Sistema acoplável motorizado para cadeira de rodas convencional

Transcrição

Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais
Anais
IV Seminário Internacional
Sociedade Inclusiva
Propostas e ações inclusivas: impasses e avanços
Belo Horizonte
17 a 20 de outubro de 2006
Sessões de Comunicações
Realização:
SOCIEDADE
INCLUSIVA
Pró-reitoria de Extensão
PUC MINAS
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SISTEMA ACOPLÁVEL MOTORIZADO PARA CADEIRA DE RODAS
CONVENCIONAL
Perrin Smith Neto
Nivânia Maria de Melo Reis
Pedro Belisário Swerts Viana
R. de Ruiz Combat Furtado
Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Av. Dom José Gaspar 500,
Coração Eucarístico, 30535-610, Belo Horizonte, Minas Gerais
Fone: (31) 3286 7656
[email protected]
RESUMO
O projeto pretende estudar a viabilidade do desenvolvimento de um sistema
motorizado acoplável a uma cadeira de rodas convencional, facilitando a locomoção
de seus usuários, tanto em terrenos regulares quanto irregulares, conferindo assim
Anais do IV Internacional Sociedade Inclusiva PUC Minas - Propostas e ações inclusivas: impasses e avanços
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uma inovação a esse projeto. Durante a pesquisa, serão avaliados os protótipos já
desenvolvidos, no intuito de se otimizar a viabilidade tanto ergonômica e funcional
quanto econômica, visto que um acoplador seria mais barato que uma cadeira
elétrica convencional. Esse projeto será utilizado por pessoas com dificuldade de
locomoção, que não tenham movimentação dos membros inferiores, porém
possuam capacidade física motora nos membros superiores, braços e mãos. Não é
um equipamento para pessoas tetraplégicas ou com deficiência total, mas para uma
grande parcela de usuários de bengalas, pessoas que tiveram seqüelas de
acidentes automobilísticos ou, ainda, problemas de paralisia infantil.
1. OBJETIVOS DO PROJETO
Desenvolvimento de um Sistema acoplador motorizado para adaptação de
uma cadeira de rodas convencional para um triciclo elétrico (motorizada), com baixo
custo e fácil montagem, capaz de se locomover por terrenos irregulares e inclinados.
Deve-se ressaltar que este sistema permite tomar a cadeira de rodas convencional
do usuário, não a modificando nem alterando. O sistema poderá ser guardado junto
com a cadeira de rodas convencional, tipo universal, com peso máximo de
aproximadamente 20Kg (não incluindo a bateria). Outro objetivo específico desse
projeto será o de permitir que o próprio usuário possa acoplar o sistema a sua
cadeira de rodas, transformando-a em um triciclo motorizado e permitindo atingir
velocidades de até 15 km/h, com toda a segurança e comodidade.
2. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
O sistema acoplável consiste em um guidão de material leve, como alumínio,
e uma roda, com capacidade automotiva, tendo um motor elétrico alimentado por
baterias e sistema de freios. As figuras abaixo mostram um croqui deste projeto.
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Fig. 1 - Sistema Motorizado Acoplável
Esse sistema está sendo projetado, levando em conta aspectos de ergonomia
(estética e funcionalidade) e uma completa análise de tensões, considerando que a
segurança e confiabilidade são dois tópicos de grande importância para a realização
desse projeto. Todo o sistema é acoplado por meio de encaixes mecânicos na
estrutura da cadeira de rodas tipo universal. Esse sistema de encaixe está sendo
projetado para que haja uma intercambiabilidade e fácil montagem em diferentes
cadeiras de rodas. O equipamento permitirá à cadeira de rodas convencional
alcançar velocidades superiores às de cadeiras de rodas elétricas voltadas para o
uso residencial, com a vantagem de atingir locais antes inacessíveis, como aclives
acentuados e estradas sem pavimentação. Pretende-se construir um protótipo e
realizarem-se testes de resistência, totalmente funcionais, da cadeira com o
acoplador desenvolvido durante o projeto.
3. IMPORTÂNCIA DO PROJETO PROPOSTO
O projeto facilitará a locomoção de usuários de cadeiras de rodas em
diversas locações de difícil acesso e trânsito, por meio do uso de uma cadeira de
rodas convencional ou motorizada, além de dar conforto e mais independência ao
usuário. O desenvolvimento do aparato terá como objetivo secundário um custo
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mais acessível, quando comparado às cadeiras de rodas motorizadas encontradas
no mercado.
O desenvolvimento do equipamento propiciará uma maior capacidade de
interação social à pessoa com necessidades especiais, além de permitir-lhe usufruir
seus direitos e cumprir deveres cívicos, dando-lhes uma vida mais igualitária perante
a sociedade.
As vantagens são inúmeras, podendo-se citar:
o Baixo custo e melhor custo-benefício. Uma cadeira de rodas elétrica está hoje
custando em média R$ 6.000,00. Pretende-se, após projeto de um protótipo,
estudos ergonômicos e de análise de tensão, obter um dispositivo de, no
máximo, R$ 4.000,00, porém com capacitação superior, isto é, que atinja 12 a 15
km/h, e que poderá ser acoplado a uma cadeira de rodas tradicional, sem
necessidade de se adquirir um equipamento específico.
o Fácil adaptação, já que o próprio usuário poderá acoplá-Ia. Esse equipamento
será projetado para que o usuário, mesmo sentado na sua cadeira de rodas
tradicional, possa montar com suas mãos todo o sistema, sem auxilio de
terceiros. O paciente abrirá sua cadeira de rodas e, após nela se sentar, montará
o quadro para receber o sistema. Em um segundo passo, ele montará o sistema
e, finalmente, colocará a bateria, com o sistema já praticamente montado e fixo à
cadeira.
o Aproveitamento da cadeira convencional já adquirida pelo usuário. Nesse projeto
não há necessidade de se adaptar a cadeira existente e, sim, montar um quadro
adaptável a qualquer cadeira de rodas tipo universal.
o Inovação tecnológica, visto que não existem similares no mercado nacional. Não
se conhece nenhum projeto de triciclo adaptável a cadeira de rodas. Existem
triciclos motorizados e triciclos manuais. Esse sistema permitirá colocar
separadamente dentro do carro a cadeira de rodas tradicional, o kit contendo o
sistema motorizado e a bateria.
o Alta Durabilidade. Pretende-se utilizar o alumínio como material básico do
sistema, por ser bastante leve e ter alta durabilidade.
5
o
Fácil manutenção. Será necessário apenas o carregamento contínuo da bateria
e manutenção periódica do sistema de freios, pneus e motor.
o Fácil armazenamento e transporte do acoplador. O sistema será transportado
junto com a cadeira de rodas, ocupando o espaço de uma roda e um guidão de
bicicleta. O quadro do guidão que será projetado deverá já estar montado com o
motor e o redutor acoplado diretamente à roda, bem como o sistema de freios.
Na montagem, a bateria será colocada como ultima parte.
o O sistema de acoplagem da cadeira ao Sistema Motorizado deverá ser projetado
para ser operacionalizado, permitindo, em função do tipo de acoplamento, a
utilização de qualquer marca ou tipo de cadeira de rodas.
Uma das grandes invenções do homem para solucionar o problema das
pessoas com limitações locomotoras foi a cadeira de rodas. Durante muitos anos ela
tem sido, talvez, um dos mais importantes meios de locomoção para aqueles que
possuem esse tipo de dificuldade. Com o tempo, a necessidade de aprimoramento
do projeto inicial da cadeira de rodas foi surgindo, até que, finalmente, chegaram
protótipos mais avançados, como é o caso da cadeira de rodas elétrica.
O advento da cadeira de rodas elétrica abriu novas possibilidades para seus
usuários, como a independência, pois agora eles podem se locomover sem o auxilio
de terceiros e chegarem a locais antes de difícil acesso com as cadeiras
convencionais, além de acabar com o desgaste físico necessário para se
movimentar.
Fig. 2 - Cadeira de rodas convencional
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As cadeiras de rodas elétricas, no entanto, possuem empecilhos, como
dificuldade de trânsito em locais de terrenos irregulares, como pavimentos
hexagonais e terrenos rurais. Há também o problema de seu custo e manutenção,
devido aos altos preços de baterias e motores. Outro problema detectado é a
constante necessidade de recarregamento da bateria, que pode descarregar-se em
pleno uso. A realidade brasileira também mostra que poucos têm a possibilidade de
adquirir uma cadeira com estas especificações, mesmo que ela lhes seja muito
necessária.
Fig. 3 - Cadeira de rodas elétrica
Atualmente, existem kits comerciais a serem adaptados em cadeiras de rodas
convencionais, desenvolvidos pela Associação de Assistência à Criança Deficiente
(AACD). A AACD desenvolveu, em 2004, um kit para motorizar cadeiras de rodas
para uso domiciliar, que permite a pacientes com pouca força nos braços e que não
possam acionar a cadeira, se locomover dentro de casa ou em ambientes planos. O
kit é de baixo custo, porém permite velocidade máxima de 2km/h. Possui duas polias
de tração acopladas às rodas da cadeira e dois pequenos motores de 30 watts cada
um. Este sistema não permite utilizar a cadeira em ruas com aclive maior, estradas
de terra, etc. Baseado na problemática descrita, o projeto propõe o desenvolvimento
de um sistema motorizado acoplável a cadeiras de rodas convencionais, que
sobrepujaria o empecilho de trânsito em terrenos irregulares e o aproveitamento da
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própria cadeira do usuário, o que tornaria o sistema economicamente mais
acessível.
4. DETALHAMENTO DO PROJETO
Após estudo bibliográfico de cadeiras elétricas e sistemas motorizados,
pretende-se projetar um sistema motorizado para ser acoplado em uma cadeira de
rodas convencional. Nesta fase inicial serão pesquisados materiais leves utilizados
em equipamentos ortopédicos e em cadeiras de rodas já existentes, tendo-se
pensado no alumínio como o material a ser pesquisado para a fabricação do sistema
de adaptação. Na primeira fase do projeto, pretende-se adquirir uma cadeira de
rodas convencional e estudar a maneira mais adequada de se ter um sistema
motorizado acoplado a ela. Na fase inicial de pré-projeto, o grupo de pesquisa,
professores e alunos, trabalharão baseando-se, preliminarmente, em um guidão de
moto, fazendo as adaptações necessárias, como montagem de um motor elétrico,
sistema de redução de velocidades para transmissão de potência à roda, bateria,
velocímetro e sistema de freios. Alguns croquis apresentados em anexo mostram
esta idéia já discutida, mas ainda não estudada sob o ponto de vista estrutural.
Nessa fase teremos a análise e projeto dos seguintes subsistemas:
4.1. Quadro adaptável à cadeira: Escolha de material, medidas, dimensões
e análise de tensões. Deverá ser adquirido um material leve, como alumínio, com
sistema de garras para fixação na cadeira de rodas. Material: Tubos de alumínio e
solda a alumínio.
4.2. Projeto do sistema de acoplamento à cadeira: Seleção de material,
projeto do protótipo, levando-se em conta a facilidade de manuseio pelo paciente de
necessidades especiais, peso, fixação, sistema de fixação no quadro a ser montado
na cadeira. Neste aspecto, o projeto deverá estudar possibilidade de montagem e
desmontagem, de maneira eficaz e sem dificuldades, pois um sistema pesado não
permitiria que o próprio operador realizasse a montagem e a desmontagem,
tornando-se um projeto inoperante e dependente de terceiros para sua montagem.
4.3. Projeto do Guidão: Projeto completo, incluindo local para montagem da
bateria, do motor e do sistema de freio. A figura 4 serve como ilustração de um
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guidão de bicicleta, onde se pretende adaptar o sistema de freios, soldar um suporte
para o motor elétrico, outro suporte para a bateria e um garfo também de material
leve como o alumínio, com roda de moto tipo fora de estrada, bem como um redutor
de velocidades.
Fig. 4: Parte superior de um guidão de bicicleta para estudos
Pretende-se instalar um velocímetro e apresentar os desenhos de montagem
e especificação técnica. Nessa fase pretende-se, portanto, obter o desenho
completo, escolha do material, análise ergonômica, análise de tensões da peça e
seleção de materiais, levando-se em conta peso, segurança e comercialização do
material.
4.4 Seleção de motor: Nesta fase, pretende-se utilizar um motor com
potência mínima de 150 watts, para ser acionado por bateria de gel, ácida. Esse
motor ficará definitivamente montado no guidão, sendo que o sistema de redução já
estará também ligado ao motor e à roda do sistema motorizado, por meio de
redução com correias dentadas. Para isso, deverá ser adquirido um motor elétrico e
instalado um redutor de velocidades, para transmitir a rotação ao sistema. A figura 5,
abaixo, mostra um tipo de motor elétrico com escova que se pretende utilizar.
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Fig. 5 - Motor elétrico com sistema de redução montado.
Fig. 6 - Uma bateria à esquerda e seu carregador à direita
Será feita análise dos tipos comerciais de motores com potência mínima de
150 Watts, de corrente contínua com escova, e cálculos da potência mínima para
subir rampas e atingir velocidades de até 15 km/h, em terreno plano, e 12 km/h, em
terrenos com inclinação média. Paralelamente, deverão ser desenvolvidos sistemas
de aceleração com possibilidade de até dois tipos de velocidades. O sistema de
acionamento deverá ser o mais suave possível e que não provoque trancos para o
operador.
4.5. Seleção da bateria e Sistema de carregador elétrico: A bateria deverá
ser selecionada tendo-se em vista a sua capacidade, tamanho e peso, para ser
fixada no sistema após a sua montagem. Deverá possibilitar uma utilização mínima,
sem troca imediata, e ser de fácil recarregamento.
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4.6 Seleção de Freios: Um componente importante neste sistema é o projeto
dos freios. Para que o sistema permita uma velocidade de até 15 km/h, deverá ser
munido de um sistema seguro de freios para evitar qualquer possibilidade de
acidentes ou quedas. Neste projeto, pretende-se estudar os tipos mais utilizados em
motos e cadeiras de rodas elétricas e desenvolver testes preliminares com o
sistema. Pretende-se instalar um freio a disco na roda dianteira, por questão de
segurança, além de um freio de sapata, utilizando-se a manopla do guidão.
4.7 Velocímetro, buzina, sistema de aceleração, frenagem, roda,
rodinhas
para
segurança,
amortecedores,
sistema
de
refletores
para
localização no trânsito: Esses equipamentos serão importantes e necessários para
montagem do sistema proposto.
5. ANÁLISE DE TENSÕES
O projeto deverá utilizar programa de elementos finitos, tipo Ansys, para uma
análise completa com todo o sistema montado, com e sem a cadeira de rodas, para
análise de pontos críticos de tensões, evitando vibrações, possibilidade de quedas e
ruptura prematura de componentes estruturais.
6. CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
Após o projeto, todo o sistema deverá estar desenhado em formato CAD para
sua construção, com detalhes completos. O sistema deverá ser montado e
construído de acordo com as especificações técnicas, elaboradas na parte inicial.
Será testado em relação às condições estruturais. Para esta parte serão realizadas
as soldas especiais em alumínio, em oficina externa. A montagem será feita na
oficina mecânica da PUC Minas. Para o projeto Sistema Acoplável Motorizado
deverão ser estudados os aspectos de:
a) Motorização: Deverão ser estudados os aspectos de motorização
(potência motora, freios e bateria) para se determinar o peso total do sistema.
Também deverão ser estudados os vários tipos de motores existentes no mercado
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nacional, levando-se em conta a potência mínima necessária para que a cadeira
tenha uma velocidade de aproximadamente 15 km/h em superfície plana.
b) Estabilidade: Devem-se analisar os aspectos de estabilidade na
introdução de um sistema motorizado para as cadeiras de rodas, tomando-se como
base uma de fabricação nacional. Para isso, será adquirida uma cadeira de rodas
comercial e, nesta fase, serão estudadas as diferentes possibilidades de acoplagem
do sistema motorizado à cadeira convencional. Para essa parte, os alunos deverão
aprender a utilizar um programa estrutural de elementos finitos.
c) Funcionalidade das cadeiras de rodas manuais, bem como das cadeiras
de rodas elétricas já fabricadas no país, no aspecto ergonométrico. Isto leva em
conta tamanho e peso do portador de necessidades especiais.
A metodologia da pesquisa torna necessária a formulação do protótipo em
desenho, usando-se o software AutoCAD, bem como o software de elementos finitos
Ansys. Compreenderá, também, pesquisas sobre motores elétricos (os já utilizados
em cadeiras de rodas e outros motores), no intuito de se otimizar seu desempenho.
Serão estudados baterias para a alimentação do motor e guidões, na tentativa de se
diminuir o peso do sistema, para facilitar a utilização pelo próprio usuário, sem o
auxílio de terceiros, tentando-se, sempre, manter a mesma qualidade e efetividade.
O sistema também possuirá freios, que deverão ser desenvolvidos durante o projeto,
tendo-se em mente modelos de freios de motocicletas e similares, abrindo-se uma
nova área de pesquisa sobre o assunto. Todas essas pesquisas tornam necessária
a compra de equipamentos que serão usados no desenvolvimento, construção e
execução de testes no protótipo. Visando à segurança do projeto, uma pintura se
torna indispensável para a proteção dos materiais, em especial contra corrosão. No
desenvolvimento do manual de instruções do sistema acoplável, utilizaremos
novamente o AutoCAD para desenhos explicativos e demonstrativos, assim como
softwares e editores de texto.
7. RESULTADOS ESPERADOS
o Desenvolvimento de um projeto moderno de sistema prático e útil para
acoplamento a cadeiras de rodas manuais, com motor elétrico, para transformáAnais do IV Internacional Sociedade Inclusiva PUC Minas - Propostas e ações inclusivas: impasses e avanços
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Ias em motorizadas. A inovação tecnológica desse sistema está na possibilidade
de atingirem-se até 15 km/h, transformando cadeiras de rodas convencionais em
sistemas que permitam dar uma mudança radical no bem-estar e realização
pessoal de pessoas que tenham dificuldade de se locomover ou deficiências
parciais em membros inferiores.
o Os resultados obtidos nesse projeto servirão para iniciarem-se futuros projetos
de
pequenos
equipamentos
motorizados
para
atuação
na
área
de
desenvolvimento científico e tecnológico e desenvolvimento estrutural, utilizando
programa de elementos finitos, com orientação de iniciação científica para os
alunos.
o Construção de um primeiro protótipo, a ser desenvolvido pela PUC Minas,
permitindo a possível patenteação do sistema.
o Abertura de novas áreas de pesquisas na área de necessidades especiais de
rápida locomoção.
o Elaboração de um sistema para a prática esportiva de pessoas com dificuldades
locomotoras, em terrenos acidentados.
o Divulgação do resultado obtido para auxiliar o desenvolvimento de pesquisas
biomecânicas no setor de pacientes com necessidades especiais.
o Apresentação do projeto final em Congressos e Simpósios, em nível nacional.
o Publicação dos resultados em revistas especializadas.
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REFERÊNCIAS
KRAUSE, Paul C. Eletromechanical Motion Devices. New York: McGraw-HiII,
c1989.
KRUGER, Walter Jose Von. Controle de motores. Belo Horizonte: UFMG/EE, 1966.
COOPER, R. A.; MACLEISH, M. e MCLAURIN C. A. Racing wheelchair roll
stability while turning: a simple model. J. Rehab. Res. Develop, 2005.
SMITH NETO, P. Projeto e Construção de uma cadeira de Rodas Escamoteável.
Projeto CNPq, UFU,1980.

Sistema acoplável motorizado para cadeira de rodas convencional

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