Modelo de referência para projeto de produtos mecatrônicos no contexto da inovação frugal aplicado a uma transmissão hidrostática digital

Abstract

Esta tese investiga o desenvolvimento de produtos mecatrônicos no contexto da inovação frugal, no qual soluções tecnológicas devem ser concebidas considerando restrições de recursos, acessibilidade econômica e simplicidade operacional. A partir de uma revisão da literatura, identifica-se uma lacuna metodológica relacionada à ausência de modelos sistemáticos que orientem o desenvolvimento de produtos mecatrônicos sob princípios de frugalidade. Como contribuição científica, propõe-se um Modelo de Referência para o Desenvolvimento de Produtos Mecatrônicos Frugais (MRMF), estruturado para apoiar a geração, avaliação e seleção de concepções de projeto alinhadas aos princípios da inovação frugal. O modelo organiza o processo de desenvolvimento por meio da identificação de requisitos frugais, da geração de alternativas de solução, da atribuição de estratégias frugais às funções do produto e da priorização dessas funções com base em critérios de frugalidade. Nesse contexto, ferramentas de modelagem e simulação são utilizadas como suporte à avaliação técnica das concepções geradas, permitindo analisar o comportamento do sistema antes da construção de protótipos físicos e contribuindo para a redução de custos e riscos no processo de desenvolvimento. A aplicabilidade do modelo é demonstrada por meio de um estudo de caso relacionado à geração descentralizada de energia elétrica a partir de pequenas quedas de água, no qual se desenvolveu uma transmissão hidrostática digital (D-HST) baseada em módulos de bombas de deslocamento fixo acionadas por válvulas solenoide. A aplicação do MRMF permitiu gerar e avaliar diferentes concepções de solução, priorizando alternativas alinhadas aos princípios da inovação frugal, como o uso de componentes disponíveis no mercado local e a redução da complexidade tecnológica. Os resultados obtidos por meio de modelagem, simulação e testes experimentais demonstram a viabilidade técnica da solução proposta, bem como a coerência entre os resultados simulados e experimentais. Adicionalmente, a análise técnica e econômica indica vantagens potenciais em termos de acessibilidade econômica e simplicidade de manutenção quando comparada a soluções hidráulicas convencionais. Os resultados demonstram que o MRMF constitui uma abordagem estruturada capaz de apoiar o desenvolvimento de produtos mecatrônicos no contexto da inovação frugal, contribuindo para a geração de soluções tecnológicas mais acessíveis, replicáveis e alinhadas às necessidades de contextos com restrições de recursos.

Abstract: This thesis addresses the development of mechatronic products within the context of frugal innovation, where technological solutions must be designed considering resource constraints, economic accessibility, and operational simplicity. A review of the literature reveals a methodological gap related to the lack of systematic models that guide the development of mechatronic products under frugality principles. As a scientific contribution, this research proposes a Reference Model for the Development of Frugal Mechatronic Products (MRMF), intended to support the generation, evaluation, and selection of design concepts aligned with frugal innovation principles. The proposed model structures the development process through the identification of frugal requirements, the generation of solution alternatives, the assignment of frugal strategies to product functions, and the prioritization of these functions based on frugality criteria. In this context, modeling and simulation tools are used to support the technical evaluation of the generated concepts, allowing the analysis of system behavior prior to the construction of physical prototypes and contributing to the reduction of costs and risks during the development process. The applicability of the model is demonstrated through a case study related to decentralized electric power generation from small water heads, in which a digital hydrostatic transmission (D-HST) based on modules of fixed-displacement pumps actuated by solenoid valves was developed. The application of the proposed model enabled the generation and evaluation of different solution concepts, prioritizing alternatives aligned with frugal innovation principles, such as the use of locally available components and the reduction of technological complexity. The results obtained through modeling, simulation, and experimental tests demonstrate the technical feasibility of the proposed solution, as well as consistency between simulated and experimental results. Furthermore, the technical and economic analysis indicates potential advantages in terms of economic accessibility and maintenance simplicity when compared to conventional hydraulic solutions. The results demonstrate that the proposed MRMF constitutes a structured approach to support the development of mechatronic products in the context of frugal innovation, contributing to the creation of more accessible, replicable, and context-appropriate technological solutions.