Tesis Univalle

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