diseño y construcción de un bipedestador eléctrico para

46
1 Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para niños con discapacidad Proyecto de grado Alejandro Herrera Ruiz Estudiante de Ingeniería Mecánica y Administración de Empresas Profesor asesor: Luis Mario Mateus Sandoval Ingeniero Mecánico M.Sc. Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia Junio de 2018

Upload: others

Post on 22-Jul-2022

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

1

Diseño y Construcción de un bipedestador

eléctrico para niños con discapacidad

Proyecto de grado

Alejandro Herrera Ruiz

Estudiante de Ingeniería Mecánica y Administración de Empresas

Profesor asesor:

Luis Mario Mateus Sandoval

Ingeniero Mecánico M.Sc.

Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Mecánica

Bogotá, Colombia

Junio de 2018

Page 2: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

2

Quiero dedicar este trabajo principalmente a mi madre, Edith Ruiz Gómez, quien

me ha apoyado no solo durante este proyecto, sino a lo largo de toda mi vida. Fue

ella quien siempre estuvo alentándome para dar lo mejor mí y poder realizar este

trabajo, que espero algún día pueda cambiar la vida de muchos niños.

También, quiero dedicar este trabajo a todos los niños que hicieron parte de este

proyecto, pues me dieron la oportunidad y depositaron su confianza para que yo les

pudiera brindar una mano con una de sus tantas necesidades.

Page 3: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

3

.

Mis mayores agradecimientos a:

Mi madre, por siempre brindarme todas las herramientas para poder culminar con

éxito este proyecto.

Gabriela Robles, por su inmensa colaboración, apoyo incondicional, compañía y

aliento durante todo el desarrollo del proyecto.

Profesor Luis Mateus, por brindarme la oportunidad de realizar un proyecto con este

enfoque. Por su paciencia durante todo el semestre y por su gran disposición para

ayudarme a resolver las dudas e inquietudes que pudieron surgir.

Todos los técnicos de manufactura, Carolina, Jorge, Jose, Ramiro y Andrés, por

haber apoyado el proceso de manufactura del prototipo, siempre con la mejor

actitud y su mejor esfuerzo para hacer que las cosas salieran bien

Asociación ACONIÑO, por abrirle las puertas a la universidad y permitirme

desarrollar el proyecto con su ayuda.

Page 4: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

4

Contenido

1. Índice ..................................................................................................................................... 6

2. Introducción ........................................................................................................................... 6

3. Contexto ................................................................................................................................ 7

4. Objetivos................................................................................................................................ 8

4.1 Objetivo general ............................................................................................................. 8

4.2 Objetivos específicos ...................................................................................................... 8

5. Investigación .......................................................................................................................... 8

5.1 Metodología ................................................................................................................... 9

5.2 Selección de niños .......................................................................................................... 9

5.3 Marco teórico de patologías y sintomatología. ............................................................... 10

5.4 Resultados de investigación .......................................................................................... 11

5.5 Conclusiones de investigación ...................................................................................... 14

6. Estado del arte ...................................................................................................................... 15

6.1 Trabajos previos ........................................................................................................... 16

7. Diseño.................................................................................................................................. 16

7.1 Diseño de Mecanismo ................................................................................................... 17

7.2 Selección de Componentes ........................................................................................... 19

7.2.1 Estructura ............................................................................................................. 19

7.2.2 Actuador ............................................................................................................... 20

7.2.3 Otros ..................................................................................................................... 22

8. Prototipo .............................................................................................................................. 23

9. Pruebas ................................................................................................................................ 24

10. Análisis ............................................................................................................................ 26

10.1 Análisis funcional y análisis terapéutico. ....................................................................... 26

10.2 Estructural .................................................................................................................... 31

11. Conclusiones .................................................................................................................... 32

12. Recomendaciones ............................................................................................................. 33

13. Bibliografía y Referencias ................................................................................................ 33

14. Anexos ............................................................................................................................. 35

Page 5: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

5

Tabla de ilustraciones

Ilustración 1. Silla de ruedas para usuario temporal, permanente, y con apoyo postural, de

izquierda a derecha respectivamente. Tomado de “Pautas para el suministro de sillas de

ruedas manuales en entornos de menos recursos” [14]............................................................. 17

Ilustración 2. Simulación estática de la estructura ................................................................... 19

Ilustración 3. Resultados simulación estática ............................................................................ 19

Ilustración 4. Modelo CAD de la estructura propuesta ............................................................ 20

Ilustración 5. Estructura utilizada para la simulación dinámica ............................................. 21

Ilustración 6. Motor Seleccionado de referencia FA-150-S-12-9" ............................................ 22

Ilustración 7. Controlador PWM .............................................................................................. 22

Ilustración 8. Silla para automóviles de niños utilizada ............................................................ 23

Ilustración 9. Rodachines industriales con freno ...................................................................... 23

Ilustración 10. Prototipo de Bipedestador Eléctrico ................................................................. 24

Ilustración 11. Prueba estática en posición sedente .................................................................. 25

Ilustración 12. Prueba estática en posición bípeda ................................................................... 25

Ilustración 13. Paciente Andrés Felipe en prueba dinámica..................................................... 26

Ilustración 14. Paciente Michelle en prueba dinámica ............................................................. 26

Ilustración 15. Apoyo en soporte de pies ................................................................................... 27

Ilustración 16. Pechero estilo mariposa ..................................................................................... 28

Ilustración 17. Almohadillas utilizadas para asegurar las piernas de los niños ....................... 29

Ilustración 18. Desajuste lineal en el cuerpo del paciente ......................................................... 30

Ilustración 19. Bisagras desalineadas con respecto a la silla .................................................... 31

Ilustración 20. Ubicación de los componentes que se deben tener en cuenta ........................... 32

Page 6: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

6

1. Índice

Término Definición

Hipotonía

Puede afectar a niños y adultos, es una disminución en el tono muscular

(debilidad muscular).

Espasticidad Se refiere a músculos tensos y rígidos. Puede interferir con la actividad

de caminar, movimientos y el habla.

Sedentación Cuando aumenta la presión al interior de los discos y tiene que ver con

la alineación de la columna vertebral.

Bipedestación Capacidad de mantenerse erguido sobre las extremidades inferiores.

Dismorfia Anomalía en la forma de alguna parte del cuerpo del ser vivo que se da

durante su desarrollo.

Deleción Es la pérdida de parte de los cromosomas, lo cual genera afectaciones en

el desarrollo del ser vivo.

Heterocigosis Cuando en los genes se tienen dos alelos diferentes.

Hipsarritmia Patrón electroencefalográfico que se caracteriza por la presencia de

continuas descargas de ondas lentas, puntas, ondas agudas, sin

sincronización entre ambos hemisferios, y de alto voltaje, dando la

sensación de un absoluto desorden del electroencefalograma.

2. Introducción La clasificación internacional del funcionamiento, discapacidad y salud (ICF), define una

discapacidad como un término que aglomera impedimentos, limitaciones en actividades y

restricciones de participación. Actualmente, hay por lo menos 1 billón de personas en el

mundo que tienen alguna discapacidad, esta cifra representa el 15% de la población total de

habitantes en el planeta, de las cuales hay entre 110 millones y 190 millones que tienen

dificultades significativas en su cotidianidad, por lo que tienen que acceder a diferentes

métodos y medios para poder realizar actividades rutinarias que van desde llegar al trabajo o

incluso vestirse. Esta población se encuentra en una situación que se agrava aún más por el

hecho de que es más difícil o caro acceder a servicios de salud de la calidad requerida para

que puedan suplir sus necesidades. Lo anterior, se puede ver reflejado en tasas de mortalidad

y mortalidad prematura más alta, envejecimiento acelerado, sedentarismo, correlación entre

enfermedades, etc. Adicionalmente, la tasa de personas con discapacidad ha venido

aumentado debido a las condiciones precarias de salubridad en algunas poblaciones y al

aumento de la población adulta mayor de 65 años alrededor del mundo. [23]

Entre los diferentes obstáculos a los que están sometidas las personas con discapacidad para

poder acceder a un servicio de salud están, por ejemplo, los altos costos en los que deben

incurrir en servicios de transporte más la atención médica especializada. Por eso, en países

de bajos ingresos el porcentaje de personas con alguna discapacidad que deja de recibir

atención médica es de 51% a 53%, mientras que las personas sin discapacidad que se quedan

sin atención rondan el 33 % [20]. Agregado a lo anterior, existe una barrera de tecnología e

infraestructura, pues muchas veces las calles, los centros médicos o de terapia, los baños y

otros lugares de uso común, el sistema de transporte o incluso los vehículos particulares no

Page 7: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

7

están adecuados para que las personas con discapacidades puedan acceder fácilmente. Por

último, en países de bajo desarrollo hay escasez o carencia de insumos, equipo y, en algunos

casos, de experiencia médica especializada que permita tratar adecuadamente a las

necesidades de cada persona.

Para poder dirigirnos más hacia el desarrollo de este proyecto, es necesario definir calidad de

vida y bienestar de las personas. En primer lugar, calidad de vida es la percepción que tiene

un individuo sobre su posición en la vida, en el contexto cultural y en el sistema de valor en

el que viven, todo esto con relación a sus metas, expectativas, estándares y preocupaciones

[24]. En segundo lugar, bienestar es el estado de comodidad, salud y prosperidad en una

persona [6]. Como las anteriores son variables que no son cuantificables fácilmente y que

están abiertas a la interpretación, y, a su vez, son esenciales para la problemática que se va a

desarrollar durante el proyecto, se va a usar una interpretación propia para poder concretar la

situación que se desea cambiar y las posibles soluciones a esta. Por lo tanto, sin alejarse

mucho de lo indicado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y sus siglas en inglés

WHO, calidad de vida va a ser la dificultad o facilidad de realizar acciones de la vida

cotidiana, con cierto grado de independencia, mientras que bienestar va a ser la capacidad de

ir mejorando o manteniendo el estado de salud, comodidad y prosperidad.

Por consiguiente, el planteamiento general de este proyecto considera proponer una ayuda

para solucionar algún requerimiento que exista en la población con discapacidad. Debido a

su definición, la discapacidad es un término muy diverso y que aglomera diferentes clases de

restricciones, como la visual, motora, auditiva, psicológica, etc. Es por eso, por lo que el

rango de aplicación de este proyecto estará limitada a una población específica, la cual

comprende a niños entre los 6 y 10 años con alguna discapacidad o una combinación de estas,

que entre su diagnóstico se encuentre alguna clase de impedimento para un desarrollo

locomotor normal. Principalmente, niños que dependan de sillas de ruedas para movilizarse

y de un apoyo extra para poder sentarse o mantener una posición erguida. Con el fin de que

esta solución pueda llegar a aumentar el bienestar de esta población, mejorar su calidad de

vida y, lo más importante, que sea de acceso fácil para personas con bajos y medios recursos.

3. Contexto

Usualmente, las personas que presentan discapacidades de tipo motor y cognitivo tienen que

recurrir a sistemas de apoyo permanentes como caminadores o sillas de ruedas y temporales

como bastones o asistencia de otra persona; pero esto es solo en los casos donde las personas

ya han desarrollado cierto grado de independencia o ya están adaptadas a las condiciones

especiales. Sin embargo, el caso de los niños es diferente, pues por su edad son dependientes

en varios aspectos de su cotidianidad y, más aún, cuando desde nacimiento padecen de algún

tipo de condición especial que les impide tener un desarrollo normal, al igual que cuando

estas condiciones son padecidas desde muy temprana edad. Lo anteriormente mencionado,

sumado al rango de edad que fue seleccionado para el proyecto, deja a los padres en una

situación en la que cuentan con 2 opciones. La primera es cargar al niño hacia todos lados y

la segunda es adquirir una silla de ruedas, pues en esta edad los niños dejan de ser aptos para

los coches de bebé debido al crecimiento. Este proyecto estará enfocado hacia los niños que

Page 8: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

8

dependen de las sillas de ruedas, pues estas no solo son un medio de transporte, son también

un dispositivo que aporta a la calidad de vida de ellos y de las familias que tienen acceso a

estas. Pues, es preciso mencionar que en el mundo existen aproximadamente 70 millones de

personas que requieren de silla de ruedas, pero no todas estas personas la requieren por las

mismas condiciones o necesidades [22].

Por lo tanto, para el desarrollo del proyecto se contactó a la asociación ACONIÑO, quienes

son una entidad privada sin ánimo de lucro. Esta asociación fue fundada en el año 1990 con

el propósito de apoyar a familias con niños en condición de discapacidad entre 0 y 18 años.

Entre su campo de acción se encuentran niños con diagnósticos tales como parálisis cerebral,

retardo en desarrollo psicomotor, síndrome de West, hipotonía, entre otros que serán

definidos en el documento más adelante. Así mismo, la misión de ACONIÑO está

relacionada con los fundamentos que impulsaron el desarrollo de este proyecto. Esto es,

contribuir a la inclusión social, mejoramiento de calidad de vida y bienestar de las personas

con discapacidad a través de programas con enfoque especializado.

4. Objetivos

4.1 Objetivo general

Desarrollar un vehículo que cuente con un sistema de actuadores eléctrico que

permita llevarlo de una posición sedente a una posición bípeda y, además, que brinde

autonomía de movilidad a una persona en condición de discapacidad.

4.2 Objetivos específicos

• Diseñar un vehículo que permita a niños en condición de discapacidad o

movilidad restringida sobrepasar con facilidad obstáculos comunes en Bogotá

y que, al mismo tiempo, sea una herramienta de apoyo para el proceso

terapéutico en el que se encuentran actualmente. • Desarrollar un sistema que permita cambiar la posición del usuario

conservando la ergonomía necesaria para garantizar la seguridad e integridad

del usuario. • Construir un vehículo con materiales que permitan bajo peso, procesos de

manufactura adecuados para una posible producción en masa y que cumpla

con las normas establecidas por los organismos de salud

5. Investigación

Como se comentó anteriormente, el desarrollo del proyecto se realizó en la asociación

ACONIÑO, con el acompañamiento de la señora Berta Brunal, quien es la Directora General.

También, con las terapeutas profesionales Franci Carolina Rincón, quien se desempeña en el

área de terapia ocupacional y Mayra Plazas, quien es la encargada de la terapia física. De

igual forma, durante todo el proceso se mantuvo contacto con terapeutas que se desempeñan

en otras áreas, al igual que con los padres o familiares de los niños.

Page 9: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

9

5.1 Metodología

A lo largo de este proyecto, se realizaron diferentes visitas con el fin de tener un

acercamiento al ambiente donde interactúan los niños, sus diferentes necesidades y,

además, de la observación y análisis de las patologías seleccionadas para el desarrollo

del prototipo. Cada una de las visitas se realizó con un propósito diferente, por lo que

la duración de estas fue variable. En la Tabla 1 se puede apreciar el desglose de

fechas, de los propósitos y las actividades que se realizaron durante la visita.

Fecha Propósito

Febrero 16

Este es el primer día, por lo que el motivo es la presentación del estudiante,

presentación del proyecto y la solicitud de acompañamiento de la asociación. Para esto, se hizo una previa y breve explicación por teléfono, de la cual se concretó la cita

para la presentación.

Febrero

20

Se hizo la presentación del estudiante con el equipo de terapeutas con el cual se

desarrolló el proyecto. Adicionalmente, se realiza el primer acercamiento con el grupo de niños que estaban en turno.

Febrero

22

Acercamiento al segundo grupo de niños, recomendado por la terapeuta Mayra. Se

agrupa a ciertos niños con diagnósticos afines al proyecto, con los cuales se podrán trabajar los requerimientos de usuario.

Marzo 2 Definición de requerimientos principales y desarrollo del “House of Quality” (HOQ)

para el prototipo, actividad que se realizó junto con las terapeutas Franci y Mayra.

Marzo 15 Acotación y especificación de requerimientos para el desarrollo del prototipo. Se realiza validación de la matriz que se obtuvo en la visita de marzo 2

Marzo 22 Se realizan las mediciones de algunas partes del cuerpo que se van a ver involucrados

en el diseño del mecanismo

Mayo 17 Visita del equipo de la universidad a los padres de los niños con el fin de dar a conocer los proyectos que se van a realizar con ayuda de ellos y para recibir retroalimentación

acerca de los requerimientos especificados para el proyecto actual

Junio 25 Se realizan las pruebas del primer prototipo con niños que son capaces de responder

ante situaciones adversas, con el fin de obtener una retroalimentación de las terapeutas, pero también de los pacientes.

Junio 26

Junio 27

Tabla 1. Fecha, propósito y actividades de visitas.

5.2 Selección de niños

Esta selección se hizo con base en la restricción de edad que había sido establecida

al inicio del proyecto, también, junto con la ayuda de las terapeutas se

seleccionaron niños que presentaran condiciones de discapacidad similares, pues

en la asociación se tratan niños con toda índole de discapacidades. De igual modo,

la selección depende del grado de discapacidad o de cuan afectados están los niños

debido a su condición, ya que hay casos de niños que desarrollaron más control e

independencia, debido a que presentan grados más leves de las patologías,

mientras que otros están totalmente afectados por su patología. Por lo tanto, se

utilizará la clasificación GMFCS “Gross Motor Function Classification System”

por sus siglas en inglés, que se traduce en un sistema de clasificación de la función

motora gruesa que distingue 5 niveles, de los cuales, el nivel V corresponde a

Page 10: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

10

movilidad autónoma y control anti gravitatorio gravemente restringido, incluso

con uso de tecnología asistida. El nivel IV es tiene que ver con movilidad

autónoma limitada, los niños están en la capacidad de reptar, voltearse y

desarrollar gateo homólogo, sin embargo, requieren de dispositivos para mantener

el control del tronco y, para movimientos prolongados requieren asistencia o ser

transportados. El último nivel que se va a tener en cuenta es el III, donde requieren

dispositivos de ayudar para caminar, subir escaleras apoyados de barandillas, pero

no pueden transportarse largas distancias ni en terrenos desnivelados [2].

5.3 Marco teórico de patologías y sintomatología.

• Parálisis cerebral (PC): Grupo de alteraciones permanentes del movimiento

y la postura que limitan la actividad, debido a trastornos no progresivos

ocurridos durante el desarrollo cerebral del feto o del niño pequeño.[2]

• PC atáxica: Es un cuadro clínico de hipotonía e hiperextensibilidad articular,

como también poca estabilidad al intentar mantener el equilibrio. Esta

condición dificulta la sedestación, bipedestación y la marcha. Cuando la PC

atáxica lleva espasticidad, tienden a afectar a los grupos musculares a lo largo

del tiempo, favoreciendo el desarrollo de deformidades ortopédicas.[2]

• Mielitis transversa: Es el nombre que recibe una inflamación en médula

espinal, generando una interrupción entre las fibras nerviosas de la médula

espinal y el resto del cuerpo, pues se genera una destrucción de la mielina,

sustancia que aísla y cubre las fibras celulares nerviosas. Dependiendo de la

zona de la médula espinal en la que se produce la inflamación, se pueden

generar diferentes tipos de síntomas con diferentes periodos de duración.

Variando entre fuertes dolores de un día, hasta parálisis en miembros de forma

permanente. [9]

• Síndrome de supresión 1P36: Hace referencia a una anomalía cromosómica

caracterizada por rasgos dismórficos faciales distintivos, hipotonía, retraso en

el desarrollo, discapacidad intelectual, convulsiones, defectos cardiacos,

deficiencia en el crecimiento de aparición prenatal, entre otros. Generado por

la deleción parcial en heterocigosis de la parte distal del brazo corto del

cromosoma 1. [12]

• Síndrome de West: También llamado espasmos infantiles, es un tipo

específico de ataque que se puede observar en los síndromes epilépticos

infantiles. Se caracteriza por los espasmos, retraso psicomotor del niño y una

frecuencia particular de electroencefalografía (EEG) llamada como

hipsarritmia u ondas caóticas del cerebro. Los espasmos consisten en

contracciones repentinas del cuerpo con endurecimiento de los brazos y

piernas, se pueden presentar hasta 100 espasmos al tiempo. [9]

Page 11: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

11

• Síndrome de Sturge Weber: Conocido como la mancha de vino, es una

enfermedad congénita que afecta los vasos sanguíneos, en particular los de la

piel, los de los tejidos que recubren el cerebro y los vasos sanguíneos oculares.

Este trastorno produce convulsiones, debilidad en un lado del cuerpo,

discapacidad cognitiva, aumento de la presión sanguínea intraocular, entre

otros daños al sistema nervioso. [7]

En la Tabla 2 se encuentran los niños que fueron seleccionados y algunas de

sus patologías.

• Niño Edad Patología

Sofía Ovalle 6 Síndrome de Sturge Weber

Juan Pablo Garzón 7 Parálisis cerebral

Valery Sofía Bastidas 6 Síndrome de West

Andrés Felipe Gómez 9 Parálisis cerebral Atáxica

Michelle Ramos 10 Mielitis transversa

Luciana Rincón 6 Síndrome IP-36

Paula Niño 8 Parálisis Atáxica

Angie Daniela Castro 6 Hidrocefalia Tabla 2. Niños seleccionados y Patologías

5.4 Resultados de investigación

Luego de las primeras visitas realizadas a la asociación y del acompañamiento

por parte de las terapeutas, se realizó una matriz de requerimientos utilizando la

metodología llamada “Casa de la calidad” y teniendo en cuenta las patologías

presentadas anteriormente. Por lo tanto, se tuvo en cuenta algunos de sus

síntomas, principalmente los que competen al desarrollo motor y la movilidad de

los niños.

Para la construcción de la matriz, se solicitó a las terapeutas que indicaran los

requerimientos principales del usuario, los cuales también recibieron

retroalimentación de algunos acompañantes de los niños con los que se había

hablado previamente. Acto seguido, se establecieron las características

ingenieriles de las que iba a depender el diseño, estas se fueron agregando a

medida que surgieron requerimientos de usuario. Cuando ya estuvo construida la

matriz, se pidió la calificación de los requerimientos de usuario a la terapeuta, en

un rango de 1 a 5, siendo el nivel 1 lo menos importante y 5 lo más importante.

Luego, se procedió a relacionar los requerimientos con las características entre un

rango de 0 y 5, donde el nivel 0 corresponde a que no existe relación alguna y 5

a que están totalmente relacionadas las variables. Finalmente, se realizó una

clasificación de ranking, por parte de las terapeutas, enumerando cada

requerimiento para poder compararlos, analizar y concluir con respecto a los

pesos que se obtienen para cada característica ingenieril.

Entonces, lo que se desea hacer con este mecanismo es estimular el movimiento

en los niños, haciendo que pasen de una posición sedente a una bípeda (totalmente

Page 12: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

12

vertical) a través de un movimiento totalmente guiado y controlado. Este

movimiento se estipuló para ser por medio de un actuador eléctrico portable para

que no sea necesario estar cerca algún tomacorriente y, con esto, se asegura su

versatilidad. El mecanismo debe tener algunos efectos en el bienestar del niño

como la prevención de cuadros de osteoporosis a temprana edad, incrementar el

flujo sanguíneo y disminuir la hipotonía en los miembros inferiores.

Adicionalmente, el mecanismo también debe ser útil para transportar a los niños

y que les permita tener una mayor integración con sus actividades de la vida

diaria.

En la Tabla 3 se puede observar el desglose de niveles de importancia que se

utilizó para alimentar la matriz que se le presentó a las terapeutas para realizar la

calificación. De igual forma, se muestran los criterios de relación utilizados para

indicar el vínculo entre los requerimientos de usuario y las características

ingenieriles.

Requerimientos de Usuario Características Ingenieriles

Nivel Grado Importancia Nivel Relación

1 Nada Importante 0 No hay relación

2 Poco Importante 1 Poca relación

3 Importancia Neutra 2 Podría existir alguna relación

4 Alta Importancia 3 Relacionados parcialmente

5 Más Importante 4 Relacionados

5 Totalmente relacionados

Tabla 3. Calificaciones de la Matriz

En la Tabla 4 se puede observar la construcción de la matriz, mientras que en la

Tabla 5 se observa los resultados obtenidos de manera organizada.

Page 13: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

13

Po

sici

ón

Imp

ort

an

cia

oto

rga

da p

or

Ter

ap

euta

Dfdfdfdfd6ffdfd

efefeefeffffffCaracterísticas

ddddddddddddingenieriles

Requerimientos de

usuario

Ra

pid

ez d

e ca

rga

To

rqu

e

Tie

mp

o d

e a

cció

n

Ad

ap

tab

ilid

ad A

cces

ori

os

An

cho

La

rgo

Ma

sa

Pre

cio

Au

ton

om

ía d

e B

ate

ría

Res

iste

nci

a d

e A

just

e

1 5 Seguridad de uso 5 5 3 2 0 0 0 0 2 5

8 4 Grados de Inclinación

(libertad) 4 5 2 0 0 0 0 2 4 3

13 3 Precio 3 3 0 4 2 2 2 5 3 1

3 3 Tamaño 3 1 0 5 5 5 5 4 3 0

10 4 Masa 0 3 0 0 4 4 5 4 0 0

12 2 Fácil Higiene 0 0 0 4 0 0 0 4 0 2

9 4 Interfaz estimulante 0 0 0 2 0 0 0 5 3 0

11 3 Facilidad de carga

(eléctrica) 5 0 3 0 0 0 2 4 4 0

2 5 Facilidad de uso 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0

4 5 Ergonomía 0 0 0 2 4 4 4 3 0 5

5 4 Ajuste a tamaños 0 5 0 3 5 5 3 1 0 5

6 4 Adaptabilidad Accesorios 0 3 0 5 3 3 3 4 0 0

7 4 Alcance en su uso en la

ciudad. 0 0 0 1 4 4 4 0 0 0

14 1

Tiempo recomendado de

uso

(tolerancia Paciente)

4 4 0 0 0 0 0 0 0 0

Peso de Variable 78 105 32 124 105 105 107 126 68 89

Peso Relativo 8

%

11

%

3

%

13

%

11

%

11

%

11

%

13

%

7

%

9

%

Posición 4 2 6 1 2 2 2 1 5 3

Tabla 4. Casa de la calidad

Page 14: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

14

Resultados

Terapeuta Ranking Valoración ingenieril Ranking

Seguridad de uso 1 Adaptabilidad de Accesorios 1

Facilidad de uso 2 Precio

Tamaño 3 Ancho

2 Ergonomía 4 Largo

Ajuste a tamaños 5 Masa

Adaptabilidad Accesorios 6 Fuerza [Actuadores]

Alcance de uso en la ciudad 7 Resistencia de Ajustes 3

Grados de inclinación 8 Rapidez de carga 4

Interfaz Estimulante 9 Autonomía batería 5

Masa 10

Facilidad de Carga [Batería] 11

Facilidad de Higiene 12

Precio 13

Tiempo recomendado de uso 14

Tabla 5. Resultados obtenidos

5.5 Conclusiones de investigación

Los resultados para los requerimientos de usuario generan una relación con las

características ingenieriles, entonces, es así como se asignan los grados de

prioridad para cada característica ingenieril en el diseño del mecanismo.

Es importante ver que, para las terapeutas según la Tabla 5, el factor más

importante del prototipo debe ser la seguridad de uso, seguido de la facilidad y el

tamaño. Pues el usuario, en este caso los niños, no van a tener capacidad de

reacción o de respuesta ante algún tipo de acontecimiento inesperado como una

caída, punzonamiento, pellizco o cualquier otro tipo de lesión causada por

elementos móviles, por lo que se necesita que el mecanismo les brinde toda la

seguridad durante el movimiento al igual que cuando se encuentra en las

posiciones de reposo. Adicional a esto, la seguridad de uso también se brinda a

través de la selección de un actuador que sea capaz de realizar el movimiento de

manera continua sin que se vaya a trabar en una posición no deseada.

Por el lado de la facilidad de uso, es importante que sea un mecanismo que no

requiera de grandes habilidades para activar su funcionamiento, pues se busca que

sean los niños los que lo activen, por lo que se debe tener en cuenta todas las

condiciones especiales en cuanto al nivel cognitivo que tienen ellos.

Al relacionar esto con el precio, es posible concluir que para este tipo de

prototipos es primordial asegurar un funcionamiento seguro, en una máquina

compacta y versátil sin importar los costos extras que esto pueda generar. Es algo

Page 15: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

15

pertinente, pues como se observa en los resultados ingenieriles esos

requerimientos generan que el precio sea un factor que juega un rol muy

importante.

De igual forma, hay factores que no son primordiales para el desarrollo del

prototipo, como lo son el tiempo de uso, facilidad de carga de la batería, higiene,

entre otros. Ya que son factores que se pueden controlar más fácilmente por las

terapeutas. Por lo que se puede usar componentes que no eleven el costo de

manufactura del prototipo y de un rendimiento adecuado para lo que se desea

hacer y así lograr equilibrar la funcionalidad con un precio que se asequible.

Es preciso mencionar también que hay factores que, a pesar de ser medianamente

importantes según el resultado, se salen del alcance del proyecto, pero que podrían

ser implementados para mejorar el proceso terapéutico y la experiencia del

usuario al momento de estar en el mecanismo. Estos son la adaptabilidad de

accesorios y una interfaz interactiva, pues serían artefactos que ayudarían a

mejorar el desarrollo cognitivo de los niños y también les permitiría realizar otras

actividades de terapia en el mecanismo.

6. Estado del arte

Los primeros registros de sistemas de movilidad con ruedas para personas datan del año 525

A.C, en un antiguo grabado chino donde se observa una especie de silla con 3 ruedas,

impulsado por terceros. Sin embargo, la aparición histórica más importante de lo que es una

silla de ruedas, data del año 1595, aparición que corresponde a un boceto del rey español

Felipe II. Otra aparición, ya con el uso medicinal que tiene hoy en día este tipo de sillas, data

del año 1665, el cual corresponde a una de las primeras sillas auto-propulsables, creada por

el alemán Stephen Farfler, quien tenía paraplejia. Este diseño se asemeja a lo que hoy en día

se conoce como “Handbike”. De este punto en adelante, el concepto no cambia, pero sí se

realizan más avances tecnológicos que sirven para suplir necesidades y requerimientos que

van surgiendo a medida que su uso y popularidad aumentan. Por ejemplo, cuando se creó el

automóvil, surgió la necesidad de hacer las sillas más compactas, con el fin de poderlas llevar

dentro, luego, surge la idea de volverlas plegables, y así con cada necesidad que va surgiendo

con el paso del tiempo.

Hoy en día, existen 2 categorías generales de sillas de ruedas, las de autopropulsión y las de

propulsión eléctrica. Para este proyecto, el enfoque principal va a ser las sillas de tracción o

propulsión eléctrica, sin embargo, este enfoque es un punto de partida o de referencia, pues

lo esperado con este proyecto es obtener un producto con especificaciones diferentes.

Como subdivisión de los vehículos de tracción eléctrica están las Scooter, las sillas,

plataformas móviles (Robotic Mobility Device), artefactos de alta tecnología que presentan

un alto costo, y que no representan una mejoría en la calidad de vida para las personas que

Page 16: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

16

pudieran adquirirlo en Colombia. Debido a que su mercado objetivo se encuentra en países

con diferentes condiciones socio-estructurales de las de nuestro país.

6.1 Trabajos previos

En la Universidad de los Andes se han realizado diferentes proyectos enfocados

en el desarrollo de sistema de apoyo para personas con discapacidad,

específicamente al mejoramiento de las sillas de ruedas. Se han realizado trabajos

como “Modelaje y diseño de un control de acompañamiento para una silla de

ruedas” (Quintero Torres A. , 2009) con el fin de mejorar la experiencia de

personas con discapacidad visual al momento de utilizar este sistema de apoyo.

También, más enfocado hacia la temática de niños con cuadros de PC, se han

realizado trabajos como “Diseño de un sistema de juego-aprendizaje para la silla

de ruedas de asistencia a niños con parálisis cerebral” (Sánchez Hernández, 2006)

en el cual se buscada crear una interfaz interactiva que permitiera el desarrollo

cognitivo de los niños mientras se encontraban en la silla de ruedas. Finalmente,

el trabajo previo que está más relacionado con el actual es “Evaluación y rediseño

de sillas de ruedas para niños con parálisis cerebral” (Calle Rúa & Rojas Rojas,

1999) trabajó que consistió en evaluar algunos criterios de seguridad de un diseño

previo realizado en la universidad y realizar las mejoras para poder cumplir los

requerimientos de seguridad de las normas NTC4265 y NTC4268, este trabajo es

enfocado a la seguridad en las sujeciones y de postura para pacientes pediátricos

con PC. Debido a esto, es el trabajo previo que más se acerca a la temática del

actual y ayuda a conocer algunos aspectos de posturas que resultan importantes

para el desarrollo del presente trabajo.

7. Diseño

Para el diseño de componentes del mecanismo se siguieron los lineamientos de la norma

mencionada anteriormente: la ISO 7671, NTC 4265 y NTC4268. Adicionalmente, se

tuvieron en cuenta las recomendaciones que da la guía de la OMS para el diseño,

construcción y distribución de sillas de ruedas “Pautas para el suministro de sillas de ruedas

manuales en entornos de menores recursos” (World Health Organization, 2008). Sin

embargo, es preciso mencionar que el fin último de este mecanismo es diferente al de una

silla de ruedas convencional y, además, se cuenta con un presupuesto limitado. Por lo tanto,

hay componentes que no están diseñados como lo sugiere la guía o que han sido

reemplazados por elementos que resulten de más fácil acceso. En la Ilustración 1 se puede

observar un esquemático de lo que es deseable para este tipo de sistemas, siendo la de apoyo

postural la más relacionada con el tipo sistema final al que se desea llegar.

Page 17: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

17

Ilustración 1. Silla de ruedas para usuario temporal, permanente, y con apoyo postural, de izquierda a

derecha respectivamente. Tomado de “Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en entornos

de menos recursos” [14].

7.1 Diseño de Mecanismo

Para que el mecanismo realice el movimiento deseado se utilizó un proceso de

diseño de sistemas dinámicos llamado síntesis gráfica. Este consiste en ubicar

eslabones o piezas móviles de un mecanismo en las diferentes posiciones por las

cuales se desea que pase, con el fin de obtener los elementos de unión y las

dimensiones para lograr la dinámica deseada. Es un proceso bastante simple, pues

permite diseñar en solo 2 dimensiones el movimiento de un objeto. Para este caso,

la síntesis gráfica solo tenía dos posiciones, la inicial que correspondía al estado

sedente y la final que era la posición bípeda o erguida. Por lo anterior, el

mecanismo contaba con dos elementos críticos, la base del asiento y el espaldar,

de esta manera, cualquier otro elemento o pieza que se necesitara para generar las

uniones, podía ser seleccionado con base en el criterio del diseñador. En este caso

puntual, se estableció a criterio del diseñador el eslabón que serviría de vínculo

entre el actuador y el espaldar del mecanismo, tomando como referencia el

mecanismo utilizado en las talanqueras de los parqueaderos, puesto que realizan

el mismo movimiento deseado en la silla. El elemento en cuestión se encuentra

en la Tabla 6. Secuencia Síntesis GráficaTabla 6, identificado con la letra A, que está

siendo señalado por la flecha.

A continuación, en la Tabla 6 se puede ver la secuencia de posiciones y el

resultado de la síntesis en la imagen de la derecha. La barra que transmite la fuerza

al espaldar es el elemento señalado con la flecha, cuyo nombre asignado es la letra

A, esta pieza se encuentra siempre a 75° con respecto a la horizontal y tiene una

longitud de 180 𝑚𝑚, es preciso indicar que estas fueron las medidas

seleccionados con base en el ejemplo de la talanquera mencionado anteriormente.

Todas las dimensiones en las cotas ilustradas en la tabla se encuentran en 𝑚𝑚.

Page 18: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

18

Síntesis Gráfica de dos posiciones

Posición Inicial - Sedente Posición Final – Bípeda Resultado

Tabla 6. Secuencia Síntesis Gráfica

De esta forma, en el recuadro de la derecha muestra el resultado que ilustra la

posición y longitud a la que se debe ubicar el eslabón que va a unir el soporte de

las piernas con el eslabón A y el espaldar de la silla, es preciso mencionar que,

para facilidad de entendimiento, el soporte de las piernas es tomado como un

anclaje fijo, también llamado tierra. Para tener una mejor noción de lo que debe

hacer el mecanismo y de las medidas obtenidas, se realizó una maqueta a escala

de 1:4. Esta maqueta también sirvió para mostrar a las personas de ACONIÑO el

funcionamiento grosso modo del mecanismo y corroborar que las posiciones son

las adecuadas para el uso terapéutico del sistema. Por lo tanto, el resultado final

de esta etapa de diseño fue obtener las medidas y las ubicaciones de los

componentes que garantizarían el movimiento deseado, como se puede ver en el

último recuadro de la Tabla 6.

A

B

Page 19: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

19

7.2 Selección de Componentes

7.2.1 Estructura

El criterio de diseño que se utilizó para la estructura fue que la deflexión máxima

en el punto B de la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. donde i

ba a estar soportado todo el peso no excediera 0,5 𝑐𝑚, para cumplir este

requerimiento era necesario utilizar un tubo de 2 in de diámetro nominal de pared

gruesa 2,7 mm de espesor. Sin embargo, las dimensiones de ese tubo eran

exageradas para una estructura tan pequeña, por lo que se decidió utilizar un tubo

de 1 in de diámetro, con espesor de pared de 2,2 𝑚𝑚. Con esta selección la

deflexión que se obtiene con una carga de 176,5 𝑁 es de 9,97 𝑚𝑚 como se puede

observar en la Ilustración 3 . Por consiguiente, para cumplir con el criterio

establecido se deciden ubicar barras cruzadas que den mayor soporte a la

estructura. Finalmente, en la Ilustración 4 se puede observar un modelo CAD de

la propuesta para el diseño de la estructura de la silla.

Ilustración 2. Simulación estática de la

estructura

Ilustración 3. Resultados simulación estática

Page 20: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

20

Ilustración 4. Modelo CAD de la estructura propuesta

7.2.2 Actuador

Para seleccionar el actuador requerido por el sistema, se realizó una simulación

dinámica en Inventor con un esquema del funcionamiento que se obtiene a partir

de la síntesis gráfica y con una carga aproximada de 30 kg, que es la máxima

carga con la que se va a trabajar. Cabe resaltar que el niño con mayor masa es

Andrés Felipe Gómez y pesa 21 kg, la masa remanente es la que se deja para el

peso que van a tener los componentes que van a ser movidos más la fracción que

se puede perder por fricción en el sistema. Por lo tanto, la carga utilizada para la

simulación es de 360 N que se ubica en la mitad de la longitud del asiento y debido

a restricciones en el software utilizado, se debe simular como si el actuador fuera

un motorreductor en la unión A y el asiento de la silla fuera la palanca de

movimiento. Este esquema se puede observar en la Ilustración 5, mientras que

los resultados obtenidos se reportan en la Figura 1. Como se puede observar, la

carga máxima se da en el instante donde el motor debe empezar el movimiento y,

por lo tanto, debe vencer la inercia, para este caso el momento par o el trabajo

realizado por el motor es de aproximadamente 62 𝑁𝑚. Debido a que los

motorreductores con esta capacidad son de tamaños muy grandes, es preciso

utilizar un sustituto apropiado como un actuador lineal, ya que al unirlo de manera

perpendicular al eslabón B (ver Tabla 6) y accionarlo, se puede cambiar el

momento par obtenido en la simulación, por una carga lineal en Newtons (𝑁), lo

que a su vez es traducible en kilogramos, permitiendo la selección de un actuador,

teniendo en cuenta el peso máximo estipulado previamente.

Page 21: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

21

Debido a que el actuador se ubicará en el eslabón B (ver Tabla 6) la carga en

este puede variar dependiendo de su posición con respecto al pivote, que en este

caso se ubica en la unión A, como se observa en la Ilustración 5. Por lo tanto,

para poder evaluar todas las posibles ubicaciones y las cargas que se generan

dependiendo de esto, resultó más eficiente realizar una serie de iteraciones en

Excel con variaciones de distancia de 𝑥 + 0,01 [𝑐𝑚] para encontrar el actuador

que se adecúe mejor al sistema en cuanto a capacidad de carga y carrera. Una vez

se obtuvieron los resultados, fue necesario identificar los proveedores de la

Universidad de los Andes que pudieran ofrecer una variedad de actuadores

lineales, razón por la cual se identificó la compañía Firgelli Automotions. Al

revisar el catálogo de la compañía, se encontraron solo 3 opciones disponibles:

35𝑙𝑏, 150 𝑙𝑏, 200𝑙𝑏. Sin embargo, debido a la poca capacidad, el de 35 𝑙𝑏 debió

ser descartado inmediatamente. Ahora bien, los restantes tenían la ventaja de que

su recorrido, esto es el movimiento de la pieza móvil, podían ser seleccionados

en una amplia gama. No obstante, el actuador de mayor capacidad (200 𝑙𝑏)

contaba con la desventaja de que su tamaño de fábrica era mayor que el de 150 𝑙𝑏.

Por lo tanto, el actuador que resultó ser más conveniente fue el de Firgelli

Automotions de referencia FA-150-S-12-9", que tiene una capacidad de carga de

hasta 150 Lb (68 kg) y una carrera de 9 in (22,86 cm). Este actuador representó

la mejor opción pues al ser posicionado a 18 𝑐𝑚 de distancia de la unión A ( ver

Ilustración 5) sobre el eslabón B brinda un factor de seguridad de 1.96, valor que

se obtiene de la razón entre la fuerza máxima que puede ejercer el actuador y la

fuerza que debe ejercer en esta distancia para vencer la inercia y mover el

mecanismo. Además, como se mencionó anteriormente, este actuador era más

compacto, lo que facilita su ubicación en la parte inferior del mecanismo.

Ilustración 5. Estructura utilizada para la

simulación dinámica

Figura 1. Resultados obtenidos de la simulación

dinámica

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80

Torq

ue

[N m

]

Tiempo [s]

Carga del motor en punto A

A

-360 N

B

Page 22: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

22

Para poder brindarle a las terapeutas la posibilidad de variar la velocidad del

movimiento, con el fin de evitar que los pacientes vayan a sufrir de vértigo o

miedo al movimiento se selecciona junto con el motor un controlador de señal y

pulso (PWM por sus siglas en inglés) de 12 V para motores de corriente directa,

el cual permite variar el voltaje de entrada al motor por medio de un

potenciómetro y, adicionalmente, permite invertir la polaridad del motor sin tener

que realizar desconexiones, facilitando al usuario controlar el movimiento del

motor hacia cualquier lado. En la Ilustración 6 y en la Ilustración 7 se pueden

observar los componentes que fueron utilizados para el sistema de movimiento

del prototipo. Es pertinente mencionar que la batería seleccionada es una

convencional de 12V y 9Ah, lo que le brinda al sistema una autonomía de

aproximadamente 15 horas de estar funcionando intermitentemente, es decir,

realizando un ciclo de posición sedente-bípeda-sedente y apagando el sistema. Ya

que, el máximo tiempo de uso del motor, subiendo y bajando de forma seguida,

es de 15 a 20 minutos dependiendo de la carga.

Ilustración 6. Motor Seleccionado de referencia

FA-150-S-12-9"

Ilustración 7. Controlador PWM

7.2.3 Otros

Para la manufactura de los otros componentes, por facilidad de

manufactura se trabajó en aluminio y madera de arce, pues así se garantiza

un bajo peso y la posibilidad de hacer uniones fijas de manera apropiada.

El único inconveniente que se presenta al utilizar estos materiales es que

las soldaduras deben ser realizadas por personas con una debida

capacitación, debido a su complejidad. Pensando en la comodidad del

usuario, se selecciona una silla ya fabricada en poliestireno de alta

densidad, cuyo uso es para el transporte seguro en automóviles, pero

puede ser adaptada para la finalidad de este proyecto. De igual forma, se

utilizan rodachines comerciales con freno de 4 𝑖𝑛 que se utilizan para dar

la dirección y ruedas de 16 in de bicicleta que se encontraban en la

universidad. Esto con el fin de utilizar la mayor cantidad de componentes

comerciales para facilitar su reproducción. En la Ilustración 8 se puede

Page 23: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

23

observar la silla que se va a adaptar al sistema y, en la Ilustración 9 están

unos rodachines similares a los utilizados en el prototipo.

Ilustración 8. Silla para automóviles de niños

utilizada

Ilustración 9. Rodachines industriales con freno

8. Prototipo

El prototipo al que se llega finalmente después del proceso de manufactura se presenta a

continuación en la Ilustración 10, todos los elementos de seguridad que deben ser utilizados

al momento de probar con pacientes son ubicados dependiendo del tipo de discapacidad de

cada uno, es por eso por lo que no es posible observarlos en la ilustración. Es preciso

mencionar que en la ilustración el prototipo se encuentra en la posición sedente.

Adicionalmente, el prototipo cuenta con una base para pies que es graduable, lo que permite

que se pueda usar en pacientes de diferentes estaturas, esta base tiene una carrera de 18 cm.

Debido a lo anteriormente comentado, la silla es apta para el uso de diferentes pacientes pues

todos los ajustes son graduables. Las dimensiones generales del prototipo son,

𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜: 40 𝑐𝑚 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜: 62 𝑐𝑚 𝑎𝑙𝑡𝑜: 98 𝑐𝑚. Finalmente, la silla obtiene la clasificación 1-

1-0-2-1, según la norma NTC4268 y la explicación de esta clasificación es posible

encontrarla en el Anexos.

Page 24: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

24

Ilustración 10. Prototipo de Bipedestador Eléctrico

9. Pruebas

Debido al propósito con cual se construyó el prototipo, fue necesario realizar pruebas de

funcionamiento primero con una persona que fuera capaz de indicar cualquier tipo de

anomalía en los ajustes o en los apoyos y, a su vez, que también estuviera en capacidad de

reaccionar ante cualquier situación imprevista. Para esto se le pidió la ayuda a Jose Manuel

Herrera Pedraza, que se encuentra en los rangos estipulados de diseño, tiene 10 años, su

estatura es 1,30 𝑚 y pesa 28 𝑘𝑔. Con esta persona se realizaron tres pruebas diferentes, entre

las cuales dos eran estáticas y una era dinámica.

La primera prueba estática consistió en ubicar al sujeto en la silla en la posición sedente

durante 40 minutos para poder evaluar aspectos como la comodidad y verificar la existencia

de puntos de presión en la silla y en el espaldar. Para esta prueba no se utilizaron ningún tipo

Page 25: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

25

de ajustes de seguridad, pues se quería enfocar el análisis hacia el sistema. La segunda prueba

estática consistió en ubicar al sujeto sobre el apoya pies para verificar la resistencia de los

elementos que iban a soportar toda la carga, para esta prueba se lleva la silla a la posición

bípeda sin carga. El ejemplo de ambas pruebas se puede observar en la Ilustración 11 e

Ilustración 12 para sedente y bípeda, respectivamente.

Ilustración 11. Prueba estática en posición

sedente

Ilustración 12. Prueba estática en posición

bípeda

Seguido a esto, se realizó la prueba dinámica para verificar el funcionamiento del prototipo

con la carga del sujeto. Para esta prueba sí se utilizó un ajuste de seguridad a nivel torácico,

sin embargo, cabe resaltar que el comportamiento del prototipo es totalmente diferente

cuando se prueba en un sujeto que cuenta con un control total de sus miembros inferiores.

No obstante, estas pruebas se realizaron con el fin de hacer correcciones menores al prototipo

con el fin de asegurar que los pacientes de la fundación iban a estar seguros durante el

funcionamiento.

Luego de verificar que el prototipo es capaz de cambiar de posición con una persona, se

procede a realizar su validación en ACONIÑO. Por sugerencia de la terapeuta física Mayra

Plazas, se citó a los niños Andrés Felipe Gómez de 9 años, 21 𝑘𝑔 y 1,15 𝑚 de estatura, que

sufre de parálisis atáxica y a Michelle Ramos de 10 años, 18 𝑘𝑔 y 1,18 𝑚 de estatura que

tiene mielitis transversa. La selección de estos niños se hace debido a que son los más grandes

Page 26: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

26

y, en el caso de Andrés existe un leve nivel de control resistencia en las piernas, mientras

que, en el caso de Michelle no hay control de sus miembros inferiores pero sus capacidades

cognitivas son normales, por lo que ella puede dar una mejor retroalimentación del

mecanismo.

También, es debido a estas diferencias por lo que se puede observar en la Ilustración 13 que

el paciente Andrés cuenta con menos sujeciones de seguridad que Michelle en la Ilustración

14, pues esta última requiere de sujeciones de rodillas para evitar un movimiento inesperado

de sus piernas.

Ilustración 13. Paciente Andrés Felipe en prueba

dinámica

Ilustración 14. Paciente Michelle en prueba

dinámica

10. Análisis

10.1 Análisis funcional y análisis terapéutico.

Luego de realizar las pruebas con los tres niños hay unos puntos en común que se

pueden observar. Para comenzar, al momento que se monta el primer sujeto, Jose

Manuel, comenta que la silla se siente inestable cuando se realizan movimientos hacia

los lados, pero que en general la silla es bastante confortable. Esto se corrobora al

Page 27: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

27

pasar los 40 minutos de estar sentado y no presenta signos de cansancio por algún

punto de presión ni hay signos de calambres en sus miembros que están apoyados.

Sin embargo, se evidencia una leve deflexión en los ejes de las llantas delanteras, los

cuales están hechos de aluminio. Al momento de activar el mecanismo, no se

escuchan ruidos de elementos que estén en contacto con otros o trabados, el

movimiento se logra llevar de manera adecuada con el controlador y es posible

graduar la velocidad como se desea. En el momento que se lleva a la posición bípeda

y todo el peso descansa sobre el apoya pies, fue posible observar como el riel del

apoya pies se flecta hacía adentro, por lo que para utilizar el mecanismo es necesario

ubicar un bloque por debajo para brindar un apoyo extra como el que se muestra en

la Ilustración 15 . Adicional a esto, el centro de masa del sistema con el niño se

corre hacia adelante, por lo que si no se mantiene la silla tiende a voltearse hacia

adelante, pero con el soporte en la parte inferior del apoya pies es posible corregir

este problema, lo que brinda seguridad al momento de realizar las pruebas.

Ilustración 15. Apoyo en soporte de pies

Al realizar las pruebas en la fundación, se ubicó un bloque de madera en la parte

inferior del apoya pies para poder utilizar el mecanismo de manera segura. Para el

primer paciente, Andrés Felipe, se utiliza el cinturón torácico, y las tobilleras

ortopédicas para ajustar las canillas. Al momento de sentarse, las terapeutas notan

que la silla no se encuentra en una posición totalmente horizontal, esto genera un

riesgo de deslizamiento en los pacientes y, además, hace que la posición de la espalda

no sea la más adecuada. Al ubicar los elementos de seguridad con un buen ajuste se

Page 28: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

28

disminuye el riesgo. Al momento de accionar el mecanismo el paciente se asusta, lo

que indica que la velocidad del actuador estaba muy alta, por lo que se recomienda

activar el mecanismo siempre en la velocidad más baja posible, para que el cambio

en la posición se dé de manera lenta y el paciente tenga la posibilidad de adaptarse.

Cuando el mecanismo llega a la posición bípeda es posible notar que el ajuste torácico

no es el más adecuado para este paciente, pues debido a su condición atáxica, el

paciente tiende a encorvarse hacia a adelante, generando que la columna se encuentra

en una mala posición. Para este caso, lo recomendado por las terapeutas es que el

ajuste sea un pechero en mariposa, como el que se observa en la Ilustración 16, que

va a generar que el paciente esté siempre pegado al espaldar con un apoyo alto,

generando una corrección en su postura lumbar.

Ilustración 16. Pechero estilo mariposa

La segunda paciente, Michelle, que presenta mielitis transversa presenta una mejor

respuesta ante el ajuste torácico, pues ella tiene control del tronco, sin embargo, como

el control de sus miembros inferiores es nulo, para ella deben haber otro tipo de

ajustes a nivel de la rodilla como se puede observar en la Ilustración 14, que no se

habían tenido en cuenta para el diseño del primer prototipo. Estos ajustes y los de las

canillas, permiten que las piernas puedan ponerse en una posición totalmente vertical.

Al igual que Jose Manuel, Michelle indica que la silla no tiene puntos de presión en

la espalda que le tallen y, además, que los ajustes torácicos son suaves y no la lastiman

durante la transición de posiciones, ni cuando se encuentra en la posición bípeda.

Existen otros factores que impiden que este prototipo pueda ser utilizado como una

ayuda para la terapia de los niños, la terapeuta Mayra Plazas indica que debido al

desalineamiento que hay entre la silla y los soportes de las pantorrillas no existe el

apoyo suficiente para las piernas durante el movimiento del mecanismo, entonces las

piernas de los pacientes pueden sufrir movimientos no controlados que pueden

generar lesiones, por lo cual durante las pruebas se utilizaron almohadillas para

agregar soporte, esto se puede observar en la Ilustración 14 y se señalan dentro del

círculo de color rojo. Para mayor claridad, en la Ilustración 17 se realiza un

acercamiento para que se observe la labor que cumplen las almohadillas debido al

desfase que existe entre los soportes de las piernas y la silla. Adicionalmente, la

Page 29: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

29

terapeuta indica que la posición final sobrepasa la línea vertical, por lo que se genera

una mala postura en la columna en el momento que el mecanismo se encuentra en la

posición bípeda. Esto se puede ver señalado por la línea amarilla en la Ilustración 18

donde la posición de las piernas, cadera y torso no están alineadas. En este caso, la

terapeuta hace la aclaración de que es mejor que la posición no sea totalmente recta,

sino que puede estar un poco inclinada hacia atrás, para que la cabeza pueda descansar

un poco. Adicionalmente, para dar una mejor posición es necesario implementar un

separador de piernas en el asiento, pues se debe evitar que los muslos se junten.

Ilustración 17. Almohadillas utilizadas para asegurar las piernas de los niños

Page 30: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

30

Ilustración 18. Desajuste lineal en el cuerpo del paciente

Para ambos casos es muy bueno que los ajustes a la silla sean ajustables en diferentes

posiciones y que no estén fijos, pues esto permite que se puedan adaptar más

fácilmente a las diferentes necesidades y tamaños de los pacientes, sin embargo, como

se mencionó anteriormente, es pertinente utilizar otros sistemas de seguridad que

ajusten de mejor forma las partes del cuerpo de los pacientes a la silla. También, es

muy bueno que el sistema permita graduar la velocidad de movimiento y la capacidad

de parar en cualquier posición intermedia, pues les permite a las terapeutas trabajar

Page 31: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

31

diferentes partes del cuerpo o realizar diferentes actividades sin asustar a los

pacientes.

10.2 Estructural

A nivel estructural, tiene un chasis robusto, que no presenta grandes deflexiones en

el momento que se somete a la carga y que cuando está en movimiento no presenta

vibraciones. De igual forma, presenta las medidas adecuadas para el tipo de usuarios

para el cual fue diseñado. Sin embargo, como se comentó anteriormente, cuando el

paciente se encuentra en la posición bípeda, el riel que sostiene el apoya pies supera

el límite de fluencia debido al peso del paciente y se deforma, a pesar de que tiene un

alma interior de material macizo. De igual forma, cuando todo el peso estaba

recargado sobre el apoya pies, los ejes de las ruedas delanteras presentaban una

deflexión, haciendo que las ruedas se inclinaran y rozaran con el chasis.

Al finalizar todas las pruebas y revisar la silla, es notorio como las bisagras empiezan

a dañar la silla de polietileno, pues se encontraban en posición vertical, cuando

deberían estar totalmente alineadas con la posición en la que se encuentra la silla,

como se observa en la Ilustración 19. Por lo que se debe encontrar una manera de

realizar un mejor ajuste entre estos dos componentes o cambiar alguno de estos para

poder tener un sistema más confiable.

Ilustración 19. Bisagras desalineadas con respecto a la silla

El sistema de freno en los rodachines es suficiente para mantener la silla en una

posición estacionaria durante el mecanismo, sin embargo, es pertinente realizar una

evaluación de su utilidad en superficies con algún grado de pendiente o que el terreno

sea rugoso, pues no todas las superficies donde se va a utilizar la silla presentan el

mismo coeficiente de fricción que el piso de la fundación.

En la Ilustración 20 se puede observar el prototipo y con flechas amarillas se señalan

los componentes y ajustes que presentan oportunidades de mejora para poder entregar

un mecanismo totalmente funcional y seguro para el uso en la fundación.

Page 32: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

32

Ilustración 20. Ubicación de los componentes que se deben tener en cuenta

11. Conclusiones

Se realiza con éxito un sistema de apoyo que permite llevar una persona de una posición

sedente a una bípeda y que a su vez le brinda la opción de movilizarse de forma segura por

la ciudad. Es posible cambiar la posición del usuario de manera segura, pero no se logra

conservar la ergonomía adecuada, presenta algunas limitaciones para ser utilizado como una

herramienta terapéutica.

Los materiales seleccionados para la construcción del prototipo permiten su fácil

reproducción, pues son comercialmente asequibles, de buenas prestaciones y no requieren de

procesos de manufactura especializados. El prototipo permite un fácil desmonte de piezas

para realizar las respectivas mejoras o para el mantenimiento.

El aluminio es un material liviano y permite que el prototipo en general tenga un bajo peso,

no obstante, hay algunos componentes que es mejor realizar en otros materiales más

resistentes para garantizar una buena estabilidad y un buen desempeño al momento de

accionar el mecanismo.

La versatilidad en los ajustes y el práctico sistema de control y el tamaño permiten que este

prototipo sea un potencial diseño de un sistema de movilidad y de apoyo terapéutico, sin

embargo, es pertinente realizar las respectivas mejoras para poder seguir realizando pruebas

con pacientes más pequeños y también con los que presentan patologías más delicadas.

Page 33: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

33

12. Recomendaciones

Para poder utilizar el sistema de manera más adecuada, es pertinente realizar las adecuaciones

que permitan corregir la deflexión del riel. También, adecuar un sistema que permita

mantener la silla estable cuando se cambia el centro de masa al pasar de la posición sedente

a la bípeda.

Es importante siempre tener en cuenta que los ajustes torácicos deben ir ajustados al espaldar

de la silla únicamente, ya que esta es la pieza móvil, pues al momento de accionar el

mecanismo, el espaldar guía el movimiento, mientras que la estructura queda quieta, por lo

tanto, si se hace algún ajuste a la estructura fija, al accionar el mecanismo aumentan las

probabilidades de lesiones físicas como pellizcos o riesgo de ahorcamiento y asfixia.

Con relación a lo anterior, es imprescindible que al momento de realizar pruebas sobre

pacientes siempre se cuente con la asistencia de un estudiante, de los padres del paciente y

de la terapeuta encargada, esto con el fin de tener la capacidad de reaccionar ante cualquier

imprevisto, darle un buen manejo a la silla y poder monitorear el comportamiento del

paciente.

Evaluar con las terapeutas la posibilidad de implementar el sistema de control en la parte

superior, al alcance de los niños, para que ellos puedan activar el mecanismo de manera

autónoma cuando deseen cambiar de posición.

Algunas consideraciones de diseño para tener en cuenta dadas por los padres es que el sistema

debe tener protección para la lluvia, pues muchas veces cuando llueve deben llevar sombrilla

y, al mismo tiempo, empujar este tipo de vehículos. También, un espacio para adaptar

accesorios como mesas para comer o hacer actividades, debido a que como los niños van a

estar sujetos a la silla por seguridad, resulta más práctico que en la silla puedan realizar sus

actividades rutinarias.

Verificar la estabilidad estática y dinámica de la silla según la norma ISO7176, para poder

evaluar de una forma más pertinente su alcance para el uso en una ciudad como Bogotá.

13. Bibliografía y Referencias

[1] Aconiño. (02 de Marzo de 2018). Asociación ACONIÑO. Obtenido de Fundación Aconiño:

www.aconino.org

[2] Arroyo Riaño, M. O., Espinosa Jorge, J., Maroto, P. M., Ruiz Molina, D., & Moreno Palacios, J. A.

(2010). Guía Esencial de Rehabilitación Infantil. Madrid, España: Panamericana.

Recuperado el 3 de Marzo de 2018

[3] Bogotá, una ciudad difícil para los discapacitados. (3 de Junio de 2008). El Espectador, págs.

https://www.elespectador.com/noticias/bogota/articulo-bogota-una-ciudad-dificil-los-

discapacitados.

Page 34: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

34

[4] Calle Rúa, J. C., & Rojas Rojas, G. A. (1999). Evaluación y rediseño de sillas de ruedas para niños

con parálisis cerebral. Bogotá: Universidad de los Andes.

[5] Clinica Universidad de Navarra. (25 de 10 de 2019). Diccionario médico. Obtenido de

Hipsarritmia: https://www.cun.es/diccionario-medico/terminos/hipsarritmia

[6] Glosarios Alicante. (27 de 10 de 2019). Glorario Médico. Obtenido de Hetetrocigosis :

https://glosarios.servidor-alicante.com/genetica/heterocigosis

[7] Quintero Torres. A. (2009). Modelaje y diseño de un control de acompañamiento para una silla

de ruedas. Bogotá: Universidad de los Andes.

[8] Medlineplus. (06 de 11 de 2019). Medlineplus. Información de salud. Obtenido de Hipotonía :

https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003298.htm

[9] Medlineplus. (06 de 11 de 2019). Medlineplus. Información para salud. Obtenido de

Espasticidad: https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/003297.htm

[10] Merriam-Webster. (01 de Marzo de 2018). Merriam-Webster dictionary. Obtenido de

Merriam-Webster: www.merriam-webster.com/dictionary/well-being

[11] MSD. (27 de 10 de 2019). Manual MSD. Versión para profesionales. Obtenido de Síndromes

de deleción cromosómica: https://www.msdmanuals.com/es-

co/professional/pediatr%C3%ADa/anomal%C3%ADas-cromos%C3%B3micas-y-

g%C3%A9nicas/s%C3%ADndromes-de-deleci%C3%B3n-cromos%C3%B3mica

[12] MSD Manual. (31 de Enero de 2018). Merck Sharp & Dohme Corp. Recuperado el 25 de Abril

de 2018, de Síndrome de Sturge-Weber: https://www.msdmanuals.com/es/hogar/salud-

infantil/trastornos-neurol%C3%B3gicos-en-ni%C3%B1os/s%C3%ADndrome-de-sturge-

weber

[13] National Institute of Neurological Disorders and Stroke. (22 de Mayo de 2017). NHI.

Recuperado el 04 de Marzo de 2018, de Infantile Spasms:

https://www.ninds.nih.gov/Disorders/All-Disorders/Infantile-Spasms-Information-Page

[14] National Institute of Neurological Disorders and Stroke. (02 de Junio de 2017). NIH.

Recuperado el 03 de Marzo de 2018, de Transverse Myelitis Information Page:

https://www.ninds.nih.gov/Disorders/All-Disorders/Transverse-Myelitis-Information-Page

[15] Norma Técnica Colombiana. (1997). Sillas de Ruedas. Clasificación por tipo con base en

caracteristicas de aspecto. Bogotá: ICONTEC.

[16] PDM . (01 de 11 de 2019). ¿Qué es la bipedestación? Obtenido de PDM. Mobility Store:

https://pdmmobilitystore.com/pages/bipedestacion

[17] Quintero Torres, M. (2006). Diseño de un sistema de juego-aprendizaje para la silla de ruedas

de asistencia a niños con parálisis cerebral. Bogotá: Universidad de los Andes .

[18] Revista Chilena de Pediatría. (04 de Diciembre de 2015). ScienceDirect. Recuperado el 04 de

Marzo de 2018, de Revista Chilena de Pediatría:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370410616000024

Page 35: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

35

[19] Wheelchair Beyond Limits. (3 de Abril de 2013). Wheelchair Beyond Limits. Obtenido de

Historia de la Silla de ruedas:

https://wheelchairbeyondlimits.wordpress.com/2013/04/03/historia-de-las-sillas-de-

ruedas/

[20] World Health Organization. (2008). Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en

entornos de menores recursos. Ginebra: ISPO.

[21] World Health Organization. (2008). Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en

entornos de menos recursos. Ginebra : World Health Organization.

[22] World Health Organization. (06 de Julio de 2013). World Health Organization. Obtenido de

Disability and Rehabilitation: www.who.int/disabilities/media/news/2013/07_06/en/

[23] World Health Organization. (12 de Enero de 2018). World Health Organization . Obtenido de

Disability and Health: www.who.int/mediacentre/factsheets/fs352/en/

[24] World Health Organization. (01 de Marzo de 2018*). World Health Organization. Obtenido de

Measuring Quality of Life: www.who.int/healthinfo/survey/whoqol-qualityoflife/en/

[25] Sánchez Hernández, F. (2006). Diseño de un sistema de juego-aprendizaje para la silla de

ruedas de asistencia a niños con parálisis cerebral. Bogotá: Universidad de los Andes.

14. Anexos Según la norma NTC 4268, “Clasificación por tipo con base en características de

aspecto” este tipo de sillas tienen una clasificación por dígitos dependiendo de las

características con las que cuenta la silla (Norma Técnica Colombiana, 1997). El primer dígito corresponde a los medios de propulsión y conducción, este prototipo

corresponde al tipo 1, que hace referencia al control y propulsión por medio de un

acompañante, de tipo no energizado.

El segundo dígito corresponde al área de uso con base en el ancho total y los diámetros

de las ruedas. En la Tabla 7 se puede observar la matriz de combinaciones para

obtener el dígito, debido a que el ancho total de la silla es menor a 550 𝑚𝑚 y, a pesar

que existen dos ruedas grandes mayores a 260 𝑚𝑚, los rodachines traseros son

menores a 180 𝑚𝑚, por lo que la clasificación de este dígito corresponde al tipo 1.

Page 36: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

36

Tabla 7. Combinación del diámetro de la rueda y ancho total de la silla. Tomado de NTC4268

El tercer dígito corresponde al ajuste del asiento y los respaldos, en la Tabla 8 se

puede observar la clasificación para el dígito. Sin embargo, para este caso el número

es 0, pues la silla debe mantener un ángulo fijo entre el asiento y el espaldar, siendo

ajustable el sistema de soporte del cuerpo. (Norma Técnica Colombiana, 1997)

Tabla 8. Combinación de ajustes de asiento y respaldos. Tomado de NTC4268

El cuarto dígito corresponde a los ajustes de los descansa brazos y del apoya pies.

Según la Tabla 9, y asumiendo que la silla tiene unos pequeños descansabrazos fijos

y el soporte del apoya pies es manualmente ajustable, indica que el dígito es el 2.

Tabla 9. Combinación ajustes de descansabrazos y apoya pie. Tomado de NTC4268

Finalmente, el último dígito corresponde a la plegabilidad de la silla, lo que es

referente a la capacidad de la silla a disminuir sus dimensiones generales. Por lo tanto,

es del tipo 1, pues la estructura de la silla es totalmente rígida.

Page 37: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

37

Planos de barras de soporte diagonal

Page 38: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

38

Plano para conector para actuador

Page 39: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

39

Plano sujetador de manubrio

Page 40: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

40

Plano estructura

Page 41: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

41

Plano soldadura

Page 42: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

42

Plano estructura soldada

Page 43: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

43

Plano eje de ruedas

Page 44: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

44

Plano riel de soporte para pies

Page 45: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

45

Plano de refuerzo para evitar flexión

Page 46: Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para

46