Estudos e Projetos de Próteses Ativas Enfatizando a Prototipagem

Sitientibus Serie Ciencias Fısicas 04: 32-45 (2008)

Estudos e Projetos de Proteses Ativas Enfatizando a Prototipagem Rapida

Studies and Projects of Active Prothesis Emphasizing the Quick Prototyping

Nilton Cardozo da Silva∗

Universidade Estadual de Sao PauloSorocaba – SP – CP 6051 – 13083-970

Jorge Vicente Lopes da SilvaInstituto Tecnologico para Informatica

Campinas – SP – CP 6162 – 13083-970

Joao Maurıcio RosarioFaculdade de Engenharia Mecanica – UNICAMP

Campinas – SP – CP 6051 – 13083-970

Este trabalho e relacionado com a engenharia de reabilitacao, e mostra a evolucao e a di-versidade de formas e aplicacoes da fısica em algumas das tecnicas de producao de protesesbiomecanicas, seja na definicao, construcao e projeto da estrutura em seus diversos mode-los, seja nos aspectos mecanicos, funcionais e operacionais, a exemplo da construcao e doacionamento de proteses para indivıduos com amputacao parcial dos membros superiores.O artigo apresenta a construcao de dois modelos de proteses de apreensao. Um primeiromodelo do tipo acionamento com um atuador baseado em Shape Memory Alloy – SMA, eestudado atraves de tres prototipos, um artesanal, um feito por usinagem convencional, eum terceiro por prototipagem rapida, sendo este ultimo dedicado e integrado na estruturada protese. A proposta do segundo modelo, uma protese acionada por motor de correntecontınua tambem e apresentada, sendo este integrado a garra, atraves de um redutor develocidade. O projeto do modelo usando atuador baseado em SMA foi elaborado em CAD,observando que poucas alteracoes estruturais sao necessarias na substituicao deste atuadorpor um motor de corrente contınua.

Palavras-chaves: Prototipagem Rapida, Membro Superior, ProteseAntropomorfica, Biomecanica.

This work is related with the rehabilitation engineering, and shows the evolution and thediversity of forms and applications from Physics into some techniques for production ofbiomechanics prosthesis, be in the definition, construction and project of the structure inits many models, be in the mechanical, functional, operational aspects, as an example ofconstruction and actuation of prosthesis for individual with partial amputation of upperlimb. The article presents the construction of two models of prosthesis seizure. The firstmodel, an actuation type, with the actuation based on Shape Memory Alloy – SMA, isstudied through three prototypes, the first one handmade, a second one made by conventionalmachining and the third one by quick prototyping, the latter being dedicated and integratedinto the structure of the prosthesis. The propose of the second model, a prosthesis throw bya direct current engine is also showed, being this integrated to the grip by a speed reducer.The project of the model using an actuator based on SMA was elaborated on CAD, observingthat a few structural modifications are needed replacing the actuator by the direct currentengine.

Key-words: Quick Prototyping, Upper Limb, Anthropomorphic Prosthesis,Biomechanics.

∗Endereco Eletronico: [email protected]

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Sitientibus Serie Ciencias Fısicas 04: 32-45 (2008) Estudos e Projetos de Proteses Ativas Enfatizando...

I. A QUESTAO DAS PROTESESANTROPOMORFICAS

A maioria das deficiencias fısicas, sao cau-sadas por incidentes devido ao uso nao apro-priado de produtos da industria que sao usa-dos para aumentar a forca e a velocidade, en-fim, a dinamica do homem frente a moderni-zacao. As condicoes de uso destes produtospassam despercebidos por aqueles que ignoramque o futuro chegou, que vivem sem atentarpara as normas de seguranca sem consideraras limitacoes do homem que e fragil e mortal.Especificando as causas principais, encontram-se os acidentes no transito, no trabalho, emesportes radicais, os conflitos pessoais decor-rentes da marginalidade, as causas naturais, ama formacao de origem genetica e as doencasdegenerativas e patogenicas. Estima-se quemais de 12% das pessoas no Brasil sao porta-doras de deficiencias fısicas, ou seja, mais de 19milhoes de pessoas.

Muitas vezes, o deficiente alem de inativo,requer uma ou mais pessoas para se dedicarparcial ou exclusivamente a ele. Estas pessoasdeixam de estar ativas para o crescimento so-cial e economico geral, sem contar o impactopsicologico emocional, e do preconceito e cons-trangimentos inerentes a deficiencia que estesproblemas, de uma forma geral, causam nao sona vıtima, mas em todos aqueles que conviveme dependem dele, especialmente sua famılia.Foi motivado por estas razoes que surgiu o in-teresse pelo estudo destes problemas e buscou-se o estudo e a fabricacao de alguns prototiposde proteses antropomorficas.

Projetos de proteses envolvem nao so o ob-jeto que se pretende produzir, as proteses en-volvem diversos ramos de aplicacao da fısicacomo as engenharias eletrica, de controle, deautomacao, de software, mecanica, eletronicaetc. Uma protese com sua mecanica, controlee acionamento embarcado [1] se integra ao sis-tema do qual ela fara parte, no caso o homem, eportanto seu corpo, seu comportamento fısico,e psicologico e sua dinamica e requer nocoes deoutras areas de conhecimento, tais como a fisi-ologia do sistema nervoso, que importa-se com

o a coordenacao dos movimentos e da postura[2], a anatomia [3, 4], a biomecanica [5], a psi-cologia e a estetica. Este tipo de projeto e,portanto, fortemente multidisciplinar.

II. PROPOSICOES DESTE ARTIGO

Este artigo concentra os estudos feitos e di-vulgados em diversos artigos, principalmente[6–8]. Este ultimo apresenta especialmenteas caracterısticas fısicas dos materiais termo-fundıveis usados. A pretensao aqui e mostrar aevolucao da fase de prototipagem desenvolvidanestes dois ultimos dois anos, discriminandoas diversas fases deste programa ate o pre-sente, comecando com a validacao dos modelosantropomorficos e a producao estrutural de al-guns prototipos de proteses, onde trabalhamosde forma artesanal a usinagem e, finalmente, aprototipagem rapida. A evolucao deste estudosera mostrada atraves dos projetos realizados,desde os mais simples e rusticos ate os projetosfuncionais e, portanto, mais sofisticados e querepresentam passos importantes alcancados.

O primeiro projeto mencionado sera o deummodelo de membro superior antropomorficocompleto, utilizando articulacoes basicas dotipo cilındricas com o cotovelo acionado porum atuador pneumatico atraves de um cabo.O segundo projeto, analogo ao primeiro,trata-se do prototipo do aparelho locomotorantropomorfico completo, construıdo de formaanaloga ao primeiro, porem visando o estudode movimentos coordenados.

O terceiro projeto, mais complexo que osdemais, baseado em [1], trata-se da construcaoestrutural de uma protese funcional acionadapor atuador a SMA, a qual e dividida emtres etapas: uma de pre-prototipagem, ondeum prototipo artesanal e construıdo para es-tudo do mecanismo, a outra que culmina coma definicao de um projeto para construcao depecas por usinagem. E a ultima, onde realiza-mos a otimizacao do projeto original visando aproducao de uma estrutura atraves do processode prototipagem rapida. Finalmente, apresen-tamos dois projetos idealizados: um onde o a-

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N.C. da Silva, J.V.L. da Silva e J.M. Rosario Sitientibus Serie Ciencias Fısicas 04: 32-45 (2008)

tuador desta ultima protese e substituıdo porum motor eletrico, e outro de um soquete parao acoplamento da protese ao braco amputadoutilizando prototipagem rapida.

III. METODOLOGIAS DIVERSASUTILIZADAS NO PROJETO DE

PROTESES

Esta secao mostra a evolucao da buscade metodologias para producao e estudos deproteses antropomorficas. Aqui a modelagem,validacao e prototipagem de modelos dos mem-bros inferiores e superiores antropomorficos saoenfatizada. Em seguida, destacamos a evolucaodo projeto da estrutura de uma proteseantropomorfica, passando pela validacao e es-tudo de um modelo artesanal baseado no mo-delo apresentado por [1], seguido da remode-lagem do programa deste o projeto para poste-rior usinagem ate, finalmente, sua redefinicaovisando a utilizacao do processo de prototi-pagem rapida.

FIGURA 1: Prototipos dos membrosantropomorficos completos: superiores.

A. Historico da modelagem dos membrosAntropomorficos

Para a definicao da modelagemantropomorfica foi utilizado, neste trabalho,o estudo da anatomia humana baseado em[3, 4], da biomecanica [5] e das transformacoeshomogeneas e cinematica direta, acionamento,e controle utilizadas em robotica conforme sepode constatar em [9–11].

Na area de modelagem antropomorfica jaforam publicados diversos artigos relaciona-dos com a cinematica [12–14]. Assim, aposa decomposicao das complexas articulacoes oujuntas esfericas antropomorficas em simplesarticulacoes cilındricas, conforme [14] pode-mos utilizar as tecnicas de modelagem derobos. Apos isto, a adaptacao estruturaldo modelo antropomorfico e o estabelecimen-to de uma tecnica de simplificacao da identi-ficacao dos parametros do modelo chamado Sis-tema de Coordenadas Intermediario, definimoso modelo completo. Uma vez que o modeloantropomorfico tenha sido completado, cons-troi-se duas estruturas para verificacao e va-lidacao do modelo envolvendo as partes maiscomplexas e genericas do mesmo: os mem-bros inferiores e o membro superior, visandoo estudo do emprego de atuadores do tipopneumatico para aciona-los bem como a coor-denacao de movimentos.

B. Estudo e Validacao do Modelo dosMembros

Iniciamos este trabalho com a validacaodos graus de liberdades antropomorficos e oprimeiro destacado aqui e o modelo dos mem-bros superiores antropomorfico, como mostraa Fig. (1). Neste caso, os elos foram pro-duzidos artesanalmente tendo como materialbasico isopor reforcado internamente por tirasde madeira e nas juntas por tubos de PVC, comeixos de metal, no caso aco. Cada uma das jun-tas foi decomposta em cilındros, para facilitara modelagem e simplificar a construcao. Este

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tipo de trabalho utiliza um atuador pneumaticopara acionamento de cada junta, separado docorpo do prototipo, e transfere movimentos eforcas para a junta do cotovelo atraves de umcabo de aco fino e que passa dentro de umtubo de plastico flexıvel, de maneira que o cilin-dro pneumatico quando e recolhido, traciona ocabo e fecha o cotovelo.

FIGURA 2: Prototipos dos membrosantropomorficos completos: inferiores.

Destacamos agora o prototipo de um parde membros inferiores, Fig. (2), construıdo deforma analoga ao do membro superior. Nestecaso, no entanto, o objetivo foi estudar a co-ordenacao dos movimentos utilizando atu-adores para articular os joelhos e flexionar eestender as coxas, simulando alguns tipos demarchas humanas. O prototipo e fixado por umeixo que o atravessa frontalmente da parte an-terior para a parte posterior, em torno do quala estrutura do conjunto oscila, produzindo umefeito semelhante ao do requebrar do quadril.Entre o atuador e a junta acionada, alem docabo e seu tubo direcionador, encontra-se umdispositivo que permite inverter o movimentodo atuador e derivar um cabo que produz nacoxa oposta um movimento antagonico, quandoa primeira e tracionada. Isto economiza doisatuadores para fazer os movimentos de ex-

tensao da coxa, muito embora nao permitamovimentos isolados e unidirecionais das duascoxas.

FIGURA 3: Prototipo de validacao do mecanismode uma protese artesanal para criancas.

C. Desenvolvimento de um Prototipo deProtese para suportar um atuador a SMA

Os prototipos apresentados ate aqui ti-nham apenas a funcao de validar e modelosantropomorficos e estudar a estrutura e sua in-terferencia nos movimentos e graus de liber-dade. Mas o objetivo final deste programae a fabricacao de modelos de proteses ativasreais. Diversos trabalhos sao conhecidos, massao complexos e cheios de incognitas [15] e [16].Foi na tese de doutorado de Soares [1], sobreproteses acionadas metais com memoria comforma SMA, que encontramos bons modelos eresultados praticos para servir de referencia aeste trabalho.

1. Analise Funcional do Prototipo

A partir desta decisao foi planejado um es-tudo em tres fases: compreensao do mecanis-mo, reproducao do mecanismo e otimizacaodo mesmo, ou seja, da estrutura ou chassi daprotese objetivando a obtencao de novas possi-bilidades de pesquisas. As quatro contribuicoesdeste trabalho sao: o domınio e a modernizacao

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do processo de fabricacao da estrutura, a des-coberta de novos materiais e a implementacaodo controle utilizando logica programavel [17],e com isso abrindo caminho para a alteracao daforma de acionamento.

Na fase do estudo e compreensao do meca-nismo, foi produzido um prototipo artesanal, apartir de papelao, arames, fios de la, elastico ePVC, conforme ilustrado pela Fig. (3). Nesteprototipo, os dedos em numero de quatro, fixosnum eixo comum, sao acionados em oposicaoao polegar, como as laminas de uma tesoura.Neste caso, uma borracha substituindo o efeitode uma mola traciona os dedos para tras, en-quanto que os fios de la quando puxados sofreminversao de movimento ao passar por umaroldana ou rolete, e podem produzir o efeitodos fios de SMA quando tracionados por tras,empurrando para frente um embolo que abrea garra. Isto permite verificar o processo e omodelo do dispositivo com clareza, bem comosugere inovacoes no mecanismo.

FIGURA 4: Projeto e pecas de prototipos pro-duzidas por usinagem do alumınio - Parte I.

2. A prototipagem de proteses funcionaisacionada a motores e a SMA, por usinagem

e prensagem

Na fase de reproducao do mecanismo ela-boramos dois projetos de protese de apreensaode acao planar com quatro dedos inativos e

um ativo e, em seguida, enviamos para a ofi-cina mecanica objetivando o torneamento daspecas para montagem posterior, veja Fig. (4,5).Neste caso, as maquinas utilizadas foram pren-sas e tornos convencionais e fizemos algumasintervencoes manuais para a construcao de al-guns detalhes. Durante a usinagem das pecase montagem do prototipo final, alguns ajustese um novo projeto das pecas ou dos mecanis-mos completos foram necessarios para eliminarareas de fragilidade e com ma operacao.

D. A prototipagem rapida

Por que a prototipagem rapida pode serde interesse para a Fısica? A resposta estana complexidade do equipamento utilizado eque sera descrito posteriormente. Este equipa-mento envolve controle por comutadores de in-tensidade e precisao da optica, producao deraio laser, estudo de materiais termofundıveise, portanto, termodinamica e robotica para odirecionamento deste laser.

FIGURA 5: Projeto e pecas de prototipos pro-duzidas por usinagem do alumınio - Parte II.

1. Prototipagem Rapida de uma Protese aser acionada por SMA (Projeto utilizando

CAD)

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As ligas de memorias de forma, ou SMA,sao exemplos de oportunidades criadas pelafısica atual e destacam materiais que sao cons-tituıdos de ligas, definidas em certos esta-dos, de tal forma que apos deformadas oualongadas por alguma tracao tendem a voltarpara a conformacao do estado original quandoaquecidas por efeito Joule em temperaturasdefinidas. Elas merecem um estudo a parte.Mas destacaremos aqui que elas sao interes-santes para o uso em proteses, porque atu-am linearmente como musculos artificiais comgrande capacidade de forca e rendimento maiorque um musculo biologico, embora atualmentetenham uma resposta lenta. Elas requeremuma estrutura reforcada, e que suporte fiosaquecidos a consideraveis temperaturas, daı ocuidado e estudo da prototipagem rapida e seusmateriais para a aplicacao em proteses.

A prototipagem rapida permite a criacao depecas complexas na geometria e, as vezes, naofactıveis por processos convencionais como ausinagem. As proximas etapas visam a criacaode pecas por prototipagem rapida, desde a con-cepcao da estrutura da protese em um mode-lador solido ate a obtencao final pelo processoSLS, Modelagem de solidos, Representacao porMalha de Triangulos, e Sinterizacao a Laser.

A base para utilizacao de tecnologias deprototipagem rapida e a modelagem de cadapeca de uma protese atraves de um sistemaCAD com capacidade de modelagem solidaou de superfıcies fechadas. As varias pecasque compoem a protese foram geradas uti-lizando um modelador solido, com o objetivode otimizar o tempo para a construcao e obtermodelos consistentes para a prototipagem.

Os modelos gerados devem ser exportadosem um formato especıfico para a prototipagem,cuja representacao do solido e feita atraves deuma malha de triangulos com o vetor normalapontando na direcao contraria do material.Uma vez exportado o arquivo na representacaode triangulos, este deve ser verificado por ferra-mentas que permitem a analise da consistenciado modelo verificando, entre outros, a presencade triangulos invertidos ou duplicados e vaosou aberturas na estrutura da malha.

O processo de prototipagem rapida utilizado

para a construcao da protese foi a SinterizacaoSeletiva a Laser (SLS). Na SLS a superfıcie deum modelo e gerada num programa de CADno computador em malhas triangulares apos oque e fatiada em secoes de aproximadamente0, 1mm de espessura, na camada de po espa-lhada num recipiente. Depois, um feixe de laserrisca e aquece as secoes da peca na camada depo de polımero termoplastico depositada, ca-mada por camada, sucessivamente, integrando-as ao corpo do prototipo ate que a peca estejacompleta.

2. O processo da prototipagem rapida

Neste item, os topicos apresentados ante-riormente sao discutidos com mais detalhesquanto aos resultados da aplicacao do pro-cesso de prototipagem rapida na confeccaodo prototipo mencionado. Especificamente,trataremos da construcao da protese usandoa modelagem de solidos; da apresentacao daspropriedades do material usado na protese; doprocesso de exportacao de dados e ferramen-tas para prototipagem rapida da protese; damontagem do build que antecede o desencadea-mento do processo de STL e, finalmente, doacabamento e a montagem da protese.

3. Modelagem e simulacao das pecas daprotese

A evolucao dos sistemas de modelagemgeometrica tem sido muito grande na ultimadecada, juntamente com a acentuada evolucaona capacidade de processamento dos computa-dores. Isto implicou na melhoria de fun-cionalidade e eficiencia das interfaces homem-maquina, na forma como modelar a geometriados objetos, aumentando o realismo nas re-presentacoes da geometria, nas possibilidadesde simulacoes dinamicas e na analise de inter-ferencias. Isto permitiu tambem a exportacaode dados em padroes que fomentam a intero-perabilidade entre sistemas CAD distintos, im-plicando em grande popularizacao dos sistemas

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CAD e em grandes incentivos a sua evolucao.Uma etapa fundamental que precede a pro-

totipagem rapida e a utilizacao de modeladoressolidos ou de superfıcies fechadas com os quaispodemos obter modelos consistentes e factıveis.

Na Fig. (6) mostramos as pecas da proteseobtidas com a utilizacao de um modeladorCAD solido. As pecas assim modeladas per-mitem a juncao e simulacao do funcionamentoe verificacao de incoerencias da estrutura.

FIGURA 6: Modelo em CAD das pecas da protese a SMA.

FIGURA 7: Modelo do chassi da protese representado por malha de triangulos.

4. Propriedades dos materiais deprototipagem

A maior limitacao das tecnologias de pro-totipagem rapida esta nos materiais usadosna construcao dos prototipos fısicos que sao,

geralmente, caros e diferentes do produto fi-nal. E necessario que as pesquisas avancemneste campo de modo a preencher esta lacunade forma satisfatoria. Outra limitacao e a difi-culdade de produzir pecas muito pequenas oumuito grandes. O primeiro problema e de-vido a resolucao ou precisao dos sistemas de

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prototipagem rapida existentes. Pecas muitograndes podem ser simuladas em computadoressem dificuldades, mas visto que as tecnologiasde fabricacao por prototipagem rapida sao limi-tadas em tamanho, grandes pecas tem que sercortadas e, entao, montadas posteriormente.Pesquisa tambem e necessaria para aprimoraras tecnologias de prototipagem rapida exis-tentes em termos de precisao e capacidade deproducao.

Para o desenvolvimento e estudo da protesedeste trabalho foi utilizado o material Du-raform Polyamide, patenteado pela empresaDTMTM Corporation para o processo SLS.Este material e um membro da famılia do Ny-lon com propriedades mecanicas equivalentesa dos plasticos utilizados para injecao. Aspropriedades deste material fornecidas pelaDTMTM sao baseadas em teste realizadosem laboratorios especializados e independentes.Uma ressalva que fazemos e sobre a utilizacaode parametros de processos, em especial, damaior potencia de laser na construcao dos cor-pos de prova, o que implica em acrescimo naresistencia mecanica.

Atraves de testes quımicos preliminares re-alizados no ITI, foi verificado que o Du-raform Polyamide e resistente a uma grandeclasse de solucoes organicas como gasolina,thinner, alcool, acetona, eter etılico, diesel equerosene e solucoes inorganicas como acidosclorıdricos, nıtrico e sulfurico, hidroxido desodio e hidroxido de amonia, nao sofrendo al-teracao dimensional e visual significativa, a-presentando um maior ganho de peso para osacidos sulfurico e nıtrico, gasolina e thinner.

5. A exportacao de dados do PC para amaquina e as ferramentas para

prototipagem

O modelo solido gerado no sistema CADdeve ser entao convertido para a representacaoem malhas de triangulos com vetores normaisaos triangulos e apontando para fora da estru-tura, gerando um arquivo com a extensao STLque se tornou um padrao para a exportacao

de dados para equipamentos de prototipagemrapida, veja o modelo da protese na Fig. (7).A exportacao de dados em STL esta disponıvelna grande maioria dos sistemas CAD, inclusiveos de baixo custo.

Como qualquer outro padrao para repre-sentacao geometrica, muitas irregularidadesestao associadas a maneira de representar a ge-ometria, como furos, partes sobrepostas ou la-cunas nos limites das superfıcies, alem das im-perfeicoes intrınsecas devido ao numero limi-tado de triangulos na malha de representacaodas formas geometricas. Para tratar destas ir-regularidades existem algumas ferramentas co-mercialmente disponıveis para a manipulacaodos arquivos STL, validando os mesmos ereparando os problemas usualmente encontra-dos.

A manipulacao referida e possıvel atraves douso de ferramentas de visualizacao com som-breamento e dimensionamento da peca. Aquantidade e qualidade de triangulos em um ar-quivo STL pode ser otimizada, criando modelosmais precisos e realısticos e que utilizem menorquantidade de memoria e processamento. Fi-nalmente, o modelo STL tem que ser fati-ado por esta ferramenta gerando comandos es-pecıficos para confeccao no equipamento deprototipagem.

Estas ferramentas incorporam recursospara compensar as mudancas na forma doprototipo, devido a contracao e as deformi-dades intrınsecas dos processos de prototi-pagem rapida, ou para compensar um revesti-mento posterior ou, ainda, trabalhos de acaba-mento.

Outros recursos destas ferramentas per-mitem a uniao de diferentes modelos em STLcriando um modelo composto e a mudancada forma do modelo, como insercao de furos,criacao de pinos de uniao, cortes de partes domodelo, etc. Com estas ferramentas e possıvela criacao de modelos ocos e superfıcies finas,otimizando tempo e material gastos, levandoem consideracao a reducao de problemas de de-formacao. Nos processos baseados em lıquido enecessario uma ferramenta para a geracao au-tomatica das estruturas de suporte.

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6. Montagem do Build

A etapa seguinte a verificacao da con-sistencia dos arquivos de malhas triangularesque representam as varias pecas ou prototipose a montagem do volume de trabalho ou build,onde as pecas estarao sendo sinterizadas. Osvarios prototipos sao distribuıdos dentro de umespaco cilındrico de 300mm de diametro por

320mm de altura, levando em consideracao aotimizacao do espaco, de modo a caber o maiornumero possıvel de pecas e o plano de cons-trucao do prototipo, o que confere maior oumenor resistencia a certas areas ou detalhesdo prototipo, veja Fig. (8). Alem disso, saoconsiderados os eixos de montagem de modo amanter a precisao uniforme nos eixos X,Y e Zde cada peca.

FIGURA 8: Build virtualmente montado com as pecas da protese na plataforma.

7. Sinterizacao a Laser Aplicada em cadaplano do Projeto da Protese

Existem varios processos de prototipagemrapida disponıveis comercialmente e utilizadosnos varios setores industriais, principalmenteno setor automotivo mundial. Apesar de serrecente, o primeiro prototipo foi apresentadonos meados da decada de 80. Esta tecnolo-gia tem crescido significativamente no contextomundial com o aparecimento frequente de no-vas patentes, processos e sistemas comerci-ais. A motivacao para o desenvolvimento destaprotese tem sido a ampla faixa de aplicacoesque passam a ser vislumbradas com a possi-bilidade de se obter diretamente de um mo-

delo virtual um objeto fısico com as mesmascaracterısticas geometricas e que, em grandeparte das aplicacoes, pode ser utilizada comoprototipo funcional de forma a validar o projetocom um significativo aumento na sua qualidadee tempo de desenvolvimento, e com reducao decustos [6–8].

Naturalmente, cada processo tem peculiari-dades que o torna ou nao mais adequado aconstrucao de um prototipo. Os processosmais amplamente utilizados sao: os processosque utilizam resina lıquida com a solidificacaoprovocada por exposicao a lasers ultravioleta,como a SLA, os processos que utilizam pos-termoplasticos sinterizaveis, como a SLS, e osprocessos que utilizam a extrusao de um fiode material termoplastico, como a modelagem

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FDM. E importante ressaltar que devido ascaracterısticas de cada processo como precisao,custos e qualidade do material do prototipo, oprocesso melhor indicado e o que atende aosrequisitos de producao com os menores custose tempo. No processo SLS, indicado na Fig.(9), uma fina camada de po termofundıvel edepositado sobre uma superfıcie com a ajudade um rolo. Um feixe de laser de CO2 sinteri-za as areas selecionadas causando a aderenciado po nas areas da peca a ser formada naquelacamada em particular.

FIGURA 9: Processo SLS para prototipagemrapida, cortesia da DTM Corp. .

Deposicoes sucessivas de camadas sao feitasate que a peca esteja completa. O po nao sin-terizado (fundido) pelo laser que servia comouma estrutura de suporte para partes salientese desconectadas e removido quando a peca es-tiver completa.

A diversidade de materiais incluindocompostos metalicos que podem ser usadosem SLS e significativa quando comparado aoutros processos. Alguns materiais disponıveissao: nylon, cera, poliamida, elastomero,ceramica e metal com polımero aglutinantepara aplicacoes em ferramental rapido.

8. Obtencao da Montagem Final daEstrutura da Protese

Apos o processo de SLS, o conjunto de pecasda protese e tambem os corpos de provas domaterial, quando requeridos, sao retirados do

cilindro passando por um tempo de resfria-mento a temperatura ambiente. No final desteprocesso o excesso de po aglutinado na su-perfıcie, detalhes e furos das pecas sao removi-dos. Entao, as pecas sofrem um jateamento deareia para a remocao do material po em locaisde difıcil acesso.

No processo seguinte, as pecas sao mon-tadas, umas nas outras, obtendo-se a forma daestrutura da protese na sua montagem final,conforme ilustrado na Fig. (10). Nesta fasealguns excessos tais como problemas de sobre-dimensionamento, ou causados por detalhes deprojetos, podem ser removidos com uma lixafina. Mas, caso seja necessario, o projeto deveser reiniciado e corrigido.

IV. COMPARACAO DOS RESULTADOSOBTIDOS

Com o objetivo de dominar a producao dealguns prototipos de proteses antropomorficas,apos diversos estudos sobre a anatomia ebiomecanica e fisiologia do sistema nervoso,produzimos um prototipo dos membros superi-ores que permitiu o surgimento de muitas ideiassobre o funcionamento, o formato e o modeloantropomorfico.

Deste estudo partimos para a construcaode alguns modelos por processo de otimizacaocomo encontrados na literatura. A buscadaotimizacao esta inovando tambem a parteeletronica, onde alem da prototipagem rapida,caminhamos tambem para a sintetizacao doscircuitos com o emprego de dispositivos repro-gramaveis, conforme [17]. Ao final deste tra-balho obtemos as estruturas de dois prototipos:um em Duraform Polyamide por prototipageme o segundo em alumınio, conforme mostram asFig. (11) e Fig. (12).

O prototipo da protese infantil em alumınioficou com um peso alem do permitido pelanorma [18]. Mas verificamos que a retiradade massa atraves de furos em alguns pontospodera resolver este problema.

A partir da usinagem e dos testes de algu-mas pecas o projeto da protese de alumınio foi

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refeito, pois as forcas a que as pecas ficaramsubmetidas durante a fabricacao bem como emalguns ensaios mostraram ser capazes de des-truı-las ou danifica-las, comprometendo o bomfuncionamento e a durabilidade das mesmas.Isto pode ser verificado, por exemplo, na fabri-

cacao das ancoras dos cabos de fios de SMA eeixos das juntas. Quando o processo de pro-totipagem rapida e utilizado nao ha danos aspecas, embora algumas pecas crıticas tenhamse mostrado frageis neste processo, e o caso dasconexoes da mola e do embolo atuador.

FIGURA 10: Protese obtida no final do processo vista por diversos pontos de vista.

O emprego da prototipagem rapidaapresenta-se promissor, pois o material neleempregado tem consistencia, peso e resistenciacompatıveis com a resistencia e capacidadeorganica, veja as normas [18], muito emboranao sejam naturalmente renovaveis.

A prototipagem rapida apresenta outra van-tagem relativa a necessidade de alteracoes doprojeto estrutural, pois fica extremamente facila alteracao do projeto e a producao de outrapeca a partir dele. Outra vantagem e a quali-dade do produto que e razoavel devido a pre-cisao e padrao do equipamento.

A prototipagem rapida permitiu a fusao dealgumas pecas que no caso da usinagem reque-ria a separacao delas para que as ferramen-tas pudessem executar algum detalhe interno.Esta fusao das pecas estabiliza e padroniza aestrutura da protese e elimina alguns pontos

de travamento das pecas moveis.

A usinagem da protese de alumınio se daatraves de maquinas convencionais, e nao foitao precisa. A usinagem de mini-dispositivoscomo a protese referida requer a utilizacao demaquinas de alta precisao, o que encarece oproduto final e requer uma analise do custobenefıcio.

V. CONCLUSOES E CONSIDERACOESFINAIS

O objetivo de vislumbrar novas tecnicas ede descobrir novos materiais para a producaode proteses, foi atingido com a otimizacao desteprojeto, e verificamos como as tecnicas da fısicatem contribuıdo para isto.

A producao do modelo em alumınio por

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FIGURA 11: Vista superior das estrutura dosprototipos produzidos por Duraform Polyamidee alumınio.

usinagem requer o uso de pessoal especializa-do e necessita de maquinas de usinagem commaior precisao. Em particular, verificamos queo alumınio por ser maleavel dificulta o acaba-mento, especialmente as pequenas pecas po-dem ser deformadas e aquelas que requeremroscas para passagem de parafusos podem teras roscas espanadas, inutilizando assim a peca.

O uso da prototipagem rapida ja pode seracessada em alguns centros de pesquisa na-cionais, permitindo a producao de prototipos emoldes para a producao de proteses funcionais,com a vantagem de facilitar a adaptacao em um

unico projeto de protese em diversos usuarios,e associado aos scanners espaciais, podem faci-litar a reengenharia dos soquetes e da esteticadas proteses.

Seguindo a ideia do paragrafo anterior, su-gerimos aqui como projeto futuro a constru-cao de uma protese onde o atuador seja ummotor eletrico, do tipo corrente contınua oude passo, onde apenas a estrutura do atuadordeste projeto apresentado, ou seja o ante bracoseria substituıdo por um pequeno, moderno erobusto motor, o que tornaria esta protese indi-cada tambem para criancas portadores de am-putacao a nıvel de punho.

Com este trabalho podemos vislumbrar quea prototipagem rapida pode ser empregada,nao so na construcao de proteses com materi-ais mais firmes, mas tambem na construcao desoquetes, empregando materiais mais flexıveis.

Olhando mais adiante, esperamos queatraves das experiencias adquiridas neste pro-grama, se possa experimentar outros tipos deacionamentos alem dos motores eletricos e aSMA. Que sejam experimentados atuadorespneumaticos rıgidos e flexıveis e se possıvel umsolenoide. E sobre as estruturas das protesessejam de diferentes modelos, onde cada dedoou junta possa ser acionados isoladamente.

FIGURA 12: Vista lateral das estruturas dos prototipos produzidos por Duraform Polyamide e alumınio.

Agradecimentos

A Fundacao de Amparo a Pesquisa do Es-tado de Sao Paulo (FAPESP) pelo suporte fi-nanceiro, ao tecnico Richard do CEMPRA peloapoio no projeto, e ao torneiro Maurıcio doDPM-FEM-UNICAMP pela usinagem do pro-

jeto da protese. E, em especial, ao profes-sor Carlos Theodoro da Universidade Federaldo Ceara (UFC) por gentilmente ter cedido asligas de SMA para nossos estudos.

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APENDICE A: SIMBOLOGIA DO TEMA

SMA – Shape Memory Alloy ou Metal comMemoria de Forma.

CAD – Computer Aided Design - Projeto Au-xiliado por Computador.

SLS – Selective Laser Sintering - SinterizacaoSeletiva a Laser.

ITI – Instituto Nacional de Tecnologia da In-formacao.

PSC-MA – Producao de Soquetes por Com-plementacao Baseado em Mapeamento

Anatomico.

NWU – Nothwestern University.

PPR – Processo de Prototipagem Rapida.

CAE – Computer Aided Engineering - Enge-nharia Auxiliada por Computador.

SLA – Estereolitografia.

FDM – Modelagem por Deposicao de Fundido.

CC – Corrente Contınua.

STL – Formato de Arquivo para Prototi-pagem Rapida.

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Documents

Estudos e Projetos de Próteses Ativas Enfatizando a Prototipagem