DISEÑO DE UN SISTEMA BIPEDESTADOR
CONCEPTOS FUNDAMENTALES POSTURA BIPODAL
La postura bipodal del ser humano resulta de la maduración del sistema neuromotriz y es una necesidad evolutiva que filogenéticamente hace posible la diferenciación de funciones entre miembros superiores e inferiores, condicionando un mayor desarrollo
de estas últimas. La posibilidad de bipedestación asistida por dispositivos ergonómicos, que a la vez sean económicos y funcionales, es planteada como un derecho para la población pediátrica con discapacidad motriz que no puede adoptar o mantener esa posición. Los niños y adultos que por su situación de discapacidad motora no pueden adoptar la posición bípeda, tienen una mayor propensión a sufrir complicaciones relacionadas con la dis minución de la densidad mineral ósea, al desarrollo de contracturas miotendinosas, a mayor riesgo de problemas gastrointestinales, menor soporte del
diafragma por el efecto de la gravedad, etc., lo que aumenta el riesgo de úlceras por presión. Esto ocurre porque, al no darse la adecuada redistribución de la presión en las tuberosidades isquiáticas, sacro, apófisis espinosas, escápulas y demás prominencias óseas, no se da la perfusión sanguínea que necesitan los tejidos, con lo que se aumenta el riesgo de ruptura de la piel en un individuo sentado. Además, existe la posibilidad de presentar problemas en el funcionamiento de la vejiga y
mayor predisposición a infecciones del tracto urinario. Este es un síntoma esperado en niños y niñas con secuelas de espina bífida.
Al no poder adoptar la posición bípeda, se da una limitación de la motricidad voluntaria como la locomoción, traslados y autocuidado, afectación esfinteriana, restringiendo la participación social y escolar. Esta la razón ha hecho que se propongan aditamentos ortésicos o dispositivos para lograr el mantenimiento de la
posición bí peda desde tiempos inmemoriales . Para estas personas existe, además, el estigma social de ser dependientes de otros para la movilidad funcional, por lo cual es necesario proponer un dispositivo de ayuda que facilite la posición bípeda, la
deambulación en el entorno y el desarrollo de actividades propias de la edad, sin la asistencia de otra persona, que contribuyan positivamente a la sociedad en su conjunto.
SISTEMA BIPEDESTADOR
Se conoce a aquellos sistemas estructurales, móviles, que tienen capacidad de
mantener en posición bipodal a una persona que tiene capacidades especiales, así, evitar lesiones propias de la posición “sentado”.
La bipedestación no es apropiada para to dos los individuos con movilidad limitada. La selección del equipo de bipedestación, así como su configuración y mantenimiento, son parte crítica para una adaptación exitosa .
POSICIÓN BIPODAL
La postura corporal erguida y con apoyo bipodal es el resultado de muchos procesos que sostienen el equilibrio y muchas de las relaciones externas desde el cuerpo humano. La postura ideal es la estructura general del cuerpo que indica que la persona está en un buen balance mecánico. De acuerdo con Norkin y Levangie, (1992) la postura puede ser "relativamente estática" o dinámica. En posturas estáticas el cuerpo y sus segmentos están alineados y se mantienen en ciertas posiciones tal como sucede en la posición erguida o de pie, acostados o sentados. La postura dinámica se refiere a aquellas donde el cuerpo o segmentos corporales están en movimiento tales como, caminar, trotar, correr saltar o lanzar.
EL PROBLEMA
o
SITUACIÓN INICIAL
Persona con capacidades especiales en posición sentado, sin alternativa de movimiento por sí mismo. o
CAJA NEGRA
Sistema estructural que permita que la persona con capacidades especiales se
coloque en posición bipodal. o
SITUACIÓN FINAL
Persona con capacidades especiales especiale s en posición sentado con la posibilidad de colocarse en posición bipodal .
PLANTEAMIENTO DE ESTRUCTURA FUNCIONAL
FUNCIÓN CERO
Material CAMBIAR DE POSTURA A UNA PERSONA DE POSICIÓN SENTADO A BIPODAL
Energía
Sistema estructural para sostener a una persona en posición bipodal.
Señal
FUNCIÓN 1 Aluminio estructural Energía Mecánica
SOSTENER A UNA PERSONA DE 100 Kg DESDE SENTADO HASTA EN POSICIÓN BIPODAL
Aluminio estructural
Aluminio estructural Motor eléctrico
MOVER A UNA PERSONA DE 100 Kg Y COLOCARLA EN POSICIÓN BIPODAL
Señal de control
Al estructural
Energía Mecánica
Energía Eléctrica Señal de control
CONTROLAR EL MOVIMIENTO DEL SISTEMA (VELOCIDAD Y ACELERACIÓN) PARA COLOCAR A UNA PERSONA EN PSOICIÓN BIPODAL
Aluminio estructural
MANTENER EN POSICIÓN BIPODAL A UNA PERSONA DE 100 Kg
Señal de control
Motor eléctrico Señal de control
REGRESAR A UNA PERSONA DE 100 Kg A LA POSICIÓN SENTADO
DIVISIÓN MODULAR
MODULOS
MODULO 1
Aluminio estructural Energía Mecánica
SOSTENER A UNA PERSONA DE 100 Kg DESDE SENTADO HASTA EN POSICIÓN BIPODAL
Motor eléctrico Señal de control
Al estructural
Aluminio estructural
Aluminio estructural
Aluminio estructural
MOVER A UNA PERSONA DE 100 Kg Y COLOCARLA EN POSICIÓN BIPODAL
Energía Eléctrica Señal de control
CONTROLAR EL MOVIMIENTO DEL SISTEMA (VELOCIDAD Y ACELERACIÓN) PARA COLOCAR A UNA PERSONA EN PSOICIÓN BIPODAL
Energía Mecánica
MANTENER EN POSICIÓN BIPODAL A UNA PERSONA DE 100 Kg
Señal de control
Motor eléctrico Señal de control
REGRESAR A UNA PERSONA DE 100 Kg A LA POSICIÓN SENTADO
DIVISIÓN MODULAR
MODULOS
MODULO 1
Aluminio estructural Energía Mecánica
SOSTENER A UNA PERSONA DE 100 Kg DESDE SENTADO HASTA EN POSICIÓN BIPODAL
Aluminio estructural
Aluminio estructural Motor eléctrico
MOVER A UNA PERSONA DE 100 Kg Y COLOCARLA EN POSICIÓN BIPODAL
Señal de control
Al estructural
Energía Mecánica Señal de control
Energía Eléctrica Señal de control
Aluminio estructural
MANTENER EN POSICIÓN BIPODAL A UNA PERSONA DE 100 Kg
Motor eléctrico Señal de control
REGRESAR A UNA PERSONA DE 100 Kg A LA POSICIÓN SENTADO
MODULO 2
MODULO 1 corresponde al sistema estructural (ESTÁTICO) MÓDULO 2 corresponde al sistema dinámico (MECANISMO ) y control
CONTROLAR EL MOVIMIENTO DEL SISTEMA (VELOCIDAD Y ACELERACIÓN) PARA COLOCAR A UNA PERSONA EN PSOICIÓN BIPODAL
Energía Mecánica Señal de control
MANTENER EN POSICIÓN BIPODAL A UNA PERSONA DE 100 Kg
Motor eléctrico Señal de control
REGRESAR A UNA PERSONA DE 100 Kg A LA POSICIÓN SENTADO
MODULO 2
MODULO 1 corresponde al sistema estructural (ESTÁTICO) MÓDULO 2 corresponde al sistema dinámico (MECANISMO ) y control
PLANTEAMIENTO DE CONDICIONES DEL DISEÑO En el diseño contemporáneo, se está utilizando nuevas metodologías de diseño, tal
es el caso de la ingeniería concurrente que como su nombre lo indica, a un problema de ingeniería CONCURREN varias disciplinas representadas por profesionales en distintas áreas, lográndose de esta manera una sinergia en el proceso de creación que tienda a crear una solución que considere de forma universa l el entorno del sistema gestado, tanto es así que a esta mesa de diseño pertenecen también ingenieros comerciales, financieros, marketing, no solo se ha limitado a la causa
técnica, indudablemente el objetivo será un lanzamiento pomposo del artefacto nuevo, una prolongada vida en el mercado que genera la mayor utilidad posible.
Para efecto de lograr satisfacción en el proceso de diseño, se ha implementado una herramienta que se la menciona y aplica entre algunas otras más que existen, es el caso de la Cas a de la Calidad. La aplicación de esta herramienta que permite el
despliegue de la función de la calidad QFD, se la genera a continuación para el caso
PLANTEAMIENTO DE CONDICIONES DEL DISEÑO En el diseño contemporáneo, se está utilizando nuevas metodologías de diseño, tal
es el caso de la ingeniería concurrente que como su nombre lo indica, a un problema de ingeniería CONCURREN varias disciplinas representadas por profesionales en distintas áreas, lográndose de esta manera una sinergia en el proceso de creación que tienda a crear una solución que considere de forma universa l el entorno del sistema gestado, tanto es así que a esta mesa de diseño pertenecen también ingenieros comerciales, financieros, marketing, no solo se ha limitado a la causa
técnica, indudablemente el objetivo será un lanzamiento pomposo del artefacto nuevo, una prolongada vida en el mercado que genera la mayor utilidad posible.
Para efecto de lograr satisfacción en el proceso de diseño, se ha implementado una herramienta que se la menciona y aplica entre algunas otras más que existen, es el caso de la Cas a de la Calidad. La aplicación de esta herramienta que permite el
despliegue de la función de la calidad QFD, se la genera a continuación para el caso del Bipedestador.
Mediante la herramienta de la Casa de la Calidad, se determina las prioridades y el
orden de las mismas para el diseño del sistema Bipedestador, mismas que tanto para el usuario como para el ingeniero, se describen a continuación VOZ DEL USUARIO
Por tanto, las prioridades serán:
Alta resistencia
Fácil transporte
Fácil de mantener
Bajo costo
Liviano
Rápido para funcionar
VOZ DEL INGENIERO
PLANTEAMIENTO DE LA MATRIZ MORFOLÓGICA
COMPONENTE
ALTERNATIVA 1
ALTERNATIVA 2
MODULO I
ALTERNATIVA 3
ESTRUCTURA DEL BIPEDESTADOR
MEDIO DE MOVILIDAD Y TRANSPORTE MODULO II ELEMENTO PROPULSOR
CONTROL DEL SISTEMA ALTERNATIVAS A1
MATRICES DE CRITERIOS PONDERADOS ALTERNATIVA 1
DESCRIPCIÓN A1
Bipedestador tipo columna fija
Transportador por ruedas
Impulsado por servomotor
Controlado por Arduino
ALTERNATIVA 2
DESCRIPCIÓN A2
Bipedestador tipo silla
Ruedas de transporte
Actuadores hidráulicos o neumáticos
Controlado por Arduino
ALTERNATIVA 3
DESCRIPCIÓN A3
Bipedestador columna móvil
Transportado por ruedas
Movido por servomotor
Controlado por Arduino
Planteamiento de la matriz de criterio ponderado
PARÁMETROS
A1
A2
A3
Alta resistencia
0,36
8
0,36
8
0,36
8
Fácil transporte
0,21
4
0,21
5
0,21
7
Fácil de mantener
0,16
3
0,16
4
0,16
8
Bajo costo
0,05
3
0,05
3
0,05
9
Liviano
0,10
7
0,10
7
0,10
8
Rápido para funcionar
0,05
6
0,05
5
0,05
8
6,387
Ʃ+1
6,697
Ʃ+1
8,291
Ʃ+1
Según el criterio ponderado incluido en la decisión de la alternativa idónea, la Alternativa tendiente a generar la mejor solución al problema es la tres.
DISEÑO DEL MECANISMO Se aplica la configuración manivela biela corredera, que permite lograr la incorporación del paciente al accionar el eslabonamiento.
En base a una síntesis del movimiento requerido, se obtiene el mecanismo de la figura anteriormente mostrada.
Se realiza el proceso de dibujo asistido por computadora para obtener el archivo CAD correspondiente al dibujo en 3D del eslabonamiento, el cual se muestra a
continuación:
Se efectúa el ingreso del modelo al software especializado en análisis de mecanismos, con el fin de obtener el análisis cinemático y cinético del mecanismo propuesto para esta aplicación:
Según el dimensionamiento seleccionado, el cálculo para determinar la variación del ángulo
θ2
con referencia al ángulo
θ3 en
el mecanismo será el siguiente:
Diagrama simplificado del mecanismo
La relación entre el ángulo de la manivela y el ángulo del eslabón de salida es apropiada, los dos son incrementales y guardan relación entre sí según el tamaño de los eslabones.
ANÁLISIS COMPUTACIONAL DEL MECANISMO
Una vez comprobada y verificada la efectividad del programa, mediante el software MSC ADAMS se ha efectuado el análisis cinemático y cinético del mecanismo, los resultados se muestran a continuación:
Gráfica del estudio del desplazamiento en el eslabón de salida En la presente imagen se determina que, la trayectoria de desplazamiento del eslabón de salida con respecto al tiempo, es la que se requiere para que el mecanismo
Bipedestador accione apropiadamente. Se observa que parte de una posición donde el eslabón marca una coordenada en y= 450 mm y mientras acciona el actuador (pasa el tiempo de simulación), la coordenada decrementa exponencialmente lográndose la trayectoria antes indicada. El usuario pasa de una posición bipodal a una posición sentado. Los mismos datos cinemáticos se pueden considerar para la variación de
posición de sentado a bipodal.
Gráfica del estudio de la velocidad en el eslabón de sa lida Inicia desde una posición en reposo , en donde la velocidad es cero, avanza en función del tiempo hasta cumplirse el suceso de simulación, llegando a una velocidad de 250
mm/s (0,25 m/s). Este dato permite la calibración en el momento de programar el control del sistema Bipedestador.
Gráfica del estudio de la aceleración en el eslabón de salida El sistema parte del reposo, cuando la persona se halla en posición bipodal, inicia el
descenso hasta la posición sentado, mediante el incremento de la velocidad del actuador, variación que permite la generación de una aceleración que resulta ser aproximadamente 130 mm/s 2 (0,13 m/s2 ).
Gráfica del estudio de la fuerza en el eslabón de salida
Gráfica del estudio del torque requerido en el eslabón de salida Para que el sistema mecánico pueda moverse mediante control electrónico, se ha
procedido a generar el diseño de un sistema de control mediante joystick, el mismo que ejerce dominio sobre los servomotores ubicados en los ejes de las ruedas y controlados individualmente. individualmente.
La capacidad de los motores está dada en función del peso de la persona más el peso de la estructura así: SolidWorks permite obtener el peso muerto de la estructura mediante la siguiente
información:
El peso de la persona es de 100 Kg.
Por tanto, el peso total que deberán mover los servos es de: m m Ptotal (100( Kg ) *9 * 9, 8( 8( 2 ) (43( Kg ) *9 * 9, 8( 8( 2 )) s s Ptotal 1401, 1401, 4 N
Por tanto, cada servo debe arrastrar 700N, se procede a la selección de los motores: De ello se determina que el servo motor requerido es de ¼ de HP o 186,5 Watts.,
por tanto, redondeando según fabricantes un servo apropiado puede ser el de 300 W.
Por
ejemplo,
la
marca
MOOVI
ofrece
http://www.pranainc.com.ec/barreras/BFTMOOVI.pdf un
especificaciones técnicas se muestran a continuación:
en
motor
su cuya
página tabla
de
GENERACIÓN DE LA GEOMETRÍA DE LA MÁQUINA BIPEDESTADORA.
La estructura tiene características idóneas para so portar la carga de 980N correspondiente al peso de una persona de 100 Kg.
El factor de diseño de esta parte del Bipedestador es de tres punto tres, lo que implica que soportará hasta el triple del peso de la persona lo cual brinda seguridad en resistencia del material.
Se efectúa la simulación de los elementos estructurales del Bipedestador más críticos es decir los que se encuentran directamente directamente involucrados en la resistencia del sistema.
Siendo así se calcula la resistencia del espaldar o estructur a superior. En el caso que la persona apoye totalmente su peso sobre los apoyos en voladizo.
Se obtiene un factor de diseño de dos punto tres lo que implica que la estructura soporta hasta el 200% del peso de la persona, esto asegura el diseño.
Una vez verificadas las partes más sensibles del Bipedestador diseñado, se ha
procedido a armar la máquina cuyo resultado se muestra en la figura siguiente:
