UNIVERSIDAD DEL VALLE DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE ELECTROMECÁNICA Carrera de Ingeniería Mecánica y de Automatización Industrial DISEÑO DE UNA SILLA DE RUEDAS MECATRÓNICA RECLINABLE QUE PERMITA LA COMODIDAD Y MOVILIDAD PARA LAS PERSONAS QUE PRESENTAN DISCAPACIDAD FÍSICA DE MIEMBROS INFERIORES PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERÍA LICENCIATURA MECÁNICA Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL POSTULANTE: JEAN CARLOS BALDERRAMA VILLARROEL TUTOR: ING. EDSON GASTÓN MONTAÑO BAUTISTA Cochabamba – Bolivia 2019 EN DE Dedicatoria A mis padres por enseñarme el valor de una buena educación, perseverancia y humildad, el apoyo brindado en mi formación profesional confiando en mí y dedicando gran parte de su vida. Todo mi trabajo y la vida se la dedico a mi familia. Resumen En este proyecto se realiza el diseño teórico de una silla de ruedas mecatrónica para personas con limitación de movimiento en miembros inferiores, cuenta con tres funciones: Silla de ruedas convencional eléctrica, modo bipedestático y modo reclinable-cama, el control del equipo consta de dos sistemas: Mediante parámetros de concentración controlados por la mente y el joystick. Los motores seleccionados son del tipo corriente continua, la característica principal de este motor es el modo de bloqueo en el mismo cuenta una manija de bloqueo-desbloqueo, la selección adecuada en la potencia. La primera parte del diseño se analizan las necesidades principales de los usuarios que sufren de dicha limitación, también se toma en cuenta el modelo final, las configuraciones y posibles formas de construcción además del modo básico de funcionamiento. En el siguiente capítulo se realiza la ingeniería del proyecto donde se determinan los parámetros específicos de la silla de ruedas mecatrónica, como el peso máximo que movilizara, ambiente de operación, modos de control, la programación de los micro controladores de la compañía Atmel y la alimentación requerida de dos baterías 24V DC y 9V DC. Asimismo se realizó la simulación de la estructura en el programa SolidWorks, utilizando la herramienta de Simulation, los valores de deformación máxima obtenidos en la simulación de las distintas partes de la estructura tiene semejanza con los cálculos realizados.Los cálculos y la aplicación de conocimientos dieron como resultado el diseño de la silla de ruedas mecatrónica. Abstract In this project, the theoretical design of a mechatronic wheelchair for people with limited limb movement is performed, it has three functions: Electric conventional wheelchair, twoway mode and reclining-bed mode, the control of the equipment consists of two Systems: Through concentration parameters controlled by the mind and the joystick. The selected motors are of the direct current type, the main feature of this motor is the lock mode in the same account a lock-unlock handle, the appropriate selection in power. The first part of the design analyzes the main needs of the users who suffer from this limitation, the final model, the configurations and possible forms of construction are also taken into account in addition to the basic mode of operation. In the next chapter, the engineering of the project is carried out where the specific parameters of the mechatronic wheelchair are determined, such as the maximum weight to be mobilized, operating environment, control modes, the programming of the Atmel company microcontrollers and the Power required for two 24V DC and 9V DC batteries. The simulation of the structure in the SolidWorks program was also carried out, using the Simulation tool, the maximum deformation values obtained in the simulation of the different parts of the structure are similar to the calculations made.The calculations and the application of knowledge gave As a result the design of the mechatronic wheelchair ÍNDICE GENERAL INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... xiv PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... xiv JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................... xv JUSTIFICACIÓN TÉCNICA ....................................................................................... xv JUSTIFICACIÓN SOCIAL ......................................................................................... xv JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA ................................................................................ xvi OBJETIVOS ................................................................................................................. xvi OBJETIVO GENERAL .............................................................................................. xvi OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................... xvi METODOLOGÍA .......................................................................................................... xvi ENFOQUE ...................................................................................................................xvii TÉCNICA/PROCEDIMIENTO ......................................................................................xvii FUENTES ................................................................................................................... xviii ALCANCE ................................................................................................................... xviii MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 1 1.1 Breve historia de las sillas de ruedas ..................................................................... 1 1.2 La silla de ruedas eléctrica .................................................................................... 1 1.2.1 Materiales ................................................................................................................................... 3 1.2.2 Tubos de aleación de acero al carbono ....................................................................................... 3 1.2.3 Sistema de mando ....................................................................................................................... 4 1.2.4 Joystick ........................................................................................................................................ 4 1.2.5 Microcontrolador ........................................................................................................................ 4 1.2.6 Puente H ...................................................................................................................................... 5 CAPITULO II INGENIERÍA DEL PROYECTO 2.1 Consideraciones generales del proyecto ............................................................... 6 2.2 Consideraciones iniciales ...................................................................................... 6 2.2.1 Descripción del contexto operacional ......................................................................................... 7 2.2.2 Propuesta de solución y estructura del proyecto ........................................................................ 8 2.2.3 Emplazamiento del proyecto ....................................................................................................... 9 2.3 Diseño mecánico ................................................................................................. 10 2.3.1 Dimensionamiento del sistema ................................................................................................. 10 2.3.2 Cálculo de Resistencia de materiales ......................................................................................... 11 2.3.3 Cálculo de Soldadura: ................................................................................................................ 24 2.3.4 Diseño de las soldaduras de la estructura. ................................................................................ 25 2.3.5 Cálculo de Elementos de maquinas ........................................................................................... 32 2.3.6 Cálculo y dimensionamiento del tornillo de potencia ............................................................... 32 2.3.7 Cálculo de diámetro de pandeo................................................................................................. 33 2.3.8 Cálculo de tiempo de elevación de la silla ................................................................................. 48 2.3.9 Determinación de la fuerza máxima requerida para impulsar la silla de ruedas ....................... 50 2.3.10 Determinación de la fuerza máxima requerida para impulsar la silla de ruedas en superficie plana................................................................................................................................................... 51 2.3.11 Determinación de la fuerza máxima requerida para superficies ascendentes ........................ 52 2.3.12 Determinación de la fuerza máxima requerida para superficies descendentes ...................... 56 2.3.13 Análisis del Muelle de amortiguador ....................................................................................... 58 2.3.14 Selección de componentes mecánicos .................................................................................... 65 2.3.15 Análisis Computacional ........................................................................................................... 68 2.3.16 Análisis de la base articulada ................................................................................................... 72 2.3.17 Análisis del Espaldar ................................................................................................................ 76 2.3.18 Análisis del Reposa pies ........................................................................................................... 79 2.3.19 Análisis del chasis .................................................................................................................... 82 2.3.20 Análisis del chasis en modo bipedestación .............................................................................. 84 2.3.21 Análisis de estructura soporte de motor ................................................................................. 86 2.3.22 Análisis de resultados .............................................................................................................. 88 2.4 Diseño eléctrico ................................................................................................... 89 2.4.1 Determinación de la potencia de los motores ........................................................................... 89 2.4.2 Selección de componentes de la etapa de potencia.................................................................. 93 2.4.3 Selección de los dispositivos ...................................................................................................... 94 2.4.4 Selección de motores para reclinar ........................................................................................... 95 2.4.5 Selección de actuador para el modo bipedestático ................................................................... 96 2.4.6 Cálculo de Cargas eléctricas ...................................................................................................... 97 2.4.7 Dimensionamiento de conductores .......................................................................................... 97 2.4.8 Diseño circuito de protección .................................................................................................... 98 2.4.9 Cálculo de Protecciones............................................................................................................. 99 2.4.10 Disposición de protección ..................................................................................................... 100 2.4.11 Dimensionamiento de Baterías ............................................................................................. 100 2.4.12 Análisis de resultados ............................................................................................................ 102 2.5 Diseño electrónico ............................................................................................. 102 2.5.1 Selección de los dispositivos .................................................................................................... 105 2.5.2 Diseño de circuito electrónico ................................................................................................. 109 2.5.3 Diseño de la placa .................................................................................................................... 111 2.5.4 Análisis de resultados .............................................................................................................. 113 2.5.5 Materiales eléctricos ............................................................................................................... 114 2.5.6 Materiales electrónicos ........................................................................................................... 114 2.5.7 Costo de material y mano de obra .......................................................................................... 115 2.5.8 Tabla de costos ........................................................................................................................ 116 LISTA DE ABREVIATURAS........................................................................................ 124 APÉNDICES ............................................................................................................... 121 A. CÓDIGO DE CONTROL ................................................................................ 129 B. MANUAL DE INSTRUCIONES ...................................................................... 171 C. PLANOS ........................................................................................................ 172 ANEXOS ..................................................................................................................... 121 A. DATOS TECNICOS ....................................................................................... 173 B. NORMAS Y CÓDIGOS .................................................................................. 193 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Parámetros de diseño 7 Tabla 2. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista lateral barra AB en la estructura de la base del asiento 11 Tabla 3. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista frontal barra CA en la estructura de la base del asiento 14 Tabla 4. Diagrama de la estructura de la base del asiento 15 Tabla 5. Diagrama de la estructura de la base del asiento 17 Tabla 6. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista frontal en los puntos Q, O en el chasis de la silla de ruedas 18 Tabla 7. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista posterior en los puntos D, E en el chasis de los motores 22 Tabla 8. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista lateral en la barra A, D en la estructura del espaldar 23 Tabla 9. Propiedades de los materiales tornillo 47 Tabla 10. Propiedades de los materiales de la tuerca 47 Tabla 11. Esfuerzos Presentes en la estructura de la silla de ruedas mecatrónica propio al peso del usuario 70 Tabla 12. Propiedades de la base articulada 73 Tabla 13. Datos Pruebas 76 Tabla 14. Propiedades de espaldar 76 Tabla 15. Propiedades de reposa pies 79 Tabla 16. Propiedades del chasis 82 Tabla 17. Propiedades chasis modo bipedestación 84 Tabla 18. Propiedades soporte de motor 87 Tabla 19. Cargas eléctricas 97 Tabla 20.Fusibles de Protección 99 Tabla 21. Análisis de microcontrolador 105 Tabla 22. Elementos eléctricos 114 Tabla 23. Elementos electrónicos 114 Tabla 24. Costo de material y mano de obra 115 Tabla 25. Costos Generales 116 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Elementos de la silla de ruedas mecatrónica xvii Figura 2. Ondas neuronales 4 Figura 3. Diagrama Puente H 5 Figura 4. Dimensiones silla de ruedas 6 Figura 5. Diagrama del proceso de control 7 Figura 6. Diseño de conversión de la silla de ruedas Mecatrónica 10 Figura 7. Diagrama esfuerzo - Deformación unitaria 19 Figura 8. Esquema de datos estáticos de la junta de la base del asiento 25 Figura 9. Esquema de datos dinámicos de la junta de la base del asiento 25 Figura 10. Tabla de parámetros de diseño 36 Figura 11. Tabla de parámetros de diseño 38 Figura 12. Tabla de parámetros de diseño 38 Figura 13. Tabla de parámetros de diseño 46 Figura 14. Silla de ruedas mecatrónica 50 Figura 15. Esquema de fuerzas sobre una superficie plana 51 Figura 16. Pendientes longitudinales en porcentaje 52 Figura 17. Pendiente de una rampa (%) 53 Figura 18. Silla de ruedas en superficie ascendente 55 Figura 19. Silla de ruedas en superficie descendente 57 Figura 20. Distancia entre centro de ejes 60 Figura 21. Voladizo delantero 61 Figura 22. Longitud Total 61 Figura 23. Ancho de la Silla de ruedas Mecatrónica 62 Figura 24. Dimensiones de llantas Delanteras 62 Figura 25. Dimensiones de llantas Traseras 63 Figura 26. Configuración de llantas 63 Figura 27. Trayectorias de Silla de Ruedas en pasillos de viviendas a 1 km/h 64 Figura 28. Trayectorias de Silla de Ruedas en calles a 10 km/h 64 Figura 29. Esfuerzos cortantes en el Perno 66 Figura 30. Diseño final de la silla de ruedas 69 Figura 31. Gráficas base del asiento 74 Figura 32. Gráficas Espaldar 77 Figura 33. Gráficas Esfuerzos máximos sobre el reposa pies 81 Figura 34. Gráficas Chasis Principal de la Silla de ruedas 83 Figura 35. Gráficas Chasis Principal de la Silla de ruedas modo bipedestación 86 Figura 36. Gráficas Estructura soporte de motor 88 Figura 37. Comportamiento del Motor con Neurosky/Joystick 92 Figura 38. Comportamiento del Motor con Joystick 93 Figura 39. Controlador de motores DC Sabertooth dual 25 A 93 Figura 40. Circuito de protección 98 Figura 41. Diagrama de disposición de componentes de protección 100 Figura 42. Circuito de control y potencia 103 Figura 43. Microcontrolador ATmega2560 106 Figura 44. Microcontrolador ATmega2560 106 Figura 45. Joystick de 2 ejes 107 Figura 46. Pulsador 108 Figura 47. Modulo bluetooth - HC-05 108 Figura 48. LED Diodo emisor de luz 109 Figura 49. Circuito de control secundario 110 Figura 50. Circuito de control secundario 110 Figura 51. Circuito de control principal 111 Figura 52. Diseño de placa PCB etapa de control principal 111 Figura 53. Diseño de placa de control principal 3D 112 Figura 54. Circuito de control secundario 112 Figura 55. Circuito de control secundario 3D 113 xiv INTRODUCCIÓN Según el informe estadístico de CONALPEDIS (COMITÉ NACIONAL DE LAS PERSONAS CON DISCAPACIDAD), en Bolivia las personas con limitaciones de movimiento tiene un porcentaje muy alto en comparación de los otros tipos de discapacidades, esto se debe a una gran variedad de motivos como por ejemplo por los que una persona puede tener una discapacidad motriz de las extremidades, que impide o dificulta una gran medida que la persona pueda moverse con libertad (CONALPEDIS, 2017). Una persona con dificultad de movimiento en miembros inferiores se le dificulta el desplazarse de un sitio a otro, para lograr este fin necesitan realizar un esfuerzo muscular o en su defecto requieren asistencia de otra persona. Es así como este proyecto pretende dar solución a la dificultad de movimiento de las personas que requieren el uso de silla de ruedas, (tales como personas con capacidades limitadas de movimiento motriz y de la tercera edad), usando la tecnología adecuada y el diseño de algoritmos de control, brindándoles seguridad al momento de desplazarse y sobre todo permitir al usuario un mejor desarrollo social. De esta forma, el presente proyecto tiene como objetivo el desarrollo del diseño de una silla de ruedas automatizada a la cual se le adapta un sistema electro-mecánico y circuito de acondicionamiento de señales para que la persona con discapacidad de movimiento la pueda operar a partir del mando de control o señales enviadas por el dispositivo (Vásquez, 2010). PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Según la Organización Mundial de la Salud más de mil millones de personas viven en todo el mundo con alguna forma de discapacidad; de ellas, casi 200 millones experimentan dificultades considerables (OMS, 2011). Según el Instituto Nacional de Estadística (INE) en Bolivia, tres de cada 100 personas tienen algún tipo de discapacidad, de esta manera para poder desplazarse de un lugar a xv otro, requieren de una silla de ruedas misma que ha sido diseñada para que la persona pueda movilizarse (INE, 2016). En los últimos años las personas con capacidades diferentes en Bolivia han adquirido sillas de ruedas convencionales, que operan con total intervención del ser humano, esto con la finalidad de desplazarse para realizar actividades comunes. Sin embargo, este tipo de equipo no cumple con la necesidad de muchos, limita la realización de actividades. Y aun así con los servicios que brinda la silla de ruedas convencional no es suficiente para atender a personas con discapacidades motoras, quienes desean realizar sus actividades por sí mismos. La limitada autonomía de las sillas de ruedas convencionales afecta directamente en la movilidad de las personas con capacidades diferentes debido a que para muchos de ellos es su única forma de desplazarse. ¿Podría el diseño de una silla de ruedas mecatrónica mejorar las necesidades básicas de desplazamiento de las personas con discapacidades motrices en Bolivia? JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN TÉCNICA En el desarrollo teórico de este proyecto se tomará en cuenta herramientas y materiales accesibles en nuestro medio facilitando la adquisición en caso de construcción, aplicando diseños, tecnologías, análisis y cálculos requeridos para la selección de elementos adecuados, se analiza la evaluación de varios parámetros y alternativas adecuadas en el diseño reduciendo de manera eficiente las dificultades. JUSTIFICACIÓN SOCIAL Los beneficios que ofrece la silla de ruedas mecatrónica son: mejorar las necesidades en cuanto a desplazamiento, mejorar la calidad de vida y la valoración positiva del usuario. xvi JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA El presente proyecto pretende responder a las limitaciones actuales que presentan las personas con discapacidad motriz, facilitando la adquisición de equipo a un costo accesible y fácil manejo, sin mermar la calidad del equipo. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseñar una silla de ruedas mecatrónica reclinable que permita la comodidad y movilidad para las personas que presentan discapacidad física de miembros inferiores. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar el diseño mecánico de la silla de ruedas mecatrónica. Diseñar los elementos necesarios para la comodidad y movilidad de la silla de ruedas mecatrónica teniendo en cuenta los diferentes prototipos de sillas de ruedas de bajo costo existentes en el mercado nacional. Diseñar el control para la operación y mando de aplicación de la silla de ruedas mecatrónica. Realizar el análisis de costo total de construcción de la silla de ruedas con los sistemas diseñados. METODOLOGÍA El tipo de investigación será el exploratorio, teniendo como población a las personas con discapacidad motriz para identificar la problemática, el conjunto de elementos para la evaluación de la situación en la que se encuentran. Adicional a esto, el conjunto de interés se reduce más al escoger personas de estratos 1, 2 y 3 que serían los principales beneficiarios. xvii ENFOQUE Enfoque Cuantitativo: Se toma en cuenta los datos de los informes anuales que presentan sobre la discapacidad motriz en la actualidad (INE, 2016). Enfoque Cualitativo: Se estudia a algunas personas que sufran de discapacidad motriz de miembros inferiores en el contexto de su pasado y las situaciones actuales en que se encuentran (Patricia, 2019). TÉCNICA/PROCEDIMIENTO Los procedimientos e instrumentos que se utilizarán en la elaboración del diseño de la silla de ruedas mecatrónica inicia con: el diseño mecánico de la estructura seguido de la etapa de control, selección de componentes necesarios y finalmente la evaluación de costos. Figura 1. Elementos de la silla de ruedas mecatrónica MODULO DE CONTROL SEÑALES ANALOGICAS SEÑALES DIGITALES NEUROSKY Etapa de 9V potencia 1 SEÑALES DE CONTROL Etapa de potencia 2 ATMEGA 2560 24 V HC-05 Fuente: Elaboración Propia, 2019 Etapa de potencia 3 xviii FUENTES Para realizar este proyecto se recabará información de fuentes primarias y secundarias, buscando acceder a toda la información posible para cubrir todos los detalles que puedan presentarse durante su realización. Fuentes primarias: Se usarán documentos escritos, entrevista, libros, revistas, para la realización de este proyecto. Se tomarán en cuenta también trabajos similares de otros autores, es decir, tesis con temáticas similares con el propósito de ampliar la visión del trabajo de investigación. Fuentes secundarias: Internet, compilaciones, resúmenes. ALCANCE Desarrollar el diseño mecánico y control de la silla de ruedas mecatrónica que permitirá el transporte de personas con capacidades especiales de un sitio a otro y controlar los movimientos de una silla de ruedas mecatrónica: avanzar, retroceder, giro a la derecha, giro a la izquierda, poder cambiar de velocidad y frenar, mediante un control adecuado por niveles de concentración juntamente con parpadeos de la vista. CAPITULO I MARCO TEÓRICO 1 MARCO TEÓRICO 1.1 Breve historia de las sillas de ruedas Trasladar a seres humanos con discapacidades congénitas, traumas o enfermedades ha sido un problema muy complicado para la humanidad desde tiempos antiguos, por ello, satisfacer estos problemas ha sido uno de los principales objetivos; en pictogramas y dibujos se han encontrado evidencias de los primeros modelos de sillas de ruedas, "la más antigua data de alrededor de 4000 años AC (un modelo de mesa con ruedas para trasladar enfermos), otro es una imagen China grabada en 525 DC (un extraño modelo de silla de tres ruedas)". No se ha podido encontrar otra información de sillas de modelos de sillas de ruedas hasta 1595, en este año un artista dibuja un boceto del Rey español Felipe II de España, la silla de ruedas según el boceto contaba con apoya pies que permitía levantar las piernas y el espaldar también era reclinable, además por su modelo se puede presumir que esta silla era empujada por algún sirviente o cortesano del Rey (Wheelchair, 2012). Una de las primeras sillas de ruedas de movilidad independiente documentada para una persona con discapacidad fue la diseñada y construida por "Stephen Farfler en 1655". Farfler era un relojero parapléjico que construyó una silla de tres ruedas, la rueda frontal transmitía el movimiento desde unas manivelas que aquel personaje hacía girar con sus manos en lo que probablemente era un mecanismo de piñón y rueda dentada donde el piñón estaba acoplado a la manivela y la rueda dentada estaba tallada en la rueda frontal, además usando el criterio de ingeniería se puede imaginar que la misma manivela funcionaba como un volante que permitía girar la rueda frontal para dirigir este mecanismo hacia cualquier sentido (éste es, probablemente una de las primeras sillas autopropulsadas conocidas hasta la actualidad) (Wheelchair, 2012). 1.2 La silla de ruedas eléctrica Los primeros diseños de sillas de ruedas eléctricas aparecieron en Estados Unidos por la década de 1950, a diferencia de las sillas de ruedas actuales que tienes componentes electrónicos, los primeros diseños eran sillas de ruedas meramente eléctricas, uno de 2 estos primeros diseños fue el sistema simple "E & J 840" este diseño contaba con un control manual de cuatro interruptores que accionaban los motores, los motores hacían avanzar a la silla de ruedas de manera brusca al mover en cualquier dirección (Lipskin, 2012). Otro modelo de silla de ruedas de velocidad ajustable fue la Motorette, este dispositivo adaptable a una silla de ruedas manual contaba con dos motores de 12 voltios montados independientemente detrás del usuario, cada motor tenía acoplado una rueda que por fricción transmitía el movimiento a las ruedas posteriores (solamente si las ruedas posteriores estaban bien infladas). Un usuario que conoció la Motorette explicaba que cuando la silla de ruedas funcionaba mal parecía "potro sin domar" pero cuando funcionaba bien, andaba más rápido y tenía un avance más suave que la E & J 840 (World, 2000). La mayoría de los diseños posteriores eran normalmente sillas de ruedas manuales con baterías y motores que transmitían el movimiento a las ruedas posteriores por medio de un mecanismo de polea y tenían una caja de control donde venían los interruptores para moverse en las diferentes direcciones; en ese entonces los fabricantes no pensaban en modelos de sillas de ruedas que puedan servir a personas activas afuera de sus casas o instituciones, un ejemplo muy común de este problema era cuando el usuario se acercaba a la peligrosa velocidad de 4,5 km/h hacia las veredas, esto ocasionaba destrucción parcial de la silla de ruedas y también serios daños al ocupante (Lipskin, 2012). Los fabricantes de sillas de ruedas pensaban que los usuarios de dichas sillas estarían agradecidos por la movilidad que les ofrecían, y aunque fue cierto, la aparición de las sillas eléctricas solamente alimentó el deseo de los consumidores para ir más rápido y más lejos. Esto impulsó una época de mayor creatividad e innovación en los talleres de sillas del Programa de Estudiantes con Discapacidades de Berkeley y del Centro de Vida Independiente. Jim Donald, estudiante cuadripléjico que se graduó de abogado en la Universidad de Berkeley fundó, junto a un equipo de estudiantes con capacidades especiales, un sistema conocido como el "Equipo silla de ruedas de Berkeley", este dispositivo tenía dos poderosos motores de 24 voltios montados de forma horizontal 3 delante de las ruedas posteriores y que se acoplaban a los mismos por medio de una rodela como en el diseño de la silla de ruedas Motorette, pero la rodela era más grande y gracias a estos motores más robustos la silla podía movilizarse más rápido sin quitarle tracción a la silla de ruedas. Después varias mejoras reemplazaron las rodelas por cadenas y las llantas pasaron a ser de caucho sólido. Los fabricantes de sillas de ruedas adoptaron rápidamente éstas y otras mejoras que fueron inventados personajes comunes e inventores caseros (Lipskin, 2012). 1.2.1 Materiales Poli cloruro de vinilo (PVC) El PVC es el producto de la polimerización del monómero de cloruro de vinilo a Poli cloruro de vinilo. La resina que resulta de esta polimerización es la más versátil de la familia de los plásticos; pues además de ser termoplástica, a partir de ella se pueden obtener productos rígidos y flexibles. A partir de procesos de polimerización, se obtienen compuestos en forma de polvo o pellet, plastisoles, soluciones y emulsiones. Además de su gran versatilidad, el PVC es la resina sintética más compleja y difícil de formular y procesar, pues requiere de un número importante de ingredientes y un balance adecuado de éstos para poder transformarlo al producto final deseado (SHPVC, 2015). En 1930 B.F. Goodrich Chemical descubre que el PVC absorbe plastificante y que al procesarse se transforma en un producto flexible. Este descubrimiento hizo posible el desarrollo comercial inicial. Posteriormente con el empleo de estabilizadores más adecuados se hizo posible el desarrollo del mercado del PVC rígido; estos dos importantes desarrollos permitieron que el PVC se convirtiera en el termoplástico más versátil e importante del mercado mundial (SHPVC, 2015). 1.2.2 Tubos de aleación de acero al carbono Pieza hueca, generalmente de forma cilíndrica y por lo común, abierta por ambos extremos, constituye una proporción importante de los aceros producidos en las plantas 4 siderúrgicas. De esta forma se los separa respecto a los aceros inoxidables (DicSig., 2015). 1.2.3 Sistema de mando El MindWave Mobile 2 mide y genera de forma segura los espectros de potencia EEG (ondas alfa, ondas beta, etc.), medidores NeuroSky eSense (atención y meditación) y parpadeos. El dispositivo consta de un auricular, un clip para el oído y un brazo sensor. La referencia del auricular y los electrodos de tierra están en el clip del oído y el electrodo EEG está en el brazo del sensor, descansando en la frente sobre el ojo (posición FP1). Utiliza una sola batería AAA con 8 horas de duración (neurosky, 2019). Figura 2. Ondas neuronales Meditación profunda Sueño Th eta (4-8)Hz Meditación Relajación Alpha(8-13)Hz Descanso Ojos cerrados Beta(14-30)Hz Concentración Atención Ga mma(3150)Hz Pens amiento activo Agresividad Delta (1-3)Hz Fuente: Elaboración propia, 2019 1.2.4 Joystick Un joystick es un dispositivo de entrada que es utilizado, comúnmente para el control de dispositivos como consolas, pc y objetos electrónicos (Moderna., 2015). 1.2.5 Microcontrolador Un microcontrolador de la línea Atmel y su entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores 5 más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo costo que permiten el desarrollo de múltiples diseños (Arduino, 2015). 1.2.6 Puente H El término “Puente-H” se deriva de la representación gráfica típica del circuito. Un PuenteH, se construye con interruptores (mecánicos o de estado sólido), uno en cada “rama lateral” o brazo ascendente y descendente y en la barra central, se encuentran las salidas para el motor, es la forma que se representa dentro de un circuito esquemático simplificado. Cuando los interruptores S1-S4 están cerrados, el motor será atravesado por la tensión en una dirección, a la que girará el motor. Ahora bien, si abrimos S1-S4 y cerramos S2-S3 (en este orden) dicha tensión se habrá invertido y la operación, invertirá el sentido de giro del motor (Hispavila, 2015). Figura 3. Diagrama Puente H Fuente: Hispavila, 2015 CAPITULO II 2 INGENIERIA DEL PROYECTO 6 2.1 Consideraciones generales del proyecto El siguiente proyecto pretende presentar un diseño de la silla de ruedas mecatrónica para personas con limitaciones de movimiento en los miembros inferiores, ya que en la actualidad son de mucha ayuda para los usuarios que están limitados a algún tipo de movilidad, en general logra resolver todas las necesidades del usuario. Figura 4. Dimensiones silla de ruedas Fuente: Teo en Pro autonomía, Silla de ruedas eléctricas, 2013 Por lo cual surgió la necesidad de diseñar una silla de ruedas mecatrónica con funciones especiales que ayuden al usuario a alcanzar objetos que se encuentren a la altura de una persona de pie de estatura promedio de (1,68 m), según la publicación realizada por British Broadcasting Corporation (en español: Corporación de Radiodifusión Británica) o simplemente BBC que es el servicio público de radio y televisión del Reino Unido. 2.2 Consideraciones iniciales Se tomaran en cuenta para los parámetros de diseño los valores ilustrados en la tabla 1, además se cuenta con dos tornillos de potencia que sirven como guía e impulsor para los distintos modos que permitirá la silla de ruedas. 7 Tabla 1. Parámetros de diseño Tipo de asiento Ver anexo A.14. Ancho del asiento 470mm (variable según usuario) Peso Permitido manipulación Altura del respaldo de 150(kg) de (Variable según cargas(Carga Máxima) usuario) Motor Peso 980mm Cirolla máximo del 120(kg) de entre –20 °C y Temperatura usuario operación de la +40 °C Electrónica Velocidad máxima 10(km/h) Cargador de Ver anexo 16 Baterías Fuente: Elaboración propia, 2019 2.2.1 Descripción del contexto operacional En la figura 5, se refleja el flujo de operación del sistema de control la cual contendrá la estructura y el mecanismo de la silla de ruedas. Figura 5. Diagrama del proceso de control PANEL DE VISUALIZACI ON NEUROSKY JOYSTICK UNIDAD LOGICA ESTAPA DE POTENCIA PRIMARIO MT1 MT2 MT3 PULSADORES BATERIA AUX ETAPA DE POTENCIA SECUNDARIO MT4 Bateria MT5 Fuente: Elaboración propia, 2019 8 Los 2 primeros tipos de entradas serán los que controlan el desplazamiento de la silla, en cuanto a los pulsadores servirán para convertir a una silla-cama o modo bipedestático, todo esto será controlado por el usuario que se encuentre en la silla de ruedas, también existen otro tipo de entradas como las baterías que son dependientes del uso y el tiempo de funcionamiento de los motores, por lo cual las baterías son los que alimentan el circuito de la etapa de potencia y control, las salidas son conectadas directamente a los motores que se encargan de transmitir el torque necesario para generar movimiento. 2.2.2 Propuesta de solución y estructura del proyecto La propuesta de solución del proyecto consiste primeramente en analizar las necesidades básicas de las personas que sufren limitaciones de movimiento en los miembros inferiores, luego iniciar con la idea del modelo pensado, para luego digitalizar la idea en un software con capacidades de diseño tridimensional, tomando en cuenta que la silla pueda adaptarse a las medidas promedio antropométricas del usuario. La silla debe ajustarse a las dimensiones y medidas del mismo (su ancho de caderas, longitud de fémur, ancho de hombros, tronco, codos, peso, etc.) si esto no se ajusta es más probable que aparezcan molestias, malas posturas, lesiones, etc. (Laura, 2015) Conocer las preferencias del futuro usuario, pues si no nos ajustamos a lo que él quiere probablemente rechace el producto. Si puede, darle la opción de colores del chasis o el tapizado, también es importante, porque así le damos autonomía en la decisión de adquirir una silla. Posteriormente se procederá a un análisis de diagrama de cuerpo libre de los componentes mecánicos de que conforma el diseño de la estructura computacional, en el cual se aplica todas las cargas críticas, reacciones y deformaciones en la estructura del modelo, con los datos obtenidos se estudia el comportamiento de los componentes mecánicos más críticos, luego se procederá al análisis, cálculo y dimensionamiento de los componentes que estarán encargados de transmitir movimiento para la conversión de las distintas opciones de modos que presenta la silla como tal. 9 Para que el sistema el control pueda desplazar la silla de ruedas bajo esas condiciones previamente consideradas se toma en cuenta los aspectos más extremos a los que puede estar sometido como potencia limite mecánica. Luego de obtener el torque se procederá a la selección de la etapa de potencia adecuada para todos los motores que conformen la silla, teniendo seleccionado dichas etapas de potencia y motores se podrá obtener los voltajes y corrientes mínimos y máximos necesarios para el rango de velocidades. El voltaje y corrientes máximo permitirá seleccionar la cantidad de baterías necesarias mínimas con el cual cumplan las condiciones a las cuales se encontrara la silla, El modo control para el movimiento de la silla estará comandado por: Joystick y NeuroSky, las opciones de modos de la silla que presenta en modo reposo será comandado por pulsadores, todo el sistema y circuito de mando será comandado desde un microcontrolador, previo al diseño del circuito de mando y potencia debe definirse las entradas y salidas, para los circuitos de mando y potencia para los motores, ya que la configuración necesaria de la señal PWM, que será lograda con el circuito de mando, teniendo ya todos los parámetros establecidos, será necesario realizar un programa que nos permita el control y sincronización de ambos motores para el giro y para la sincronización de motores de los distintos modos de opciones con la que cuenta la silla. Finalmente se realiza la configuración y emparejamiento del Neurosky para el sistema de mando, también se dimensionará los conductores y la selección de las protecciones para el circuito DC. 2.2.3 Emplazamiento del proyecto El siguiente diseño del proyecto está realizado en un contexto teórico, basado en las necesidades de las personas que sufren de limitaciones de movimiento en miembros inferiores, tiene la finalidad de mejorar la calidad de vida de las personas de Cochabamba, Bolivia o personas que sufran de limitaciones de movilidad. 10 2.3 Diseño mecánico 2.3.1 Dimensionamiento del sistema Se realizó el diseño adecuado asistido por ordenador con el software SOLIDWORKS 2017, para poder adaptarse a una reclinable, también cambiar a modo bipedestatico, en la figura 6 se muestra los distintos modos que puede ofrecer el mecanismo de la silla de ruedas Mecatrónica en sistema de reposo (Mecanismo impulsado por motores dc). Figura 6. Diseño de conversión de la silla de ruedas Mecatrónica Fuente: Elaboración propia, 2019 Los grados de reclinación del espaldar, base del asiento y el reposa pies son de 90◦ (Con posibilidad a variar la posición que el usuario se sienta a gusto) con respecto a eje de giro de cada elemento, con el uso del software SolidWorks 2017 se puede usar el modelado 3D para el análisis de los máximos límites de posición de todos los componentes de la silla de ruedas, también conocer la carrera mínima y máxima necesaria del tornillo de potencia que actúa respecto un eje. 11 2.3.2 Cálculo de Resistencia de materiales Para el cálculo de deflexión y las fuerzas que actúan en la base del asiento se realizó un diagrama de cuerpo libre (tabla 2) usando el software GeoGebra Classic y para las respectivas ecuaciones se utilizó el software Derive V6. Tabla 2. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista lateral barra AB en la estructura de la base del asiento Estructura Base del asiento(Barra a analizar): Diagrama de condiciones (Vista Lateral): Diagrama de Deformación Máxima en el Diagrama de Reacciones en la barra AB: punto medio de la barra AB: Fuente: Elaboración propia, 2019 12 Cálculo de deflexión de la barra AB: Datos de inicio: Coeficiente de seguridad (K)= 2.5 Carga de trabajo= P*g=150 (Kg)*9.8 (m/s2) = 1470 [N] Carga crítica= Pcc= P*g*K= 150(Kg)*9.8 (m/s2) *2.5= 3675 [N] Pcc= F=3675 [N] Carga puntual Pcc=F centrada Reacciones y solicitaciones Reacciones: 𝐹 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = 2 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = 3675 𝑁 2 𝑅𝐴 = 𝑅𝐵 = 1837.5 [𝑁] Cortantes: 𝑣𝐴𝐶 = 𝑣𝐴𝐶 = 𝐹 𝐹 𝑣𝐶𝐵 = − 2 2 3675 2 𝑣𝐴𝐶 = 1837.5 [N] 𝑣𝐶𝐵 = − 3675 2 𝑣𝐶𝐵 = −1837.5 [𝑁] Flectores: 𝐹𝐿 𝑥 𝑀𝐴𝐶 = 8 (4 𝐿 − 1) 𝐹𝐿 𝑥 𝑀𝐶𝐵 = 8 (3 − 4 𝐿) 13 3675(𝑁)∗0.45(𝑚) 𝑀𝐴𝐶 = 8 ∗ (4 0.225(𝑚) 0.45(𝑚) 3675(𝑁)∗0.45(𝑚) − 1) 𝑀𝐶𝐵 = 𝑀𝐴𝐶 =206.719 [𝑁⁄𝑚 ] 𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 = − 𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 = − 𝐹𝐿 3675∗0.45 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝐶 = 8 ∗ (3 − 4 𝑀𝐴 = 𝑀𝐵 = −206.719 [𝑁⁄𝑚 ] 𝐹𝐿 𝐿 3675∗0.45 𝐿 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 2 8 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝐶 = 206.719 [𝑁⁄𝑚] Elástica: 𝐹𝐿𝑥 2 𝑥 (3 − 4 𝐿) 48𝐸𝐼 𝑦𝐶𝐵 = 𝐹(𝐿−𝑥)2 48𝐸𝐼 3675 (𝑁)∗0.45(𝑚)∗(0.225(𝑚))2 (4𝑥 − 𝐿) 𝑦𝐴𝐶 = 48∗207∗106 (𝑃𝑎)∗4.41∗10−8 (𝑚4 ) (3 − 4 0.225(𝑚) 0.45(𝑚) ) 𝑦𝐴𝐶 = 0.191 [𝑚] 3675(𝑁)∗(0.45(𝑚)−0.225(𝑚))2 𝑦𝐶𝐵 = 48∗207∗106 (𝑃𝑎)∗4.41∗10−8 (𝑚4) (4 ∗ 0.225(𝑚) − 0.45(𝑚)) 𝑦𝐶𝐵 = 0.191 [𝑚] Flecha Máxima: 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 0.45(𝑚) 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 2 8 Deformaciones 𝑦𝐴𝐶 = 0.225(𝑚) 𝑀𝐶𝐵 = 206.719 [𝑁⁄𝑚] 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝐶 = 8 8 𝐹𝐿3 192EI 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑥 = 𝐿 2 3675 𝑁 ∗ (0.45(𝑚) )3 192 ∗ 207 ∗ 109 N ∕ 𝑚2 ∗ 4.414 ∗ 10−8 𝑚4 ) 14 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 0.000191 [𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 0.191 [𝑚𝑚] En los siguientes diagramas generales de la estructura base del asiento se muestran las siguientes barras que son analizadas con el mismo procedimiento al anterior, por lo cual se calcula solamente la flecha máxima, por lo que con el dato obtenido se podrá realizar la comparación de los valores tanto del software con el análisis de elementos finitos y comprobar los cálculos realizados. Tabla 3. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista frontal barra CA en la estructura de la base del asiento Estructura Base del asiento(Barra a Diagrama de Deformación Máxima en el analizar): punto medio de la barra CA: Fuente: Elaboración propia, 2019 15 Cálculo de deflexión de la barra CA: Flecha Máxima: 𝑦𝑚𝑎𝑥 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝐿3 = 192EI 3675 𝑁 ∗ (0.489(𝑚) )3 192 ∗ 207 ∗ 109 N ∕ 𝑚2 ∗ 4.414 ∗ 10−8 𝑚4 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 0.000245 [𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 0.245 [𝑚𝑚] Tabla 4. Diagrama de la estructura de la base del asiento Diagrama de Deformación Máxima en el Estructura Base del asiento(Barra GH): punto medio de la barra GH: Fuente: Elaboración propia, 2019 16 Cálculo de deflexión de la barra GH: Flecha Máxima: 𝑦𝑚𝑎𝑥 3675 𝑁 ∗ (0.426(𝑚) )3 = 𝑦𝑐 = 192 ∗ 207 ∗ 109 N ∕ 𝑚2 ∗ 4.414 ∗ 10−8 𝑚4 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 = 0.000162 [𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 = 0.162 [𝑚𝑚] Cálculo de deflexión de la barra AB en el punto H: Datos de inicio: Coeficiente de seguridad (K)= 2.5 Carga de trabajo= P*g=150 (Kg)*9.8 (m/s2) = 1470 [N] Carga crítica= Pcc= P*g*K= 150(Kg)*9.8 (m/s2) *2.5= 3675 [N] Pcc= F=3675 [N] Carga puntual = Pcc= F centrada Flecha Máxima: 𝑦𝑚𝑎𝑥 𝑦𝑚𝑎𝑥 2𝐹𝑏2 𝑎3 = 𝑦𝐻 = 3EI(L + 2a)2 2 ∗ 3675 𝑁 ∗ (0.235(𝑚))2 ∗ (0.14(𝑚) )3 = 𝑦𝐻 = 3 ∗ 207 ∗ 109 N⁄𝑚2 ∗ 4.414 ∗ 10−8 𝑚4 ∗ (0.14(𝑚) + 0.235(𝑚) + 2 ∗ 0.14)2 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝐻 = 0.000095 [𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝐻 = 0.095 [𝑚𝑚] 17 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝐻 𝑦𝐻 = 0.095 [𝑚𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥𝑇 = 𝑦𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 + 𝑦𝐻 𝑦𝑚𝑎𝑥𝑇 = 0.162 [𝑚𝑚] + 0.095 [𝑚𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥𝑇 = 0.257[𝑚𝑚] Tabla 5. Diagrama de la estructura de la base del asiento Estructura Base del asiento(Barra EF): Diagrama de Deformación Máxima en el punto medio de la barra EF: Fuente: Elaboración propia, 2019 Cálculo de deflexión de la barra EF: Flecha Máxima: 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 3675 𝑁 ∗ (0.426(𝑚) )3 192 ∗ 207 ∗ 109 N ∕ 𝑚2 ∗ 4.414 ∗ 10−8 𝑚4 18 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 0.000162 [𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 0.162 [𝑚𝑚] Tabla 6. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista frontal en los puntos Q, O en el chasis de la silla de ruedas Estructura del chasis de la silla de ruedas Diagrama de Deformación en las (estructura a analizar): columnas QM, OF Fuente: Elaboración propia, 2019 Evaluación de columna QM y OF por compresión y pandeo con un extremo empotrado: Datos de inicio: Coeficiente de seguridad (K)= 2.5 Carga de trabajo= P*g=150 (Kg)*9.8 (m/s2) = 1470 [N] Carga crítica= Pcc= P*g*K= 150(Kg)*9.8 (m/s2) *2.5= 3675 [N] Pcc= F=3675 [N] Tipo de Material= AISI 1010 Resistencia a la Fluencia (σy)= 180 [MPa] 19 Módulo de Elasticidad (E)= 200 [Gpa] Longitud de la columna (L)= 0.18 [m] El cálculo de la tensión Permisible se realiza a partir de la resistencia a la fluencia (σy), esta tensión es la que debe ser inferior al valor de la tensión de fluencia, tensión a continuación se muestra el respectivo procedimiento para hallar el valor necesario: 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑦 𝐾 180 ∗ 106 (𝑃𝑎) 2.5 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 72 [𝑀𝑃𝑎] En la figura 7 se puede apreciar el punto donde se encuentra la tensión permisible, esto para garantizar que no sobrepasa ese valor y garantizar que no existirá pandeo con la carga que trabaja la estructura base de la silla de ruedas. Figura 7. Diagrama esfuerzo - Deformación unitaria Fuente: Nisbett, 2012 20 El cálculo para la columna QM y la columna OF son de igual procedimiento ya que los datos de entrada serán iguales para ambos por lo cual se realiza el cálculo de una sola columna en este caso QM. Compresión: 𝜎𝑎𝑐𝑡 𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝑃 𝐴 Despejando P tenemos: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝜎𝑝 ∗ 𝐴 Luego, se procede al cálculo de área circular alma vacía de la columna CM. 𝐴 = 𝜋((𝑟𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 )2 − (𝑟𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 )2 ) 𝐴 = 𝜋((0.021 (𝑚))2 − (0.019(𝑚))2 ) 𝐴 = 0.000228 [𝑚2 ] Posteriormente sustituimos el valor del área (A) y el de la resistencia de la tensión permisible en la fórmula de Pmax: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 72 ∗ 106 ( 𝑁 ) ∗ 0.000228 (𝑚2 ) 𝑚2 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 16416 [𝑁] → 16.4 [𝐾𝑁] La columna soportara a compresión una carga máxima de 16.4 KN la cual es un valor superior a la carga máxima de trabajo que estará la estructura, con este valor garantizamos la vida útil de la estructura de la silla. Ahora para la siguiente evaluación por Pandeo se utiliza la fórmula de la carga permisible que esta será igual a la siguiente ecuación. 21 𝑃𝑒𝑟 = 𝜋𝐸𝐼 𝐿2 Para el cálculo de la fórmula de pandeo se realiza el uso de la inercia (I), la fórmula que se ocupa es: 𝐼= 𝜋𝑟 4 4 Como la columna a analizar es alma vacía se halla la inercia (I) de la siguiente manera: 𝐼= 𝜋((𝑟𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 )4 − (𝑟𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 )4 ) 4 𝜋((0.02105(𝑚))4 − (0.01925(𝑚))4 ) 𝐼= 4 𝐼= 𝜋(5.90 ∗ 10−8 (𝑚4 ) ) 4 𝐼 = 4.636 ∗ 10−8 [𝑚4 ] Ahora reemplazamos en la fórmula de pandeo el valor del módulo de elasticidad (E), la longitud (L) y la Inercia (I): 𝑃𝑒𝑟 = 𝜋(200 ∗ 109 (𝑁/𝑚2 ) ∗ 4.636 ∗ 10−8 (𝑚4 )) (0.180 (𝑚))2 𝑃𝑒𝑟 = 898845 [𝑁] → 898.8 [𝐾𝑁] Evaluada por pandeo permitirá esta columna de 898.8 [KN], el cual es un valor mucho mayor a la carga máxima de trabajo que está expuesta constantemente, con ese valor garantizamos que las columnas no sufrirán ningún tipo de deformación. 22 Tabla 7. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista posterior en los puntos D, E en el chasis de los motores Estructura del chasis de los motores (estructura a analizar a analizar): Diagrama de Deformación Máxima en el punto medio de la barra D, E: Fuente: Elaboración propia, 2019 Cálculo de deflexión de la barra DE: Cálculo de Área de Inercia de un anillo: 𝜋 ∗ (𝑑𝑒4 − 𝑑𝑖4 ) 𝐼𝑥 = 64 𝐼𝑥 = 𝜋 ∗ ((0.0254(m))4 − (0.0214(m))4 ) 64 𝐼𝑥 = 1.014𝑥10−8 [𝑚4 ] Flecha Máxima: 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝑐 = 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝐹𝐿3 192EI (3675 (𝑁)) ∗ (0.2(𝑚) )3 192 ∗ (207 ∗ 109 (N⁄𝑚2 )) ∗ (1.014 ∗ 10−8 (𝑚4 )) 23 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 0.000073 [𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 0.073 [𝑚𝑚] Tabla 8. Diagrama de fuerzas ejercidas desde vista lateral en la barra A, D en la estructura del espaldar Diagrama de Deformación Máxima en el Estructura del espaldar (estructura a punto medio de la barra A, D: analizar): Fuente: Elaboración propia, 2019 Cálculo de deflexión de la barra AD: Flecha Máxima: 𝑦𝑚𝑎𝑥 (1470 (𝑁)) ∗ (0.480(𝑚) )3 = 𝑦𝐷 = 3 ∗ (207 ∗ 109 (N⁄𝑚2 )) ∗ (4.414 ∗ 10−8 (𝑚4 )) 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝐷 = 0.0059 [𝑚] 𝑦𝑚𝑎𝑥 = 𝑦𝐷 = 6[𝑚𝑚] 24 2.3.3 Cálculo de Soldadura: Por lo tanto para el cálculo de las juntas soldadas se analiza los elementos que interfieren en el proceso mecánico. En cuanto al material base, los elementos estructurales estarán unidos para formar parte del diseño de la silla de ruedas, como ser: Chasis, base del asiento, espaldar, soporte de los motores y reposa pies, todos estos elementos están conformados de un acero estructural AISI 1010. Por lo tanto el material de aporte por lo cual está conformado el electrodo de la soldadura, basándose en este material se evalúa la resistencia a la unión. Los diferentes elementos del diseño de la silla de ruedas deberán ser soldados con un electrodo E60XX, ya que su resistencia última (Su) y límite de fluencia (Sy), son los adecuados para un acero estructural tal es el caso del AISI1010, y que es un electrodo de alta penetración con lo que se garantiza la existencia de agrietamiento. Para el diseño de los elementos estructurales por las que estará forado la silla de ruedas se determina las dimensiones, características de los materiales base y aporte, con la ayuda del software INVENTOR PROFESIONAL 2019 se determina la apropiada altura del cordón de la soldadura y los esfuerzos máximos que soporta las distintas juntas soldadas. En la figura 8 y 9 se muestran los valores que el software INVENTOR PROFESIONAL 2019 proporciona luego de tabular los datos a calcular. En la figura 8, muestra el análisis estático de la junta soldada y en la figura 9 muestra el análisis dinámico de la soldadura. 25 Figura 8. Esquema de datos estáticos de la junta de la base del asiento Fuente: Elaboración propia (INVENTOR), 2019 Figura 9. Esquema de datos dinámicos de la junta de la base del asiento Fuente: Elaboración propia (INVENTOR), 2019 2.3.4 Diseño de las soldaduras de la estructura. El diseño de la soldadura de las juntas de los diferentes elementos de la estructura se determina: Material base, acero AISI 1010. 26 Material de aporte, E-6011. o Límite de elasticidad Sy= 345 Mpa o Tensión máx. de tracción Su=425 Mpa o Coeficiente de seguridad ns=2.5 Tipo de junta, a tope. Cálculo estático de la soldadura en la base del asiento Datos de inicio: M: Momento flector= 206.719 [Nm] H: Altura del perfil B: Ancho del perfil A: área de garganta unitaria a: altura mínima del cordón de soldadura 𝐴 = 2 ∗ 31.75 + 2 ∗ 31.75 𝐴 = 127 [𝑚𝑚] 𝐴 = 𝑎(2𝐻 + 𝐵) 127[𝑚𝑚] = 𝑎[2 ∗ 31.75(𝑚𝑚) + 31.75(𝑚𝑚)] 𝑎 = 1.33 [𝑚𝑚] 𝑧𝑤 = 𝑏𝑑 + 𝑑2 3 𝑧𝑤 = 31.75[𝑚𝑚] ∗ 31.75[𝑚𝑚] + (31.75[𝑚𝑚])2 3 𝑧𝑤 = 1344.08[𝑚𝑚2 ] 27 Tensión normal de la soldadura 𝜎= 𝜎= 𝑈𝑀 𝑧𝑤 1000 ∗ 206.719 [𝑁𝑚] 1344.08[𝑚𝑚2 ] 𝜎 = 153.799 𝑀𝑃𝑎 Tensión admitida 𝜎𝐴 = 𝜎𝐴 = 𝑠𝑦 𝑛𝑠 345 [𝑀𝑃𝑎] 2 𝜎𝐴 = 172.5 [𝑀𝑃𝑎] Momento flector máximo 𝑀= 𝑀= 𝜎𝑧𝑤 𝑈 172.5[𝑀𝑃𝑎] ∗ 1344.08[𝑚𝑚2 ] 1000 𝑀 = 231.978 [𝑁𝑚] Cargas Momento de flexión M 206.719 Nm Altura de soldadura a 1.000 mm Altura de viga H 31.750 mm Anchura de viga B 31.750 mm Dimensiones 28 Material de las articulaciones y Propiedades Electrodo E60XX Límite de elasticidad Sy 345 MPa Resistencia máxima a la tracción Su 425 MPa Coef. de seguridad ns 2.000 su Tensión Admitida SAl 172.500 MPa Resultados Tensión admitida σA 172.500 MPa Altura min. de soldadura amin 0.842 mm Tensión normal de soldadura σ 153.799 MPa Momento flector max. Mmax 231.854 N m Comprobar Cálculo Positivo Cálculo estático de la soldadura en el espaldar Cargas Fuerza de plegado Fy 185.667 N Brazo de fuerza e 100.000 mm Par de torsión T 2.228 N m a 1.000 mm Cotas Altura de soldadura 29 Diámetro de viga D 26.700 mm Material y propiedades de la junta Electrodo E60XX Límite de elasticidad Sy 345 MPa Resistencia máxima a tracción Su 425 MPa Coef. de seguridad ns 2.000 su Tensión admitida Sal 172.500 MPa σa 172.500 MPa Resultados Tensión admitida Altura mín. de soldadura amin 0.192 mm Diámetro mín. de viga Dmin 10.746 mm Tensión total de corte de soldadura τ 2.823 MPa Tensión normal de soldadura σ 30.810 MPa Tensión reducida resultante σR 31.195 MPa Comprobar cálculo Positivo Cálculo estático de la soldadura en el chasis Cargas Fuerza de plegado Fy 3675.000 N Brazo de fuerza e 220.000 mm 30 Cotas Altura de soldadura a 3.000 mm Diámetro de viga D 42.200 mm Material y propiedades de la junta Electrodo E60XX Límite de elasticidad Sy 345 MPa Resistencia máxima a tracción Su 425 MPa Coef. de seguridad ns 2.000 su Tensión admitida SAL 172.500 MPa Tensión admitida σA 172.500 MPa Altura mín. de soldadura amin 2.940 mm Diámetro mín. de viga Dmin 41.687 mm Tensión normal de soldadura σ 167.955 MPa Resultados Tensión de corte de soldadura τ 8.627 MPa Tensión reducida resultante σR 168.618 MPa Fuerza de plegado máx. Fymax 3759.608 N Comprobar cálculo Positivo Cálculo estático de la soldadura en el reposa pies Cargas Fuerza axial Fx 735.000 N 31 Cotas Altura de soldadura a 2.000 mm Longitud de soldadura L 100.000 mm Material y propiedades de la junta Electrodo E60XX Límite de elasticidad Sy 345 MPa Resistencia máxima a tracción Su 425 MPa Coef. de seguridad nS 2.500 su Tensión admitida SAL 138.000 MPa Tensión admitida τA 138.000 MPa Altura mín. de soldadura amin 0.100 mm Longitud de soldadura mínima Lmin 2.670 mm Tensión de corte de soldadura máx. τ 3.675 MPa Fuerza axial máxima Fxmax 27600.000 N Comprobar cálculo Positivo Resultados Cálculo estático de la soldadura en el soporte de motor Cargas Momento flector M 206.719 N m a 2.000 mm Cotas Altura de soldadura 32 Diámetro de viga D 25.400 mm Material y propiedades de la junta Electrodo E60XX Límite de elasticidad Sy 345 MPa Resistencia máxima a tracción Su 425 MPa Coef. de seguridad ns 2.000 su Tensión admitida Sal 172.500 MPa Tensión admitida σA 172.500 MPa Altura mín. de soldadura amin 1.929 mm Diámetro mín. de viga Dmin 11.977 mm Tensión normal de soldadura σ 53.796 MPa Momento flector máx. Mmax 626.031 N m Comprobar cálculo Positivo Resultados 2.3.5 Cálculo de Elementos de maquinas 2.3.6 Cálculo y dimensionamiento del tornillo de potencia Procederemos a realizar el cálculo del tornillo de potencia, tomando en cuenta los parámetros establecidos y condiciones del diseño de la silla de ruedas, tenemos: Largo del tornillo de potencia necesario: 420 [mm] = 0.420 [m] Capacidad de carga de levante P= 150 [kg] siendo esta la capacidad real para los cálculos y la de 120 [kg] para su operación. 33 Gravedad= 9.8 [m/s2] Material a utilizar es acero SAE 1035: E=207 [Gpa] σ= 270 [Mpa] Para el desarrollo de los cálculos del tornillo de potencia se estimara un coeficiente de seguridad de K= 2.5 Carga de trabajo= P*g= 150(Kg)*9.8 (m/s2)= 1470 [N] Carga critica= Pcr= P*g*K= 1470*2.5= 3675 [N] 2.3.7 Cálculo de diámetro de pandeo El largo efectivo se obtiene debido a la relación resultante de la condición en la cual está expuesto el tornillo de potencia, en este caso se estima un lado empotrado y el otro libre, por lo tanto: Lef= 2*L 𝐼 Radio de giro: r=√𝐴 I= Momento de inercia del tornillo de potencia A= Área de la sección circular del tornillo de potencia 𝜋 ∗ 𝑑4 𝐼=( ) 64 𝜋 𝑑2 𝐴= 4 34 𝜋 ∗ 𝑑4 𝑑 𝑟 = √ 64 2 ⇒ 𝑆𝑖𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑟 = 𝜋∗𝑑 4 4 La esbeltez del material está dada por la relación: 𝜆= 𝜆= 𝐿ⅇ𝑓 𝑟 0.84 m 3.36 ⇒ 𝑅ⅇ𝑠𝑜𝑙𝑣𝑖ⅇ𝑛𝑑𝑜 𝜆 = 𝑑∕4 𝑑 Constante de la columna: 𝑐𝑐 = √ 2𝜋 2 ∗ 𝐸 𝑟 2 2𝜋 ∗ 207𝑥109 𝐶𝐶 = √ 270𝑥106 𝐶𝐶 = 123.018 Ahora se debe analizar por pandeo para poder determinar el diámetro del tornillo de potencia. Según la fórmula de J.B. Johnson 𝑘𝐿 2 𝜎∗( 𝑟 ) 𝑃𝑐𝑟 = 𝐴 ∗ 𝜎 ∗ [1 − ] 4𝜋 2 ∗ 𝐸 3.36 2 6 270𝑥10 ∗ ( ) 𝜋𝑑 𝑑 𝑃𝑐𝑟 = ∗ 270𝑥106 ∗ [1 − ] 4 4𝜋 2 ∗ 207𝑥109 2 35 3675N = 675x105 *𝑑 2 *𝜋*[1- 3.048𝑥109 𝑑2 108𝑥1010 ∗𝜋2 ] Despejando “d” tenemos: d=-0.019757 [m] (No se toma en cuenta este valor por el signo negativo.) d=0.0198 [m] ⇒ d=19 [mm] Reemplazamos el valor del diámetro en la ecuación de la relación de esbeltez: 𝜆= 𝜆= 3.36 d 3.36 0.0198 𝜆 = 170.066 Ahora verificamos si cumple la condición: 𝜆 > 𝐶𝐶 se emplea la fórmula de Euler: 170.066 > 123.018 ⇒ 𝑆𝑖 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙ⅇ Como 𝜆 > 𝑐𝑐 , en los cálculos realizados utilizamos la fórmula de Euler para determinar el diámetro. Según la fórmula de Euler alternativa 𝑃𝑐𝑟 = 𝜋 2 𝐸𝐴 𝑘𝐿 2 (𝑟) 𝜋 𝑑2 𝜋 2 207𝑥109 ∗ ( 4 ) 𝑃𝑐𝑟 = 3.36 2 ( ) 𝑑 36 𝜋 𝑑2 𝜋 2 207𝑥109 ∗ ( 4 ) 3675N = 3.36 2 ( 𝑑 ) Despejando “d” de la ecuación anterior tenemos: d=-0.013(No se toma en cuenta este valor por el signo negativo) d=0.013 [m] ⇒ d=13 [mm] Como 𝜆 > 120 en los cálculos realizados por parábola de J.B. Johnson y Euler el diámetro a utilizar es el mayor, entonces: d=19 [mm] Como el diámetro anterior no está normalizado se aproxima a 20 mm y se utiliza para entrar a la tabla 8-1 (Diseño de máquinas de Shigley) ilustrada en la figura 10, en donde se obtiene: Diámetro mayor d (mm) | Paso p (mm) | Diámetro menor dr (mm) | 20 | 2.5 | 16.926 Figura 10. Tabla de parámetros de diseño Fuente: Nisbett, 2012 37 Entrando con los datos del diámetro y paso del tornillo a tablas de roscas de sharkus, elegimos el valor de Tr 20*2.5. Con los siguientes datos para la fabricación se procede a entrar en las figura 11 para las fórmulas que faltan. d= 20 p= 2.5 dk= 15.5 H=4 D=20.5 mm (tuerca) DK=16.5 mm (tuerca) T=0.933*p=2.333 mm C=0.5*p+2a-b=1.25mm a=0.25 mm para paso de 3-12 mm b=0.5 mm para paso de 3-4 mm f=0.634*p-0.536*d=0.915 mm d=0.5*p=1.25 mm 38 Figura 11. Tabla de parámetros de diseño Fuente: A.L. Casillas, 2008 El coeficiente de rozamiento según el tipo de material es 𝜇 = 0.12 Análisis de esfuerzos (subida) Fuerza de roce 𝑓𝑟 = 𝜇 ∗ 𝑁 L=n*paso n=número de entradas de la rosca, (en este caso n=1) L=1*2.5 L=2.5 Figura 12. Tabla de parámetros de diseño 39 Fuente: Nisbett, 2012 Sumatoria de fuerzas: a) ∑𝐹𝐻 = 0 ⇒ 𝑃𝑅 − 𝑁𝑠ⅇ𝑛𝜆 − 𝑓𝑁𝑐𝑜𝑠𝜆 = 0 b) ∑𝐹𝑣 = 0 ⇒ 𝐹 + 𝑓𝑁𝑠ⅇ𝑛𝜆 − 𝑁𝑐𝑜𝑠𝜆 = 0 Como la fuerza normal N es insignificante, se elimina de cada uno de los sistemas de ecuaciones y se despeja P. Para elevar la carga, 𝑃𝑅 = 𝐹 ∗ (𝑠ⅇ𝑛𝜆 + 𝑓𝑐𝑜𝑠𝜆) 𝑐𝑜𝑠𝜆 − 𝑓𝑠ⅇ𝑛𝜆 Determinación de la tg𝜆 tg𝜆 = tg𝜆 = 𝐿 𝜋 ∗ ∅𝑚 2.5 𝜋 ∗ 18.46 𝜆 = 0.043 40 𝑃𝑅 = 1470 𝑁 ∗ (𝑠ⅇ𝑛(0.043) + 0.12 ∗ cos(0.043)) cos(0.043) − 0.12 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(0.043) 𝑃𝑅 = 241.015 [𝑁] Torque de subida: 𝑇𝑅 = 𝑇𝑅 = 𝐹 ∗ ∅𝑚 𝐿 + 𝜋𝑓∅𝑚 ( ) 2 𝜋∅𝑚 − 𝑓𝐿 −1470 𝑁 ∗ 18.5 𝑚𝑚 2.5 + 𝜋 ∗ 0.12 ∗ 18,5 ( ) 2 𝜋 ∗ 18.5 − 0.12 ∗ 2.5 𝑇𝑅 = 2228.1 [𝑁𝑚𝑚] 𝑇𝑅 = 2.228[Nm] Análisis de esfuerzos (Bajada) Fuerza de roce 𝑓𝑟 = 𝜇 ∗ 𝑁 L=n*paso n=número de entradas de la rosca, (en este caso n=1) L=1*2.5 L=2.5 mm=0.0025 [m] Sumatoria de fuerzas: a) ∑𝐹𝐻 = 0 ⇒ −𝑃𝐿 − 𝑁𝑠ⅇ𝑛𝜆 + 𝑓𝑁𝑐𝑜𝑠𝜆 = 0 b) ∑𝐹𝑣 = 0 ⇒ 𝐹 − 𝑓𝑁𝑠ⅇ𝑛𝜆 − 𝑁𝑐𝑜𝑠𝜆 = 0 41 Como no interesa la fuerza normal N, se elimina de cada uno de los sistemas de ecuaciones y se despeja P. Para elevar la carga: 𝑃𝐿 = 𝐹 ∗ (𝑓𝑐𝑜𝑠𝜆 − 𝑠ⅇ𝑛𝜆) 𝑐𝑜𝑠𝜆 + 𝑓𝑠ⅇ𝑛𝜆 Determinación de la tg𝜆: tg𝜆 = tg𝜆 = 𝐿 𝜋 ∗ ∅𝑚 2.5 𝜋 ∗ 18.46 𝜆 = 0.043 = 1470 𝑁 ∗ (0.12 ∗ cos(0.043) − 𝑠ⅇ𝑛(0.043)) cos(0.043) + 0.12 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(0.043) 𝑃𝐿 = 112.57 [𝑁] Torque de bajada: TL = TL = F ∗ ∅m π ∗ f ∗ ∅ m − L ( ) 2 π ∗ ∅m + f ∗ L 1470 (N) ∗ 18.5 π ∗ 0.12 ∗ 18.5 − 2.5 ( ) 2 π ∗ 18.5 + 0.12 ∗ 2.5 TL = 1052.24 [Nmm] TL = 1.052 [Nm] Auto bloqueo del tornillo El auto bloqueo es para evitar el retroceso cuando se encuentre en su altura máxima de trabajo, las fuerzas a la que estará sometida la estructura de la silla de ruedas serán de 42 compresión y tracción transmitidas al tornillo haciéndolo girar en un sentido contrario al de avance provocando que este retorne a su posición inicial. Un tornillo se auto bloquea si cumple lo siguiente: μ ≥ tg(λ) Reemplazando se tiene: 0.12 ≥ 0.043 Para comprobar que el tornillo es auto-asegurante calculamos de la siguiente manera para cuando baje la carga es necesario vencer la fricción para que la carga baje sola. Se puede distinguir de dos casos diferentes: Si 𝜋 ∗ 𝜇 ∗ ∅𝑚 > 𝐿 , 𝜇 > 𝑡𝑔(𝜆) 𝑦 𝑇 > 0 entonces el tornillo es auto-asegurante Si 𝜋 ∗ 𝜇 ∗ ∅𝑚 < 𝐿 , 𝜇 < 𝑡𝑔(𝜆) 𝑦 𝑇 < 0 entonces la carga baja sola Calculando tenemos: Si 6.97 > 2.5, 0.12>0.00075, 1.05224>0 entonces verificamos que el tornillo que se ha calculado es Auto-asegurante Por lo tanto la rosca se auto bloquea, es decir esta no descenderá al momento de soportar una carga menor o igual a 150 kg. Eficiencia del tornillo de potencia ⅇ= 𝑇0 𝑇𝑅 ⅇ= 𝐹∗𝑙 2𝜋𝑇𝑅 ⅇ= 𝑃𝑅 ∗ 𝑙 2𝜋𝑇𝑅 43 ⅇ= 241.015 ∗ 2.5 3𝜋 ∗ 140.553 ⅇ = 0.678 ⅇ% ⇒ 67.8% Esfuerzo de corte Los esfuerzos nominales en el cuerpo de los tornillos de potencia pueden relacionarse con los parámetros de la rosca en la forma siguiente. El esfuerzo cortante nominal en torsión τ del cuerpo del tornillo puede expresarse como: 𝜏= 𝜏= 16𝑇 𝜋𝑑𝑟3 16 ∗ 140.553 ∗ 103 𝜋 ∗ (20 − 2.5)3 𝜏 = 133.566 [𝑃𝑎] Esfuerzo axial El esfuerzo axial σ en el cuerpo del tornillo debido a la carga F es: 𝜎= 𝜎= 𝜎=− F 𝐴 4F 𝜋𝑑𝑟2 4 ∗ 1470 ∗ 103 𝜋(20 − 2.5)2 𝜎 = −6111.55 [𝑃𝑎] 44 Esfuerzo provocado en la rosca El análisis que se realiza en los hilos de las roscas que se encuentren en contacto con la tuerca que se encuentran con la carga, para lo siguiente se utiliza los cálculos en los coeficientes de seguridad para obtener el valor más próximo a la realidad. Presión de contacto: Teniendo en cuenta el contacto la superficie de la rosca, 𝐹 𝜋 ∗ 𝜙𝑚 ∗ ℎ ∗ 𝑛 𝜎𝐵 = Donde n es el número de hilos en contacto y H es la altura del diente, reemplazando los cálculos tenemos, 𝜎𝐵 = 1470 [N] 400 𝜋 ∗ 18.46[𝑚𝑚] ∗ 1.585 ∗ ( 2,5 ) 𝜎𝐵 = 0.099951 [ 𝑁 𝑁 ] = 9.995 ∗ 103 [ 2 ] 2 𝑚𝑚 𝑚 Tensión debida a la flexión: Para realizar el cálculo se supone que la carga F esta uniformemente distribuida en toda la rosca a lo largo del diámetro del tornillo, * Momento máximo sobre los hilos de la rosca: 𝑀= 𝐹∗ℎ ⅇ𝑛 [𝑘𝑝 ∗ 𝑐𝑚] 4 * Tensión máximo sobre los hilos de la rosca: 𝜎𝑏 = 3∗𝐹∗ℎ 𝜋 ∗ 𝜙𝑚 ∗ 𝑛 ∗ 𝑏2 Donde b es el diámetro medio de la rosca, al reemplazar, 45 𝜎𝑏 = 3 ∗ 1470[𝑁] ∗ 1.585[𝑚𝑚] 400 𝜋 ∗ 18.46[mm] ∗ ( 2.5 ) ∗ 18.46[mm]2 𝜎𝑏 = 0.0014 [ 𝑁 𝑁 ] = 1.3 ∗ 103 [ 2 ] 2 𝑚𝑚 𝑚 Tensión cortante: La tensión cortante para el tornillo y la tuerca son: Para la tuerca: 𝜏𝑡𝑢𝑒𝑟𝑐𝑎 = 3∗𝐹 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝜙𝑜 ∗ 𝑛 ∗ 𝑏 Donde 𝜙𝑟 es el diámetro interior y 𝜙𝑜 es el diámetro exterior, resolviendo: Para el tornillo: 𝜏𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 = 3∗𝐹 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝜙𝑟 ∗ 𝑛 ∗ 𝑏 Donde 𝜙𝑟 es el diámetro interior y 𝜙𝑜 es el diámetro exterior, resolviendo: 𝜏𝑡𝑢𝑒𝑟𝑐𝑎 = 3 ∗ 1470[𝑁] 400 2 ∗ 𝜋 ∗ 20[𝑚𝑚] ∗ ( 2.5 ) ∗ 18.46[mm] 𝜏𝑡𝑢𝑒𝑟𝑐𝑎 = 0.012 [ 𝜏𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 = 𝑁 𝑁 3[ ] ] = 11.19 ∗ 10 𝑚𝑚2 𝑚2 3 ∗ 1470[𝑁] 400 2 ∗ 𝜋 ∗ 16.5[𝑚𝑚] ∗ ( 2.5 ) ∗ 18.46[mm] 𝜏𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 = 0.013 [ 𝑁 𝑁 ] = 13.293 ∗ 103 [ 2 ] 2 𝑚𝑚 𝑚 46 Comprobación del diámetro del tornillo por flexión Cuanto mayor sea el esfuerzo de flexión F y el torque del motor mayor es la flexión, producto de la fuerza por el brazo nos dará el momento flector. Figura 13. Tabla de parámetros de diseño Fuente: Nisbett, 2012 La distancia y la capacidad de resistencia se expresan mediante el momento resistente W que es para la siguiente sección: 𝑀= 𝑤= 1470 ∗ 42 = 15435 [𝑘𝑝 𝑐𝑚] 4 𝑀 𝜎𝑎 ⅆ𝑚 = 15435 = 0.214375 72000 𝑑 = √𝑤 ∗ 10 𝑑 = √0.214375 ∗ 10 𝑑 = 1.46416 [𝑐𝑚] = 14.64 [𝑚𝑚] 47 El diámetro calculado mediante Shigley dio un valor de 20 [mm], con esto nos damos cuenta que con diámetros mayores a 14.64 mm no fallaría el tornillo a flexión analizando en un caso muy crítico que fallaría uno de los pasadores de la silla de ruedas. En la siguiente tabla 9 se muestran los valores de las propiedades de los materiales que se seleccionó para el tornillo. Tabla 9. Propiedades de los materiales tornillo Propiedades del Acero 1035 Valor Unidades Módulo elástico 2.07E+11 N/m^2 Coeficiente de Poisson 2.90E-01 N/D Módulo cortante 8.00E+10 N/m^2 Densidad de masa 7.85E+03 kg/m^3 Límite de tracción 585000003 N/m^2 Límite elástico 270685049 N/m^2 Coeficiente de expansión térmica 1.10E-05 /K Conductividad térmica 5.20E+01 W/(m·K) Calor específico 486 J/(kg·K) Fuente: Elaboración propia, 2019 En la tabla 10 se encuentran los valores del material que se planteó para la tuerca. Tabla 10. Propiedades de los materiales de la tuerca Propiedades del Bronce CuSn12 Valor Unidades Módulo elástico 1.10E+11 N/m^2 Coeficiente de Poisson 3.30E-01 N/D 48 Módulo cortante 3.70E+10 N/m^2 Densidad de masa 8.30E+03 kg/m^3 Límite de tracción 261955000 N/m^2 Límite elástico 110297000 N/m^2 Coeficiente de expansión térmica 1.80E-05 /K Conductividad térmica 4.70E+01 W/(m·K) Calor específico 380 J/(kg·K) Fuente: Elaboración propia, 2019 Se muestran los valores obtenidos de las propiedades de los materiales que forman parte del mecanismo tornillo/tuerca, los cuales fueron obtenidos mediante el software de SolidWorks 2017. 2.3.8 Cálculo de tiempo de elevación de la silla Previamente realizado los cálculos para la obtención del torque necesario para los motores de los tornillos, se procede a realizar el respectivo cálculo de tiempo que demora para lograr alcanzar el modo cama o bipedestático. El tornillo se caracteriza por el número de entradas (E) y por el paso de la rosca (P) E=1 P=2.5[mm]=0.0025[m] A= avance 𝐴 =𝑃∗𝐸 𝐴 = 0.0025 ∗ 1 𝐴 = 0.0025[𝑚] 49 La velocidad de avance será: 𝑉𝑎 = 𝐴 ∗ 𝑁 = 𝑃 ∗ 𝐸 ∗ 𝑁 N= Velocidad de giro= 100[RPM] = 10,472 [rad/s] 𝑉𝑎 = 0.0025[𝑚] ∗ 10.472 [rad/s] 𝑚 𝑉𝑎 = 0.02618 [ ] 𝑠 𝑉𝑎 = 𝐿 𝑡 Luego: 𝑡= 𝐿 𝑉𝑎 L (Distancia de recorrido)= 0,4[m] “Reposo” – 0,13 [m] “Carrera máxima” 𝐿 = 0.27[𝑚] 𝑡= 𝑡= 𝐿 𝑉𝑎 0.27[𝑚] 𝑚 0.02618 [ 𝑠 ] 𝑡 = 10.313 [𝑠ⅇ𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠] El tiempo puede variar dependiendo a qué velocidad constante este trabajando el motor ya que este puede ser variado en el programa de control o electrónicamente. 50 2.3.9 Determinación de la fuerza máxima requerida para impulsar la silla de ruedas Se considera el peso de todos los componentes que conforman la silla de ruedas mecatrónica (Figura 14): Estructura de la silla de ruedas, etapa de potencia, sistema de control, peso del usuario, batería. El peso máximo de usuario especificado para el diseño de la silla de ruedas es de 150 [kg]. La masa está dada por los materiales seleccionados con los cuales se hizo el análisis y simulaciones respectivas. Figura 14. Silla de ruedas mecatrónica Fuente: Elaboración propia, 2019 El peso total que los motores deben impulsar es: PTM = PEM + PMU + PF +PSC PEM = Peso de la estructura mecánica = 13,73 [kg] ≅14 [kg] PMU = Peso máximo del usuario = 120 [kg] 51 PF = Peso de la fuente (Batería) = 15 [Kg] PSC = Peso del Sistema de control = 1 [kg] PTM = Peso total a movilizar = 180 [kg] →1764 [N] Con el valor total a movilizar se calcula la fuerza en Newton, luego se hace el respectivo cálculo de la fuerza máxima que deben entregar los motores para la movilización de la silla de ruedas. 2.3.10 Determinación de la fuerza máxima requerida para impulsar la silla de ruedas en superficie plana Para realizar el cálculo de la fuerza máxima se hizo por medio de las leyes de Newton mediante el diagrama de cuerpo libre (Figura 15). Figura 15. Esquema de fuerzas sobre una superficie plana Fuente: Elaboración propia, 2019 Para el material de hule sobre concreto seco el coeficiente de fricción cinético es 0.5 𝛴𝐹𝑥 = 0 F − 𝐹𝑟 =0 52 𝐹 = 𝐹𝑟 𝐹 = 𝜇𝑐 ∗ 𝑁 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁−𝑊 =0 𝑁=𝑊 𝑁 =𝑚∗𝑔 𝐹 = 𝜇𝑐 ∗ 𝑚 ∗ 𝑔 𝐹 = 0.57 ∗ 1764 [𝑁] 𝐹 = 1005.48 [N] Fuerza necesaria para que la silla de ruedas pueda desplazarse en una superficie plana. 2.3.11 Determinación de la fuerza máxima requerida para superficies ascendentes Según la norma boliviana NB1220005 (Accesibilidad de las personas al medio físico, edificios, rampas fijas - 2015), la cual se encarga de establecer las dimensiones mínimas y sus respectivas características generales que deben cumplir las rampas para facilitar el acceso, la pendiente máxima debe ser del 12 %. Se establecen las siguientes pendientes longitudinales máximas (figura 16) para los tramos de rampa entre descansos, los cuales son medidos en su proyección horizontal. Figura 16. Pendientes longitudinales en porcentaje 53 Fuente: Elaboración propia, 2019 La pendiente se puede expresar en porcentaje (P%), como resultado de la relación entre la altura a salvar (h) y la distancia del tramo en el plano horizontal (d) multiplicado por 100. Ver figura 17 Figura 17. Pendiente de una rampa (%) Fuente: Elaboración propia, 2019 ℎ 𝑃 (%) = ( ) ∗ 100 𝑑 A partir de la formula anterior realizamos el cálculo de los ángulos de la pendiente para los 3 casos distintos: a): De 6% a 8%: hasta 15 metros. 6= ℎ ∗ 100 15 𝑚 54 ℎ= 6 ∗ 15 100 ℎ = 0.9 [𝑚] Luego se realiza el cálculo del ángulo a partir de las relaciones trigonométricas: 𝑡𝑔𝜃 = 0.9 15 𝑡𝑔−1 = 0,06 𝜃 = 3.434𝑜 b): De 8% a 10%: hasta 10 metros. 10 = ℎ ∗ 100 10 𝑚 ℎ= 10 ∗ 10 100 ℎ = 1 [𝑚] Luego se realiza el cálculo del ángulo a partir de las relaciones trigonométricas: 𝑡𝑔𝜃 = 1 10 𝑡𝑔−1 = 0,1 𝜃 = 5.71𝑜 c): De 10% a 12%: hasta 3 metros. 12 = ℎ ∗ 100 3𝑚 55 ℎ= 12 ∗ 3 100 ℎ = 0.36 [𝑚] Luego se realiza el cálculo del ángulo a partir de las relaciones trigonométricas: 𝑡𝑔𝜃 = 0.36 3 𝑡𝑔−1 = 0.12 𝜃 = 6.843𝑜 Para el diseño consideramos el valor más alto que será el crítico 6.843. En la siguiente figura 18 se muestra el diagrama de cuerpo libre de la silla de ruedas en Superficie Ascendente. Figura 18. Silla de ruedas en superficie ascendente Fuente: Elaboración propia, 2019 56 𝛴𝐹𝑥 = 0 𝐹 − (𝐹𝑟 + 𝑊𝑥 ) = 0 𝐹 = 𝐹𝑟 + 𝑊𝑥 𝐹 = 𝜇𝑐 ∗ 𝑁 + 𝑊 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 ) 𝐹 = 𝜇𝑐 ∗ 𝑁 + 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 ) 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 − 𝑊𝑦 = 0 𝑁 = 𝑊𝑌 𝑁 = 𝑊 ∗ cos(𝜃 ) 𝑁 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ cos(𝜃) 𝐹 = 𝜇𝑐 ∗ 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ cos(𝜃 ) + 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 ) 𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ (𝜇𝑐 ∗ cos(𝜃 ) + 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 )) 𝐹 = 1764 [N] ∗ (0.57 ∗ cos(6.84𝑜 ) + 𝑠ⅇ𝑛(6.84𝑜 )) 𝐹 = 1208.41 [𝑁] 2.3.12 Determinación de la fuerza máxima requerida para superficies descendentes En la figura 19 se muestra el diagrama de cuerpo libre de la silla de ruedas en Superficie descendente. 57 Figura 19. Silla de ruedas en superficie descendente Fuente: Elaboración propia, 2019 𝛴𝐹𝑥 = 0 𝐹𝑟 − (𝐹 + 𝑊𝑥 ) = 0 𝐹𝑟 = 𝐹 + 𝑊𝑥 𝐹 = 𝜇𝑐 ∗ 𝑁 − 𝑊 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 ) 𝐹 = 𝜇𝑐 ∗ 𝑁 − 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 ) 𝛴𝐹𝑦 = 0 𝑁 − 𝑊𝑦 = 0 𝑁 = 𝑊𝑦 𝑁 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ cos(𝜃 ) 𝐹 = 𝜇𝐶 ∗ 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ cos(𝜃 ) − 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 ) 58 𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔 ∗ (𝜇𝑐 ∗ cos(𝜃 ) − 𝑠ⅇ𝑛(𝜃 )) 𝐹 = 1764 ∗ (0.57 ∗ cos(6.84𝑜 ) − 𝑠ⅇ𝑛(6.84𝑜 )) 𝐹 = 788.236 [𝑁] 2.3.13 Análisis del Muelle de amortiguador Cálculo de la escala del resorte según requerimiento necesario para la silla de ruedas a partir de la siguiente ecuación: Datos de início: F=150[kg] →150[kg]*9.8 [m/s2] =1470 [N] X=100[mm] → Distancia comprimida con una fuerza de 1470 [N] 𝐹 =𝑘∗𝑥 𝐹 𝑥 1470[𝑁] 𝑘= 100𝑚𝑚 N 𝑘 = 14.7[ ] mm N ] /2 𝑘 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 14.7 [ mm N ] 𝑘𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 7.35 [ mm 𝑘= El siguiente análisis se realizó para la adecuación de un amortiguador comercial existente en el mercado nacional y de fácil adquisición. Datos de inicio: Alambre templado en aceite 59 D=55 [mm] N N k=7.35 [mm] → 7350 [m] G=77.2 [GPa] Na=9 [vueltas] 𝑑4𝐺 𝑘= 8𝐷 3 𝑁𝑎 N 𝑑 4 ∗ 77.2[𝐺𝑃𝑎] 7350 [ ] = m 8 ∗ (0.06 [𝑚])3 ∗ 9 Despejando “d” tenemos el siguiente valor: 𝑑 = 0.00058 [𝑚] → 5.8 [𝑚𝑚] La selección del diámetro del alambre del resorte será de 6 [mm] debido a que existen muelles de amortiguadores comerciales en el mercado con dicho valor de diámetro. Determinación del radio de giro de la silla de ruedas Datos: b=541.27 [mm] a=750 [mm] 𝑡𝑔(𝑎𝑣𝑖 ) = 𝑡𝑔(𝑎𝑣𝑖 ) = 2𝑏 4𝑏 − 𝑎 2(541.27) 4(541.27) − 750 𝑡𝑔(𝑎𝑣𝑖 ) = 0.765 60 𝑎𝑣𝑖 = 37.4160 → 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑ⅇ 𝑣𝑖𝑟𝑎𝑗ⅇ 𝑖𝑛𝑡ⅇ𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑡𝑔(𝑎𝑣ⅇ) = 𝑡𝑔(𝑎𝑣ⅇ) = 2𝑏 4𝑏 + 𝑎 2(541.27) 4(541.27) + 750 𝑡𝑔(𝑎𝑣ⅇ) = 0.3713 𝑎𝑣ⅇ = 20.3730 → 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑ⅇ 𝑣𝑖𝑟𝑎𝑗ⅇ ⅇ𝑥𝑡ⅇ𝑟𝑖𝑜𝑟 Radio de giro: 2b 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑ⅇ 𝑔𝑖𝑟𝑜 = 2(541.27) 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑ⅇ 𝑔𝑖𝑟𝑜 = 1082.54 𝑚𝑚 → 1.082 𝑚 La configuración del software para la simulación de trayectoria del vehículo se realizó con la distancia entre ejes, el largo y el ancho total del vehículo. En la figura 20 se muestra la distancia entre ejes (Para la simulación consideramos ejes existentes). Figura 20. Distancia entre centro de ejes Fuente: Elaboración propia (AutoCAD), 2019 61 La distancia del voladizo delantero se toma en cuenta desde el frente del equipo hasta el primer eje o hasta el centro del primer eje como se muestra en la figura 21: Figura 21. Voladizo delantero Fuente: Elaboración propia (AutoCAD), 2019 En la figura 22 se ilustra la longitud total de la silla de ruedas, considerando el soporte de la parte de atrás y el extremo delantero de los reposa pies. Figura 22. Longitud Total Fuente: Elaboración propia (AutoCAD), 2019 62 Por lo tanto en la figura 23 se muestra las características de la silla de ruedas como ser del ancho de pared a pared de las llantas. Figura 23. Ancho de la Silla de ruedas Mecatrónica Fuente: Elaboración propia (AutoCAD), 2019 En la figura 23, 24 y 25 se toma en cuenta las dimensiones de las llantas de la parte delantera y la parte trasera considerando también el ancho. Figura 24. Dimensiones de llantas Delanteras Fuente: Elaboración propia (AutoCAD), 2019 63 Figura 25. Dimensiones de llantas Traseras Fuente: Elaboración propia (AutoCAD), 2019 Figura 26. Configuración de llantas Fuente: Elaboración propia (AutoCAD), 2019 64 En la figura 27 y figura 28 se muestra la simulación para la circulación de la silla de ruedas mecatrónica en pasillos de viviendas con un distancia de 1.2 [m] entre paredes reguladas bajo Norma Boliviana NB 1220004, garantizando el giro en pasillos de 90° y 45°, el equipo podrá circular sin ningún inconveniente que se le dificulte al paciente maniobrarlo el equipo. Figura 27. Trayectorias de Silla de Ruedas en pasillos de viviendas a 1 km/h Fuente: Elaboración propia, 2019 Figura 28. Trayectorias de Silla de Ruedas en calles a 10 km/h Fuente: Elaboración propia, 2019 65 2.3.14 Selección de componentes mecánicos Selección de Pernos Datos de inicio: Carga de trabajo= P*g=150 (Kg)*9.8 (m/s2) = 1470 [N] Carga crítica= Pcc= P*g*K= 150(Kg)*9.8 (m/s2) *2.5= 3675 [N] Pcc= F=3675 [N] Factor de Seguridad (FS)=2 Resistencia mínima a la fluencia (𝜎𝑦 ) = 240[𝑀𝑃𝑎] Con la siguiente formula del factor de seguridad realizamos el cálculo de la Tensión permisible: 𝐹𝑠 = 𝜎𝑦 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 Despejando 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 de la ecuación anterior tenemos: 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑦 𝐹𝑠 Reemplazando los valores en la siguiente ecuación se tiene: 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 240(𝑀𝑃𝑎) 2 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 120[𝑀𝑃𝑎] 66 Figura 29. Esfuerzos cortantes en el Perno Fuente: Elaboración propia, 2019 Luego de analizar la figura anterior procedemos al cálculo del área del perno, 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 = 𝐴= 𝐴= 𝑃 𝐴 𝐹∕2 𝐴 𝐹∕2 𝐹 = 𝐴 2𝐴 𝐹 2 ∗ 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚 3675[𝑁] 𝑁 2 ∗ 120 [ ] 𝑚𝑚2 𝐴 = 15.31[𝑚𝑚2 ] Con los datos obtenidos anteriormente se procede a realizar reemplazar en la siguiente igualdad: 𝐴𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 = 𝜋𝑑 2 4 67 𝑑2 = 𝐴𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 ∗ 4 𝜋 √𝑑 2 = √ 15.31 ∗ 4 𝜋 𝑑 = 4.415 [𝑚𝑚] 𝑑 = 10 [𝑚𝑚] → Perno seleccionado o superior Se procede a acceder por un diámetro superior d=10 [mm] debido a que los diámetros de los de otros componentes puedan ser la misma y cumplir satisfactoriamente los esfuerzos a los que estarán sometidos. Con el resultado anterior del dimensionamiento de pasadores se selecciona del catálogo Pertec un perno de acero de bajo o medio carbono clase 4.6 diámetro seleccionado es 10mm, esto tomando en cuenta los diámetros de otros componentes mecánicos que conforman la silla de ruedas. Selección de rodamiento La selección es una de las partes primordiales para el correcto funcionamiento del mecanismo. Por lo cual se debe tomar en cuenta algunos parámetros analizando el lugar donde estará alojado, como ser los diámetros externos e internos, el ancho total del alojamiento en la estructura del chasis y la velocidad angular, tomando en cuenta el costo para su correcto balance del precio final de la silla, así como la facilidad de adquisición de dichos componentes. Se procedió a seleccionar el siguiente rodamiento con las siguientes características: Marca: SKF Designación: 6200-2RSH Tipo de rodamiento DGBB 68 Selección de Muelle para amortiguador Los parámetros a tener en cuenta para la respectiva selección de amortiguadores son el largo total, escala del resorte, material del cual está conformado el muelle, costo, facilidad de adquisición. La siguiente selección de muelle para amortiguador se realizó según las necesidades y funciones de la silla de ruedas, el resorte seleccionado cumple con las siguientes características: Marca: Far Código: 374 Material: Alambre templado en aceite N 𝑘𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 = 7.35 [mm] (Debido a que trabajaran 2 muelles de amortiguador independientemente). Diámetro de alambre: 6 [mm] Largo total: 200 [mm] Diámetro exterior: 55 [mm] Numero de vueltas: 9 2.3.15 Análisis Computacional Teniendo en cuenta el objetivo de garantizar el correcto funcionamiento de la silla de ruedas mecatrónica reclinable para personas con discapacidad en los miembros inferiores, tomando en cuenta los conocimientos amplios en distintas condiciones de servicio simuladas, observando el comportamiento del material seleccionado, el cual estará sometido a cargas para evitar problemas antes de su construcción y garantizar su estabilidad y calidad, se analizó la estructura de esta, por medio del método de los elementos finitos, mediante el software SOLIDWORKS 2017. 69 En cuanto a los retos más grandes fue encontrar un sistema que permita realizar la función de reclinarse también ayudar al paciente a ponerse de pie, todo mediante un sistema de movimiento mecánico. Según investigaciones de Sunrise Medical Co “El aprovechamiento de la energía que el usuario aplica para propulsarse es del doble en una silla con armazón rígido (se aprovecha 15-20% del impulso), que en una plegable (aprovecha 5 - 8% del impulso). Esto es debido a que en una silla plegable parte de la energía de propulsión se pierde en el movimiento de su estructura por los puntos de articulación. Sin embargo la silla de ruedas reclinable resulta en general más cómoda para transportar al usuario y poder reclinarse a un modo cama sin ayuda de una persona externa. La solución para este caso fue realizar rígidos algunas partes de la silla de ruedas sin afectar la funcionalidad con la que se está diseñando toda la estructura permitiendo que fuera más integral, y de esta manera lograr que los esfuerzos se distribuyeran de mejor manera. Figura 30. Diseño final de la silla de ruedas Fuente: Elaboración propia, 2019 70 La figura 30 ilustrada anteriormente es el resultado final del diseño en el cual se puede observar la estructura sólida pensada para una mejor distribución de esfuerzos. Al estudiar el diseño de la estructura de la silla de ruedas según las consideraciones biomecánicas propuestas por Sunrise Medical Co. Se llegó a la conclusión de que la estructura está sometida a 2 clases de esfuerzos principales, estos podrían afectar el funcionamiento adecuado del dispositivo médico, la cual se respalda mediante la tabla 11, los cuales son la base fundamental para la realización del análisis computacional de los elementos de la estructura de la silla de ruedas mecatrónica. Tabla 11. Esfuerzos Presentes en la estructura de la silla de ruedas mecatrónica propio al peso del usuario Los esfuerzos están relacionados Esfuerzos efectuados. directamente con el peso del usuario y las posiciones estándar con las que se encuentra en el momento que los motores empezaran a funcionar realizar movimiento de trasladarse o las otras dos funciones de reclinarse y Esfuerzos en el chasis lateral. el modo bipedestación. Los esfuerzos que se presentan sobre el chasis lateral de la silla es una carga distribuida, por lo tanto debe ser el tamaño adecuado para evitar que se deslizara sobre la superficie del asiento y garantizar la estabilidad al usuario. Los esfuerzos en la estructura provocan una dichas zonas deformación de en mayor concentración de carga respecto a un eje, para garantizar el funcionamiento de la silla se debe Esfuerzos en el espaldar. analizar minuciosamente. En Esfuerzos en el reposa pies. Esfuerzos en el chasis frontal. 71 esta zona los esfuerzos Según Sunrise Medical Co. Un 19 presentados se deben según a la posición en la que se encuentra inclinada el espaldar de la silla de ruedas. % del peso del cuerpo en sedestación se distribuye en los pies. Los reposapiés deben estar a la altura adecuada del usuario para evitar próximas complicaciones en su salud. (Modo reclinable-cama). En el modo reclinable-cama se debe garantizar la horizontalidad del espaldar con la base y el reposa pies de la silla de ruedas para que el usuario pueda descansar adecuadamente. En este modo de bipedestación los esfuerzos máximos estarán en los distintas partes inferiores de la Bipedestación). Esfuerzos en el chasis lateral (Modo Esfuerzos en el chasis lateral 72 estructura, ya que el usuario debe estar en completa verticalidad y muy bien sujetado, esto para no afectar la visibilidad, garantizando la estabilidad de la misma silla. Fuente: Elaboración propia, 2019 2.3.16 Análisis de la base articulada Las sillas de ruedas que se encuentran actualmente en el mercado tienen una capacidad para soportar al usuario entre los rangos de 85 [Kg] a 120 [kg]. Para el diseño de la silla de ruedas se eligió un peso inicial de 80 [Kg] y un peso máximo de 150 [Kg] correspondiente aproximado de 1480 [N] Una vez determinada la fuerza se procedió a realizar el respectivo análisis de elementos finitos con el software SolidWorks 2017. Se puede apreciar en la figura 31, la estructura correspondiente de la base articulada hueca por dentro simulando con las condiciones referidas a las cargas y material. 73 Tabla 12. Propiedades de la base articulada Propiedades Volumétricas Masa: 0.728 [kg] Volumen: 0.00073 [m^3] Densidad: 7870 [kg/m^3] Peso: 7.13 [N] Propiedades del Material Nombre: AISI 1010 Barra de acero laminada en caliente Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx. Límite elástico: 1.8e+008 N/m^2 Límite de tracción: 3.25e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.29 Densidad: 7870 kg/m^3 Módulo cortante: 8e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 1.22e-005 /Kelvin 74 Resultado del Análisis Nombre: Mínimo Máximo Tensión de von 6837.277 [N/m^2] 101,499520[N/m^2] Mises máx. Desplazamiento 0.01[mm] - 1e-5[m] 0.148[mm] - 0.000148[m] Fuente: Elaboración propia, 2019 Figura 31. Gráficas base del asiento Tensión de von Mises máx. Deformación máx. Barra AB Deformación máx. Barra CA 75 Deformación máx. Barra Deformación máx. GH placas actuador Deformación máx. Barra EF Fuente: Elaboración propia, 2019 Luego de que a la pieza se le aplico las propiedades de los materiales y las respectivas condiciones de cargas y restricciones de sujeción se procedió a realizar el mallado, para ello se utilizó el análisis de mallado generado por defecto por el software simulando las condiciones en las cuales operaria la pieza, también se limitaron las restricciones de la base articulada fijando apoyos, los pasadores serán como una parte fija de apoyo en el modo que la silla mantendrá sentado al usuario. Después de las consideraciones anteriores, se realizó el análisis con la carga máxima de 3675 N en los puntos considerados críticos para el análisis de la estructura articulada. Una vez se tuvieron todos los parámetros establecidos se halló la solución deseada, que para este análisis corresponde a los esfuerzos máximos sobre la piezas y la deformación total. A partir de los resultados obtenidos se observa en la figura 31 como la deformación máxima es de 0.13mm, recaería sobre en el centro de cada barra que corresponde a la estructura articulada del chasis. La deformación en los extremos es nula. 76 Se puede concluir que esta pieza de la silla de ruedas cumple satisfactoriamente con todos los análisis necesarios para un óptimo funcionamiento. 2.3.17 Análisis del Espaldar Con la finalidad de encontrar una fuerza estimada el cual estará presente en la estructura del espaldar se realizó pruebas, considerando los grados de inclinación que presentan en distintas posiciones que se encuentre el espaldar de la silla, la fuerza que recae sobre pecho también se transmitirá a la estructura del espaldar, para lo cual se realiza el análisis con un valor promedio de fuerza máxima ejercida por la región lumbar de una persona promedio sin apoyo de las piernas, los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 13. Tabla 13. Datos Pruebas Peso(Kg) Fuerza(N) 60 588 75 735 90 882 105 1029 Promedio(N) 808.5 Fuente: Elaboración propia, 2019 Después de concluir con los parámetros se procedió a analizar los esfuerzos y deformaciones máximas en la posición del espaldar más crítico. Tabla 14. Propiedades de espaldar Propiedades Volumétricas Masa: 0.534 [kg] Volumen: 0.000534 [m^3] Densidad: 7870 [kg/m^3] Peso: 5.26254 [N] Propiedades del Material 77 Nombre: AISI 1010 Barra de acero laminada en caliente Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx. Límite elástico: 1.8e+008 N/m^2 Límite de tracción: 3.25e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.29 Densidad: 7870 kg/m^3 Módulo cortante: 8e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 1.22e-005 /Kelvin Resultado del Análisis Nombre: Mínimo Máximo Tensión de von Mises máx. 3 [N/m^2] 3*108 [N/m^2] Desplazamiento AD 0. 291[mm] – 0.000291[m] 6[mm] - 0.0059[m] Fuente: Elaboración propia, 2019 Figura 32. Gráficas Espaldar Tensión de von Mises máx. 78 Deformación máx. Espaldar Deformación máx. Barra AD Fuente: Elaboración propia, 2019 Para calcular la fuerza estimada en toda la estructura del espaldar se asume que el 80% de la fuerza total del peso de la persona estaría aplicándose en la parte lumbar de un hombre promedio sin apoyo de las piernas, esta fuerza varía dependiendo el grado de inclinación en la que se encuentre el usuario. Los resultados generados por el software en la simulación de esfuerzos (Ya que el valor de 810 N ningún usuario llegaría a aplicar este valor cuando esté sentado en la silla, debido al tipo de lesión que estas personas poseen), evidencian que en el espaldar, que con base en el análisis que se hizo de la estructura y las propiedades del acero AISI 1010, no representa un riesgo para la estructura, por otra los esfuerzos máximos están presentes en la barra que servirá como soporte para la articulación. Se podría afirmar entonces que esta pieza también cumple satisfactoriamente con todos los requisitos necesarios para el óptimo funcionamiento del dispositivo médico. A través de los resultados obtenidos por la simulación software en la figura 32. Se toma en cuenta como la deformación máxima de la estructura del espaldar indica una desviación de 0.008 mm, siendo una tolerancia considerable, debido a que esta 79 desviación no pone en riesgo la seguridad del usuario. La deformación sobre la estructura de la base articulada es nula. 2.3.18 Análisis del Reposa pies En la estructura de Reposa pies están presentes las diferentes magnitudes de cargas y esfuerzos esto debido a que van cambiando los valores respecto al ángulo del espaldar de la silla. Según la investigación de Sunrise Medical Co, el peso que recaería sobre el reposa pies en una silla que no conserve ángulos validos en la zona de la rodilla y tobillo sería un aproximado del 19% del peso de la persona. Para garantizar el funcionamiento correcto de la estructura del reposa pies, la fuerza que se aplica en la simulación y llevar el diseño de la silla al límite se trabaja con el peso más crítico antes elegido para el análisis del chasis, por lo que la fuerza aplicada será de 1480 N. Una vez ya establecidos todos los parámetros de fijación y fuerzas aplicadas de esta pieza se procede a la simulación, enfocándose en los esfuerzos y deformaciones máximas aplicadas sobre la pieza. Ver tabla 15. Tabla 15. Propiedades de reposa pies Propiedades Volumétricas Masa: 0.839 [kg] Volumen: 0.00084[m^3] Densidad: 7870 [kg/m^3] Peso: 8.22 [N] Propiedades del Material AISI 1010 Nombre: AISI 1010 Barra de acero laminada en caliente Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal 80 Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx. Límite elástico: 1.8e+008 N/m^2 Límite de tracción: 3.25e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.29 Densidad: 7870 kg/m^3 Módulo cortante: 8e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 1.22e-005 /Kelvin Propiedades del Material Aleación 1060 Nombre: Aleación 1060 Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx. Límite elástico: 2.75742e+007 N/m^2 Límite de tracción: 6.89356e+007 N/m^2 Módulo elástico: 6.9e+010 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.33 Densidad: 2700 kg/m^3 Módulo cortante: 2.7e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 2.4e-005 /Kelvin Resultado del Análisis Nombre: Mínimo Máximo Tensión de von Mises máx. 4.238 e1 [N/m^2] 1.538 e8 [N/m^2] Desplazamiento 0.005[mm] - 5e-6[m] 0.502[mm] -5.02e-4[m] Fuente: Elaboración propia, 2019 81 Figura 33. Gráficas Esfuerzos máximos sobre el reposa pies Tensión de von Mises máx. Deformación máx. Fuente: Elaboración propia, 2019 Los resultados generados por el software como se ilustra en la figura 33, se observa que con la carga aplicada de 1480 N a la pisadera de la estructura del reposa pies se obtiene el esfuerzos máximo y mínimo, analizando la estructura se observa que no tendrá fallos en el funcionamiento con la carga inferior a 1500 N. Analizando los resultados obtenidos por medio del software las deformaciones máximas que se presentan en la estructura son como máximo 0.005mm y como mínimo -0.589mm, el valor negativo representa que la deformación fue en el eje negativo a partir del eje de referencia. Los datos que se obtuvieron en el software se asume como valores aceptables ya que la estructura fue analizada en el punto más crítico cuando la silla este en modo 82 bipedestación, el cual en ese modo solo trabaja en ocasiones muy particulares y no estará sometido constantemente a ese modo. 2.3.19 Análisis del chasis Para el análisis de esfuerzos y deformaciones del sistema se utilizó el programa SolidWorks, ya que este permite tener una idea más clara de los esfuerzos y deformaciones generadas en cada componente de la estructura que se analizara, y en algunos casos los componentes tienen formas complejas, por lo que resulta mejor utilizar un software. La estructura del chasis es principal, se encargara de soportar toda la estructura de la silla y el peso del usuario en cada una de las funcionalidades de la silla de ruedas mecatrónica, tomando en cuenta la confiabilidad, seguridad, comodidad y estético, tanto que sea llamativo para las personas que le darán el uso, en la figura 34 podemos observar el diseño del chasis. Tabla 16. Propiedades del chasis Propiedades Volumétricas Masa: 7.174 [kg] Volumen: 0.00073 [m^3] Densidad: 7870 [kg/m^3] Peso: 69.58[N] Propiedades del Material Nombre: Tipo de modelo: AISI 1010 Barra de acero laminada en caliente Isotrópico elástico lineal Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx. Límite elástico: 1.8e+008 N/m^2 Límite de tracción: 3.25e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.29 Densidad: 7870 kg/m^3 83 Módulo cortante: 8e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 1.22e-005 /Kelvin Resultado del Análisis Nombre: Mínimo Máximo Tensión de von Mises 4472206 [N/m^2] 93413920 [N/m^2] Desplazamiento máx. 0.01[mm] - 1e-5[m] 0.148[mm] - Fuente: Elaboración propia, 2019 0.000148[m] Figura 34. Gráficas Chasis Principal de la Silla de ruedas Deformación máx. Deformación máx. Barra AC Deformación en las Barras QM y QF Fuente: Elaboración propia, 2019 El chasis de la silla se encarga de soportar el peso de la silla y del ser humano que se encuentra encima de ella. En la figura 34 se puede ver que el peso limite a la cual está 84 siendo diseñado el sistema completo de la silla de ruedas es de 1480 [N] que es una carga distribuida en la mayor área del soporte. En la tabla 16 indica la información obtenida por el programa, sometiendo a los esfuerzos máximos, en cuanto el usuario se encuentre sentado, el espaldar estará a 90◦ de la base articulada. En las imágenes de la tabla 16 se ilustra los esfuerzos máximos que se encuentran en el chasis en el análisis. Sobre la base de las consideraciones anteriores posteriormente se analiza las deformaciones obtenidas por el ordenador en el chasis, la deformación máxima es de 0.24 mm en el centro de la barra como se ilustra en la tabla 16. La información recopilada indica que el chasis diseñado resiste el peso de la persona sumando el peso de la silla, además que la deformación del componente es casi nula por el valor obtenido de 0.056mm y esto nos da un factor de seguridad mínimo en el sistema 1.276 que es un valor aceptable y podría decirse hasta cierto punto redimensionado. De acuerdo con los criterios de análisis que se han venido realizando, las deformaciones son despreciables ya que no afectan a la seguridad del usuario tampoco afecta el funcionamiento de la silla de ruedas como tal, la estructura diseñada es la adecuada. 2.3.20 Análisis del chasis en modo bipedestación Las primeras barras verticales de los extremos son los principales en soportar la carga distribuida a través de una de las barras de la base articula, entonces para el análisis se utiliza como fuerza puntual en el extremo superior de las barras verticales las cuales se presentaran cuando la silla este en modo bipedestación. Al igual que el análisis anterior se utiliza las fuerzas descritas, se muestran los resultados obtenidos en el programa de análisis en la figura 35. Tabla 17. Propiedades chasis modo bipedestación Propiedades Volumétricas Masa: 7.174 [kg] 85 Volumen: 0.00073 [m^3] Densidad: 7870 [kg/m^3] Peso: 69.58[N] Propiedades del Material AISI 1010 Barra de acero laminada en Nombre: caliente Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx. Límite elástico: 1.8e+008 N/m^2 Límite de tracción: 3.25e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.29 Densidad: 7870 kg/m^3 Módulo cortante: 8e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 1.22e-005 /Kelvin Resultado del Análisis Nombre: Mínimo Máximo Tensión de von Mises máx. 4472206 [N/m^2] 93413920 [N/m^2] Desplazamiento 0.00 [mm] - 0[m] 0.238[mm] - 0.00023[m] Fuente: Elaboración propia, 2019 86 Figura 35. Gráficas Chasis Principal de la Silla de ruedas modo bipedestación Deformación Máxima sobre la estructura del chasis (modo bipedestación). Fuente: Elaboración propia, 2019 La información obtenida por medio de la simulación del software de SolidWorks, muestra las tensiones máximas axial y de flexión de este componente, según a la fuerza aplicada en modo de bipedestación y que su deformación es baja (0,23 mm) como se ilustra en la tabla 17. 2.3.21 Análisis de estructura soporte de motor La estructura soporte de motor es el sistema que se encarga de soportar el peso de los motores, la batería y los componentes electrónicos, además de cumplir la función de sostener fijamente a los motores manteniendo siempre pegado al suelo por medio de amortiguadores, esto con la finalidad de tener la silla siempre estable en terreno con imperfecciones en las que las ruedas del motor puedan causar un desequilibrio y desestabilizar toda la silla de ruedas. Al igual que el análisis anterior se utilizaran las fuerzas descritas. En la tabla 18 se muestran los resultados obtenidos en el programa de análisis. 87 Tabla 18. Propiedades soporte de motor Propiedades Volumétricas Masa: 0.213 [kg] Volumen: 0.000213 [m^3] Densidad: 7870 [kg/m^3] Peso: 2.0874[N] Propiedades del Material AISI 1010 Barra de acero laminada en Nombre: caliente Tipo de modelo: Isotrópico elástico lineal Criterio de error predeterminado: Tensión de von Mises máx. Límite elástico: 1.8e+008 N/m^2 Límite de tracción: 3.25e+008 N/m^2 Módulo elástico: 2e+011 N/m^2 Coeficiente de Poisson: 0.29 Densidad: 7870 kg/m^3 Módulo cortante: 8e+010 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmica: 1.22e-005 /Kelvin Resultado del Análisis Nombre: Mínimo Máximo Tensión de von Mises 3.75 e-3 [N/m^2] 3.24 e7[N/m^2] máx. 88 Desplazamiento 0[mm] - [m] 0.021[mm] - 0.000021[m] Fuente: Elaboración propia, 2019 Figura 36. Gráficas Estructura soporte de motor Tensión de von Mises máx. Deformación máx. Fuente: Elaboración propia, 2019 2.3.22 Análisis de resultados En conclusión se pudo apreciar que el diseño del equipo que se realizó bajo algunas regulaciones de la norma boliviana NB1220005 (Accesibilidad de las personas con 89 discapacidad al medio físico, Edificios y espacios urbanos Rampas fijas adecuadas y básicas), tomando en cuenta las funciones básicas que ofrece una silla de ruedas convencional. Así, como el modelo adecuado para brindar una satisfacción, comodidad y confort, mejorando la condición de vida de las personas con limitaciones de movilidad en miembros inferiores En cuanto a los mecanismos de movimiento con la que contara la silla mecatrónica se analizó el mecanismo con el que estará equipado en base a los parámetros de confiabilidad y durabilidad para el usuario que lo adquiera, los ángulos correctos de posición garantizando el cuidado de las extremidades, la seguridad y el confort de la persona que se encuentre manipulando el equipo. En un principio se realizó el análisis de los componentes que estarán presentes, el dimensionamiento de cada una de ellas con cargas superiores a las que normalmente estarán sometidas, seleccionando el material AISI1010 adecuado para las distintas situaciones que se presenten y facilidad de adquisición en el mercado interno. En el análisis de la estructura muestra las deformaciones que estarán presentes en distintas ubicaciones, tomando en cuenta esos resultados se procedió al estudio de las partes más críticas con el respaldo de un software y cálculos para su decisión final de las deformaciones aceptables que estarán presentes en partes de toda la estructura de la silla, en los distintos modos funcionales del equipo. 2.4 Diseño eléctrico 2.4.1 Determinación de la potencia de los motores Del análisis realizado anteriormente se tiene que la condición más crítica corresponde cuando la silla de ruedas este en ascendente, la fuerza máxima es de 1208.4 [N] o 123,223 kgf, considerando el accionamiento de los dos motores o un motor según sea el caso. La velocidad estándar que los fabricantes consideran para una silla de ruedas eléctrica es de 2,45 m/s. Los motores que se seleccionaron para el proyecto son de corriente continua de 12.5 Amp. 24Vdc. 90 Luego se realiza el cálculo correspondiente de la potencia máxima: 𝑃𝑀𝑎𝑥 = 𝑉ⅇ𝑙.𝑀𝐴𝑋 ∗ 𝐹𝑀𝐴𝑋 𝑃𝑀𝑎𝑥 = 2.45 m/s x 123.223 kgf 𝑃𝑀𝑎𝑥 = 301.896 watts Posteriormente se debe realizar los cálculos para la potencia del motor: 𝑃𝑀𝑂𝑇𝑂𝑅 = 𝑉 ∗ 𝐼 𝑃𝑀𝑂𝑇𝑂𝑅 = 24𝑉𝑑𝑐 ∗ 12.5 𝐴𝑚𝑝 𝑃𝑀𝑂𝑇𝑂𝑅 = 300 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠. La consideración causada por factores mecánicos de los motores es de un 10 %. Entonces la potencia efectiva de cada motor será de 270 watts, luego se procede a realizar el cálculo de la velocidad máxima para la silla de ruedas mecatrónica. 𝑉ⅇ𝑙.𝑀𝐴𝑋 = 𝑉ⅇ𝑙.𝑀𝐴𝑋 = 𝑃𝑀𝑎𝑥.𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 𝐹𝑀𝑎𝑥 270 watts 123.223 𝑘𝑔𝑓 𝑉ⅇ𝑙.𝑀𝐴𝑋 = 2.19115 𝑚/𝑠 Con los datos calculados anteriormente seleccionamos los motores de la marca Cirolla Motor Co., Ltd con detalle de: Código: Tipo 5006: Voltaje clasificado del motor del cepillo: poder clasificado 24VDC: 320W giran la dirección: CW: Counter-clockwise: dirección de rotación contraria a las manecillas del reloj. & CCW: Clockwise: dirección de rotación igual a las manecillas del reloj. Uso: Silla de ruedas eléctrica 91 Velocidad clasificada: 4200RPM Motor con número de modelo 5006, potencia de 300 W y una tensión de 24V. Freno electromagnético 3N. M, 24V DC El comportamiento de los motores en los diferentes modos de control que presenta la silla de ruedas se muestra en la siguiente figura 37y 38: Distancia de frenado de la silla de ruedas con Joystick Velocidad de operación: 10 [km/h] → 2.77 [m/seg] Freno Magnetico: 3[N] 𝐹 = 0.708 ∗ 1470[𝑁] 𝐹 = 1040.76[𝑁] 𝐹 = 1040.76[𝑁] + 3[𝑁] 𝐹 = 1044[𝑁] 𝐹 = 𝑚∗𝑎 𝑚 𝑎 = 6.96 [ 2 ] 𝑠 Cálculo de la distancia de frenado: 𝑉𝑓2 = 𝑉𝑜2 + 2𝑎𝑑 𝑚 (2.777[𝑚/𝑠])2 = (0)2 + 2 ∗ (6.96[ 2 ])𝑑 𝑠 d = 0.55 [m] → 55[𝑐𝑚] 92 d = 55[𝑐𝑚] ≈ 60[𝑐𝑚] Distancia de frenado de la silla de ruedas con Neurosky Velocidad de operación: 1 [km/h] → 0.27 [m/s] Aceleración: 6.96 [m/s2] Cálculo de la distancia de frenado: 𝑉𝑓2 = 𝑉𝑜2 + 2𝑎𝑑 𝑚 (0.27[𝑚/𝑠])2 = (0)2 + 2 ∗ (6.96 [ 2 ]) ∗ 𝑑 𝑠 d = 0.0055 [m] → 0.5[𝑐𝑚] d = 0.5[𝑐𝑚] ≈ 1[𝑐𝑚] Figura 37. Comportamiento del Motor con Neurosky/Joystick 30 Velocidad vs Distancia Velocidad (cm/s) 25 20 Alcance de Velocidad Max 15 10 Freno Magnetico 5 0 0 50 100 Distancia(cm) Fuente: Elaboración propia, 2019 150 93 Figura 38. Comportamiento del Motor con Joystick Velocidad (km/h) 12 Velocidad vs Distancia 10 8 Alcance de Velocidad Max Freno Magnetico 6 4 2 0 0 5 10 15 Distancia(m) 20 25 30 Fuente: Elaboración propia, 2019 2.4.2 Selección de componentes de la etapa de potencia El controlador Sabertooth 2x25 (figura 39) es un controlador de motor de doble canal con una capacidad de suministro de hasta 25 amperios a dos motores, con corrientes máximas de hasta 50 amperios por canal. También se puede operar desde el control de radio, analógico, TTL serial o USB. Utiliza un accionamiento regenerativo y el frenado para su accionamiento eficiente. El modo de operación de la tarjeta se establece mediante interruptores DIP. Figura 39. Controlador de motores DC Sabertooth dual 25 A Fuente: The iot store, 2019 94 Las especificaciones del controlador Sabertooth 2x25 se detallan a continuación: • Control bidireccional para motor DC de doble cepillado. • Soporta voltaje de motor de 6V a 30VDC. • Corriente máxima hasta 50 A pico por canal. • Frecuenta de conmutación ultrasónica. • Unidad regenerativa. • Protección térmica y de sobre corriente. • Modos de entrada: analógico, R / C, serial (texto sin formato o en paquetes), las salidas de alimentación USB pueden actuar como abrazaderas de voltaje, frenos o ser controlables. El controlador Sabertooth 2x25 se seleccionó para el control de los motores debido a su costo accesible y la capacidad de corriente que soporta en cada uno de los canales, los motores de la silla de ruedas manejaran corrientes de 12,5 A. de forma continua con picos de arranque superiores al momento de arranque. La conexión que se realiza a la placa de control ya viene incluida las configuraciones en el modo que se utiliza el controlador. 2.4.3 Selección de los dispositivos La selección de los diferentes dispositivos es la parte primordial para el correcto funcionamiento del control. Para lo cual se debe tomar en cuenta algunos parámetros básicos de funcionamiento, como ser la corriente de consumo de los componentes que formaran parte del sistema de la silla de ruedas, también tomando en cuenta los precios de los componentes para tener un buen balance en el precio del diseño del sistema. 95 2.4.4 Selección de motores para reclinar Datos de entrada: Torque o par motor necesario mínimo de subida (T_R): 2.228 (N*m) Torque o par motor necesario mínimo de bajada (T_L): 1,05224 (N*m) Con los datos previamente y anteriormente calculados seleccionamos los motores de la marca QIYUN, con detalle de: Numero de Modelo: Q380ST-CDV Par nominal: 5,44 ~ 12.16N.m Voltaje clasificado del motor de la C.C. del cepillo: poder clasificado 12V~24 V dc giran la dirección: CW: Counter-clockwise: dirección de rotación contraria a las manecillas del reloj. & CCW: Clockwise: dirección de rotación igual a las manecillas del reloj. Cálculo fuerza necesaria (modo bipedestático) Datos de inicio: Peso Máximo de la persona =150 (Kg) Peso de la estructura= 6 (Kg) 𝑤 = 150(Kg) + 6(Kg) = 156 (Kg) Calculando el torque o momento de fuerza, tenemos: 𝜏 = 𝑟𝐹 Donde: r=0.2175 (m) m 𝐹 = 𝑤 ∗ 𝑔 = 156(𝑘𝑔) ∗ 9.8 ( 2 ) = 1528.8(N) 𝑠 96 𝜏 = 0.2175 (m) ∗ −1528.8(N) 𝜏 = −332.514[𝑁𝑚] → 𝑀 = −332.514 [𝑁𝑚] El signo negativo se toma en cuenta por el sentido de las manecillas del reloj ya que en sentido contrario es negativo y en sentido a favor es positivo. Luego calculamos la fuerza necesaria para elevar la estructura base haciendo que de este modo se convierta en modo bipedestático. M = 𝐹 ∗ 𝑏 ∗ 𝑠ⅇ𝑛𝜃 −332.514 (𝑁𝑚) = 𝐹 ∗ 0.2175(𝑚) ∗ 𝑠ⅇ𝑛𝜃 Despejando F tenemos: 𝐹 = −1525.8(𝑁) El valor obtenido de 𝐹 = −1525.8(𝑁) es la fuerza necesaria minima para poder elevar la estructura base de la silla de ruedas. 2.4.5 Selección de actuador para el modo bipedestático Con los datos calculados anteriormente seleccionamos el actuador de la marca NNOVOTEC, con: Uso: Sistema de elevación de estructura base. Detalle de Modelo: LA23 Tipo B-24VDC Diseño compacto Alta fuerza de elevación Cables intercambiables Max. Empuje: 2500 N 97 Max. Velocidad: 9,4 mm/s. 2.4.6 Cálculo de Cargas eléctricas Con los datos obtenidos de los componentes eléctricos se procedió a realizar el cálculo de la potencia total de todo el sistema en funcionamiento, en la tabla 19 se muestra los valores: Tabla 19. Cargas eléctricas Cantidad Equipo Potencia Unitaria(W) Potencia Corriente Total (A) (W) 1 Motor 1 320 320 12.5 1 Motor 2 320 320 12.5 1 Motor 3 25 25 0.8 1 Motor 4 25 25 0.8 1 Motor 5 75 75 3 1 Panel de Visualización 0.6 0.6 0.2 5 Led 0.06 0.3 0.1 1 Placa de control 5 5 0.093 770.9 29.993 Fuente: Elaboración propia, 2019 Realizando el respectivo cálculo de todas las cargas se puede observar que tendrá un consumo de carga de 771 (W) y 30(A). 2.4.7 Dimensionamiento de conductores La alimentación para el circuito desde la etapa de potencia hacia los motores será mediante un conductor aislado. Tipo TW a 30 siguientes especificaciones técnicas: Calibre: 14 con código: Co.1.CT.00.14 con las 98 Sección de Conductor: 2.09 mm2 1 conductor al Aire: 23 (A) En la parte electrónica para conducir corriente y para las conexiones eléctricas se usa un conductor con las siguientes especificaciones: Alambre calibre 24 AWG Tipo: Estañado Voltaje máximo: 1000 V Diámetro exterior: 1.1 mm Temperatura máxima: 105 °C Marca: Radox 2.4.8 Diseño circuito de protección El diseño de protección que se implementara en el proyecto consta de protección contra polaridad inversa para evitar daños posteriores en dicha etapa de potencia, a continuación se puede observar la figura 40. Figura 40. Circuito de protección Fuente: Elaboración propia, 2019 99 Por lo tanto el circuito de protección contra polaridad esta se encarga de asegurar la entrada de alimentación con la polaridad correcta, en caso de que este no sea la conexión correcta se encenderá un LED, para que el usuario corrija el error de conexión. 2.4.9 Cálculo de Protecciones En cuanto al cálculo para la protección inicialmente se toma los valores de consumo máximo de corriente en cada sector que se desee implementar el fusible, previamente analizando los componentes que se desee proteger, para esto se procedió al siguiente análisis: Voltaje a operar en la fuente: 24VDC Vatios requeridos para el circuito: 640 W Realizamos el cálculo con la siguiente formula: 𝐼= 𝐼= 𝑃 𝑉 640𝑊 24𝑉 𝐼 = 26.67 Amperios → 27 𝐼 = 30 Amperios (Valor comercial) Por lo tanto los siguientes valores de fusibles se seleccionan por el mismo método anteriormente realizado, se procede a la selección de fusibles de la marca: GEN ROD, Ver tabla 20: Tabla 20.Fusibles de Protección Cantidad 1 # Fusible 1 Tipo Cilíndrico Vidrio 32mm Corriente Nominal(A) Código 35 35 100 2 3 1 4 Cilíndrico Vidrio 32mm Cilíndrico Vidrio 32mm 2 2 5 5 Fuente: Elaboración propia, 2019 2.4.10 Disposición de protección En la figura 41 se representa la disposición de los componentes de protección: Figura 41. Diagrama de disposición de componentes de protección ENABLE F1 Etapa de Potencia 1 M 1 Motor 1 2 Protecci ón contra Polaridad Inversa M Motor 2 ENABLE F4 24V Etapa de Potencia 2 M 1 Motor 3 2 M Motor 4 ENABLE F5 Etapa de Potencia 3 1 2 M Motor 4 Agregar forma Autoajusta r Variantes Fuente: Elaboración propia, 2019 Para crear un diagram a, arra stre form as hasta la página de dibujo. Arrastr e y coloque una forma del conect or al ajuste auto mático. Haga clic con el bot ón derecho en una form a para elegir de una lista de tipos de variantes Es importante destacar que cada componente fue previamente dimensionado con un fin de proteger a corto circuito y sobre corriente. Por lo cual analizando la función de la parte eléctrica se decidió proteger con un circuito de polaridad y fusibles de diferentes. 2.4.11 Dimensionamiento de Baterías En cuanto a la capacidad de las baterías se decidió usar 1 batería de 12V y 60Ah, consideramos una pérdida por temperaturas y rendimiento de los motores del 15%. En 101 todo el sistema se cuenta con cinco motores de distintos valores de consumo. Ver tabla 19. El cálculo de la capacidad para la batería se realiza de la siguiente manera: 𝐶 = 𝐼𝑛 ∗ 𝑡 Donde, C = Capacidad de carga [Ah] In = Intensidad total necesaria de los motores [A] t = tiempo requerido para funcionamiento del sistema [h] Despejando la variable t de la ecuación anterior. 𝑡= 𝐶 𝐼𝑛 𝑡= 𝐶 𝐼𝑛 𝑡= 51[𝐴ℎ] 30 [A] 𝑡 = 1.7[ℎ] → 6120 [𝑠] Tomando en cuenta la velocidad máxima de los motores se calcula: 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑉ⅇ𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑡𝑖ⅇ𝑚𝑝𝑜 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 2.19[𝑚/𝑠] ∗ 6120[𝑠] 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 13402.8 [𝑚] → 13[𝑘𝑚] 102 La autonomía de la silla de ruedas es de 13 [km] con los motores a máxima potencia, esta distancia podría ser mayor si la potencia de los motores es conducida a un valor medio, se recomienda trabajar al 70% de la batería, esto debido a que incrementaría el número de ciclos disponibles de carga y descarga también mantiene la capacidad por mucho más tiempo. Selección de cargador de Baterías Considerando dos baterías a cargar, se procedió a seleccionar un cargador de la marca GM con 2 fuentes separadas una de 24V con una salida y una capacidad de 60Ah y la otra de 9V con una salida y capacidad de 10Ah. 2.4.12 Análisis de resultados Considerando la potencia necesaria requerida para superar las pendientes longitudinales máximos en tramos rectos de rampa que rige la norma NB1220005 previamente calculado los torques necesarios para superar dichas pendientes sin presentar sobrecarga en los motores que encargaran de movilizar al equipo y al usuario, por lo tanto se dimensiono los cables adecuados según las corrientes pico que alcanzaran los motores, seguidamente la selección de la batería adecuada garantizando un mayor tiempo de autonomía y siendo competente en el mercado con otras sillas de ruedas eléctricas. Por otra parte se analizó el actuador adecuado que se encargara mover el mecanismo de la estructura para el modo bipedestático. Es importante destacar la selección correcta de las placas de potencia que suministraran la corriente necesaria para impulsar los distintos motores, en cuanto a la protección se hizo un análisis determinando proteger contra polaridad y sobre corriente. 2.5 Diseño electrónico El circuito que será diseñado será de dos etapas, etapa de control y la etapa de potencia, en la etapa de control conformara de un neurosky como principal entrada y joystick como la secundaria para la respectiva alimentación del circuito, la visualización de la dirección a la cual la silla se dirigirá con la autorización del usuario, constara de 5 focos leds y una 103 barra led display de 10 segmentos los cuales visualizaran el nivel de concentración. En la etapa de potencia tendrá 3 tarjetas de control de distintas capacidades para los distintos motores que conformaran la silla de ruedas. Por lo tanto el prototipo de control por concentración se lograra controlar de forma remota a través de un módulo bluetooth, el cual les será de gran ayuda a personas que se encuentren con capacidades especiales que no tengan la posibilidad de movimiento en miembros inferiores y superiores. Por lo tanto la etapa de control principal estará conformada por: El microcontrolador, modulo bluetooth como receptor de señales, botones para el control de modos estáticos que brindara la silla de ruedas, neurosky para la lectura de los niveles de onda del usuario, Joystick para el control manual, circuito de medición de batería. Ver figura 42 Figura 42. Circuito de control y potencia MODULO DE CONTROL ETAPA DE POTENCIA SEÑALES ANALOGICAS Motor 3 Motor 4 Actuador SEÑALES DIGITALES Motor 1 Motor 2 NEUROSKY Etapa de potencia 9V 1 SEÑALES DE CONTROL Etapa de potencia 2 Etapa de Indicadores de nivel de conentracion potencia 3 ATMEGA 2560 Direccionales 24 V HC-05 Fuente: Elaboración propia, 2019 Indicardor de nivel de bateria 104 Por lo tanto en la etapa de potencia se utiliza una tarjeta de control Sabertooth 2x25 que se encarga de controlar dos motores de corriente continua de cepillo (anexo A.13), el cual tendrá una capacidad máxima de corriente pico de 50 Amperios. En la figura 42 se puede observar esquemáticamente del proceso de control que será de la siguiente manera: La corriente de encendido estará comandado por interruptores manuales para la etapa de potencia y para la etapa de control, el cual estará ubicado en panel de control con los demás botones de selección. En caso que el usuario elija la opción manual deberá activar un interruptor a modo manual (este modo restringirá de movimiento al modo de control principal), para poder empezar el desplazamiento de la silla de ruedas a través del joystick que estará situado en el panel de control. Al elegir el modo de control principal, la silla de ruedas empezara a desplazarse únicamente recibiendo señales bluetooth que serán enviadas desde el neurosky previamente analizadas los niveles de concentración. El microcontrolador central estará ubicado bajo la silla de ruedas juntamente con las baterías y las etapas de potencia, estará recibiendo señales de entrada PWM provenientes del joystick convertidas en señales analógicas de voltaje hacia la etapa de potencia, en donde serán recibidas por la tarjeta de control de motores Sabertooth 2x250, de los botones del panel de entrada y del módulo bluetooth. El panel de visualización estará conformado por 3 displays de 10 Leds, el principal será la visualización del nivel de concentración este estará mostrando constantemente los niveles de concentración, el segundo módulo será los direcciones los cuales brindaran información al usuario en qué dirección de avance se desplaza la silla esto solo para el modo de control con neurosky, no para el control manual. El tercer módulo de visualización será de niveles de la batería. 105 2.5.1 Selección de los dispositivos Microcontroladores La selección de los dispositivos es la parte fundamental del sistema de control, por lo que será necesario un microcontrolador que cuente con salidas PWM, debido a que se podrá controlar la velocidad de los motores con el modo de control manual (Joystick), por lo tanto la frecuencia de conmutación es un factor importante determinado de la siguiente manera: 𝑓= 𝑤𝑚 ∗ 𝑁𝑚 120 𝑓 = 140 𝐻𝑧 La frecuencia de PWM en el microcontrolador será de 4000 Hz, ya que es recomendable trabajar con una frecuencia mucho mayor a la frecuencia de conmutación de los motores. De este modo se analizó 3 diferentes opciones, tomando en cuenta las necesidades básicas de todo el sistema de control que será requerido para la silla de ruedas, por lo tanto se puede observar el análisis en la siguiente tabla 21. Tabla 21. Análisis de microcontrolador Entradas y Salidas Capacidad de la memoria Flash Comunicación Velocidad de Operación Requerimientos > 6 Entradas Analógicas, 28 salidas digitales (16 para la visualización, 12 para el control de los motores. >4Kb PIC16f876A 5 Entradas Analógicas, 13 E/S digitales. PIC16f877A 8 Entradas Analógicas, 24 E/S digitales. ATmega2560 16 Entradas Analógicas, 54 E/S digitales. 8Kb 8Kb 256Kb Serial >4MHz Serial Hasta 20MHz Serial Hasta 20MHz Serial Hasta 16MHz Fuente: Elaboración propia, 2019 106 El microcontrolador que se empleara será el ATmega2560 de Atmel mostrada en la figura 43, debido al previo análisis que cumple satisfactoriamente en los requerimientos básicos y la facilidad de uso ya que también cuenta con salidas PWM y la posibilidad de incorporar un módulo HC-05 para el sistema de control principal, cuyas características se presentan en el anexo A.1. Es un microcontrolador CMOS de 8 bits de baja potencia basado en la arquitectura RISC optimizada de AVR. Al ejecutar instrucciones potentes en un único ciclo de reloj, el ATMEGA2560 alcanza un rendimiento cercano a 1MIPS por MHz. Esto permite al diseñador de sistema optimizar el consumo de energía en relación a la velocidad de procesamiento. Figura 43. Microcontrolador ATmega2560 Fuente: microchip, 2019 Por otra parte también se seleccionó el microcontrolador ATmega328P mostrada en la figura 44, debido a que el control mediante joystick será independiente del control por neurosky, cumple con los requerimientos básicos y la facilidad de uso ya que cuenta con salidas PWM, cuyas carateristicas están descritas en el anexo A.2. Figura 44. Microcontrolador ATmega2560 Fuente: microchip, 2019 107 Joystick El dispositivo que se selecciona para el mando será el Joystick de 2 ejes, con modulo con pines, facilitando la conexión para el montaje en placa o protoboard, cuenta con las siguientes características: Cuenta con 2 potenciómetros, uno por cada eje para los movimientos direccionales. El valor de los potenciómetros es de 5Kohms, También cuenta con un pulsador que hace contacto al presionar la palanca. Cuenta con 5 pines para la conexión como se muestra en la figura 45. Figura 45. Joystick de 2 ejes Fuente: Master electrónicos, 2019 Pulsadores El pulsador electrónico que se selecciono fue un normalmente abierto 12mm con las siguientes características: Marca: Sparkfun Referencia del fabricante: CPM-0039 Número de producto: CPM-0039 108 Figura 46. Pulsador Fuente: Electrónica majadahonda, 2019 Interface de comunicación El interface de comunicación que permitirá la transmisión de los datos de forma inalámbrica en el sistema de control principal se seleccionó el módulo HC-05 – Modulo inalámbrico de transceptor RF con Bluetooth, con las siguientes características: Voltaje de entrada: 3,6-6 V. Tamaño: 43 x 15 mm Abierto a una distancia efectiva: 10 metros Código de producto: YKS-ZC142200-CDUK Figura 47. Modulo bluetooth - HC-05 Fuente: Tecbolivia, 2019 109 Diodo emisor de luz El LED Diodo emisor de luz que se muestra en la figura 48 usara para la visualización tiene las siguientes características: Tamaño: 5 mm/0,20” Voltaje: 3.3 V. Código de fabricante: CLW1035 Figura 48. LED Diodo emisor de luz Fuente: Tecbolivia, 2019 2.5.2 Diseño de circuito electrónico El siguiente circuito mostrado en la figura 49 es específicamente de los motores 2 y 3 compuesto de un microcontrolador ATmega328P, potenciómetros para el ajuste de la velocidad de los motores esto dependerá el estado de limitación de movimiento con la que se encuentre el usuario y pulsadores para, los cuales cumplen la función de reclinar el espaldar y el reposa pies en los distintos modos que el usuario lo prefiera. 110 Figura 49. Circuito de control secundario Fuente: Elaboración propia, 2019 En la figura 50 se muestra el circuito de control del actuador eléctrico y el freno magnético de la silla de ruedas, el cual estará formado por un microcontrolador ATmega328P y pulsadores con un potenciómetro para el ajuste de operación del motor, tendrá la función de elevar al usuario con la estructura hasta lograr un modo bipedestático. Figura 50. Circuito de control secundario Fuente: Elaboración propia, 2019 111 Por lo tanto el circuito de control manual estará comandado por Joystick y un microcontrolador ATmega2560 para los dos motores principales de movimiento de toda la silla de ruedas con un interface bluetooth, en la figura 51 se puede observar el circuito electrónico. Figura 51. Circuito de control principal Fuente: Elaboración propia, 2019 2.5.3 Diseño de la placa El diseño de la placa con los microcontroladores que están encargados del control del donde están las entradas del neurosky y joystick y las salidas hacia la etapa de potencia. Figura 52. Diseño de placa PCB etapa de control principal Fuente: Elaboración propia, 2019 112 Figura 53. Diseño de placa de control principal 3D Fuente: Elaboración propia, 2019 Figura 54. Circuito de control secundario Fuente: Elaboración propia, 2019 113 Figura 55. Circuito de control secundario 3D Fuente: Elaboración propia, 2019 2.5.4 Análisis de resultados En este caso, se debe seleccionar los microcontroladores adecuados a la necesidad del número de entradas y salidas y las funciones que debe cumplir dicho componente, por otro lado en cuanto a los distintos elementos de mando de control se debe realizar una calibración adecuada para cada usuario en particular, ya que se presenta diferencia de sensibilidad o concentración en distintas personas. Es así, que según la tabla 21, se realiza con la selección del microcontrolador que cumple con todos los requisitos en su totalidad, por tanto se debe tener en cuenta la facilidad de adquisición de estos componentes en el mercado, en caso de presentar fallas para su respectivo reemplazo de inmediato, la duración dependerá de las condiciones en las que los usuarios sepan tener cuidado con los componentes electrónicos. 114 Costos del proyecto Por lo tanto para realizar la estimación del costo total del proyecto se analizaron varios factores como ser: Equipos necesarios para la construcción y su respectiva evaluación, seguido de los costos de todos los componentes que conformaran la silla de ruedas. 2.5.5 Materiales eléctricos Tabla 22. Elementos eléctricos Elemento Motor para reclinar Motor Cirolla Actuador Cargador de Baterías Baterías 24V Baterías 12V Baterías AAA Porta fusible Conector Delphi 4 vias para terminal macho Cable calibre 14 Conector 2 Vias para terminal macho - hembra Conector terminal Pin Fusible Borne de batería Conector PLUG macho Cantidad 2 2 1 1 1 1 2 2 1 10(m) 6 16 3 2 2 Fuente: Elaboración propia, 2019 2.5.6 Materiales electrónicos Tabla 23. Elementos electrónicos Elemento NeuroSky ATmega2560 ATmega328 HC-05 Display Led Diodo Led Interruptor- 3 Posiciones Interruptor- 2 Posiciones Cantidad 1 1 1 2 3 5 1 1 115 1 4 1 Pulsador NC Pulsador NA Controlador de joystick eléctrico Conector Cilíndrico de 6 vias de metal Conector Cilíndrico de 14 vias de metal Conector C-GRID III de 2x12 (24 pines) Conector C-GRID III de 2x3 (6 pines) Placa de Potencia Principal Placa de Potencia Secundario 1 1 1 1 1 2 Fuente: Elaboración propia, 2019 2.5.7 Costo de material y mano de obra Tabla 24. Costo de material y mano de obra Elemento Cantidad Soportes de Base Soportes de Motor guía de tornillo de potencia Estructura de la base 2 Costo Unitario(Bs.) Total(Bs.) 10 20 10 60 1 300 300 Soportes de pistón de Actuador eléctrico 2 10 20 Estructura Chasis 1 360 360 Soportes de amortiguador superior 4 10 40 Estructura de Espaldar 1 400 400 Reposa Pies Regulable 1 40 40 Estructura fija de reposa pies Soporte de amortiguador Soporte de Actuador eléctrico 1 200 200 10 40 2 10 20 Estructura de motor 2 250 500 Reposa Brazos Derecho 1 120 120 Reposa Brazos izquierdo 1 120 120 Bandeja de Componentes 2 50 100 6 4 TOTAL Fuente: Elaboración propia, 2019 2320 116 2.5.8 Tabla de costos Tabla 25. Costos Generales Elemento NeuroSky Atmega 2560 ATmega328 HC-05 Display Led Diodo Led Interruptor- 3 Posiciones Interruptor- 2 Posiciones Pulsador NC Pulsador NA Controlador de joystick eléctrico Conector Cilíndrico de 6 vias de metal Conector Cilíndrico de 14 vias de metal Conector C-GRID III de 2x12 (24 pines) Conector C-GRID III de 2x4 (6 pines) Placa de Potencia Principal Placa de Potencia Secundario Motor para reclinar Motor Cirolla Actuador Cargador de baterías Baterías 24V Baterías 12V Baterías AAA Porta fusible Conector Delphi 4 vias para terminal macho Cable calibre 14 Conector 2 Vias para terminal Conector terminal Pin Fusible Borne de batería Conector PLUG macho Soportes de Base Soportes de Motor guía de tornillo de potencia Estructura de la base Soportes de pistón de Actuador eléctrico Estructura Chasis Soportes de amortiguador superior Estructura de Espaldar Cantidad 1 1 1 2 3 5 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 2 2 1 10(m) 6 16 3 2 2 2 6 1 2 1 4 1 Costo Unitario(Bs.) 1175 90 35 50 40 1 20 5 13 13 180 23 42 14 10 480 25 100 1460 194 3227 2700 600 5 20 10 8 4 2 15 4 10 10 300 10 360 10 400 Total(Bs.) 1175 90 35 100 120 5 20 5 13 52 180 23 42 14 10 480 50 200 2920 194 3227 2700 600 10 40 10 80 24 32 0 30 8 20 60 300 20 360 40 400 117 Reposa Pies Regulable Estructura fija de reposa pies Soporte de amortiguador Soporte de Actuador eléctrico Estructura de motor Reposa Brazos Derecho Reposa Brazos izquierdo Bandeja de Componentes Tornillo de Potencia PHT 10x40x37-Ranurada(Cabeza cilíndrica) 6200-2RSH(Rodamiento) AM-M20(Tuerca hexagonal abridada de par dominante) B18.3.4M - 10 x 1.5 x 40(Tornillo con cabeza Semiesférica hueca) B18.3.5M - 8 x 1.25 x 100(Tornillo con cabeza avellanado hueco) B18.3.5M - 8 x 1.25 x 60(Tornillo con cabeza avellanado hueco) B18.2.2.4M - M8 x 1.25(Tuerca hexagonal abridada de par dominante) B18.2.2.4M - M6 x 1(Tuerca hexagonal abridada de par dominante) Perno Pasador Elemento Roscado Manilla Pasante Pasador B27.8M - 3DM1-10(Anillo de retención) Pasador B18.3.5M - 10 x 1.5 x 20(Tornillo Avellanado hueco) B18.3.5M - 8 x 1.25 x 16(Tornillo Avellanado hueco) AM-M10(Tuerca hexagonal abridada de par dominante) B18.2.3.2M - M10 x 1.5 x 40(Formado tornillo hexagonal) AM-M10-N (Tuerca hexagonal abridado de par dominante) B18.22M - Llano arandela, 10 mm B18.3.1M - 10 x 1.5 x 40(Tornillo con cabeza hueca) 6200-2RSH (Rodamiento) 1 1 4 2 2 1 1 2 2 3 4 2 3 2 1 2 1 1 1 1 1 1 4 1 2 1 2 1 1 8 8 4 40 200 10 10 250 120 120 50 30 1 10 2 3.5 40 200 40 20 500 120 120 100 60 3 40 4 10.5 2 4 2 2 2 4 2 5 5 5 5 5 1 3 2 5 5 5 5 5 4 3 2 4 1.5 1.5 2 4 5 5 2 0.5 2 4 3 10 24 40 118 B18.3.4M - 10 x 1.5 x 20(Tornillo con cabeza Semiesférica hueca) AM-M8(Tuerca hexagonal de par dominante) B18.2.3.2M - M10 x 1.5 x 16(Tornillo hexagonal) B18.3.4M - 10 x 1.5 x 10(Tornillo con cabeza Semiesférica hueca) AM-M16(Tuerca hexagonal abridada de par dominante) Eje de motor para reclinar Guía de Tornillo de Potencia Guía de Tornillo de potencia para reposa pies Acople guía de motor Asiento Rueda giratoria D:150[mm] Tapa de rueda giratoria Tapa Posterior de la estructura Mueble espaldar Pisadera Sujeción para pantorrilla Rueda de apoyo D:5[mm] Rueda D:255[mm] Guardabarros Amortiguador Far Tapa de motor derecho Tapa de motor Izquierdo Goma protectora Cinturón de seguridad 4 puntas - Inferiores Cinturón de seguridad 4 puntas - Superior Cabecera 4 4 16 14 12 2 1 1 2 1 2 2 1 1 1 2 1 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2.5 2 1.5 10 8 24 2 28 3 40 30 30 50 250 45 3 80 450 120 20 10 50 60 110 80 80 400 210 36 80 30 30 100 250 90 6 80 450 120 40 10 100 120 220 80 80 400 420 210 150 210 150 Total(Bs.) 18297 Un total de 18297 Bs. Para realizar el prototipo. 119 CONCLUSIONES Del objetivo “Realizar el diseño mecánico de la silla de ruedas mecatrónica reclinable”, se obtuvo. Teniendo en cuenta las consideraciones básicas de funcionalidad, comodidad y estética se realizó el diseño mecánico de la silla de ruedas mecatrónica reclinable, teniendo en cuenta que debe ser llamativo y competitivo, se cubrieron puntos importantes que surgen de las necesidades de las personas que sufren de movilidad en miembros inferiores, la cual busca satisfacer para el usuario que experimente donde su calidad de vida mejore en cuanto a traslado de un lugar a otro sin ayuda de otra persona externa y se propuso el modelo como alternativa a silla de ruedas convencionales eléctricas. El diseño los mecanismos se realizó tomando en cuenta la durabilidad, ambientes en los cuales operara y que estará expuesto. Las funciones en el diseño de la silla de ruedas mecatrónica está realizado, para las personas con limitación de movilidad en sus miembros inferiores, con lo que con este equipo podrán ponerse de pie, reclinar la silla para tener un descanso, mantener el cuerpo fijo a la silla con un sistema de sujeción tanto en los pies como en el pectoral y cintura. Del objetivo “Determinar los elementos necesarios para la comodidad y movilidad de la silla de ruedas mecatrónica reclinable teniendo en cuenta los diferentes prototipos de sillas de ruedas de bajo costo existentes en el mercado nacional”, se obtuvo. Para dimensionar los elementos con los que conforma la silla de ruedas fueron a partir de dos datos de entrada principal: el peso máximo de usuario de 150 (kg) y una altura promedio de 1,68(m) y las dimensiones, a partir de la cual se pudo determinar las dimensiones ancho=0,75(m), largo=1(m), alto=1,3(m), los perfiles para la estructura el material del que está conformado es de una aleación acero al carbono AISI 1010, diámetro adecuado para el tornillo de potencia, el cálculo de torque necesario para reclinar el espaldar y reposa pies, selección de los motores, 120 Del objetivo “Diseñar el control para la operación y mando de aplicación de la silla de ruedas mecatrónica”, se obtuvo. El control y mando consta de dos distintos modos: Control mediante un Joystick y el nuevo modo de control por medio de un dispositivo Neurosky, sistema con conexión inalámbrica con un receptor bluetooth por medio de ondas neuronales que se analizaron y aplicaron a un micro controlador con parámetros de concentración y parpadeo forzado de la vista, el cual pretende ofrecer al usuario el control absoluto de los motores que encargaran de impulsar a la silla para la conducción segura del equipo, esta tecnología podría aumentar la independización por un periodo más largo la facilidad de traslado a distintos sitios. Del objetivo “Realizar el análisis de costo total de construcción de la silla de ruedas con los sistemas diseñados”, se obtuvo. En conclusión se realizó las cotizaciones correspondientes para su construcción de la silla de ruedas mecatrónica con los sistemas diseñados, la estructura fueron cotizados en talleres de estructuras metálicas con sus respectivas medidas y material seleccionado, los elementos eléctricos fueron cotizados en centros de comercialización de accesorios para sillas de ruedas y tiendas online con parámetros calculados para el equipo, los componentes electrónicos fueron cotizados de tiendas en línea considerando los costos de envió a Bolivia. Al tratarse de un proyecto universitario de experimentación no se consideró el costo de mano de obra del ensamblaje. 121 RECOMENDACIONES Se recomienda realizar un estudio de pre factibilidad para la fabricación de sillas en serie y poder reducir los costos finales a las que estará disponible en el mercado interno de Bolivia. 122 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bañon, L. (2009). Etructuras Metàlicas(Prontuario). Casillas, A. L. (2008). MAQUINAS. CÁLCULOS DE TALLER (40ª ED.). Mexico,DF. Nisbett, R. G. (2012). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley.(9° Ed.). Mexico D.F. Patricia, H. (2019, Enero 15). CREVA. (B. V. Carlos, Interviewer) FUENTES DE INTERNET Arduino. (2015). Arduino. Obtenido de http://www.ajpdsoft.com/modules.php?name=News&file=article&sid=570 Bateria, B. d. (2014). Blogspot definicion de bateria. Obtenido de http://mafebarajas8 CONALPEDIS. (2017). REPORTE ESTADÍSTICO BOLIVIA. DicSig. (2015). DicSig. . Obtenido de http://www.ecured.cu/index.php/Cables_El%C3%A9ctricos e-magazine., G. -W. (2013). evista online sobre Sillas de Rueda, Scooters y Handbikes. wheelchair e-magazine. Hispavila. (2015). El Puente-H (o H-bridge. Obtenido de Obtenido de http://www.hispavila.com/3ds/atmega/hpuente.html INE. (2016). Instituto Nacional de Estadistica. https://www.ine.gob.bo/index.php/principales-indicadores/item/448-en-boliviatres-de-cada-100-personas-tienen-alguna-dificultad-permanente Laura. (Abril de 2015). Teo en Pro autonomia. Obtenido de http://proautonomiaproautonomia.blogspot.com/ 123 Lipskin, R. (2012). TRENDS IN NOLICENSED MOBILITY AIDS. Moderna., I. (2015). Informatica moderna. Obtenido de http://www.informaticamoderna.com/Joystick.htm#defi (2011). Informe OMS. (2011). Organizacion Mundial De La Salud. SHPVC. (2015). SHPVC. Obtenido de http://shpvc.com.ve/educativo.html Vásquez, A. (2010). La discapacidad en America Latina. Wheelchair, e. (2012). GuiaMovilidad.com. World, D. (2000). sobre opiniones internacionales relacionadas al tema de la discapacidad - Volumen No. 3 Junio-Julio . Disability World. 124 LISTA DE ABREVIATURAS 𝑘 Coeficiente de seguridad. 𝐹 Fuerza. 𝑔 Gravedad. 𝑃𝑐 Carga critica. 𝑃𝑐𝑐 Carga critica en el punto c. 𝑅𝐴 Reacción en el punto A. 𝑅𝐵 Reacción en el punto B. 𝑅𝐶 Reacción en el punto C. 𝑀𝐴𝐶 Momento Flector en el punto AC. 𝑀𝐶𝐵 Momento Flector en el punto CB. 𝑣𝐴𝐶 Cortante en el punto AC. 𝑣𝐶𝐵 Cortante en el punto CB. 𝐿 Longitud de la barra. 𝑥 Punto medio de L. 𝑀𝑀𝐴𝑋 Momento flector máximo. 𝑦𝑐 Deformación elástica en el punto C. 𝑦𝐴𝐶 Deformación elástica en el punto AC. 𝑦𝐶𝐵 Deformación elástica en el punto CB. 125 𝑦𝑚𝑎𝑥 Deformación Máxima. 𝑦𝑚𝑎𝑥𝑇 Deformación Máxima Total. 𝐸 Módulo de Elasticidad. σ𝑦 Resistencia a la fluencia. σ𝑝𝑒𝑟𝑚 Tensión permisible. 𝐴 Área. 𝑟𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 Radio mayor. 𝑟𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 Radio menor. 𝑃𝑚𝑎𝑥 Carga máxima a compresión. 𝐼 Inercia. 𝑃𝑒𝑟 Carga permisible por pandeo. 𝐻 Altura del perfil. 𝐵 Ancho del perfil. 𝑎 Altura mínima del cordón de soldadura. 𝑍𝑊 Momento Resistente unitario. 𝜎 Tensión normal de soldadura. 𝜎𝐴 Tensión admitida. 𝑠𝑦 Límite de elasticidad. 126 𝑠𝑢 Resistencia máxima a la tracción. 𝑛𝑠 Coeficiente de seguridad de la soldadura. 𝐹𝑌 Fuerza de plegado de la soldadura. ⅇ Brazo de fuerza. 𝑇 Par de torsión. 𝐷 Diámetro de la viga. 𝑟 Radio de giro. 𝜆 Esbeltez del material. 𝑐𝑐 Constante de la columna. 𝑑 Diámetro mayor. 𝑝 Paso. 𝜇 Coeficiente de fricción. 𝑛 Número de entradas de la rosca. 𝑓𝑟 Fuerza de roce. 𝑇𝑅 Torque de subida. TL Torque de bajada. 𝐹𝐻 Fuerza Horizontal. ∅m Diámetro medio. 127 𝐹𝑣 Fuerza Vertical. ⅇ% Eficiencia del tornillo de potencia. 𝜏 Esfuerzo de corte. 𝜎𝐵 Presión de contacto. 𝑉𝑎 Velocidad de avance. 𝑁 Velocidad de giro. 𝑡 Tiempo. 𝑃𝐸𝑀 Peso de la estructura mecánica. 𝑃𝑀𝑈 Peso máximo del usuario. 𝑃𝐹 Peso de la fuente de alimentación. 𝑃𝑆𝐶 Peso del sistema de control. 𝑃𝑇𝑀 Peso total a movilizar. 𝑃(%) Pendiente de una rampa. 𝜃 Angulo de la rampa. 𝑊 Peso. 𝑋 Distancia comprimida del amortiguador. 𝑁𝑎 Numero de vueltas del espiral. 𝑎𝑣𝑖 Ángulo de viraje interior. 128 𝑎𝑣ⅇ Ángulo de viraje exterior. 𝑘𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 Constante del resorte. 𝑤𝑚 Velocidad en radianes. 𝑉ⅇ𝑙.𝑀𝐴𝑋 Velocidad máxima. 𝐼𝑛 Intensidad total necesaria. 𝐴ℎ Amperios hora. 𝑉 Voltios. APÉNDICES 129 A. CÓDIGO DE CONTROL //Codigo de control por Joystick// int enA = 7; int in1 = 8; int in2 = 9; int enB = 10; int in3 = 11; int in4 = 12; int joystickVertical = A0; int joystickHorizontal = A1; int MotorSpeed1 = 0; int MotorSpeed2 = 0; int joystickposVertical = 512; int joystickposHorizontal= 512; void setup() { pinMode(enA, OUTPUT); pinMode(enB, OUTPUT); pinMode(in1, OUTPUT); 130 pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); digitalWrite(enA, LOW); digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(enB, LOW); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); } void loop() { leerdatojoystick(); } void leerdatojoystick(){ joystickposVertical = analogRead(joystickVertical); joystickposHorizontal = analogRead(joystickHorizontal); 131 if (joystickposVertical < 460) { digitalWrite(in1, LOW); digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in3, LOW); digitalWrite(in4, HIGH); joystickposVertical = joystickposVertical - 460; joystickposVertical = joystickposVertical * -1; MotorSpeed1 = map(joystickposVertical, 0, 460, 0, 255); MotorSpeed2 = map(joystickposVertical, 0, 460, 0, 255); } else if (joystickposVertical > 564) { digitalWrite(in1, HIGH); digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in3, HIGH); digitalWrite(in4, LOW); MotorSpeed1 = map(joystickposVertical, 564, 1023, 0, 255); MotorSpeed2 = map(joystickposVertical, 564, 1023, 0, 255); 132 } else { MotorSpeed1 = 0; MotorSpeed2 = 0; } if (joystickposHorizontal < 460) { joystickposHorizontal = joystickposHorizontal - 460; joystickposHorizontal = joystickposHorizontal * -1; joystickposHorizontal = map(joystickposHorizontal, 0, 460, 0, 255); MotorSpeed1 = MotorSpeed1 - joystickposHorizontal; MotorSpeed2 = MotorSpeed2 + joystickposHorizontal; if (MotorSpeed1 < 0)MotorSpeed1 = 0; if (MotorSpeed2 > 255)MotorSpeed2 = 255; } else if (joystickposHorizontal > 564) { joystickposHorizontal = map(joystickposHorizontal, 564, 1023, 0, 255); 133 MotorSpeed1 = MotorSpeed1 + joystickposHorizontal; MotorSpeed2 = MotorSpeed2 - joystickposHorizontal; if (MotorSpeed1 > 255)MotorSpeed1 = 255; if (MotorSpeed2 < 0)MotorSpeed2 = 0; } if (MotorSpeed1 < 8)MotorSpeed1 = 0; if (MotorSpeed2 < 8)MotorSpeed2 = 0; analogWrite(enA, MotorSpeed1); analogWrite(enB, MotorSpeed2); } #ifdef __AVR__ #include <avr/power.h> #endif #define LED 13 #define BAUDRATE 57600 #define DEBUGOUTPUT 0 #define GREENLED1 40 #define GREENLED2 38 #define GREENLED3 36 134 #define YELLOWLED1 34 #define YELLOWLED2 32 #define YELLOWLED3 30 #define YELLOWLED4 28 #define REDLED1 26 #define REDLED2 24 #define REDLED3 22 #define powercontrol 10 byte generatedChecksum = 0; byte checksum = 0; int payloadLength = 0; byte payloadData[64] = { 0}; byte poorQuality = 0; byte attention = 0; byte meditation = 0; long lastReceivedPacket = 0; boolean bigPacket = false; int led_1 = 23; 135 int led_2 = 25; int led_3 = 27; int led_4 = 29; int led_5 = 31; int contador; int presionado1 = 0; int in1 = 42; int in2 = 44; int in3 = 46; int in4 = 48; void setup() { pinMode(GREENLED1, OUTPUT); pinMode(GREENLED2, OUTPUT); pinMode(GREENLED3, OUTPUT); pinMode(YELLOWLED1, OUTPUT); pinMode(YELLOWLED2, OUTPUT); pinMode(YELLOWLED3, OUTPUT); pinMode(YELLOWLED4, OUTPUT); pinMode(REDLED1, OUTPUT); 136 pinMode(REDLED2, OUTPUT); pinMode(REDLED3, OUTPUT); pinMode(led_1, OUTPUT); pinMode(led_2, OUTPUT); pinMode(led_3, OUTPUT); pinMode(led_4, OUTPUT); pinMode(led_5, OUTPUT); pinMode(in1, OUTPUT); pinMode(in2, OUTPUT); pinMode(in3, OUTPUT); pinMode(in4, OUTPUT); pinMode(LED, OUTPUT); Serial.begin(BAUDRATE); } byte ReadOneByte() { int ByteRead; while(!Serial.available()); ByteRead = Serial.read(); 137 #if DEBUGOUTPUT Serial.print((char)ByteRead); #endif return ByteRead; } void loop() { // Look for sync bytes if(ReadOneByte() == 170) { if(ReadOneByte() == 170) { payloadLength = ReadOneByte(); if(payloadLength > 169) return; generatedChecksum = 0; for(int i = 0; i < payloadLength; i++) { payloadData[i] = ReadOneByte(); generatedChecksum += payloadData[i]; } checksum = ReadOneByte(); generatedChecksum = 255 - generatedChecksum; 138 if(checksum == generatedChecksum) { poorQuality = 200; attention = 0; meditation = 0; for(int i = 0; i < payloadLength; i++) { switch (payloadData[i]) { case 2: i++; poorQuality = payloadData[i]; bigPacket = true; break; case 4: i++; attention = payloadData[i]; break; case 5: i++; meditation = payloadData[i]; break; 139 case 0x80: i = i + 3; break; case 0x83: i = i + 25; break; default: break; } // switch } // for loop #if !DEBUGOUTPUT if(bigPacket) { if(poorQuality == 0){ digitalWrite(LED, HIGH); } else{ digitalWrite(LED, LOW); Serial.print("PoorQuality: "); Serial.print(poorQuality, DEC); 140 Serial.print(" Attention: "); Serial.print(attention, DEC); Serial.print(" Time since last packet: "); Serial.print(millis() - lastReceivedPacket, DEC); lastReceivedPacket = millis(); Serial.print("\n"); } digitalWrite(led_1, LOW); presionado1 = 1; } { presionado1 = 0; contador++; if (contador > 10) { } } switch (contador) { 141 case 0: digitalWrite(led_1, HIGH); digitalWrite(led_2, LOW); digitalWrite(led_3, LOW); digitalWrite(led_4, LOW); digitalWrite(led_5, LOW); break; case 1: digitalWrite(led_2, HIGH); digitalWrite(led_1, LOW); digitalWrite(led_3, LOW); digitalWrite(led_4, LOW); digitalWrite(led_5, LOW); switch(attention / 10) { case 5: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, LOW); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); 142 digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 6: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; 143 case 7: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 8: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); 144 digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 9: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 10: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); 145 digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 11: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, LOW); 146 digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 12: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 13: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); 147 digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; break; } break; case 2: digitalWrite(led_3, HIGH); digitalWrite(led_1, LOW); digitalWrite(led_2, LOW); digitalWrite(led_4, LOW); digitalWrite(led_5, LOW); switch(attention) { 148 case 5: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, LOW); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 6: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); 149 digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 7: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 8: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); 150 digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 9: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); 151 digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 10: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 11: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); 152 digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 12: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); 153 break; case 13: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 14: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); 154 digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, HIGH); break; case 15: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, HIGH); break; } 155 break; case 3: digitalWrite(led_1, LOW); digitalWrite(led_2, LOW); digitalWrite(led_3, LOW); digitalWrite(led_5, LOW); switch(attention / 10) { case 5: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, LOW); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); 156 break; case 6: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 7: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); 157 digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 8: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 9: 158 digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 10: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); 159 digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 11: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 12: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); 160 digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 13: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); 161 digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 14: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, HIGH); break; case 15: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); 162 digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, HIGH); break; } break; case 4: digitalWrite(led_5, HIGH); digitalWrite(led_1, LOW); digitalWrite(led_2, LOW); digitalWrite(led_3, LOW); digitalWrite(led_4, LOW); switch(attention / 10) { case 5: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); 163 digitalWrite(GREENLED2, LOW); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 6: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); 164 digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 7: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, LOW); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 8: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); 165 digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, LOW); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 9: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, LOW); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); 166 break; case 10: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, LOW); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 11: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); 167 digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, LOW); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 12: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, LOW); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 13: 168 digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, LOW); break; case 14: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); 169 digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, HIGH); break; case 15: digitalWrite(GREENLED1, HIGH); digitalWrite(GREENLED2, HIGH); digitalWrite(GREENLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED1, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED2, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED3, HIGH); digitalWrite(YELLOWLED4, HIGH); digitalWrite(REDLED1, HIGH); digitalWrite(REDLED2, HIGH); digitalWrite(REDLED3, HIGH); break; } break; if (digitalRead(led_3) == HIGH && digitalRead(GREENLED3) == HIGH){ 170 digitalWrite(in2, HIGH); digitalWrite(in4, HIGH); } else{ digitalWrite(in2, LOW); digitalWrite(in4, LOW); } } } } else { } // end if read 0xAA byte 171 B. MANUAL DE INSTRUCIONES 172 C. PLANOS ANEXOS 173 A. DATOS TECNICOS ANEXOS A.1. DATASHEET ATMEGA2560 174 ANEXOS A.2. DATASHEET ATMEGA328P 175 ANEXOS A.3. DATASHEET JOYSTICK 2 EJES 176 177 ANEXOS A.4. NEUROSKY MINDWAVE MOBILE2 178 179 180 ANEXOS A.5. DATASHEET ACTUADOR LA23 181 ANEXOS A.6. RUEDA BLICKLE - WHEELS 182 ANEXOS A.7. CATÁLOGO DE RODAMIENTO SKF 183 ANEXOS A.8. CONTROLADOR SABERTOOTH 25X2 184 ANEXOS A.9. MOTOR QIYUN PARA RECLINAR 185 ANEXOS A.10. CATÁLOGO DE TUBOS REDONDOS 186 ANEXOS A.11. CATÁLOGO DE TUBOS CUADRADOS 187 ANEXOS A.12. CATÁLOGO DE PLANCHAS 188 ANEXOS A.13. MOTOR CIROLLA CARACTERISTICAS 189 ANEXOS A.14. Silla Semi Ejecutiva Volvo 190 ANEXOS A. 15 Modulo bluetooth HC-05 191 ANEXOS A. 16 Cargador baterías GM 192 ANEXOS A. 17 Electrodo E6011 193 B. NORMAS Y CÓDIGOS NORMAS Y CÓDIGOS B. 1. Accesibilidad de las personas con discapacidad al medio Físico - Edificios - Pasillos y galerías - Características generales NB-1220004 194 NORMAS Y CÓDIGOS B. 2. Accesibilidad de las personas con discapacidad al medio físico Edificios y espacios urbanos Rampas fijas adecuadas y básicas NB-1220005 195