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Título: Prótese em fibra de carbono para pé com integração de sensores ópticos FBG
Título(s) alternativo(s): Carbon fiber foot prosthesis with integration of FBG optical sensors
Autor(es): Bastos, Talita Paes de
Orientador(es): Martelli, Cícero
Palavras-chave: Detectores ópticos
Redes de Bragg
Prótese - Desenvolvimento
Membros artificiais
Fibras de carbono
Materiais compostos
Polímeros
Biomecânica
Engenharia elétrica
Optical detectors
Bragg gratings
Prosthesis - Development
Artificial limbs
Carbon fibers
Composite materials
Polymers
Biomechanics
Electric engineering
Data do documento: 29-Mai-2019
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: BASTOS, Talita Paes de. Prótese em fibra de carbono para pé com integração de sensores ópticos FBG. 2019. 88 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2019.
Resumo: Os sensores baseados em redes de Bragg em fibras ópticas (FBG) podem ter aplicações significativas na área de biomecânica, devido a suas características de alta sensibilidade aos esforços mecânicos, baixo peso, facilidade de multiplexação dos sensores, e imunidade a interferência eletromagnética. O sensor possui também alta integração com materiais compósitos de matriz polimérica epoxídica. A perspectiva de fabricação de próteses de fibra de carbono com este sensor pode permitir o monitoramento em tempo real de usuário de prótese. Esse sistema pode favorecer o melhor ajuste da prótese ao corpo, antecipando disfunções e prevenindo futuras lesões, principalmente em quadris e coluna. Este trabalho descreve os aspectos construtivos, e as análises do estudo de caracterização de uma prótese em fibra de carbono para pé instrumentada com sensores FBG comerciais. São analisados 9 sensores dispostos em forma de matriz 3 x 3 nos planos coronal e sagital. Dessa maneira a malha de sensores compreende da região anterior à posterior e da região medial à lateral. São apresentadas respostas dos sensores a marchas a velocidades de 1,5 km/h e 3,5 km/h, com adaptação para usuário não-amputado. É discutida e demonstrada a relação da resposta dos sensores com as fases da marcha, em toda sua fase de apoio. Também são descritos ensaios térmicos, para análise de formação de chirp em FBG´s durante o processo de cura do material compósito, que mostraram alargamento máximo de 20% e média de 15% do espectro. Este trabalho valida o conceito de aplicação de sensores FBG em próteses de fibra de carbono para pé, possibilitando novas abordagens em estudos aplicados à melhoria de próteses com detecções de inadequação de marcha em ambiente externo a consultórios.
Abstract: The sensors based on optical fibers Bragg gratings have significant applications in the area of biomechanics, due to its characteristics of high sensitivity to mechanical stresses, lightness, ease of multiplexing of sensors, and immunity to electromagnetic interference. The sensor also has high integration with composites of epoxy polymer matrix. The prospect of fabrication of carbon fiber prostheses with this sensor can enable real-time monitoring of prosthesis user. This system can favor the best fit the prosthesis to body, anticipating dysfunctions and preventing future injuries, especially in hips and spine. This work describes the constructive aspects, and the analyzes of the characterization study of a foot carbon fiber prosthesis instrumented with commercial FBG sensors. It is analyzed 9 sensors arranged in the form of a 3 x 3 matrix in the coronal and sagittal planes. In this way the sensors mesh comprises the anterior to posterior region and the medial to lateral region. Responses of the sensors to the gait are presented at speeds of 1.5 km/h and 3.5 km/h, with adaptation for non-amputated user. The relationship between the response of the sensors and the phases of the gait during the entire support phase is discussed and demonstrated. Thermal tests are also described for the analysis of FBG's chirp formation during the curing process of the composite material, which showed a maximum enlargement of 20% and a mean of 15% of the spectrum. This work validates the concept of FBG sensors application in carbon fiber foot prostheses, allowing new approaches in studies applied to the improvement of prostheses with detections of gait inadequacy outside clinic environments.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4280
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