BR102016024912B1

BR102016024912B1 - MAGNETO-RHEOLOGICAL ACTUATOR FOR PROSTHESIS, EXOSKELETONS AND OTHER ROBOTIC APPLICATIONS AND USE

Info

Publication number: BR102016024912B1
Application number: BR102016024912-0A
Authority: BR
Inventors: Rafhael Milanezi De Andrade; Claysson Bruno Santos Vimieiro; Marcos Pinotti Barbosa; Antônio Bento Filho
Original assignee: Universidade Federal De Minas Gerais; Universidade Federal Do Espírito Santo
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2023-10-10
Also published as: BR102016024912A2

Abstract

atuador magneto-reológico para próteses, exoesqueletos e outras aplicações rebóticas e uso. a presente tecnologia apresenta um atuador que proporciona um torque ativo para próteses, exoesqueletos e outras aplicações robóticas, com características adequadas para reproduzir os movimentos de articulações que necessitem de torque ativo e passivo, aliada a um baixo custo energético. o conjunto motor atua apenas nos momentos necessários, ou seja, em que é preciso torque ativo, por exemplo, durante a contração concêntrica em uma perna saudável durante a marcha, enquanto que o freio magneto-reológico é utilizando quando não é necessário torque ativo, minimizando o consumo de energia. a invenção compreende um atuador ativo para próteses, exoesqueletos e outras aplicações robóticas, composto por um conjunto motor formado por motor, redutor e acoplamento magneto-reológico, acionado pela bobina e núcleo de ferro, responsáveis por gerar o torque ativo, disposto em paralelo ao freio magneto-reológico, responsável por gerar o torque passivo, que é acionado pela bobina e núcleo de ferro, que de forma coordenada, juntos reproduzem o movimento de uma articulação. o dispositivo é composto por duas estruturas principais, externa e interna, que apresentam movimento relativo entre si garantido por um conjunto de rolamentos. a estrutura externa do dispositivo se conecta ao segmento inferior da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, enquanto a estrutura interna se conecta ao segmento superior da prótese/exoesqueleto/órtese/robô. esta ordem pode ser alterada sem prejuízo para o funcionamento.magnetorheological actuator for prosthetics, exoskeletons and other robotic applications and use. This technology presents an actuator that provides an active torque for prostheses, exoskeletons and other robotic applications, with characteristics suitable for reproducing the movements of joints that require active and passive torque, combined with a low energy cost. the motor set acts only at necessary moments, that is, when active torque is needed, for example, during concentric contraction in a healthy leg during walking, while the magnetorheological brake is used when active torque is not necessary, minimizing energy consumption. the invention comprises an active actuator for prostheses, exoskeletons and other robotic applications, composed of a motor assembly formed by a motor, reducer and magnetorheological coupling, driven by the coil and iron core, responsible for generating the active torque, arranged in parallel to the magnetorheological brake, responsible for generating passive torque, which is activated by the coil and iron core, which in a coordinated way, together reproduce the movement of a joint. the device is composed of two main structures, external and internal, which have relative movement between them guaranteed by a set of bearings. the external structure of the device connects to the lower segment of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot, while the internal structure connects to the upper segment of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot. This order can be changed without prejudice to operation.

Description

[01] A presente tecnologia apresenta um atuador que proporciona um torque ativo para próteses, exoesqueletos e outras aplicações robóticas, com características adequadas para reproduzir os movimentos de articulações que necessitem de torque ativo e passivo, aliada a um baixo custo energético. O conjunto motor atua apenas nos momentos necessários, ou seja, em que é preciso torque ativo, por exemplo, durante a contração concêntrica em uma perna saudável durante a marcha, enquanto que o freio magneto-reológico é utilizando quando não é necessário torque ativo, minimizando o consumo de energia. A invenção compreende um atuador ativo para próteses, exoesqueletos e outras aplicações robóticas, composto por um conjunto motor formado por motor, redutor e acoplamento magneto-reológico, acionado pela bobina e núcleo de ferro, responsáveis por gerar o torque ativo, disposto em paralelo ao freio magneto-reológico, responsável por gerar o torque passivo, que é acionado pela bobina e núcleo de ferro, que de forma coordenada, juntos reproduzem o movimento de uma articulação. O dispositivo é composto por duas estruturas principais, externa e interna, que apresentam movimento relativo entre si garantido por um conjunto de rolamentos. A estrutura externa do dispositivo se conecta ao segmento inferior da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, enquanto a estrutura interna se conecta ao segmento superior da prótese/exoesqueleto/órtese/robô. Esta ordem pode ser alterada sem prejuízo para o funcionamento.[01] The present technology presents an actuator that provides an active torque for prostheses, exoskeletons and other robotic applications, with characteristics suitable for reproducing the movements of joints that require active and passive torque, combined with a low energy cost. The motor set acts only at necessary moments, that is, when active torque is needed, for example, during concentric contraction in a healthy leg during walking, while the magnetorheological brake is used when active torque is not necessary, minimizing energy consumption. The invention comprises an active actuator for prostheses, exoskeletons and other robotic applications, composed of a motor assembly formed by a motor, reducer and magnetorheological coupling, driven by the coil and iron core, responsible for generating the active torque, arranged in parallel to the magnetorheological brake, responsible for generating passive torque, which is activated by the coil and iron core, which in a coordinated way, together reproduce the movement of a joint. The device is composed of two main structures, external and internal, which have relative movement between them guaranteed by a set of bearings. The external structure of the device connects to the lower segment of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot, while the internal structure connects to the upper segment of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot. This order can be changed without prejudice to operation.

[02] Apesar dos avanços, ainda existem limitações para o uso de próteses e exoesqueletos. Em relação aos exoesqueletos, as principais dificuldades enfrentadas estão relacionadas ao peso e o elevado consumo de energia. Tais equipamentos precisam estar ligados diretamente à rede elétrica ou carregar pesadas baterias para suprir o consumo de energia dos motores, atuadores e demais dispositivos. Os atuadores de joelhos de exoesqueletos, por exemplo, normalmente são rígidos, dificultando a adaptação a terrenos irregulares e não desempenhando o movimento adequado do joelho durante a marcha normal. O desenvolvimento de atuadores de baixo peso e consumo de energia é algo de grande importância para aumentar a viabilidade do uso dos exoesqueletos. Os dispositivos magnetos-reológicos (MR), que normalmente apresentam baixo consumo de energia e baixa relação peso-torque resistivo, podem ser de grande utilidade, aumentando a eficiência energética de tais equipamentos. (BOGUE, ROBERT (2009), "Exoskeletons and robotic prosthetics: a review of recent developments", Industrial Robot: An International Journal, Vol. 36 Iss 5 pp. 421 - 427; CHEN, J. Z., AND LIAO, W. H., Design, testing and control of a magnetorheological actuator for assistive knee braces, Smart Mater. Struct. ,19, 035029, (10pp), 2010; CESTARI, M., SANZ-MERODIO, D., AREVALO, J.C., GARCIA, E., 2015. An Adjustable Compliant Joint for Lower-Limb Exoskeletons. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 20, 889-898).[02] Despite advances, there are still limitations to the use of prostheses and exoskeletons. In relation to exoskeletons, the main difficulties faced are related to weight and high energy consumption. Such equipment needs to be connected directly to the electrical grid or carry heavy batteries to cover the energy consumption of motors, actuators and other devices. Exoskeleton knee actuators, for example, are normally rigid, making it difficult to adapt to uneven terrain and not performing adequate knee movement during normal walking. The development of low weight and energy consuming actuators is of great importance to increase the viability of using exoskeletons. Magnetos-rheological (MR) devices, which normally have low energy consumption and a low resistive weight-torque ratio, can be of great use, increasing the energy efficiency of such equipment. (BOGUE, ROBERT (2009), "Exoskeletons and robotic prosthetics: a review of recent developments", Industrial Robot: An International Journal, Vol. 36 Iss 5 pp. 421 - 427; CHEN, J. Z., AND LIAO, W. H., Design, testing and control of a magnetorheological actuator for assistive knee braces, Smart Mater. Struct. 19, 035029, (10pp), 2010; CESTARI, M., SANZ-MERODIO, D., AREVALO, J.C., GARCIA, E., 2015 . An Adjustable Compliant Joint for Lower-Limb Exoskeletons. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 20, 889-898).

[03] Uma das aplicações mais interessantes de fluidos MR é em atuadores semiativos para controle em tempo real de próteses. Em tais sistemas, um pequeno amortecedor magneto-reológico é utilizado para controlar o movimento de um membro artificial com base em entradas de um grupo de sensores, com baixo consumo de energia. O benefício de uma articulação artificial com essa tecnologia é uma marcha mais natural que se adapta automaticamente à mudança de velocidade e ao terreno. Por outro lado, de acordo com Herr e Wilkenfeld (2003), apesar dos atuadores semiativos de próteses transfemurais apresentarem vantagens sobre os passivos, não são capazes de produzir energia mecânica e, por isso, não podem replicar o trabalho positivo feito por joelhos humanos em determinadas atividades, como sentar e levantar, subir escadas ou rampas e outros. Por não serem capazes de reproduzir a marcha normal, Geng et al. (2012) reportam que as próteses passivas e semiativas determinam um gasto de até 60% a mais de energia metabólica. Com essas próteses, o indivíduo compensa a falta de torque ativo do atuador da prótese com movimentos adicionais, por isso os ângulos no quadril e no joelho são maiores na perna amputada do que na perna saudável (HERR, H., WILKENFELD, A., User-adaptive control of a magnetorheological prosthetic knee, Ind Rob., 30(1):42-55, 2003; GENG, Y., YANG, P., XU, X., CHEN, L., 2012. Design and simulation of Active Transfemoral Prosthesis, in: Control and Decision Conference (CCDC), 2012 24th Chinese, pp. 3724-3728.)[03] One of the most interesting applications of MR fluids is in semi-active actuators for real-time control of prostheses. In such systems, a small magnetorheological damper is used to control the movement of an artificial limb based on inputs from a group of sensors, with low power consumption. The benefit of an artificial joint with this technology is a more natural gait that automatically adapts to changing speeds and terrain. On the other hand, according to Herr and Wilkenfeld (2003), although semi-active actuators of transfemoral prostheses have advantages over passive ones, they are not capable of producing mechanical energy and, therefore, cannot replicate the positive work done by human knees in certain activities, such as sitting and standing up, climbing stairs or ramps and others. Because they were not able to reproduce normal gait, Geng et al. (2012) report that passive and semi-active prostheses require up to 60% more metabolic energy. With these prostheses, the individual compensates for the lack of active torque from the prosthetic actuator with additional movements, which is why the angles at the hip and knee are greater in the amputated leg than in the healthy leg (HERR, H., WILKENFELD, A., User-adaptive control of a magnetorheological prosthetic knee, Ind Rob., 30(1):42-55, 2003; GENG, Y., YANG, P., XU, X., CHEN, L., 2012. Design and simulation of Active Transfemoral Prosthesis, in: Control and Decision Conference (CCDC), 2012 24th Chinese, pp. 3724-3728.)

[04] As próteses semiativas tem desvantagens e, por isso, as próteses ativas deveriam ter um maior desenvolvimento, mas não é isso que ocorre pois o número de próteses ativas ainda é pequeno. Além disso, os atuadores de membros inferiores de exoesqueletos ainda precisam ser aprimorados para reproduzir a marcha de forma adequada a um baixo consumo de energia. Diante desse cenário, muitos pesquisadores têm dedicado esforços para desenvolver novas formas de próteses ativas e atuadores de exoesqueletos, nos últimos anos diferentes dispositivos e configurações foram propostos. Martinez-Villalpando e Herr, (2009), Garcia et al., (2011) e Filho et al., (2014) propõem a utilização de atuadores serial linear elástico entre o fêmur e a tíbia. Essa configuração apresenta características como tolerância a impactos, baixa impedância de saída mecânica e armazenamento passivo de energia mecânica. Entretanto são dispositivos pesados com alto consumo de energia, dificultando sua utilização em próteses ou exoesqueletos. Chen e Liao (2010) e Guo e Liao (2012) desenvolvem atuadores magneto-reológicos rotativos que podem funcionar como motor, na situação em que houver necessidade de realizar trabalho, como embreagem, quando for necessário controlar o torque de saída, e como freio ou amortecedor, quando for necessário dissipar energia, contudo os protótipos apresentam algumas limitações. Em Chen e Liao (2010) o conjunto motor, redutor e atuador é grande e pesado demais para ser usado em uma prótese ou exoesqueleto. Em Guo e Liao (2012), apesar das dimensões adequadas, o torque de saída é insuficiente para essas aplicações. O dispositivo atinge 0,27 N.m a 1300 rpm (36,8 W), todavia, segundo Kawamoto e Sankai (2002) e Kapti e Yucenur (2006) o torque mínimo para uma caminhada normal é de 30,0 N.m, em muitos casos a potência de saída necessária é na ordem de 100 W (MARTINEZ- VILLALPANDO, E. C., HERR, H., Agonist-antagonist active knee prosthesis: A preliminary study in level-ground walking. J Rehabil Res Dev. 2009;46(3):361-73; GARCIA, E., AREVALO, J. C., MUNOZ, G., On the biomimetic design of agile-robot legs. Sensors, Basel, Switzerland, 11, 11305, 2011; FILHO, A. B., ANDRADE, R. M. E MATOS, M. C., Digital Prototyping of a Series Elastic Actuator for Exoskeletons, CONEM 2014, 2014; CHEN, J. Z., AND LIAO, W. H., Design, testing and control of a magnetorheological actuator for assistive knee braces, Smart Mater. Struct. ,19, 035029, (10pp), 2010; GUO, H. T., AND LIAO, W. H., A novel multifunctional rotary actuator with magnetorheological fluid, Smart Mater. Struct., 21, 065012, (9pp), 2012; KAWAMOTO, H. AND SANKAI, Y., Comfortable power assist control method for walking aid by HAL-3, Proc. IEEE Int. Conf. on Systems, Man and Cybernetics, 4, TP1B2, 2002; KAPTI, A.O., YUCENUR, M.S., Design and control of an active artificial knee joint. Mechanism and Machine Theory 41, 1477-1485, 2006.).[04] Semi-active prostheses have disadvantages and, therefore, active prostheses should have greater development, but this is not what happens as the number of active prostheses is still small. Furthermore, exoskeleton lower limb actuators still need to be improved to adequately reproduce gait at low power consumption. Given this scenario, many researchers have dedicated efforts to developing new forms of active prostheses and exoskeleton actuators; in recent years, different devices and configurations have been proposed. Martinez-Villalpando and Herr, (2009), Garcia et al., (2011) and Filho et al., (2014) propose the use of linear elastic serial actuators between the femur and tibia. This configuration presents characteristics such as impact tolerance, low mechanical output impedance and passive storage of mechanical energy. However, they are heavy devices with high energy consumption, making their use in prosthetics or exoskeletons difficult. Chen and Liao (2010) and Guo and Liao (2012) develop rotary magnetorheological actuators that can function as a motor, in situations where there is a need to perform work, as a clutch, when it is necessary to control the output torque, and as a brake or shock absorber, when it is necessary to dissipate energy, however the prototypes have some limitations. In Chen and Liao (2010) the motor, reducer and actuator assembly is too large and heavy to be used in a prosthesis or exoskeleton. In Guo and Liao (2012), despite the adequate dimensions, the output torque is insufficient for these applications. The device reaches 0.27 N.m at 1300 rpm (36.8 W), however, according to Kawamoto and Sankai (2002) and Kapti and Yucenur (2006) the minimum torque for normal walking is 30.0 N.m, in many cases the required output power is in the order of 100 W (MARTINEZ- VILLALPANDO, E. C., HERR, H., Agonist-antagonist active knee prosthesis: A preliminary study in level-ground walking. J Rehabil Res Dev. 2009;46(3) :361-73; GARCIA, E., AREVALO, J. C., MUNOZ, G., On the biomimetic design of agile-robot legs. Sensors, Basel, Switzerland, 11, 11305, 2011; FILHO, A. B., ANDRADE, R. M. E MATOS , M. C., Digital Prototyping of a Series Elastic Actuator for Exoskeletons, CONEM 2014, 2014; CHEN, J. Z., AND LIAO, W. H., Design, testing and control of a magnetorheological actuator for assistive knee braces, Smart Mater. Struct. ,19, 035029 , (10pp), 2010; GUO, H. T., AND LIAO, W. H., A novel multifunctional rotary actuator with magnetorheological fluid, Smart Mater. Struct., 21, 065012, (9pp), 2012; KAWAMOTO, H. AND SANKAI, Y. , Comfortable power assist control method for walking aid by HAL-3, Proc. IEEE Int. Conf. on Systems, Man and Cybernetics, 4, TP1B2, 2002; KAPTI, A.O., YUCENUR, M.S., Design and control of an active artificial knee joint. Mechanism and Machine Theory 41, 1477-1485, 2006.).

[05] O documento US8193670B2, intitulado “Magnetorheological Actuators”, refere-se a um atuador magneto-reológico capaz de funcionar como motor, embreagem ou freio. O dispositivo é um motor, cujo rotor é um acoplamento magneto-reológico. O motor compreende um estator feito de um material magnético de alta permeabilidade, uma bobina externa enrolada em torno do estator. O acoplamento magneto-reológico é o rotor do motor, responsável por transferir a potência para o eixo de saída, que é feito de um material de alta permeabilidade magnética e uma cavidade configurada para receber o fluido magneto-reológico. Para que o sistema seja capaz de atuar como freio, é necessário que o giro do motor seja restringido, por alimentação elétrica, provocando gasto de energia mais elevado. Portanto, além da configuração ativa se diferenciar desta tecnologia, por não utilizar um motor independente do acoplamento magneto-reológico, e não apresentar redutor entre o motor e o acoplamento, essa invenção não possui sistema de frenagem independente, como é proposto nesta tecnologia.[05] Document US8193670B2, entitled “Magnetorheological Actuators”, refers to a magnetorheological actuator capable of functioning as a motor, clutch or brake. The device is a motor, the rotor of which is a magnetorheological coupling. The motor comprises a stator made of a high permeability magnetic material, an external coil wound around the stator. The magnetorheological coupling is the motor rotor, responsible for transferring power to the output shaft, which is made of a material with high magnetic permeability and a cavity configured to receive the magnetorheological fluid. For the system to be able to act as a brake, the engine rotation must be restricted by electrical power, causing higher energy expenditure. Therefore, in addition to the active configuration differing from this technology, as it does not use a motor independent of the magnetorheological coupling, and does not have a reducer between the motor and the coupling, this invention does not have an independent braking system, as proposed in this technology.

[06] O documento PL20120398878, intitulado “Active prosthetic shin”, refere-se a uma prótese ativa de dois eixos acionados: o eixo de articulação do joelho, acionado por um motor elétrico para acionamento do joelho, e o eixo de articulação do tornozelo, impulsionado por um motor elétrico para a movimentação do tornozelo. As rotações dos motores são reduzidas por engrenagens. A articulação do joelho é equipada com uma embreagem com um mecanismo de atuação que transfere o movimento de rotação do motor do joelho para a parte inferior da prótese. Além disso, a articulação do joelho é equipada com um freio hidráulico acionado por uma bomba hidráulica. Portanto, não só a configuração mecânica ativa da prótese em questão se diferencia da presente tecnologia, mas também o torque passivo é distinto, vez que na tecnologia objeto do presente pedido é utilizado o freio magneto-reológico.[06] Document PL20120398878, entitled “Active prosthetic shin”, refers to an active prosthesis with two driven axes: the knee joint axis, driven by an electric motor to drive the knee, and the ankle joint axis , driven by an electric motor to move the ankle. Engine rotations are reduced by gears. The knee joint is equipped with a clutch with an actuation mechanism that transfers the rotational movement of the knee motor to the lower part of the prosthesis. Furthermore, the knee joint is equipped with a hydraulic brake driven by a hydraulic pump. Therefore, not only is the active mechanical configuration of the prosthesis in question different from the present technology, but also the passive torque is different, since the magnetorheological brake is used in the technology covered by this application.

[07] O documento CN102247229, intitulado ”Active and passive joint prosthesis” refere-se a um mecanismo de prótese de articulação ativa e passiva, que compreende um mecanismo ativo de condução, um mecanismo de freio passivo, um eixo de articulação do joelho, um acoplamento de sobrecarga. O mecanismo de condução ativa consiste de um servomotor de corrente contínua, um redutor e uma engrenagem. O mecanismo restritivo passivo consiste de um servomotor de corrente contínua e um eixo de engrenagem cônico. O eixo de articulação do joelho é montado sobre um bloco em forma de U consistindo de uma placa do lado esquerdo, uma placa lateral direita e uma placa de topo. Pode-se observar, então, que o mecanismo passivo utiliza um motor, enquanto o da presente tecnologia utiliza-se de um freio magneto-reológico que proporciona uma redução no gasto energético e uma grande compatibilidade de funcionamento com um joelho humano saudável.[07] Document CN102247229, entitled "Active and passive joint prosthesis" refers to an active and passive joint prosthesis mechanism, which comprises an active driving mechanism, a passive braking mechanism, a knee joint axis, an overload coupling. The active driving mechanism consists of a DC servomotor, a reducer and a gear. The passive restrictive mechanism consists of a DC servomotor and a bevel gear shaft. The knee joint shaft is mounted on a U-shaped block consisting of a left side plate, a right side plate and a top plate. It can be seen, then, that the passive mechanism uses a motor, while the current technology uses a magnetorheological brake that provides a reduction in energy expenditure and great operating compatibility with a healthy human knee.

[08] Diante do exposto, nota-se que, apesar dos avanços e pesquisas em tecnologia assistiva e das pesquisas na área, ainda é necessário desenvolver atuadores específicos para muitas das aplicações. Por exemplo, as pesquisas realizadas para o desenvolvimento de próteses transfemurais se limitam a dimensionar as próteses para que tenham peso similar a uma perna saudável. Contudo, o momento de inércia da perna desempenha papel importante na marcha humana, principalmente na fase de balanço da perna. Na presente tecnologia, quando o atuador for utilizado como uma prótese de joelho, o desenvolvimento do atuador considera que a prótese final deve ter o peso e o momento de inércia de uma perna saudável, que são fundamentais para reproduzir a marcha humana de forma adequada.[08] In view of the above, it is noted that, despite advances and research in assistive technology and research in the area, it is still necessary to develop specific actuators for many applications. For example, research carried out to develop transfemoral prostheses is limited to sizing the prostheses so that they have a weight similar to a healthy leg. However, the moment of inertia of the leg plays an important role in human gait, especially in the swing phase of the leg. In the present technology, when the actuator is used as a knee prosthesis, the development of the actuator considers that the final prosthesis must have the weight and moment of inertia of a healthy leg, which are fundamental to adequately reproduce human gait.

[09] A invenção compreende um atuador ativo para próteses, exoesqueletos e outras aplicações robóticas, composto por um conjunto motor formado por motor, redutor e acoplamento magneto-reológico, acionado pela bobina e núcleo de ferro, responsáveis por gerar o torque ativo, disposto em paralelo ao freio magneto-reológico, responsável por gerar o torque passivo, que é acionado pela bobina e núcleo de ferro, que de forma coordenada, juntos reproduzem o movimento de uma articulação. O dispositivo é composto por duas estruturas principais, externa e interna, que apresentam movimento relativo entre si garantido por um conjunto de rolamentos. A estrutura externa do dispositivo se conecta ao segmento inferior da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, enquanto a estrutura interna se conecta ao segmento superior da prótese/exoesqueleto/órtese/robô. Esta ordem pode ser alterada sem prejuízo para o funcionamento.[09] The invention comprises an active actuator for prostheses, exoskeletons and other robotic applications, composed of a motor assembly formed by a motor, reducer and magnetorheological coupling, driven by the coil and iron core, responsible for generating the active torque, arranged in parallel to the magnetorheological brake, responsible for generating passive torque, which is activated by the coil and iron core, which in a coordinated way, together reproduce the movement of a joint. The device is composed of two main structures, external and internal, which have relative movement between them guaranteed by a set of bearings. The external structure of the device connects to the lower segment of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot, while the internal structure connects to the upper segment of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot. This order can be changed without prejudice to operation.

[010] A presente tecnologia apresenta um atuador que proporciona um torque ativo para próteses, exoesqueletos e outras aplicações robóticas, com características adequadas para reproduzir os movimentos de articulações que necessitem de torque ativo e passivo, aliada a um baixo custo energético. O conjunto motor atua apenas nos momentos necessários, ou seja, em que é preciso torque ativo, por exemplo, durante a contração concêntrica em uma perna saudável durante a marcha, enquanto que o freio magneto-reológico é utilizando quando não é necessário torque ativo, minimizando o consumo de energia.[010] The present technology presents an actuator that provides an active torque for prostheses, exoskeletons and other robotic applications, with characteristics suitable for reproducing the movements of joints that require active and passive torque, combined with a low energy cost. The motor set acts only at necessary moments, that is, when active torque is needed, for example, during concentric contraction in a healthy leg during walking, while the magnetorheological brake is used when active torque is not necessary, minimizing energy consumption.

BRIEF DESCRIPTION OF FIGURES

[011] A Figura 1 representa o modelo esquemático do atuador magneto- reológico que compreende: motor (1), redutor (2), saída do redutor (5), acoplamento magneto-reológico (4), bobina (12), núcleo de ferro (13), freio magneto-reológico (3), bobina (10), núcleo de ferro (11), estruturas externa (7), estrutura interna (6), saída do redutor (5), segmento inferior (8) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, segmento superior (9) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô.[011] Figure 1 represents the schematic model of the magnetorheological actuator comprising: motor (1), reducer (2), reducer output (5), magnetorheological coupling (4), coil (12), core iron (13), magnetorheological brake (3), coil (10), iron core (11), external structures (7), internal structure (6), reducer output (5), lower segment (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot, upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot.

[012] A Figura 2 representa a vista explodida do atuador magneto-reológico que compreende: motor (1), redutor (2), saída do redutor (5), acoplamento magneto-reológico (4), bobina (12), núcleo de ferro (13), freio magneto- reológico (3), bobina (10), núcleo de ferro (11), estruturas externa (7), estrutura interna (6), saída do redutor (5), segmento inferior (8) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, segmento superior (9) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô.[012] Figure 2 represents the exploded view of the magnetorheological actuator comprising: motor (1), reducer (2), reducer output (5), magnetorheological coupling (4), coil (12), core iron (13), magnetorheological brake (3), coil (10), iron core (11), external structures (7), internal structure (6), reducer output (5), lower segment (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot, upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot.

[013] A Figura 3 representa linhas de campo magnético do: (a) Acoplamento magneto-reológico, (b) Freio magneto-reológico.[013] Figure 3 represents magnetic field lines of: (a) Magnetorheological coupling, (b) Magnetorheological brake.

[014] A Figura 4 representa a densidade de campo magnético do: (a) Acoplamento magneto-reológico, (b) Freio magneto-reológico.[014] Figure 4 represents the magnetic field density of: (a) Magnetorheological coupling, (b) Magnetorheological brake.

[015] A Figura 5 representa as tensões atuantes no atuador: (a) nos encapsulamentos do atuador no pior caso de carga, (b) na saída do redutor no pior caso de torque.[015] Figure 5 represents the voltages acting on the actuator: (a) in the actuator encapsulations in the worst load case, (b) at the reducer output in the worst torque case.

[016] A Figura 6 representa os deslocamentos atuantes no atuador: (a) nos encapsulamentos do atuador no pior caso de carga, (b) na saída do redutor no pior caso de torque.[016] Figure 6 represents the displacements acting on the actuator: (a) in the actuator encapsulations in the worst load case, (b) at the reducer output in the worst torque case.

[017] A Figura 7 representa o modelo dinâmico do atuador que compreende: motor (1), redutor (2), acoplamento magneto-reológico (4), freio magneto-reológico (3), estruturas externa (7), saída do redutor (5), segmento inferior (8) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, segmento superior (9) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô.[017] Figure 7 represents the dynamic model of the actuator comprising: motor (1), reducer (2), magnetorheological coupling (4), magnetorheological brake (3), external structures (7), reducer output (5), lower segment (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot, upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot.

[018] A Figura 8 representa o diagrama de blocos do atuador magneto- reológico, que compreende: motor (1), redutor (2), acoplamento magneto- reológico (4), freio magneto-reológico (3).[018] Figure 8 represents the block diagram of the magnetorheological actuator, which comprises: motor (1), reducer (2), magnetorheological coupling (4), magnetorheological brake (3).

[019] A Figura 9 representa a comparação entre o torque do joelho na marcha normal (linha magenta), torque produzido no atuador magneto- reológico (linha azul) e torque produzido se somente o motor e redutor (linha magenta) fossem utilizados.[019] Figure 9 represents the comparison between the knee torque in normal gear (magenta line), torque produced in the magnetorheological actuator (blue line) and torque produced if only the motor and reducer (magenta line) were used.

[020] A Figura 10 representa a comparação entre o consumo de energia do atuador magneto-reológico (linha azul) e da energia se somente o motor e redutor (linha magenta) fossem utilizados.[020] Figure 10 represents the comparison between the energy consumption of the magnetorheological actuator (blue line) and the energy if only the motor and reducer (magenta line) were used.

DETAILED TECHNOLOGY DESCRIPTION

[021] A presente tecnologia se refere a um atuador ativo para próteses, exoesqueletos e outras aplicações robóticas, que compreende um conjunto motor formado por motor (1), redutor (2), saída do redutor (5) e acoplamento magneto-reológico (4), acionado pela bobina (12) e núcleo de ferro (13), responsáveis por gerar o torque ativo, disposto em paralelo ao freio magneto-reológico (3), responsável por gerar o torque passivo, que é acionado pela bobina (10) e núcleo de ferro (11), que de forma coordenada, juntos reproduzem o movimento de uma articulação. O dispositivo também compreende duas estruturas principais, externa (7) e interna (6), que apresentam movimento relativo entre si garantido por um conjunto de rolamentos. A estrutura externa (7) do dispositivo se conecta ao segmento inferior (8) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, enquanto a estrutura interna (6) se conecta ao segmento superior (9) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô. Esta ordem pode ser alterada sem prejuízo para o funcionamento, ou seja, a parte externa (7) pode ser conectada ao segmento superior (9) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, e a parte interna (6) pode ser conectada ao segmento inferior (8) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô.[021] The present technology refers to an active actuator for prostheses, exoskeletons and other robotic applications, which comprises a motor assembly formed by a motor (1), reducer (2), reducer output (5) and magnetorheological coupling ( 4), driven by the coil (12) and iron core (13), responsible for generating the active torque, arranged in parallel to the magnetorheological brake (3), responsible for generating the passive torque, which is driven by the coil (10 ) and iron core (11), which in a coordinated way, together reproduce the movement of a joint. The device also comprises two main structures, external (7) and internal (6), which have relative movement between them guaranteed by a set of bearings. The external structure (7) of the device connects to the lower segment (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot, while the internal structure (6) connects to the upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot. This order can be changed without compromising the functioning, that is, the external part (7) can be connected to the upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot, and the internal part (6) can be connected to the segment bottom (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot.

[022] A dissipação da energia resultante do processo da caminhada é realizada pelo freio (3), que funciona pelo controle do atrito viscoso do fluido MR, que é uma solução coloidal formada por partículas magnetizáveis misturadas com um óleo inerte, geralmente à base mineral ou à base de silicone. O freio MR (3) é composto por múltiplos discos, como pode ser verificado nas Figuras 1 e 2, parte deles estão conectados à estrutura externa (7) (discos externos), que por sua vez está conectada ao seguimento inferior. Intercalados com os discos externos, estão os discos internos, que se conectam a estrutura interna (6), que por sua vez está conectada ao seguimento superior, ou seja, os discos internos e externos possuem movimento relativo. O fluido ocupa o espaço entre os discos externos e internos. À medida que o fluido MR sofre ação de um campo magnético externo, criado da bobina (10) e direcionado pelo núcleo de ferro (11), suas partículas começam a formar estruturas colunares paralelas às linhas de fluxo magnético, que alteram as propriedades reológicas do fluido, como tensão limite de escoamento entre outras. Assim o fluido pode se comportar como um sólido ou semissólido dependendo da ação do campo magnético. Com a aplicação do campo sob o fluido, há maior restrição de movimento entre o fluido e os discos, promovendo maior resistência ao movimento relativo entre os discos e, por consequência, entre as estruturas interna (6) e externa (7).[022] The dissipation of energy resulting from the walking process is carried out by the brake (3), which works by controlling the viscous friction of the MR fluid, which is a colloidal solution formed by magnetizable particles mixed with an inert oil, generally mineral-based. or silicone-based. The MR brake (3) is made up of multiple discs, as can be seen in Figures 1 and 2, part of them are connected to the external structure (7) (external discs), which in turn is connected to the lower section. Interspersed with the external discs are the internal discs, which connect to the internal structure (6), which in turn is connected to the upper segment, that is, the internal and external discs have relative movement. Fluid occupies the space between the outer and inner discs. As the MR fluid is acted upon by an external magnetic field, created by the coil (10) and directed by the iron core (11), its particles begin to form columnar structures parallel to the magnetic flux lines, which alter the rheological properties of the fluid. fluid, such as yield stress, among others. Thus the fluid can behave as a solid or semi-solid depending on the action of the magnetic field. With the application of the field under the fluid, there is greater restriction of movement between the fluid and the discs, promoting greater resistance to relative movement between the discs and, consequently, between the internal (6) and external (7) structures.

[023] O torque ativo é produzido pelo motor (1), amplificado pelo redutor (2) e transferido pelo acoplamento MR (4) para a estrutura externa (7). Os estatores do motor e do redutor são fixos na estrutura interna (6) e a saída do redutor (5) está conectada ao núcleo de ferro (13), que se conecta à parte dos discos do acoplamento (4) (discos internos), os demais discos estão ligados à estrutura externa (7) do atuador (discos externos). O acoplamento MR (4) tem o mesmo princípio de funcionamento do freio MR, ou seja, quando o campo magnético é ativado, a tensão limite de cisalhamento do fluido aumenta, impedindo o movimento relativo entre os discos. Dessa forma, o torque produzido pelo motor (1) e amplificado pelo redutor (2) é transferido para a estrutura externa (7) do atuador quando o campo magnético do acoplamento é ativado. Contudo o conjunto motor pode funcionar sem o acoplamento magneto-reológico (4), com a saída do redutor (5) conectada diretamente à estrutura externa (7).[023] The active torque is produced by the motor (1), amplified by the reducer (2) and transferred by the MR coupling (4) to the external structure (7). The motor and reducer stators are fixed to the internal structure (6) and the reducer output (5) is connected to the iron core (13), which connects to the part of the coupling discs (4) (internal discs), the other discs are connected to the external structure (7) of the actuator (external discs). The MR coupling (4) has the same operating principle as the MR brake, that is, when the magnetic field is activated, the limit shear stress of the fluid increases, preventing relative movement between the discs. In this way, the torque produced by the motor (1) and amplified by the reducer (2) is transferred to the external structure (7) of the actuator when the coupling's magnetic field is activated. However, the motor assembly can operate without the magnetorheological coupling (4), with the reducer output (5) connected directly to the external structure (7).

[024] A configuração proposta permite que o atuador MR tenha menor consumo de energia quando comparado com os demais atuadores ativos. O conjunto motor, responsável pelo maior consumo de energia, é acionado apenas no momento em que o torque ativo é necessário. Quando exigido torque passivo, apenas o freio MR (3) é utilizado. Nos casos em que não é necessário torque ativo ou passivo, por exemplo, no final da fase de voo da perna, motor, acoplamento e freio não são ativados e o atuador gira livremente, permitindo maior economia de energia. A configuração foi concebida para apresentar menor consumo de energia, mas também para permitir realizar atividades em que o torque ativo é necessário, por exemplo, quando utilizado em próteses transfemurais, subir escadas, rampas, levantar e sentar, o que não é realizado de forma adequada com próteses passivas ou semiativas.[024] The proposed configuration allows the MR actuator to have lower energy consumption when compared to other active actuators. The motor set, responsible for the greatest energy consumption, is activated only when active torque is needed. When passive torque is required, only the MR brake (3) is used. In cases where active or passive torque is not required, for example, at the end of the leg's flight phase, the motor, coupling and brake are not activated and the actuator rotates freely, allowing greater energy savings. The configuration was designed to present lower energy consumption, but also to allow activities in which active torque is necessary, for example, when used in transfemoral prostheses, climbing stairs, ramps, lifting and sitting, which is not performed in a suitable with passive or semi-active prostheses.

[025] Nos casos em que o torque passivo exigido seja maior, como no caso de descer escadas, o acoplamento MR pode funcionar como freio, ao se bloquear o giro do motor. Nesse caso o torque passivo total resistido pelo atuador é a soma dos torques máximos no acoplamento e no freio.[025] In cases where the passive torque required is greater, such as when descending stairs, the MR coupling can function as a brake, blocking the motor from rotating. In this case, the total passive torque resisted by the actuator is the sum of the maximum torques in the coupling and the brake.

[026] O atuador pode atuar apenas como atuador semiativo em que somente o freio magneto-reológico (3) é utilizado. O sistema de controle pode ser projetado para que, no caso da bateria estar com baixa carga, opere na função semiativa, em que somente o freio magneto-reológico (3) é utilizado, permitindo um baixo consumo de energia, até que o usuário possa carregar a bateria.[026] The actuator can only act as a semi-active actuator in which only the magnetorheological brake (3) is used. The control system can be designed so that, if the battery is low on charge, it operates in a semi-active function, in which only the magnetorheological brake (3) is used, allowing low energy consumption, until the user can charge the battery.

[027] O atuador pode ser configurado, também, para utilizar o conjunto motor como freio junto com o freio magneto-reológico (3) para aumentar o torque passivo resistido pelo atuador.[027] The actuator can also be configured to use the motor assembly as a brake together with the magnetorheological brake (3) to increase the passive torque resisted by the actuator.

[028] O motor (1), redutor (2), acoplamento magneto-reológico (4) e o freio magneto-reológico (3) do atuador podem ser dimensionados para diversos tipos de acionamento, contemplando diferentes intensidades de torque ativo e torque passivo, podendo ser alimentado a partir de uma bateria ou da rede elétrica.[028] The motor (1), reducer (2), magnetorheological coupling (4) and magnetorheological brake (3) of the actuator can be sized for different types of drive, covering different intensities of active torque and passive torque , and can be powered from a battery or the mains.

[029] O atuador magneto-reológico descrito pode ser aplicado em articulações de próteses, exoesqueletos e órteses de membros inferiores e superiores, robôs e quaisquer outras aplicações que necessitam de articulações ativas e semiativas.[029] The described magnetorheological actuator can be applied to joints of prostheses, exoskeletons and orthoses of lower and upper limbs, robots and any other applications that require active and semi-active joints.

[030] A invenção proposta pode ser mais bem compreendida através do exemplo abaixo, não limitante da tecnologia.[030] The proposed invention can be better understood through the example below, which is not limiting to the technology.

Example 1 - Actuator simulation

[031] O atuador MR foi dimensionado e projetado, neste exemplo, como um joelho de prótese. Foram utilizados programas computadorizados para simular e comparar o seu desempenho com um joelho humano saudável e também avaliar o gasto energético.[031] The MR actuator was sized and designed, in this example, as a prosthetic knee. Computerized programs were used to simulate and compare its performance with a healthy human knee and also evaluate energy expenditure.

[032] Conforme é possível verificar na Figura 3, foi simulado o campo magnético no acoplamento MR e as linhas de campo magnético se comportam da maneira esperada, percorrendo o caminho desejado e atravessando a região do fluido magneto-reológico de maneira perpendicular à direção do cisalhamento, o que é fundamental para garantir a máxima resistência ao cisalhamento na área do fluido.[032] As can be seen in Figure 3, the magnetic field in the MR coupling was simulated and the magnetic field lines behave as expected, following the desired path and crossing the magnetorheological fluid region perpendicular to the direction of the shear, which is essential to guarantee maximum shear resistance in the fluid area.

[033] Na Figura 4, o valor máximo do campo magnético é de 1,85T e 1,78T no núcleo de ferro do acoplamento e do freio magneto-reológico, respectivamente. Por ser inferior à saturação do material utilizado (2,1T), garante que as hipóteses usadas para o cálculo da bobina estão corretas. Por fim, avalia-se o valor do campo magnético na área equivalente ao fluido MR. O valor encontrado na região é por volta de 0,58T e 0,55T no acoplamento e no freio, respectivamente. Valores similares ao estimado pelos cálculos. A densidade de fluxo magnético é homogênea entre os discos e o fluido MR, validando o projeto do freio e do acoplamento magneto-reológico.[033] In Figure 4, the maximum value of the magnetic field is 1.85T and 1.78T in the iron core of the coupling and magnetorheological brake, respectively. As it is lower than the saturation of the material used (2.1T), it guarantees that the assumptions used to calculate the coil are correct. Finally, the value of the magnetic field in the area equivalent to the MR fluid is evaluated. The value found in the region is around 0.58T and 0.55T in the coupling and brake, respectively. Values similar to those estimated by the calculations. The magnetic flux density is homogeneous between the discs and the MR fluid, validating the brake and magnetorheological coupling design.

[034] Após a elaboração do modelo 3D é realizada simulação para análise de tensões e deformações nas partes mais críticas do dispositivo. O caso mais crítico é atingido ao descer escadas, a força de reação pode atingir 1.000N. Neste caso as maiores solicitações aparecem na cobertura externa do atuador e no encapsulamento do motor e redutor, que suportam as maiores cargas. É analisado também o caso de maior torque ativo (55 N.m) que é suportado pela saída do redutor. É considerado que o atuador MR é utilizado por um indivíduo de 67,2 kg de massa. Os resultados são apresentados nas Figuras 5 e 6.[034] After preparing the 3D model, a simulation is carried out to analyze stresses and deformations in the most critical parts of the device. The most critical case is reached when descending stairs, the reaction force can reach 1,000N. In this case, the greatest stress appears on the external cover of the actuator and on the encapsulation of the motor and reducer, which support the greatest loads. The case of greater active torque (55 N.m) supported by the reducer output is also analyzed. It is considered that the MR actuator is used by an individual with a mass of 67.2 kg. The results are presented in Figures 5 and 6.

[035] Como é possível verificar através da análise pelas tensões equivalentes de Von Mises, Figuras 5 e 6, as tensões presentes na estrutura estão abaixo do limite de escoamento do material. Os maiores valores estão concentrados nas proximidades do local de aplicação das cargas, no caso dos encapsulamentos do atuador, e na fixação com parafusos, no caso da saída do redutor. Os deslocamentos são da ordem de centésimos de milímetro. O maior deslocamento está na conexão superior sendo seu valor próximo de 0,065 mm que não representa um problema na utilização do atuador.[035] As can be seen through the analysis of Von Mises equivalent stresses, Figures 5 and 6, the stresses present in the structure are below the yield limit of the material. The highest values are concentrated close to the place where the loads are applied, in the case of the actuator encapsulations, and in the fastening with screws, in the case of the reducer output. The displacements are on the order of hundredths of a millimeter. The largest displacement is in the upper connection, with a value close to 0.065 mm, which does not represent a problem when using the actuator.

[036] A Figura 7 mostra a representação esquemática do modelo dinâmico do atuador magneto-reológico. O modelo dinâmico consiste em um conjunto motor formado por motor (1), freio (3) e acoplamento MR (4), responsável por gerar o torque ativo e o freio magneto-reológico, responsável por gerar o torque passivo. O conjunto motor (motor, redutor e acoplamento) trabalha em paralelo com o freio MR. As inércias do encapsulamento (7) e da carga (14) são adicionadas ao modelo dos dois componentes do atuador. A estrutura externa do dispositivo se conecta ao segmento inferior (8) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô, enquanto a estrutura interna (6) se conecta ao segmento superior (9) da prótese/exoesqueleto/órtese/robô.[036] Figure 7 shows the schematic representation of the dynamic model of the magnetorheological actuator. The dynamic model consists of a motor assembly formed by the motor (1), brake (3) and MR coupling (4), responsible for generating the active torque, and the magnetorheological brake, responsible for generating the passive torque. The motor assembly (motor, reducer and coupling) works in parallel with the MR brake. The inertias of the encapsulation (7) and the load (14) are added to the model of the two actuator components. The external structure of the device connects to the lower segment (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot, while the internal structure (6) connects to the upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthosis/robot.

[037] A Figura 8 mostra o diagrama de blocos do conjunto motor (motor (1), redutor (2) e acoplamento MR (4)) e do freio MR (3) já com os controladores posicionados com suas respectivas retroações.[037] Figure 8 shows the block diagram of the motor assembly (motor (1), reducer (2) and MR coupling (4)) and the MR brake (3) with the controllers already positioned with their respective feedbacks.

[038] A entrada do sistema é o torque medido em um joelho saudável durante um passo da marcha humana. O controlador por estados finitos proposto neste exemplo possui uma abordagem simplificada do problema. Os estados são definidos como sendo apenas o conjunto motor e o freio e a condição de transição entre freio e o conjunto motor é o tempo de um ciclo da marcha. O tempo é a condição de transição escolhida para essa análise inicial, uma vez que aproxima bem o que de fato acontece na marcha humana.[038] The system input is the torque measured in a healthy knee during a human gait step. The finite state controller proposed in this example has a simplified approach to the problem. The states are defined as being only the motor set and the brake and the transition condition between the brake and the motor set is the time of one gear cycle. Time is the transition condition chosen for this initial analysis, as it closely approximates what actually happens in human walking.

[039] O controlador por estados finitos funciona como uma chave lógica do sistema, que alterna o funcionamento do atuador multifuncional de conjunto motor para freio. O sinal de entrada chega ao controlador de estados finitos passando primeiro pelo freio. A condição de transição para o conjunto motor é o tempo de ativação maior que 0,15 segundos e menor que 0,4 segundos. Os estados freio e conjunto motor são estados exclusivos, ou seja, quando acontece um não acontece o outro. Quando o tempo de acionamento do sistema chega a 0,4 segundos, a condição de transição de motor para freio é alcançada e o estado ativo passa a ser o freio.[039] The finite state controller works as a logical system switch, which switches the operation of the multifunctional actuator from motor to brake assembly. The input signal reaches the finite state controller by first passing through the brake. The transition condition for the motor set is the activation time greater than 0.15 seconds and less than 0.4 seconds. The brake and motor set states are exclusive states, that is, when one happens, the other does not happen. When the system activation time reaches 0.4 seconds, the transition condition from motor to brake is reached and the active state becomes the brake.

[040] O diagrama de blocos do acoplamento magneto-reológico foi elaborado para que este reproduzisse o torque de saída do motor, permitindo que todo o torque produzido fosse transmitido para o encapsulamento externo, que está ligado à parte inferior da perna.[040] The block diagram of the magnetorheological coupling was created so that it reproduced the engine's output torque, allowing all the torque produced to be transmitted to the external encapsulation, which is connected to the lower part of the leg.

[041] O diagrama de blocos do motor CC possui duas saturações. As saturações têm a função de indicar limitações existentes no modelo físico. A primeira saturação do modelo está embutida no controlador do motor. A função dessa saturação é limitar a saída para valores de no máximo 24 V. Uma vez que o motor do exemplo tem sua alimentação com essa tensão e valores superiores poderiam ocasionar em aquecimento ou gasto de energia excessivo. É utilizado um bloco próprio de saturação na segunda saturação que limita o valor da corrente do motor a valores que não ultrapassem a corrente de partida fornecida em catálogo. O freio e o acoplamento MR possuem saturações presentes nas saídas de corrente da bobina, limitando seu valor a corrente máxima suportada pelo fio da bobina.[041] The DC motor block diagram has two saturations. Saturations have the function of indicating limitations that exist in the physical model. The first model saturation is built into the motor controller. The function of this saturation is to limit the output to values of a maximum of 24 V. Since the motor in the example is supplied with this voltage, higher values could result in excessive heating or energy consumption. A specific saturation block is used in the second saturation, which limits the value of the motor current to values that do not exceed the starting current provided in the catalogue. The brake and the MR coupling have saturations present in the coil current outputs, limiting their value to the maximum current supported by the coil wire.

[042] O controlador utilizado no modelo dinâmico do motor, acoplamento e freio deste exemplo é o controlador PI que une a ação de controle proporcional com a ação de controle integral.[042] The controller used in the dynamic model of the motor, coupling and brake in this example is the PI controller that combines the proportional control action with the integral control action.

[043] A Figura 9 mostra a resposta do sistema tendo como entrada a curva do torque necessário para uma pessoa completar um ciclo da marcha. É feita a comparação entre o torque do joelho na marcha normal (linha magenta), torque produzido no atuador MR (linha azul) e torque produzido se somente o motor e redutor fossem utilizados (linha magenta), como acontece na prótese Power Knee, do fabricante Ossur, e em joelhos de alguns exoesqueletos. A diferença na resposta é quase imperceptível, mostrando que o freio magneto-reológico pode ser usado para substituir o motor onde não é necessário torque ativo. O fluido MR possui tempo de resposta de poucos milissegundos, o que facilita a sintonia de um controlador que precisa ter um tempo de resposta mais baixo.[043] Figure 9 shows the system's response taking as input the torque curve necessary for a person to complete a gait cycle. A comparison is made between the knee torque in normal gait (magenta line), torque produced in the MR actuator (blue line) and torque produced if only the motor and reducer were used (magenta line), as happens in the Power Knee prosthesis, from manufacturer Ossur, and on the knees of some exoskeletons. The difference in response is almost imperceptible, showing that the magnetorheological brake can be used to replace the motor where active torque is not required. MR fluid has a response time of a few milliseconds, which makes it easier to tune a controller that needs to have a lower response time.

[044] A potência (Pb) consumida pelo acoplamento e freio magneto- reológico leva em consideração a alimentação de corrente na bobina, conforme a Equação 1Erro! Fonte de referência não encontrada.: [044] The power (Pb) consumed by the coupling and magnetorheological brake takes into account the current supply to the coil, according to Equation 1Error! Reference source not found.:

[045] A potência consumida pelo freio MR é a multiplicação entre o quadrado da corrente de entrada na bobina e a resistência elétrica do fio da bobina do freio MR . O valor da corrente varia com o tempo. O valor da resistência é constante. A resistência elétrica do fio de cobre utilizado na bobina do exemplo é tabelada. O fio escolhido é o AWG 25, que possui 0,108 Q/m de resistência.[045] The power consumed by the MR brake is the multiplication between the square of the input current in the coil and the electrical resistance of the MR brake coil wire. The current value varies with time. The resistance value is constant. The electrical resistance of the copper wire used in the example coil is tabulated. The wire chosen is AWG 25, which has 0.108 Q/m of resistance.

[046] A potência elétrica consumida pelo conjunto motor é calculada utilizando princípios da lei de Ohm acrescido da potência consumida pela bobina do acoplamento, conforme a Equação 2: [046] The electrical power consumed by the motor assembly is calculated using the principles of Ohm's law plus the power consumed by the coupling coil, according to Equation 2:

[047] A potência elétrica consumida pelo conjunto motor é o produto entre a corrente de armadura do motor CC e sua tensão de armadura , a potência consumida pelo acoplamento é a multiplicação entre o quadrado da corrente de entrada na bobina e a resistência elétrica do fio da bobina do acoplamento . Tanto a corrente quanto a tensão na armadura variam com o tempo e dependem da entrada do sistema.[047] The electrical power consumed by the motor set is the product between the DC motor armature current and its armature voltage, the power consumed by the coupling is the multiplication between the square of the input current in the coil and the electrical resistance of the wire of the coupling coil. Both current and voltage in the armature vary with time and depend on the system input.

[048] A análise da energia consumida pelo atuador MR em um ciclo da marcha humana é realizada a partir da curva de potência elétrica consumida. A Equação 3 mostra a relação entre energia e potência consumida. [048] The analysis of the energy consumed by the MR actuator in a human gait cycle is carried out based on the consumed electrical power curve. Equation 3 shows the relationship between energy and power consumed.

[049] A energia consumida é a integral no tempo da potência consumida . A Figura 9 apresenta a comparação entre o consumo de energia do atuador MR durante um ciclo da marcha e o consumo de energia se somente o motor com redutor fossem utilizados para reproduzir o movimento do joelho.[049] The energy consumed is the time integral of the power consumed. Figure 9 shows the comparison between the energy consumption of the MR actuator during a gait cycle and the energy consumption if only the motor with reducer were used to reproduce the knee movement.

[050] Caso o movimento do joelho fosse executado apenas pelo conjunto motor e redutor o consumo de energia durante um ciclo da marcha seria de 2,1J, 62% maior do que o consumo do atuador MR durante um ciclo da marcha (1,3 J), como verificado na Figura 10.[050] If the knee movement were performed only by the motor and reducer assembly, the energy consumption during a gait cycle would be 2.1J, 62% greater than the consumption of the MR actuator during a gait cycle (1.3 J), as seen in Figure 10.

[051] O motor deste atuador, responsável pelo maior consumo de energia, é exigido apenas no momento em que o torque ativo é necessário, o que não acontece com as outras próteses ativas. Nos casos em que não é necessário torque ativo ou passivo, por exemplo, no final da fase de voo da perna, motor, acoplamento e freio não são ativados e o atuador gira livremente, permitindo maior economia de energia, enquanto que nos outros atuadores para joelho é necessário usar motores ou atuadores hidráulicos ou pneumáticos para executar o movimento de forma correta.[051] The motor of this actuator, responsible for the greatest energy consumption, is only required when active torque is necessary, which does not happen with other active prostheses. In cases where active or passive torque is not required, for example, at the end of the flight phase of the leg, motor, coupling and brake are not activated and the actuator rotates freely, allowing greater energy savings, while in other actuators for knee, it is necessary to use hydraulic or pneumatic motors or actuators to perform the movement correctly.

[052] O resultado indica que a configuração proposta para o atuador MR é mais eficiente do que a configuração da prótese Power Knee, Ossur, e de alguns joelhos de exoesqueletos. Essa economia de energia tem resultados práticos muito relevantes, já que a bateria utilizada na prótese pode ser mais leve em relação a outras já existentes, o que impacta também no peso do conjunto que, como descrito anteriormente, é um fator primário a ser considerado no projeto. Ou a prótese pode ser utilizada por mais tempo, aumentando a autonomia do usuário.[052] The result indicates that the proposed configuration for the MR actuator is more efficient than the configuration of the Power Knee prosthesis, Ossur, and some exoskeleton knees. This energy saving has very relevant practical results, as the battery used in the prosthesis can be lighter in relation to other existing ones, which also impacts the weight of the set which, as previously described, is a primary factor to be considered in the project. Or the prosthesis can be used for longer, increasing the user's autonomy.

[053] A Figura 9 comprova a semelhança de funcionamento de um joelho normal e do atuador da presente invenção, fazendo com que as linhas do gráfico ficassem praticamente iguais quando graficadas juntas, comprovando que o atuador projetado apresenta um comportamento e funcionalidade bastante semelhantes a de um joelho humano saudável.[053] Figure 9 proves the similarity of operation of a normal knee and the actuator of the present invention, making the graph lines practically the same when graphed together, proving that the designed actuator presents behavior and functionality very similar to that of a healthy human knee.

[054] Além das vantagens apresentadas, o atuador magneto-reológico descrito no exemplo é capaz de suprir torque ativo suficiente para atividades que próteses passivas e semiativas não são capazes, como subir escadas e rampas e levantar de uma cadeira. O atuador descrito no exemplo também é capaz de suprir torque resistivo suficiente para atividades como descer escadas e rampas e sentar em uma cadeira, bastando, para isso, que o acoplamento magneto-reológico atue como freio, quando o rotor do motor é impedido de girar. Nessa condição o torque total resistido pelo sistema é a soma dos torques do freio e do acoplamento magneto-reológico, bem superior ao torque resistivo que seria conseguido usando apenas o motor com redutor.[054] In addition to the advantages presented, the magnetorheological actuator described in the example is capable of supplying sufficient active torque for activities that passive and semi-active prostheses are not capable of, such as climbing stairs and ramps and getting up from a chair. The actuator described in the example is also capable of supplying sufficient resistive torque for activities such as descending stairs and ramps and sitting in a chair, simply by requiring the magnetorheological coupling to act as a brake when the motor rotor is prevented from rotating. . In this condition, the total torque resisted by the system is the sum of the torques of the brake and the magnetorheological coupling, much higher than the resistive torque that would be achieved using only the motor with a reducer.

Claims

1. Magnetorheological actuator characterized by comprising a motor assembly to generate active torque formed by motor (1), reducer (2), reducer output (5) and a first magnetorheological coupling (4) connected directly to the reducer ( 2) driven by the coil (12) and the iron core (13), and a second magnetorheological brake coupling (3) to generate the passive torque, arranged in parallel, driven by the coil (10) and the iron core (11), where the elements, in a coordinated way, together, reproduce the movement of a joint.

2. Magnetorheological actuator, according to claim 1, characterized by comprising two main structures, external (7) and internal (6), which exhibit relative movement between each other by a set of bearings, with the external part (7 ) connects to the lower segment (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot, while the internal (6) connects to the upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot.

3. Magnetorheological actuator, according to claim 1, characterized by comprising two main structures, external (7) and internal (6), which exhibit relative movement between each other by a set of bearings, with the external part (7 ) be connected to the upper segment (9) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot, and the internal part (6) be connected to the lower segment (8) of the prosthesis/exoskeleton/orthesis/robot.

4. Magnetorheological actuator, according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the motor assembly can operate without the magnetorheological coupling (4), with the reducer output (5) connected directly to the external structure (7) .

5. Magnetorheological actuator, according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the motor assembly can be activated only at the moment when the active torque is required, and, when passive torque is required, only the magnetorheological brake ( 3) can be used.

6. Magnetorheological actuator, according to any one of claims 1 to 5, characterized by being able to use the motor assembly as a brake together with the magnetorheological brake (3) to increase the passive torque resisted by the actuator.

7. Magnetorheological actuator, according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the actuator can operate in semi-active function, using only the magnetorheological brake (3).

8. USE of the magnetorheological actuator defined in any one of claims 1 to 7, characterized by being in joints of prostheses, exoskeletons and orthoses of lower and upper limbs, robots and any other applications that require active and semi-active joints.