Mecanismo antitravamento para redutores harmônicos : aplicação em atuadores de próteses ativas de membro inferior

Página do item simplificado
dc.contributor.advisor1Andrade, Rafhael Milanezi de
dc.contributor.advisor1IDhttps://orcid.org/0000-0002-2839-3649
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9241045307171389
dc.contributor.authorFiorezi, Guilherme Gomes
dc.contributor.authorIDhttps://orcid.org/0000-0003-1964-3957
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/6210607874686902
dc.contributor.referee1Loeffler Neto, Carlos Friedrich
dc.contributor.referee1IDhttps://orcid.org/0000-0002-5754-6368
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3102733972897061
dc.contributor.referee2Siqueira, Adriano Almeida Gonçalves
dc.contributor.referee2IDhttps://orcid.org/0000-0003-0663-156X
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/2935052598064187
dc.date.accessioned2026-02-23T14:56:27Z
dc.date.available2026-02-23T14:56:27Z
dc.date.issued2026-01-30
dc.description.abstractActuators are essential for the operation of a wide range of robotic systems across various modern industries. These actuators are usually equipped with gear reducers directly coupled to the motors and, depending on their type, may be more or less affected by overload events. Harmonic drives, despite their many advantages, are among the most susceptible to overloads and may, in many cases, experience the so-called ratcheting phenomenon. In such events, the actuator may lock and potentially lead to reducer failure. For this reason, torque limiters are widely employed in industrial systems; however, commercial torque limiters typically fully decouple the actuator from the output when activated. As a result, in addition to their excessive size, these devices do not address issues that may arise during their actuation in medical devices, such as prostheses, where complete decoupling can lead to user falls due to loss of controllability. In this context, this work presents a design methodology for an anti-lock mechanism that maintains partial coupling between the actuator motor and the output through springs, providing passive overload absorption and compliant behavior. The proposed methodology addresses the calculation of the desired maximum torque and the torsional stiffness after mechanism actuation. For practical application and demonstration, a mechanism is designed for the ankle joint of the UFES Robotic Leg prosthesis. The anti-lock mechanism is tested on a bench setup to verify the theoretically obtained values and with a human subject performing four activities of daily living to validate the concept and evaluate the impacts of incorporating the mechanism. Overall, the results indicate that the designed mechanism, using the proposed methodology, meets the established design requirements, allowing movements to be performed in a manner very similar to that observed prior to its installation on the prosthesis. The prototype weighs 229 g, has an average torque limit of 60.91 Nm, an average torsion stiffness of 241 Nm/rad, and about ±10° of angular displacement. Some results require manufacturing the parts again to confirm the true origin of the discrepancies; however, other minor differences between the modeling and experimental results can be reduced through improvements in the modeling, such as the inclusion of the effects of torsional springs after a better understanding of their influence.
dc.description.resumoOs atuadores são essenciais para o funcionamento de diversos equipamentos robóticos das mais diversas indústrias da atualidade. Tais atuadores usualmente equipam redutores diretamente acoplados aos motores e, dependendo do tipo, podem ser mais ou menos afetados por eventos de sobrecargas. Os redutores harmônicos, apesar de possuir diversas vantagens, são os redutores mais afetados e, em muitos casos, podem ocasionar o chamado ratcheting. Nesse evento, o atuador trava e pode até causar a falha do redutor. Por isso, a indústria emprega limitadores de torque em diversos sistemas; entretanto, esses dispositivos comerciais, ao atuar, desacoplam totalmente o atuador da saída. Assim, além do tamanho excessivo, eles não resolvem problemas que podem ser gerados durante sua atuação em dispositivos médicos, por exemplo, próteses, em que o desacoplamento total pode levar à queda do usuário devido à falta de controlabilidade. Nesse intuito, esse trabalho apresenta uma metodologia para o design de um mecanismo antitravamento que mantenha um acoplamento parcial entre a saída e o motor do atuador, através de molas, proporcionando um comportamento e absorção passiva da sobrecarga. A metodologia aborda o cálculo do torque máximo desejado e da rigidez à torção após a atuação. Para aplicação prática e demonstração, um mecanismo é projetado para a prótese de tornozelo da UFES Robotic Leg. Esse mecanismo antitravamento é testado em bancada para verificação dos valores obtidos teoricamente e com um indivíduo utilizando a prótese em quatro atividades do cotidiano para validação e avaliação dos impactos da incorporação do mecanismo. Os resultados indicam que o mecanismo projetado, utilizando a metodologia apresentada, atinge os requisitos de projeto estabelecidos, permitindo a execução dos movimentos de forma muito similar à antes da sua instalação na prótese. O protótipo possui 229 g, 60,91 Nm de torque limite estático médio, 241 Nm/rad de rigidez à torção média e aproximadamente ±10° de deslocamento angular. Alguns resultados necessitam de refabricação das peças para que se confirme a origem dos erros. No entanto, outras pequenas divergências entre o modelo e os resultados experimentais podem ser reduzidas aplicando-se melhorias na modelagem, como por exemplo, a inclusão dos efeitos das molas torcionais após um melhor entendimento dos seus impactos
dc.formatText
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufes.br/handle/10/20897
dc.languagepor
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Federal do Espírito Santo
dc.publisher.countryBR
dc.publisher.courseMestrado em Engenharia Mecânica
dc.publisher.departmentCentro Tecnológico
dc.publisher.initialsUFES
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
dc.rightsopen access
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectLimitador de torque
dc.subject Redutor harmônico
dc.subjectAntitravamento
dc.subjectTorque limiter
dc.subjectHarmonic drive
dc.subjectStrain wave gear
dc.subjectAnti-lock
dc.subjectRobotic prosthesis
dc.subjectPrótese robótica
dc.subject.cnpqEngenharia Mecânica
dc.titleMecanismo antitravamento para redutores harmônicos : aplicação em atuadores de próteses ativas de membro inferior
dc.typemasterThesis
Arquivos
Pacote Original
Agora exibindo 1 - 1 de 1
Imagem de Miniatura
Nome:
GuilhermeGomesFiorezi-2026-dissertacao.pdf
Tamanho:
65.76 MB
Formato:
Adobe Portable Document Format
Descrição:
Baixar
Licença do Pacote
Agora exibindo 1 - 1 de 1
Imagem de Miniatura
Nome:
license.txt
Tamanho:
1.71 KB
Formato:
Item-specific license agreed upon to submission
Descrição:
Baixar
Coleções
Mestrado em Engenharia Mecânica