Desenvolvimento conceptual de um sistema mecânico de auxílio à locomoção em cadeiras de rodas

Abstract

Em 2019, cerca de 75 milhões de pessoas em todo o mundo dependiam de cadeiras de rodas manuais para a sua locomoção diária. A sua utilização pode causar fadiga excessiva nos membros superiores, resultando em dores e lesões, especialmente quando se deparam com obstáculos frequentes. Nomeadamente, subir rampas, obstáculo particularmente difícil e perigoso devido à resistência adicional ao movimento. Nesse sentido, pretendeu-se encontrar uma solução que permita ultrapassar rampas sem comprometer a manobrabilidade e as dimensões da cadeira de rodas, aumentando assim a segurança e diminuindo o esforço. A presente dissertação teve como objetivo o desenvolvimento conceptual de um sistema de auxílio à locomoção em cadeira de rodas, puramente mecânico, e que recorre ao armazenamento de energia potencial elástica como elemento motriz. Foram implementadas várias ferramentas da área de desenvolvimento de produtos em engenharia, como a aplicação do modelo de Kano para classificar os requisitos dos clientes, a utilização da matriz de qualidade para priorizar os requisitos dos clientes e as especificações técnicas do produto, e recorreuse ao FMEA de conceito com o objetivo de identificar e avaliar possíveis modos de falha. O protótipo virtual desenvolvido oferece uma representação funcional do dispositivo. Este dispositivo é projetado para acoplar a cadeiras de rodas manuais, sendo posicionado na parte traseira da cadeira. Ele apresenta um sistema de encaixe com rolamentos que permite uma montagem fácil e rápida, visando facilitar a logística de transporte da cadeira. Além disso, o dispositivo possui três posições de engrenamento: descarga, carga e neutro, oferecendo ao utilizador a escolha entre ser auxiliado, recarregar o sistema ou usar a cadeira normalmente. Possui também um mecanismo de anti-volteio para evitar quedas do utilizador para trás. Os objetivos propostos foram parcialmente alcançados. Teoricamente, as molas motrizes têm aplicabilidade num dispositivo desta natureza. As dimensões externas da cadeira foram mantidas, e a capacidade de transporte foi preservada. Embora tenha sido possível o auxilio do utilizador ao subir rampas, o objetivo não foi totalmente conseguido, já que o dispositivo auxilia o utilizador em apenas 3,5 metros de distância. Face ao aumento de peso da cadeira de rodas, o produto ainda não oferece benefícios significativos e requer um processo de otimização.

In 2019, around 75 million people around the world relied on manual wheelchairs for their daily mobility. Their use can cause excessive fatigue in the upper limbs, resulting in pain and injury, especially when faced with frequent obstacles. In particular, climbing ramps, a particularly difficult and dangerous obstacle due to the additional resistance to movement. With this in mind, the aim was to find a solution that would make it possible to overcome ramps without compromising the manoeuvrability and dimensions of the wheelchair, thus increasing safety and reducing effort. The aim of this dissertation was the conceptual development of a purely mechanical wheelchair locomotion aid system that uses the storage of elastic potential energy as a driving element. Various instruments from the field of product development in engineering were implemented, such as applying the Kano model to classify customer requirements, using the quality matrix to prioritise customer requirements and the product’s technical specifications, and using the concept FMEA to identify and evaluate possible failure modes. The virtual prototype developed provides a functional representation of the device. This device is designed to attach to manual wheelchairs and is positioned on the back of the chair. It has a bearing attachment system that allows quick and easy assembly in order to simplify the logistics of transporting the chair. In addition, the device has three gear positions: discharge, charge and neutral, offering the user the choice between being assisted, recharging the system or using the chair as usual. It also has an anti-roll mechanism to prevent the user from falling backwards. The objectives were partially fulfilled. The power springs are theoretically applicable in a device of this nature. The external dimensions of the chair were maintained, and the transport capacity was preserved. Although it was possible to assist the user when climbing ramps, the objective was not fully achieved, as the device assists the user over a distance of only 3,5 meters. Given the increased weight of the wheelchair, the product doesn’t yet offer significant benefits and requires an optimisation process.