DISEÑO DE SISTEMA TRANSBORDADOR ENTRE SILLA DE RUEDAS Y VEHÍCULO PARTICULAR

STEPHANIA BETANCOURTH URBANO FEDERICO RODRÍGUEZ MONSALVE

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2017

DISEÑO DE SISTEMA TRANSBORDADOR ENTRE SILLA DE RUEDAS Y VEHÍCULO PARTICULAR

STEPHANIA BETANCOURTH URBANO FEDERICO RODRÍGUEZ MONSALVE

Proyecto de Grado para optar el Título de Ingeniero Mecatrónico

Director MAURICIO BARRERA CÁRDENAS

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2017

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Nota de aceptación: Aprobado por el comité de Grado en cumplimiento de los requisitos exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico.

ÁLVARO JOSÉ ROJAS ARCINIEGAS Jurado ÓSCAR IVÁN CAMPO SALAZAR Jurado Santiago de Cali, 3 de Marzo de 2017

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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar quiero dar gracias a Dios porque Él es mi luz y mi guía, a Él por permitirme vivir esta vida, por darme la oportunidad de ser quien soy y tener los sueños que tengo, y lograr culminar uno que se convirtió en un reto, por su Amor infinito, porque me dio la fortaleza cuando sentí que mis días estaban grises, porque a Él debo el amor que recibo de mi madre Maria del Carmen Urbano, a ella le doy gracias pues sin su apoyo en mis días más difíciles, por sus sacrificios y trabajar tan duro para que yo pueda ser hoy nombrada Ingeniera, por ser mi apoyo y por su sabiduría al guiar mi camino con su amor, Por ser mi soporte en esos momentos de debilidad, por su sacrificio para que yo lograra cumplir y la consejera con las palabras perfectas en cada momento, a ella le dedico este trabajo. A mi padre Julio Cesar y mi herma Laura Juliana, por estar ahí motivándome a seguir adelante siempre, a no dejar nada a medias. Agradezco a las personas que hoy ya no hacen parte de mi vida pero que en un momento fueron de gran importancia en este proceso para mí como lo es Arturo Duque, Linda Solangie, y a todos quienes ahora hacen parte de mi hermosa y maravillosa vida, a mis amigos, Nelson Hernan Muñoz Burbano, quien sin su ayuda esto no estaría terminado, sin su paciencia infinita, a Yesenia Gomez que me ayudo en todo momento a no perder el ánimo, la principal fuente de generación de ideas, obviamente a la mami Karen Sofia Torres, mi amiga durante tanto tiempo, la que le toco aguantarme desde el anteproyecto con mis quejas y la que me dio consejos durante todo el proceso, a todos los demás que hacen parte de todo este largo proceso, a Juan Esteban Palacios , Santiago Peña, a Oscar Cortes, a David Sterling, Cristian Peña, a todos ustedes mil gracias por llegar a mi vida y poner un granito de arena en ella. A mi director de tesis Helver Mauricio Barrera Por dirigir este proyecto y a mi compañero de tesis Federico Rodriguez.

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CONTENIDO

Pág. RESUMEN 13 INTRODUCCIÓN 14 1. ANTECEDENTES 15 1.1. ANTECEDENTES LOCALES 15 1.1.1. Diseño y construcción de silla de ruedas eléctrica para paciente cuadripléjico en crecimiento 15 1.2. ANTECEDENTES NACIONALES 15 1.2.1. Diseño del sistema de control de una silla de ruedas motorizada de alta maniobrabilidad e inteligencia en la navegación. 15 1.3. ANTECEDENTES INTERNACIONALES 16

1.3.1. La silla robótica sena. 16

1.3.2. Modificaciones en autos para personas usuarias de sillas de ruedas. 16

1.3.3. Carony Go. 18

1.3.4. Turny EVO. 19

1.3.5. Grúa de Bipedestación y de Traslado Way Up. 20

2. MARCO TEÓRICO 22

2.1. DISCAPACIDAD 22

2.2. SILLAS DE RUEDAS 22

2.2.1. Tipos de sillas de ruedas. 22

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2.3. SISTEMAS 25

3. OBJETIVOS 26

3.1. OBJETIVO GENERAL 26

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 26

4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 27

5. LEVANTAMIENTO DE NECESIDADES 28

5.1. ESPECIFICACIONES OBJETIVO 29

5.2. METODO QFD 30

5.3. BENCHMARKING 32

6. GENERACIÓN DE CONCEPTOS 34

6.1. CAJA NEGRA 34

6.2. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL 34

6.3. DISEÑO DE CONCEPTOS 35

6.3.1. ¿Cómo indicarla posición adecuada del sistema? 36

6.3.1.1. Verificar la silla frenada. 37

6.3.1.2. Asegurar estabilidad para transbordo 38

6.3.2. ¿Cómo generar el inicio del transbordo del usuario 39

6.3.3. ¿Cómo desplazar el usuario de la silla de ruedas al interior del vehículo? 40

6.4. TAMIZAJE DE CONCEPTOS 41

6.5. ANALISIS Y COMBINACION DE CONCEPTOS 43

6.6. SELECCIÓN DE CONCEPTOS 43

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7. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 45

7.1. ESQUEMA DEL PRODUCTO 46

8. INGENIERÍA DETALLADA 48

8.1. SILLA 49

8.2. ESTRUCTURA DE SOPORTE 50

8.3. CALCULOS PARA DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA 51

8.3.1. Pasadores. 51

8.3.2. Bandeja 1. 54

8.3.3. Estructura tijera. 57

8.4. ANALISIS CINEMATICO DEL SISTEMA 61

8.5. CALCULO DE MOTOR SISTEMA DE PIÑÓN CREMALLERA 64

8.6. ANALISIS DE FRECUENCIA DEL SISTEMA 68

8.7. CONTROL 70

8.7.1. Estrategia de control. 70

8.7.2. Diseño de la secuencia lógica del funcionamiento del sistema. 75

8.7.3. Evaluación de conceptos. 76

9. PRESUPUESTO . 78

9.1. ANALISIS DEL FLUJO DE FONDOS 78

10. CONCLUSIONES . 80

BIBLIOGRAFÍA 82

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Planteamiento de necesidades . 28 Tabla 2. Requerimientos técnicos 29

Tabla 3. Benchmarking 32

Tabla 4. Tabla de comparación con la competencia basada en métricas 33

Tabla 5. Tabla para selección de freno en silla de ruedas. 42

Tabla 6. Tabla de selección para estabilidad de silla de ruedas 42

Tabla 7. Combinación de conceptos 43

Tabla 8. Conceptos generados .. 44

Tabla 9. Evaluacion de conceptos microcontroladores 77

Tabla 10.Lista de componentes 78

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Silla de ruedas SENA (silla eléctrica comercial con adaptación de sensores y dispositivos gestionados mediante un ordenador portátil 16

Figura 2. Autoadapt 6-Way Base 17

Figura 3. Carony Classic y Carony Go 17

Figura 4. Carolift 6000/6900 y Carolift 325 18

Figura 5. Joey lift 18

Figura 6. Silla de ruedas Carony Go 19

Figura 7. Sistema Turny Evo 20

Figura 8. Sistema de control Turny Evo 20

Figura 9. Grúa de bipedestación y traslado Way up 21

Figura 10. Silla de ruedas para usuario temporal 23

Figura 11. Silla de ruedas para usuario permanente 24

Figura 12. Silla de ruedas para usuario que necesita apoyo postural 24

Figura 13. Diagrama de sistema en lazo cerrado 25

Figura 14. Diagrama de sistema en lazo abierto 25

Figura 15. Matriz de evaluación QFD 30

Figura 16. Caja negra 34

Figura 17. Descomposición Funcional del Sistema 35

Figura 18. Rama crítica 35

Figura 19.Descomposición para la función de iniciar el transbordo del usuario 36

Figura 20. Funcionamiento de freno con final de carrera 37

Figura 21. Funcionamiento de freno con sensor capacitivo 37

Figura 22. Apoyo simple 38

Figura 23. Silla de ruedas con contrapeso 38

Figura 24.Control con botones 39

Figura 25. Control con pantalla tactil 39

Figura 26. Mecanismo de desplazamiento de cuatro barras 40

Figura 27. Mecanismo de piñón cremallera . 41

Figura 28. Arquitectura del producto 45

Figura 29. Esquema del producto 46

Figura 30. Interacciones entre conjuntos 47

Figura 31. Diagrama de proceso de abordaje de silla de ruedas al vehículo 48

Figura 32. Trasbordo de usuario 49

Figura 33. Diseño de la silla 49

Figura 34. Silla del sistema y plato giratorio 50

Figura 35. Soporte de conexión entre la silla de ruedas y el auto (Bandeja 1) 50

Figura 36. Soporte apoyado en la silla listo para realizar transferencia 51

Figura 37. Diagrama de cuerpo libre sobre una barra de la estructura de la silla 52

Figura 38. Selección de material para pasadores 53

Figura 39. Selección material bandeja 1 55

Figura 40. Variación de la reacción en los apoyos de la bandeja 1 respecto al cambio de posición 56

Figura 41. Análisis estático de deformación bandeja 1 57

Figura 42.Dimensionamiento de la estructura de la silla de ruedas 57

Figura 43.Diagrama de fuerzas de la barra A-C 58

Figura 44. Análisis de fuerza sobre pasadores en la barra A-C 60

Figura 45. Ilustración de bandejas 62

Figura 46. Selección de piñón 65

Figura 47. Selección de cremallera 67

Figura 48. Motorreductor Seleccionado y Especificaciones Técnicas 68

Figura 49.Analisis de frecuencia para el sistema 69

Figura 50. Frecuencias obtenidas para la estructura de soporte 69

Figura 51. Esquema electrónico de un motor DC . 71

Figura 52.Esquema del controlador PI con el motor 74

Figura 53. Respuesta del sistema 75

Figura 54. Diagrama de flujo del sistema de control 76

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Resistencias estocásticas a la cedencia y última para materiales seleccionados 86

Anexo B. Función de distribución acumulada de la distribución normal (gaussiana) 87

Anexo C. Tabla de pasadores comerciales de aluminio DIN 7 88

Anexo D. Tabla de pletinas comerciales de aluminio 89

Anexo E. Manual de operación . 90

Anexo F. Flujo de fondos del proyecto 92

Anexo G. Planos de las piezas del sistema 94

Anexo H. Análisis dinámico y estático de mecanismo de cuatro barras 119

Anexo I. Ecuaciones del análisis estático y dinámico para el mecanismo de cuatro barras ............................................................... 120

Anexo J. Código para solucionar conjunto de ecuaciones 121

Anexo K.grafico de torque vs tiempo 122

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RESUMEN Los avances de los sistemas de control y la electrónica han permitido el desarrollo de sistemas que facilitan la vida de las personas y mejoren su calidad de vida. Un ejemplo de esto es la evolución de la silla de ruedas, que ha permitido a sus usuarios aumentar su autonomía al transportarse y disminuir la dependencia de otras personas al momento de realizar sus tareas cotidianas. A pesar de estos avances, siguen existiendo limitaciones; entre ellas se encuentra el abordar un vehículo. Actualmente en el mercado existen una gran variedad de opciones que facilitan el proceso, pero todas ellas involucran grandes y costosas modificaciones en el vehículo, que además suponen disminuir su capacidad con el fin de hacer espacio para ubicar la silla de ruedas. En este trabajo de grado, se diseñó un sistema para silla de ruedas que permite al usuario abordar un automóvil de manera independiente. El sistema diseñado permite al usuario simplificar este proceso para cualquier vehículo tipo sedán. A partir de lo anterior se comienza con la caracterización de las necesidades y restricciones que se deducen de la experiencia obtenida al hablar con algunos usuarios de sillas de ruedas. Con esto se logra dar un enfoque al proyecto como lo sugiere la metodología para el desarrollo de productos mecatrónicos. Como paso siguiente se generan conceptos que puedan dar solución al problema. Mediante matrices de tamizaje se dio ponderación a cada concepto, para obtener un diseño con las mejores opciones posibles, de esta forma se da cumplimiento a los objetivos mediante la aplicación de la ingeniería concurrente. Se realiza el análisis cinemático de la opción seleccionada, teniendo en cuenta las dimensiones de los componentes; además se realiza el diseño del sistema de control, teniendo en cuenta las especificaciones propuestas con énfasis en la seguridad. Por último se realiza un estudio de viabilidad donde se analiza el costo de implementación del sistema. Palabras clave: Discapacidad, Transbordo, Control en lazo cerrado, Mecanismo de piñón cremallera, Diseño concurrente.

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INTRODUCCIÓN En Colombia, según estadísticas del Departamento Administrativo Nacional de Estadística (DANE) realizadas en el censo del año 2005, se determinó que la prevalencia de personas con limitaciones para caminar es del 29,3% es decir, de 41.242.948 personas 770.128 están obligadas a utilizar diferentes medios de asistencia para su movilización. Un ejemplo de estos son las sillas de ruedas utilizadas por personas que han perdido parcial o totalmente la capacidad motora que permite el movimiento de las piernas para caminar. Pero aun teniéndose el medio de asistencia, la deficiencia en la accesibilidad, y las barreras arquitectónicas presentes en la infraestructura de algunas ciudades hacen que la movilidad de estas personas se vea afectada en cuanto a su comodidad y autonomía. En la actualidad se ha logrado resolver parcialmente problemas de accesibilidad para personas en silla de ruedas en transporte vehicular, desarrollándose diferentes tipos de mecanismos y modificaciones en diferentes funciones del auto y también en el acceso a este. Existen por ejemplo grúas para la transferencia del usuario, plataformas móviles para subir la silla de ruedas al vehículo, entre otros; por otra parte existen también sillas de ruedas robóticas que se mueven con comandos de voz. Sin embargo, hasta el momento no se evidencia una silla de ruedas que incorpore en su estructura mecánica un sistema que realice el ascenso y descenso de la persona hacia los vehículos. Por tal motivo, es de interés desarrollar un sistema mecatrónico que permita realizar el ascenso y descenso de una persona hacia vehículos tipo sedán en su propia silla de ruedas, procurando al usuario y su acompañante una mejora sustancial en la percepción del proceso de transbordo eliminando la dependencia de un vehículo en particular.

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1. ANTECEDENTES A continuación se muestra una reseña de los trabajos más significativos a nivel local, nacional e internacional, alrededor de adaptaciones de sillas de ruedas a necesidades especiales de sus usuarios. 1.1. ANTECEDENTES LOCALES 1.1.1. Diseño y construcción de silla de ruedas eléctrica para paciente cuadripléjico en crecimiento. Silla de ruedas diseñada como trabajo de investigación realizado por el grupo de investigación Bioingenieria G-BIO en la Universidad Autónoma de Occidente de Cali en el año 2002, el cual consistió en el diseño de una silla de ruedas diseñada especialmente para un paciente cuadripléjico adaptada a sus necesidades, con respecto a sus estudios se realizó una estructura adecuada y se implementó un sistema de control de fácil uso para que este pudiera movilizarse de manera más autónoma. 1.2. ANTECEDENTES NACIONALES 1.2.1. Diseño del sistema de control de una silla de ruedas motorizada de alta maniobrabilidad e inteligencia en la navegación. Control para silla de ruedas teniendo en cuenta la IHM (interfaz humano máquina) diseñado como proyecto de investigación en la Universidad de los Andes en el año 2002, el cual consiste en el diseño y especificación de un control para una silla de ruedas de niños que carecen de dominio en sus movimientos. Para esto se desarrollaron diferentes tipos de interfaces de humano máquina dependiendo de las limitaciones del usuario: tipo Joystick, teclado acelerador y por reconocimiento de voz.

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1.3. ANTECEDENTES INTERNACIONALES 1.3.1. La silla robótica sena. Un enfoque basado en la interacción hombre-máquina. Silla robótica diseñada como trabajo de investigación en la universidad de Málaga, campus Teatinos de España en el año 2008, el cual se basa en un prototipo de silla a la cual se le han implementado una serie de sensores y dispositivos que son controlados por medio de un portátil para poder navegar de forma autónoma en espacios interiores, y se caracteriza por su fácil interacción entre el hombre y máquina gracias a que se desarrolló un software de robots asistentes. Figura 1. Silla de ruedas SENA (silla eléctrica comercial con adaptación de sensores y dispositivos gestionados mediante un ordenador portátil

Fuente: GONZALEZ, J. GALINDO, C. FERNANDEZ, J. A. BLANCO, J. L. MUÑOZ, A. AREVALO, V. La silla robótica SENA. Un enfoque basado en la interacción hombre-máquina [en línea]: Málaga: universidad de Málaga, 2008 [consultado 16 de marzo de 2015]. Disponible en internet: http://mapir.isa.uma.es/varevalo/drafts/gonzalez2008srs.pdf 1.3.2. Modificaciones en autos para personas usuarias de sillas de ruedas. Existen diferentes tipos de modificaciones a los automóviles para que las personas en situación de discapacidad puedan ser transportadas en estos de manera más cómoda y en algunos casos ser más autónomas. A continuación se pueden observar las imágenes de algunos tipos de modificaciones existentes en el mercado para los autos elaborados por una compañía sueca llamada AutoAdapt. Existen por ejemplo diferentes tipos de sillas giratorias que permiten una transferencia más fácil entre la silla de ruedas y el automóvil como se muestra en

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la Figura 2. Esta permite al usuario poder acceder a la silla del auto mediante un mecanismo que deja girar la silla del auto y posicionarla en de manera apropiada. Figura 2. Autoadapt 6-Way Base

Fuente: Autoadapt 6-Way Base, [en línea]. Autoadapt AB, 2017 [consultado 16 marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.autoadapt.com/en/products/swivel-seats/6-way-base/. Se han desarrollado también diferentes tipos de sillas de auto adaptables a sillas de ruedas como se muestra en la figura 3. Este tipo de sillas pueden tener diferentes bases dependiendo de la necesidad del usuario. Figura 3. Carony Classic y Carony Go

Fuente: Autoadapt 6-Way Base, [en línea] .Autoadapt.AB, 2017 [consultado 16 marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.autoadapt.com/en/products/swivel-seats/carony-go/. Otro tipo de modificaciones y accesorios que se pueden encontrar en el mercado son las diferentes grúas para levantar ya sea la silla de ruedas completa o las bases de estas, Figura 4, y plataformas para la trasferencia del usuario al interior del vehículo como se muestra en la Figura 5.

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Figura 4. Carolift 6000/6900 y Carolift 325

Fuente: Autoadapt 6-Way Base [en línea]. Autoadapt.AB, 2017 [consultado 16 marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.autoadapt.com/en/products/wheelchair-hoists/carolift-325/. Figura 5. Joey lift

Fuente: Autoadapt 6-Way Base, [en línea]. Autoadapt AB, 2017 [consultado 16 marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.autoadapt.com/en/products/wheelchair-hoists/joey-lift/. 1.3.3. Carony Go. La silla electrónica Carony Go es una silla diseñada para llevar al usuario directamente a la silla del auto, para su uso es necesario instalar una base giratoria en el vehículo, con la base giratoria instalada en el vehículo y la silla Carony enfrentada a las guías del mismo, el asiento se desliza al interior del vehículo convirtiéndose en el asiento del vehículo. Fuera del vehículo permanecerá únicamente el tren motriz inferior que podrá ser introducido al vehículo a mano por medio de grúas.

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Figura 6. Silla de ruedas Carony Go

Fuente: Carony go [en línea].Talleres vilanova, 2013 [consultado 19 agosto de 2016]. Disponible en internet: http://www.talleresvilanova.com/transporte/adaptaciones/transporte/asientos-automatizados/carony/carony-go 1.3.4. Turny EVO.1 La silla de ruedas Turny EVO facilita la entrada y salida de una persona a un automóvil, además de permitir adaptar el recorrido, permite que el pasajero tenga siempre un espacio óptimo para las piernas. Para facilitar su empleo, el mando portátil tiene una pantalla informativa. Le permite saber cuál de los cuatro botones debe pulsar y también indica el estado del Turny Evolución. Los botones que pueden seleccionarse se iluminan en verde mientras que los botones que en ese momento están desactivados se destacan en color rojo2 . En todo momento el usuario está informado del progreso de la operación del Turny a través de su pantalla ubicada dentro del mando. Si comprueba que hay algún fallo rápidamente se lo mostrará en la pantalla informativa.

1 Turny Evo. [en línea]. Autoadapt AB, 2017 [consultado 20 de enero de 2017]. Disponible en internet: https://www.autoadapt.com/es/products/getting-seated/turny-evo/ 2 Ibíd., Disponible en internet: https://www.autoadapt.com/es/products/getting-seated/turny-evo/

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Figura 7. Sistema Turny Evo

Fuente: Turny Evo. [en línea]. Autoadapt AB, 2017 [consultado 19 de agosto de 2016]. Disponible en internet: https://www.autoadapt.com/es/products/getting-seated/turny-evo/ Figura 8. Sistema de control Turny Evo

Fuente: Turny Evo [en línea]. Autoadapt AB, 2017 [consultado 20 de enero de 2017]. Disponible en internet: https://www.autoadapt.com/es/products/getting-seated/turny-evo/ 1.3.5. Grúa de Bipedestación y de Traslado Way Up.3 La grúa bipedestación es totalmente maniobrable y versátil, entre las múltiples aplicaciones que tiene están entrar o salir del coche, traslado de la silla a la cama y viceversa, utilizar el baño, vestirse, entre otras.

3 Grua de bipedestación y traslado ‘Way up’. [en línea]. AyudasDinamicas. [consultado 19 de agosto de 2016]. Disponible en internet: http://www.ayudasdinamicas.com/grua-de-bipedestacion-o-cambia-panales-y-traslado-de-enfermos-way-up/

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Es la grúa más pequeña y ligera existente, ultra compacta permite el acceso a cualquier tipo de auto, excepto los coches demasiado altos como los 4x4 gracias a su capacidad de elevación. Figura 9. Grúa de bipedestación y traslado Way up

Fuente: Grúa de bipedestación y traslado ‘Way up’. [en línea]. AyudasDinamicas. [consultado 19 de agosto de 2016]. Disponible en internet: http://www.ayudasdinamicas.com/grua-de-bipedestacion-o-cambia-panales-y-traslado-de-enfermos-way-up/.

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2. MARCO TEÓRICO Los conceptos que se mencionan a continuación serán utilizados y aplicados durante el desarrollo del proyecto de diseño de un sistema transbordador entre silla de ruedas y un vehículo particular. 2.1. DISCAPACIDAD Las personas en situación de discapacidad incluyen a aquellas que tengan deficiencias físicas, mentales, intelectuales o sensoriales a largo plazo que al interactuar con diversas barreras, pueden impedir su participación plena y efectiva en la sociedad, en igualdad de condiciones con las demás4. Para los fines del trabajo que se propone mediante este anteproyecto se considerará una caracterización del usuario de la silla de ruedas que establezca linderos o bien restricciones al diseño mecatrónico que se quiere desarrollar. 2.2. SILLAS DE RUEDAS Alrededor unas 650 millones de personas población, sufren de discapacidad y alrededor del 10% de estas personas necesitan silla de ruedas. En 2003 se estimaba que 20 millones de quienes necesitaban una silla de ruedas para movilizarse no la tenían. Se calcula que sólo una minoría de quienes necesitan sillas de ruedas tienen acceso a ellas y, de esa minoría, poquísimos tienen acceso a una silla de ruedas apropiada5. 2.2.1. Tipos de sillas de ruedas. Ningún modelo ni tamaño de silla de ruedas puede satisfacer las necesidades de todos los usuarios y la diversidad de éstos crea la necesidad de diferentes tipos de sillas de ruedas. Quienes eligen

4 Atención educativa para la población con discapacidad, Definición de la población [en línea]: Definición de la población Bogota: Ministerio de educació, 2013 [consultado el 18 de marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.colombiaaprende.edu.co/html/micrositios/1752/w3-article-320689.html 5 Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en entornos de menores recursos. [en línea]: Necesidad de silla de ruedas. Organización Mundial de la Salud, 2008 [consultado el 18 de marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.who.int/disabilities/publications/technology/wheelchairguidelines_sp_finalforweb.pdf p.21.

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sillas de ruedas, en consulta con el usuario, deben comprender las necesidades físicas del destinatario y de qué manera éste se propone usar la silla de ruedas, además de conocer los motivos que explican los distintos modelos de sillas de ruedas. La capacidad de ajustar o adaptar una silla de ruedas para satisfacer las necesidades físicas del usuario variará según el tipo de silla de ruedas. Con frecuencia las sillas de ruedas vienen en un breve surtido de tamaños y permiten algunos ajustes básicos. Las sillas de ruedas destinadas a usos temporales (por ejemplo, en un hospital, para trasladar a los pacientes de una sala a otra) no están hechas para proporcionar al usuario ajuste exacto, apoyo postural ni alivio de la presión. Las sillas de ruedas ortopédicas o “de hospital” son ejemplo de este tipo. Figura 10. Silla de ruedas para usuario temporal

Fuente: Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en entornos de menores recursos [en línea] Tipos de sillas de ruedas.Organización Mundial de la Salud, 2008 [Consultado el 18 de marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.who.int/disabilities/publications/technology/wheelchairguidelines_sp_finalforweb.pdf.p.29. Para los usuarios permanentes, la silla de ruedas debe ajustar bien, proporcionar buen apoyo postural y aliviar bien las presiones. Distintos anchos y profundidades del asiento y la posibilidad de ajustar por lo menos el apoyo de los pies y el espaldar son elementos importantes para asegurar que la silla de ruedas se pueda ajustar correctamente. Otros ajustes y opciones comunes son los tipos de cojines, apoyos posturales y posición variable de las ruedas.

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Figura 11. Silla de ruedas para usuario permanente

Fuente: Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en entornos de menores recursos [en línea] Tipos de sillas de ruedas.Organización Mundial de la Salud, 2008 [Consultado el 18 de marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.who.int/disabilities/publications/technology/wheelchairguidelines_sp_finalforweb.pdf. p.29. Las sillas de ruedas muy ajustables o individualmente modificadas están destinadas a usuarios permanentes que tienen necesidades posturales especiales. A dichas sillas de ruedas se agrega muchas veces otros componentes que ayudan a dar apoyo al usuario. Figura 12. Silla de ruedas para usuario que necesita apoyo postural

Fuente: Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en entornos de menores recursos [en línea] Tipos de sillas de ruedas.Organización Mundial de la Salud, 2008 [Consultado el 18 de marzo de 2015]. Disponible en internet: http://www.who.int/disabilities/publications/technology/wheelchairguidelines_sp_finalforweb.pdf. p.29.

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2.3. SISTEMAS Es una combinación de componentes que en conjunto hacen que un objetivo sea alcanzado, pueden ser sistemas físicos, biológicos, económicos, etc6. Existen por ejemplo los sistemas en lazo cerrado que son sistemas también llamados realimentados, este tipo de sistemas lo que hace es una alimentación al controlador con la señal de error de la actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de realimentación que puede ser la señal de salida o una función de esta esto con el fin de disminuir el error y llevar la salida a un valor deseado. Este tipo de sistemas siempre implica un control de realimentación para poder reducir el error en el sistema7. Otro tipo de sistemas son los sistemas de lazo abierto que son sistemas en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, Es decir que la salida no se mide ni se realimenta para reducir el error en la acción de control, y la precisión del sistema depende directamente de la calibración de este, esta clase de sistemas son eficientes cuando no existen perturbaciones internas ni externas que puedan afectar el sistema.8 Figura 13. Diagrama de sistema en lazo cerrado

Figura 14. Diagrama de sistema en lazo abierto

6 OGATA, Katsuhiko .Ingeniería de control moderna: introducción a los sistemas de control. 5 ed.Madrid:Pearson,2010, p.3. 7Ibíd., p.7. 8 Ibíd., p.8.

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3. OBJETIVOS 3.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar un sistema mecatrónico, que permita al usuario de una silla de ruedas su transbordo hacia y desde un vehículo particular. 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Analizar cinemática y dinámicamente el mecanismo, la estructura de soporte y el cuerpo del usuario en la trayectoria propuesta. • Dimensionar los eslabones y elementos estructurales para el cumplimiento de factores de seguridad que apliquen al caso. • Realizar un diseño electrónico y de control teniendo en cuenta las especificaciones del sistema mecánico. • Realizar un estudio de costo del diseño obtenido.

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4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Existen personas en situación de discapacidad que para movilizarse largas distancias hacen uso de vehículos particulares que han sido modificados de acuerdo a sus necesidades. En el momento no es común encontrar una silla de ruedas que como parte de su estructura incorpore un mecanismo que pueda ingresar y retirar al usuario de la silla y ubicarlo en el vehículo automotor para así, no tener la necesidad de la modificación o compra de un vehículo que sea especial para este tipo de personas con discapacidad. Actualmente las personas con limitaciones para caminar, pueden acceder a sus vehículos de forma autónoma por medio de diferentes tipos de modificaciones que se realizan directamente a los autos para poder solucionar esta necesidad. Dicho lo anterior, se plantea la siguiente pregunta a la cual responderá el desarrollo de la propuesta realizada ¿Es posible diseñar un sistema mecatrónico que haga parte de una silla de ruedas y permita realizar el ascenso y descenso del usuario para ubicarlo en el vehículo particular sin modificarlo?

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5. LEVANTAMIENTO DE NECESIDADES Identificar las necesidades de los clientes o de los usuarios del sistema es parte fundamental del proyecto para el desarrollo del producto, y está directamente relacionado con la selección y generación del concepto, la comparación con diferentes productos del mercado que hacen parte de la competencia y el establecimiento de las especificaciones del producto, las cuales son etapas del proceso de diseño que se desarrollaran más adelante. De acuerdo con el estudio realizado en algunas personas usuarios de silla de ruedas y/o acompañantes en caso de usuarios con parálisis completa, se realizó una clasificación de las necesidades expresadas con sus respectivas calificaciones de importancia. Se tomó el 1 como el menos significativo y 5 como el nivel de mayor importancia. Tabla 1. Planteamiento de necesidades

N° Planteamiento del cliente Identificación de la necesidad Importancia

1No tener la necesidad de serayudado por otra persona paramontarse a un auto.

El sistema brinda independenciaen el proceso de transbordo.

5

2 El mantenimiento debe sersencillo

El sistema es de fácilmantenimiento

4

3 Que no tenga tantos botonespara usarlo

El sistema es fácil de operarpara el usuario

5

4El sistema no debe tardardemasiado tiempo en realizarel transbordo

El sistema es de respuestarápida

4

5 El sistema no debe suponer unriesgo para el usuario

El sistema no interfiere con lacondición física del usuario

5

6Que resista las situaciones alas que se presenta una sillade ruedas en el día a día

El sistema es resistente. 5

7 Que no sea tan costoso El sistema es económico 3

8 El sistema debe trasladarse de un lugar a otro fácilmente

El sistema es portable 5

9El sistema debe permitir alusuario ingresar por la puertadel vehículo sin modificarlo

Sistema permite el ingreso enautomóviles tipo sedán y coupé.

4

10 Que no deje de funcionar acada rato por energía

El sistema opera con un sistemade batería recargable quepermite largas horas deautonomía

4

29

5.1. ESPECIFICACIONES OBJETIVO Teniendo en cuenta las necesidades anteriores, se muestran a continuacion las metricas de diseño que se desean alcanzar con el diseño a desarrollar, que corresponden a caracteristicas funcionales que se deben tener en cuenta. Tabla 2. Requerimientos técnicos

No. Necesidad Requerimiento Unidad 1 2 Cantidad de piezas del sistema Numero 2 2 Tiempo para ensamblar segundos 3 2,5,8,9 Dimensión de piezas del sistema mm 4 2,8 Peso de piezas del sistema Kg 5 3 Interfaz intuitiva Subjetivo 6 4 Velocidad respuesta del sistema m/s 7 4 Tiempo respuesta del sistema segundos 8 7 Costo COP

9 6 Resistencia a corrosión mm/año

10 10 Eficiencia energética km 11 6 Durabilidad Tiempo 12 5 Sistema seguro Lista 1 13 5 Sistema de control Lista 2

14 1 Intervención por parte de terceros Numero

A continuacion se mencionan las listas mencionadas en la tabla 2 necesarias para entender el tipo de requerimiento que se desea cumplir Lista 1 Seguridad baja: El sistema es seguro para el usuario Seguridad media: El sistema es seguro para el usuario y el auto Seguridad alta: El sistema es seguro para el usuario, el auto y el sistema Lista 2 Sistema de control con pantalla Sistema de control basico

30

5.2. METODO QFD La aplicación de la QFD o casa de la calidad tiene como objetivo que el diseño del producto cumpla con las necesidades de los clientes. Figura 15. Matriz de evaluación QFD

Re

que

rimie

nto

s F

unci

ona

les

Requerimientos del Cliente

1 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 11% 5 9

2 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 9% 4 9

3 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 11% 5 9

4 | | | | | | | | | | | | | | | | 7% 3 9

5 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 11% 5 9

6 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 11% 5 9

7 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 11% 5 9

8 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 11% 5 9

9 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 9% 4 9

10 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 11% 5 9

11 0%

7%

Max

ima

Rel

aci

on

Correlacion

Positivo +Negativo −

No correlacion

Direccion de Mejora

Relacion

Fuerte Moderada

Debil

14

||||||||||||||||

Maximizar

Objetivo

Minimizar

9 9 99 9 9 9 9 9

4 5 6 7 8 9

5 5 4

Nu

me

ro

4 5

CO

P

mm

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o

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Tie

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ta 1

9

4 4 4 3 5 5 4 4

10

9 9 9

Columna #

Nu

me

ro

Seg

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mm

Kg

Su

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m/s

Seg

und

os

1

2 3

Unidad de Medida

Lis

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||||||||||||||||

||||||||||||||||||||

||||||||||||||||

||||||||||||||||

||||||||||||||||

||||||||||||

||||||||||||||||||||

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F

ila #

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fica

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s

||||||||||||||||||||

||||||||||||||||

||||||||||||||||||||

||||||||||||||||||||

Direccion de Mejora

4

||||||||||||||||

7%

Importancia Técnica

Máxima Relacion 9

Grafica de Peso

Peso Relativo 8%

Sistema economico

Sistema portable

Sistema debe permitir el ingreso en automovil tipo sedan

Autonomía

El sistema hace el transbordo del usuario

Facil mantenimiento

Facil de operar

Respuesta de mecanismo rapida

Seguridad para el usuario

Sistema resistente

Cos

to

Res

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Sis

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11 12

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+

+

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+

−

+ +

Inte

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por

par

te d

e te

rcer

os

13

+ −−

31

En la QFD se relaciona cada necesidad del cliente con cada metrica de diseño, calificando cada relación con un valor de 9 puntos (circulo negro), 3 puntos (circulo blanco) y 1 punto (triangulo). En caso de no existir relacion alguna, no se da puntuación. En la figura 15 se tiene la casa de la calidad donde se observan la correlación que se hizo entre las necesidades y los requerimientos funcionales, lo que permitió encontrar las necesidades con mayor relevancia del proyecto así como los requerimientos más importantes para cumplir con las exigencias del problema y desarrollar un producto de calidad Cuando se ha terminado de llenar la QFD, se realizan calculos para determinar el peso relativo de las necesidades y de las metricas. De esta manera se obtienen los criterios tecnicos en los que hay que enfatizar, ademas de las necesidades mas relevantes. De acuerdo con la casa de la calidad, las metricas mas importantes a tener en cuenta en el desarrollo del proyecto son: • Dimensiones de las piezas del sistema- 8% • Costo- 8% • Resistencia a la corrosion-8% • Durabilidad-8% • Sistema seguro-8%

Estos resultados indican que el diseño debe tener un muy buen diseño que permita seleccionar los mejores materiales para que así, se permita tener un sistema resistente, portable y con un óptimo desarrollo de su función principal que es el de transbordar al usuario, la seguridad del usuario es uno de los puntos más importantes, por lo tanto, el sistema debe garantizar que ningún fallo en el sistema

32

supondrá un riesgo para la integridad del usuario o las personas cercanas, además el costo debe ser el menor posible pero generando una mejora en la forma como los usuarios de sillas de ruedas realizan el proceso de abordar los vehículos. 5.3. BENCHMARKING En el mercado existen una gran cantidad de productos que permiten realizar el transbordo de una persona en silla de ruedas a un Automóvil, por esto se realizó una evaluación de los competidores directos de nuestro producto. Para el presente proyecto se seleccionaron los siguientes productos para realizar el benchmarking: CARONY GO, Turny EVO y Grúa de Bipedestación y de Traslado Way Up. La evaluación de las necesidades se realizó teniendo en cuenta las características expuestas en la página de cada fabricante, en la tabla 3 se refleja el benchmarking de las necesidades identificadas, se utiliza una escala del 0 a 5. Tabla 3. Benchmarking

Ahora se realizó el benchmarking con la competencia para comparar las percepciones de cuando cada uno de productos existentes cumple las necesidades del cliente.

Núm. Necesidad Imp. Carony Go Turny EVO

Grúa de

Bipedestacion

y de traslado

Way up

1 Sistema que funcione de manera automática 9 • • • • • •

2 Fácil mantenimiento 3 • • • • • •

3 Interfaz intuitiva 3 • • • • • • • • • •

4 Respuesta de mecanismo rápida 3 • • • • • • • •

5 Seguridad para el usuario 9 • • • • • • • • • •

6 Sistema resistente 9 • • • • • • • • • • • • • • •

7 Sistema económico 1 • • • •

8 Sistema portable 9 • • • • • • • •

9 Sistema debe permitir el ingreso en cualquier tipo de automóvil 9 • • • • • • • • • • • •

10 Autonomía de trabajo 3 • • • • • • • • • • • •

33

Tabla 4. Tabla de comparación con la competencia basada en métricas

Realizada la tabla 4 se puede observar que el producto de la competencia que mejor se acerca a cumplir con las necesidades del cliente es la silla de ruedas Carony Go, aunque su precio es muy elevado, presta muy buen servicio al usuario en el proceso de abordar un automóvil, a pesar de ser un sistema que necesita de la modificación de un automóvil, es un sistema que presenta muy buenas características técnicas, en cuanto a peso, autonomía e independencia.

Métrica núm.

Núm. de

necesidad Métrica Imp. Unidades Carony Go Turny EVO

Grua

deBipedestaci

on y de

traslado way

up

1 2 Cantidad de piezas del sistema 4 Numero2 2 Tiempo para ensamblar 4 segundos

3 2,5,8,9Dimensión de piezas del sistema(Alto, Ancho,Largo)

5

mm

108 163, 542, 703 1040

4 2,8 Peso de piezas del sistema4

Kg93 84 28

5 3 Interfaz intuitiva5

SubjetivoSi Si Si

6 4 Velocidad respuesta del sistema4

m/s

7 4 Tiempo respuesta del sistema3

segundos2 3 2

8 7 Costo 3 COP 20.409.766 19.951.331 4.992.542

9 6 Resistencia a corrosión 5 mm/año10 10 Eficiencia energética 4 km 25

11 6 Resistencia a flexión 5 kN

12 5 Sistema seguro5

Lista 13 3 3

13 5 Sistema de control 5 Lista 2 con pantalla con pantalla Con pantalla

14 1 Intervenciones 4 Numero 6 5 7

34

6. GENERACIÓN DE CONCEPTOS En esta etapa del proyecto se lleva a cabo un desarrollo conceptual del producto a diseñar. Se consideran los parámetros y necesidades más relevantes que se definieron en el numeral anterior se puede elaborar un diseño que ejecute las tareas necesarias y a su vez cumpla con los requerimientos que conllevan a la obtención de un producto de calidad. 6.1. CAJA NEGRA Para comprender de manera más clara lo que debe hacer el sistema a diseñar se plantean los siguientes esquemas llamado caja negra, en donde se relacionan las entradas que el sistema requiere y las salidas que se tendrán. Figura 16. Caja negra

6.2. DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL Identificadas las entradas y salidas del sistema, se plantea ahora un nuevo esquema donde se muestran las operaciones internas que se dan dentro de la caja negra. En este nuevo esquema se evidencian los subsistemas que se necesitan para lograr la salida deseada.

35

Figura 17. Descomposición Funcional del Sistema

La figura 17 muestra la descomposición funcional del sistema. Así, centrándose en el diseño de cada una de estas partes y siguiendo las pautas que se obtuvieron haciendo el análisis de la calidad se puede obtener una solución al problema que cumpla con todas las necesidades del cliente y satisfaga al mismo tiempo los requerimientos que le dan calidad al sistema. De esta manera, considerando la conclusión obtenida con el análisis de la calidad se tiene la siguiente rama crítica que define los bloques funcionales sobre los cuales se debe centrar el esfuerzo de diseño. Figura 18. Rama crítica

6.3. DISEÑO DE CONCEPTOS El proceso de transbordo del usuario de silla de ruedas al interior de un vehículo particular se puede dividir en 3 fases mencionadas en la figura 18, que son las operaciones fundamentales que se deben realizar para asegurar la función de la maquina a diseñar. Para identificar que conceptos surgen de estas, se plantean interrogantes por cada fase, obteniendo:

Indicar la

posicion

adecuada

Iniciar

movimiento

Trasladar

usuario

36

• ¿Cómo indicar la posición adecuada del sistema? • ¿Cómo generar el inicio del movimiento para el trasbordo del usuario? • ¿Cómo realizar el traslado del usuario? Desarrollo de conceptos para cada interrogante. En este punto se plantean las posibles soluciones para cada interrogante. 6.3.1. ¿Cómo indicarla posición adecuada del sistema? Para resolver este primer interrogante se deben tener en cuenta dos pasos que deben cumplirse para poder dar inicio a la activación del sistema como se muestra en la figura 19. Para asegurar que la silla este frenada se utiliza un sensor, cuando esta esté frenada se activa el desplazamiento de la primera bandeja que se debe apoyar sobre la silla del automóvil para evitar cualquier tipo de volcamiento, confirmando su apoyo por medio de un sensor ubicado en los frenos de las ruedas. En las sillas de ruedas convencionales, el asegurado de la silla de ruedas se realiza manualmente accionando un freno a las ruedas, en sillas electrónicas con el bloqueo de ruedas igualmente, y además en ambos casos, se eligen los neumáticos de las ruedas con un alto grado de “agarre” para evitar el movimiento por deslizamiento.

Figura 19.Descomposición para la función de iniciar el transbordo del usuario

Ind

ica

r p

osi

ció

n a

de

cua

da

Verificar silla frenada

Asegurar estabilidad

para transbordo

37

6.3.1.1. Verificar la silla frenada. Para la verificación de la silla frenada se plantearon dos alternativas con diferentes tipos de sensores. • Alternativa 1. Asegurar silla mediante freno de silla de ruedas convencional y adaptar un final de carrera a la palanca de freno para conocer el estado de frenado de la silla. Figura 20. Funcionamiento de freno con final de carrera

Fuente: Silla de ruedas plegable 315mm Modelo X3(ancho 48cm) [en línea] Barcelona: Easy Way Healthcare, 2012 [consultado 29 de Septiembre 2016]. Disponible en internet: http://easy-way.es/movilidad-productos/silla-de-ruedas-plegable-315mm-modelo-x3-2/. • Alternativa 2. Asegurar silla mediante un freno convencional y adicionar un sensor capacitivo o inductivo para poder conocer el estado de la palanca de freno. Figura 21. Funcionamiento de freno con sensor capacitivo

Fuente: Silla de ruedas plegable 315mm Modelo X3(ancho 48cm) [en línea] Barcelona: Easy Way Healthcare, 2012 [consultado 29 de Septiembre 2016]. Disponible en internet: http://easy-way.es/movilidad-productos/silla-de-ruedas-plegable-315mm-modelo-x3-2/.

38

6.3.1.2. Asegurar estabilidad para transbordo. Dentro de este mismo interrogante se plantea la necesidad de conocer ¿Cómo asegurar la estabilidad de la silla de ruedas durante el proceso de trasbordo? Debido que se realizará un desplazamiento de peso modificando el centro de gravedad de la silla de ruedas, se debe prevenir el volcamiento o vibraciones que den la percepción de una condición no segura durante su funcionamiento. • Alternativa 1. Apoyo simple: Se refiere a cuando en el apoyo el nudo es incapaz de desplazarse en dos direcciones perpendiculares, sin embargo puede rotar. Se generan reacciones en las dos direcciones cuyo desplazamiento está impedido. Figura 22. Apoyo simple

• Alternativa 2. Contra-peso: se utiliza el contrapeso para conseguir la estabilidad, basándose en la ley de la palanca. Figura 23. Silla de ruedas con contrapeso

39

6.3.2. ¿Cómo generar el inicio del transbordo del usuario? Una de las necesidades generadas por los usuarios es que el sistema se pueda operar de una manera intuitiva, sin tener la mayor de elementos que se deban presionar, para mayor facilidad, por este motivo se generan dos conceptos pensando en este tipo de necesidades. • Alternativa 1. Se puede hacer un control del sistema por medio de una bornera con botones como se muestra en la figura 25. Figura 24.Control con botones

• Alternativa 2 Otra alternativa que se considero es por medio de una interfaz con pantalla táctil para controlar los movimientos del sistema. Figura 25. Control con pantalla tactil

40

6.3.3. ¿Cómo desplazar el usuario de la silla de ruedas al interior del vehículo? Una de las necesidades más importantes que se requiere satisfacer es que el sistema permita al usuario transbordarlo hacia o desde el vehículo a su silla de ruedas, por este motivo, es de vital importancia seleccionar un mecanismo que le permita al sistema hacer este traslado de un lado a otro de manera que no interfiera con la condición física del paciente. Para dar solución a esta necesidad se plantearon dos alternativas. • Alternativa 1. Mecanismo de desplazamiento de cuatro barras con tres posiciones. Figura 26. Mecanismo de desplazamiento de cuatro barras

• Alternativa 2. Mecanismo de piñón cremallera que se ilustran en la figura 27 dentro de la bandeja que esta sujetada a la silla del auto.

41

Figura 27. Mecanismo de piñón cremallera

6.4. TAMIZAJE DE CONCEPTOS Esta matriz tiene como objetivo la depuración de los conceptos seleccionados, comparándolos con cada requerimiento. Para evaluar los criterios seleccionados se tiene la siguiente nomenclatura: Tamizaje +: Mejor que, 0: igual a y -: peor que Cada criterio tendra un valor de 1 a 5 de acuerdo con su importancia relativa, siendo 5 muy importante y 1 poco importante. • ¿Cómo asegurar la silla de ruedas al desplazar el usuario? Debe ser seguro para el usuario, evitar que la silla no se deslice o se mueva en el proceso de trasbordo es esencial para asegurar la ejecución exitosa, por este motivo se debe conocer el estado del sistema de frenado de la silla de ruedas para realizar esta comparación se tiene como referencia el final de carrera.

42

Tabla 5. Tabla para selección de freno en silla de ruedas.

Criterios de selección Final de carrera Sensor capacitivo

Sensor inductivo

Costo 0 - - Consumo energético 0 - -

Durabilidad 0 - - seguridad 0 + + Positivos 0 1 1 Iguales 0 0 0

Negativos 0 3 3 TOTAL 0 -2 -2 Orden 0 2 3

¿CONTINUAR? SI NO NO

Teniendo en cuenta la tabla 5, se seleccionó el final de carrera para conocer el estado de la palanca de freno de la silla de ruedas por sus diferentes características. • ¿Cómo asegurar la estabilidad de la silla de ruedas en el proceso? Debe ser seguro para el usuario, evitar que la silla no presente ningún tipo de volcamiento al alejarse de su centro de masa en el proceso de transbordo, para realizar esta comparación se tiene como referencia el apoyo simple. Tabla 6. Tabla de selección para estabilidad de silla de ruedas

Criterios de selección Apoyo simple Contra peso

Costo total 0 - Consumo energético 0 - Fácil implementación 0 +

seguridad 0 - Positivos 0 1 Iguales 0 0

Negativos 0 3 TOTAL 0 -2 Orden 0 2

¿CONTINUAR? SI NO

43

Con este tipo de apoyo se asegura la estabilidad del usuario en el proceso de transbordo, teniendo en cuenta los criterios de selección. 6.5. ANALISIS Y COMBINACION DE CONCEPTOS Teniendo cada uno de los posibles elementos a usar en las funciones del sistema descritos anteriormente se pueden obtener las siguientes combinaciones mostradas en la tabla 7. Tabla 7. Combinación de conceptos

Concepto Tipo de freno Tipo de sujeción

Tipo de interfaz

Tipo de mecanismo

1 Freno convencional

Apoyo simple

Control con pantalla

Mecanismo de 4 barras

2 Freno convencional

Apoyo simple

Control con pantalla

Mecanismo de piñón cremallera

3 Freno convencional

Apoyo simple

Control con botones

Mecanismo de 4 barras

4 Freno convencional

Apoyo simple

Control con botones

Mecanismo de piñón cremallera

Al observar la tabla 7 se encuentra que solo se tienen cuatro subsistemas (tipo de frenos, tipo de sujeción, tipo de interfaz y tipo de mecanismo) de los 10 que se plantearon en la descomposición funcional, esto debido a que estos subsistemas hacen parte de la rama crítica y son aquellos sobre los cuales se debe centrar el esfuerzo de diseño. 6.6. SELECCIÓN DE CONCEPTOS De acuerdo a los conceptos seleccionados anteriormente, se obtienen las siguientes alternativas que compondrán las posibles mejores soluciones para el diseño final:

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Analizando las diferentes combinaciones es posible descartar una serie de ellas. Así las combinaciones que contienen en su estructura el uso de un tipo de interfaz con pantalla, ya que esta puede resultar de alta complejidad al momento de ser utilizada por el usuario, además que genera un gasto energético superior al que tiene un sistema de control con botones, retirando este tipo de interfaz tenemos la siguiente tabla Tabla 8. Conceptos generados

Concepto Tipo de freno Tipo de sujeción

Tipo de interfaz

Tipo de mecanismo

1 Freno convencional

Apoyo simple Control con botones

Mecanismo de 4 barras

2 Freno convencional

Apoyo simple Control con botones

Mecanismo de piñón cremallera

Se seleccionó el concepto 2 de la tabla 8 como diseño a desarrollar, ya que se hizo previamente un análisis estático y cinemático del mecanismo de 4 barras del concepto 1 y se pudo observar que al realizar un sistema con dicho mecanismo, la estructura soporte de la silla de ruedas tendría que tener dimensiones poco convencionales para poder realizar el transbordo del usuario, se consideró hacer una base extensible para poder mantener en equilibrio la estructura pero cuando se realizó el análisis dinámico del sistema (Ver anexo H) se calculó el torque necesario para mover el sistema, y este dio un valor demasiado alto (Ver anexo J), torque que podría otorgar un motor de cualquier tipo AC o DC pero con dimensiones muy robustas, incumpliendo una de las necesidades del sistema que es portabilidad. Por estos motivos se descartó el realizar el diseño del sistema para transbordar con un mecanismo de cuatro barras y se seleccionó un mecanismo de piñón cremallera.

45

7. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO A continuación se desarrolla la arquitectura del producto que puede considerarse tanto en elementos funcionales como en físicos, los elementos físicos serán los componentes o partes que hacen uso o relacionan las funciones del sistema y los elementos funcionales son los que permiten ejecutar las acciones que contribuyen al funcionamiento del sistema. Por medio de la arquitectura del concepto seleccionado, se puede observar de forma detallada las funciones que tiene cada uno de los componentes electrónicos y mecánicos en el sistema: la etapa de control por medio de un Arduino, la etapa de ejecución del transbordo del usuario y la etapa de verificación que permite dar por terminado el proceso de transbordo y regresa la silla a su posición estable inicial. Figura 28. Arquitectura del producto

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En la figura 28 se puede observar que la arquitectura del producto es de tipo modular, ya que sus elementos realizan dos o tres funciones y la división de los subsistemas está definida, este tipo de arquitectura permitirá realizar una significativa reducción en los procesos de diseño, ensamble y manufactura. 7.1. ESQUEMA DEL PRODUCTO En la figura 29 se muestra el diagrama que representa la idea que se tiene del sistema con los elementos constitutivos del producto. Figura 29. Esquema del producto

Posterior a la creación del esquema del producto se generaron las interacciones entre los conjuntos.

47

Figura 30. Interacciones entre conjuntos

Como se muestra en la figura 30, el sistema contara con 6 conjuntos, el chasis, alimentación, sensores, control movimiento y el transbordo, que mediante las interacciones planteadas se podrá obtener el funcionamiento adecuado y el cumplimiento del objetivo principal de este documento.

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8. INGENIERÍA DETALLADA A continuación se muestra el diagrama del sistema diseñado para realizar el transbordo de las personas sillas de ruedas. Figura 31. Diagrama de proceso de abordaje de silla de ruedas al vehículo.

Definidos los conceptos y la estructura sobre la cual se desarrollara el proyecto se procede con el diseño del sistema que permita realizar el transbordo del usuario de silla de ruedas, en esta etapa del documento se expone el diseño y los cálculos necesarios para dimensionar los elementos necesarios para él, que permitan al usuario realizar el trasbordo desde la silla de ruedas hacia el automóvil sin necesidad de interferir con su condición física, pues se tomaron medidas de las puertas delos carros para poder diseñar el mecanismo como se muestra en la figura 32.

49

Figura 32. Trasbordo de usuario

8.1. SILLA Esta silla es diseñada específicamente para esta tarea, debido que deberá desplazarse, permitirá al usuario ubicarse en una posición segura mientras esta se encuentra en movimiento, evitando de esta manera riesgos de atrapamiento en las extremidades con poca o nula sensibilidad. Esta silla se compone de cuatro partes principales, las cuales son: un respaldo o espaldar, un asiento, reposa piernas y un plato giratorio. Cuando la herramienta esté en funcionamiento, se desprenderá de la base y se desplazará por los rieles que se aseguran al vehículo. Figura 33. Diseño de la silla

50

Otra característica importante en el diseño de la silla es la ubicación del plato giratorio en la parte inferior y en el centro, ya que se desea que el peso del usuario y de la silla mostrada en la figura 33 se transfiera como una fuerza puntual a la bandeja que soporta la silla, para luego considerar que el peso se distribuye de forma uniforme sobre los dos rieles que contiene la bandeja que lo soporta que es llamada bandeja 1, como se muestra en la figura 34, este plato permitirá al usuario ubicar la silla en posición paralela a la silla del vehículo al cual será transbordado. Figura 34. Silla del sistema y plato giratorio

8.2. ESTRUCTURA DE SOPORTE Al desplazar la silla de la base, se desplazará a su vez, el centro de gravedad de la herramienta rompiendo la estabilidad de la estructura, por esta razón es necesario contar con un soporte anti volcamiento, el cual consiste en un soporte horizontal que irá soportado entre la estructura base y el asiento del vehículo, al ser liviano no implicara un riesgo a la estabilidad del sistema, y posteriormente servirá para hacer la conexión entre la silla de ruedas y el vehículo, tal como lo hace un puente, permitirá el desplazamiento de la silla sobre este soporte. Figura 35. Soporte de conexión entre la silla de ruedas y el auto (Bandeja 1).

51

De esta forma se asegura la estabilidad y la seguridad del usuario al ser desplazado desde la silla de ruedas al vehículo evitando un volcamiento por la fuerza resultante del peso del usuario. Figura 36. Soporte apoyado en la silla listo para realizar transferencia

8.3. CALCULOS PARA DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA Se realizó los cálculos de los elementos principales del sistema como lo son los pasadores, donde se concentraran los mayores esfuerzos del sistema, la bandeja 1 que realiza el traslado del usuario, y la estructura de soporte en forma de tijera. 8.3.1. Pasadores. La fuerza vista en uno de los extremos de una de las barras de la estructura soporta un cuarto de la fuerza máxima total que está determinada por 120Kg, es decir F=294N.

52

Figura 37. Diagrama de cuerpo libre sobre una barra de la estructura de la silla

∑ = 0 ∑ → + − 294 = 0 = −294 ∑ = 0 ∑ → ∗ 0.3 − 294 ∗ 0.6 = 0 = 588 Se realizó el cálculo del factor de seguridad para los pasadores teniendo en cuenta el material seleccionado que es un acero AISI 1018 y sus características, la confiabilidad que se espera del sistema que es del 99,9% y un coeficiente de variación de carga calculado teniendo en cuenta la desviación de la carga soportada por el sistema, teniendo en cuenta diferentes escenarios donde la carga varía dependiendo de los tipos de usuarios que podrían hacer uso del sistema teniendo en cuenta el peso máximo al que está diseñado el sistema que son 120Kg. Se obtuvo una media de 77,69 y una desviación estándar de 11,69.

53

Con esto se calculó teniendo en cuenta la distribución normal tomada de la tabla en el anexo B. = 0.4404 Figura 38. Selección de material para pasadores

Confiabilidad del 99,9% nos da un z= -3.09 El valor de depende del material, en este caso el acero 1018, para el cálculo de este, se tomaron los valores de y de (ver anexo A). = 0.0573 Se hizo uso de la siguiente ecuación, reemplazando los valores anteriormente nombrados

= 1 + !1 − (1 − #$$)(1 − #$$)1 − #$$ (1)

54

Y se obtuvo un factor de seguridad de 2,47 para los pasadores, con este valor y conociendo el límite elástico del material se calculó el radio mínimo para los pasadores de la estructura. = '

Donde = (

De aquí se despeja el área y se obtuvo que el radio mínimo para los pasadores fue de = 0.8)) * = 1.2)) = 0.8)) Se seleccionaron los pasadores para el sistema Din 7 con dimensiones de 20mm de longitud y 3 mm de diámetro (Ver anexo C). 8.3.2. Bandeja 1. Para calcular el factor de seguridad para la bandeja que realiza el transbordo del usuario se tuvo en cuenta una confiabilidad del 99,9%, además de tener en cuenta las características mecánicas del material que se seleccionó, que en este caso es el aluminio 7075 por sus diferentes características en relación a su densidad y módulo de Young como se muestra en la figura 39.

55

Figura 39. Selección material bandeja 1

Se hizo el cálculo de la coeficiente de variación de la carga, teniendo en cuenta diferentes escenarios donde la carga varía dependiendo de los tipos de usuarios que podrían hacer uso del sistema teniendo en cuenta el peso máximo al que está diseñado el sistema que son 120Kg. Se obtuvo una media de 77,69 y una desviación estándar de 11,69. Con esto se calculó teniendo en cuenta la distribución normal tomada de la tabla en el anexo B. = 0.4404 Confiabilidad del 99,9% nos da un z= -3.09. El valor de depende del material, en este caso el aluminio 7075, para el cálculo de este, se tomaron los valores de y de (ver anexo A). = 0.03108 A partir de la ecuación 1 se obtuvo el valor de Fs= 2.38

Young's modulus (GPa)66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81

De

nsit

y (

kg

/m

^3

)

2500

2600

2700

2800

2900

3000

Aluminum, 6063, wrought, T6

Aluminum, 6061, wrought, T6

Aluminum, 7075, wrought, T6

Aluminum, 7075, wrought, O

56

En la aplicación del sistema se desarrollan dos movimientos principales, los cuales son, posicionamiento de la bandeja 1 y traslación de la persona, donde el más crítico y digno de estudio es la traslación de la persona. Durante el movimiento el sistema cambia de posición a la persona, dinamizando así las fuerzas que soporta la estructura. A continuación se desarrolla un estudio dinámico de las reacciones en la bandeja 1: Figura 40. Variación de la reacción en los apoyos de la bandeja 1 respecto al cambio de posición.

Con el valor máximo de la reacción que se genera en la bandeja 1 mostrado en la figura 40 (294N) se calculó el espesor de la sección transversal para la lámina necesario para resistir los esfuerzos de flexión, teniendo en cuenta la longitud de la base de 0,41mm. + = ,-,./ )010). = 3,98)) Mediante el software SolidWorks se generó el análisis de deformación como se muestra en la figura 41, donde se muestra la máxima deformación que se genera con el material aluminio 7075, teniendo en cuenta la distribución de la carga (peso de la persona para el análisis 120Kg) en dos partes iguales sobre los rieles de guía que contiene esta bandeja, se simulo considerando que esta se encuentra soportada sobre la pestaña trasera en la silla del automóvil, y con 10 cm de apoyo dentro de la estructura.

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Figura 41. Análisis estático de deformación bandeja 1

8.3.3. Estructura tijera. El diseño de la base se elaboró como un sistema de tijera para distribuir de manera uniforme las fuerzas sobre cada barra, se estimó una altura promedio entre una muestra que se realizó en automóviles tipo sedán, obteniendo una altura de 60 cm de altura desde el suelo hasta la silla del automóvil para poder realizar el transbordo. El análisis que se realizó para conocer las fuerzas en las barras de la estructura se muestra en la figura 42. Figura 42.Dimensionamiento de la estructura de la silla de ruedas

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Se realizó análisis estático para calcular el valor de las reacciones en las barras que soportan la carga del sistema (usuario). Figura 43.Diagrama de fuerzas de la barra A-C

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∑ = 0 ∑ → − 3 − 300 = 0 3 = 300 − 3 = 300 − ∗ sen(39.87°) = −648.55 ∑8 = 0 ∑8 → 38 − 8 = 0 38 = 8 38 = 1135.6 0) ≤ :; ≤ 0.3) ∧ 0) ≤ :$ ≤ 0.25) ∑ = 0 ∑ → 3 ∗ :; + 38 ∗ :8 − = 0 = −3 ∗ :; − 38 ∗ :$ = 648.55 ∗ :; − 1135.6 ∗ :$ Por medio del teorema de Pitágoras podemos obtener la fuerza cortante V en la sección es: 3 = =38$ + 3$ = 1307.7

Ahora se analizara la segunda sección.

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Figura 44. Análisis de fuerza sobre pasadores en la barra A-C

∑ = 0 ∑ → − * − 3 − 300 = 0 3 = − 300 − * 3 = −299.6 ∑8 = 0 ∑8 → 38 + *8 − 8 = 0 38 = 8 − *8 38 = 136.6

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0.3) ≤ :; ≤ 0.6) ∧ 0.25) ≤ :$ ≤ 0.5) ∑ = 0 ∑ → * ∗ 0.3) + 3 ∗ :; + 38 ∗ :$ + *8 ∗ 0.25) − = 0 = −3 ∗ :; − 38 ∗ :$ − * ∗ 0.3) − *8 ∗ 0.25) = −3 ∗ :; − 38 ∗ :$ − 250. ) − 249.7. ) = −3 ∗ :; − 38 ∗ :$ − 499 . ) La fuerza cortante V en la sección es: 3 = =38$ + 3$ = 328

Se calculó el factor de seguridad usando el factor de diseño en la bandeja 1, y se procedió a calcular la geometría adecuada que soportara las cargas calculadas para la estructura. = '

Teniendo en cuenta el anexo D se seleccionó un perfil rectangular que tiene un espesor de 0,01m debido a que la longitud total de los pasadores es de 0,02m, esto permite calcular el ancho de las barras para definir completamente la geometría. (1>+. = 0,05) 8.4. ANALISIS CINEMATICO DEL SISTEMA Para realizar el análisis cinemático del sistema piñón cremallera se tuvieron en cuenta las condiciones a las que se quiere someter el usuario, como lo son el tiempo y la velocidad del desplazamiento.

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En la gráfica 1 se muestra representado el desplazamiento en función del tiempo de la bandeja 1(ver figura 45) y bandeja 2 (ver figura 45), teniendo en cuenta los tiempos de programación de activación del sistema, y respuesta de este. Figura 45. Ilustración de bandejas

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Grafica 1. Grafica de posición Vs tiempo del sistema

La grafica 2 muestra el comportamiento de la velocidad del sistema proporcionado por la ecuación ? = @A@B . Grafica 2. Grafica de Velocidad Vs tiempo del sistema

Por último se genera una gráfica de aceleración en función del tiempo, teniendo en cuenta la ecuación numero ? = ?C + DEF como se muestra en la gráfica 3.

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Grafica 3. Grafica de Aceleración Vs tiempo del sistema

8.5. CALCULO DE MOTOR SISTEMA DE PIÑÓN CREMALLERA Para el diseño y selección de estos elementos, Se tuvo en cuenta un tiempo de estabilización del sistema de 3 segundos, y una velocidad del sistema de 0.03) ⁄ , a esto se le determino la aceleración lineal que dio un valor de 0.01) $H . Teniendo en cuenta, las variables conocidas como lo son la masa máxima que se va a desplazar por la cremallera, la velocidad y aceleración de la misma; se pueden encontrar en tablas de selección de cremalleras y de piñones teniendo en cuenta el número de dientes y modulo. IB = J. (9.81 + D) Donde IB es la fuerza tangencial horizontal, P es la masa a trasladar, μ el coeficiente de rozamiento, y a la aceleración lineal del sistema.

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Se realizaron los cálculos teniendo en cuenta una masa a trasladar de 120Kg, y un coeficiente de fricción de 0.0049 teniendo en cuenta los rieles que realizaran el desplazamiento que se determinaron para el sistema que son de la marca Hiwin de la serie WE. IB = 11.81 Teniendo en cuenta las medidas del espacio disponible para ubicar el piñón y la cremallera, se seleccionaron estos elementos de acuerdo a fabricantes en el mercado. Figura 46. Selección de piñón

Fuente: Engranes rectos [en línea] España, Indarbelt, [Consultado el 29 de Septiembre de 2016], Disponible en internet: http://www.indarbelt.net/pdf/engranes/rectos1.pdf.

9Guías lineales- Información técnica,[en línea] HIWIN [consultado el 30 de septiembre de 2016] Disponible en internet en:http://www.rodalsa.net/wp-content/uploads/2015/06/guias-lineales-hiwin.pdf.p.1.

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Se realiza selección del número de revoluciones sobre el piñón teniendo en cuenta la velocidad lineal anteriormente mencionada de 0.03)/. ,? = (3 ∗ 60000)/(L- ∗ M) ,? = 23.8 J Y por último se determinó el par de giro sobre el piñón = N- ∗ IB/2000. O Se espera un rendimiento del 90% del sistema piñón cremallera = 0.1418) Con estos datos se seleccionó la cremallera con las especificaciones del piñón, es decir mismo modulo y longitud de la cremallera necesaria para la bandeja.

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Figura 47. Selección de cremallera

FUENTE: Cremalleras [en línea]. España, Indarbelt, [Consultado el 29 de Septiembre de 2016], Disponible en internet: http://www.indarbelt.net/pdf/engranes/cremalleras.-pdf Con los cálculos del torque necesario para desplazar la masa y las RPM del sistema, se seleccionó el siguiente motor10

10 DC Motors M42x15l [en línea] España, KAG excellent drives [Consultado el 29 de Septiembre de 2016], Disponible en internet: http://www.kag-hannover.com/en/products/motors/dc-motors/

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Figura 48. Motorreductor Seleccionado y Especificaciones Técnicas

FUENTE: DC Motors M42x15l [en línea] España, KAG excellent drives [Consultado el 29 de Septiembre de 2016], Disponible en internet: http://www.kag-hannover.com/en/products/motors/dc-motors/ 8.6. ANALISIS DE FRECUENCIA DEL SISTEMA Se realizó un análisis de frecuencia para la estructura de soporte de la silla de ruedas para determinar si la estructura de soporte se ve afectada por el uso del mecanismo.

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Figura 49.Analisis de frecuencia para el sistema

Por medio del software Solidworks se realizó el análisis obteniendo como resultado las 5 primeras frecuencias del sistema, para el análisis se trabaja con la frecuencia fundamental. Figura 50. Frecuencias obtenidas para la estructura de soporte

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El resultado que se toma es el periodo correspondiente a la frecuencia natural (0.018348 segundos), con fines de interpretación. Dado que: El traslado del usuario es lo que se toma como carga sobre el sistema. Dicho traslado toma un tiempo de 30 s. Este tiempo es mucho mayor que el período correspondiente a la frecuencia natural de la estructura que soporta la carga. Se concluye que el efecto de la carga sobre la estructura es cuasi-estático, es decir, que cada lapso de tiempo (digamos segundo a segundo desde cero a 30 s) podemos analizar la estructura por métodos estáticos. No es necesario considerar efectos inerciales (fuerzas debido al producto masa por aceleración), que son los que caracterizan un análisis dinámico propiamente dicho. 8.7. CONTROL 8.7.1. Estrategia de control. El objetivo del control es poder mantener el sistema a una velocidad constante de 0.03m/s durante el recorrido del usuario al realizar el transbordo, por esta razón se modeló el comportamiento del motor que se utilizará teniendo en cuenta especificaciones técnicas y características de un

motor DC de 12 V como lo son el momento de inercia (PQ = 0,006 RST∗QU;CV∗U W),y el

momento de inercia de la persona (P = 0.1693)$) la constante de torque (XY =0,024 RZQ W), la constante de amortiguamiento (Kb=0,18 [)]) y la resistencia

interna del motor([ = 1.5 [Ω]). Para esto se realizó un análisis para encontrar la función de transferencia del sistema teniendo en cuenta que la entrada al sistema será el voltaje y lo que se desea controlar es la velocidad angular del motor. Partiendo de la figura 51

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Figura 51. Esquema electrónico de un motor DC

El circuito cerrado se compone de una fuente alimentadora, la resistencia de armadura del motor y su bobina. Aplicando la ley de Kirchhoff se tiene: 3 = 0[[ + ][ N0[NF + ^ (2)

Donde V es el voltaje de la fuente, ia la corriente de armadura que recorre el circuito, Ra la resistencia de armadura del motor, La la inductancia de la bobina de armadura del motor y la E representando la caída debido a la fuerza electromotriz ejercida por el motor. La suma de las caídas de voltaje es igual a la fuente de voltaje. En primera parte tenemos la caída de voltaje en Ra que es hallada usando la ley de Ohm, luego la caída en la bobina de armadura del motor y la última que es debida a la fuerza electromotriz producida en el motor. Su ecuación está dada por: ^ = X_` (3) Donde Kb es la constante de fuerza electromotriz y w la velocidad angular. Para efectos de análisis es necesario encontrar una ecuación que relacione la corriente de armadura ia y el torque electromagnético Te. Viene dada por: ab = XY0[

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0[ = abXY (4)

Donde KT es la constante de torque. Ahora es necesario definir el torque electromagnético en términos de w: ab = PQ NcNF + LQ` (5)

Donde Jm es el momento de inercia del eje, piñones y demás elementos que interactúan en el movimiento y Dm el coeficiente de fricción. Se tiene así un modelo matemático, reemplazando (3), (4) y (5) en (2):

3 = X_` + [ dPQ NcNF + LQ`eXY + ][fggghN iPQ NcNF + LQ`XY j

NFklllm (6)

Para simplificar cálculos se desarrolla la transformada de Laplace: 3() = X_`() + ([ + ][) abXY

Se desprecia la inductancia del motor y el coeficiente de fricción y se obtiene la función de transferencia `()3() = XQ1 + n (7)

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Donde XQ = 1op

n = [PQX_XY

Reemplazando los valores en la ecuación (7) se obtiene: `()3() = 5,5561 + 58.8 Analizando la planta del motor se tiene una ganancia de 5,6 y un tau de 58.8 segundos, dando así un tiempo de estabilización 0,01 segundo aproximadamente, lo cual es rápido para el diseño. Se requiere llegar a una velocidad constante en 3 [s]. Se considera para el tipo de aplicación un control tipo PI, porque da la posibilidad de modificar el tiempo de estabilización y el sobre impulso en la salida del sistema. De este se conoce que la función de transferencia es: 3()^() = qXr + Xs t

Donde Kp es la ganancia del controlador proporcional y Ki la ganancia del integrador en el controlador.

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Figura 52.Esquema del controlador PI con el motor

Desarrollando la nueva función de transferencia se halla que el sistema pasa de primer orden a segundo orden, cambiando así su comportamiento: X1 + n → u1$$ + 2u1v + u1$

De acuerdo con los requerimientos del diseño, se tiene un tiempo de estabilización de 3 [s] y un menor sobreimpulso posible. Obteniendo así un Wn de 29.412 y un v de 1. 865.052$ + 58.823 + 865.052 = 2666.7X0$ + (2666.7Xr + 480) + 2666.7X0 Igualando el comportamiento deseado con la ecuación encontrada del sistema con el control se obtiene un Kp de 622 y un Ki de 9150.

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Figura 53. Respuesta del sistema

El resultado obtenido es el esperado, una salida sin sobreimpulsos y que llega a su estado estacionario en tres segundos. 8.7.2. Diseño de la secuencia lógica del funcionamiento del sistema. El programa está compuesto por un programa principal, donde se reciben las señales de autorización para inicio y confirmación de finalización de la operación, además de las señales enviadas por los sensores ubicados en el sistema.

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Figura 54. Diagrama de flujo del sistema de control

8.7.3. Evaluación de conceptos. Inicialmente se seleccionaron 3 posibles microcontroladores los cuales fueron el PIC18F52, El Arduino UNO y el PLC OmromCj1m. Se realizaron los respectivos análisis técnicos de cada uno de los microcontroladores y por último se compararon entre ellos para seleccionar el microcontrolador que más se ajustara a los requerimientos y criterios del proyecto.

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Tabla 9. Evaluacion de conceptos microcontroladores

Item PIC16F753 Arduino UNO PLC Omron Cj1m

Costo $5.000 pesos $26.000 pesos $680.000 pesos

Conectividad Serial

USART USART USART

Bajo Consumo

Si Si Si

ADC 10 Bits 10 Bits 10 Bits CPU 8 Bits 8 Bits 8Bits

Pines I/O 9 14 10 I2C Si Si Si

Debido a que la aplicación del sistema no requiere mucha capacidad, se opta por usar el Arduino por su cantidad de entradas digitales, que permite al sistema no necesitar de un módulo de extensión para entradas, su facilidad de programación y su bajo costo.

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9. PRESUPUESTO Con el fin de conocer la viabilidad del proyecto se realizó el presupuesto requerido por parte de los componentes utilizados para el sistema mostrado en la tabla 10 y se realizó el flujo de fondos para el sistema. Tabla 10.Lista de componentes

INVERSIÓN Sistema mecánico Cant. Valor unitario Valor total

Lamina AISI 7075 1 21000 COP 21.000 Lamina AISI 1018 30 300 COP 9.000 Lamina acero AISI 7075 8 500 COP 4.000 tornillo AISI 7075 2 1000 COP 2.000 Perfil tubo AISI 7075 3 2500 COP 7.500 Lamina AISI 1018 1 2700 COP 6.000 Cremallera 1 245183 COP 245.183 Piñón 1 162000 COP 162.000 Riel 2 424.000 COP 848.000 Rodamiento 10 7.267COP 72.674 Plato giratorio 1 11.619 COP 11.619 Carrito del riel 4 324.000 COP 1.296.000 Soporte de llantas y ruedas 4 40000 COP 160.000

Sistema de control Cant. Valor unitario Valor total Sensor de velocidad KLH512 1 13000 COP 13.000 Arduino UNO 1 36000 COP 36.000 Motor DC M42x15/l(12V) 1 90000 COP 90000 Pestillos electrónicos 2 43.641 COP 87.282 Final de carrera 4 2000 COP 8.000 TOTAL

3’094.758

El diagrama de flujo de fondos se encuentra anexo en el anexo F. 9.1. ANALISIS DEL FLUJO DE FONDOS Tasa interna de retorno. Es el promedio de los rendimientos futuros esperados de dicha inversión, y que implica por cierto el supuesto de una oportunidad para

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"reinvertir". Tasa de descuento con la que el valor actual neto o valor presente neto (VAN o VPN) es igual a cero. La TIR puede utilizarse como indicador de la rentabilidad de un proyecto: a mayor TIR, mayor rentabilidad; así, se utiliza como uno de los criterios para decidir sobre la aceptación o rechazo de un proyecto de inversión. Para ello, la TIR se compara con una tasa mínima o tasa de corte, el coste de oportunidad de la inversión (si la inversión no tiene riesgo, el coste de oportunidad utilizado para comparar la TIR será la tasa de rentabilidad libre de riesgo). Si la tasa de rendimiento del proyecto - expresada por la TIR- supera la tasa de corte, se acepta la inversión; en caso contrario, se rechaza. Con una tasa oportunidad del 1%, el proyecto retorna el 0,08% por lo cual, se concluye que la viabilidad es alta, aumentando al doble la productividad y solventando los costos debidos a lesiones ergonómicas de los operarios. De la elaboración del flujo de fondos se logró determinar, teniendo en cuentas todos los gastos que involucran el lanzar el sistema al mercado y obtener un 25% de ganancia por cada venta, el precio debe ser de $6`004.448 COP.

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10. CONCLUSIONES Se concibió un aparato para el transbordo de una persona entre el exterior y el interior de un automóvil, basado en un mecanismo piñón-cremallera y rieles. Éste permite la utilización de un torque mucho menor al de otras alternativas del tipo mecanismos de cuatro barras (ver Anexo G). El diseño atendió requerimientos de seguridad y ergonomía aplicables al caso. El análisis cinemático del sistema se restringió a valores apropiados de la aceleración para la persona, y sus resultados se utilizaron para la determinación de las características de la fuente de potencia (motor eléctrico). Un análisis de frecuencia sugirió que la estructura podía modelarse como un sistema cuasi-estático, y en su diseño se tuvo en cuenta la facilidad de conseguir insumos para su construcción en el mercado local. Las restricciones impuestas por el ángulo de apertura de puertas y tamaño de acceso en vehículos automóviles obligaron a un concepto de diseño fundamentalmente mecatrónico. En contraste con la idea inicial en que dominaba el aspecto de una silla de ruedas convencional, el diseño final presenta ruedas de tamaño significativamente menor. Ante el impacto que tendría un sistema de control avanzado en el costo de un prototipo, se considera que un control por medio de Arduino® lograría el propósito de tener un solo elemento tipo programador lógico capaz de realizar las funciones del diseño presentado. En cualquier caso el diseño es modular en este aspecto, de manera que existe la posibilidad de tener versiones con distintos niveles de automatización. El sistema presentado puede constituir una alternativa significativamente más económica a las disponibles en el mercado: en nuestro caso el costo total ronda los COP$ 6.000.000, mientras que un producto actualmente disponible y que cumple con el mismo fin vale alrededor de COP$30.000.000 (precios de 2017). Esta diferencia se debe, fundamentalmente, a que se elimina la necesidad de hacer modificaciones al vehículo que, por lo demás, pueden afectar su estética y funcionalidad. El sistema diseñado es parte de un proyecto más grande en el que la intención la automatización completa del proceso de transbordo de una persona entre la silla

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de ruedas convencional y un vehículo automóvil. Además, se contempla como requerimiento que la base del aparato pueda guardarse en el vehículo.

82

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ANEXOS

Anexo A. Resistencias estocásticas a la cedencia y última para materiales seleccionados

Fuente: SHIGLEY, Joseph. Diseño en ingeniería mecánica: Apéndice A. 8 ed. Mexico: Mc Graw Hill,2008. p. 1023.

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Anexo B. Función de distribución acumulada de la distribución normal (gaussiana)

Fuente: SHIGLEY,Joseph.Diseño en ingeniería mecánica: Apendice A. 8 ed. Mexico: Mc Graw Hill, 2008. p.1001.

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Anexo C. Tabla de pasadores comerciales de aluminio DIN 7

Fuente: Pasador cilíndrico [en línea].Barcelona: Hispanox S.A [consultado 15 de enero de 2017]. Disponible en internet: http://www.hispanox.com/downloads/Catalogo_general_Hispanox.pdf

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Anexo D. Tabla de pletinas comerciales de aluminio

Fuente: Perfiles normalizados de aluminio [en línea]: Pletinas de aluminio. Vitoria: Alu-trock S.A. [consultado el 12deenero de 2017].Disponible en internet: http://www.alu-stock.es/es/aluminio-industria/perfiles-normalizados/pletinas/

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Anexo E. Manual de operación.

Componentes del sistema. Arduino UNO: Dispositivo lógico programable (con sus módulos de entradas y salidas, y de comunicación), se encarga de realizar la detección de las diferentes entradas para la activación y accionamiento del motor. Además de permitir la coordinación de los elementos actuadores en tiempo real. Motor DC: El motor DC transforma energía eléctrica en mecánica, haciendo rotar el engrane que trabaja en conjunto con la cremallera, cuando el piñón gira, sus dientes empujan los de la cremallera, provocando el desplazamiento lineal de esta. Pestillos electrónicos: Se trata de un pasador automático que se acciona eléctricamente, al accionarse bloquea la silla a la cremallera para permitir el desplazamiento de esta. Bloqueo de ruedas: Bloqueo de ruedas, es el dispositivo utilizado para detener y mantener la posición fija de la herramienta para el trasbordo. Interfaz del usuario: La interfaz para accionar la herramienta de transbordo consiste en un mando manual, posee en un botón de “INICIO” y uno de “FIN”, los cuales serán las señales para iniciar transbordo y confirmar que se realizó completamente el transbordo respectivamente.

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Además de estos botones de control, contará con las señales luminosas que indicarán que la herramienta, se encuentra en funcionamiento (NARANJA), error en proceso (ROJO), modo reposo (VERDE).

Modo de funcionamiento y configuración: ENCENDIDO Y APAGADO DE LA MAQUINA La herramienta permanecerá encendida en todo momento esperando la señal de inicio, para quitar la energía de la maquina será necesario desconectar primero el conector al lado negativo de la batería. PUESTA EN MARCHA Acerque lo máximo posible la silla de ruedas al vehículo, de forma que el usuario quede dando la espalda al asiento del vehículo al cual desea acceder, una vez en esta posición, accione el bloqueo de las ruedas, una vez accionado el bloqueo verifique que la herramienta realmente se encuentra en una situación que no represente un riesgo para el usuario, en caso contrario por favor reubique la silla, posteriormente, pulse el botón “INICIO” del control manual, la bandeja deberá llegar a contactar la silla del vehículo, cuando esto suceda escuchara un “click” serán los pestillos eléctricos que han asegurado la silla e iniciará a desplazarse hacia el vehículo, una vez llegue al extremo final la silla estará conectada con la silla del vehículo, en este momento se puede hacer el trasbordo con seguridad y facilidad, una vez se encuentre en la silla del automóvil, accioné el botón “FIN”. La herramienta regresara a su posición y podrá ser transportada al interior del vehículo. SEÑAL DE ERROR: En caso de que la herramienta indique error (indicador luminoso ROJO), quiere indicar que hay un inconveniente en el proceso, este puede ser: -La silla de ruedas no está ubicada lo suficientemente cerca del vehículo. -el tiempo para confirmar el descenso del usuario fue muy largo. -el bloqueo de las ruedas no está accionado o su funcionamiento no es correcto.

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Anexo F. Flujo de fondos del proyecto

Concepto M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8

Costo de desarrolloProceso de diseñomano de obra 1.534.300 1.534.300 1.534.300 1.534.300 1.534.300

equipos y software 5.566.758

Prototipado

Simulacion 500.000Manual de proceso 250.000

m.o. 1.500.000

materiales 80.000

Subtotal (-) 7.101.058 1.534.300 1.534.300 1.534.300 1.534.300 500.000 0 1.830.000

Costo de diseño detall y montajemano de obra 1.300.000

instrumentacion 408.800

materiales mecanicos 407.183

Total Maquinaria de depresiacion 815.983 65.279

Subtotal (-) 2.115.983

Costo de producciónCosto Fijo 750.000

Cantidad 2

Costo de Produccion Unitario 2.115.983

Costos de producción totales (-) 4.981.966

Ingresos

Cantidad 2

Precio de venta 2.644.979

Salvamento 7.250.000

Ingresos totales (+) 5.289.958

FLUJO NETO -7.101.058 -1.534.300 -1.534.300 -1.534.300 -1.534.300 -500.000 -2.115.983 -2.272.009

M9 M10 M11 M12 M13 M14 M15 M16 M17

65.279 65.279 65.279 65.279 65.279 65.279 65.279 65.279 65.279

750.000 750.000 750.000 750.000 750.000 750.000 750.000 750.000 750.000

4 6 8 8 8 8 8 8 8

2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983

9.213.932 13.445.898 17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864

4 6 8 8 8 8 8 8 8

2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979

7.250.000 7.250.000 7.250.000 7.250.000 7.250.001 7.250.002 7.250.003 7.250.004 7.250.005

10.579.915 15.869.873 21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830

615.983 1.673.975 2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966

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M18 M19 M20 M21 M22 M23 M24

65.279 65.279 65.279 65.279 65.279 65.279 65.279 65.279

750.000 750.000 750.000 750.000 750.000 750.000 750.000

8 8 8 8 8 8 8

2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983 2.115.983

17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864 17.677.864

8 8 8 8 8 8 8

2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979 2.644.979

7.250.006 7.250.007 7.250.008 7.250.009 7.250.010 7.250.011 7.250.012 750.704

21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830 21.159.830

2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966 2.731.966 23.161.936

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Anexo G. Planos de las piezas del sistema

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Anexo H. Análisis dinámico y estático de mecanismo de cuatro barras.

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Anexo I. Ecuaciones del análisis estático y dinámico para el mecanismo de cuatro barras Después del análisis estático y dinámico de cada uno de los componentes del mecanismo de cuatro barras (ver anexo D), donde se realizó sumatorias momentos y fuerzas en los ejes X, Y, se obtuvo este sistema de 9 ecuaciones que se solucionó con ayuda del software MATLAB (ver anexo F). La ecuación 1, 2 y 3 hacen referencia al análisis dinámico y estático de la figura 53, las ecuaciones 4,5,6 hacen referencia a el análisis estático y dinámico de la figura 54 y las ecuaciones 7, 8 y 9 hacen referencia a el análisis estático y dinámico de la figura 55.

1. (A + (′A = ) ∗ DB ∗ x,1y + ) ∗ .y 2. ( + (′ = −) ∗ Dz ∗ x,1y + ) ∗ DB ∗ .y − u 3. −a − (A ∗ ' − ( ∗ | = − ∗ ~ − ) ∗ DB ∗ | − u ∗ A$

4. −(′A + ′A = ∗ DB ∗ x,1y + ∗ Dz ∗ .y 5. −( + ′ = −) ∗ Dz ∗ x,1y + ) ∗ DB ∗ .y + u 6. ∗ N − A ∗ , = −) ∗ Dz ∗ x,1y ∗ N − ) ∗ Dz ∗ .y ∗ − ) ∗ DB ∗x,1y ∗ + ) ∗ DB ∗ .y ∗ N + u ∗ N 7. −A + A = )**DB ∗ x,1y + )* ∗ Dz ∗ .y 8. − = −)* ∗ Dz ∗ x,1y + )* ∗ DB ∗ .y + u* 9. ′ ∗ : + A ∗ ' = −* ∗ ~ − )* ∗ DB ∗ : − u* ∗ A$

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Anexo J. Código para solucionar conjunto de ecuaciones

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Anexo K.grafico de torque vs tiempo