escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

“Prototipo de apoyo en el ascenso y descenso de escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS

Trabajo Terminal


Que para obtener título de “Ingeniero en Mecatrónica”

Presenta:

López Hernández Pedro Martín del Campo Rodríguez Juan Manuel

Asesores:

Dr. Castañeda Galván Adrián Antonio Dr. León Ponce Moisés

Ing. Brito Martínez Emilio Nicéforo

Enero 2014


Presidente del Jurado

M. en C. Juan Antonio Jaramillo Gómez

Asesores:

Dr. Castañeda Galván Adrián Antonio Dr. León Ponce Moisés

Ing. Brito Martínez Emilio Nicéforo

Presenta:

López Hernández Pedro Martín del Campo Rodríguez Juan Manuel

Profesor Titular

Dr. Juan Luis Mata Machuca

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS

Trabajo Terminal


Que para obtener título de “Ingeniero en Mecatrónica”


I

AGRADECIMIENTOS López Hernández, Pedro

Agradezco y reconozco al Pueblo de México, como una noble nación la cual permite que jóvenes como yo, cosechemos frutos, espero continúe otorgando estos apoyos para las generaciones futuras, ya que gracias a ella podremos aplicar conocimientos siempre para el desarrollo de la nación.

Por otra parte agradezco al Instituto Politécnico Nacional, a la Institución que me abrió las puertas, a mi Alma Matter, que me enseñó, orientó durante 5 años por el bello universo de las ciencias exactas, inculcándome siempre la parte humana de actuar con ética, sin olvidar que mis conocimientos siempre serán para el beneficio de la patria, “La técnica al servicio de la patria”.

También quiero agradecer a la Unidad Profesional Interdisciplinaria en ingeniería y tecnologías avanzadas (UPIITA) ya que sin ella esta meta no habría sido posible, reconozco a esta institución porque fue la que me vio crecer, me cobijó durante esta etapa de formación, siempre me enseñó que a pesar de las dificultades, debemos mantenernos firmes, siempre hay un objetivo que alcanzar, mi estancia en UPIITA tal vez sea un pequeño paso para ella pero para mí fue un gran paso, mismo que dará como resultado uno nuevo, en verdad gracias.

Y por último y no menos importante quiero agradecer a las personas más importantes, las que me apoyaron, a los profesores que siempre tuvieron la paciencia para compartir sus conocimientos, agradezco infinitamente a mis padres, que siempre estuvieron para apoyarme, por heredarme el mejor patrimonio que los padres le pueden dar a sus hijos una oportunidad de estudiar, a mis abuelos sus consejos, sus ánimos, que a pesar de las dificultades que tuvieron para lograrlo nunca dejaron de apoyarme y encaminarme, a mis hermanos por brindarme su apoyo de igual manera también quiero agradecer a mis amigos. Martín del Campo Rodríguez, Juan Manuel En primer y más importante lugar, quiero agradecer a mis padres por la oportunidad que me dieron de concluir mis estudios, ya que sin el apoyo de ellos hubiera sido imposible siquiera imaginar que podía titularme como Ingeniero Mecatrónico en el IPN. Fueron muchos obstáculos los que a lo largo de estos 5 años se presentaron en el camino, sin embargo el respaldo y la confianza de ellos me permitieron librar cada uno de ellos hasta cumplir con esta meta, gracias por todo el apoyo y el ánimo siempre para realizar mis objetivos


II

Agradezco también al IPN, a UPIITA por brindarme el lugar perfecto donde adquirir los conocimientos necesarios para desempeñarme exitosamente en la vida y seguir alcanzando día a día nuevos horizontes y a su vez cumpliendo nuevas metas, con la firme convicción de fijar después una meta más alta y más importante, tanto en el ámbito profesional como en el ámbito personal y humano.

Y a los profesores con los cuales tuve la suerte de encontrarme a lo largo de estos semestres de estudio, agradezco porque cada uno de ellos fue parte importante de mi formación y del grandísimo conocimiento conseguido aquí.


III

ÍNDICE

RESUMEN .................................................................................................................................................................. 1

OBJETIVOS GENERALES ....................................................................................................................................... 2 OBJETIVOS PARTICULARES .................................................................................................................................................... 2

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................................... 3

JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................................................................ 4

ESTADO DEL ARTE ................................................................................................................................................ 5 DISPOSITIVOS COMERCIALES ................................................................................................................................................. 5 TRABAJOS TERMINALES EN LA UPIITA ................................................................................................................................. 7

MARCO TEÓRICO .................................................................................................................................................... 8 TIPOS DE SILLAS DE RUEDAS ................................................................................................................................................. 8 TRANSMISIÓN MECÁNICA .................................................................................................................................................... 13 ACUMULADORES DE ENERGÍA ............................................................................................................................................. 30 PLATAFORMA DE CÓMPUTO ................................................................................................................................................ 37

DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO PROPUESTO ................................................................................................. 39 FUNCIONAMIENTO PARTE MECÁNICA ................................................................................................................................ 40 DESARROLLO Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN ...................................................................................................... 44 MECÁNICA .............................................................................................................................................................................. 44

Análisis dinámico de Desplazamiento [30] ....................................................................................................... 44 Análisis dinámico de Ascenso [31] .......................................................................................................................... 45 Análisis dinámico de Descenso. ............................................................................................................................... 46 Análisis de momento del prototipo sobre los escalones:........................................................................... 47 Análisis dinámico del mecanismo de descenso. ........................................................................................... 49 Mecanismo de soporte de la silla ............................................................................................................................. 52 Posibles soluciones para la adquisición de material .................................................................................... 53 Orugas de goma ................................................................................................................................................................. 54

ELECTRÓNICA ........................................................................................................................................................................ 56 Motores propuestos .......................................................................................................................................................... 56

MODIFICACIONES. ................................................................................................................................................................. 60 SELECCIÓN DE ACTUADORES QUE CUMPLEN CON LOS REQUERIMIENTOS. .................................................................. 68

Elección de plataforma ................................................................................................................................................... 74 Sistema de alimentación ................................................................................................................................................ 78 Cargador de batería.......................................................................................................................................................... 81 Sensores .................................................................................................................................................................................. 82

CONCLUSIONES .................................................................................................................................................... 89

CRONOGRAMA ..................................................................................................................................................... 92

REFERENCIAS ....................................................................................................................................................... 93

ANEXO ..................................................................................................................................................................... 97


IV

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Suma de porcentajes mayor a 100% por la población con más de una dificultad [1]. .................. 3 Figura 2. Stairmax [4]. ..................................................................................................................................................................... 5 Figura 3 Stairtrac [5]. ....................................................................................................................................................................... 5 Figura 4 Vimec [6]. ............................................................................................................................................................................. 5 Figura 5 Plataforma asistente [7]. .............................................................................................................................................. 6 Figura 6 Acorn 80 [8]. ....................................................................................................................................................................... 6 Figura 7 Salvaescaleras portátil Scalacombi [9]. ................................................................................................................ 6 Figura 8 Prototipo vista lateral descenso. ............................................................................................................................. 7 Figura 9 Prototipo vista frontal. .................................................................................................................................................. 7 Figura 10 Prototipo vista lateral................................................................................................................................................. 7 Figura 11 Prototipo vista trasera. .............................................................................................................................................. 7 Figura 12 Sillas manuales Standard. ......................................................................................................................................... 8 Figura 13 Sillas manuales ligeras. .............................................................................................................................................. 8 Figura 14 Sillas manuales ulraligeras (1). .............................................................................................................................. 9 Figura 15 Sillas manuales ultraligeras (2). ............................................................................................................................ 9 Figura 16 Sillas manuales pasivas. .......................................................................................................................................... 10 Figura 17 Sillas deportivas. ......................................................................................................................................................... 10 Figura 18 Disposición geométrica del cuerpo humano [11]. ...................................................................................... 11 Figura 19 Medidas del producto [12]. .................................................................................................................................... 11 Figura 20 Transmisión por cadena. ........................................................................................................................................ 14 Figura 21 Transmisión por correa. ......................................................................................................................................... 14 Figura 22 Transmisión por bandas dentadas. ................................................................................................................... 14 Figura 23 Transmisión por bandas poly V. .......................................................................................................................... 15 Figura 24 Transmisión por engranes. .................................................................................................................................... 16 Figura 25 Tren de engranajes.................................................................................................................................................... 16 Figura 26 Tipos de sección de ejes de transmisión........................................................................................................... 17 Figura 27 Dimensiones de Chavetas, cunas y chaveteros según DIN en mm, par torsor admisible [18]. .................................................................................................................................................................................................................. 21 Figura 28 Corona sin fin. .............................................................................................................................................................. 22 Figura 29 Reductor fijo. ................................................................................................................................................................ 22 Figura 30 Reductor pendular. .................................................................................................................................................... 22 Figura 31 Motor Brushless. ......................................................................................................................................................... 29 Figura 32 Configuración en serie. ............................................................................................................................................ 36 Figura 33 Configuración en paralelo y serie [27]. ............................................................................................................ 36 Figura 34 Funcionamiento general......................................................................................................................................... 39 Figura 35 Diagrama a bloques del funcionamiento general del prototipo. ......................................................... 39 Figura 36 Segunda etapa. ............................................................................................................................................................ 40 Figura 37 Primera etapa. ............................................................................................................................................................. 40 Figura 38 Motorreductor. ............................................................................................................................................................ 40 Figura 39 Funcionamiento del mecanismo. ........................................................................................................................ 41 Figura 40 Primera etapa. ............................................................................................................................................................. 41 Figura 41 segunda etapa. ............................................................................................................................................................ 41 Figura 42 Primera configuración. ........................................................................................................................................... 42 Figura 43 Segunda configuración. ........................................................................................................................................... 42 Figura 44 Acoplamiento silla-mecanismo ............................................................................................................................ 42 Figura 45 Estructura ensamblada. .......................................................................................................................................... 43 Figura 46 Figura diagrama de cuerpo libre. ...................................................................................................................... 44


V

Figura 47 Análisis dinámico. ...................................................................................................................................................... 45 Figura 48 Análisis de poleas. ...................................................................................................................................................... 45 Figura 49 Diagrama de cuerpo libre ascenso. .................................................................................................................... 45 Figura 50 Diagrama de cuerpo libre descenso. ................................................................................................................. 46 Figura 51 Análisis de equilibrio. ............................................................................................................................................... 47 Figura 52 Grafica de diferentes posiciones del centro de masa. ................................................................................ 48 Figura 53 Resultado seleccionado para la ubicación del centro de masa. ........................................................... 48 Figura 54 diagrama de cuerpo libre, mecanismo de elevación. ................................................................................ 49 Figura 55 Diagrama de cuerpo libre, mecanismo descenso. ....................................................................................... 49 Figura 56 Diseño y análisis en Geogebra (I). ...................................................................................................................... 52 Figura 57 Diseño y análisis en Geogebra (II). ..................................................................................................................... 52 Figura 58 Orugas de goma Stair Climber 2. ........................................................................................................................ 54 Figura 59 Orugas de goma Stair Climber 1. ........................................................................................................................ 54 Figura 60 Orugas de goma Stair Climber 2. ........................................................................................................................ 55 Figura 61 Motor 1 opción 1. ....................................................................................................................................................... 56 Figura 62 Motor 2 opción 2. ....................................................................................................................................................... 56 Figura 63 Motor 1 opción 2. ....................................................................................................................................................... 57 Figura 64 Motor 1 opción 3[34]. ............................................................................................................................................... 57 Figura 65 Especificaciones del motor. ................................................................................................................................... 57 Figura 66 Motor 1 opción 4[35]. ............................................................................................................................................... 58 Figura 67 Riel parte 1. ................................................................................................................................................................... 60 Figura 68 Riel parte 2. ................................................................................................................................................................... 60 Figura 69 Placa de unión. ............................................................................................................................................................ 60 Figura 70 Resultados del desplazamiento. .......................................................................................................................... 61 Figura 71 Resultados de deformaciones. .............................................................................................................................. 61 Figura 72 Riel ensamblado. ........................................................................................................................................................ 62 Figura 73 Primera etapa ensamblada. .................................................................................................................................. 62 Figura 74 Pieza “base eslabones”. ............................................................................................................................................ 63 Figura 75 Análisis de desplazamientos de pieza modificada. ..................................................................................... 64 Figura 76 Análisis de deformaciones en pieza modificada. ......................................................................................... 64 Figura 77 Vista lateral de la oruga de goma (banda)................................................................................................... 66 Figura 78 Polea y eje delantero. ............................................................................................................................................... 67 Figura 79 Polea y eje trasero. .................................................................................................................................................... 67 Figura 80 Curva característica motor limpiaparabrisas. ............................................................................................. 69 Figura 81 Actuador lineal Duff-Norton serie L. ................................................................................................................. 71 Figura 82 Actuador genérico [38]. .......................................................................................................................................... 71 Figura 83 Motorreductor (Anexo) [39]. ................................................................................................................................ 73 Figura 84 Actuador seleccionado. ............................................................................................................................................ 73 Figura 85 Estructura con modificaciones finales. ............................................................................................................ 73 Figura 86 ATEMEGA 16. ............................................................................................................................................................... 75 Figura 88 Relevador Buster. ....................................................................................................................................................... 77 Figura 89 Batería de GEL (CP12170D) [40]. ...................................................................................................................... 80 Figura 90 Curva característica de la batería. .................................................................................................................... 80 Figura 91 Esquemático cargador de batería. ..................................................................................................................... 81 Figura 92 Sensor y esquemático. .............................................................................................................................................. 82 Figura 93 Configuración. ............................................................................................................................................................. 82 Figura 94 Medición del sensor. .................................................................................................................................................. 82 Figura 95 Configuración del C. I. .............................................................................................................................................. 83 Figura 96 ACS715 Sensor de corriente 0 a 30 A [41]. ..................................................................................................... 84 Figura 97 Rangos de operación. ............................................................................................................................................... 84


VI

Figura 98 MMA7361L Acelerómetro 3 ajes analógico [42]. ........................................................................................ 85 Figura 99 Referencia y diagrama de apoyo. ....................................................................................................................... 85 Figura 100 Simulaciones estado batería. ............................................................................................................................. 86 Figura 101Simulación medición de corriente. ................................................................................................................... 87 Figura 102 Simulación de acelerómetro. ............................................................................................................................. 87 Figura 103 Sensor de corriente. ................................................................................................................................................ 88


VII

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Medidas del producto [13]. ........................................................................................................................................ 11 Tabla 2 Masa de distintos modelos de sillas de ruedas. ................................................................................................. 12 Tabla 3 Dimensiones generales. ................................................................................................................................................ 13 Tabla 4 Matriz de decisión tipo de transmisión. ............................................................................................................... 16 Tabla 5 Coeficiente de seguridad [16]. .................................................................................................................................. 18 Tabla 6 Parámetros de criterio de deformación I. ........................................................................................................... 20 Tabla 7 Parámetros de criterio de deformación II........................................................................................................... 21 Tabla 8 Comparación de acero más usado [22]. ............................................................................................................... 25 Tabla 9 Ventajas y desventajas de motores de imán permanente por tipo de material. ............................... 28 Tabla 10 Tipos de tecnologías en baterías y sus aplicaciones en el mercado. .................................................... 35 Tabla 11 Tabla comparativa de las diferentes baterías de Litio. .............................................................................. 35 Tabla 12 Características generales de diseño. ................................................................................................................... 50 Tabla 13 Análisis de desplazamiento. .................................................................................................................................... 50 Tabla 14 Requerimientos del motor 1. .................................................................................................................................. 51 Tabla 15 características generales de diseño (elevación/descenso). ...................................................................... 51 Tabla 16 Requerimientos del motor 2. .................................................................................................................................. 51 Tabla 17 Propiedades del Aluminio 6063. ........................................................................................................................... 53 Tabla 18 Características de orugas existentes en el mercado. ................................................................................... 54 Tabla 19 Matriz de decisión para orugas. ............................................................................................................................ 55 Tabla 20 Características motor 1 opción 1. ........................................................................................................................ 56 Tabla 21 características motor 2 opción1. .......................................................................................................................... 56 Tabla 22 Características motor 1 opción 2. ........................................................................................................................ 57 Tabla 23 Motor 1 opción 3. ......................................................................................................................................................... 57 Tabla 24 Características motor 1 opción 2. ........................................................................................................................ 58 Tabla 25 Matriz de decisión para Motor 1. ......................................................................................................................... 59 Tabla 26 Matriz de decisión para Motor 2. ......................................................................................................................... 59 Tabla 27 Tabla estándar con ciertas especificaciones [36]. ........................................................................................ 65 Tabla 28 Cotizaciones de motores y reductores. ............................................................................................................... 68 Tabla 29 Motor y reductor usado............................................................................................................................................. 69 Tabla 30 Motorreductores para levantar la masa. .......................................................................................................... 70 Tabla 31 Matriz de decisión para motor1............................................................................................................................ 72 Tabla 32 Matriz de decisión para actuador. ....................................................................................................................... 72 Tabla 33 Control únicamente de puente H (con pin habilitador en alto). ............................................................ 76 Tabla 34 Comparación de precios de baterías existentes en el mercado [32]. ................................................... 78 Tabla 35 Tabla de selección de baterías 1. .......................................................................................................................... 78 Tabla 36 Matriz de decisión para selección de materias. ............................................................................................. 79


1

RESUMEN

Actualmente existen edificios y establecimientos de varios niveles que no cuentan con elevadores o mecanismos en las escaleras que permitan ascender a personas con alguna discapacidad motriz y que utilizan una silla de ruedas. Debido a esta problemática, es necesario el desarrollo de un mecanismo que sea capaz de auxiliar a este sector de la población en la tarea habitual de subir y bajar escaleras sin necesitar asistencia de otra persona. Este proyecto consiste en desarrollar un mecanismo con cierto grado de automatización el cual se adherirá a una silla de ruedas convencional para permitirle a una persona de hasta 80 kg de masa ascender o descender escaleras. Palabras clave: Silla de ruedas, escaleras, banda dentada, discapacidad, Mecatrónica, mecanismo


2

OBJETIVOS GENERALES

Diseño y construcción del prototipo de un mecanismo que sea capaz de acoplarse a una silla de ruedas convencional para permitir al usuario de ésta subir, o bajar por una escalera con mínima o nula asistencia de terceros.

OBJETIVOS PARTICULARES

1. Desarrollar una estructura mecánica capaz de soportar la masa de todos los componentes del prototipo y la masa de la persona (hasta 80 kg).

2. Implementar un sistema mecánico-eléctrico para conseguir el desplazamiento

del prototipo.

3. Aplicación de una plataforma de cómputo adecuada para la implementación de la etapa de control del sistema.

4. Diseño e implementación de la etapa de alimentación eléctrica del sistema.

5. Diseñar y construir un mecanismo seguro de acoplamiento prototipo-silla.


3

INTRODUCCIÓN De acuerdo con la Clasificación Internacional del Funcionamiento, de la

Discapacidad y de la Salud, presentada en 2001, las personas con discapacidad “son aquellas que tienen una o más deficiencias físicas, mentales, intelectuales o sensoriales y que al interactuar con distintos ambientes del entorno social pueden impedir su participación plena y efectiva en igualdad de condiciones a las demás.” Al año 2010, el porcentaje de habitantes en México que tenían algún tipo de discapacidad era del 5.1% de la población total, lo que representa 5 millones 739 mil 270 personas.

[1] Los porcentajes de la población con los distintos tipos de discapacidad se muestran en la figura siguiente. [2]

Porcentaje de la población con discapacidad según la dificultad en la actividad (2010)

Figura 1 Suma de porcentajes mayor a 100% por la población con más de una dificultad [1].

Se puede apreciar que más de la mitad (3 millones 345 mil 994) de las limitaciones

declaradas tiene que ver con dificultades para caminar o moverse, que según el INEGI(Instituto Nacional de Estadística y Geografía) “hace referencia a la dificultad de una persona para moverse, caminar, desplazarse o subir escaleras debido a la falta de toda o una parte de sus piernas; incluyendo también a quienes teniendo sus piernas no tienen movimiento o presentan restricciones para moverse, de tal forma que necesitan ayuda de otras personas, silla de ruedas u otro aparato, como andadera o pierna artificial”.


4

JUSTIFICACIÓN

Del total de personas en el país que presentan una discapacidad asociada con dificultades para caminar o moverse, el 5.07% [3] (290 mil 896 habitantes) se encuentran en el Distrito Federal, por lo que fue importante realizar este trabajo de investigación con la finalidad de construir el prototipo propuesto, que a pesar de que cada vez un mayor número de edificios y establecimientos se encuentran debidamente acondicionados para la atención de personas con este tipo de discapacidad, aún hay una gran cantidad de ellos que no cuentan con las condiciones mínimas necesarias para el cómodo acceso de este sector de la población.

Este dispositivo es de gran utilidad en edificios relativamente antiguos que no cuentan con un elevador ni con rampas especiales o en edificaciones amplias y de pocos niveles, en las cuales resulta poco viable y costosa la construcción de dichas rampas o elevadores.


5

ESTADO DEL ARTE

DISPOSITIVOS COMERCIALES

Se tiene registro de pocas empresas que fabrican este tipo de mecanismos, dentro de éstas las más importantes son: Ingeniería Hummel (Argentina), Garaventa Lift (Estados Unidos de América) y Lehner-Lifttechnik (Austria).

En las figuras 3 y figura 4 se muestran algunos mecanismos comerciales los cuales

necesitan de un acompañante que se encargue de la manipulación del sistema, mientras que la que se fabrica en Austria es totalmente independiente mostrada en la figura 2.

A continuación se presentan algunos modelos existentes en el mercado con su nombre comercial:

Figura 2. Stairmax [4]. Figura 3 Stairtrac [5]. Figura 4 Vimec [6].

En cuanto al precio, el mecanismo fabricado en Italia tiene un costo de U$D 6,000, que son aproximadamente en $ 78,000 MXN; el mecanismo de Garaventa Lift tiene un costo de U$S 6,500 + I.V.A., mientras que el mecanismo de Lehner-Lifttechnik puede adquirirse por € 4,450.00.


6

Por otra parte existen otro tipo de asistentes para personas en sillas de ruedas las cuales son más comunes, pero tiene la desventaja que únicamente pueden usarse en un edificio, ya que estas son instaladas sobre barandales, o pasamanos.

Figura 5 Plataforma asistente [7]. Figura 6 Acorn 80 [8].

Figura 7 Salvaescaleras portátil Scalacombi [9].

En la figura 5 se muestra otro tipo de asistente, el cual como se puede observar requiere de una asistencia de tercero, tiene la ventaja de ser portátil, además de ser capaz de desplazarse por escaleras curvas.


7

TRABAJOS TERMINALES EN LA UPIITA

Dentro de los proyectos realizados en la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas, sólo existe registro de un mecanismo parecido al prototipo. Trabajo terminal de ingeniería mecatrónica, “Mecanismo semiautomático para ascender y descender escaleras” presentado en el año 2011, el cual sólo cumplía con la tarea de ascenso/descenso de escalones desplazándose por medio de un sistema de oruga y un tipo de banda dentada diseñada por los responsables del proyecto [10]. Actualmente no hay empresas mexicanas que fabriquen dispositivos de este tipo, los distribuidores que pueden encontrarse en el país son solamente sucursales de compañías extranjeras.

Figura 8 Prototipo vista lateral descenso. Figura 9 Prototipo vista frontal.

Figura 10 Prototipo vista lateral. Figura 11 Prototipo vista trasera.


8

MARCO TEÓRICO

TIPOS DE SILLAS DE RUEDAS

Existen varios tipos de sillas de ruedas manuales, cada categoría está pensada

para un propósito y/o un tipo de usuario específico, a continuación son presentados algunos de ellos.

SILLA MANUAL STANDARD

Es la opción más económica. Generalmente se puede encontrar este tipo de sillas en hospitales; poseen un chasis robusto y pesado fabricado de acero o aluminio, en su mayoría son modelos plegables y/o desmontables. Son útiles para uso esporádico, para personas mayores en residencias que no necesitan moverse demasiado de forma independiente o en casos en que un acompañante es el que empuja la silla por el respaldo, convirtiendo la masa en un factor poco determinante. Es posible encontrarlas con ruedas traseras grandes con aro de propulsión o ruedas pequeñas en las que la propulsión y dirección queda a cargo del acompañante, estas últimas reducen un poco el ancho total de la silla.

Según modelos y opciones pueden tener reposabrazos desmontables, reposapiés extraíbles o elevables, respaldo reclinable, etc. Debido a la masa del material los modelos que se encuentran construidos de acero son un poco más complicados de propulsar y manejar para el transporte o guardado. SILLA MANUAL LIGERA O SEMI-ACTIVA

Son sillas fabricadas mayoritariamente en aluminio, plegables y con las ruedas

traseras equipadas con Quick Release (desmontaje rápido con sólo apretar un botón). Estas cualidades en su diseño las hace fácilmente transportables, ligeras en comparación con modelos similares de acero por lo que la fuerza necesaria para impulsarse es menor.

El perfil de usuarios para el que está pensado este tipo de sillas es personas autónomas en distancias medias que necesitan una silla fácil de propulsar y de transportar sin invertir una cantidad excesiva de dinero.

Figura 12 Sillas manuales Standard.

Figura 13 Sillas manuales ligeras.


9

También se usa en casos, en los que sin tratarse de un usuario activo, se necesita algo ligero y que se pliegue bastante. SILLA MANUAL ULTRALIGERA O ACTIVA

Aquí se encuentra la gama alta del producto, donde materiales como el titanio o la fibra de carbono son bastante comunes, además de contar con suspensión central y delantera, ruedas de alto rendimiento, etc. Todo es posible si el precio no supone un problema.

Están diseñadas para un máximo rendimiento, además de una masa y dimensiones

lo más reducidas posibles. El perfil básico de usuario no me Wheelie (caballito) y subir un escalón, o involuntariamente por una distribución inadecuada de la masa en un momento dado. Los anti-vuelcos están recomendados aunque en la práctica muy pocos usuarios los utilizan, no siendo así en sillas semi-activas, en las que su uso está muy extendido.

La mayoría de las sillas de este tipo son de chasis rígido para aprovechar mejor el

impulso y aun sin poder plegar la silla de manera tradicional se consiguen plegados realmente compactos gracias a ingeniosos sistemas de respaldo abatible, ruedas extraíbles, protectores de ropa en lugar de reposabrazos, la propia forma del chasis, etc. Esto permite que el usuario pueda, por ejemplo, utilizar de forma autónoma su coche, metiendo por sí mismo la silla por la puerta del conductor una vez se ha sentado en el asiento del automóvil.

Dentro de la gama alta también

hay disponibles modelos de chasis plegable, ya sea convencional o de diseño especial con prestaciones similares a los rígidos. Las sillas ultraligeras se configuran para cada usuario en el momento de la compra, se debe medir meticulosamente al usuario y conocer sus características para escoger correctamente tanto la talla de la silla como la altura del respaldo, la profundidad del asiento, el ángulo del chasis, el centro de gravedad o el tamaño de las ruedas delanteras.

Figura 14 Sillas manuales ulraligeras (1).

Figura 15 Sillas manuales ultraligeras (2).


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SILLA MANUAL PASIVA

Destinadas a usuarios con movilidad

muy reducida o nula y que precisan de un control postural eficiente. Para su diseño se dejan un poco de lado factores como el tamaño o la masa a favor de conseguir una postura correcta. Lo más común es que posean reclinación de respaldo y basculación de asiento, por medio de unas palancas parapara se accionadas por el acompañante. Si se necesitan también se pueden adquirir reposapiés ajustables, controles adicionales y cabeceros para un control de postura total o directamente sustituir los acolchados de origen por un módulo de asiento especial tipo “Jay”. El tamaño de la rueda trasera se puede elegir dependiendo de si el usuario tiene o no capacidad para auto-propulsarse. SILLAS DEPORTIVAS

Se engloban en este apartado a todas las sillas diseñadas para uso deportivo, ya sea tenis, baloncesto, atletismo, rugby o incluso baile. Cada disciplina deportiva tiene su silla específica con un diseño propio. Algunas características comunes son: defensas, centro de gravedad bajo, ruedas inclinadas, sistemas antivuelco especiales, etc.

Dentro de las sillas deportivas se tienen los HandBikes de competición, triciclos de

mano con los últimos avances del mundo de la bicicleta incorporados con los cuales se puede ir realmente rápido.

Figura 16 Sillas manuales pasivas.

Figura 17 Sillas deportivas.


11

DIMENSIONES DE LA SILLA DE RUEDAS

Hay un “estándar” de medidas en la fabricación de sillas de ruedas, ya que a pesar de que las dimensiones de las mismas pueden variar según la complexión de la persona que usará la silla, existe un promedio del tamaño con el que se fabrican en general por las distintas marcas. Las dimensiones que resultan importantes para la fabricación de este dispositivo es la distancia que existe de entre las llantas traseras de la silla y la altura del respaldo, ya que estas determinan las medidas principales y con ellas se fabrica el dispositivo que entra por debajo de la misma y la sujeta por la parte trasera del respaldo.

Aquí se presentan algunas imágenes con medidas de fabricación estándar de diferentes proveedores:

Figura 18 Disposición geométrica del cuerpo humano [11].

Figura 19 Medidas del producto [12].

Tabla 1 Medidas del producto [13].


12

MASA DE LA SILLA DE RUEDAS

Otro aspecto importante para la fabricación del modelo es la masa, ya que en base a éste se realiza el cálculo de los requerimientos de potencia de los motores que son utilizados, sumándose a esta masa la de la persona (que será de hasta 80 kg) y el del mismo mecanismo, los componentes electrónicos y el sistema de control, dado que en el ascenso y descenso sobre los escalones, el dispositivo debe ser capaz de mover toda esta carga (estimada alrededor de 150 kg).

La masa de las diferentes sillas de ruedas utilizadas comúnmente por las personas con deficiencia para caminar o moverse depende del material con el cual se fabrica la estructura de la misma. Generalmente son construidas de aluminio o acero, lo cual representa una diferencia en la masa de unos 4 o 5 kg en el mismo modelo. Para este diseño se toma en cuenta ambos tipos de sillas, de modo que la masa estimada no varíe considerablemente y no afecte de manera significativa el funcionamiento adecuado del dispositivo. La masa de algunos modelos de sillas convencionales se muestra a continuación [14]:

Tabla 2 Masa de distintos modelos de sillas de ruedas.

Modelo N

Aluminio

50100050 Venetto 13 – 16

70420030 Transit 355 mm 9.2

70430040 Transit 500 mm 10.6 – 10.7

Acero

50100030 Gades 315/600 15.4 – 17.4

50109000 Gades 315/700 16.2 – 18.7

Después del análisis de las principales características de las sillas de ruedas, se

decidió basarse en un diseño de tipo “Manual Standard” y “Manual Ligera”, ya que son los dos tipos de sillas más comunes y por lo tanto los diseños que más probablemente se pueden encontrar en un ambiente cotidiano.

En cuanto a la separación entre las estructuras al interior de las 2 ruedas traseras, se toma una distancia límite de 40-45 cm, que es el ancho máximo que puede tener el dispositivo para entrar debajo de la silla de ruedas, sin embargo las medidas finales fueron determinadas por las dimensiones de los componentes electrónicos. La masa que fue estimada para realizar el diseño del dispositivo es de 17 - 20 kg, tomando en cuenta los valores presentados en la Tabla 2, este valor quedo establecido desde esta sección y en base a él se continuó con el diseño de las dos etapas del dispositivo.


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DIMENSIONES ESTIMADAS Según los resultados obtenidos y como puede observarse en la Fig. 18, la Fig. 19 y

la Tabla 1, las medidas que más se presentan y que fueron de interés para el desarrollo de la primera etapa de este proyecto fueron las mostradas en la Tabla 3, donde también se muestran las dimensiones aproximadas que tendrá el prototipo.

Tabla 3 Dimensiones generales.

Cabe mencionar que estos valores fueron tomados con un margen de tolerancia y

fueron seleccionados, dado que el tamaño real de la primera etapa fue determinado al realizar la elección final de los componentes del prototipo, buscando con esto reducir lo más posible las dimensiones del mismo sin poner en riesgo su correcto funcionamiento y seguridad.

TRANSMISIÓN MECÁNICA El diseño de la transmisión de potencia juega un papel importante en el desarrollo

de cualquier mecanismo. Una transmisión mecánica, de forma general, es la encargada de conducir la potencia desde un motor hacia alguna otra parte donde se requiera, ya sea directamente o incluyendo un ajuste de las características arrojadas por el motor.

Dentro de los métodos de transmisión más usuales se encuentran:

Con correa.

Con cadena.

Por engrane.

Min 44 cm 92 cm 45 cm

Max 50 cm 106 cm 50 cm

Estimado 35-40 85-100 30-35


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TRANSMISIÓN POR CADENA DE RODILLOS La característica principal es que tiene un esquema de transmisión flexible abierta,

cuentan con unas ruedas dentadas, que por lo general son llamadas rueda de estrella o simplemente estrella y son movidas por una cadena en lugar de una cinta flexible.

Figura 20 Transmisión por cadena.

TRASMISIÓN POR CORREA Las transmisiones por banda o correa, constan de una cinta colocada con tensión

en dos poleas. Una motriz y otra móvil, al moverse la motriz transmite energía por medio de la banda a la polea móvil mediante el rozamiento entre ellas.

Figura 21 Transmisión por correa.

Figura 22 Transmisión por bandas

dentadas.


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Ventajas:

Posibilidad de unir árbol conductor con poleas a grandes distancia.

Funcionamiento suave, sin choques, es silencioso.

Facilidad de ser empleada como un fusible mecánico, debido a que presenta una carga límite de transmisión, que de ser superado provoca patinaje o ruptura.

Diseño sencillo.

Costo de adquisición relativamente bajo. Desventajas:

Grandes dimensiones exteriores.

Inconsistencia de la relación de transmisión cinemática debido al deslizamiento elástico.

Vida útil de la banda relativamente baja. Clasificación de bandas:

Bandas planas.

Bandas trapezoidales.

Bandas redondas.

Bandas eslabonadas.

Bandas dentadas.

Bandas nervadas o poly V.

Figura 23 Transmisión por bandas poly V.


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TRANSMISIÓN POR ENGRANES La fricción no es suficiente para garantizar la

ausencia de deslizamiento entre banda y poleas; dotando a cada polea de un número de muescas determinando surgen los engranes, en los que la relación de vueltas queda controlada de forma absoluta porque solo habría lugar a deslizamiento en caso de rotura de algún diente. Este tipo de transmisión consta de una rueda motora (piñón) y un engrane o corona receptor.

Ahora bien, considerando que la

distancia entre centros de los engranes es pequeña, los engranes por lo general se configuran en trenes de engranes para lograr mayor distancia entre el eje conductor y el conducido como se muestra a continuación.

MATRIZ DE DECISION

Tabla 4 Matriz de decisión tipo de transmisión.

En conclusión se obtuvo que la transmisión por cadena y transmisión por banda son

las más eficientes para este sistema.

Figura 24 Transmisión por

engranes.

Figura 25 Tren de engranajes.

Criterio de selección

Correcto

Probable

Incorrecto

Tipo de transmisión

Peso Distancia

entre centros

Par transmitido

Eficiencia Opción

Peso (100%)

0.4 0.1 0.25 0.25 1

Cadena Mediano Largo Alto Alta

0.4 0.2 0.5 0.6 0.455

Banda Bajo Largo Mediano Alta

0.3 0.1 0.4 0.5 0.355

Engrane Mucho Corto Alto Alta

0.1 0.05 0.5 0.4 0.27

Tren de engranes

Mucho Largo Alto Alta

0.05 0.05 0.4 0.1 0.15


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ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN Son elementos de máquina animados de movimiento de rotación que sirven para

trasmitir un momento de giro (movimientos y potencias), estando sometidos a torsión, o bien a flexión y torsión simultáneas. También se les llama ejes de transmisión o, por simplificación ejes, aunque esta última denominación es más correcta para los elementos que no transmiten momento de giro.

Figura 26 Tipos de sección de ejes de transmisión.

La sección de un árbol de transmisión suele ser circular (maciza o hueca), aunque

en ocasiones tiene otras formas como acanalada o poligonal. La forma circular exige el uso de algún elemento de retención circunferencial (chaveta, pasador, prisionero, etc.) para evitar el giro de las poleas o engranajes montados sobre el eje.

Las formas acanalada o poligonal permiten obviar el uso de estos elementos de

retención ya que la proporcionan por su propio diseño. El procedimiento general para el diseño de ejes y árboles consiste en los siguientes pasos [15]:

1. Para minimizar tanto las deflexiones como los esfuerzos, la longitud del eje debe

mantenerse tan corta como sea posible y tiene que minimizar los voladizos. 2. Una viga en voladizo tiene mayor deflexión que una simplemente soportada con la

misma longitud, carga y sección transversal, por lo que habrá de utilizarse el montaje sobre silletas a menos que, por requerimientos de diseño, sea obligatorio el eje en voladizo.

3. Un eje hueco tiene una mejor razón rigidez/masa (rigidez específica), así como

mayores frecuencias naturales que un eje sólido de rigidez o resistencia comparables, pero será más costoso y de mayor diámetro.

4. Si es posible, intente ubicar los incrementadores de esfuerzos alejados de las

regiones con momentos de flexión altos, luego minimice sus efectos con radios y alivios generosos.

5. Si la preocupación principal es minimizar la deflexión, entonces el material indica- do sería un acero al bajo carbono, puesto que su rigidez es tan alta como la del más costoso de los aceros, mientras un eje diseñado para bajas deflexiones suele tener bajos esfuerzos.


18

6. Las deflexiones en los engranes transportados sobre el eje no deberían exceder 0.005 in aproximadamente, en tanto que la pendiente relativa entre los ejes de los engranes debería ser menor de 0.03°, aproximadamente. 7. Si se emplean cojinetes de manguito simple, la deflexión del eje a través de la longitud del cojinete debe ser menor que el espesor de la película de aceite en el cojinete. 8. Si se utilizan cojinetes con elementos giratorios excéntricos y no de autocierre, la pendiente del eje en el cojinete deberá mantenerse por debajo de 0.04°, aproximadamente. 9. Si hay cargas de empuje axial, deberán transferirse a tierra a través de un solo cojinete de empuje por cada dirección de carga. No divida las cargas axiales entre varios cojinetes de empuje, ya que la expansión térmica sobre el eje puede sobrecargar dichos cojinetes. 10. La primera frecuencia natural del eje debería ser por lo menos tres veces la frecuencia de la mayor fuerza esperada durante el servicio, y preferiblemente mucho más. (Un factor de 10 o más es preferible, pero con frecuencia es difícil de lograr en sistemas mecánicos.)

Ecuación código ASME para diámetro [17]:

Ejes huecos

√[

]

Ejes macizos

√

Ejes estacionarios

Carga gradual 1.0 1.0

Carga repentina 1.5 – 2 1.5 - 2

Ejes en rotación

Carga gradual 1.5 1.0

Choque menor 1.5 – 2 1.0 – 1.5

Choque mayor 2.0 – 3.0 1.5 – 3.0

Tabla 5 Coeficiente de seguridad [16].


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El código ASME especifica para ejes de hacer comprado con especificaciones definidas:

(permisible)= 30% del límite elástico sin sobrepasar del 18% del esfuerzo último en tracción para ejes sin cuñero. Estos valores deben reducirse en 25% si existen cuñeros.

Rigidez torsional ( ):

Rigidez lateral (Deformación flecha ) - criterio de la doble integral para

determinación de flechas máximas

Velocidad crítica de operación:

√

Algunas recomendaciones que se deben tener en cuenta durante el diseño de ejes

de transmisión [18]:


20

Los ejes han de ser tan cortos como sea posible para evitar solicitaciones de flexión elevadas. Con la misma finalidad, os cojinetes y rodamientos de soporte se dispondrán los más cerca posible de las cargas más elevadas.

Se evitarán en la medida de lo posible las concentraciones de esfuerzos, para lo cual se utilizarán radios de acuerdo generosos en los cambios de sección, especialmente donde los momentos flectores sean grandes, y teniendo en cuenta siempre los máximos radios de acuerdo permitidos por los elementos apoyados en dichos hombros.

Los árboles huecos permiten mejorar el comportamiento frente a vibraciones (aumento de las frecuencias de resonancia por la disminución de masa), aunque son más caros de fabricar y de mayor diámetro; ejemplo: los árboles huecos con diámetro interior 0.5 veces el exterior, sólo pesan un 75% del peso de los macizos, pero su momento resistente es sólo ligeramente inferior al de los macizos (94%).

Para evitar problemas de vibraciones, los árboles de giro rápido exigen un buen equilibrado dinámico. Buena fijación de los soportes y una rígida configuración.

Dado que la rigidez suele ser el factor más crítico en el diseño de los árboles, se

utilizarán aceros principalmente, dado su elevado módulo elástico ( ), y se utilizarán de bajo coste, ya que el módulo elástico no varía dependiendo del precio.

La rigidez del eje, tanto a torsión como a flexión, debe asegurar el correcto funcionamiento de los elementos que van montados sobre él. Para ello debe apegarse a las especificaciones técnicas de los catálogos comerciales de dichos componentes. A continuación se presentan valores orientativos de deformaciones aceptables:

Tabla 6 Parámetros de criterio de deformación I.

Parámetro Límite

Deformación radial admisible (general)

Deformación radial admisible (árboles con engranajes cónicos)

Deformación radial relativa en punto de engranaje

Deformación angular relativa en punto de engranaje

Deformación angular relativa en cojinete lubricado

Deformación angular relativa en rodamiento (general)


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Tabla 7 Parámetros de criterio de deformación II.

La chaveta o cuña es un elemento interpuesto entre un árbol de transmisión y una

pieza montada sobre él para evitar el giro relativo entre ambos alrededor del eje de giro. Las chavetas suele tener forma prismática o semicilíndrica (chaveta Woodruf). Algunas tienen una cabeza en la parte externa para facilitar el montaje y desmontaje.

Generalmente la cuña es desmontable, para facilitar el montaje y mantenimiento. Se

instala dentro de una ranura axial maquinada en el eje denominada cuñero o chavetero. La parte externa de la cuña va alojada en otra ranura realizada en el cubo, denominada asiento de la cuña. Generalmente el montaje se realiza como sigue: primero se aloja la chaveta en el chavetero del eje, y luego se desliza axialmente el cubo hasta alinearla con la chaveta [19].

Parámetro Límite

Rigidez Torsional 1° por cada pie de longitud

Rigidez Lateral 1 mm por cada metro

Velocidad Crítica Relativamente alejado de la velocidad de operación

Figura 27 Dimensiones de Chavetas, cunas y chaveteros según DIN en mm, par torsor

admisible [18].


22

REDUCTORES DE VELOCIDAD La mayoría de las maquinas cuyo movimiento sea generado por un motor necesita

que la velocidad de dicho motor se adapte a la velocidad para el buen funcionamiento. Además de esta adaptación de velocidad, se deben contemplar otros factores como la potencia mecánica a transmitir.

Esto se realiza generalmente con uno o varios pares

de engranajes que adaptan la velocidad y potencia mecánica montados en un cuerpo compacto denominado reductor de velocidad.

Tipos de clasificación: • Por tipo de engranaje. • Por disposición del eje lento y rápido. • Por sistema de fijación.

POR ENGRANAJE Corona sin-fin: Es el reductor de velocidad más sencillo, se compone de una corona dentada,

normalmente de bronce en cuyo centro se ha embutido un eje de acero (eje lento), esta corona está en contacto permanente con un husillo de acero en forma de tornillo sin-fin. Una vuelta del tornillo sin fin provoca el avance de un diente de la corona y en consecuencia la reducción de velocidad. La reducción de velocidad de una corona sin fin se calcula con el producto del número de dientes de la corona por el número de entradas del tornillo sin fin.

Engranes Los reductores de engranajes son aquellos en que toda la transmisión mecánica se

realiza por pares de engranajes de cualquier tipo excepto los basados en tornillo sin fin. Sus ventajas son el mayor rendimiento energético, menor mantenimiento y menor tamaño.

Planetarios Son reductores de engranes con la particularidad de que no están compuestos de

pares de engranajes si no de una disposición planetaria respecto a su centro.

Figura 28 Corona sin fin.

Figura 29 Reductor fijo.

Figura 30 Reductor pendular.


23

MATERIALES Y SUS CARACTERÍSTICAS. El material para la elaboración de una estructura es de vital importancia ya que de

ello depende el buen funcionamiento del cualquier sistema mecánico. Durante los últimos años en la industria de ha incrementado la utilización de

aluminio, debido a sus características de alta resistencia y relativamente poca masa en comparación con otros materiales usados comúnmente. El aluminio es el elemento más abundante de la corteza terrestre después del oxígeno y el silicio y además puede ser reciclado infinitamente. Los campos de aplicación son muy numerosos, por lo que su demanda se incrementa día a día, además de ser bastante noble con el medio ambiente. En estado puro tiene muy baja resistencia mecánica, sin embargo esta puede incrementarse considerablemente al ser aleada con cobre, silicio y magnesio, o siendo sometido a procesos físicos de templado y estirado en frío. El aluminio posee 1/3 de la rigidez del acero.

El módulo elástico del aluminio es de alrededor de 65 GPa, en comparación, el

módulo elástico del acero, se encuentra en los 200 GPa; la ductilidad es una característica notable en el aluminio, además de ser un metal blando que puede ser cortado o rayado con suma facilidad. En cuanto a la conductividad eléctrica, posee una de las más elevadas entre los metales, por tal razón, se usa en la fabricación de componentes eléctricos y cables de alta, media y baja tensión.

A continuación se describen características de algunas aleaciones de aluminio [20]: Grupo 1000 Aluminio casi puro o puro (99% Al). Aplicación: Se usa en la fabricación de paneles y remates de fachadas; paneles

sándwich; chapas lisas para zócalos; recubrimientos para telas y láminas asfálticas; chapas plegadas para cubiertas; cierres y defensas; etc.

Grupo 2000 Proporción del 2% al 8% de Cobre (Cu). Posee alta resistencia mecánica y baja resistencia a la corrosión. Aplicación: Estructuras de aviones. Grupo 3000 Proporción del 1,82 de Manganeso (Mn). Posee moderada resistencia mecánica. Aplicación: Poco uso en la construcción. Grupo 4000 Proporción del 1,65% de Silicio (Si). Posee bajo punto de fusión. Aplicación: se usa para paneles arquitectónicos de fundición.


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Grupo 5000 Proporción del 10% de Magnesio (Mg). Rotura a tensión: 120-435 N/mm2; buena soldabilidad y resistente a la corrosión. Aplicación: La aleación 5005 se emplea para la fabricación de perfiles extruidos

(en ingeniería naval). La aleación 5003 se emplea para perfiles soldables. Grupo 6000 Proporción del 0,5% Magnesio (Mg) y 0,5% Silicio (Si). Aplicación: La aleación 6063 se emplea casi exclusivamente para fabricación de

perfiles extruidos para carpinterías de fachadas. ACERO Es el principal productor siderúrgico. El acero al carbono es una aleación de

composición química compleja. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tensión, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. [21]

Aceros al carbono de alta maquinabilidad (Resulfurados) Se usa en casos donde se desea una maquinabilidad mejor que la de los aceros al

carbón. Se logran costos más bajos aumentando la producción con mayores velocidades de maquinado y mejor vida de la herramienta o eliminando operaciones secundarias a través de una mejoría en la superficie terminada.

SAE 1110 - 1111 - 1112 – 1113 Tienen excelentes características de maquinabilidad y buena resistencia estirados

en frío. Estos aceros se pueden carburar. La maquinabilidad aumenta en este grupo al aumentar el azufre, el cual se combina principalmente con el manganeso del acero, lo cual disminuye la adherencia, provocando que se necesite menos potencia, se mejore la superficie y la velocidad de maquinado se pueda duplicar en comparación con un acero no resulfurado.

SAE 1108 - 1109 - 1116 - 1117 - 1118 - y 1119 Los aceros de este grupo se usan cuando se necesita una combinación de buena

maquinabilidad y respuesta a tratamiento térmico. En variedades de bajo carbono se usan para partes pequeñas que deben cianurarse o carbonitrurarse.

SAE 1117 - 1118 y 1119 Tienen más manganeso para mejor templabilidad, permitiendo temple en aceite

después de la carburación.

SAE 1132 - 1137 - 1140 - 1141 - 1144 - 1145 - 1146 y 1151 Cada tipo tiene características comparables a los aceros al carbono del mismo nivel

del carbón. Se usan para partes donde es necesario una gran cantidad de maquinado, o donde la presencia de roscas, estrías, u otra operación ofrece problemas especiales


25

de herramental.

SAE 1132 -1137 - 1141 – 1144 Ofrecen mayor templabilidad. Los tipos de alto carbono son adecuados para temple

en aceite, para temple por inducción o con llama. Hay muchos tipos de acero inoxidable, pero en la siguiente tabla se hace la comparación con un tipo 304 por ser el más común de todos ellos.

Tabla 8 Comparación de acero más usado [22].


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PROPIEDADES MECÁNICAS Están relacionadas con la forma en que reaccionan los materiales cuando actúan

fuerzas sobre ellos. Las más importantes son [23]:

Elasticidad: Capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba.

Plasticidad: Habilidad de un material para conservar su nueva forma una vez deformado. Es opuesto a la elasticidad.

Ductilidad: Es la capacidad que tiene un material para estirarse en hilos (por ejemplo, cobre, oro, aluminio, etcétera).

Maleabilidad: Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse (por ejemplo, aluminio, oro, etc.).

Dureza: Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro o, lo que es igual, la resistencia al desgaste.

Fragilidad: Es opuesta a la resiliencia. El material se rompe en añicos cuando una fuerza impacta sobre él.

Tenacidad: Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

Fatiga: Deformación (que puede llegar a la rotura) de un material sometido a cargas variables, inferiores a la de rotura, cuando actúan un cierto tiempo o un número de veces.

Maquinabilidad: Facilidad que tiene un cuerpo a dejarse cortar por arranque de viruta.

Acritud: Aumento de la dureza, fragilidad y resistencia en ciertos metales como consecuencia de la deformación en frío.

Colabilidad: Aptitud que tiene un material fundido para llenar un molde.

Resiliencia: Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos.


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MOTORES

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas que transforman en energía

mecánica la energía eléctrica. [24] La diferencia entre un motor y un generador es que el primero transforma la energía

eléctrica en energía mecánica, mientras que un generador realiza el proceso inverso de transformación.

Clasificación de motores Tipos de motores:

Corriente Alterna. Monofásicos Polifásicos

• Rotativos Motores Síncronos Motores Asíncronos

- De Jaula - De Anillos Rasantes

• Lineales

Corriente Continua Excitación Derivación. Excitación Serie. Excitación Compuesta. De imanes permanentes. Sin escobillas.

Motores Especiales

Motores Paso a Paso. Motores de Reluctancia. Motores Magnetohidrodinámicos. Motor Universal. Motores de 400 Hz.


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MOTORES DE ROTOR HUECO DE IMÁN PERMANENTE El término imán permanente se refiere a la habilidad de un material de retener un

valor de magnetismo remanente luego de ser imanado por algún medio, siendo así resistente a su desmagnetización.

Tipos de imán permanente (Dexter Magnetics USA) Existen cuatro familias de imanes comercialmente disponibles: AlNiCo. Ferritas Cerámicas. Samario Cobalto. Neodimio Hierro Boro.

Tabla 9 Ventajas y desventajas de motores de imán permanente por tipo de material.

Material Ventajas Desventajas

Alnico Estabilidad térmica Alta temperatura de servicio Alta densidad de flujo Formas geométricas variadas Fácil magnetización Bajo costo de maquinado

Quebradizo Baja fuerza coercitiva Espesores mínimos requeridos Costo variable

Ferritas duras

Bajo costo Alta coercitividad Fácil magnetización

Quebradizas Formas geométricas limitadas Tolerancias mecánicas limitadas Bajo producto energía BH Comportamiento variable con la temperatura Altos costos de maquinado

Ferrita aglutinada

Flexibles fácilmente moldeables Poco maquinado

Baja energía producto BH Baja temperatura de servicio Comportamiento variable con la temperatura

Sa -Co Alta Energía producto BH Alta coercitividad Compacto Alta temperatura de servicio Resistente a la corrosión Estabilidad térmica

Quebradizo Alto costo Difícil magnetización Usa polvos pirofóricos (de ignición espontánea con el aire)

Ne-Fe-Bo La más alta energía producto BH Alta coercitividad Compacto Bajo costo

Comportamiento variable con la temperatura Susceptible a la corrosión Requiere recubrimientos Baja temperatura de servicio Difícil magnetización Usa polvos pirofóricos (de ignición espontánea con el aire)

Ne-Fe-Bo aglutinado

Alta energía producto BH Alta coercitividad Fácilmente moldeables Bajo costo

Comportamiento variable con la temperatura Susceptible a la corrosión Baja temperatura de servicio


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Ventajas:

Baja inercia (grandes aceleraciones)

Pérdidas nulas en el estator y en el hierro del rotor.

Baja saturación→ LINEALIDAD

Baja constante de tiempo eléctrica (L↑)

Bajos pares de retención.

Relación tensión-velocidad LINEAL.

Relación corriente-par LINEAL.

Volumen bajo.

Baja tensión de arranque.

Menores problemas de mantenimiento del colector. Desventajas

Precio elevado. MOTORES BRUSHLESS Ventajas:

Mayor eficiencia (menos perdida por calor).

Mayor rendimiento (mayor duración de las baterías para la misma potencia).

Menor masa para la misma potencia.

Requieren menos mantenimiento al no tener escobillas.

Relación velocidad/par motor es casi constante.

Mayor potencia para el mismo tamaño.

Mejor disipación de calor.

Rango de velocidad elevado al no tener limitación mecánica.

Menor ruido electrónico (menos interferencias en otros circuitos).

Desventajas:

Mayor costo de construcción.

El control es mediante un circuito caro y complejo; requiere de un control electrónico para que su funcionamiento, el cual puede llegar a duplicar el costo.

Figura 31 Motor Brushless.


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ACUMULADORES DE ENERGÍA Un acumulador es una pila eléctrica reversible que transforma y almacena como

energía química la energía eléctrica que recibe, y que efectúa el proceso inverso durante la descarga.

Una batería es un dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma

química. Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica. Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas electroquímicas. Cada una de estas celdas está compuesta de un electrodo positivo y otro negativo, además de un separador. Cuando la batería se está descargando un cambio electroquímico se está produciendo entre los diferentes materiales en los dos electrodos.

Existe un fenómeno dentro de los acumuladores llamado “efecto memoria”, el cual

reduce la capacidad de las baterías con cargas incompletas. Se produce cuando se carga una batería sin haber sido descargada del todo: se crean unos cristales en el interior de estas baterías, a causa de una reacción química al calentarse la batería, ya sea por el uso o por las malas cargas.

BATERÍAS DE PLOMO Los principios de funcionamiento de la batería. Las baterías de plomo-ácido están internamente compuestas de una serie de

células. Por ejemplo, una batería de 12 V se compone de 6 células de 2 V conectadas en serie. Cada célula es a su vez compuesta de un electrodo positivo (barra de dióxido de plomo), un electrodo negativo (barra de plomo) y un electrolito (solución de agua destilada y ácido sulfúrico) que contiene iones de azufre (carga negativa) y iones de hidrógeno (carga positiva). Cuando se conecta la batería a una carga eléctrica, los iones se mueven hacia los electrodos correspondientes para transmitir su carga eléctrica. Por lo tanto, cuanto mayor sea el nivel de descarga de la batería, se reducirá la concentración de iones en el electrolito. Por otro lado, cargar la batería invierte el proceso de descarga descrito anteriormente, puesto que el plomo sulfatado se convierte en plomo y óxido de plomo respectivamente en el electrodo negativo y positivo de la célula de plomo-ácido.

Clasificación de las baterías de plomo ácido Realizando un pequeño resumen de los principales campos de aplicación de las

baterías de plomo-ácido se tienen: Baterías de arranque: También llamadas SL, por sus siglas en inglés “Starting, Lighting, Ignition” se

utilizan generalmente para el arranque y el funcionamiento de los motores de combustión interna. Por lo tanto la principal característica de estas baterías es precisamente la capacidad de proporcionar fuertes corrientes por un tiempo


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relativamente corto (unos pocos segundos) durante el arranque de un motor de combustión. Este tipo de batería se caracteriza por la presencia de un gran número de electrodos más o menos sutiles, con el fin de maximizar la superficie en contacto entre el electrodo y el electrolito, para proporcionar corrientes eléctricas muy intensas durante períodos cortos.

Baterías de ciclo profundo: Son baterías que están diseñadas específicamente para ser descargadas hasta el

80% y su principal uso es en el ámbito de la tracción eléctrica (por ejemplo para usar los carritos eléctricos en los campos de golf). Generalmente sus electrodos son mecánicamente más robustos que los de las baterías de arranque, ya que tienen que soportar un mayor número de ciclos de carga/descarga.

Baterías náuticas: De uso náutico son una especie de "híbrido" entre las baterías de ciclo profundo y

de arranque (SLI). Los electrodos son generalmente más robustos que los de las baterías de arranque, aunque son menos espesos en comparación con los de las baterías de ciclo profundo. Generalmente los fabricantes no recomiendan descargarlas más del 50%.

Tipos de construcción de la batería Ahora se presenta un resumen de los principales tipos de baterías de plomo ácido: Estándares (Wet) / Selladas (MF) La mayoría de las baterías son de este tipo y se caracterizan por tener los dos

electrodos (positivo y negativo) inmersos en un electrolito líquido (una solución de agua destilada y ácido sulfúrico). Las baterías estándares disponen de tapas removibles para permitir el restablecimiento del nivel de electrolito, mientras las baterías selladas (MF - sin mantenimiento) se componen de agujeros de ventilación, que por lo general no se pueden quitar y permiten que todo el gas generado durante la carga de la batería se disperse en el aire fuera de la batería. Por lo tanto, las baterías MF no están totalmente selladas y también es importante evitar la sobrecarga, o el electrolito se evaporará prematuramente, causando una reducción significativa de la vida de la batería. Algunas baterías selladas tienen tapas especiales que pueden convertir el hidrógeno y el oxígeno generados durante el proceso de carga de nuevo en agua, para reducir las pérdidas de agua del electrolito hasta aproximadamente el 90-95%.Un buen número de baterías de ciclo profundo utilizan placas de plomo-calcio o de plomo-antimonio, con el fin de aumentar la vida de la batería y la resistencia mecánica de los electrodos.

De gel Las baterías de gel contienen electrolitos gelificados (obtenidos mediante la adición

de gel de sílice): esto hace el electrolito sólido y gelatinoso. La principal ventaja de este tipo de baterías es que no pueden liberar ácido, incluso

si se ponen al revés o si su caja está rota. Sin embargo, hay también algunas desventajas en el uso de baterías de gel: tienen que ser recargadas a bajas corrientes


32

y voltajes, para evitar la creación de burbujas dentro del electrolito gelificado, que podrían dañar permanentemente la batería. Por esta razón, es particularmente importante evitar el uso de cargadores rápidos tradicionales para el mantenimiento de las baterías de gel.

AGM (VRLA) Este tipo de baterías contienen un electrolito sólido AGM (Absorbed Glass Mat, que

es una fibra de vidrio fina impregnada de una solución de agua y ácido sulfúrico) entre los electrodos. Estas baterías son muy seguras, ya que no pueden liberar ácido, incluso si se ponen al revés o si su caja está rota. Casi todas las baterías AGM son también de tipo VRLA (Valve Regulated Lead Acid): esto significa que la batería tiene una pequeña válvula que mantiene una ligera presión positiva con respecto al ambiente externo (la atmósfera). Estas baterías son por lo tanto un poco bajo presión. Como es fácil imaginar, estas baterías tienen todas las ventajas de las baterías de gel, pero no presentan sus límites, ya que pueden soportar una mayor corriente de carga: la batería se puede cargar como una batería estándar (o MF).

Otra característica importante es que estas baterías son "recombinantes", es decir, el oxígeno y el hidrógeno producidos durante la carga se recombinan de nuevo generando agua (con una eficacia superior al 90%) directamente dentro de la batería, asegurando una pérdida muy pequeña de agua durante toda la vida útil de la batería.

Duración de la batería El tiempo de vida de una batería puede variar considerablemente dependiendo de

varios factores. Los más importantes, sin embargo, son un uso y un mantenimiento adecuado (carga). Entre las razones principales que pueden provocar una muerte prematura de la batería, están las siguientes:

• Dejar la batería inactiva (sulfatación debida a la auto-descarga). Una característica de todas las baterías de plomo-ácido que no debe ser subestimada es su natural auto-descarga, especialmente si no están utilizadas durante varias semanas o aún meses. Para empeorar la situación, los dispositivos electrónicos a bordo de los vehículos (unidades de control de varios tipos, alarmas, radio, reloj digital, etc.) hoy requieren una corriente débil pero continua, incluso cuando el vehículo se mantiene apagado y sin usar. Ocurre a menudo que, a pesar de que se intente recargarla varias veces, la batería no es capaz de arrancar el vehículo: la batería es de hecho "sulfatada", es decir los electrodos están cubiertos con cristales de azufre, tan grandes y profundos que ya no pueden ser eliminados durante el proceso de carga. Este proceso (sulfatación) es prácticamente irreversible y condena la batería a una muerte prematura, lo que sería fácilmente evitable manteniendo la batería siempre al 95-100% de su carga durante el período de inactividad del vehículo.

• Mantener la batería parcialmente descargada (sulfatación progresiva) dejar una

batería de plomo-ácido parcialmente descargada provoca una acumulación progresiva en el tiempo de cristales de azufre suficientemente grandes y profundos que ya no pueden ser eliminados durante el proceso de carga.

• La descarga de la batería más allá de su límite (corrosión de los electrodos) es


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otro grave "asesino" porque cada vez que se descarga de esta manera, una fracción de los electrodos se corroen y van a instalarse en la parte inferior de la batería. Obviamente, esto provoca una superficie de contacto cada vez más reducida entre el electrolito y el electrodo dentro de la batería, junto con una menor resistencia mecánica de los mismos electrodos.

• La sobrecarga (destrucción del electrolito) es un error grave y peligroso al mismo

tiempo, porque sus efectos no suelen ser visibles para el usuario inexperto, que compra los cargadores de baterías baratos que proporcionan una corriente constante, independientemente del estado de la batería. Si el cargador de batería proporciona una corriente demasiado alta para la batería durante las diversas etapas de la carga, esto causará en un corto período de tiempo (horas) la evaporación del electrolito en las baterías estándares (selladas o MF), o la formación de cavidades (burbujas de gas) en el electrolito en el caso de baterías de gel.

BATERÍAS DE NI-CD (NIQUEL-CADMIO) Se usaron en los vehículos de Peugeot (106-Partner), Renault (Kangoo). Sin

embargo la comercialización de estas baterías se prohibió a partir de febrero de 2008 en países como España, a causa de la nocividad del cadmio para el medio ambiente. [25]

Ventajas:

Duración de vida importante (1000 ciclos) Desventajas:

Contaminación.

Efecto memoria. BATERÍAS DE NI-MH (NIQUEL-METAL-HIDRURO) Se empezó a comercializar a partir de 1990. Con una duración de aproximadamente

500 ciclos, estas baterías se utilizan mucho en las bicicletas eléctricas de alta gama. Al igual que son usados en vehículos híbridos.

Ventajas:

No tiene efecto memoria. Desventajas:

Capacidad de auto-descarga importante

BATERÍAS NI-ZN (NIQUEL-ZINC) Su característica no contaminante, hacen de la batería Niquel-Zinc un potencial

competidor de las clásicas baterías de plomo e incluso las de Niquel-Cadmio. Son dos veces más caras que las baterías de plomo pero también ofrece una densidad energética doble comparada a la batería de plomo (80 Wh/kg para Ni-ZN, 30 Wh/kg


34

para el plomo). Actualmente son utilizadas en algunas motocicletas genéricas. BATERÍAS ZEBRA (CLORURO DE SODIO) Su temperatura interna de funcionamiento va desde los 270ºC hasta 350°C

haciendo de la batería Zebra una batería caliente. Pero no tiene efecto memoria y ofrece una capacidad energética de 120 Wh/kg. Se compone de materiales "renovables", Sal (NaCl), Niquel (cuando la batería esta descargada) y hierro mantenidos al vacío en un contenedor sellado. Tiene la gran ventaja de ser 100 % reciclable.

BATERÍAS LITIO-ION Su utilización se extendió con el uso de los ordenadores portátiles y los móviles.

Actualmente esta tecnología se está empezando a usar en los vehículos eléctricos. Su descarga es muy limitada en el tiempo y no tiene efecto memoria. Ofrece una densidad energética importante, del orden de 110 a 160 Wh/kg pero su precio es aún muy alto.

BATERÍAS LI-PO (LITIO-POLÍMERO) Utilizadas en numerosos prototipos, se espera que ésta tecnología sea instalada en

los “vehículos del mañana”. Su densidad energética es del orden de 100-110 Wh/kg y su durabilidad puede superar con facilidad los 1000 ciclos. Desafortunadamente ésta tecnología es todavía muy cara.

BATERÍAS DE LIFEPO4 Las baterías de Litio Fosfato de hierro son recargables; son baterías de iones de

Litio que utiliza FePO4 como material catódico. Ventajas:

No es necesita mantenimiento.

Mantiene toda su potencia durante su uso, al el momento de la descarga, a diferencia de las baterías comunes fluctúan según se les agota su energía.

Son baterías seguras, no explotan ni sufren incendio por sobrecargas.

De 6 a 7 años de vida (entre 2000 y 3000 ciclos)

Contiene el doble de la capacidad.

Contienen el doble de su capacidad de energía que baterías de ácido plomo.

Pueden dejarse a medio cargar por largos periodos de tiempo sin arriesgar de arruinar la batería.

Mientras no se usen se descargan de forma muy lenta a comparación de otras, esto permite dejarlas de usar por largos periodos de tiempo y volver a utilizarlas sin necesidad de recargarlas.

Pueden operar en altas temperaturas hasta 60ºC sin disminuir su rendimiento se pueden instalar en cualquier orientación (de frente, de lado, etc.)

No contiene metales tóxicos.

Las vibraciones no le afectan, y por tanto no son frágiles como las baterías convencionales.


35

Pueden quedar recargadas hasta su 90% de su capacidad en 15 minutos.

Tabla 10 Tipos de tecnologías en baterías y sus aplicaciones en el mercado.

Tabla 11 Tabla comparativa de las diferentes baterías de Litio.

CONEXIONES PARA OBTENER MAYOR TENSION O MAYOR CORRIENTE. Existen configuraciones que proporcionan mayor tensión o mayor corriente, para los

mecanismos que requieran gran par, por lo general requieren una configuración que pueda entregar valores altos de corriente, o una configuración de ambos como se muestran a continuación.

Fuentes de alimentación en serie

Plomo NI-Cd NI-MH Ni-Zn Zebra Litio-Ion Li-Po

Densidad energética

(Wh/kg) 30 - 50 45 - 80 60 - 120 60 - 85 100 - 140 110 - 160 100 - 130

Nº de ciclos de

vida 400 - 1200 2000 1500 1000 > 1000 500 - 1000 N/A

Tº de operación

(ºC) -20º a 60º

-40º a 60º

-20º a 60º

-20º a 60º 270º - 350º

-20º a 60º 0º a 60º

Aplicación Bicicletas eléctricas.

Peugeot 106,

Partner.

Vehículos

híbridos

Cámaras, bicicletas y vehículos eléctricos

ligeros

Vehículos eléctricos e híbridos.

Teléfonos Móviles,

ordenadores portátiles.

Prototipos.

Batería LiFePO4

licoO2

Lithium cobalt oxide

LiMn2O4[26] Li(NCo)O2

Seguridad Segura Inestable Aceptable Inestable

Contaminación La más ecológica Muy contaminante Muy contaminante

Durabilidad Excelente Aceptable Aceptable Aceptable

Relación fuerza/masa /capacidad

Aceptable Buena Aceptable La mejor

Costo a largo plazo

Excelente Alto Aceptable Alto

Temperatura de trabajo

Aceptable (-20ºC a 70ºC)

Decae más allá de (-20ºC a 55ºC)

Decae rápidamente a más de 50ºC

-20ºC a 55ºC


36

En una configuración de este tipo puede obtener mayor F.E.M. si es lo que se requiere, ahora muestra una alimentación en serie de dos baterías de 13.2V por lo que a la salida se tienen 26.4V, útil por ejemplo para alimentar un motor de 24 Volts.

Figura 32 Configuración en serie.

Fuentes de alimentación el paralelo La finalidad de una configuración de este tipo, es aumentar la corriente. Se obtiene

una tensión de 26.4V con una corriente de 9.2 Ah en las terminales. De este modo, si se conectan dos baterías en serie se obtendrá a la salida una tensión de 13.2V y una corriente de 4.6 Ah (cada batería cuenta con 13.2 V y 4.6 Ah).

Figura 33 Configuración en paralelo y serie [27].


37

Este tipo de sistemas de alimentación se realiza con la finalidad de reducir el gran costo que tienen las baterías comerciales, donde su alto costo va de la mano con la configuración del fabricante, aprender a realizar este tipo de configuración tiene la finalidad de reducir esos grandes costos.

PLATAFORMA DE CÓMPUTO

En años recientes el mundo de la electrónica y en especial el diseño de sistemas

embebidos basados en microcontroladores, ha sido el escenario de una batalla entre dos grupos de diseñadores de estos sistemas, un grupo está formado por aquellos entusiastas en electrónica que usan los microcontroladores de la familia PIC del fabricante MICROCHIP [28] y otro grupo lo forman las personas que prefieren diseñar sistemas basados en microcontroladores de la familia AVR de ATMEL [29].

Un microcontrolador es un circuito integrado, que incorpora en su interior los

bloques básicos para formar un sistema embebido o una PC en menor escala, es decir el microcontrolador es un chip en cuyo interior encontramos una CPU, Memoria, Reloj, Puertos de Comunicación y Módulos Periféricos de E/S. Cada uno de estos bloques internos, cumple una función específica y permite al diseñador un mejor control de los procesos del sistema, el CPU se dice que es un microprocesador en pequeño y de menor potencia, la Memoria que sirve para almacenar el Firmware o programa a ejecutar, el Reloj provee una señal de sincronización para todos las tareas del sistema, los Puertos de comunicación le permiten al microcontrolador tener comunicación bidireccional con otros microcontroladores o una PC, por ejemplo puerto RS232, los USB, ISP, I2C, y los Módulos Periféricos de E/S que permiten el intercambio de información de tipo digital o análoga con el exterior del sistema, es dentro de estos Periféricos que se pueden encontrar: Puertos Digitales E/S, Conversores Analógico digital, Contadores, Temporizadores, etc.

Además de su estructura un microcontrolador posee ciertas características de

desarrollo, como son: su lenguaje de programación, el IDE para la escritura de programas, la forma en que es programa la memoria interna, el hardware externo necesario para realizar esta grabación. Son estas características las que hacen la diferencia al momento de la elección correcta de un tipo de microcontrolador.

Los PIC son una familia de microcontroladores de 8 bits fabricados por la empresa

estadounidense MICROCHIP, cuentan con un CPU RISC y memoria FLASH para el almacenamiento del Firmware. Por otro lado los AVR son una familia de microcontroladores fabricada por la compañía noruega ATMEL, estos microcontroladores de 8 bits cuentan con una CPU RISC y su memoria de programa viene implementada en FLASH. Ambas familias cuentan con periféricos como Puertos Digitales, convertidor analógico-digital, etc.

El microcontroladores por ser un sistema digital programable, necesita de un código


38

de programa o firmware que incluya las instrucciones necesarias para realizar el control del sistema embebido. El lenguaje de programación de un microcontrolador, es el Lenguaje Ensamblador (.asm), lenguaje de bajo nivel, este ensamblador posee algunas diferencias entre fabricante y fabricante, no es lo mismo el lenguaje ensamblador para INTEL que para PIC o aun AVR. Pero dentro del mundo de los microcontroladores se puede encontrar Compiladores de un lenguaje de alto nivel a ensamblador o mejor aún a Lenguaje Maquina (.hex).

Dentro de los compiladores para el AVR se encuentran el lenguaje C, C++, Basic,

cada uno de ellos brinda distintas ventajas, cuentan con IDE (Ambiente Integrado de Desarrollo) para un mejor diseño de los programas. Como ventaja principal se debe citar que todos estos IDE se pueden descargar gratis o en versiones Demo desde la web de sus respectivos fabricantes.

En cuento a un PIC cuenta con el lenguaje Ensamblador, cuenta con diferentes IDE

y compiladores para C , C++ y Basic, sin embargo cabe destacar que estas herramientas de desarrollo no son completamente gratis, entre IDE más usados están: MPLAB, PICSIMULATOR, PICBASIC.


39

DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO

PROPUESTO

A continuación se muestra el diagrama de funcionamiento general del prototipo:

Figura 34 Funcionamiento general.

Etapa de electrónica:

Figura 35 Diagrama a bloques del funcionamiento general del prototipo.

Electrónica

Mecánica

Acondicionamiento, etapa potencia Actuadores

Sensores

Primera etapa

Segunda etapa

Plataforma de cómputo

Microcontrolador

Sensores Actuadores Sistema

Acondicionamiento actuadores

Acondicionamiento sensores

Sensor velocidad Sensor corriente Sensor inclinación Sensor seguro

Interruptor desplazamiento avance Interruptor desplazamiento reversa Interruptor para levantar respaldo Interruptor para bajar respaldo


40

FUNCIONAMIENTO PARTE MECÁNICA

La realización de este trabajo puede ser visto como la conjunción de dos partes o

etapas principales; la primera de ellas consiste en el mecanismo de desplazamiento el cual es capaz de mover la masa completa de sí mismo, de la silla de ruedas, y de la persona. Dicho mecanismo va montado en una estructura que tiene el diseño adecuado para contener en la parte central la alimentación del dispositivo, los componentes electrónicos, el sistema de control aplicado, la plataforma de cómputo y todo lo necesario para el funcionamiento del dispositivo.

La primera etapa incluye el sistema de transmisión para el desplazamiento, el cual

está compuesto por dos motores con su correspondiente caja de reducción (moto-reductores), los cuales serán acoplados al eje delantero con un sistema de engranes rectos como transmisores de potencia.

Figura 37 Primera etapa.

Figura 38 Motorreductor.

A su vez, esta primera etapa esta acoplada a una segunda parte, que consiste en una estructura que funcione como soporte de la silla al momento del acoplamiento de ésta con el dispositivo y que también cuenta con una parte posterior donde se recarga y fija el respaldo de la silla para completar el acoplamiento.

Esta segunda etapa cuenta también con un sub-

mecanismo de suspensión de la silla de ruedas, para que en el momento del acoplamiento ésta quede suspendida y soportada en su totalidad por la estructura, además cuenta con un sistema de bloqueo y/o fijación en la parte posterior, que es el encargado de asegurar el respaldo de la silla a la estructura del prototipo durante el funcionamiento. Este bloqueo es llevado a cabo por dos mecanismos tipo abrazadera que se son cerrados manualmente y son capaces de sujetar el respaldo de la silla por los dos costados

Para visualizar de forma detallada el funcionamiento se

realiza un acercamiento al mecanismo de acoplamiento de la silla.

Figura 36 Segunda

etapa.


41

Figura 39 Funcionamiento del mecanismo.

Figura 40 Primera etapa.

Figura 41 segunda etapa.

Entre la primera y la segunda etapa existe un mecanismo de desplazamiento que es

capaz de variar la posición vertical relativa entre las dos partes del dispositivo. Este mecanismo está compuesto por un actuador lineal fija a la segunda etapa, el cual permiten al prototipo colocarse en alguna de las dos configuraciones posibles:

Primera configuración: En esta configuración la silla es quien, apoyada en sus llantas, soporta al

mecanismo completo, para que el usuario pueda acomodarse en la mejor posición para comenzar el funcionamiento del dispositivo.

Segunda configuración: En esta configuración el mecanismo es quien soporte la masa de la silla, para el

momento en el que el dispositivo se encuentre funcionando al subir o bajar los escalones.


42

Figura 42 Primera configuración.

Figura 43 Segunda configuración.

Para conseguir el desplazamiento relativo entre las dos etapas se implementó un actuador que realice dicho movimiento de elevación y descenso, fijándolo a la primera etapa y acoplando su movimiento a la segunda etapa del dispositivo. El usuario comienza accionando el mecanismo de forma manual, después el funcionamiento del prototipo sigue el siguiente orden:

1. Hasta este momento el mecanismo se encuentra en la segunda configuración;

aquí deberá pasar a la primera configuración para ser colocado por medio de propulsión manual en la mejor posición para iniciar el ascenso/descenso.

2. Pasar a la segunda configuración para iniciar operación de desplazamiento

sobre los escalones. 3. Al terminar el ascenso/descenso, el dispositivo vuelve a la primera configuración

y el usuario se coloca en la posición donde realizará el desacoplamiento silla-mecanismo.

4. Pasar a la segunda configuración y realizar el desacople silla-mecanismo. El sistema cuenta también con sensores encargados de indicar diferentes

condiciones al sistema de control:

Mecanismo de bloqueo en el respaldo cerrado

Inclinación del prototipo menor a 40 grados

Velocidad de mecanismo en desplazamiento

Corriente que demanda el motor de desplazamiento (exceso de masa)

Figura 44 Acoplamiento silla-mecanismo


43

Estructura primera etapa

Estructura segunda etapa

Estructura del mecanismo de ascenso/ descenso

Mecanismo de acoplamiento de la silla

Aquí se muestra la estructura ensamblada del prototipo.

Figura 45 Estructura ensamblada.

Las orugas de goma se colocan en los extremos, sobre los rieles, estos son los encargados de levantar toda la masa.

Haciendo un resumen el mecanismo se divide en 4 partes, mismas que fueron

detallas con anterioridad. La estructura superior, llamada segunda etapa, funciona como respaldo, misma que cuenta con un par de sujetadores para asegurar la silla. Las 2 distintas configuraciones tiene la finalidad de permitir un fácil desplazamiento cuando no requiera subir escaleras, por ejemplo para colocarse en el lugar adecuado para desacoplar el prototipo, para cambiar de dirección, etc.


44

DESARROLLO Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN

MECÁNICA

Los análisis realizados sobre el mecanismo propuesto se hicieron bajo la suposición

de una masa total de 180kg, el cual es la masa estimada del mecanismo completo incluyendo al usuario y a la silla de ruedas.

Análisis dinámico de Desplazamiento [30]

Este análisis describe al cuerpo cuando se encuentra en movimiento y arroja como resultado la fuerza que se debe aplicar para mover el cuerpo, esto con la finalidad de conocer los requerimientos mínimos del motor 1.

Figura 46 Figura diagrama de cuerpo libre.

∑

( ⁄ )

∑

⁄

⁄

Condiciones propuestas:

(caucho-aluminio)


45

La relación de desplazamiento relativo entre los puntos G y R se analiza a continuación:

⁄

⁄

⁄

⁄

(

)

Análisis dinámico de Ascenso [31] ∑

( ⁄ )

⁄

⁄

∑

Figura 47 Análisis dinámico.

Figura 48 Análisis de poleas.

Figura 49 Diagrama de cuerpo libre ascenso.

𝑉𝐺

r=0.06m

𝑉𝑟

𝑉𝐺

𝑉𝑟

h

Ra o

a

c

𝜃

𝑁𝑖

W

𝐹𝑚

𝑓𝑓

Dónde:

Velocidad de desplazamiento de 0 con respecto al suelo. ⁄ Velocidad con que gira el punto C de

contacto.


46

( )

(

⁄ ⁄ )

(

)

Estos son los requerimientos mínimos con lo que debe contar el motor 1, que será

el encargado de desplazar el prototipo.

Análisis dinámico de Descenso.

Figura 50 Diagrama de cuerpo libre

descenso.

∑

( ⁄ )

∑

⁄

⁄


47

( )

(

⁄ ⁄ )

(El signo indica que el motor realiza una fuerza en sentido

negativo respecto al marco de referencia propuesto en el análisis)

(

)

Análisis de momento del prototipo sobre los escalones: ∑

Se propone la siguiente configuración del mecanismo basado en el análisis de las dimensiones de sillas de ruedas convencionales:

De este modo:

A continuación se presentan gráficas con estimaciones del comportamiento de la

reacción durante el ascenso o el descenso en las escaleras, considerando valores alrededor de la , la y la distancia del centro de masa propuestos, para corroborar su estabilidad.

Figura 51 Análisis de equilibrio.

W

𝜃

A

B 𝛼 𝑅𝐵𝑥

𝑅𝐵𝑦 𝑅𝐵

𝑙

𝑙

r

h


48

Figura 53 Resultado seleccionado para la ubicación del centro de masa.

En la figura anterior se observa que las dimensiones propuestas son adecuadas

para el funcionamiento del prototipo, ya que se presenta una reacción , lo cual indica que el prototipo de mantendrá estable mientras se encuentre desplazándose sobre escalones con una inclinación máxima de 40.

Figura 52 Grafica de diferentes posiciones del centro de masa.

X=100 Y=695.3


49

Análisis dinámico del mecanismo de Elevación y Descenso Elevación

Figura 54 diagrama de cuerpo libre,

mecanismo de elevación.

∑

( ⁄

⁄ )

⁄

⁄

(

)

Análisis dinámico del mecanismo de descenso. Descenso

∑

( ⁄

⁄ ) (El

signo indica que el motor realizará una fuerza en sentido negativo respecto al marco de referencia propuesto en el análisis)

⁄

⁄

(

)

Estos son los requerimientos mínimos con lo que debe contar el motor 2, que será el encargado de elevar/descender el respaldo del prototipo.

Figura 55 Diagrama

de cuerpo libre, mecanismo descenso.

Proponiendo lo siguiente se tiene:

⁄

⁄

⁄

⁄

𝐹𝑚

W

M=120kg

𝐹𝑚

W

M=120kg


50

A continuación se presentan los resultados obtenidos de cálculos desarrollados anteriormente, esto con la finalidad de evitar errores y pérdida de tiempo. Para los requerimientos mínimos del Motor 1, tenemos:

Tabla 12 Características generales de diseño.

Tabla 13 Análisis de desplazamiento.


51

Tabla 14 Requerimientos del motor 1.

Para conocer el par requerido del Motor 2, se tiene:

Tabla 16 Requerimientos del motor 2.

Tabla 15 características generales de diseño (elevación/descenso).


52

Mecanismo de soporte de la silla

Una vez obtenidos las características de los motores que serán utilizados y habiéndose comprobado la estabilidad del prototipo con las dimensiones propuestas, se realizó el diseño correspondiente al mecanismo de soporte, que es el encargado de “levantar” la estructura de la silla y elevarla al momento del acoplamiento con el prototipo.

El siguiente diseño y análisis se realizó’ con ayuda del programa GeoGebra el cual facilita visualizar los desplazamientos y el comportamiento que presentará el mecanismo.

Figura 56 Diseño y análisis en Geogebra (I).

Figura 57 Diseño y análisis en Geogebra (II).

Se realizó también el análisis del comportamiento de los elementos más críticos en el diseño de la estructura, por estar sometidos a esfuerzos más altos; pueden observarse los resultados obtenidos de forma detallada en la sección de anexo.


53

Posibles soluciones para la adquisición de material Se presentan las características del Aluminio 6061 T6.

Usos más frecuentes: Cañerías, barandas, muebles, perfiles de carpintería, camiones y pisos para tráiler, puertas, ventanas, tubos para riego.

Tabla 17 Propiedades del Aluminio 6063.

Composición química

% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Otro Al

Min 0.4 0.15 0.8 0.04

Máx. 0.8 0.7 0.4 0.15 1.2 0.35 0.25 0.15 0.05 Resto

Ventajas

Resistencia superior a la de las aleaciones 6063.

Elaborado mediante tratamiento térmicos.

Envejecido artificialmente.

Optima conformación con el frío.

Excelentes características para soldadura fuerte y al arco.

Excelente resistencia a la corrosión.

Gran resistencia a la tensión Excelente maquinabilidad.

Tratamiento Térmico: T6: Tratado térmicamente por solución y Envejecido artificialmente.

Propiedades mecánicas

(1)

Tensión

Resistencia (ksi)

Ultimo 45

Cadencia 40

Elongación en 2 pulg.

1/16 “ Espesor

12

½” Diámetro 17

Dureza Brinell 500 kg balo de 10mm

95

Corte Ultimo corte Resistencia (ksi)

30

Fatiga Limite a la

fatiga ksi (2) Ksi

Modulo Módulo de elasticidad ksi x 10

3 (3)

(1) las propiedades mecánicas típicas indicadas usualmente son mayores a las mostradas.

(2) Basado en 500,000,000 de ciclos en condiciones de esfuerzos completamente aleatorios usando la máquina de pruebas y muestra de R. R. Moore.

(3) Promedio de módulo de tensión y compresión. El módulo de compresión es aproximadamente 2% mayor que el de tensión.


54

Orugas de goma

Elegir las orugas para un mecanismo pequeño como el que se planteó en este trabajo terminal fue difícil debido a que la mayoría de las empresas que se dedican a este rubro fabrican orugas industriales por lo que las dimensiones son bastantes grandes de acuerdo a lo que se necesitaba para el prototipo planteado. A pesar de esto, se encontraron algunas opciones que resultan adecuadas para la finalidad que se buscaba, estas se presentan a continuación:

Tabla 18 Características de orugas existentes en el mercado.

Aquí se muestran las orugas más adecuadas para su utilización en el proyecto

Figura 58 Orugas de goma Stair Climber 2.


Estas orugas presentan muy poco ruido, lo que elimina vibraciones, además de que está fabricada de caucho, por lo que es resistente y ligera.

Nombre Ancho (mm)

Paso (mm)

No. de uniones Longitud

(mm) Masa (kg)

Automan/Robot1 90 70.8 30(N>=26) 2124 2.3

Automan/Robot2 100 41 30(N>=26) 1230 1.9

Automan/Robot3 100 42 62 2604 2.85

Flat Belt 1 75 --- --- 10000(N<=150000) N/A

Flat Belt 2 90 --- --- 10000(N<=150000) N/A

Flat Belt 3 100 --- --- 10000(N<=150000) N/A

John Deere Flat belt

140 --- --- 3327(3315) N/A

“Stair Climber 1” 60 12 194 2328 1.7

“Stair Climber 2” 50 20 114 2280 2.4


55

Tabla 19 Matriz de decisión para orugas.

En la tabla anterior se dan a conocer las diferentes opciones que cumplen con los

requerimientos para el proyecto, el cual contempla únicamente características, la oruga que fue seleccionada, por lo que el diseño de la estructura, está basado en ella. La oruga de goma tipo “Stair Climber 2” tienen un costo de 135 USD cada una, más envío

[32].

Se tuvo como alternativa, realizar una oruga de goma a base de cadenas, el cual se

puede fabricar con tres cadenas en paralelo, de las cuales en los extremos son sujetadas o atornilladas a una sección rectangular de caucho que cubra de forma perpendicular al sentido giro de las tres cadenas, con una transmisión en la parte central (entre cadenas) por medio de una catarina que es acoplado al eje del motor.

Después de haber analizado que oruga de goma era la más adecuada, ahora se

presenta la oruga adquirida:


TABLA DE DECISIONES (ORUGAS)

Requerimientos Ancho Paso No. de

uniones Longitud Masa

Opción

Robot 1 ✘ ✘ ✘ ✔ ✔ ✘

Robot 2 ✘ ✔ ✘ ✔ ✔ ✘

Robot 3 ✘ ✔ ✔ ✘ ✘ ✘

Flat Belt 1 ✔ --- --- ✘ ✘ ✘

Flat Belt 2 ✘ --- --- ✘ ✘ ✘

Flat Belt 3 ✘ --- --- ✘ ✘ ✘

John Deere ✘ --- --- ✘ ✘ ✘

Stair Climber 1 ✔ ✔ ✘ ✔ ✔ ✘

Stair Climber 2 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔


56

ELECTRÓNICA

Motores propuestos

Las características del motor que desplazará el mecanismo, como ya mencionó en los resultados del análisis son:

Un motorreductor que tenga un par superior o igual a 135N-m, con una potencia superior o igual a 110W y que tenga una velocidad de 30rpm o superior.

Estas son las equivalencias del par requerido: 135N-m. ≈ 1376.6 Kg-cm. ≈ 13.766 kg-m. ≈ 19117.62 oz.-in. ≈ 1194.8 lb.-in. ≈

99.57 lb.-ft. Dentro de los motores que se tenían contemplados se muestran los siguientes:

Tabla 20 Características motor 1 opción 1.

MOTOR 1[33]

MARCA: TRANSTECNO

MODELO: ECMB 350/633

RELACIÓN 1/93.33

POTENCIA: 500W

PAR: 140 N-m

VELOCIDAD: 32 rpm

FACT. SEG. 1.4

CORRIENTE 20.83 Amperes

TENSIÓN: 24 V C. D.

PRECIO: € 450.60 Figura 61 Motor 1 opción 1.

Tabla 21 características motor 2 opción1.

MOTOR 2

MARCA: TRANS ECNO

MODELO: ECMM 070/026/040

RELACIÓN 1/600

POTE CIA: 100W

PAR: 85 N-m

FACT. SEG. 1

VELOCIDAD: 5 rpm



PRECIO: € 187.50 Figura 62 Motor 2 opción 2.


57


MOTOR 1

MARCA: TRANSTECNO

MODELO: ECMM

070/030/063

RELACIÓN 1/150

POTENCIA: 500W

PAR: 144 N-m

FACT. SEG. 2.1

VELOCIDAD: 20 rpm



PRECIO: € 245

Figura 63 Motor 1 opción 2.

Los motores ideales para el proyecto son los mostrados anteriormente, pero debido a su alto costo, se han buscado otras alternativas:

Tabla 23 Motor 1 opción 3.

MOTOR 1 [29]

MARCA: NATIONAL

POWER CHAIR

MODELO: NPCT74

RELACIÓN 1/150

POTENCIA: 1.13 HP

PAR: 144 N-m

FACT. SEG. ---

VELOCIDAD: 12.25 rpm



PRECIO: $351.34 USD

Figura 64 Motor 1 opción 3[34].

Figura 65 Especificaciones del motor.


58

Estas son las especificaciones del fabricante.

Una desventaja de utilizar el motorreductor mencionado es que el par requerido se encuentra dentro de sus límites, es por ello que el consumo de corriente es muy alto, esta es una de las razones por las cuales fue descartado.

Otra alternativa para la solución a este problema era realizar una configuración de

tres motorreductores de 45Nm, sumando el par de cada uno para obtener el par requerido, o en otro caso únicamente con un motor y acoplarle un reductor para obtener el par.

El motorreductor antes mencionado es un motor eléctrico modelo mae-6dm

(mecanismo doble motriz) para autobuses metropolitanos y foráneos, este tipo de motores está diseñado para levantar grandes cantidades de masa, son utilizados en autobuses como limpiaparabrisas.


Par 45N-m

Tensión 12 V

Corriente sin carga 0.8A v. Baja/1.6A v. Alta

Corriente de trabajo 4 A v. Baja/ 6 A v. Alta

Corriente a rotor bloqueado 18 Amp.

Frecuencia de operación 30rpm/45rpm

Temperatura máxima de operación 56º C - 135º C

Masa con mecanismo 4.850 Kg(10.6 lb)

Dimensiones 22 cm x 23 cm x 12.5 cm

Figura 66 Motor 1 opción 4[35].

Como última alternativa considerada, fue adquirir un motor más un reductor

usado, que cumplieran con el par de 135 N-m, esta opción se tenía contemplada ya que los costos de los motores nuevos eran muy elevados, sin agregar los gatos de envío; sin embargo es importante tener en cuenta que un motor y reductor usado no cuenta con la misma eficiencia que uno nuevo.


59

Pero el costo elevado puede ser un factor de tener la necesidad de realizar u obtener un motorreductor usado, de tal forma de obtener lo que se necesita, como alternativa.

Tabla 25 Matriz de decisión para Motor 1.

TABLA DE DECISIONES (MOTOR 1)

Requerimientos

Par 135N

m

Potencia

110W

Tensión eléctric

a

Velocidad

Corriente

Costo

Opción

MOTOR opcion1

140Nm ✔

500W ✔ 12-

24VCD ✔

32rpm ✔ 20.83

Amp. ✔ ✘

✔

MOTOR Opción 2

144Nm ✔

500 W ✔

12-24VCD ✔

20rpm ✘ 20.83

Amp. ✔ ✔

✘

MOTOR Opción 3

144Nm ✔

1.13 HP ✔

24-36 VCD ✔

59rpm ✔ 161.6

Amp. ✘ ✔

✘

MOTOR opción 4

45Nm ✘

--- 12VCD ✔

30-45rpm ✔

0.8-6 Amp. ✔

✔ ✘

Tabla 26 Matriz de decisión para Motor 2.

TABLA DE DECISIONES (MOTOR 2)

Requerimientos Par

61Nm Potencia

10W Tensión eléctrica

Velocidad Corriente Costo Opción

MOTOR o cion1

85Nm ✔

100W ✔

24VCD ✔

5 rpm ✔

4.16 Amp. ✔

✘ ✔

MOTOR Opción 2

61Nm ✘

250W ✔

24VCD ✔

17 rpm ✔

10.42 Amp. ✔

✔ ✘

MOTOR Opción 3

45Nm ✘

--- 12VCD ✔

30-45rpm ✔

0.8-6 Amp. ✔

✔ ✘

En las tablas anteriores se muestra la solución a lo que se requería, pero se

reconsidero que existían alternativas para solucionar este problema reduciendo el costo de adquisición de motores, una de estas alternativas era adquirir un motor más caja reductora o reductor equivalente usado en la industria.

Existían otras alternativas como adquirir motores limpiaparabrisas de camiones, lo

cuales están diseñados para trabajo rudo, estos motores son de la marca DOGA, existe una familia de este tipo de motores los cuales pueden llegar a tener un par muy alto este puede ser factible para el motor de 61 Nm, la ventaja de usar este tipo de motores es que requieren de 12V lo cual es de gran ayuda para el sistema de alimentación.


60

MODIFICACIONES.

Modificaciones realizadas en la estructura base. Anteriormente se propuso una estructura compuesta por dos grandes rieles

pensados para maquinarse de una sola pieza, sin embargo al momento de maquinar las piezas se tuvieron que realizar modificaciones para facilitar la fabricación, además de disminuir los costos y evitar desperdicio excesivo de material. Es por eso que se optó por dividir en dos secciones cada riel y, a su vez dividir una de estás en 3 piezas ensambladas.

Figura 67 Riel parte 1.

Figura 68 Riel parte 2.

Estas dos piezas ensambladas forman cada riel, uno de los rieles de la primera etapa. Para realizar el ensamblaje de los rieles, fue necesario utilizar placas de unión, cada riel utiliza dos de éstas piezas, mismas que se convierten en un punto crítico ya que son las que se someten a mayor esfuerzo al durante la operación, por lo que a continuación se muestran algunos resultados obtenidos en simulaciones.

Figura 69 Placa de

unión.


61

Figura 70 Resultados del desplazamiento.

Figura 71 Resultados de deformaciones.

El limite elástico de esta pieza es de 206,807,008 N/m^2 y cuando se realiza ésta simulación apenas se somete a 80,137,176 N/m^2 por lo que funcionará sin problemas. Esta pieza fue diseñada con acero, y se obtuvieron resultados muy favorables, de ésta forma se valida esta modificación permitiendo el maquinado de la misma.

Desplazamiento máximo de 0.022 mm es aceptable.

Limite elástico aceptable 8,137,176 N/m^2 de 206,807,008 N/m^2


62

Figura 72 Riel ensamblado.

En la imagen anterior se muestra como quedo finalmente los ensambles de ambos rieles, además es posible visualizar otras pequeñas modificaciones que se realizaron con la finalidad proporcionar mayor espacio al motorreductor y a las piezas encargadas de su montaje y sujeción a la estructura.

De este modo, la apariencia final de la primera etapa quedo diseñada de la

siguiente manera:

Figura 73 Primera etapa ensamblada.


63

Estructura superior

Esta segunda estructura cuenta con modificaciones poco notorias, pero de gran

utilidad porque fueron hechas con el fin de evitar desperdicios de material y por lo tanto disminuir el costo de fabricación.

Figura 74 Pieza “base eslabones”.

Esta última pieza mostrada estaba considerada como sólida de una sola pieza, sin

embargo se optó por fabricarla como un ensamblaje de una pieza de nylamid y una de


64

aluminio, disminuyendo bastante su costo de manufactura dado el elevado costo del primer material

Algunos resultados de la simulación bajo una carga de 150 kg (masa que supera en proporción de al menos 1.5 a la masa estimada que tendrá que soportar la pieza) se muestran a continuación:

Figura 75 Análisis de desplazamientos de pieza modificada.

Figura 76 Análisis de deformaciones en pieza modificada.

Cabe mencionar que estos valores fueron validados para su fabricación realizando una comparación con información previamente mencionada.

Desplazamiento máximo de 0.259mm es aceptable.

Limite elástico aceptable 26.4616MPa de 139,043 N/m^2 (MPa)


65

Diseño de poleas y ejes de transmisión.

La construcción de las poleas requiere de algunos datos que se tuvieron que obtener de las bandas dentadas (orugas de goma).

Se pudo identificar que la fisonomía de la banda utilizada estaba constituida por dos tipos de bandas “acopladas”. Se analizó la sección interior, que es la parte encargada de recibir la transmisión de potencia de las poleas y transmitirla así por medio de la sección exterior.

Revisando el catálogo de la marca “Gates”, se encontró la banda interna es de tipo

“power grip HTD”; estas bandas son fabricadas en tres tipos de pasos 8mm, 14mm y 20mm, siendo éste último el paso de esta implementación.

Tabla 27 Tabla estándar con ciertas especificaciones [36].


66

Con estos datos y otras dimensiones obtenidas, con mediciones directamente sobre

la banda se prosigue a realizar los cálculos para obtener las características de las poleas.

Datos: Figura 77 Vista lateral de la oruga de

goma (banda).

P=18mm (Paso)1 d=5mm a=15mm

=100mm2

Z=número de dientes

Partimos de la fórmula:

Si se despeja el número de dientes se puede obtener lo que se está buscando

(

)

Así sustituyendo datos se obtiene lo que sigue:

(

)

Con estos valores se determina fabricar 4 poleas dentadas con 18 dientes y 10cm

de diámetro exterior diente a diente, las cuales serán acopladas a los ejes de 1/2” y ¾”.

El eje delantero (figura 76), es fabricado de acero 304 y se acopla en sus extremos

a las dos poleas correspondientes con una chaveta de 3/16 (valor calculado en base a

1 Éste paso fue considerado dada la deformación presente al ser montada, más adelante se explica a detalle su deducción. 2 Diámetro propuesto en el diseño basado en la geometría del modelo y los requerimientos de potencia para el motor de desplazamiento

Tabla. 1. Tabla estándar con ciertas

especificaciones [36].

a d

P


67

las normas de DIN de chavetas y cuñeros). Este eje tiene especial importancia ya que es el encargado de realizar la transmisión de potencia proveniente del motor hacía el mecanismo de desplazamiento del prototipo.

El segundo eje cumple la función de completar el mecanismo de oruga como polea

“conducida”, ya que no involucra transmisión de potencia hacia el mecanismo de desplazamiento.

Figura 78 Polea y eje delantero.

Figura 79 Polea y eje trasero.

Como se observa en la página anterior, el cálculo del número de dientes se realizó con un paso de 18mm, ya que después de realizar pruebas con poleas 17 dientes, que es el valor resultante de realizar el cálculo con un paso de 20mm, se observó que no se conseguía un ajuste adecuado banda-polea, por lo que a “prueba y error” y después de analizar el comportamiento de la banda al colocarse sobre la poleas de 17 dientes, se llegó a la conclusión de que la deformación presente en la banda al tomar la forma


68

“redonda” sobre la polea disminuía el paso existente hasta 18mm, lo cual arroja el cálculo de 18 dientes en la polea para lograr un ajuste adecuado

Las pruebas realizadas en la manufactura de las “poleas de prueba” se realizaron

provisionalmente con material de recorte con la finalidad de no desperdiciar y generar aún más gastos. Se fabricaron pruebas con poleas de 16, 19 y 20 dientes antes de llegar a la conclusión (18 dientes), sin embargo ninguna de estas opciones funcionó debido a que los dientes no lograban encajar bien con la dentadura de la banda de goma.

SELECCIÓN DE ACTUADORES QUE CUMPLEN CON LOS

REQUERIMIENTOS.

Para la selección de los actuadores se realizó una seria de cotizaciones las cuales

de muestran y se detallan a continuación:

Tabla 28 Cotizaciones de motores y reductores.

Ninguna de estas opciones pasó los requisitos por diferentes inconvenientes

relacionados con la velocidad y el par. Dentro de los motores y motorreductores de la primera tabla se seleccionaron

preliminarmente motorreductores de la marca Bison, debido a su baja masa, sus dimensiones pequeñas, el alto par y baja potencia; sin embargo presentaban el inconveniente de que la empresa sólo surte pedidos de al menos 25 piezas, por lo que se descartó ésta posibilidad

Marca Tensión (Volts)

Potencia (HP)

Corriente (Amp)

Vel. (Rpm)

Par (Lb-in)

Costo

Transtecno (motorreductor)

12V 500 W 22.83 32 1239 € 450.60

Baldor (motor) 12V 1 62 35 1194 $ 630 U$D

Baldor (motor) 24V 1 30 35 1826 $620 U$D

Grainger (motorreductor)

90V ½ 4.2 20 1112 $1024 U$D

Leeson (motorreductor)

12V ¼ 21 8 1087 $ 1,250 U$D

Bison * (motorreductor)

12V 1/20 3 1.3 1100 $ 602 U$D

Bison * (motorreductor)

12V 1/8 10.2 6.9 1005 $ 558 U$D

Minimotor usa (motorreductor)

24V 200W 8 10 716 $ 615 U$D

Doga 12V ---- ----- ---- 1150 ---


69

Buscando en internet se consiguió un motor usado de la marca Bison, similar al que se había considerado y con un bajo costo, sin embargo presentaba el inconveniente de no cumplir con la velocidad angular requerida para satisfacer la velocidad lineal de desplazamiento de 9 cm/s bajo el diseño y la geometría propuesta en el mecanismo, entregando tan sólo una velocidad lineal de 2cm/s.

Se consideraron otros motores usados similares, los cuales se muestran a continuación:

Tabla 29 Motor y reductor usado.

Es importante mencionar que los motorreductores que se estaban buscando eran

poco comunes pero se podían ensamblar, lo que resultaba robusto y nada factible para el proyecto.

El primer motor presentado en la tabla se contemplaba adaptar una caja reductora

de la marca Baldor; sin embargo era poco favorable porque se conocían pocos datos del motor, lo que es primordial para la selección de la caja reductora (Potencia del motor, par, etc.), lo que se realizó para obtener los datos de dicho motor fue comparar algunas características con un manual de “Motor Power”, tipo Penta.

El motor de la marca tipo Doga es un motor que es utilizado para limpiaparabrisas

de autobús tipo Volvo, el inconveniente de este motorreductor era que no contaba con la placa del fabricante lo que hacía difícil su búsqueda para obtener datos, se encontró en la página de un fabricante la siguiente tabla.

Figura 80 Curva característica motor limpiaparabrisas.


Potencia (HP)

Corriente (Amperes)

Velocidad (Rpm)

Par (Lb-in)

Costo (Pesos)

Motor Power 12 1 62 1800 9.17 $700 Tipo Doga 12 1/4 26 25rpm 885 $4,000


70

Esta tabla corresponde a un motor de un fabricante Chino, es similar al de la marca doga, tiene el inconveniente que el par que se requiere en la curva característica del motor, éste valor se encuentra en los límites de su rango de operación, por lo que se optó por desechar esa posibilidad.

A final de cuentas, dada la dificultad encontrada para conseguir un motor que se

acercara al menos a los requerimientos del prototipo y al elevado costo de los pocos existentes, se decidió utilizar el motor usado de la marca Bison, por ser el más cercano a las características obtenidas de los cálculos efectuados y además por presentar la ventaja de tener una baja masa en comparación con las demás opciones consideradas.

Para el segundo actuador se había considerado un motorreductor de 61 Nm de par.

A continuación se muestran algunos motorreductores y motores contemplados.

Tabla 30 Motorreductores para levantar la masa.

Anteriormente se estableció realizar la tarea de elevación del usuario con la silla de

ruedas (segunda etapa) mediante la utilización de un sistema cremallera-piñón, este mecanismo se vio en la necesidad de ser modificado debido a la masa, dimensiones y perdida de energía generado por el contacto del piñón y la cremallera, es por eso que se buscó y se analizó que el uso de un actuador lineal, era capaz de realizar la misma tarea, además de que la masa de este se reduce en gran medida a comparación del sistema antes considerado.

Para la selección del actuador lineal se consideraron las siguientes características: Masa capaz de levantar: al menos 100 kilogramos. Alimentación eléctrica: 12 V de corriente directa. Desplazamiento mínimo de 5cm.

La masa de 100 kilogramos se considera tomando en cuenta el usuario, la silla de ruedas y la segunda etapa del prototipo

La alimentación de 12 Volts para poder utilizar la misma alimentación del motorreductor.

La carrera mínima considerada es suficiente para conseguir el desplazamiento relativo deseado entre las dos etapas del prototipo.


Potencia (HP)

Corriente (Amperes)

Velocidad (Rpm)

Par (Lb-in)

Costo (Dólares)

Motorreductor Limpiaparabrisas

12 72W 6 --- 40Nm $269

Baldor 12 ¼ 15 15 691 $500

Minimotorusa 12 230W 19 63Nm $615

Bison 12 1/20 4.7 4.5 620 $493

Transtecno 12 100W 8.3 18 70Nm $500


71

Se consideró un actuador de la marca Duff-Norton, por su gran utilización en la industria, pero este contaba con un costo muy elevado, por lo que se vio en la necesidad de buscar otras alternativas, como la utilización de un actuador lineal chino, el cual cuenta con las mismas características del actuador americano, pero a un menor consto.

De estos motores cotizados se esperaba obtener un motor que pudiera resolver el problema para levantar la masa de la silla con el usuario, pero se analizó y se llegó a la conclusión de que intentar resolver el problema de esta forma llevaría más tiempo y costos de fabricación debido a que se tendría que fabricar un mecanismo a base de tornillo sin fin (o cremallera) lo que provocaba un gran desperdicio de energía, sin embargo adaptar este tipo de mecanismos ocupaba mucho espacio y masa, por lo que se descartaron éstas opciones.

Finalmente se implementó un actuador de la marca Duff Norton [37], existen otras

marcas que posiblemente realicen la misma actividad, sin embargo se logró adquirir un actuador genérico con las mismas características.

Figura 81 Actuador lineal Duff-Norton

serie L.

Características del actuador Duff-Norton: Masa capaz de levantar: 225 lb (102.3 kg). Alimentación eléctrica: de 12 V de C. D. Desplazamiento mínimo de 2 pulgadas.

Ahora esta son las características del actuador alternativo:

Figura 82 Actuador genérico [38].

Características del actuador seleccionado: Características del actuador genérico; Masa capaz de levantar: 225 lb (102.3kg). Alimentación eléctrica: de 12 V de C. D. Desplazamiento: de 2 pulgadas.


72

Se puede notar que las el actuador alternativo cuenta con las mismas características.

Ahora se muestra una matriz de decisión para seleccionar el morotorreductor para

el desplazamiento

Tabla 31 Matriz de decisión para motor1.

Tabla 32 Matriz de decisión para actuador.


Potencia (HP)

Corriente (A)

Velocidad (Rpm)

Par (Lb-in)

Costo (Dólares)

opción

Peso (x100%) 0.15 0.1 0.1 0.05 0.3 0.3 1


0.5 0.5 0.4 0.5 0.01 0.5 0.34✘

Motor Baldor 0.5 0.8 0.05 0.8 0.8 0.05 0.45✘

Motorreductor Minimotorusa

0.5 0.5 0.3 0.8 0.01 0.3 0.28✘

Motorreductor Bison

0.5 0.9 0.8 0.1 0.8 0.3 0.58 ✔

Motorreductor Transtecno

0.05 0.1 0.1 0.8 0.9 005 0.48✘


Potencia (HP)

Corriente (A)

Velocidad (Rpm)

Par (Lb-in)

Costo (Dólares)

Opción x100%

Peso (x100%) 0.15 0.1 0.1 0.05 0.3 0.3 1


0.5 0.5 0.4 0.5 0.01 0.5 0.34✘

Motor Baldor 0.5 0.8 0.05 0.8 0.8 0.05 0.45✘

Motorreductor Minimotorusa

0.5 0.5 0.3 0.8 0.01 0.3 0.28✘

Motorreductor Bison

0.5 0.9 0.8 0.1 0.8 0.3 0.58✘

Motorreductor Transtecno

0.05 0.1 0.1 0.8 0.9 005 0.48✘

Actuador lineal 0.5 0.5 0.9 0.4 0.8 0.7 0.68✔


73

Caracterización de actuadores seleccionados.

Figura 83 Motorreductor (Anexo)

[39].

Marca: Bison Gear & Engineering Corp. Modelo: 011-562-3261 Tensión eléctrica: 12 VCD. Corriente consumida: 10.2 A. Potencia: 1/8 HP. Velocidad: 6.9 rpm. Par: 1005 lb-pulg. Relación de caja reductora: 261:1 Masa aproximada: 6 kg.

Figura 84 Actuador seleccionado.

Masa capaz de levantar: 225 lb (102.3kg). Alimentación eléctrica: de 12 V de C. D. Desplazamiento: de 2 pulgadas.

Figura 85 Estructura con modificaciones finales.


74

Elección de plataforma

Es importante recordar que para poder elegir un sistema de cómputo se deben de tener contemplado lo siguiente:

Velocidad de procesamiento, memoria, Numero de puertos, Cantidad de temporizadores, Si cuentan o no con la cantidad necesaria de puertos generadores de modulación por ancho de pulsos, etc.

La plataforma más común para aplicaciones son microcontroladores de la familia Microchip, después están los microcontroladores fabricados por ATMEL, Tarjetas como Arduino, etc.

Las plataformas AVR, dentro de la gama ATMEGA, tiene las siguientes características:

Diseñados con 131 instrucciones, mismas que tiene por objetivo optimizar el código generado en los compiladores de alto nivel.

Desarrollados con 32 registros de trabajo los cuales son de 8 bits cada uno, estos denominados R0,…, R31.

Velocidad de procesamiento, 20 millones de instrucciones por segundo, esto se alcanza cuando el sistema se configura para un reloj de 20 MHz, a diferencia de la plataforma PIC18, los cuales tiene un límite de 12Millones de instrucciones por segundo.

Tienen dos temporizadores (Timer0 y Timer1) el primero de 8bits y el segundo de 16bits, mismos que pueden trabajar con contadores o temporizadores o generadores de PWM.

Pueden hacer uso de un Timer2 de 8bits, parecido al Timer0, con la diferencia de que para operar necesitan de un XTAL externo de 32kHz en modo asíncrono.

Comparador analógico.

Un módulo TWI para comunicarse con el protocolo I2C, en modo maestro esclavo.

Un módulo SPI programable. Soporta los modos maestro esclavo.

Un conversor ADC de 10 bits, con hasta 8 canales de entrada.

Cuentan con un USART0: puerto serie transmisor Receptor Síncrono Asíncrono universal.

Operan con Tensiones de entrada de 1.8 V y 5.5 V. Mientras más alta sea la operación del AVR mas alto será el nivel de alimentación requerido, ejemplo para trabajar a la máxima frecuencia de 20MHz, Vcc debe tener un valor muy estable de 4.5V y 5V.

Un oscilador RC interno configurable como oscilador principal del sistema.

Tiene 6 modos “sleep”, para una mejor administración del consumo de energía.

Un detector de baja tensión de alimentación.

Un temporizador “Wachdog”.

Los megaAVR de la serie ATmegaXX8 tiene tres puertos de E/S (con 23 pines en total) y los megaAVR de la serie ATmegaXX4 tienen 4 puertos de entrada /salida (con 32 pines en total)


75

Básicamente es suficiente controlar el sistema con un microcontrolador, por lo tanto el AVR que se utilizara es un ATMEGA16, el cual se muestra en la siguiente figura.

Figura 86 ATEMEGA 16.


76

Sistema de control

Se realizó un primer control del motor de desplazamiento mediante el uso de un puente H diseñado con MOSFET’s para una tensión máxima de 24 volts y una corriente límite de 22 amperes, aislado por medio de optoacopladores, con el fin de separar el microcontrolador de la etapa de potencia, evitando provocar daños irreversibles a la plataforma de computo (en la sección de anexo se puede visualizar de mejor manera el esquemático).

La lógica de control se muestra en la tabla siguiente:

Tabla 33 Control únicamente de puente H (con pin habilitador en alto).

Dirección Salida

0 Dirección A

1 Dirección B

La utilización del puente H consiste en un bit de activación (habilitado), dos bits de control de giro (como se muestra en la tabla anterior) y un bit de control de velocidad (PMW).

Control (Encendido,

giro, velocidad)

Motor

CANAL N

CANAL P

Compuertas AND

Compuertas NOT

PIN 10

OPTOACOPLADOR

Habilitador_NEG

Dirección

PWM

Figura 87 Puente H con MOSFET's y optoacopladores (visualizar diagrama en anexo).


77

Para poder desarrollar los controladores, es importante saber qué características tienen los actuadores, en la sección anterior se mostraron los datos de cada uno, por lo que con esto es posible decir que el controlador propuesto es viable, ya que no rebasa el rango de operación del puente H (diagramas de los circuitos incluidos en la sección de anexo).

Se utilizó el circuito antes mencionado, se fabricó el controlador en una placa

fenólica, sin embargo el ancho de cada pista no fue suficiente para soportar corriente tan grande, por lo que se presentaron problemas al intentar implementar este puente H.

Esto dio a la tarea de fabricar un puente H a base de relevadores automotrices, garantizando así cualquier falla los relevadores utilizados fueron:

Figura 88 Relevador Buster.

Características: Aliemnetacion:12 V.C.D. Corriente: 30/40 Amp. 5 pines, (N.A. y N.C.) Para poder desarrollar el puente H se utilizaron dos relevadores, el diagrama se encuentra en la sección de anexo.


78

Sistema de alimentación

El sistema de alimentación es una de las partes más importantes del proyecto, por lo que se tuvieron algunas alternativas.

Tabla 34 Comparación de precios de baterías existentes en el mercado [32].

Tabla 35 Tabla de selección de baterías 1.

Modelo Costo

BATERIA RECARGABLE 12V/12AH VISION $474.138 MXN



BATERIA RECARGABLE 12V/12AH YUASA $545.690 MXN

BATERIA RECARGABLE 12V/12AH AG $468.103 MXN





BATERIA DE GEL 12V/18AH $737.069 MXN

BATERIA DE GEL 12V/26A $1212.931 MN

BATERIA RECARGABLE 12V/12AH PSONIC $702.586 MXN

BATERIA RECARGABLE 12V/18AH PSONIC $1057.759 MXN

PS12330 12VCD 33AH TECNOLOGÍA AGM $1222MXN+I.V.A.+ENVIO

PS12180 12VCD 18AH TECNOLOGÍA AGM $945MXN+I.V.A.+ENVIO

ALM-12V7-B 13.2V 4.6AH LiFePO4 $136.00 USD

TABLA DE DECISIONES (BATERIAS)

Marca Tecnología Tensión corriente costo

VISION GEL ✔ 12V ✔ 12A ✘ ✘

VISION GEL ✔ 12V ✔ 20A ✘ ✘

VISION GEL ✔ 12V ✔ 24A ✔ ✔

YUASA GEL ✔ 12V ✔ 12A ✘ ✘

AG GEL ✔ 12V ✔ 12A ✘ ✘

YUASA GEL ✔ 12V ✔ 18A ✘ ✘

AG GEL ✔ 12V ✔ 18A ✘ ✘

YUASA GEL ✔ 12V ✔ 24A ✔ ✘

AG GEL ✔ 12V ✔ 24A ✔ ✔

--- GEL ✔ 12V ✔ 18A ✘ ✘

--- GEL ✔ 12V ✔ 26A ✔ ✘

PSONIC GEL ✔ 12V ✔ 12A ✘ ✘

PSONIC AGM ✔ 12V ✔ 18A ✘ ✘

PSONIC AGM ✔ 12V ✔ 33A ✔ ✘

PSONIC AGM ✔ 12V ✔ 18A ✘ ✘

ALM-12V7-B LiFePO4 ✔ 13.2V ✔ 4.6A ✘ ✘

SmartBattery LiFePO4 ✔ 12.8 V ✔ 20A ✘ ✘


79

En la tabla anterior se pueden observar algunas baterías existentes en el mercado fueron consideradas en principio para tomar la decisión final.

Como alternativa que se tiene, adquirir baterías usadas de computadoras, o de otros dispositivos que demanden mayor corriente y realizar las configuraciones necesarias para la obtención de la tensión y corriente para alimentar al sistema.

En la sección de propuestas se había contemplado una batería de 12V 24 AH,

ahora para poder seleccionarla fue necesario realizar una matriz de decisiones con baterías más adecuadas para los requerimientos reales de voltaje y corriente que se presentan de acuerdo a la selección de motor y actuador (en la sección de anexo se pueden visualizar todas las baterías revisadas):

Tabla 36 Matriz de decisión para selección de materias.

Aquí se muestran los datos de la batería adquirida. Tensión nominal: 12 V

Corriente: 17 A

6 celdas Dimensiones:

Largo (pulgadas): 8,8 "

Ancho (pulgadas): 3.85 "

Altura (pulgadas): 6,5 "

Masa: 7 libras. Tiempo de descarga según el uso:

20 horas funcionando a (0.85 A, 10.5 V)


5 horas funcionando a ( 2.98 A, 10.5 V)


Continua máxima de descarga 20A

Tensión de carga: 13.5v

Vida útil: 5 anos

Modelo Tecnología Potencia Tensión Corriente Descarga Opción x100%

Pesox100% 0.1 0.2 0.2 0.25 0.25 1

BAT.VISION CP12170D

0.6 0.5 0.7 0.8 0.8 0.7✔

BAT.VISION CP12120

0.6 0.4 0.7 0.6 0.7 0.6✘

BAT.YUASA 0.4 0.3 0.7 0.6 0.6 0.54✘

BAT.PSONIC 0.5 0.6 0.5 0.5 0.7 0.57✘


80

Otro factor importante considerado en la selección fue el costo

Figura 89 Batería de GEL (CP12170D) [40].

Esta batería la que finalmente se seleccionó por cumplir con las demandas del prototipo. A continuación se muestra la gráfica de descarga de la batería de GEL seleccionada:

Figura 90 Curva característica de la batería.


81

Cargador de batería Otro reto presentado en este proyecto fue la realización de un cargador para la batería antes mencionada, tiene la característica de que no requiere de una persona que se encargue de apagar o de desconectar la línea de alimentación, ya que requiere ser calibrado para que se desconecte una vez que se llegue a un carga requerida, y viceversa comienza a cargar la batería una vez que este llegue a una tensión de descarga.

Figura 91 Esquemático cargador de batería.


82

Sensores Sensor de velocidad

Para conocer la velocidad de desplazamiento presente en el prototipo en todo momento, se realizó un arreglo sencillo con un sensor infrarrojo de presencia, el cual consiste en un emisor y un receptor emparejados y alineados dentro del encapsulado; además de un círculo “binarizado” que se colocó sobre el eje de la polea motriz de la oruga de caucho (eje delantero); el sensor utilizado fue el QRD1114 de Fairchild Semiconductor® (Datasheet QRD1114)

Figura 92 Sensor y esquemático.

Figura 93 Configuración.

Fototransistor Diodo Infrarrojo.

PIN 1 – Emisor PIN 3 – Ánodo PIN 2 – Colector PIN 4 – Cátodo

Figura 94 Medición del sensor.

6 cm de diámetro Se toma medición del sensor a 3 cm del centro de rotación


83

A través del tiempo que demoran en presentarse dos pulsos positivos (blanco) se obtuvo la velocidad lineal del dispositivo por medio de la siguiente ecuación:

donde:

La velocidad máxima de conmutación que presenta este sensor es de , por lo

que con éste método podríamos medir una velocidad angular máxima de

,

que medidos sobre el radio de 3 cm es igual a una velocidad lineal de

, por lo

que en este sentido el arreglo es adecuado para la implementación, ya que la velocidad

propuesta se encuentra alrededor de los 5

El AVR implementado tomó las muestras de tiempo de la conmutación del sensor

infrarrojo por medio de una interrupción externa, que actuó como bandera para leer el tiempo transcurrido en un Temporizador, que se aplicó en la fórmula descrita anteriormente.

SENSOR DE CORRIENTE

La medición de la corriente presente en el funcionamiento de los motores resulta importante para asegurar que no se sobrepasen los límites de operación preestablecidos, bajo los cuales se asegura un ciclo de trabajo controlado y estable.

Este valor de la corriente presente en el circuito se llevará a cabo por medio de la implementación del integrado ACS715, el cuál entrega una respuesta altamente lineal en voltaje, proporcional a la corriente que recibe.

El rango de medición que soporta es de Amperes, por lo que es adecuado para los niveles de corriente que estarán presentes en el funcionamiento de los

Figura 95 Configuración del C. I.


84

motores elegidos para esta implementación. En la figura se muestra la conexión típica del ACS715, donde es la corriente a medir.

Figura 96 ACS715 Sensor de corriente 0 a 30 A [41].

Figura 97 Rangos de operación.


85

SENSOR DE INCLINACIÓN

Con respecto al monitoreo de la inclinación, las mediciones se realizarán mediante un acelerómetro MMA7361L, el cuál entrega un voltaje analógico de las aceleraciones presentes en cada una de los ejes cartesianos. Aprovechando esta característica, se toman las componentes en el eje X (dirigido hacia el sentido de desplazamiento del prototipo) y en el eje Z (dirigido en la dirección de la aceleración de la gravedad cuando el prototipo está en reposo sobre una superficie plana) para definir el ángulo de inclinación al cuál se encuentra el prototipo y restringir así su funcionamiento a 35° máximo, que es la condición bajo la que se realizó el diseño.

Figura 99 Referencia y diagrama de apoyo.

Figura 98 MMA7361L Acelerómetro 3

ajes analógico [42].

Z

X

1g

Y

Z

X

Reposo: (vista lateral) X=0 Y=0 (entrando) Z=-g

Donde: Ø=arctan(Ax/Az)

Ax

X

ø Z

Az


86

Simulaciones de sensores

A continuación se muestran algunas simulaciones realizadas en”Proteus” las cuales son de los sensores de corriente, estado del sistema de alimentación, y del acelerómetro.

Figura 100 Simulaciones estado batería.

La imagen mostrada simula el comportamiento del microcontrolador el cual lee el

nivel de la batería, esto se muestra en una secuencia de indicadores que se encuentran configurados en binario.

Esta simulación que se muestra a continuación realiza la medición de corriente, esto

también puede ayudar a detectar si algún actuador se está forzando.

Así como esta simulación presentada se realizó para cada sensor, a continuación se muestran imágenes capturadas de las conexiones.

10% La visualización es de 10 en binario


87

Figura 101Simulación medición de corriente.

Figura 102 Simulación de acelerómetro.


88

Figura 103 Sensor de corriente.

Aquí se visualiza como se realizó la simulación de cada uno de los sensores mediante un convertidor analógico digital. Gracias a las simulaciones se pudo garantizar el buen funcionamiento de la parte electrónica.


89

CONCLUSIONES

TRABAJO TERMINAL I Hasta aquí se contaba con el diseño de prácticamente todas las piezas que forman

parte de la estructura del prototipo, con la excepción de pequeños eslabones o uniones que sirvieron como sujeción, sin embargo las dimensiones adecuadas de estas piezas fueron determinadas de acuerdo a los requerimientos encontrados al momento de realizar pruebas sobre el la estructura completamente ensamblada.

Basándose en los resultados obtenidos en las simulaciones de los elementos

críticos del diseño, se decidió la utilización de Aluminio 6061-T6 o similar para la fabricación de la mayor parte de las piezas dadas algunas propiedades que presenta, tales como su peso específico, alto modulo elástico, baja fragilidad, etc. El Acero 304 o Acero 310 presenta características de alta resistencia y un módulo elástico 3 veces mayor al del aluminio, por lo que se seleccionó para la fabricación de las piezas que serán sometidas a esfuerzos muy altos donde se requiere asegurar la resistencia.

En cuanto a las orugas de goma, fueron seleccionadas las más adecuadas para el

proyecto dadas las dimensiones y el material de fabricación, además de que el diseño facilita su montaje en el prototipo.

Los motores que cumplen con los requerimiento mínimos obtenidos en los cálculos en la sección de mecánica para hacer funcionar el sistema fueron presentados en el desarrollo, sin embargo dado el alto costo de la mayoría de ellos, se optó por opción de buscar motores o motorreductores “usados” que cumplan también con las especificaciones que se necesitaban, o de ser necesario adaptar a ellos una caja de reducción adecuada para conseguir las características deseadas.

La alimentación dependía de la elección de los motores, por lo que se

necesitaban 12V; de este modo se utilizó una batería de 12V capaz de entregar la corriente requerida dependiendo del motor adquirido para implementarse en el prototipo y que presentara corriente de descarga continua, evitando así el mal funcionamiento de los motores.

La electrónica necesaria para hacer funcionar el prototipo estaba completa;

sensores, plataforma de computo, control de los motores (puente H), lógica de funcionamiento fueron determinados, sin embargo cabe mencionar que aún faltaba realizar las pruebas pertinentes sobre el funcionamiento del prototipo ensamblado, lo cual revelaría la necesidad de realizar algunas modificaciones o correcciones en alguna o algunas de las características determinadas hasta ese momento.


90

TRABAJO TERMINAL II Durante la etapa de construcción se presentaron diferentes tipos de problemas que

llevaron a la modificación y rediseño de varias de las piezas contempladas en Trabajo Terminal I, con la finalidad de reducir costos lo más posible sin sacrificar la funcionalidad y correcta construcción del prototipo.

Una de las principales alteraciones fue el cambio del mecanismo de elevación de la

segunda etapa del prototipo que soporta la silla de ruedas y al usuario, el cual se tenía contemplado como un motorreductor acoplado a un mecanismo piñón-cremallera para lograr el desplazamiento vertical, sin embargo se decidió finalmente utilizar un actuador lineal que, además de tener un costo reducido en comparación al precio estimado por la implementación del motor y el mecanismo de desplazamiento vertical, presentó una ganancia de tiempo en la fabricación de dicho mecanismo y una menor dificultad en el montaje del mismo entre las dos etapas del prototipo.

Como se mencionó antes se redujo la velocidad de desplazamiento propuesta del

prototipo, con la finalidad de adecuarse al motor que pudo adquirirse a un precio bajo en comparación a las cotizaciones que se obtuvieron de más de 10 proveedores y opciones diferentes de compra.

En cuanto a la electrónica propuesta se decidió cambiar el sensor encargado de la

medición de la inclinación del prototipo. En principio se propuso realizar dicha lectura por medio de un sensor de inclinación de 4 posiciones (90 grados cada una) colocado de forma tal que permitiera saber el momento en el que se superara la inclinación máxima de 35° para la cual fue diseñado el dispositivo, sin embargo se optó por utilizar un acelerómetro analógico para obtener una medida más certera de la inclinación presente en todo momento y asegurar así un monitoreo más confiable de dicha condición.

El control pensado para inspeccionar la velocidad del dispositivo y mantenerla por

medio de un PWM en los 9 cm/s propuestos inicialmente deja de ser indispensable por el hecho de que dicha velocidad de desplazamiento tuvo que ser reducida dada la dificultad presentada para adquirir un motor con las características requeridas (la modulación de ancho de pulsos está trabajando siempre a un 100% de ciclo de trabajo ya que nunca se alcanzará siquiera la velocidad límite), sin embargo la medición constante de la velocidad y la modulación de ancho de pulsos para controlar dicha magnitud se mantuvo dentro del diseño eléctrico, pensando en trabajo a futuro que permita desarrollar dicho control por medio de la alteración del mecanismo de desplazamiento, la implementación de un motorreductor con mayor velocidad, reducción de la masa total de la estructura o alguna otra modificación pertinente.

El cargador de batería implementado presentó un funcionamiento adecuado bajo las

condiciones de “cargado” y “descargado” establecidas, las cuales estuvieron basadas en el voltaje presente en las terminales de la batería de acuerdo a la teoría de funcionamiento, carga y descarga de las baterías de tecnología GEL y las


91

características brindadas por la marca VISION. Cabe mencionar que el circuito implementado permite una modificación de dichas condiciones de corte y encendido del suministro de recarga, por lo que puede ser calibrado con facilidad en caso de considerarse necesario para efecto de prolongar la vida útil de la batería, considerando que dadas las condiciones actuales de trabajo del prototipo, un 50% de carga presente en la batería asegura al menos 15 minutos de funcionamiento continuo (ésta condición fue utilizada como carga mínima requerida para permitir la operación del sistema).

Para la medición de la carga existente en la batería, que se realizó midiendo

directamente el voltaje en las terminales para después aplicar valores estadísticos de funcionamiento y conocer así el porcentaje de energía y el tiempo restante estimado de operación adecuada del prototipo según el comportamiento en descarga de la batería, se deja como trabajo a futuro la implementación de un sistema de mayor precisión para obtener dichos valores.

En general se puede concluir que existen pequeñas modificaciones sobre el diseño

y operación propuestos que fueron realizadas por razones de costo, diseño, acoplamiento y ensamblaje, etc.; sin embargo el prototipo realiza satisfactoriamente su tarea primordial que es la de ascender y descender sobre una escalera a una persona en silla de ruedas, por lo que se cumple con los objetivos planteados en Trabajo Terminal I, como trabajo a futuro, además de los aspectos mencionados anteriormente, se propone la adecuación del dispositivo para soportar el funcionamiento con una masa de usuario mayor al obtenido en este prototipo (80kg.) y el desarrollo de un mecanismo de acoplamiento silla-mecanismo capaz de permitir el uso de sillas de ruedas con diseños menos convencionales.


92

CRONOGRAMA Estructura tentativa del cronograma de actividades del desarrollo del prototipo

especificado:

Semanas de Actividad Primera Etapa (TT1)

25 F

eb

-1 M

ar

4M

ar

- 8 M

ar

11 M

ar

- 15 M

ar

18 M

ar

- 22 M

ar

25 M

ar

- 29 M

ar

1 A

bri

l -

5 A

bri

l

8 A

bri

l -

12 A

bri

l

15 A

bri

l -

19 A

bri

l

22 A

bri

l -

26 A

bri

l

29 A

bri

l -

3M

ay

6 M

ayo -

10 M

ayo

13 M

ayo -

17

Mayo

20 M

ayo -

24

Mayo

27 M

ayo -

31

Mayo

Elección de motores

Elección y/o diseño de orugas

Diseño de engranes

Diseño de sistema de alimentación

Elección de plataforma de computo

Elección de sensores

Diseño de circuitos y etapa de potencia

Tabla. 2. Cronograma Febrero 2013 – Junio 2013.

Semanas de Actividad Segunda etapa (TT2)

5 A

go. – 9

Ag

o.

12 A

go. – 1

6 A

go.

19 A

go. – 2

3 A

go.

26 A

go. – 3

0 A

go.

2 S

ep. – 6

Se

p.

9 S

ep. – 1

3 S

ep.

16 S

ep. – 2

0 S

ep.

23 S

ep. – 2

7 S

ep.

30 S

ep. – 4

Oct

7 O

ct

– 1

1 O

ct

14 O

ct

– 1

8 O

ct

21 O

ct

– 2

5 O

ct

28 O

ct

– 1

No

v

4 N

ov –

8 N

ov

11 N

ov –

15 N

ov

18 N

ov –

22 N

ov

25 N

ov –

29 N

ov

2 D

ic –

6 D

ic

Construcción de estructura

Construcción de engranes

Ensamble de orugas-estructura

Acoplamiento de motores-estructura

Construcción de sistema de alimentación

Ensamble del Sistema de Alimentación-estructura

Construcción de circuitos-sensores

Acoplamiento circuitos-estructura

Programación de sistema

Pruebas Tabla. 3. Cronograma Agosto 2013 – Diciembre 2013.


93

REFERENCIAS

[1] INEGI. Censo de Población y Vivienda 2010, Cuestionario ampliado. Estados Unidos Mexicanos/Población con discapacidad. http://www3.inegi.org.mx/sistemas/TabuladosBasicos/Default.aspx?c=27303&s=est [2] INEGI. Censo de Población y Vivienda 2010, Cuestionario ampliado. Estados Unidos Mexicanos/Población con discapacidad/Población con limitación en la actividad y su distribución porcentual según causa para cada tamaño de localidad y tipo de limitación. http://www3.inegi.org.mx/sistemas/TabuladosBasicos/Default.aspx?c=27303&s=est [3] INEGI. Censo de Población y Vivienda 2010, Cuestionario ampliado. Estados Unidos Mexicanos/Población con discapacidad/Población con limitación en la actividad y su distribución porcentual según causa para cada entidad federativa y tipo de limitación. http://www3.inegi.org.mx/sistemas/TabuladosBasicos/Default.aspx?c=27303&s=est [4] Catálogo online Stairmax http://www.lehner-lifttechnik.at/es/products/Stairmax/ [5] Catálogo online Garaventa http://www.garaventalift.com/brochures/stair-trac.bro.pdf [6] catalogo de VIMEC http://www.valera.es/index.php?montaescaleras&seccion=productos-detalle&categoria=16 [7] Catalogo SUARCOM México. http://suarcom.wix.com/elevador#!productos/vstc1=plataformas-inclinadas [8] Catálogo de distribuidor wendi. http://www.salvaescaleras.info/productos/curvas/acorn80/ [9] Catálogo de distribuidor wendi. http://www.salvaescaleras.info/productos/scalacombi/ Catálogo online Hummel http://www.hummel.com.ar/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_id=81&Itemid=53&vmcchk=1&Itemid=53 [10] Trabajo Terminal Mecatrónica, ”Mecanismo Semiautomático para ascender y descender escaleras” No. De Protocolo 43-0743 Biblioteca UPIITA – IPN México DF 2011

http://www3.inegi.org.mx/sistemas/TabuladosBasicos/Default.aspx?c=27303&s=est



http://www.lehner-lifttechnik.at/es/products/Stairmax/

http://www.valera.es/index.php?montaescaleras&seccion=productos-detalle&categoria=16

http://www.valera.es/index.php?montaescaleras&seccion=productos-detalle&categoria=16

http://suarcom.wix.com/elevador#!productos/vstc1=plataformas-inclinadas

http://www.salvaescaleras.info/productos/curvas/acorn80/

http://www.salvaescaleras.info/productos/scalacombi/

http://www.hummel.com.ar/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_id=81&Itemid=53&vmcchk=1&Itemid=53

http://www.hummel.com.ar/index.php?option=com_virtuemart&page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_id=81&Itemid=53&vmcchk=1&Itemid=53


94

[11] KAMENETZ, Herman L. et Georgette Kamenetz. Dictionnaire de médecine physique de rééducation et réadaptation fonctionnelles, Paris, Maloine, 1972, 205 p., p. 143 [12] Silla de ruedas cromada con ruedas inflables, Catálogo online Pronamed http://www.pronamed.cl/index.php?main_page=product_info&cPath=2_35&products_id=74 [13] Silla de ruedas Gades Silver, rueda de 600 mm, Catálogo online Saniprix http://www.saniprix.com/FichaArticulo~x~SILLA-DE-RUEDAS-GADES-SILVER-RUEDA-DE-600-mm~IDArticulo~340~lang~EN.html [14] Alquiler de sillas de ruedas, Catálogo online Ajutec http://www.ajutec.cat/inici/castellano/sillas-de-ruedas/ [15] Diseño de elementos de máquinas. Cuarta edición, Robert L. Mott, P.E. Pearson [16]Teoría y problemas de Diseño de máquinas A. S. Hall, A. R. Holowenco, H. G. Laughlin Pág. 113. [17] Diseño de máquinas. Hall- Holowenco y Laughlin. Seria SHAUM Código ASME, Pág. 114 [18] Fundamentos de diseño para ingeniería mecánica. Robert C. Juvinall. LIMUSA NORIEGA EDITORES, segunda reimpresión. Pág. 592 [19] Fundamentos de diseño para ingeniería mecánica. Robert C. Juvinall. LIMUSA NORIEGA EDITORES, segunda reimpresión. Pág. 596-598, Diseño de elementos de máquinas, Robert L. Mott, P. E. PEARSON Educación. Cuarta Edición. Pág. 432-436 y http://www.mecapedia.uji.es/chaveta.htm [20] http://www.construmatica.com/construpedia/Tipos_de_Aluminio_según_Aleaciones [21] http://www.utp.edu.co/~publio17/aceroalC.htm [22] Fundamentos de la ciencia de los materiales (William F. Smith & Javad Hashemi), cuarta edición [23] http://prontus.uv.cl/pubacademica/pubprofesores/o/pubolivaresmiguel/site/artic/20120418/asocfile/duv_291_unidad_iii_ppt_n_2_ano_2012.pdf [24] J. R. Cogdell, “Motores de corriente directa”, en Fundamentos de máquinas Eléctricas, México: Pearson Educación, 2002.

http://www.pronamed.cl/index.php?main_page=product_info&cPath=2_35&products_id=74

http://www.pronamed.cl/index.php?main_page=product_info&cPath=2_35&products_id=74

http://www.saniprix.com/FichaArticulo~x~SILLA-DE-RUEDAS-GADES-SILVER-RUEDA-DE-600-mm~IDArticulo~340~lang~EN.html

http://www.saniprix.com/FichaArticulo~x~SILLA-DE-RUEDAS-GADES-SILVER-RUEDA-DE-600-mm~IDArticulo~340~lang~EN.html

http://www.ajutec.cat/inici/castellano/sillas-de-ruedas/

http://www.mecapedia.uji.es/chaveta.htm

http://www.construmatica.com/construpedia/Tipos_de_Aluminio_según_Aleaciones

http://www.utp.edu.co/~publio17/aceroalC.htm

http://prontus.uv.cl/pubacademica/pubprofesores/o/pubolivaresmiguel/site/artic/20120418/asocfile/duv_291_unidad_iii_ppt_n_2_ano_2012.pdf

http://prontus.uv.cl/pubacademica/pubprofesores/o/pubolivaresmiguel/site/artic/20120418/asocfile/duv_291_unidad_iii_ppt_n_2_ano_2012.pdf


95

[25] Asociación española para la promoción de vehículos eléctricos y no contaminantes. http://www.avele.org/index.php?option=com_content&view=article&id=21&Itemid=26 [26] http://www.limn2o4.com/ [27] Guía de usuario, catalogo A123. http://www.buya123batteries.com/v/vspfiles/images/a123/406017-001_ALM_12V7_Users_Guide.pdf [28] Página oficial de microchip [http://www.microchip.com [29] Página oficial de ATMELhttp://www.atmel.com/products/AVR/ [30] Mecánica vectorial para ingenieros: Dinámica. Russell C. Hibbeler, décima edición, PEARSON EDUCACIÓN. [31] Ingeniería mecánica “Estática”. William Riley y Leroy Sturges. Editorial Reverté S.A. [32] Catalogo de bandas http://spanish.alibaba.com/product-gs/atv-suv-rubber-track-system-kits-575298830.html [33] Página española de motores Transtecno. http://www.transtecno.com/es/motorreductores/corriente-continua/stock/ [34] Tienda en línea http://www.robotmarketplace.com/products/NPC-T74.html [35] página de PROMESA http://www.promesadecv.com/126501.html [36] http://www.ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn121.html [37] Catalogo Duff-Norton http://www.duffnorton.com/Public/18790/09_LT.pdf [38] Producto en venta en ebay.http://www.ebay.com/itm/330766925725 [39] Catalogo BisonGear http://www.bisongear.com/products/hollow-shaft-offset-gearmotors/562-dc/011-562-3401.html [40] Hoja de especificaciones. http://baterias.com.ar/pdf/vision/CP12170D.pdf [41] Producto en venta en Robodacta http://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=71

http://www.avele.org/index.php?option=com_content&view=article&id=21&Itemid=26

http://www.limn2o4.com/

http://www.buya123batteries.com/v/vspfiles/images/a123/406017-001_ALM_12V7_Users_Guide.pdf

http://www.buya123batteries.com/v/vspfiles/images/a123/406017-001_ALM_12V7_Users_Guide.pdf

http://www.microchip.com/

http://www.atmel.com/products/AVR/

http://spanish.alibaba.com/product-gs/atv-suv-rubber-track-system-kits-575298830.html

http://spanish.alibaba.com/product-gs/atv-suv-rubber-track-system-kits-575298830.html

http://www.transtecno.com/es/motorreductores/corriente-continua/stock/

http://www.robotmarketplace.com/products/NPC-T74.html

http://www.promesadecv.com/126501.html

http://www.ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn121.html

http://www.duffnorton.com/Public/18790/09_LT.pdf

http://www.ebay.com/itm/330766925725

http://www.bisongear.com/products/hollow-shaft-offset-gearmotors/562-dc/011-562-3401.html

http://www.bisongear.com/products/hollow-shaft-offset-gearmotors/562-dc/011-562-3401.html

http://baterias.com.ar/pdf/vision/CP12170D.pdf

http://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=71


96

[42] Producto en venta en Robodacta http://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=85

http://www.robodacta.mx/index.php?dispatch=products.view&product_id=85


ANEXO


98

Ensamble de estructura final.

Estructura completa


99

Análisis de estructura superior.

Desplazamiento máximo de 0.09925 mm


100

Dimensiones del motorreductor Bison[39].


101

Imágenes reales obtenidas de avances durante el ensamblaje del prototipo.

3 3


102


103


104

Esquemático de Puente H Basada en Relevadores. i


105

Esta imagen únicamente se anexa para visualizar el funcionamiento de la electrónica, sin embargo este circuito no fue usado ya que se tomó la decisión de utilizar relevadores los cuales pueden soportar mayor corriente.

Control (Encendido, giro,

velocidad)

Motor

CANAL N

CANAL P

Compuertas AND

Compuertas NOT

PIN 10

OPTOACOPLADOR

Habilitador_NEG

Dirección

PWM


106

Esquemático de placa principal.


107

Esquemático cargador de batería.


108

Placas finales.

Cargador de batería


109

Puente H (Placa de acondicionamiento para Relevadores y relevadores)

escaleras rectas para personas en sillas de ruedas”

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