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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Concepção de diferentes estruturas para exoesqueletos de membro inferior baseado no estudo dinâmico e utilização de biomateriais
Title Alternative: Design of different structures for lower limb exoskeletons based on the dynamic study and use of biomaterials
Author: Buitrago Salazar, Germán Darío, 1991-
Advisor: Rosário, João Maurício
Abstract: Resumo: Os sistemas exoesqueléticos têm sido um dos principais focos de pesquisa na área da bioengenharia, unindo conhecimentos de robótica, mecânica, mecatrônica e medicina, para construir dispositivos que assistam e aumentem as qualidades físicas dos usuários. Neste trabalho foi proposta a análise dinâmica de mecanismos e biomateriais, visando projetar e analisar diferentes estruturas que possam ser utilizadas como exoesqueletos de membro inferior, com o objetivo de escolher os motores para mover a estrutura e sua arquitetura de controle. Neste sentido, foi descrito o modelo de um mecanismo serial, um mecanismo com paralelogramo e sua variação com molas inseridas, chamado de híbrido, desde as perspectivas cinemática e dinâmica, para simular seu comportamento dinâmico quando estes acompanham a trajetória do ciclo de marcha de um usuário. Para cada simulação, foram trocados osmateriais da estrutura, utilizando tanto materiais convencionais na manufatura desses dispositivos exoesqueléticos, quanto biomateriais, estabelecendo-se parâmetros dinâmicos para serem utilizados como base para a escolha do sistema de acionamento. Após o procedimento de seleção, implementou-se uma arquitetura de controle considerando 3 GL, considerando uma malha de controle cinemático a nível de junta e a nível cartesiano, com informações de posição obtidas através do cálculo da matriz jacobiana (2 GL). Foi utilizado o modelo dinâmico do dispositivo em estudo para o projeto do sistema de acionamento e cálculo dos parâmetros dos três controladores PID associado a cada junta, utilizando ainda a forma RST discreta. Os resultados das simulações dos parâmetros dinâmicos permitiram escolher o PLA como matéria-prima na fabricação das estruturas e observar que os menores torques foram gerados nas estruturas com paralelogramo e híbrido. Com estes valores, foram considerados três motores idênticos para cada grau de liberdade, permitindo assim, a simulação da arquitetura completa de controle. A simulação dos sistemas de controle mostrou que estes acompanham o sinal de referência no quadril, no joelho e no tornozelo e a redução dos efeitos de amortecimento da saída, principalmente com a implementação dos controladores na forma RST. Estes resultados confirmam a versatilidade desta metodologia ao projetar mecanismos, e a possibilidade de obter resultados positivos com esses controladores, em relação com os controladores clássicos em aplicações mecatrônicas como os dispositivos exoesqueléticos

Abstract: Exoskeleton systems have been one of the major focus in bioengineering researches, combining robotics, mechanics, mechatronics and medicine concepts to make devices that assist and enhance the physical capacities and abilities of users In this work, we proposed the dynamic analyze of mechanisms and biomaterials, aiming to design and analyze different structures that can be used as lower limbs exoskeletons, in order to choose the motors to move the structure and its control architecture. In this regard, we described the models of a serial mechanism, a mechanism with parallelogram and a hybrid mechanism, from the kinematic and dynamic perspectives, to simulate their dynamic comportment when they follow the gait cycle path of a user. For each simulation, the material of structure was switched, using conventional materials in the manufacture of these devices and biomaterials and establishing dynamic parameters to be used as the basis for choosing the motor system. After the selection procedure, a control architecture considering 3 DOF was implemented, considering a kinematic control loop at the joint and cartesian levels and using position information obtained calculating the Jacobian matrix (2 DOF). Dynamic model of the structure studied was used for the design of the drive system and the computing of the parameters of the three PID controllers associated to each joint using the discrete RST form. The results of the simulations of the dynamic parameters allowed to choose PLA as raw material in the fabrication of the structures and to observe that the smallest torques were generated in the structures with parallelogram and hybrid. With these values, three identic motors were considered for each degree of freedom, allowing in this way, to simulate the complete control architecture. The simulation of the control systems showed that they follow the reference signal in the hip, knee and ankle articulations and the reduction of the damping effects of the response of the system, mainly with the implementation of RST controllers. These results confirm the versatility of this methodology for designing mechanisms and the possibility of obtaining positives results with those controllers, in relation to the classical controllers in mechatronic applications such as the exoskeletal devices
Subject: Bioengenharia
Mecanismo - Projeto
Sistemas de controle
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: BUITRAGO SALAZAR, Germán Darío. Concepção de diferentes estruturas para exoesqueletos de membro inferior baseado no estudo dinâmico e utilização de biomateriais. 2018. 1 recurso online (129 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/331747>. Acesso em: 3 set. 2018.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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