismos de

pesagem explicitados a seguir, segundo Ribeiro (2002):

No caso de pacientes acamados, incapazes de andar, são usadas

balanças especiais para a pesagem no leito, dos seguintes tipos: de rampa, onde

as rodas da cama do paciente são posicionadas sobre a plataforma de pesagem,

como mostradas na figura 6 e integrada com um elevador de transferência, como

mostrado na figura 7.

Figura 6 – Balança do tipo rampa Ottoboni MS6000.

10

Fonte: Ottoboni (2017).

Figura 7 – Balança do tipo integrada com um elevador de transferência eletrico Scala-

Tronix.

Fonte: Medical EXPO (2017).

Outro método para obtenção da massa corpórea do indivíduo é pesagem

por diferença, quando o portador de deficiência é segurado por outra pessoa,

que foi pesada anteriormente, em cima de uma balança e, em seguida, é

calculado o peso do deficiente pela diferença dos resultados medidos.

Um terceiro meio é pesagem dos pacientes, sentados, com as pernas

cruzadas sobre a plataforma de pesagem. Segundo Ribeiro, et al. (2002)

experimentos realizados, comparando dados com o de pessoas sem deficiência,

11

foi observado que não houve diferenças significativas para os resultados obtidos,

o que torna o método confiável.

Por fim, um quarto método utilizado é a através da estimativa de peso.

Para se estimar o peso do paciente, são tiradas medidas do tamanho do braço

e a da altura do paciente, e através de cálculos realizados é possível ter uma

estimativa da massa corpórea do indivíduo.

Para se criar uma alternativa mais simples, compacta e barata aos tipos

de pesagem de deficientes físicos, foi realizado um estudo dos sistemas de

medição de massa corpora, com o intuito de adquirir um senso criticar e assim

propor um sistema eficaz.

2.3.1 Células de carga

As células de carga são atualmente os instrumentos mais utilizados para

medir força. Dentre os tipos de células de carga o mais difundido é célula de

carga de extensômetros. O funcionamento das células de carga é baseado nas

leis de Hooke, equação 1 e na segunda lei de Ohm, equação 2.

𝜎 = 𝐸 ∗∈ (1)

𝑅 = 𝜌∗𝐿

𝐴 (2)

Onde 𝜎 é a tensão, ∈ é a deformação e 𝐸 é o módulo de elasticidade do

material. Já para equação 2 R, é a resistência, 𝜌 é a resistividade do material L

é o comprimento e A é a seção transversal.

A lei de Hooke estabelece uma proporcionalidade entre a tensão e a

deformação de um determinado material. Já a segunda lei de Ohm diz que ao

ser alterado o comprimento L de um condutor, ocorrera uma mudança da

resistência elétrica do mesmo. Sabendo disso, é possível relacionar a carga

aplicada a célula de carga com a variação de potencial elétrico de saída da

mesma, e com isso, determinar qual o valor da carga que foi aplicada. A

usinagem de células de cargas extensomêtricas possui um alto custo, pois ela

precisa ter um alto controle dimensional e geométrico, algumas vezes só

atingidos com maquinas de usinagem com comando numérico, outro fator que

12

encarasse a produção desses instrumentos é alto preço associado aos sensores

de deformações.

Figura 8 – Célula de carga extensomêtrica HBM.

Fonte: HBM.

Além das células de cargas baseadas extensomêtricas, existem outros

tipos de células que não atuam com o princípio de deformação de

extensômetros, alguns exemplos são: células piezoelétricas, capacitivas,

indutivas, entre outras.

2.3.2 Dinamômetros

A lei de Hooke mostrada na equação 1, pode ser expressa para os casos

específicos de mola, como mostrado na equação 3:

𝐹 = 𝑘 ∗ 𝑥 (3)

Onde k representa a constante de rigidez, x a deformação da mola, F é a

força aplicada e x o deslocamento da mola.

Baseados na lei de Hooke, onde o deslocamento das extremidades de

uma mola é diretamente proporcional a força aplicada, considerando a região

elástica. Na pratica utiliza-se uma mola fixada em uma das extremidades, e na

outra se aplica uma força, causando assim uma deformação na mesma.

Um dinamômetro basicamente é constituído dos seguintes componentes:

uma mola, dois cilindros concêntricos, ganchos ou anéis nas extremidades e

13

uma escala de medição. A grande vantagem da utilização de dinamômetros é o

seu baixo custo e sua simplicidade de fabricação.

Figura 9 – Dinamômetro de mola.

Fonte: Basculas Nuevo Leon (2017).

2.4 Análise estrutural

Nessa seção serão apresentados os conceitos básicos de analise

estrutural. Todo o conteúdo apresentado neste tópico servira como arcabouço

para o projeto do suporte parcial de peso desenvolvido para utilização de

usuários com um exoesqueleto.

A resistência dos materiais é um ramo da mecânica que estuda as

relações entre as cargas externas aplicadas a um corpo deformável e a

intensidade das forças internas que agem no interior do corpo. Esse assunto

também envolve o cálculo das deformações do corpo e proporciona o estudo de

sua estabilidade quando sujeito a forças externas (Hibbler, 2010).

Nos projetos estruturais de qualquer estrutura ou sistema mecânico, é

de suma importância usar os conceitos da estática para avaliar as forças que

atuam sobre os elementos, assim como em seu interior. O comportamento da

estrutura não depende apenas da intensidade dos esforços, mas também do tipo

de material usado para construção. Para resolver problemas referente a

resistência dos materiais é preciso ter os conceitos de tensão e deformação

consolidados.

14

2.4.1 Tensão

Na figura x podemos observar uma seção do objeto onde sua área foi

subdividida em áreas infinitesimais ∆𝐴. Uma força muito pequena, de intensidade

∆𝐹 age sobre a área ∆𝐴. Se decompormos as força ∆𝐹, componentes nos

sentidos dos eixos x, y e z, teremos três componentes, que serão tangentes e

normal á área. Ao fazer com que ∆𝐴 tenda a zero, a força ∆𝐹 e suas

componentes também se aproximaram de zero, porem o quociente entre a força

e a área tendera a um limite finito. Esse quociente é chamado de tensão, assim

descrevendo a intensidade de uma força interna que age sobre uma área

especifica.

Figura 10 – Elemento arbitrário sobre ação de forças quaisquer.

15

Fonte: Hibbler (2010)

A tensão é dita como normal quanto a força age perpendicularmente a

área, e tem como símbolo 𝝈. Para a figura 4 a força normal pode ser definida da

seguinte forma:

𝜎𝑧 = lim∆𝐴→0

∆𝐹𝑧

∆𝐴 (4)

Se a força tracionar o elemento, como é mostrando na figura (10),

teremos uma tensão de tração, já se uma força comprimir o elemento, essa

tensão será denominada de tensão de compressão.

Já para as forças que agem tangente a ∆𝐴 a tensão é denomina de

tensão de cisalhamento (𝜏). Para figura 5, teremos as seguintes tensões de

cisalhamento:

𝜏𝑧,𝑥 = lim∆𝐴→0

∆𝐹𝑥

∆𝐴 (5)

𝜏𝑧,𝑦 = lim∆𝐴→0

∆𝐹𝑦

∆𝐴 (6)

Outro conceito importante de ser compreendido para projetos estruturais

é o de tensão admissível. O projetista de um determinado sistema deve restringir

a tensão que irá agir em um material a patamares seguros. A fim de garantir a

segurança da estrutura, é necessário restringir a carga aplicada a um valor

menor do que os elementos podem suportar. Trabalhar com valores mais baixos

de tensão é importante para garantir a integridade do sistema, pelos seguintes

motivos: durante sua utilização pode ocorrer algum tipo de sobrecarga, as

dimensões determinadas no projeto podem não coincidirem exatamente com as

dimensões reais das estruturas por erros de fabricação ou montagem, além de

desgastes que ocorrem no equipamento com o passar do tempo.

Uma forma de se especificar a carga admissível para um projeto de uma

máquina ou equipamento é o uso de um número denominado de fator de

segurança (FS). O fator de segurança é expresso pelo quociente entre a carga

de ruptura do material e a carga admissível. A força de ruptura é determinada

16

por ensaios mecânicos nos materiais. O fator de segurança é expresso e acordo

com a equação 7:

𝐹𝑆 = 𝐹𝑎𝑑𝑚

𝐹𝑟𝑢𝑝 (7)

O fator de segurança também pode ser expresso em relação as tenções

de normal e de cisalhamento, como mostrado nas equações 8 e 9,

respectivamente:

𝐹𝑆 = 𝜎𝑎𝑑𝑚

𝜎𝑟𝑢𝑝 (8)

𝐹𝑆 = 𝜏𝑎𝑑𝑚

𝜏𝑟𝑢𝑝 (9)

Em qualquer aplicação o fator de segurança sempre deve ser maior do

que 1, para minimizar, o máximo possível, o potencial de falha. O quando o fator

de segurança deve ser maior do que a unidade depende de vários fatores como:

tipo de material utilizado no sistema, aplicação do equipamento, condições de

uso. Em geral, para maioria dos casos, existem normas técnicas que

estabelecem um FS mínimo para uma determinada aplicação.

2.4.2 Deformação

Sempre que uma força é aplicada a um corpo, esta tende a mudar a

forma e o tamanho dele. Essas mudanças são denominadas deformações e

podem ser altamente visíveis ou praticamente imperceptíveis se não forem

utilizados equipamentos que façam medições precisas (Hibbler, 2010).

A deformação pode ser dividida em: deformação normal e deformação

de cisalhamento. Segundo Hibbler (2010) deformação normal é o alongamento

ou contração de um seguimento de reta por unidade de comprimento.

Considerando um corpo de comprimento original ∆𝑆, e após aplicado uma carga

adquira um novo comprimento ∆𝑆′, portando a mudança de comprimento da reta

é ∆𝑆′ − ∆𝑆. A definição de deformação média, pode ser expressa de acordo com

a equação 10:

∈𝑚é𝑑=∆𝑆′− ∆𝑆

∆𝑆 (10)

17

Já a deformação normal pode ser descrida como a mudança que ocorre

no ângulo, representado por 𝛾 e medido em radianos, entre dois seguimentos de

reta, que a princípio, eram perpendiculares um ao outro.

2.4.3 Método dos elementos finitos

No âmbito da Engenharia de Estruturas, o Método dos Elementos Finitos

(MEF) tem como objetivo a determinação do estado de tensão e de deformação

de um sólido de geometria arbitrária sujeito a cargas externas. Esta metodologia

surgiu da necessidade de projetar estruturas complexas como, por exemplo, no

estudo de edifícios, pontes, barragens, etc., através de um método numérico de

baixo custo e boa confiabilidade. Recentemente, o MEF tem sido largamente

utilizado para simular e resolver inúmeros problemas não lineares nas áreas de

instabilidade estrutural, de sistemas dinâmicos, sistemas fluidos,

eletromagnéticos e de conformação mecânica (Araújo et. al., 2013).

O MEF é um método numérico usualmente utilizado para resolução de

problemas de engenharia. Problemas típicos que usam esse tipo de ferramenta

para solução estão relacionados à transferência de calor, fluido dinâmica, analise

estrutural e eletromagnetismo. A solução analítica desses problemas geralmente

requer a solução de equações diferenciais parciais para condições de contorno

que inviabilizam sua solução, sendo utilizada apenas para geometria simples e

meios homogêneos. Para resolver o problema, o método divide um problema

maior em vários problemas menores, discretizando o problema em vários pontos

do domínio, normalmente chamados de elementos finitos. (Souza, 2017).

Para este trabalho, foi utilizado o MEF de forma a simular o

comportamento de todos os elementos do suporte parcial de peso submetido a

diferentes cargas. Essa análise é importante por se tratar de uma aplicação que

necessita de alta confiabilidade estrutural, visto que servirá de suporte para

pessoas deficientes. Foi optado por simular todos os elementos juntos com seus

respectivos parafusos e soldas para garantir não só o funcionamento de peças

isoladas, mas também do conjunto. Para analisar a distribuição de tensões na

montagem do suporte parcial, o software gerou uma malha de pequenos

elementos, analisando a contribuição de pequenos pedaços de cada peça para

a resistência mecânica da estrutura.

18

3 Metodologia

Nesta seção serão abordados os processos, técnicas, ferramentas e

materiais, utilizados no projeto e na construção do suporte parcial de peso e do

sistema de pesagem.

A primeira etapa do projeto do SPP, foi pensar em um sistema que

atenda determinadas condições, que são:

Possibilidade de fabricações com processos tradicionais;

Disponibilidade de materiais no mercado local;

Que possibilite ser usado por um deficiente físico utilizando um

exoesqueleto robótico, que pesem juntos até 80 kg;

Equipamento que forneça segurança para a suspenção do

paciente;

SPP para ser utilizado em treino com chão fixo;

Sistema que possa ser desmontável, com o intuito de facilitar o

seu transporte;

A figura 11 mostra o desenho em software cad do suporte parcial de

peso idealizado. O software utilizado para o desenho foi SolidWorks, o principal

motivo para a escolha desse software é que o mesmo possibilita que sejam

realizadas simulações de elementos finitos nas estruturas desenhadas.

19

Figura 12 – Vista isométrica do suporte.

A estrutura foi construída com metalon, cujo o material é o aço 1020. O

SPP apresenta um guincho de capacidade de carga de até 100 Kg, quatro

rodízios que permitirão uma maior mobilidade a estrutura, uma barra central

onde o exoesqueleto poderá ser fixado para a realização de teste, além de um

protótipo de um dinamômetro de mola. Os desenhos técnicos do projeto, assim

como as dimensões tanto das peças individuais quanto da montagem são

mostrados no apêndice A. Nos próximos subtópicos serão abordados os

principais itens do suporte parcial de peso em separado.

3.1 Estrutura do suporte parcial de peso

Após uma consulta de mercado foi escolhido tubos de metalon para a

construção da estrutura. A escolha desse material se deu pelas suas boas

características mecânicas e por ser facilmente encontrado no mercado. Na

tabela 3 é mostrada algumas características do material comprado:

20

Tabela 3 – Caracteristicas do material usado na construção do suporte.

Material do metalon Aço 1020

Perfil da seção transversal Quadrado

Dimensões do perfil 60mm x 60 mm

Espessura da parede 2,65 mm

Comprimento das peças 6 m

Densidade linear 4,886 Kg/m

O suporte parcial de peso foi projetado de uma maneira que possibilite

que o mesmo seja desmontado em três partes, pois os pés da estrutura podem

ser desconectados da parte superior. A parte que permite que o sistema seja

desmontado é composta por quatro chapas metálicas em cada coluna do SPP,

onde duas estão no interior da coluna com metade soldada nos pés e a outra

metade livre, e as outras duas chapas são posicionadas na parte externa da

coluna com uma parte soldada na porção superior da estrutura e a outra parte

ficando livre, além disso foram feitos furos, para serem colocados parafusos M6,

com o intuito de dar uma maior fixação ao encaixe. Na figura 12 é mostrado como

o encaixe foi projetado.

Figura 12 – Detalhe do encaixe.

A maior parte da construção da estrutura do suporte foi realizada no

Laboratório de Manufatura da UFRN. Para a fabricação do SPP foram usados

processos como: corte, solda, dobramento, furação.

21

A primeira etapa do processo foi realizar o corte das peças. Como

exposto na tabela 3 cada peça do metalon possuía um comprimento total de 6m,

com isso se fez necessário cortar as peças dos tamanhos especificados no

projeto. Além dos perfis de metalon, também foi realizado o corte em uma chapa

de aço 1020 com 5mm de espessura, com o objetivo de fazer o encaixe dos pés

do suporte com a estrutura superior do mesmo. O corte foi realizado na serra de

fita Franho FM500. Foram produzidas as seguintes peças:

1 peça de 1120mm de comprimento;

4 peças de 1200mm de comprimento;

2 peças de 1100mm;

6 peças cortadas a 45° e com o comprimento da base maior de

350mm de comprimento;

8 chapas com 200mm de comprimento;

Para o corte das peças com ângulo de 45° foi ajustada a angulação da

morsa da serra de fita com auxílio de um esquadro. Na figura 13 é possível

observar uma das peças que foi cortada a 45°.

Figura 13 – Corte no metalon a 45°.

Após o corte foi realizado o lixamento das peças com o objetivo de tirar

as rebarbas geradas no corte e também o excesso de ferrugem. Na figura 14

pode-se observar uma das peças ante e depois de ser lixada.

22

Figura 14 – Peça antes e depois de ser lixada.

O processo de soldagem foi realizado por um profissional da área. Foi

utilizando um processo de solda por eletrodo revestido e o eletrodo usado foi o

e6013. Finalizado a soldagem foram feitos os furos para o encaixe dos rodízios,

assim como também para o sistema de encaixe entre os pés e parte superior da

estrutura, nesses furos também foram abertas roscas do tipo M6 com passo 1,0.

Na figura 15 pode se ver o processo de abertura de rosca.

Figura 15 – Abertura de rosca interna.

23

Após fazer todos os furos necessários, o suporte foi mais uma vez lixado

com o intuito de preparar sua superfície para a pintura. Visando proteger a

superfície de corrosão foi aplicado o zarcão, após isso foi aplicado um esmalte

sintético de cor branco gelo.

3.2 Talha elétrica

Para o sistema de elevação foi optado por usar uma talha elétrica da

fabricante de guinchos Motomil do modelo H-A 101, optou-se por essa talha por

ela atender as necessidades do projeto referentes a carga e dimensões. Na

tabela 4 são mostradas algumas características técnicas do produto.

Tabela 4 – Caracteristicas técnicas da talha elétrica.

Marca Motomil

Modelo H-A 101

Capacidade de carga sem polia

inversora 100 Kg

Capacidade de carga com polia

inversora

200 Kg

Altura 340 mm

Largura 140 mm

Comprimento 335 mm

Comprimento do cabo 12 m

Peso 11,14 Kg

Potência 450 W

Velocidade média de elevação 10 m/min

3.3 Rodízios

Sabendo que o sistema será utilizando para treinos em chão fixo, o

suporte foi projeto para receber quatro rodízios. Dois fatores foram levados em

consideração para a escolha do rodizio, foram eles: carga suportada e diâmetro

das rodas. Sabendo que os rodízios irão suportar as cargas ocasionadas pelo

peso do suporte, do sistema de elevação e do paciente utilizando o exoesqueleto

24

e também que as rodas não podem ser muito grandes, pois isso poderia

prejudicar sua utilização no laboratório onde ele será operado, foram comprados

rodízios que suportam até 50 quilos, cada, e com um diâmetro da roda de 60

mm. Na figura 16 é mostrado os rodízios que serão utilizados no SPP.

Figura 16 – Rodízios do SPP.

3.4 Dinamômetro

Após um estudo dos instrumentos para medição de massa, optou-se

pela utilização de um dinamômetro, os principais motivos pela escolha desse

equipamento foram: o baixo custo para sua construção e a facilidade de

fabricação do mesmo em comparação a outros sistemas. A princípio foi

desenvolvido um protótipo de um dinamômetro de mola e para isso foram

obedecidos dois requisitos para o seu desenvolvimento, que foram:

Capacidade de carregamento máximo de aproximadamente 800

N para esforço de tração simples;

Dimensões compatíveis para a utilização em um SPP;

Baixo custo;

Com o intuito de obter as informações necessárias a respeito da mola

selecionada para o projeto foi feito um ensaio de tração na mesma. O

experimento foi realizado no Laboratório de Metais e Ensaios Mecânicos

(LabMEM) da UFRN, o ensaio de tração foi realizado da seguinte maneira: a

mola foi fixada na máquina de ensaio da SHIMADZU, primeiramente com o

objetivo de fixar as garras foi aplicada uma carga de tração inicial de 100N na

25

mola, posteriormente a máquina foi configurada para avançar 0,1mm/s até atingir

uma carga de 850N. O gráfico com os pontos obtidos no ensaio foi gerado

utilizando o software Excel, na figura 17 é mostrado o gráfico força X

deslocamento da mola analisada.

Figura 17 – Gráfico força X deslocamento.

Ainda com auxílio do Excel foi encontrada a equação linear que melhor

representa o conjunto de pontos obtidos, que é mostrada na equação 8:

𝑦 = 10,044𝑥 + 138,03 (8)

Onde y é a força aplicada e x o deslocamento da mola. A equação 8 foi

importante para fornecer a constante elástica da mola (K) de aproximadamente

10,044 𝑁𝑚𝑚⁄ .

Conhecendo o comportamento elástico da mola e também a carga

máxima que o protótipo do dinamômetro será submetido, foram selecionados e

dimensionados os materiais usados na construção do mesmo, sempre visando

a construção de um equipamento de baixo custo, para isso foram utilizados os

seguintes materiais:

Peça de Metalon de seção quadra de 50mm x 50mm;

y = 10.044x + 138.03

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Forç

a(N

)

Deslocamento (mm)

Força x Deslocamento

26

Peça de náilon de 25mm de espessura e seção quadrada de

47mm x 47mm;

Peça de náilon de 25mm de espessura e seção circular de 30mm

de diâmetro;

4 parafusos M6;

Haste roscada de 3/16” e porcas de mesma dimensão;

Na figura 18 pode-se observar, a esquerda, a região interna do protótipo

que é composta pela peça de seção quadrada de náilon, que será fixada no

Metalon por parafusos M6, a mola e a peça circular de náilon que será móvel.

Do lado direito da figura 18 é mostrado o protótipo montado.

Figura 18 – Protótipo do dinamômetro.

27

4 Resultados e discussões

Nesta seção serão apresentados os resultados obtidos ao término do

trabalho da seguinte maneira: análise estrutural do suporte parcial de peso,

dimensões finais da estrutura, custo do SPP e por fim os resultados obtidos em

uma verificação do protótipo do dinamômetro de mola.

4.1 Suporte parcial de peso

Neste tópico serão apresentados os resultados referente ao suporte

parcial de peso.

4.1.1 Análise estrutural do suporte parcial de peso

Afim de assegurar que o equipamento irá funcionar de uma maneira

segura foi realizada uma análise estrutural do SPP, utilizando o método dos

elementos finitos. Para realizar o estudo foram adicionadas a montagem do

SolidWorks as abraçadeiras que irão segurar a talha elétrica. A simulação foi

realizada utilizando 4 apoios fixos nas posições dos rodízios e como carga

externa foi utilizada a opção de massa concentrada, a massa foi aplicada nos

locais da abraçadeira que irão segurar o motor, para o valor da massa a

capacidade de carga máxima da talha elétrica 100Kg, também foi levado em

consideração o peso do motor e do dinamômetro, portanto foi aplicada uma

massa de 30Kg em cada região de contato da abraçadeira com a talha,

totalizando assim 120Kg. Para realizar a simulação foram desconsideradas as

soldas, considerando assim a estrutura como um único sólido. Na figura 19 é

mostrado a distribuição das tensões no suporte considerando a tensão de Von

Mises.

28

Figura 19 – Distribuição de tensão na estrutura.

Na figura 20 é possível observar que o ponto mais crítico da estrutura

está sujeito a uma tensão de 6,16 𝑥 107 𝑁/𝑚2 , enquanto que o limite de

escoamento da estrutura é de 3,516 𝑥 108 𝑁/𝑚2. Outro estudo realizado foi o do

fator de segurança mínimo do suporte, afim de garantir a segurança da estrutura,

a figura 26 mostra o resultado do estudo.

29

Figura 20 – Fator de segurança mínimo da estrutura.

Como visto na figura (26) o fator de segurança mínimo do equipamento

é 5,707 o que mostra que a estrutura projeta é capaz de operar de forma segura

mesmo no caso mais crítico de utilização.

Com o intuito de comprovar os resultados teóricos foi feito um teste no

suporte, aonde ele içou os 100 Kg, que é a capacidade máxima do motor. Na

figura 21 é mostrado uma foto do momento em que o suporte ergue os 100Kg.

30

Figura 21 – Suporte finalizado.

4.1.2 Medidas finais e custo do SPP

Ao final da construção do SPP foram tiradas as medidas finais do

equipamento com o intuito de comparar com as cotas do projeto. Na tabela (5)

são mostrados os valores medidos e o peso do suporte.

Tabela 5 – Medidas finais do SPP.

Altura total 2460 mm

Altura interna 2400 mm

Largura total 1120 mm

Largura interna 1000 mm

Comprimento dos pés 1200 mm

Espaço para talha elétrica 440 mm

Peso sem a talha elétrica 49,5 Kg

Peso com a talha elétrica 60,64 Kg

31

Ao comparar os valores da tabela 5 com as cotas do projeto no apêndice

A é possível verificar que a estrutura final possui os valores que foram

especificados no projeto. Essa convergência de valores é importante pois o

suporte parcial de peso será utilizado em um laboratório, tendo assim limitação

na sua altura total, além disso, a largura e a altura interna deveriam obedecer às

cotas estipuladas no projeto para acomodar o usuário do SPP de forma que ele

tenha liberdade para realizar o uso do suporte sem a preocupação de choques

com a estrutura.

Por fim foi feito um levantamento dos gastos com o material para

construção do SPP. Para esse levantamento foi considerado o metalon utilizado

no projeto, o preço dos rodízios e da talha elétrica, dos parafusos M6 e outros.

Os custos com o material podem ser vistos na tabela 6.

Tabela 6 – Custos com material.

Material Quantidade Custo total

Metalon 60mm x 60 mm 1010 mm R$ 190,39

Rodizio 4 unidades R$ 240,00

Talha elétrica Motomil 1 unidade R$ 785,00

Parafusos M6 16 unidades R$ 16,00

Solda - R$ 50,00

Tintas e afins 2 unidades R$ 50,00

Total R$ 1331,39

Ao verificar a tabela 6 foi possível concluir que o projeto e a construção

do suporte parcial de peso atingiram um de seus objetivos que foi a construção

de um equipamento de baixo custo comparado aos que são comercializados

atualmente. Na figura 22 é mostrado o suporte finalizado.

32

Figura 22 – Suporte finalizado.

4.2 Testes preliminares do protótipo do dinamômetro

Com o intuito de analisar os resultados das medições de massa

fornecidos pelo protótipo foi realizado uma verificação do mesmo no Laboratório

de Metrologia da UFRN. Para realizar o experimento o dinamômetro foi colocado

em um guincho hidráulico em uma de suas extremidades e na outra foi colocado

um sistema de suporte para os pesos padrões com uma haste, na figura 23 é

mostrado o esquema elaborado para realização do experimento.

33

Figura 23 – Sistema para verificação do protótipo.

Após a montagem do esquema mostrado na figura 23 foram realizadas

três séries de medições, utilizando massas padrões, onde a massa foi variando

de 5 em 5 Kg, começando de 20 Kg e finalizando em 80 Kg. Na tabela 8 é

mostrado os resultados indicados no protótipo e uma média da leitura.

Tabela 8 – Resultados da verificação do protótipo.

Peso Valor

medido 1

Valor

medido 2

Valor

medido 3 Média Erro

20 Kg 20 Kg 20 Kg 20 Kg 20 Kg 0%

25 Kg 25 Kg 25 Kg 25 Kg 25 Kg 0%

30 Kg 30 Kg 30 Kg 30 Kg 30 Kg 0%

35 Kg 35 Kg 36 Kg 35 Kg 35,33 Kg 0,94%

40 Kg 40 Kg 41 Kg 40 Kg 40,33 Kg 0,83%

45 Kg 45 Kg 45 Kg 45 Kg 45 Kg 0%

50 Kg 51 Kg 51 Kg 51 Kg 51 Kg 2%

34

55 Kg 56 Kg 56 Kg 56 Kg 56 Kg 1,82%

60 Kg 61 Kg 61 Kg 61 Kg 61 Kg 1,67%

65 Kg 66 Kg 66 Kg 66 Kg 66 Kg 1,54%

70 Kg 71 Kg 71 Kg 71 Kg 71 Kg 1,43%

75 Kg 76 Kg 76 Kg 76 Kg 76 Kg 1,33%

80 Kg 81 Kg 81 Kg 81 Kg 81 Kg 1,25%

O protótipo apresentou erro máximo de 1 Kg o que é satisfatório para a

aplicação desejada, visto que não será necessário aferir com exatidão a massa

do usuário do exoesqueleto, mas sim fornecer uma estimativa da massa do

paciente.

35

5 Conclusão

O projeto e construção do suporte parcial de peso teve como principal

finalidade a construção de um equipamento de baixo custo que atendesse as

necessidades do projeto Ortholeg. Para atingir os objetivos estabelecidos, em

primeiro lugar foi idealizado um sistema que pudesse atender todos os requisitos

exigidos, posterior a isso foi realizado uma consulta no mercado local a fim de

selecionar os materiais que mais se adequassem ao projeto, selecionados os

materiais foi construído um SPP de metalon, com um sistema de elevação

elétrico, quatro rodízios, com a possibilidade de ser desmontado para facilitar

seu transporte e uma barra central onde pode-se fixar o exoesqueleto afim de

realizar teste utilizando as ferramentas disponíveis no Laboratório de Manufatura

da UFRN. Ao termino de sua fabricação o equipamento apresentou os resultados

esperados, principalmente no que é referente ao quesito baixo custo.

Para o protótipo de um instrumento de medição de massa, foi escolhido

realizar a construção de um dinamômetro, essa escolha se deu pela facilidade e

o baixo custo de sua fabricação. O protótipo do dinamômetro de mola foi

construído usando uma peça de metalon e peças de náilon. Ao termino de sua

construção foi realizado uma verificação dos resultados fornecidos pelo

protótipo, que se mostrou eficiente para a aplicação desejada.

De maneira geral esse trabalho atingiu todos os objetivos pré-

determinados. A elaboração desse projeto foi bastante importante para observar

as dificuldades de se aplicar os conceitos teóricos na prática, pois para fins

acadêmicos muitas vezes os problemas são mostrados de maneira idealizadas

não condizendo com situações reais. Outro ponto bastante positivo foi a

possibilidade de usar ferramentas muitas vezes não utilizadas durante a

graduação e também de aprender na pratica, com os professores e técnicos, os

temas ligados a elaboração desse trabalho.

36

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38

7 Apêndice

Nessa seção serão mostrados os desenhos técnicos referente ao SPP.

Na primeira figura é mostrada uma vista isométrica do suporte e a numeração

de cada peça.

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