PROYECTO FINALDISEÑO DE UNA SILLA DE RUEDAS PARA DEPORTISTAS DE BALONCESTO

PROFESIONAL

Jhezica Araujo Cód: 2056371, Miguel Benavides Cód: 2060596Esteban Bravo Cód: 2055384, Claudia Méndez Cód: 2035767

Profesor: Oscar Campo

Universidad Autónoma de OccidenteFacultad de ingenierías

Departamento de automática y electrónicaDiseño Biomecánico I

Cali, Noviembre de 2009

Pese a la gran cantidad de deportistas que se encuentran en situación de discapacidad, se consideró la posibilidad de diseñar un sistema ligero y útil para la práctica de deportes, específicamente para la práctica de baloncesto; en donde se deben considerar todos los aspectos que trae consigo una discapacidad de miembros inferiores.

Además se debe considerar que éste tipo de ayudas están dirigidas a diferentes tipos de usuarios que se clasifican dentro de su estado de discapacidad, debido a que existen deportistas con diferentes estados de discapacidad como por ejemplo deportistas parapléjicos con lesiones diferentes de columna, deportistas con amputación transfemoral e incluso amputados femorales intertrocanterianos; es decir que tienen un muñón muy pequeño, etc. Debido a esta situación y dependiendo del nivel de lesión muchos de estos deportistas no pueden inclinarse hacia los dos lados sin perder el equilibrio, mantener el equilibrio cuando se tiene contacto físico con otro deportista sin ayuda de los miembros superiores, inclinarse hacia los costados sin por lo menos sujetarse a un apoyo y demás limitaciones a la hora de practicar este deporte.

Por tal razón es necesario diseñar una silla de ruedas que les permita a este tipo de pacientes desempeñarse de manera óptima sin aumentar su categoría de desempeño en el juego; para ello es necesario tener en cuenta que la silla de ruedas les debe proporcionar estabilidad y además debe contar con un buen sistema de sujeción en donde se le permita al deportista tener sus pies y piernas sujetas a la silla de ruedas, para el caso de los pacientes con amputación femoral intertrocanteriana se debe tener una sujeción que permita sujetar la parte pélvica a la silla. Seguidamente, se debe tener en cuenta la óptima ubicación del deportista en la silla de ruedas y la relación que tiene esto con la movilidad y desempeño en el juego; por tal razón se debe posicionar las piernas en un soporte que garantice que la posición de las rodillas se encuentren levemente elevadas por encima de la altura de la cadera para maximizar la velocidad, el soporte y la estabilidad del deportista.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL SISTEMA

Ésta silla de ruedas es diseñada para la practica de baloncesto de personas en situación de discapacidad; dispone de un diseño ergonómico, ligero y ajustable que permite al deportista un desempeño más óptimo.

En cuanto a sus especificaciones técnicas, consta de un conjunto de subsistemas tales como sistema de rodamiento, sistema de sujeción, sistema de apoyo, sistema de soporte, sistema protección y finalmente un sistema de seguridad (antivuelco), los cuales se detallaran mas adelante.

Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, se propone el diseño que presentaremos a continuación:

Fig. 1: Diseño general de la silla de ruedas

DESCRIPCION POR SUBSISTEMAS

Fig. 2: División por subsistemas de la silla de ruedas

Características de la silla de ruedas:

Características generalesEstabilidad Gran estabilidad, ya que su estructura de soporte no es flexible.Estructura Ligera, rígida y con armazón que brinda seguridad antivuelco.Posición del torso Angulo entre caderas y torso de 75°.Posición de los pies Ángulo de flexión de las rodillas de 75°.Tamaño Considerable, permite accesibilidad a espacios angostos.

Tapizado Fijado a la estructura con velcro, para extraerlo para su posterior limpieza.

Nota: Para diseñar la silla de ruedas se deben tener en cuenta el promedio de las medidas antropométricas de los deportistas o potenciales usuarios de la misma, las cuales se encuentran listas en estudios anteriores.

Medidas antropométricas (mm):

Consideraciones para el diseño:

a. Ancho del asientob. Profundidad del asientoc. Altura del espaldard. Altura delanterae. Largo totalf. Altura trasera

Posteriormente se presenta con más detalle el proceso de diseño llevado a cabo para la silla de ruedas de baloncesto, en donde se considerarán aspectos importantes y determinantes como las fuerzas, los esfuerzo y demás.

A continuación, se desglosará la silla en algunos de sus subsistemas con sus respectivos diagramas de cuerpo libre, con la finalidad de realizar el análisis de cargas y esfuerzos en condiciones estáticas por medio de un conjunto de ecuaciones que permiten determinar los requerimientos funcionales, geométricos y de materiales para garantizar un buen diseño de la silla de ruedas; además se tendrán en cuenta las ecuaciones de diseño, como el calculo del factor de seguridad, esfuerzos, etc.:

Ecuaciones generales para el diseño de los subsistemas:

= Esfuerzos principales.

= Esfuerzo de flexión.

= Esfuerzo de torsión.

= Limite elástico a la tensión.

= Factor de seguridad.

= Probabilidad de falla en un periodo de 10 años.

= Momento de inercia.

= Momento máximo.

= Centroide de la sección transversal.

= Segundo momento de inercia.

= Diámetro externo.

= Diámetro interno.

Nota: Es importante recalcar que el valor de Z se obtuvo empleando la herramienta de EXEL de la distribución normal estándar inversa (DISTR.NORM.ESTAND.INV), empleando la probabilidad de falla como el valor determinante para obtener Z.

Nota: Es necesario aclarar que algunas de las partes de los subsistemas son de carácter comercial y por tal razón se debe recurrir a las marcas comerciales existentes (mas adelante se presentará la selección de dichas piezas).

1. Subsistema de apoyo (Silla y reposapiés): Ofrece estabilidad y apoyo de las fuerzas internas y externas (paciente).

Este subsistema soporta la carga que ejerce directamente el usuario sobre la silla, en dondes se considera escencialmente la carga distribuida de su peso.

Este subsitema esta constituido por un cojin que está fabricado de un material especial para la comodidad del deportista, además la parte del soporte de los pies está diseñada considerando todas las posibles fuerzas generadas por el usuario en condiciones estáticas.

Piezas:

a. Cojín antiescarasb. Plataforma del reposapiésc. Espaldar del sistema de apoyo

Fig. Asiento

Fig. Cargas en el reposapies

Funciones de singularidad:

Remplazando X=L+; V(x)=0

Por la simetría de los elementos A=B

2. Subsistema de sujeción (a -pies, b -cintura, c -piernas): Brinda un mejor ajuste de las extremidades inferiores del usuario a la silla para evitar cualquier movimiento de las piernas del usuario, además ofrece un mejor enganche de los pies a la plataforma de soporte. Así mismo, la silla posee un método de agarre silla- paciente por medio de un cinturón a nivel pélvico.

Piezas:

a. Calzapies del sistema de sujeciónb. Cinturón de agarre a nivel pélvicoc. Cinturón de agarre a nivel medio de la piernad. Tornillose. Tuercas

3. Subsistema de soporte (Estructura base de la silla): Brinda mayor confiabilidad al usuario y en este recae todo el peso de la persona.

Piezas: a. Barras.b. Tornillos.c. Tuercas.

4. Subsistema de seguridad (antivuelco): Provee estabilidad en caso de que las cargas estén concentradas en la parte delantera trasera de la silla; ofreciéndole confiabilidad al usuario en el momento de juego.

Piezas:a. Rueda trasera del sistema de antivuelco (Posee el mismo principio de

las ruedas del subsistema de rodamiento)b. Tornillosc.Tuercas

5. Subsistema de rodamiento: Provee la movilidad y/o desplazamiento del usuario; Para el caso de las ruedas grandes, éstas son las que trasmiten la propulsión del sistema generada por el usuario.

Piezas:a. Tornillob. Tuercac. Sujetador del sistema de rodamiento para ruedas pequeñasd. Rueda pequeñae. Rueda grandef. Rin del sistema de rodamiento de la rueda grandeg. Eje del sistema de rodamientoh. Anclaje del soporte al sujetador de la rueda pequeñai. Anclaje eje – rueda grande

Fig 4. Cargas sobre la barra del sistema de rodamiento

Funciones de singularidad

Remplazando X=L+; V(x)=0

Por la simetría de los elementos Ra=Rb

6. Subsistema de protección: Ofrece seguridad al usuario en el momento de algún choque en cualquier circunstancia del juego. evitando el contacto entre jugador y jugador.

Piezas: a. Barras.b. Tornillos c. Tuercas.

Consideraciones generales del material:

Es necesario resaltar que las sillas de ruedas deportivas cumplen con caracterísitcas específicas como su peso liviano, ya que de esto depende tambien el desempeño del deportista; por tal razón se usa comunmente el aluminio ya que éste es un material que provee además de caracterisitcas de peso liviano, una dureza según el tipo de aleacion que tenga. El aluminio, sin embargo, es menos flexible y más frágil que el acero; acero esto se puede reforzar usando un diámetro más grande de los tubos que conforman el sistema de soporte de la silla y/o trabajando con una aleación de aluminio. La principal razón por la cual el aluminio es aleado es para obtener mayor firmeza sin incrementar significativamente el peso, y para obtener mayor resistencia a la corrosión; es decir para mejorar sus propiedades mecánicas.

Por otra parte, se considero en usar acero o titanio pero el primero a pesar de ser más fuerte, ampliamente disponible y a precio razonable; resulta ser muy pesado para una estructura de ésta magnitud. Por su parte el segundo material a pesar de tener buenas características mecánicas ya que tiene mayor dureza, tiene un costo muy elevado.

Para realizar una efectiva selección del material se deben tener en cuenta diferentes aspectos, tales como; la dureza, la elasticidad, el tipo de aleación (ya que de él depende la dureza del material), la disponibilidad del material, el costo, entre otras.

Para llevar a cabo dicha selección se realizó una comparación entre diferentes tipos de materiales, tal como se muestra a continuación:

Tabla. Aleaciones de aluminio

Nota: Estos datos son aproximados ya que sus características dependen de la configuración y del espesor del material.

Se escogieron los perfiles de aluminio que tuvieran mayor limite elástico para la posterior comparación.Aluminio con aleación 6061:

Carga de rotura: 290Limite elástico: 240Limite de fatiga: 190Dureza: 95

Aluminio con aleación 6082

Carga de rotura: 310Limite elástico: 260Limite de fatiga: 210Dureza: 95

Aluminio con aleación 6005

Carga de rotura: 260Limite elástico: 215Limite de fatiga: 190Dureza: 90

Con los datos anteriores se procede a realizar el respectivo análisis para determinar cual de éstos materiales se adecua mejor a las necesidades del diseño.

Existen en el mercado empresas que proveen las formas tubulares que se necesitan para el diseño de la silla de ruedas de acuerdo a las especificaciones propias del material seleccionado.

Materiales de construcción:

Todas las piezas que sirven para la sujeción y unión de las partes de la silla se encuentran disponibles comercialmente, dichas piezas hacen referencia a los tornillos, tuercas, ruedas grandes y pequeñas, asientos (cojines) prediseñados, correas de ajuste y sujeción, etc. Por tal razón, se realizó un estudio y posterior selección de dichas piezas, teniendo en cuenta aspectos como el material, el costo, entre otras.

Selección asiento (cojín antiescaras):

Opción 1 Opción 2

Características: Ligero de peso. Funda lavable. Transpirable. Protege contra la irritación de la

piel. Seis centímetros de grosor. No restringe la movilidad del

usuario.

Precio: $ 357.298

Características:

Proporciona la protección de la piel.

Proporciona un nuevo nivel de control de postural y estabilidad.

Diseño contorneado que coloca la pelvis atrás en la silla de ruedas, y centra al usuario cómodamente en medio del cojín.

Precio: $ 1.190.995

Selección ruedas (grandes):

Opción 1 Opción 2 Opción 3

Características:

RUEDAS ENERGY

My ligeras, en plata o en negro

Montadas con aro de aluminio.

Precio: $744.372

Características:

RUEDAS AMBROSIO

Superligeras Montadas con aro

de aluminio Diseño innovador.

Precio: $ 794.989

Características:

SPINERGY LX

12 radios y buje perforado para conseguir la máxima ligereza.

Precio: $2.084.242

Aros engomados: En nuestra opinión los mejores aros engomados que hemos testado hasta el momento. Un agarre perfecto a la hora de empujar, especialmente para la mano del tetraplégico y ninguna sensación de quemazón en la frenada. La experiencia propia y de nuestros clientes nos dice que es el aro mejor indicado para tetras

Selección ruedas (pequeñas):

Opción 1 Opción 2

Características: Rueda giratoria. Soporte de acero

prensado. Eje de rueda

atornillado. Núcleo de rueda de

chapa de acero. Fijación para

montar en tubos verticales.

Buena resistencia a la rodadura.

Resistente al desgaste.

Buena protección contra el óxido.

Precio: $143.800

Características: Rin de aluminio. Excelente confort al

rodar. Rodamientos de

baja fricción. Precio: $172.634

Selección correas de ajuste y sujeción:

Opción 1 Opción 2Características: Características:

Sistema de cierre metálico.

No impide la movilidad.

Sistema de Chapa Hembra – Macho.

Libre movilidad del usuario.

Tornillo union Anglo de sujeción

Características:

Este herraje de acero inoxidable se utiliza para launión a testa de los perfiles “ALUSKIT®” Línea45. Para ello es necesario taladrar un agujeropasante de ø10mm. al perfil vertical para poderintroducir una llave allen nº 8 necesaria para esteperfil. Roscar a M12 el eje central del perfil queconectará perpendicularmente y atornillar.Introducir la cabeza del tornillo por el canal delperfil taladrado hasta hacer coincidir con el agujeroy apretar el tornillo.

Características:

ÁNGULO DE SUJECIÓNEste accesorio o similar puede ser utilizadopara varias aplicaciones: para poner en la parteinferior de una puerta-hoja giratoria junto conel tornillo pivote bisagra, para soportar marcoscon rejilla metálica, etc...