CHRISTIAN EMANUEL CUÉLLAR RUVALCABA
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1 Villa de Álvarez, Col., junio de 2013 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE UNA SILLA CAMILLA ORTOPÉDICA DE TRANSFERENCIA AUTOMATIZADA CHRISTIAN EMANUEL CUÉLLAR RUVALCABA LUIS RICARDO MORFIN BRICEÑO Ing. Mecatrónica Asesor: M.C. JOHANN MEJÍAS BRITO
Transcript of CHRISTIAN EMANUEL CUÉLLAR RUVALCABA
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Villa de Álvarez, Col., junio de 2013
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
DE UNA SILLA CAMILLA ORTOPÉDICA DE
TRANSFERENCIA AUTOMATIZADA
CHRISTIAN EMANUEL CUÉLLAR
RUVALCABA
LUIS RICARDO MORFIN BRICEÑO
Ing. Mecatrónica
Asesor:
M.C. JOHANN MEJÍAS BRITO
2
Contenido
INTRODUCCIÓN .................................................... 3
JUSTIFICACIÓN ................................................... 3
OBJETIVOS ....................................................... 4
PROBLEMAS A RESOLVER ............................................ 5
PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES REALIZADAS .......................... 5
RESULTADOS, PLANOS, GRÁFICAS, PROTOTIPOS, MAQUETAS, PROGRAMAS,
ENTRE OTROS .................................................... 19
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................. 23
COMPETENCIAS DESARROLLADAS Y/O APLICADAS ....................... 24
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y VIRTUALES. ........................ 25
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INTRODUCCIÓN
En la actualidad la mecánica y la mecatrónica se encuentran
en diferentes sectores de la industria, el sector médico y de
rehabilitación no son la excepción. Uno de los sectores que
pueden verse beneficiados con proyectos de esta área es la de
personas con alguna discapacidad.
En los últimos años, la población con discapacidad es un
grupo que ha llamado la atención desde diversas perspectivas
a las universidades, instituciones privadas y organizaciones
no gubernamentales. La discapacidad no sólo afecta a la
persona con limitaciones físicas en la realización de sus
actividades, también muestran un desajuste psicológico, una
limitación en su desarrollo socioeconómico, educativo y
cultural [1].
JUSTIFICACIÓN
En México, de acuerdo a las estadísticas del Censo Nacional
de Población y Vivienda proporcionado por el Instituto
Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI),
existen más de dos millones de personas que cuentan con una
discapacidad, es decir, representa el 2.31% de la población
nacional, siendo la discapacidad motriz la más representativa
por encima de la auditiva y visual [2].
La propuesta de este dispositivo ortopédico surge de la
fusión entre una silla de ruedas y una camilla hospitalaria
para permitir de forma automatizada la movilización de
personas con algún tipo de discapacidad. La silla de ruedas
se construyó bajo las normas ergonómicas comerciales,
adaptando innovaciones para personas con cuadripléjicas u
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otra afección que limite su capacidad de deambulación; para
satisfacer estas necesidades el dispositivo en cuestión
permite realizar movimientos controlados para la elevación,
inclinación de reposapiés, inclinación del respaldo,
deslizamiento lateral e inclinación lateral, manipulándolos
con diferentes medios de control a distancia que permiten
facilitar el traslado del usuario de manera cómoda, segura y
eficaz.
Todos los materiales utilizados para la fabricación de la
armadura de silla de ruedas son comerciales de bajo costo.
Este trabajo se divide de la siguiente manera: las
generalidades y conceptos básicos necesarios para el
desarrollo del proyecto, el análisis estático de la armadura
seleccionada, así como también se considerarán factores de
seguridad definiendo así los valores a la fluencia de los
materiales ocupados, obteniendo con ello el momento flector
máximo para calcular el esfuerzo que se genera en la armadura
al aplicarle cierta carga conociendo así si es segura o no,
el torque que se necesita para poder desplazar la silla de
ruedas, seleccionando con ello el motor y el eje para la
transmisión a la llanta, la simulación hecha por el software
de SolidWorks® 2014 en donde se complementará el análisis
estático realizado de una manera visual y se detalla los
resultados obtenidos especificando la construcción de la
silla de ruedas.
OBJETIVOS
General
Diseñar y construir un dispositivo mecatrónico que permita
realizar movimientos controlados para la elevación,
inclinación de reposapiés, respaldo, deslizamiento e
5
inclinación lateral, manipulado mediante diferentes medios de
control a distancia que permiten facilitar el traslado del
usuario de manera cómoda, segura y eficaz.
Específicos
Realizar el diseño conceptual del dispositivo
mecatrónico.
Selección de los materiales apropiados para la
construcción de la silla camilla ortopédica.
Simulación del dispositivo mediante software CAD.
Construcción del dispositivo mecatrónico observando los
factores de seguridad definiendo así los valores a la
fluencia de los materiales ocupados.
PROBLEMA A RESOLVER
El problema a resolver es la necesidad de brindar a las de
personas con cuadriplejia o que tienen alguna discapacidad
motriz, un dispositivo que les permita asumir una posición
horizontal por completo del respaldo, descansa brazos,
piernas y pies, con el confort necesario para este tipo de
discapacidad.
PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES REALIZADAS
El prototipo requiere de un diseño universal lo que quiere
decir que cualquier persona con capacidades diferentes puedan
utilizarla. Para ello partimos de varios puntos, los cuales
se mencionan a continuación:
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1. Propuesta de diseño conceptual
El proceso de desarrollo comienza con la identificación del
problema a resolver. En este caso se pretende que el usuario
final sea lo más autónomo posible, empleando con toda
seguridad el modelo de diseño desarrollado a su talla. Una
vez determinado el problema a resolver se inicia el proceso
de diseño partiendo de una lluvia de ideas, hasta concluir
con las restricciones.
Siguiendo de cerca la metodología del Ciclo de vida de un
Producto al igual que los procesos de la metodología TRIZ, el
desarrollo de la propuesta de la silla de ruedas eléctrica
modular partió de un dibujo preliminar, en el cual se plasman
a grandes rasgos las características, dimensiones y funciones
a ejecutar sin restricción alguna; es decir se pretende un
diseño innovador en primera instancia. Durante esta fase,
todas las ideas y conceptos planteados son válidos y
pretenden generar un diseño que abarque la mayor cantidad de
requerimientos.
1.1.- Diseños Preliminares
Como parte del diseño final, se estableció una lluvia de
ideas en las que se involucraran cada uno de los
requerimientos planteados. En esta fase del diseño, se
pretendió esquematizar el funcionamiento de la silla de
ruedas convencional basándonos en modelos existentes en el
mercado.
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Para fines prácticos el diseño se enfoca en estructuras en
las cuales se lograra el movimiento de los respaldos y
descansa pies, simulando una silla de ruedas y una camilla
(Figura2); Así como también se estimó la posibilidad de
incorporar un descansabrazos móvil para adaptarse cuando esté
en forma de camilla o silla de ruedas (Figura1).
Figura 1. Diseño del descansabrazos móvil
Figura 2. Simulación de la conversión silla- camilla
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Basándose en el diseño de sillas de ruedas manuales
convencionales, se pretende esquematizar la silla de ruedas
eléctrica con una estructura semejante a dichas sillas pero
adaptando y modificando ruedas y accesorios al de tipo
deportivas, como lo muestra la figura 3.
Figura 3. Silla de ruedas convencional
1.2.- Mecanismos del respaldo para uso automatizado
Como parte del desarrollo del mecanismo de ajuste de
inclinación del respaldo, la figura 16 nos muestra la
propuesta denominada “engrane” mediante la cual los grados de
inclinación del respaldo respecto al asiento, varía mediante
el uso de un par de engranes acoplados a un tornillo sin fin
colocado horizontalmente y en su segmento frontal acoplado a
un juego de engranes helicoidales. Mediante la rotación de
una palanca de control ubicada a un costado del asiento, el
usuario podría manipular libremente la inclinación del
respaldo.
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En la propuesta “polea”, la inclinación se determina al
ajustar la longitud de una cinta mediante el empleo de una
palanca que se recoge en un carrete instalado en la parte
inferior del asiento. La cinta ajustable esta sujetada a un
soporte estructural colocada en el respaldo
En la parte inferior derecha de la figura 4, se visualiza un
prototipo de descansabrazo que regula la altura de dicha
superficie por medio de un tubo interno y otro externo. El
tubo externo que funciona como guía y sección de anclaje, se
encuentra sujetado al asiento y el tubo interno es el que
asciende y desciende al rotarlo.
Figura 4. Silla de ruedas convencional
2. Selección del Diseño
Continuando con la fase de diseño, es necesario abarcar todos
y cada uno de los requerimientos otorgados por el cliente y/o
usuario fina. En este proyecto se plantean algunos puntos a
cubrir como: materiales, dimensiones, masa, resistencia,
durabilidad y criterios ergonómicos. También se analizan y
estudian modelos de sillas de ruedas eléctricas ya existentes
en el mercado, empleando otras características y
requerimientos pero cumpliendo con el objetivo del diseño en
común; para esta instancia, el diseño recae en un esquema que
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abarque cualidades funcionales existentes y no tanto
innovadoras.
El diseño final emerge de una innumerable cantidad de bocetos
y diseños preliminares que permiten destacar fortalezas y
debilidades que continuamente son generadas y modificadas.
Con esto se pretende disminuir al máximo las debilidades y
cubrir en mayor parte con los requerimientos del usuario.
Tabla 1. Selección de elementos que se utilizarán en el
diseño final
Elementos que se utilizarán en el diseño
final
Sistema de ingreso al asiento por medio del
respaldo usándolo como rampa, accionado por
motor con un sistema de engrane y tornillo
sinfín
Sistema de elevación del asiento con gato
eléctrico
Control para desplazamiento a través de
botones
Estructura tubular de sección redonda
Tabla 1. Diseño final
3. Materiales y Herramientas
Al momento de construir una estructura, los materiales que se
deben escoger tienen que cumplir con ciertas propiedades
físicas que permitan que dicha estructura pueda cumplir su
función de la mejor manera posible.
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Tabla 2. Materiales y Equipos para la construcción de la
silla-camilla
Materia prima Maquinaria
Baterías Máquina de Soldar
Barra de acero en ángulo Bancos de trabajo
Tornillos Prensa Tornillo
Ruedas Esmeril
Actuadores Engrapadora industrial
Grapas Remachadora
Remaches Herramienta
Asiento de automóvil
Madera 1x1 metro
Esponja rectangular
chica
Esponja rectangular
mediana
Tela 1x1 metro
Motor
Barra rectangular de
aluminio
Barra de aluminio
El aluminio es un metal que tiene como principales
características un bajo peso, buena resistencia a la
corrosión, y una conductividad tanto térmica como eléctrica
muy elevada. Este material, en distintas aleaciones, se
utiliza en muchas industrias como la aeronáutica, la
espacial, la química, la automotriz, etc.
4. Prototipo final
Teniendo ya concretadas las ideas y conceptos finales, deriva
el diseño en 3D empleando el software CAD. Continuando con
los métodos de diseño, la realización de un prototipo rápido
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con el cual se visualiza de una forma física y real. Las
características y dimensiones de la pieza no fueron aplicable
para este caso.
En esta fase de la silla, se tienen definidos todos los
requerimientos y características que debe cumplir el diseño
de la pieza. Se genera la geometría definitiva de la
estructura. El objetivo de este diseño es construir un modelo
virtual del objeto para verificar restricciones y propiedades
geométricas en milímetros (véase figuras 5 y 6).
En esta fase del diseño se reconfiguro en un par de ocasiones
el modelo, ya que algunos requerimientos y restricciones se
fueron modificando con el paso del tiempo y en función de los
instrumentos establecidos en el taller de trabajo.
Una vez establecido el modelo de la estructura, se pretendió
realizar de igual forma todos y cada uno de los dispositivos
eléctricos y mecánicos que se emplearían dentro de la
estructura; con el fin de aprovechar al máximo el espacio
disponible en la base de la estructura.
Figura 5. Diseño final de la silla camilla de forma normal
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Figura 6. Diseño final de la silla camilla en 180°
5. Simulación
Para poder complementar el análisis estático se realizó la
simulación con el software SolidWorks®2014 en donde analiza y
simula los diferentes esfuerzos que se pueden presentar en
las piezas o en el conjunto de ellas utilizando el estudio de
criterio de fallas de Von Mises para mostrarnos la
distribución de tensiones en el modelo y el desplazamiento
estático.
Se introducen las restricciones en este caso son los
barrenos, las cargas en cada una de los perfiles verticales
de 80 kg y se obtuvo un factor de seguridad de 4.38 (Figura
7) y conociendo el valor del factor de seguridad encontrado
en el análisis estático de 4.87 siendo ambos muy aproximados,
en la figura 8 se presenta la distribución de tensiones
nodales y en la figura 9 el desplazamiento estático que
presenta la pieza por la carga aplicada.
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Figura 7. Representación del factor de seguridad en el perfil del
ángulo.
Figura 8. Representación de la distribución de la tensión nodal en
el perfil del ángulo.
Figura 9. Representación de la distribución del desplazamiento
estático en el perfil del ángulo.
6. Distribución de componentes eléctricos y electrónicos
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Los componentes principales que se emplearon dentro del
diseño estructural son:
Dos motores eléctricos con su respectiva transmisión.
Mecanismo de elevación del asiento.
Dos circuitos impresos con sus respectivos componentes.
Batería 12[V].
En la distribución de los componentes dentro de la estructura
se diseñó una composición que permitiera el optimizar el
espacio disponible, manteniendo la estabilidad entre el eje
de las llantas de tracción y la zona donde recae el peso del
usuario (figura 10).
Para esta distribución se tomaron en cuenta los siguientes
aspectos:
Cada uno de los componentes eléctricos y mecánicos
deberán estar sobre la base de la estructura.
Distribución correcta de los pesos.
Optimizar el espacio requerido para evitar áreas entre
los componentes.
Sujeción firme y duradera de los componentes en la base.
Evitar vibraciones entre componentes y la base
estructural.
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Figura 10. Tarjetas de los circuitos eléctricos
Esta distribución fue realizada al emplear las medidas reales
de los dispositivos eléctricos y los electromotrices, las
dimensiones del mecanismo de elevación eléctrica del asiento
fue un aproximado de las medidas reales.
7. Fabricación
Dado los requisitos y especificaciones del diseño final para
la fabricación de la silla de ruedas, la selección del
material para su fabricación fue un punto importante a
discutir y analizar; ya que requería ser lo más ligera
posible y resistente debido a las exigencias de uso y
transporte por parte del paciente.
El material que se designó para la estructura fue una
aleación de aluminio por sus buenas propiedades mecánicas y
sobre todo por su bajo peso con respecto al acero por
ejemplo, que de éste material son la mayoría de las sillas de
ruedas en el mercado actual. Un inconveniente del aluminio es
que no es sencillo de soldar, es un material muy complicado
sobre todo por la disipación de calor. Para este propósito se
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consiguió una soldadura específica para aluminio con la cual
el procedimiento de soldar se simplificó. Una vez adquiriendo
la soldadura idónea y la aleación, se siguieron los planos
del diseño final para su fabricación.
7.1.- Diseño del Asiento
La forma de la sección donde entren en contacto las
protuberancias y el asiento, cumplen con los requerimientos
del usuario para brindar comodidad en periodos largos de
tiempo. Dado que el espacio es limitado en la sección de las
extremidades pélvicas, se respetó la ergonomía y forma del
usuario con el fin de no comprimir las venas y arterias que
pasan por la parte posterior del muslo y de esta forma,
interrumpir la circulación sanguínea provocando una sensación
desagradable.
La estructura del asiento es metálica, plana y capaz de
soportar el peso del usuario final. Los contornos ergonómicos
y secciones acolchonadas integran el empleo de hule espuma,
gomas espumosas y fibras sintéticas. El tapiz exterior se
diseñó en un material equivalente a las telas impermeables
con el fin de evitar traspaso de suciedad y el acumulamiento
de microorganismos (Figura 11).
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Figura 11.Construcción del asiento.
7.2.- Respaldo.
La parte estructural del respaldo es un segmento plano y
sólido, capaz de soportar el peso del usuario y la carga a
flexión provocada en el transcurso del ascenso y descenso.
Del mismo modo que el asiento, los contornos ergonómicos y
secciones acolchonadas integran el empleo de hule espuma,
gomas espumosas y fibras sintéticas. Las características más
importantes de los contornos ergonómicos son que brinden la
suficiente comodidad, apoyo y sujeción en la sección lumbar,
dorsal y cervical, así como el soporte lateral en la sección
de los riñones y cabeza.
8. Aplicación móvil.
Primero se visualizan los accionamientos que llevara la
silla-camilla que son elevación, deslizamiento lateral,
inclinación, elevación de respaldo y elevación de reposapiés.
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Representados en la aplicación como botones (Véase figura
12).
Al tener la interfaz de la aplicación se siguió por programar
dichos botones, y que cuando se seleccione un accionamiento
se cambie de botones según la orientación del movimiento de
la silla.
Cada botón manda por Bluetooth un string para ser recibirlo
con el microcontrolador y accionar los motores.
Figura 12. Aplicación para el control de la silla a distancia vía
Bluetooth.
RESULTADOS, PLANOS, GRÁFICAS, PROTOTIPOS, MAQUETAS,
PROGRAMAS, ENTRE OTROS
Los resultados fueron los esperados, la silla con sus motores
soporto fácilmente los 150 kg, este pero es algo grande
comparado con una persona promedio.
Se realizaron pruebas con gente que en verdad tenía problemas
con discapacidad y la respuesta por esta gente fue
satisfactoria (figura 13-16). Los posibles usuarios
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expresaron que esta silla sería de gran utilidad y que tiene
mucho potencial.
Respecto a la aplicación móvil, se tuvieron algunos
problemas, pero al final se resolvieron. El principal
problema que tenía era que a veces si hacia comunicación y a
veces no, pero se solucionó al poner tierra en las tarjetas
de los relevadores.
El código usado para la aplicación estuvo muy sencillo en el
cual solo se activaban los motores cuando se seleccionaba uno
de los mandos figura 17.
Figura 13.- Demostración con gente
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Figura 14.- Silla en funcionamiento
Figura 15.- Deslizamiento de la silla
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Figura 16.- Control Alámbrico de la silla.
Figura 14.- Aplicación para el control de la silla a distancia vía
Bluetooth
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusión personal
Se han adquirido muchas experiencias positivas de este
proyecto ya que conoces las situaciones de personas con
discapacidades diferentes, distintas enfermedades y la
complejidad de hacer un producto para el área de salud.
Existe un gran campo laboral relacionado con la tecnología en
el área de salud. Realizar un producto que puede ayudar a
millones de personas resulta satisfactorio ya que aportas
algo útil a la vida de esas personas.
Conclusión del proyecto
Se realizó el primer diseño y construcción de un dispositivo
mecatrónico producto de la fusión de una silla de ruedas y
una camilla hospitalaria que permite mejorar la calidad de
vida de los pacientes con alguna discapacidad motriz.
Recomendaciones
Dedicar más tiempo a la investigación y al diseño para poder
realizar un producto final, ya que el dispositivo realizado
fue un prototipo.
Para conseguir un producto final de mayor calidad debe
sustituirse el material de construcción de la estructura por
otro más ligero, ya sea aluminio o titanio, el control fijo
debe cambiarse por un control a distancia con infrarrojo, en
el circuito se deben de utilizar tecnología electrónica SMT
para reducir el tamaño del PCBA.
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COMPETENCIAS DESARROLLADAS Y/O APLICADAS
Las competencias aplicadas en el proyecto son las adquiridas
en las siguientes materias:
Metrología y normalización al tener que hacer mediciones de
la anatomía humana en promedio para poder determinar las
dimensiones de la silla-camilla.
Ciencia e ingeniería de materiales al tener que utilizar un
material de coste bajo y resistente para poder desarrollar el
prototipo cumpliendo con sus funciones.
Dinámica ya que el respaldo y el reposapiés son un soporte
que se le aplica una carga el cual va cambiando de posición
con el tiempo.
Electrónica analógica para el accionamiento de los motores
utilizando relevadores de potencia.
Taller de investigación I, Taller de investigación II y
Formulación y Evaluación de proyectos para realizar la
documentación se tuvo que aplicar el conocimiento de las
materias de,
Interfaces y redes industriales al tener que utilizar
protocolos de comunicación como el serial y por ultimo
programación avanzada al utilizar la aplicación para
celulares para poder controlar la silla-camilla.
Una competencia desarrollada fue adquisición de conocimientos
en el área de biomédica, al investigar sobre las enfermedades
relacionadas con la discapacidad motriz.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Y VIRTUALES.
[1]Nordin, M., Frankel, V. H. "Biomecánica básica el sistema
Muscoesquelético," España: McGraw Hill, 84-486-0635-3, 2001.
ISBN: 8448606353.
[2] Estadisticas de personas con discapacidad en México 2014.
INEGI en linea. Discapacidad en México. Recuperado 20 de Mayo
de 2014. http://cuentame.inegi.org.
[3] Mecánica de Materiales, Ferdinand Beer, E. Russell y
Dewolf John, McGraw Hill, México 2007.
[4] Beer F. P., Jonhston E. R., Eisenberg E. R. “Mecánica
Vectorial para Ingenieros Estática”.McGraw-Hill
Interamericana. 7ma. Edición.
