Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación

Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación MEMORIA Autor: Pia Cortasa y Adela Fontserè Director: Josué López Hermoso Convocatoria: Mayo 2022 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona Pág. 2Memoria Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 3 RESUMEN Este trabajo tiene como finalidad facilitar la acción de desplazarse, sentarse y levantarse de aquellas personas que tienen movilidad reducida sin la necesidad de una tercera persona y de manera económica. Este objetivo se quiere lograr mediante el diseño de una silla eléctrica bipedestadora, que tenga las funciones de desplazamiento y bipedestación de manera independiente. Para ello, primeramente se han estudiado las características y dimensiones que debe tener la silla, para después aplicarlas en el diseño de ambas funciones, la de propulsión y la bipedestadora. Una vez realizados los diseños de estas funciones, se ha realizado un estudio mediante simulaciones de la efectividad de estos diseños y su funcionamiento. Este estudio ha resultado positivo, concluyendo en el correcto funcionamiento de la silla para el uso esperado. Con este estudio más el cálculo de los costes del proceso se puede analizar si el objetivo propuesto al inicio del proyecto se ha cumplido con éxito. Por último se ha realizado un estudio medioambiental del proceso. Una vez finalizado el proyecto, se han visto cumplidos los objetivos de diseño de la silla, resultando de un precio asequible si se contempla la posibilidad de la producción en serie. Por otro lado, la producción de tan sólo el prototipo resulta más costosa de lo esperado en un inicio. Pág. 4Memoria Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 5 ÍNDICE 1. PREFACIO 8 1.1 Origen del proyecto 8 1.2 Motivación 9 2. INTRODUCCIÓN 10 2.1 Objetivos del proyecto 10 2.2 Alcance del proyecto 10 2.3 Planificación 11 3. ESTADO DEL ARTE 12 3.1 Breve historia de las silla de ruedas 12 3.2 Sillas de ruedas actuales en el mercado 13 3.2.1 Sillas eléctricas sin bipedestación 13 3.2.2 Sillas eléctricas con bipedestación 15 3.2.3 Asientos elevadores 17 3.2.4 Sistemas de propulsión para el desplazamiento de la silla 18 4. NORMATIVA Y LEGISLACIÓN 21 5. ANÁLISIS DEL USUARIO 23 6. ESTUDIO BIOMECÁNICO 25 6.1 Análisis biomecánico de la posición sedente 25 6.2 Análisis biomecánico de la transición STS 27 6.2.1 Fases de la transición STS 27 6.2.2 Músculos y articulaciones 29 6.2.3 Fuerzas y momentos 30 6.3 Análisis biomecánico de la transición BTS 31 6.4 Dificultades en las PMR durante la transición STS y BTS 32 7. DISEÑO MECÁNICO 33 7.1 Medidas antropométricas 33 7.2 Peso del usuario 37 7.3 Trayectoria del proceso STS 38 7.4 Selección del sistema de propulsión 39 7.5 Funcionamiento de un hoverboard 41 7.6 Propuestas de diseño 42 7.6.1 Propuesta de diseño del sistema de bipedestación 42 7.6.2 Propuesta del sistema de propulsión 44 7.7 Diseño final 46 7.7.1 Diseño del sistema de bipedestación 46 7.7.2 Diseño del sistema de propulsión 50 Pág. 6Memoria 7.7.3 Cinemática del sistema 55 7.7.4 Dimensionamiento de los componentes 57 8. CONSTRUCCIÓN 79 8.1 Componentes de catálogo 79 8.1.1 Componentes del sistema de bipedestación 79 8.1.2 Componentes del sistema de propulsión 81 8.2 Componentes dimensionados 82 8.2.1 Componentes del sistema de bipedestación 82 8.2.2 Componentes del sistema de propulsión 84 8.3 Instrucciones de montaje 84 8.3.1 Sistema de bipedestación 84 8.3.2 Sistema de propulsión 89 9. ELECTRÓNICA DE CONTROL 92 9.1 Hardware del hoverboard 92 9.2 Pulsador de funcionamiento 93 9.3 Conexión de la batería 94 10. PRESUPUESTO 95 10.1 Presupuesto del sistema de bipedestación 95 10.2 Presupuesto del sistema de propulsión 96 10.3 Presupuesto total 97 11. IMPACTO AMBIENTAL 98 12. CONCLUSIONES 100 BIBLIOGRAFÍA 101 ANEXOS 103 Anexo A: SILLAS ELÉCTRICAS CON BIPEDESTACIÓN EN EL MERCADO 104 Anexo B: ANÁLISIS DEL USUARIO 108 Anexo C: FUERZAS Y MOMENTOS DE LA TRANSICIÓN STS 110 Anexo D: MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS 112 Anexo E: SELECCIÓN DEL MATERIAL 115 Anexo F: CÁLCULOS MEDIANTE HERRAMIENTAS CAE 123 Anexo G: COMPONENTES DE CATÁLOGO 130 Anexo H: COMPONENTES DISEÑADOS 155 Anexo I: ELEMENTOS DEL HOVERBOARD 162 Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 7 Pág. 8Memoria 1. PREFACIO 1.1. Origen del proyecto En España hay 2,5 millones de personas con movilidad reducida y el 74% de ellas, 1,8 millones, precisan de ayuda para poder salir de sus casas, y mayoritariamente (el 73%) la obtienen de amigos y familiares. El 4%, alrededor de 100.000, no tienen esa ayuda y nunca salen de casa. Es una de las principales conclusiones del estudio ‘Movilidad reducida y accesibilidad en el edificio’ elaborado por la Fundación Mutua de Propietarios en colaboración con la Confederación Española de Personas con Discapacidad Física y Orgánica (COCEMFE) [1]. Gráfico 1.1 - Personas que cuidan personas dependientes según sexo y edad (2016) Además, como podemos ver en el gráfico anterior, la mayoría de personas que ayudan a estas personas dependientes son de 45 años o más, y en gran parte mujeres, que tienen menos fuerza y son más susceptibles a posibles lesiones al proporcionar este tipo de asistencia. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 9 1.2. Motivación La motivación de este proyecto es mejorar la calidad de vida de un sector de la sociedad en situación de vulnerabilidad, y a la vez proponer una alternativa para aquellas personas que con un poco de ayuda podrían ser más independientes. Esto contribuirá a la mejora de su salud física, su estado de ánimo, autoestima y bienestar en general. Las personas con movilidad reducida/discapacidad (PMR) necesitan de una tercera persona para levantarse/sentarse o bien moverse de un lado a otro. Estas personas, muchas veces familiares del usuario, tienen que realizar grandes esfuerzos y movimientos bruscos, los cuales pueden llevar a lesiones. Este proyecto también se centra en mejorar la calidad de vida de estas personas, las cuales son en su mayoría pareja de la persona necesitada, con lo cual son mayoritariamente del mismo grupo de edad. Este proyecto surge de la necesidad de mejorar la calidad y condiciones de vida de las personas con movilidad reducida y de sus asistentes, además de su salud. Esto conlleva también una mejora de la autoestima y el bienestar [2]. Además, queremos que esté al alcance de todo el mundo de manera económica, ya que las clases más desfavorecidas no tienen personal asistente profesional. Suelen ser los familiares, en la mayoría de los casos de edad avanzada. Pág. 16 Memoria ○ Cinturones abdominales y pectorales ○ Placa de fijación de ruedas traseras ○ Longitud del reposapiés regulable ○ Sistema de compensación de longitud de las piernas. ○ Paleta monobloc y cincha apoya pantorrilla ○ Protectores de ropa transparentes ○ Soportes de rodillas desmontables ○ El movimiento de verticalización se realiza mediante un botón ubicado al extremo del reposabrazos ○ Desconexión automática de la batería con una alerta sonora. Cargador de serie. ○ Incorporación de una mesita opcional ○ Ruedas antivuelco opcionales ○ Pistón eléctrico Linak ○ Puños en los tubos del respaldo opcionales Figura 3.4 - Silla Invacare Action Vertic - SME Karma [4]: Características y opciones ○ Autopropulsada, bipedestación eléctrica ○ Cinturón torácico para sujetar al usuario ○ Soporte para rodillas ajustable ○ Reposapiés ○ Joystick para el control del movimiento ○ Ruedas anti-vuelcos ○ Superfície de contacto de cuatro puntos en posición de pie para mayor seguridad ○ Bolsa en el respaldo opcional ○ Cinturón de seguridad en forma de H opcional Figura 3.5 - Silla SME Karma Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 17 -Permobil F5 Corpus VS [5]: “Ponte en pie sin riesgos” Características y opciones ○ Bipedestación y movimiento eléctrico ○ Comodidad, elsistema de asiento ergonómico líder en el mundo ○ Hazte ver, incorporación de faros LED que nos permite ver y ser vistos ○ Antivuelcos automático ○ Active Height™ (elevación) y Active Teach™ (inclinación) ○ El apoyo, el soporte para el pecho y el control de las rodillas se ha rediseñado para brindar comodidad y accesibilidad. ○ Suspensión Agile, absorbe las vibraciones del terreno para que el usuario no las note. Figura 3.6 - Permobil F5 Corpus VS 3.2.3. Asientos elevadores Como alternativa a las sillas con bipedestación, existen los asientos elevadores. Estos no incorporan por completo al usuario, sino que constituyen una ayuda a la propia fuerza que este realiza. Lo hacen con o sin la ayuda de un motor, dependiendo del tipo. El dispositivo se coloca en un asiento, y es una ayuda tanto para incorporarse como para sentarse. - Cojín con pistón hidráulico [7] ○ Sistema de elevación por pistón hidráulico, sin cables ni pilas. ○ Para levantarse, basta con inclinarse hacia delante con normalidad y empezar a levantarse; el pistón del mecanismo de elevación se activa automáticamente y levanta al usuario suavemente de la silla o butaca de manera estable y levantando hasta un 70% del peso. ○ Cuando alguien se deja caer en la silla el pistón acompaña sus movimientos y amortigua el peso, evitando posibles daños o accidentes. Figura 3.10 - Cojín con pistón hidráulico ○ No tiene puntos intermedios, únicamente la posición máxima o mínima. Pág. 18 Memoria ○ No está recomendado para sillas de ruedas. - Cojín elevador eléctrico [8] ○ Con puntos intermedios. ○ Necesita fuente de energía. ○ Habría que estudiar su uso en sillas de ruedas. Figura 3.11 - Cojín elevador eléctrico 3.2.4. Sistemas de propulsión para el desplazamiento de la silla - Hoverboard [9] Un hoverboard es una plataforma con dos ruedas, que funciona con una batería recargable de litio, gracias a la cual se puede desplazar a velocidades superiores a los 10 km/h. Figura 3.12. Hoverboard de la marca Skatey En su interior contiene unos sensores llamados giroscopios, que captan las variaciones en el peso de la persona que lo conduce y mantienen el equilibrio. El usuario se sitúa encima de la plataforma y se traslada controlando el movimiento con los pies, presionando hacia delante, detrás o combinando para girar. Hay modelos de hoverboard dotados de manillar. Aunque varía según el modelo, el peso máximo con el que funcionan es generalmente de hasta 120 kg, y con la batería completamente cargada pueden recorrer una distancia entre 15 y 45 km, según el ocupante y el terreno donde se mueve. El tiempo de carga de la batería es entre una y dos horas, aunque cuanta más autonomía, más tiempo necesitan. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 19 - Patinete eléctrico [10] Se trata de un patinete autopropulsado por un motor eléctrico. Igual que en el patinete tradicional, el usuario suele ir de pie encima de él, sosteniendo el manillar con el que indica la dirección. La mayoría de ellos utilizan baterías de iones de litio. Su autonomía varía mucho dependiendo del modelo del que estemos hablando. Figura 3.13. Autonomía de los patinetes eléctricos según el modelo Las velocidades que pueden alcanzar dependen del peso del ocupante y del terreno, pero pueden llegar a los 25 km/h o hasta los 50 km/h en algunos modelos. El peso de estos patinetes, pese a que están pensados como vehículos portátiles y ligeros, varía desde los 7 hasta los 20 kg. Figura 3.14. Patinetes eléctricos -Monociclo eléctrico [11] Es un medio de transporte que consta únicamente de una sola rueda, y su peso varía entre los 10 y 14 kg. Su autonomía va de los 15 a los 40 km en función del modelo. Pág. 20 Memoria Figura 3.15. Monociclo eléctrico Segway-Ninebot One S2 Algunos modelos incorporan una aplicación para el móvil en la que se puede ver la velocidad, el nivel de batería y la cantidad de kilómetros recorridos. Algunos monociclos pueden soportar a personas de hasta 120 kg. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 21 4. NORMATIVA Y LEGISLACIÓN La normativa tiene que tener en cuenta todos los peligros posibles que puedan causar daño al usuario. En la tabla siguiente (tabla 4.1) se indica el tipo de peligro, los factores que afectan al peligro y las posibles consecuencias. Tabla 4.1 - Estudio de los diferentes peligros y sus consecuencias, elaboración propia PELIGROS CONSECUENCIAS Peligros mecánicos: - Aceleración - Basculación (inestabilidad) - Elementos rotativos - Vuelco de la silla - Proyección del usuario - Caída, impacto, accidente del usuario Peligros eléctricos: - Cortocircuito - Fenómeno electromagnético - Electrocución - Caída, accidente Peligros de la bipedestación: - Sobreimpulso - Mala amortiguación - Desplazamiento de la silla durante el movimiento de bipedestación/sedestación - Caída, accidente - Proyección del usuario - Lesiones Peligros por el ruido: - Partes móviles - Partes rotativas desequilibradas - Estrés - Molestias - Dolor de cabeza - Distracciones del exterior Peligros producidos por no respetar el principio de la ergonomía: - Mala postura - Dificultad de movimiento - Incomodidad - Lesiones - Estrés - Molestias - Distracciones del exterior Pág. 22 Memoria Analizando los diferentes peligros y consecuencias vemos que la silla de ruedas (considerada un material sanitario) diseñada tendrá que cumplir las siguientes normativas y directivas. ○ DIRECTIVA Directiva 2006/42/CE Europea seguridad de la maquinaria. Directiva 93 42 CEE relativa a los productos sanitarios. Directiva 2014/30/UE compatibilidad electromagnética. ○ NORMATIVA [13] UNE-EN 12184:2014 Sillas de ruedas con motor eléctrico, scooters y sus cargadores. Requisitos y métodos de ensayo. UNE-EN ISO 10535:2007 Grúas para el traslado de personas con discapacidad. Requisitos y métodos de ensayo (ISO 10535:2006). UNE-EN ISO 16201:2007 Ayudas técnicas para personas con discapacidad. Sistemas de control del entorno para la vida diaria (ISO 16201:2006). EN 12182:2012 Productos de apoyo para personas con discapacidad. Requisitos generales y métodos de ensayo. UNE 111915:1991 Sillas de ruedas. Dimensiones totales máximas. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 23 5. ANÁLISIS DEL USUARIO Normalmente, las personas que necesitan una silla de ruedas son aquellas que padecen alguna discapacidad. A continuación, realizaremos un estudio de aquellas personas que padecen una discapacidad, edades que la sufren, tipo de discapacidad, origen de ella y el género del usuario. Gráfico 5.1 - Tasa de población con discapacidad según grupos de edad en 2008 [10] Gráfico 5.2 - Tasa de población con discapacidad según tipo de discapacidad en 2008 [10] Pág. 24 Memoria En el gráfico 5.1 se puede ver como el número de discapacitados aumenta exponencialmente con la edad. También se puede percibir cómo el género es indiferente, las estadísticas son similares tanto para hombres como para mujeres. En cambio, en el gráfico 5.2 se ve cómo los porcentajes de mujeres con discapacidad son siempre un poco más elevados que los de los hombres. Podemos añadir que las discapacidades más frecuentes están relacionadas con la movilidad y el autocuidado. Este último sector de la población y sus acompañantes son el público al que va dirigido este proyecto: personas capaces de desplazarse en espacios reducidos, pero que para mayores desplazamientos requieren de la ayuda de una silla de ruedas, más las personas que les ayudan en su día a día. Para ellas, una de las grandes desventajas de las sillas de ruedas es que sin la ayuda de un tercero no son capaces de levantarse de ella, lo que las hace más dependientes. Por eso es necesario no tan sólo una silla de ruedas, sino una que tenga incorporada la función de bipedestación. Teniendo en cuenta el usuario al que va dirigida nuestra silla, podemos determinar algunas de las especificaciones que serán necesarias. En la tabla 5.1 mostraremos los pesos medios de las personas mayores de 65 años y el sexo: Tabla 5.1 - Peso medio de la población mayor de 65 años según el sexo (Anexo A) Hombres Mujeres Peso medio [kg] 68,3 59,5 En nuestro caso, queremos que la silla pueda soportar a la mayoría de gente a partir de los 65 años, tanto hombres como mujeres, con un margen de seguridad del 10%. Por lo tanto, para ello, se estimará un peso del usuario de 75,13 kg. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 25 6. ESTUDIO BIOMECÁNICO Con este estudio se analizarán los diferentes movimientos que se realizan al sentarse y levantarse de manera estática y dinámica. La acción de levantarse se conoce como la transición STS (Sit-To-Stand en inglés), mientras que la acción de sentarse se denomina transición BTS (Back-To-Sitting). En el libro Biomecánica (2007) la doctora Alicia Alonso Becerra nos habla de la postura sedente por largos periodos de tiempo, por ejemplo, en el lugar de trabajo. Esta información la podemos extrapolar a las Personas con Movilidad Reducida (PMR), para poder estudiar las posiciones y movimientos que debería tener nuestra silla. Para ello primero se debe conocer cómo se mide la amplitud de un movimiento: se determina por el ángulo que forman dos partes del cuerpo o una y un plano vertical u horizontal. La amplitud total se mide por el ángulo comprendido entre las posiciones extremas, sin olvidar las limitaciones que imponen la constitución ósea y la estructura muscular [15]. 6.1. Análisis biomecánico de la posición sedente La posición sedente se define como una posición en la que una parte considerable del peso corporal se transfiere a una superfície, o como aquella en que la base de soporte del cuerpo está a medio camino entre la usada en la bipedestación (los pies) y la usada durante el decúbito (posición estirada), es decir, la base de soporte está formada por la cara posterior de los muslos y los pies. Es la posición que tiene una persona cuando está sentada, por ejemplo, en una silla de ruedas. A pesar de algunos inconvenientes que presenta la posición sedente, y más aún cuando se trata de permanecer en ella durante periodos de tiempo prolongados, existen una serie de ventajas que hacen que esta sea la postura recomendada en comparación con la bípeda para largos periodos. Estas son las siguientes: ○ Permite una gran estabilidad, además de un control visual y motor importante ○ Disminuye la carga fisiológica del individuo, por lo tanto, como postura prolongada, supone un menor gasto energético y es menos fatigante que estar de pie. ○ Alivia el peso que deben soportar las extremidades inferiores y, por ello, descarga sus articulaciones. ○ Disminuye la presión hidrostática en la circulación venosa de las piernas, ofreciendo menos resistencia al retorno de la sangre al corazón. Pág. 32 Memoria Figura 6.10: Fases de la transición BTS y del CdM En esta transición participan los mismos músculos y articulaciones que en la STS, realizando los movimientos opuestos. 6.4. Dificultades en las PMR durante la transición STS y BTS Como bien hemos especificado en el punto 5nuestra silla será diseñada para personas mayores con movilidad reducida. Estas personas, ya sea debido a su edad o a otros motivos, tienen dificultades para realizar movimientos que influyen gravemente en su vida diaria. Todas las personas, al llegar a la edad adulta, van perdiendo progresivamente masa muscular, así como capacidad cognitiva. Esto comporta la pérdida de propiocepción, el sentido que informa al sistema nervioso de la posición de nuestros músculos, así como calcula el rango de nuestros movimientos, ya sean realizados de manera consciente o inconsciente. Es un sentido extremadamente importante, ya que resulta imprescindible a la hora de tener actos reflejos. De ella dependen, además, el equilibrio y la coordinación, por lo que la falta de este sentido dificulta considerablemente la movilidad. Por lo tanto, los usuarios no serán capaces de realizar grandes esfuerzos, coordinar diferentes partes del cuerpo y pueden llegar a perder el equilibrio fácilmente. Además de las ya mencionadas, las principales dificultades durante la transición STS o BTS de los usuarios aparecerán en la fase de transferencia y extensión, las más inestables de todas. El motivo de esta inestabilidad es debido a que ocurren muchos acontecimientos en un periodo de tiempo muy corto. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 33 ○ El centro de gravedad: - Pasa de una base grande y estable (la silla) a una base bastante más pequeña e inestable (los pies). - Ha de realizar un movimiento vertical y horizontal al mismo tiempo. - Acelera alcanzando su máxima velocidad durante la fase de extensión. ○ Se activan diferentes músculos para realizar el movimiento ○ Se alcanza la máxima velocidad angular y lineal. Los diferentes puntos mencionados necesitan de un cierto esfuerzo, coordinación y equilibrio. Por lo tanto, nuestro sistema de bipedestación permitirá al usuario ponerse en pie sin ningún sobreesfuerzo y realizará la transición STS de la manera más ergonómica posible. 7. DISEÑO MECÁNICO Antes de proponer el primer diseño mecánico hemos de tener claras algunas medidas y datos del usuario. Estos datos y medidas nos servirán como referencia para el diseño de nuestra silla eléctrica con bipedestación. Además queremos que se adapte lo mejor posible al usuario, ya que normalmente pasan largos periodos de tiempo en ella. 7.1. Medidas antropométricas Para que el usuario encuentre útil la silla de ruedas, le ha de proporcionar comodidad y estabilidad permitiéndole: ○ Sentarse erguido en una posición sentada simétrica. ○ Conseguir la máxima capacidad funcional con el mínimo gasto de energía posible. ○ Reducir la presión que soporta en las nalgas y los muslos. Para poder conseguir estos objetivos, analizaremos los diferentes factores para conseguir la posición sedente correcta [19]. Pág. 34 Memoria Tamaño del asiento Figura 7.1 Figura 7.2 Figura 7.3 Figura 7.4 El tamaño adecuado del asiento asegura la estabilidad del usuario optimizando la zona de contacto entre el cuerpo y la silla. Una buena superficie de apoyo aliviará la presión del peso del usuario distribuido de manera uniforme. Si el asiento es demasiado ancho el usuario tenderá a sentarse con una mala postura, ver figura 7.1. En cambio, si es demasiado estrecho pueden producirse escaras por presión. Cuando el asiento es demasiado corto, los muslos sólo se apoyan parcialmente en el asiento y esto provocará una mayor presión en las nalgas (ver en la figura 7.2). Pero si este es demasiado largo puede llegar a provocar molestias en la zona de detrás de las rodillas (figura 7.3) y el apoyo incorrecto de la espalda en el respaldo de la silla, tendiendo a deslizarse sobre el asiento para evitar la tensión en las rodillas. La longitud óptima del asiento es aquella que permite al usuario estar bien sentado (figura 7.4), dejando aproximadamente dos dedos entre el final del asiento y la zona interna de las rodillas. Forma y ángulo del asiento Figura 7.5 Figura 7.6 Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 35 Necesitamos un asiento firme y nivelado. Una tapicería hundida (figura 7.5) provocará que el usuario adopte una postura incómoda, haciendo que los muslos y las rodillas se empujen. Provocando un exceso de presión y rozamiento. El usuario ha de mantener una buena postura, dándole un ángulo adecuado a la cadera (figura 7.6) que nos dotará de estabilidad a la pelvis. Soporte para los pies Figura 7.7 Figura 7.8 Figura 7.9 El ángulo de cadera adecuado es de 90º y manteniendo este mismo ángulo en las rodillas y tobillos (figura 7.7). Desde un punto de vista ergonómico el reposapiés debería ser de 90º. Aunque muchas veces no se puede dar este ángulo porque impide el movimiento de la silla. Por lo tanto, intentaremos que sea lo más próximo a los 90º. La altura del reposapiés también afecta a la postura del usuario. Si es demasiado baja (figura 7.8) el usuario tendrá las rodillas por debajo de la cadera, provocando el deslizamiento del usuario en la silla y también aumentará el rozamiento en las nalgas. Si es demasiado alta (figura 7.9) las rodillas estarán por encima de la cadera, provocando un aumento de presión en las nalgas. Altura del respaldo Figura 7.10 Pág. 36 Memoria Para conseguir la postura más ergonómica, necesitamos que el respaldo sea lo suficientemente alto para estabilizar la región lumbar superior (figura 7.10). Forma del respaldo y ángulo Figura 7.11 Figura 7.12 Figura 7.13 Muchos usuarios se sienten cómodos con un respaldo que dé suficiente soporte a la región lumbar. El respaldo con una forma y ángulo de inclinación adecuado nos proporcionará apoyo y equilibrio en la parte superior del cuerpo (figura 7.11). También, necesitamos una cierta inclinación para que la fuerza de gravedad recaiga sobre el pecho del usuario, dándole estabilidad en la silla. Un respaldo completamente recto (figura 7.12) hará que la fuerza de gravedad recaiga en los hombros del usuario provocando una inclinación hacia delante para compensarla. En cambio, un respaldo demasiado reclinado resulta incómodo porque el usuario ve reducido el campo de visión (figura 7.13). Acabamos de explicar todos los aspectos que hemos de tener en cuenta para que el usuario se sienta cómodo y confortable en la silla. Pero, además de todas estas medidas que hemos de tener en cuenta, también hay otras que no pueden pasar desapercibidas, las cuales se encuentran en el anexo D. Finalmente, obtenemos una silla con las medidas básicas siguientes: Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 37 Figura 7.14: Dimensiones básicas de la silla de ruedas 7.2. Peso del usuario Otro factor importante para el diseño de la silla eléctrica con bipedestación es el peso del usuario. Necesitamos definir un peso medio de nuestros usuarios, propuesto en el punto 5, para saber la fuerza necesaria que tendrá que realizar la silla en la bipedestación. Como se comenta en el anexo B, se ha realizado un estudio del peso de la población de más de 65 años diferenciando mujeres y hombres. Como hemos podido observar, el peso de los hombres solamente está un 13% por encima, con 68,3 kg frente a los 59,5 kg de las mujeres en el mismo rango de edad. Por ese motivo cogeremos este dato de referencia para nuestros cálculos, con un margen de seguridad del 10%. Por lo tanto, la silla deberá aguantar como mínimo 75 kg. Para poder diseñar el sistema de bipedestación se debe definir dónde recaerá el peso del usuario en la silla. Esta fuerza estará concentrada en la parte interior del asiento, como se muestra en la figura 7.14. Además, como bien hemos comentado en el punto 6.2.3, la ubicación del CdM del usuario es fundamental para conseguir su estabilidad. Por lo tanto, es el punto donde se concentrará todo el proceso de bipedestación. En el caso de la sedestación sucederá lo mismo, pero realizando el movimiento inverso. Pág. 38 Memoria Figura 7.15: Concentración de la fuerza del peso del usuario en la bipedestación 7.3. Trayectoria del proceso STS Nos hemos basado en el Trabajo Final de Grado Diseño de un sistema de bipedestación y sedestación [20]. Las fases 2 y 3 son las más inestables y donde más problemas pueden tener los usuarios. Por lo tanto, nuestro sistema tiene que realizar al menos una trayectoria que comprende desde la fase primera hasta el final de la tercera, lo que representa al menos un 40% de toda la transición STS. Para definir nuestra trayectoria hemos estudiado el movimiento que tiene que realizar la pelvis (figura 7.16). Podemos observar como el grado máximo de rotación de la pelvis es de aproximadamente 60º y ocurre cuando sólo hemos realizado el 35% de la transición. Además, vemos que el ángulo inicial es de unos 40º. Por lo tanto, podemos decir que nuestro sistema de bipedestación tendrá que rotar como máximo unos 20º. Figura 7.16: Trayectoria que realiza la pelvis en la transición de STS En la figura 7.17 (línea roja) podemos ver el ángulo de giro de las rodillas durante toda la transición. En la posición sedente están a casi 90º y va disminuyendo a medida que nos Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 39 levantamos, hasta alcanzar los 0º en la posición bípeda. Figura 7.17: Ángulo de giro de las rodillas 7.4. Selección del sistema de propulsión En este apartado nos centraremos en comparar los diferentes vehículos que nos pueden servir para el desplazamiento de la silla eléctrica, estudiados en el punto 3.2.4. Uno de los requisitos es el bajo coste, por lo tanto, nos interesa minimizar al máximo los costes de materiales y desarrollo. El coste de una silla de ruedas eléctrica convencional oscila entre los 950 € y los 3.000 €, comentado en el estado del arte (punto 3). En cambio, la silla eléctrica de bajo coste diseñada por Nexe Fundació, según su memoria [6], cuesta alrededor de unos 300 €. Podemos observar que disminuyen los costes considerablemente si se comparan con una silla eléctrica convencional. Para poder realizar un análisis más exhaustivo, desglosamos los componentes utilizados con sus respectivos precios según el diseño de Nexe Fundació. Los componentes que utilizan para el desplazamiento cuestan entorno los 170 €, y desglosado: ○ Dos ruedas motrices: 40 € ○ Dos ruedas directrices (ruedas locas): 30 € ○ Dos motores de 6 V y batería de 12 V: 40 € ○ Etapa de control (Controladora Shield para motores DC): 60 € Pág. 40 Memoria Seguidamente, realizaremos una tabla comparativa con las características fundamentales de los diferentes vehículos. Posteriormente, analizaremos la mejor solución entre escoger un vehículo o la silla de bajo coste diseñada por Nexe Fundació. Tabla 7.1: Tabla comparativa entre diferentes vehículos para el diseño de la silla [6] Vehículo Ruedas Motores Batería Cargas soportada máxima Precio Hoverboard Ruedas de 6,5'' o 10'' 2 motores de 350W Batería de 36V 4,4Ah 100kg - 120kg 200€ - 280€ Patinete eléctrico Ruedas de 10'' 1 motor de 24V 280W Batería de 24V 10Ah 100kg - 110kg 350€ - 800€ Self Balancing ball Rueda de 14” 1 motor de 500W Batería de 24V 10Ah 100kg-120 kg 500€ - 900€ Componentes por separado Ruedas de 10'' 50€ 2 motores de 24V 250W 80€ Batería 36V 4,4Ah 100€ - 230€ En la tabla 7.1 se analizan 3 vehículos diferentes, todos ellos capaces de encargarse del desplazamiento de la silla, y en la última fila vemos el análisis de comprar los componentes por separado. Si nos fijamos en el precio de todas las opciones, observamos como hay vehículos relativamente económicos de coste similar a comprar los componentes por separado. Por lo tanto, comprar los componentes necesarios por separado será una opción descartada. Para concluir, consideramos que la mejor opción para diseñar nuestra silla de bajo coste es integrando el hoverboard. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 41 7.5. Funcionamiento de un hoverboard Un hoverboard es un vehículo eléctrico con un funcionamiento sencillo: a medida que el usuario se inclina hacia delante o hacia atrás respecto de su eje de equilibrio, el hoverboard avanza o retrocede con una aceleración proporcional a la inclinación. Para girar basta con inclinar tan sólo uno de los pies, de manera que un lado acelera y el otro no, y eso genera el giro del vehículo. En la figura 7.18 se puede ver de una forma gráfica el funcionamiento de un hoverboard. Figura 7.18: Funcionamiento de un hoverboard Respecto al funcionamiento interno, el hoverboard está compuesto en su interior por dos giroscopios, uno en cada uno de los lados, una batería y una placa controladora. En el punto 9se explicará esto con más profundidad. Figura 7.19: Partes de un hoverboard Pág. 48 Memoria Figura 7.32: Zoom del dibujo de los actuadores Para conseguir que el respaldo realice el movimiento deseado y no se incline hacia atrás, se ha incluido en el diseño del respaldo una guía. En la posición sedente, el bastidor hace la función de tope, y a medida que el mecanismo se va levantando, la barra l5asegura la verticalidad del respaldo. Por lo tanto, en la posición más elevada, el ángulo ɸ tendrá su valor máximo, y en la posición sedente su valor mínimo. En la figura 7.33 se puede observar de manera ampliada dicho mecanismo: Figura 7.33: Zoom del dibujo del mecanismo del respaldo Con este mecanismo el asiento llega a formar un ángulo  de 46,4º (figura 7.33), poco menos de 50º. Los componentes que forman el diseño final del mecanismo de bipedestación y sedestación són los siguientes: Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 49 Figura 7.34: Vista explosionada del sistema de bipedestación. Tabla 7.2: Componentes del sistema de bipedestación Nº Pieza Descripción Cantidad 1 Asiento (barra l2) Componente donde el usuario se sienta. Está en contacto con los actuadores, y sostiene el movimiento del respaldo. En el producto final lleva adheridos elementos de confort para una mejor experiencia del usuario. 1 2 Respaldo (barra l4) Componente donde el usuario apoya la espalda. Está en contacto con el asiento mediante articulaciones y el componente nº 5, que se desliza en una guía. En el producto final lleva adheridos elementos de confort para una mejor experiencia del usuario. 1 3 Reposapiés (barra l1) Componente donde el usuario apoya los pies. Está compuesto a su vez por 4 piezas: dos chapas de soporte y dos nervios que las unen. 1 4 Mecanismo respaldo (barra l5) Componente donde el usuario reposa los brazos en el momento de sedestación y en la transición STS sirven para no perder el equilibrio. Además, acompañan al respaldo en la transición STS. 2 Pág. 50 Memoria 6 Bastidor Encargada de unir el mecanismo de bipedestación con el mecanismo de propulsión. También hace de tope en la posición sedente. 1 7 Actuador (barra l3) Componente encargado de realizar el movimiento de bipedestación, este va unido al asiento y al bastidor. El actuador escogido es del fabricante TiMOTION, modelo MA2 código G. 2 8 Pulsador Componente encargado de activar el movimiento de bipedestación o sedestación. 1 9 Rotulas Componente encargado de permitir la rotación de varios cuerpos entre sí, pero no el desplazamiento. 6 10 Batería Componente que suministra energía al sistema de bipedestación. Está conectado en paralelo con la batería del hoverboard. 1 En el punto 8.2, están detalladas las uniones de los componentes y el catálogo de cada uno de los componentes escogidos para su construcción. 7.7.2. Diseño del sistema de propulsión El hoverboard es el sistema de propulsión escogido para el desplazamiento de la silla. De los dos modelos comentados en el apartado 7.6.2, se ha decidido optar por la opción 2, figura 7.35. Es fácilmente integrable en su totalidad y el coste de desarrollo es nulo. Figura 7.35: Modelo escogido para el mecanismo de propulsión El hoverboard irá fijado a la silla mediante un bastidor, que hemos diseñado con SolidWorks. El primer bastidor diseñado se puede observar en la figura 7.36: Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 51 Figura 7.36: Esquema del primer bastidor diseñado En la recta l2irá fijado el reposapiés y l3será el tope del asiento en la posición sedente. Ahí se añadirán dos topes de goma para amortiguar los golpes de la silla. Vemos que l1 será la encargada de transmitir el movimiento del hoverboard a la silla, a través de una barra unida a dos rótulas para garantizar el giro. Se han diseñado los soportes para estas rótulas, que van unidos mediante tornillos directamente al hoverboard. Este mecanismo de transmisión lo podemos ver en la figura 7.37. Figura 7.37: Dibujo de en SolidWorks de la transmisión del movimiento hoverboard-silla A este mecanismo se le tienen que añadir las palancas que realizan el movimiento de desplazamiento. El hoverboard funciona con el peso del usuario y las palancas serán las encargadas de transmitir el peso al hoverboard para hacerlo avanzar, girar o retroceder. Para el movimiento de la silla se añaden además dos ruedas locas en la parte delantera. La selección de este elemento dependerá del tamaño de las ruedas del hoverboard y del precio. El bastidor ha de quedar en posición horizontal, por lo tanto la distancia al suelo desde la Pág. 52 Memoria unión bastidor-hoverboard y bastidor-ruedas locas deberá ser lo más similar posible. Sabiendo que la distancia del suelo a la unión bastidor-hoverboard es de 14,4 cm (figura 7.39), buscamos unas ruedas cuya distancia del suelo a la unión bastidor-rueda se acerque lo máximo a este número, pero no sea superior. Se han escogido unas que provocan una distancia desde la unión bastidor-rueda al suelo de 13,4 cm (figura 7.38). El material de la rueda es de acero y tienen un cojinete de bolas dobles para un giro más suave. Figura 7.38: Altura suelo hasta bastidor-rueda Figura 7.39: Altura suelo hasta bastidor-hoverboard Estas ruedas disponen de frenos, que actuarán también como frenos para la silla. El bloqueo total permitirá tanto frenan la rueda como bloquean el giro con una sola presión del pedal. Figura 7.40: Rueda con frenos escogida para nuestro sistema de propulsión En la figura 7.41 veremos la unión de las palancas con el hoverboard: Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 53 Figura 7.41: Dibujo en SolidWorks de las palancas de desplazamiento Finalmente, el bastidor utilizado para nuestro mecanismo de propulsión ha sido ligeramente modificado. Al realizar la simulación del movimiento de bipedestación el respaldo de la silla podía llegar a inclinarse demasiado, por eso hemos puesto un tope para que no deje realizar el movimiento de inclinación. En las figuras 7.42 y7.43 podemos ver el bastidor con el tope (línea roja) y el diseño completo con el sistema de propulsión, respectivamente. Figura 7.42: Dibujo en SolidWorks del la bastidor final Pág. 54 Memoria Figura 7.43: Dibujo en SolidWorks del mecanismo de propulsión definitivo Los componentes del diseño final del sistema de propulsión son los siguientes: Figura 7.44: Vista explosionada del sistema de propulsión Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 55 Tabla 7.3: Componentes del sistema de propulsión Nº Pieza Descripción Cantidad 1 Bastidor Encargada de unir el sistema de bipedestación con el sistema de propulsión. También hace de tope en la posición sedente. 1 2 Ruedas locas Componente encargado de dar más estabilidad a la silla, además de contener los frenos para que en transición STS la silla no se mueva. 2 3 Palanca de desplazamiento Componentes encargados de transmitir las órdenes del usuario al hoverboard. 2 4 Hoverboard Mecanismo de desplazamiento escogido. Se le ha añadido unas placas de acero para aumentar la resistencia y poder aguantar el bastidor. 1 5 Barra de transmisión Componente encargado de transmitir el movimiento del hoverboard a la silla. 1 6 Gomas de tope Elementos encargados de amortiguar los golpes de la silla al volver a la posición sedente 2 Las uniones necesarias, la barra de transmisión del movimiento y las palancas de desplazamiento se explicarán con detalle en el punto 8.2. 7.8. Cinemática del sistema Para poder escoger el actuador hacemos un estudio de la cinemática del sistema. Estudiaremos el ángulo ideal de rotación de la pelvis en el movimiento de bipedestación y el tiempo medio necesario para realizar la elevación de la silla. Para ello nos basamos en el estudio previo realizado en el punto 7.3, donde se muestra la trayectoria ideal del movimiento de bipedestación. Nuestro objetivo es realizar la primera parte del proceso de bipedestación, hasta la fase II incluida. En la figura 7.45, podemos observar el movimiento de la pelvis realizado hasta el punto crítico, donde el punto crítico es el ángulo máximo de rotación de la pelvis en la fase más inestable de la transición. Pág. 56 Memoria Figura 7.45: Ángulo de movimiento de la pelvis hasta punto crítico La carrera del actuador la encontramos mediante la herramienta SolidWorks, con el recorrido que realiza durante la transición. El tiempo de transición se obtiene del estudio biomecánico, bajo la hipótesis de que nuestro mecanismo realizará el movimiento más despacio de lo que una persona media suele hacer sin ayudas. Necesitamos encontrar la velocidad del actuador lineal y para ello sabemos que: - Ángulo de rotación de la pelvis: 𝛂 = 20º (figura 7.45) - Carrera del actuador: st= 300 mm, aproximadamente - Tiempo de la transición STS: tt= 10 s 𝑉𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑠𝑡𝑡 =30 𝑚𝑚/𝑠 El actuador que necesitamos puede ser irreversible bajo carga, ya que se requiere que sostenga la carga aplicada aún estando en pausa, sin variar la posición cuando el motor está parado (posición bípeda). Una alternativa a esta opción es un actuador reversible con freno, de manera que éste evite que el actuador varíe la posición con el motor parado. Nuestra elección ha sido el actuador MA2 código G, del fabricante TiMOTION, del tipo reversible con freno, el cual se caracteriza por cumplir el tiempo, fuerza y velocidad necesaria. Las características del actuador con las siguientes: - Carrera del actuador: sa= 800 mm > st - Tiempo de transición STS: ta= 12 s Obteniendo una velocidad del actuador de: Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 57 𝑉𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑠𝑡𝑠 = 26 𝑚𝑚/𝑠 Para controlar este actuador, al ser de CC, sólo será necesaria una fuente de alimentación (batería) y un interruptor de doble polo y doble tiro (DPDT). Este tipo de interruptores consta de dos interruptores separados que operan al mismo tiempo, cada uno con un contacto normalmente abierto y normalmente cerrado a través de un conector común. Figuras 7.46 y 7.47: Esquema de un interruptor DPDT El interruptor DPDT tiene las posiciones en serie y en paralelo. Un ejemplo de esto es un interruptor de mini palanca o un conmutador mediante un pulsador o control de tracción. 7.9. Dimensionamiento de los componentes 7.9.1. Material de los componentes Para seleccionar el material de los componentes se puede consultar el procedimiento en el anexo E. A continuación detallaremos el material escogido para cada componente. Tabla 7.4: Tabla resumen de los componentes con el material escogido y sus características Material Características Componentes Acero A36 Densidad: 7850 kg/m3 Límite elástico: 250 MPa Módulo de elasticidad: 200 GPa Coeficiente de poisson: 0,26 Asiento Respaldo Reposapiés Soportes actuador Plancas de desplazamiento Pág. 64 Memoria Figura 7.55: Gráfico del desplazamiento del actuador lineal Se desplaza un máximo de 337,170 mm (figura 7.53) con una velocidad constante de 26 mm/s. Como la velocidad del actuador no es elevada podemos negligir la aceleración inicial y final. Al inicio de la transición se observa cómo el desplazamiento es nulo hasta que el actuador logra la potencia necesaria para iniciar el movimiento. También, podemos observar como el desplazamiento máximo, 337,170 mm, es menor que la carrera del actuador lineal escogido, 800 mm. Por otro lado, también podemos obtener el ángulo de giro del asiento con respecto al bastidor ( en la figura 7.33) , obteniendo la siguiente la figura 7.56: Figura 7.56: Ángulo de giro del mecanismo de bipedestación Vemos que el ángulo máximo de inclinación es de 46.4º, por lo que no llega a la posición Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 65 bípeda, pero supera el punto crítico de inclinación de la fase más inestable (los 20º). Por lo tanto, pese a que no conseguimos que el usuario llegue hasta el final de la posición bípeda, sí que logramos que supere la fase más inestable de la transición STS/BTS. Resultados del análisis estático Para la realización del análisis estático de los componentes se utiliza el módulo Static Structural de Ansys Workbench. El objetivo de este análisis es dimensionar los componentes del mecanismo de bipedestación y de propulsión para sus solicitaciones máximas. A continuación, se observarán los resultado del análisis de los siguientes componentes dimensionados arbitrariamente: Pág. 66 Memoria Asiento Figura 7.57: Mallado modificado del asiento Para obtener este resultado hemos refinado las partes más débiles del asiento, como las zonas curvadas y las partes de unión con el asiento y respaldo. También hemos disminuido el tamaño de los elementos a 10mm. Finalmente, hemos obtenido una calidad media de elemento del 0.76, para ello se han empleado un total de 57.422 nodos y 32.971 elementos. Con una buena calidad del mallado podemos proceder a definir las condiciones de contorno, que en el caso del asiento son el peso del usuario y la bancada. Figura 7.58: Condiciones de contorno aplicadas al asiento para el instante inicial (carga máxima) Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 67 La solicitud máxima del asiento es en el instante inicial. Aplicaremos una fuerza sobre la superficie superior del asiento del peso del usuario, situada en la parte trasera, y la bancada será definida por el soporte del actuador y el reposapiés. Consideramos que el asiento es una superficie rígida, y obtendremos los siguientes resultados del análisis estático: Tabla 7.7: Resultados obtenidos del análisis estático del asiento Resultados Factor de seguridad Observaciones Deformación (Ɛ): Ɛmax = 7,07·10-5 mm Tensión de Von Mises (σ): σeq = 14,14 MPa ɣse >> 2,5 Con los resultados obtenidos podemos optimizar el espesor. Figura 7.59: Resultados obtenidos en el análisis estático del asiento con grosor 10 mm Para poder optimizar las dimensiones del asiento solo podemos variar el grosor, ya que las demás dimensiones vienen dadas por las medidas antropométricas (punto 7.1). Se realiza una comparación entre diferentes grosores y obtenemos los siguientes resultados: Pág. 68 Memoria Tabla 7.8: Comparación de resultados según el grosor del asiento Grosor Deformación Tensión equivalente de Von Mises [mm] [mm] [MPa] 10 7,07·10-5 14,14 5 3,90·10-4 78,27 2 1,75·10-3 350,16 En los resultados de la tabla 7.8 podemos ver como la deformación del asiento es mínima, en cambio la tensión de Von Mises sí que varía en función del grosor. Por lo tanto, nuestra elección final para optimizar el asiento es el grosor de 5 mm. A continuación se adjuntan diferentes figuras sacadas del análisis estático del asiento con el grosor final escogido: Figura 7.60: Tensión equivalente del asiento en la superficie superior por el criterio de Von Mises. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 69 Figura 7.61: Tensión equivalente del asiento en la superficie inferior por el criterio de Von Mises. Observamos que las tensiones máximas ocurren en los laterales, que son los elementos de soporte. En cambio, la deformación máxima está en el punto inicial de la aplicación del peso del usuario. Bastidor Para poder hacer un buen dimensionamiento del bastidor seguiremos el mismo mecanismo que para el asiento. Empezaremos por el mallado y acabaremos comparando diferentes grosores para optimizar el diseño. Figura 7.62: Mallado modificado del bastidor Pág. 70 Memoria Con el mallado automático de Ansys, vemos las zonas más débiles del bastidor. Por lo tanto, se refinan dichas zonas para obtener una buena calidad media de los elementos finitos, además se disminuye el tamaño de los elementos a 20 mm. Finalmente, obtenemos una calidad media de elemento del 0.67, para ello se han empleado un total de 23.883 nodos y 13.163 elementos. Las cargas máximas en el bastidor son dadas cuando el usuario está sentado en la silla. Las condiciones de contorno en el bastidor con cargas máximas son la bancada y las fuerzas que se transmiten a través del asiento. Figura 7.63: Condiciones de contorno aplicadas al bastidor para la carga máxima La solicitud máxima del asiento es en el instante inicial. Aplicamos una fuerza sobre la superficie superior de la bancada, el peso del usuario que se transmite del asiento y la bancada será definida por la parte inferior del bastidor. Consideramos que el bastidor es una superficie rígida, y obtendremos los siguientes resultados del análisis estático: Tabla 7.9: Resultados obtenidos del análisis estático del bastidor Resultados Factor de seguridad Observaciones Deformación (Ɛ): Ɛmax = 1,72·10-5 mm Tensión de Von Mises (σ): σeq = 1,02 MPa ɣse >> 2,5 Con los resultados obtenidos podemos optimizar el espesor. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 71 Figura 7.64: Resultados obtenidos en el análisis estático del bastidor con grosor 40 mm Para poder optimizar las dimensiones del bastidor solo podemos variar el grosor, ya que las demás dimensiones vienen dadas por las medidas de la silla. Se realiza una comparación entre diferentes grosores y obtenemos los siguientes resultados: Tabla 7.10: Comparación de resultados según el grosor del bastidor Grosor Deformación Tensión equivalente de Von Mises [mm] [mm] [MPa] 20 2,85·10-5 2,02 30 2,23·10-5 1,34 40 1,72·10-5 1,02 En los resultados de la tabla 7.10 podemos ver como la deformación del bastidor es mínima, en cambio la tensión de Von Mises sí que varía en función del grosor. Por lo tanto, nuestra elección final para optimizar el bastidor es el grosor de 30 mm. A continuación se adjuntan diferentes figuras sacadas del análisis estático del bastidor con el grosor final escogido: Pág. 72 Memoria Figura 7.65: Tensión equivalente del bastidor por el criterio de Von Mises Figura 7.66: Deformación equivalente del bastidor por el criterio de Von Mises Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 73 Palancas de desplazamiento Figura 7.67: Mallado modificado de la palanca de desplazamiento Para conseguir este mallado hemos refinado las zonas débiles, como las zonas curvadas y el punto de unión de la palanca-hoverboard. También hemos disminuido el tamaño de los elementos a 15mm. Finalmente, hemos obtenido una calidad media de elemento del 0.65, para ello se han empleado un total de 17.395 nodos y 7.975 elementos. A continuación, definiremos las condiciones de contorno de la palanca de desplazamiento, la bancada será el punto de unión de la palanca-hoverboard y añadiremos una fuerza ejercida por el usuario sobre la parte superior de la palanca (figura 7.66). Figura 7.68: Condiciones de contorno aplicadas a la palanca para la carga máxima Pág. 80 Memoria 8. CONSTRUCCIÓN 8.1. Componentes de catálogo A partir de los cálculos realizados en los puntos anteriores se buscan los componentes más adecuados para nuestra silla eléctrica bipedestadora. Los componentes necesarios para nuestro mecanismo los separaremos en dos partes, la primera para el sistema de bipedestación y la segunda para el sistema de propulsión. Las características de cada componente las encontramos en el anexo G. 8.1.1. Componentes del sistema de bipedestación Los componentes necesarios para la construcción del sistema de bipedestación muestran en la tabla siguiente: Tabla 8.1: Características de los componentes del sistema de bipedestación Componente Características Fabricante Referencia Actuador lineal Velocidad mínima: 21,8 mm/s Velocidad máxima: 25,5 mm/s Carga máxima: 2000 N Carrera máxima: 800 mm TiMOTION MA2-Código G Batería Tensión nominal: 24 V Capacidad de la batería: 12 Ah Peso: 1.8 kg Medidas: 270 x 68 x 40 mm Ciclos de vida: + 1000 veces Cargador incorporado OKOMAN 7S4P12AHDJ Pulsador Interruptor manual Diámetro: 16 mm Voltaje máximo: 30V CC o 250V CA McMASTER-CARR 6886K36 Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 81 Cinturón de seguridad Cinturón abdominal ajustable de seguridad para el usuario Gar Medical 0001 Rodamiento Junta giratoria ligera Diámetro exterior: 14mm Diámetro interior: 4,7mm McMASTER-CARR 1071K11 Pasador rodamiento Pasador de horquilla de acero al carbono Diámetro: 4,78mm Longitud: 12,7mm McMASTER-CARR 98306A100 Pasador de chaveta Pasadores de chaveta de acero al carbono Diámetro: 2,38mm Longitud: 19,05mm McMASTER-CARR 90520A103 Guia Rodillo de cadena y riel de guía de acero con topes finales Longitud: 152,4 mm McMASTER-CARR 60135K71 60135K13 60135K12 Pasador actuador Pasador de horquilla de precisión de acero inoxidable Diámetro: 6,35mm Longitud: 33,3mm McMASTER-CARR 91960A135 Unión reposapiés Soporte de esquina de acero galvanizado Dimensiones: 155x73x79mm McMASTER-CARR 15655A28 Pág. 82 Memoria Tornillos Tornillo de cabeza hexagonal de acero de resistencia media clase 8.8 Rosca M3x0,5mm y 6mm de largo McMASTER-CARR 91280A039 Tornillos Tornillo de cabeza hexagonal de acero de grado 8 Rosca M8x1mm y 25,4mm de largo McMASTER-CARR 91268A518 Gomas tope Plancha de goma de alta resistencia Tamaño 150x150mm McMASTER-CARR 1290N11 8.1.2. Componentes del sistema de propulsión Los componentes necesarios para la construcción del sistema de propulsión se muestran en la tabla siguiente: Tabla 8.2: Características de los componentes del sistema de propulsión Componente Características Fabricante Referencia Hoverboard Dimensiones [cm]: 67,4x27,2x27 Peso: 12.09 Kg Velocidad máxima: 10-12 km/h Autonomía: 10 Km Woxter SG27-024 Ruedas locas Ruedas locas con frenos Altura: 133,35 mm Diámetro ruedas: 85,725 mm McMASTER-CARR 2426T62 Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 83 Tornillos Tornillo de cabeza hexagonal de acero de grado 8 Rosca M8x1mm y 25,4mm de largo McMASTER-CARR 91268A518 Tornillos Tornillo de cabeza hexagonal de acero de resistencia media clase 8.8 Rosca M3x0,5mm y 6mm de largo McMASTER-CARR 91280A039 Rótulas Articulación de rótula de acero al carbono con zinc, con protección de caucho de neopreno. Rosca de M8 × 1.25 mm por ambos lados Ángulo de apertura 35º McMASTER-CARR 6058K821 Barra Barra de acero al carbono Rosca de M8 x 1.25 mm y 14 mm de largo McMASTER-CARR 6516K228 8.2. Componentes dimensionados 8.2.1. Componentes del sistema de bipedestación Los componentes diseñados necesarios para completar la construcción del sistema de bipedestación se muestran en la tabla siguiente: Pág. 84 Memoria Tabla 8.3: Características de los componentes del sistema de bipedestación Componente Características Fabricación Bastidor Estructura de aluminio donde se sostiene el mecanismo de bipedestación, y que sirve de unión con el sistema de propulsión. Al ser de aluminio, se unirán las 4 piezas mediante tornillos. Asiento Chapa donde va sentado el usuario. En reposo se apoya sobre el bastidor. Se trata de chapa de acero cortada y doblada en los lugares necesarios. Tiene una fácil adaptación para la producción en serie. Respaldo Chapa donde se apoya la espalda del usuario, que contiene las guías que controlan el movimiento. Se trata de chapa de acero cortada y doblada en los lugares necesarios. Tiene una fácil adaptación para la producción en serie. Reposapiés: contrahuella Chapa atornillada al bastidor que sirve de unión con el reposapiés horizontal. Se trata de chapa de acero cortada y doblada en los lugares necesarios. Tiene una fácil adaptación para la producción en serie. Reposapiés: huella Chapa donde el usuario apoya los pies en posición sedente y donde se apoya la gran parte del peso en la posición bípeda. Se trata de chapa de acero cortada. Tiene una fácil adaptación para la producción en serie. Unión actuador-asiento Articulación que une la parte superior del actuador con la chapa del asiento. Incluye una pieza principal, un pasador, y un pasador partido. La pieza principal tiene fácil fabricación mediante moldeo. Los pasadores tienen fácil fabricación en serie con torno de CN. Unión actuador-bastidor Articulación que une la parte inferior del actuador con la estructura-bastidor. Incluye una pieza principal, un pasador, y un pasador partido. La pieza principal tiene fácil fabricación mediante moldeo. Los pasadores tienen fácil fabricación en serie con torno de CN. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 85 8.2.2. Componentes del sistema de propulsión Los componentes dimensionados necesarios para completar la construcción del sistema de propulsión se muestran en la tabla siguiente: Tabla 8.4: Características de los componentes del sistema de propulsión Componente Características Fabricación Palancas Barras con las que el usuario desplaza y direcciona la silla. Tubo de acero soldado, en caso de producción en serie tiene fácil adaptación Soporte rótulas Soporte que une las rótulas de la barra de transmisión con el hoverboard. Macho de rosca de M8x1.25 Soporte de acero, tubo con macho de rosca soldado a la plancha que contiene los 4 agujeros para los tornillos 8.3. Instrucciones de montaje En este proyecto hay dos partes diferenciadas, el sistema de bipedestación y el sistema de propulsión. En este apartado se explicarán con detalle las instrucciones para construir cada sistema y el conjunto. 8.3.1. Sistema de bipedestación Para construir el sistema de bipedestación habrá que unir los diferentes elementos. Partiremos montando el bastidor, formado por 4 piezas de aluminio. Utilizaremos 8 soportes de esquina y tornillos como método de unión de las piezas entre sí, ya que el aluminio no tiene buena soldabilidad. Pág. 86 Memoria Figura 8.1: Explosionado del montaje del bastidor Una vez montado el bastidor será el encargado de sostener el sistema de bipedestación y lo unirá con el sistema de propulsión. A ésta se le unirán primero los dos actuadores TiMOTION mediante dos articulaciones correspondientes, explicadas a continuación. Estas articulaciones irán unidas al bastidor con cuatro tornillos de cabeza hexagonal clase 8.8 de McMaster-Carr. Figura 8.2: Unión de los actuadores con la bastidor Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 87 Figuras 8.3 y 8.4: Articulación de unión bastidor-actuador en vista explosionada y montada Al bastidor se le unirá también el reposapiés contrahuella, atornillado también,con los mismos tornillos de cabeza hexagonal clase 8.8 de McMaster-Carr. A éste se le añade el asiento mediante dos articulaciones (figura 8.6), uno a cada lado. Figura 8.5: Bastidor con el reposapiés acoplado y zoom de la unión con los tornillos Figura 8.6: Unión asiento - reposapiés contrahuella Pág. 88 Memoria Al bastidor se le deben añadir unas gomas de amortiguación para evitar el choque y consecuente desgaste con el asiento. Así, sólo cuando el usuario haga uso de la función de bipedestación hará falta que el pistón realice esfuerzo. Al asiento se deben fijar también los dos actuadores, mediante articulaciones unidas también con los tornillos de cabeza hexagonal clase 8.8 de McMaster-Carr. Figura 8.7: Unión de los actuadores con el asiento Figuras 8.8 y 8.9: Articulación de unión asiento-actuador en vista explosionada y montada También, al asiento se le deberán añadir también las barras guía (l5), que se unen por un extremo con el asiento y por el otro al respaldo. Este sistema sostendrá el respaldo erguido y evitará la caída del usuario hacia atrás, además de mantener la postura erguida. Se trata de dos barras que se mueven de la misma manera y están unidas al asiento mediante una articulación y al respaldo mediante una guía (figura 8.9). Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 89 Figura 8.10: Unión de l5con asiento y respaldo Figura 8.11: Vista lateral del mecanismo de bipedestación En el plano de la silla el pistón es el elemento l3, que está unido en un extremo al bastidor (punto fijo) y al asiento en el otro (punto móvil). El elemento l1está unido al bastidor, de manera que queda fijo. El asiento se sitúa sobre l2, y el respaldo sobre l4. Sobre estos dos elementos se disponen elementos para el confort del usuario, ya que se quiere que la silla sea cómoda y ergonómica. Es importante que estos elementos sean también antideslizantes, ya que si no se corre el riesgo de que el usuario se escurra de la silla en el proceso de bipedestación. La barra l1sujeta el reposapiés, que también estará forrado de material antideslizante para mayor seguridad del usuario. La distancia al suelo en posición bípeda es de 13,4 Pág. 96 Memoria 10. PRESUPUESTO En este apartado se mostrará un presupuesto del coste total para la construcción de un prototipo de la silla bipedestadora. 10.1. Presupuesto del sistema de bipedestación El sistema de bipedestación es el que requerirá más elementos, la mayoría de los cuales es a medida. Varios elementos se repiten dos veces, ya que la silla es simétrica respecto la vista lateral y tiene un actuador a cada lado para mayor estabilidad. Tabla 10.1: Tabla resumen presupuesto del sistema de bipedestación Componente Cantidad Precio unidad Precio total [unidades] [€/unidad] [€] Pistón eléctrico TiMotion de 220V 2 29,26 € 58,52 € Unión actuador-bastidor 2 3,74 € 7,48 € Unión actuador-asiento 2 6,63 € 13,26 € Pasador D6,35mm x L33,3mm 4 6,83 € 27,32 € Pasadores de chaveta D2,38mm x L19,05mm 100 - 6,06 € Asiento (barra l2) 1 60,83 € 60,83 € Reposapiés contrahuella (barra l1) 1 28,84 € 28,84 € Reposapiés huella 1 12,55 € 12,55 € Respaldo (barra l4) 1 29,94 € 29,94 € Barras guía (barra l5) 2 3,66 € 7,32 € Guías 2 51,91 € 103,82 € Articulaciones 6 4,26 € 25,56 € Pasador D4,78mm x L12,7mm 25 - 6,95 € Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 97 Cinturón de seguridad 1 14,90 € 14,90 € Pulsador de funcionamiento 1 17,60 € 17,60 € Batería 1 138,07 € 138,07 € Tornillos Clase 8.8 M3x0,5mm 100 - 8,00 € Unión reposapiés 2 14,09 € 28,18 € Plancha goma tope 1 8,75 € 8,75 € TOTAL MECANISMO DE BIPEDESTACIÓN 603,95 € 10.2. Presupuesto del sistema de propulsión Para el sistema de propulsión necesitaremos los componentes listados a continuación: Tabla 10.2: Tabla resumen presupuesto del sistema de propulsión Componente Cantidad Precio unitario Precio total [unidades] [€/unidad] [€] Hoverboard Smart Gyro X2 UL 1 169,00 € 169,00 € Ruedas locas con frenos 2 37,21 € 74,42 € Tornillos Clase 8 M8x1mm 20 - 16,32 € Bastidor 1 153,16 € 153,16 € Palancas desplazamiento 2 40,72 € 81,44 € Barra de transmisión 1 9,45 € 9,45 € Soportes unión hoverboard-rótula 2 0,75 € 1,5 € Rótulas transmisión 2 6,49 € 12,98 € TOTAL MECANISMO DE PROPULSIÓN 510,11 € Pág. 98 Memoria 10.3. Presupuesto total Para calcular el presupuesto total deberemos contar también con otros elementos, que no se pueden contabilizar en la silla. Tabla 10.3: Tabla resumen presupuesto final Componente Cantidad Precio unitario Precio total [unidades] [€/unidad] [€] Trabajo Ingeniería 336 h 30,00 € 10.080,00 € Espacio coworking 7 meses 100,00 € 700,00 € Ordenador 2 1.000,00 € 2.000,00 € SolidWorks: Licencia investigación 7 meses 416,67 € 2.916,67 € Mecanismo de bipedestación 1 603,95 € 603,95 € Mecanismo de propulsión 1 510,11 € 510,11 € TOTAL SILLA 16.810,73 € Se observa como el coste final de la silla, debido a los costes de ingeniería, incrementa considerablemente. En una producción en serie el precio unitario de la silla disminuiría considerablemente, ya que los costes de ingeniería se repartirán entre las unidades producidas. Sólo con sus componentes el coste de la silla sería aproximadamente de 1.114,06 €. En eso se basa la economía de escala: a mayor volumen, el coste de producción de cada pieza se reduce. Consideramos que el precio será menor al de las sillas bipedestadoras que actualmente podemos encontrar en el mercado, que superan los 3.000 €. Diseño mecánico de una silla de ruedas motorizada con bipedestación Pág. 99 11. IMPACTO AMBIENTAL Para poder desarrollar nuestro proyecto se contemplan cuatro fases: la fase de fabricación, la fase de construcción, la fase de funcionamiento y la fase final del desecho. En este apartado explicaremos qué impacto medioambiental hay en cada una de estas fases. Fase de fabricación Para estudiar qué impacto hay en la fase de fabricación hemos de saber cómo afecta el material más usado, el acero estructural A3 a nuestro entorno. Durante su fabricación se producen grandes cantidades de aguas servidas y emisiones atmosféricas. Si no se maneja adecuadamente, puede llegar a causar mucha degradación de la tierra, del agua y del aire. También se debe incluir el impacto del consumo de energía utilizado para la formación de las piezas hechas a medida: las diferentes piezas que forman el bastidor son fabricados por moldeo, un método con elevados gastos energéticos ya que el aluminio tiene un punto de fusión de 660,3 ºC. Las chapas de acero, por otro lado, también consumen altas cantidades de energía durante su fabricación ya que el acero tiene una temperatura de fusión elevada, entre 1480 - 1526 ºC. Estos gastos energéticos influyen negativamente en el medio ambiente, además del gasto económico que conllevan. En el impacto medioambiental no se debe olvidar contar con las piezas compradas por internet: la compra online también tiene efectos negativos para nuestro planeta, ya que conlleva envíos, la mayoría en barco o en avión, que suponen un efecto negativo para el medio ambiente debido a las emisiones de CO2. Fase de construcción Durante la construcción de nuestro proyecto no se generan residuos, únicamente virutas de acero estructural. Como el acero es el material con un reciclaje más completo, no supondrá ningún problema. Fase de funcionamiento Con respecto al funcionamiento de la silla, esta funciona a través de energía eléctrica, y durante su ciclo de vida no necesitará de un mantenimiento. Por lo tanto, podemos decir que en esta fase tampoco hay ningún impacto sobre el medio ambiente más allá del gasto energético acumulado a lo largo de todas sus cargas durante su ciclo de vida. Pág. 100 Memoria Fase final de deshecho Al final del ciclo de vida de la silla se separan las componentes según el material y según si son reciclables o reutilizables. Trabajo de Final de Grado Pàg. 101 CONCLUSIONES Este proyecto consiste en la realización tanto de un diseño mecánico como un análisis cinemático de una silla de ruedas motorizada de bajo coste con la función de bipedestación. Está enfocado a aquellas personas que pueden mantenerse de pie pero les cuesta realizar la transición de bípedo a sedente y viceversa, sin la ayuda de un tercero. Se ha proyectado un sistema con todos los componentes estructurales, mecánicos, eléctricos y electrónicos necesarios para su correcta construcción y funcionamiento. Se ha logrado la asistencia hasta la fase II de bipedestación, la más complicada de la transición. Esto supone una gran ayuda para el usuario, y le da una gran utilidad al sistema proyectado. Pese a ello, no hemos conseguido cumplir el objetivo de llegar a la completa bipedestación del usuario. Por esta razón, se propone la mejora de esta silla hasta lograr un mayor ángulo de incorporación como una futura ampliación del proyecto. Se han añadido elementos de seguridad y confort enfocados a nuestro público objetivo, las Personas con Movilidad Reducida. Por lo tanto, cumplimos con el requisito de la seguridad del usuario. Además, se ha conseguido un sistema de propulsión integrando un hoverboard, por lo tanto también hemos conseguido integrar nuestro diseño de bipedestación en un sistema electrónico precedente aprovechando los máximos componentes y con el mínimo coste. Como ampliación de nuestro diseño de desplazamiento, además de aumentar el ángulo de incorporación, se puede optimizar la autonomía de dicho sistema, ya que nuestro sistema está diseñado para una silla doméstica de uso en interiores, y no permite realizar grandes desplazamientos en exteriores. También nos gustaría futuramente conseguir realizar la trayectoria STS ideal, ya que a pesar de que esta silla se acerca mucho, no logra conseguirlo a la perfección. Otra mejora posible que se ha contemplado durante el diseño es la incorporación de frenos que se puedan activar por el usuario, en lugar de por el acompañante, para maximizar la independencia que aporta esta silla. Por último, para mejorar el confort del usuario, para próximos prototipos se propone añadir reposabrazos, e incorporar los mandos a ellos. En un futuro modelo, se podrían añadir alarmas de socorro a la silla en el caso de que el usuario tuviera una caída o un accidente. Pág. 102 Memoria BIBLIOGRAFÍA [1] eldiario.es,100.000 personas con movilidad reducida en España no salen nunca de casa por no tener ascensor o ayuda [En línea], Available: https://www.eldiario.es/sociedad/personas-espana-salen-tener-ascensor_1_1509106.html [2] tododisca.com,Beneficios de la bipedestación en silla de ruedas [En línea], Available: https://www.tododisca.com/beneficios-bipedestacion-silla-de-ruedas/ [3] Action® Vertic,Catálogo de la silla, Available: https://www.sci-geriatria.com/nueva-web/wp-content/uploads/2013/03/Catalogo_silla_rued as_ActionVertic.pdf [4] SME Karma,Catálogo de la silla, Available: https://www.karmamedical.com/es/featured_item/sme/ [5] Permobil F5 Corpus VS,Catálogo de la silla, Available: https://www.permobil.com/es-es/nuestras-marcas-de-productos [6] Adrián Mora Sardiña,Diseño y construcción de una silla de ruedas eléctrica de bajo coste, Publicación (Mayo 2021) [7] ortopedia-sani.com,Cojines / Cojín Elevador hidraulico [En línea], Available: http://ortopedia-sani.com/ficha_articulo.php/cojin-elevador-hidraulico?id_articulo=82#.YZ-53sZ OM8 [8] ortopediaencasa.com,Cojín Elevador Eléctrico [En línea], Available: https://ortopediaencasa.com/cojin-elevador-electrico-uplift-carex-2887.html [9] UNE - Normalización española, Available: https://www.une.org/encuentra-tu-norma/busca-tu-norma Trabajo de Final de Grado Pàg. 103 [10] Instituto Nacional de Estadística,Discapacidad (tasas, esperanzas de vida en salud), Available: https://www.ine.es/ss/Satellite?L=es_ES&c=INESeccion_C&cid=1259926668516&p=1257 35110672&pagename=ProductosYServicios%2FPYSLayout¶m1=PYSDetalle¶m3=2 59924822888 [11] Dra. Alicia Alonso Becerra,BIOMECÁNICA, Available: https://www.researchgate.net/publication/312503494_BIOMECANICA [12] Jotker Hardy,Sedente a bípedo (Sit-To-Stand), Available: https://prezi.com/klb6mzsyxq7-/sedente-a-bipedo/ [13] School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Nondestructive Estimation of Muscle Contributions to STS Training with Different Loadings Based on Wearable Sensor System, Available: https://www.researchgate.net/publication/324089375_Nondestructive_Estimation_of_Mus cle_Contributions_to_STS_Training_with_Different_Loadings_Based_on_Wearable_Sens or_System [14] Wiebren Zijlstra,Coordination of Strength Exertion During the Chair-Rise Movement in Very Old People, Available: https://www.researchgate.net/figure/Force-time-course-during-sit-to-stand-transfer-without -using-armrest_fig1_6242895 [15] -,Consideraciones biomecánicas en una silla de ruedas manual, [En línea], Available: http://www.imagina.org/files/biomecanica_de_una_silla_de_ruedas.pdf [16] Nadia Luna,Una silla para ponerse de pie, Publicación (Agosto 2016), [En línea], Available: https://www.unsam.edu.ar/tss/una-silla-para-ponerse-de-pie/ [17] Raquel Julián Ortín,Diseño de un sistema de asistencia a la bipedestación y la sedestación, Publicación (Abril 2021) Pág. 104 Memoria [18] Jhonny Israel Barbero Palacios y Luis Alexis Ortega Bustamante,Diseño y construcción de una silla bipedestadora para personas con movilidad restringida grado IV en las extremidades inferiores con una capacidad de carga de 100 kg, Publicación (Diciembre 2015) https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/11394/3/UPS-KT01207.pdf Trabajo de Final de Grado Pàg. 105 ANEXOS Anexo A: SILLAS ELÉCTRICAS CON BIPEDESTACIÓN EN EL MERCADO ○ Datos técnicos silla Invacare Action Vertic [3] Tabla A.1: Datos técnicos silla Invacare Action Vertic Ancho del asiento 380 / 430 / 480 mm Profundidad del asiento 410 - 460 / 460 - 510 mm Altura del asiento 500 mm Largo del respaldo 320 - 475 mm Distancia entre el reposabrazos y el asiento 150 - 230 mm (entrega a 200 mm) Largo del reposapiés 405 - 460 mm Altura de la silla en pose de bipedestación 1360 mm Ancho de la silla Ancho del asiento + 190 mm Altura de la silla en pose de sedestación 865 mm Profundidad de la silla 840 - 980 mm Profundidad de la silla sin reposapiés 340 - 480 mm Peso de la silla 27 kg Peso soportado 115 kg Batería 24V x 3.8 Ah Pág. 112 Memoria ○ Los ángulos y momentos que realiza la cadera, rodilla y la articulación del tobillo (líneas verdes, rojas y azules, respectivamente). ○ Velocidades y aceleraciones angulares de cabeza-manos-tronco (HAT), muslo y piernas (líneas verdes, rojas y azules, respectivamente). ○ Fuerza de reacción vertical de la silla y el suelo (líneas azules y rojas, respectivamente). En cambio, la columna del medio nos muestra las señales EMG de los cinco músculos 2 de las extremidades inferiores, mostrados en la figura 6.8. En la tercera y última columna nos indica los índices de contribución muscular (DCL) de los cinco músculos anteriores (figura 6.8). 2La electromiografía es una prueba para evaluar la respuesta del músculo frente a la estimulación nerviosa. Trabajo de Final de Grado Pàg. 113 Anexo D: MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS La antropometría es el estudio de las dimensiones morfológicas del cuerpo humano para su clasificación y comparación. Se encarga de la medición de las variaciones de las dimensiones físicas y la composición del cuerpo humano en diferentes edades. Su objetivo principal es la determinación de la masa corporal expresada por el peso, las dimensiones lineales como estatura, composición corporal y reservas de tejido adiposo y muscular [20]. Figura D.1: Dimensiones antropométricas fundamentales para el diseño de una silla Pág. 114 Memoria Una vez obtenidas las dimensiones antropométricas de la población anciana se determinará la estructura de la silla de ruedas: ○ Anchura del asiento, en este caso cogeremos un percentil de 95 y la dimensión mayor entre hombres y mujeres para que todo el mundo quepa en la silla, obteniendo así un resultado de: Anchura del asiento = G(95) + holgura = 43.4 cm + 5 cm = 58.4 cm ○ Altura del asiento, tenemos que añadir 10 cm, que lo llamaremos alto especial, y el percentil 5 de dimensión menor para que todos los usuarios puedan estar cómodos. Altura del asiento = A(5) + alto especial = 35.6 cm + 10 cm = 45.6 cm ○ Para determinar la profundidad del asiento necesitamos añadir una holgura entre el borde del asiento y el punto poplíteo de 3 cm. Además, cogeremos el percentil 95 para que el cuerpo más grande se sienta cómodo también. Obtenemos una profundidad de: Profundidad del asiento = B(95) + holgura = 54.9 cm + 3 cm = 57.9 cm ○ Altura reposabrazos también añadimos una holgura de 2 cm y en este caso nos interesa coger el cuerpo más pequeño, por lo tanto cogeremos el percentil 5. La altura ideal es de: Altura reposabrazos =A(5) + C(5) + holgura = 35.6 cm + 18 cm + 2 cm = 55.6 cm ○ Para determinar la altura del respaldo de la silla disminuimos la altura (A[95] + D[95]) una holgura de 2 cm y cogeremos el percentil 95, ya que nos interesa el usuario más grande. Obtenemos una altura de: Altura del respaldo de la silla = A(95) + D(95) - holgura = 49 cm + 63.5 cm - 2 cm = 110.5 cm ○ La distancia horizontal del reposabrazos, será un poco menor a la profundidad del asiento. Suponiendo así que tendrá una longitud de unos 50 cm. ○ La distancia de extremo a extremo del reposabrazos la tenemos que diferenciar entre interna y externa: Distancia entre reposabrazos (interna) = F(5) = 31.2 cm Distancia entre reposabrazos (externa) = F(95) = 55.5 cm Trabajo de Final de Grado Pàg. 115 ○ La anchura del respaldo recomendada es de: Anchura del respaldo = H(95) + holgura = 48.3 cm ○ Medidas adoptadas: Altura del reposapiés, aproximadamente unos 12 cm. Inclinación del respaldo, entre los 90º y 100º. Inclinación asiento, más o menos un 4º. Finalmente, obtenemos una silla de ruedas con las medidas siguientes básicas: Figura D.2: Dimensiones básicas de la silla de ruedas Pág. 116 Memoria Anexo E: SELECCIÓN DEL MATERIAL Para escoger el material en el que se construirán los elementos diseñados específicamente para este modelo, hemos realizado un estudio mediante los diagramas de Ashby oportunos. Para el bastidor, las chapas del asiento, el respaldo, los reposapiés y las palancas de dirección deseamos que sea un material resistente, rígido, ligero y lo más económico posible. Para ver estas características observaremos el diagrama de Ashby Módulo de Young-Densidad. Figura E.1: Diagrama de Ashby en función del Módulo de Young - Densidad En el gráfico se observa la relación entre estas dos magnitudes. La línea de selección descarta los materiales con un bajo coeficiente E/ρ. Como queremos que el material no se deforme con el peso del usuario, ni en la posición sedente ni en la bípeda, tenemos que ver los materiales que tengan esta relación más elevada. De los grupos de materiales que se encuentran por encima de esta recta, nos quedan algunas maderas, el vidrio, aleaciones de Mg, composites, aleaciones de Al, aceros y aleaciones de Ti y de Ni. Para acotar más aún los posibles materiales se observará el diagrama de Ashby que nos compare el límite elástico con la densidad. En este caso otra vez nos interesa que el Trabajo de Final de Grado Pàg. 117 límite elástico σ sea elevado para la menor densidad posible. Figura E.2: Diagrama de Ashby con los materiales de límite elástico elevado Por último, observaremos el diagrama que relaciona el límite elástico con el coste relativo por unidad de volumen, el cual también queremos minimizar. Pág. 118 Memoria Figura E.3: Diagrama de Ashby en función del Módulo de Young - Coste Observando estos diagramas vemos que nos quedan las opciones de algunas maderas, aleaciones de aluminio y aceros. La madera queda descartada, debido a que es un material anisotrópico y puede ocasionar fracturas en estas piezas según el montaje. Como además se quiere que las chapas sean lo más finas posibles, se ha descartado este material. Para estos elementos, finalmente, se utilizará o bien acero o aluminio, ambas opciones con buenas propiedades mecánicas y con precios asequibles. Basándonos en estos criterios y los tipos de acero más utilizados para la construcción de mecanismo y estructuras, hemos realizado la tabla E.1, comparando los diferentes materiales para poder realizar nuestra elección. Además, hemos añadido el aluminio 7050 porque tiene una alta resistencia a la corrosión y fatiga, así como alta tenacidad a la fractura, por lo tanto puede ser útil para ciertas piezas de nuestro sistema. La norma española,UNE-EN 10020:2001, es una clasificación de los aceros que permite conocer las propiedades de los mismos. Con base en esta normativa hemos realizado nuestra selección: Trabajo de Final de Grado Pàg. 119 Tabla E.1: Tabla comparativa de los diferentes materiales seleccionados para nuestro mecanismo Material Límite elástico Módulo de elasticidad Coeficiente de Poisson Densidad Coste [ MPa ] [ GPa ] [ - ] [ kg/m3] [ €/T ] Acero 1020 352 200 0,29 7900 490 Acero 1045 530 205 0,29 7850 580 Acero inoxidable 304 207 190 0,26 8000 1365 Acero A36 250 200 0,26 7850 490 Aluminio 7050 435 72 0,33 2830 2400 La tabla E.1 nos muestra las diferentes propiedades de cada material escogido, nos damos cuenta que el Acero A36 tiene unas propiedades muy parecidas a las del acero inoxidable 304. Por lo tanto, escogeremos acero A36 para las piezas diseñadas porque es más barato que el acero inoxidable 304, como se puede observar en el diagrama de Ashby correspondiente, ya que se encuentra más a la izquierda (Figura E.4). Las propiedades del acero inoxidable de resistencia a la corrosión no son necesarias en nuestro caso, ya que la silla está pensada sobre todo para uso en interiores. Además, el acero A36 es uno de los aceros más utilizados para la fabricación de mecanismos y se adapta a nuestros criterios de rigidez y resistencia. Figura E.4: Diagrama de Ashby de los aceros También utilizaremos el Aluminio 7050 para los componentes que no tienen que aguantar grandes esfuerzos o cuyas geometrías los puedan soportar. En la tabla E.2 tenemos un resumen del material escogido para cada componente con sus características. Pág. 120 Memoria Tabla E.2: Resumen del material escogido para cada componente y sus características Material Características Componentes Acero A36 Densidad: 7850 kg/m3 Límite elástico: 250 MPa Módulo de elasticidad: 200 GPa Coeficiente de poisson: 0,26 Asiento Respaldo Reposapiés Soportes actuador Plancas de desplazamiento Aluminio 7050 Densidad: 2830 kg/m3 Límite elástico: 280 MPa Módulo de elasticidad: 72 GPa Coeficiente de poisson: 0,33 Reposabrazos Bastidor Trabajo de Final de Grado Pàg. 121 Propiedades acero A36: Pág. 128 Memoria Tiempo Dirección Z Ángulo Ángulo [s] [mm] [rad] [ º] 0,0 0,000 0,00 0,00 0,2 0,000 0,00 0,00 0,4 0,000 0,00 0,00 3,0 69,401 0,15 8,58 3,2 75,294 0,16 9,31 3,4 81,242 0,18 10,05 3,6 87,198 0,19 10,80 3,8 93,300 0,20 11,56 4,0 99,166 0,21 12,30 4,2 105,190 0,23 13,06 4,4 111,260 0,24 13,83 4,6 117,220 0,25 14,59 4,8 123,220 0,27 15,35 5,0 129,340 0,28 16,14 5,2 135,350 0,30 16,91 5,4 141,340 0,31 17,68 5,6 147,560 0,32 18,49 5,8 153,560 0,34 19,27 6,0 159,520 0,35 20,05 6,2 165,630 0,36 20,85 6,4 171,650 0,38 21,64 6,6 177,790 0,39 22,46 6,8 183,780 0,41 23,26 7,0 189,790 0,42 24,07 7,2 195,890 0,43 24,89 7,4 201,870 0,45 25,71 7,6 208,090 0,46 26,56 7,8 213,960 0,48 27,37 8,0 220,030 0,49 28,22 8,2 226,150 0,51 29,07 8,4 232,060 0,52 29,91 8,6 238,130 0,54 30,78 8,8 243,990 0,55 31,62 9,0 250,080 0,57 32,50 9,0 250,240 0,57 32,53 9,2 256,050 0,58 33,38 9,4 261,900 0,60 34,25 9,6 267,810 0,61 35,13 9,8 273,900 0,63 36,05 10,0 279,770 0,64 36,95 Trabajo de Final de Grado Pàg. 129 Tiempo Dirección Z Ángulo Ángulo [s] [mm] [rad] [ º] 0,0 0,000 0,00 0,00 0,2 0,000 0,00 0,00 0,4 0,000 0,00 0,00 10,2 285,570 0,66 37,85 10,4 291,350 0,68 38,76 10,6 297,200 0,69 39,69 10,8 303,160 0,71 40,65 11,0 308,840 0,73 41,58 11,2 314,680 0,74 42,55 11,4 320,310 0,76 43,49 11,6 325,990 0,78 44,46 11,8 331,710 0,79 45,46 12,0 337,170 0,81 46,43 A partir del resultado de la tabla F.2 podemos obtener la gráfica de desplazamiento del asiento con respecto al tiempo (figura F.8). Figura F.8: Gráfico del desplazamiento del actuador lineal Se desplaza un máximo de 337,170 mm (figura F.8) con una velocidad constante de 26 mm/s. Como la velocidad del actuador no es elevada podemos negligir la aceleración inicial y final. También, podemos observar como el desplazamiento máximo conseguido está dentro de la carrera permitida del actuador lineal escogido. También, podemos sacar el ángulo de giro del asiento con respecto al bastidor, obteniendo la siguiente gráfica (figura F.9). Pág. 130 Memoria Figura F.9: Ángulo de giro del mecanismo de bipedestación Trabajo de Final de Grado Pàg. 131 Anexo G: COMPONENTES DE CATÁLOGO A continuación van adjuntos los planos y las características de los componentes que se han comprado para la construcción de la silla. Actuador lineal Pág. 132 Memoria Trabajo de Final de Grado Pàg. 133 Pág. 134 Memoria Trabajo de Final de Grado Pàg. 135 Pág. 136 Memoria Pasador actuador Trabajo de Final de Grado Pàg. 137 Chaveta pasador Pág. 144 Memoria Guía Trabajo de Final de Grado Pàg. 145 Pág. 146 Memoria Trabajo de Final de Grado Pàg. 147 Unión reposapiés Pág. 148 Memoria Tornillos Trabajo de Final de Grado Pàg. 149 Hoverboard Pág. 150 Memoria Trabajo de Final de Grado Pàg. 151 Barra transmisión Pág. 152 Memoria Rótulas de transmisión Trabajo de Final de Grado Pàg. 153 Ruedas locas