Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, V Edición 2016, No. 1 (15)
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 5 Vol. 1 / 2016 (15) ISSN 1390 - 7395 (1/15)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
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MANJARRÉS F, SANTILLÁN R, MORALES H, SISTEMA AUTOMÁTICO SALVA ESCALERAS PARA SILLAS DE RUEDAS, EQUIPADO CON ORUGAS
SISTEMA AUTOMÁTICO SALVA ESCALERAS PARA SILLAS DE RUEDAS,
EQUIPADO CON ORUGAS
AUTOMATIC SYSTEM SAVES STAIRS FOR WHEELCHAIRS, EQUIPPED WITH
CATERPILLAR
Manjarrés Arias Félix Javier
1
, Santillán Mariño Ernesto Ramiro
2
, Morales Villegas Hernán Vinicio
3
1,2,3
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica,
Quijano y Ordoñez y Marques de Maenza s/n.
e – mail:
1
fxmanjarres@espe.edu.ec,
2
ersantillan@espe.edu.ec,
3
hvmorales@espe.edu.ec
RESUMEN
Se realiza la aplicación de un método de
diseño mecánico y mecatrónico, así como el
proceso de construcción de una estructura
automatizada con orugas para movilizar
una silla de ruedas a través de gradas, como
una alternativa viable para transportar a
personas con discapacidad motriz. Se aplica
herramientas CAD,CAM, CAE, se proyecta la
estructura y el sistema de control basado en
el uso de un XBee Pro S1 y tarjeta Arduino.
Palabras clave
Salva escaleras, orugas, silla de ruedas,
automatización.
ABSTRACT
The application of a method of mechanical
and mechatronic design, as well as the
process of construction of an automated
structure with caterpillars to mobilize a
wheelchair through stands, as a viable
alternative to transport people with motor
disabilities. It applies tools CAD, CAM, CAE,
is projected structure and control system
based on the use of an XBee Pro S1 and
Arduino card.
Keywords
Saves stairs, tracks, wheelchair, automation.
1. INTRODUCCIÓN
Las gradas existentes en los hogares y
edicios sin duda alguna se constituyen en
una barrera física para personas que tienen
capacidades motrices especiales y que se
trasladan generalmente en sillas de ruedas
convencional.
En varios lugares esta problemática
se resuelve con la implementación de
ascensores, pero existen instituciones
públicas o privadas que no disponen de
esta máquina para que personas con
capacidades especiales puedan movilizarse
desde una planta a otra.
En vista de esta necesidad se optó por aplicar
la metodología del diseño concurrente
como base para el diseño e implementación
de una estructura automática de orugas
que pueda transportar a una persona
con capacidades especiales en una silla
de ruedas convencional, se considera el
análisis estructural estático, dinámico, así
como el diseño del sistema de control.
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2. MATERIALES Y MÉTODOS
Se considera los requerimientos técnicos
del prototipo que se detalla en la Tabla 1 y
que sirven de base para el desarrollo y la
aplicación de una metodología adecuada de
diseño.
Tabla 1. Especicaciones técnicas
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL SISTEMA
AUTOMÁTICO DE ORUGAS
Concepto Descripción
Capacidad de carga 130 Kg
Peso del sistema 50 Kg
Velocidad 8m/min
Alimentación DC mediante baterías
Potencia motores 300 W
Dimensiones 1.5m x 0.7m x 1m
Inclinación máx. 35º
Freno Electromagnético
Mando
Control con botones
de mando, leds
indicadores, paro de
emergencia.
Cargador de baterías Automático
Portátil
Fácil desmontaje
y montaje para su
transportación
Mantenimiento Sencillo
Modelado geométrico
Con el empleo de herramientas CAD se
realizó el modelado geométrico de las piezas
que conforman la estructura automática de
orugas y cuyo ensamble se observa en la
Figura 1.
Proceso de diseño
Con la nalidad de ejemplicar el presente
análisis se determinó como elementos
críticos el tubo de sujeción de la silla
de ruedas y el eje que acopla la polea al
motor, por ser los elementos que soportan
mayor cantidad de carga. En este punto
se establece: condiciones de frontera,
magnitudes de las cargas presentes, punto
de aplicación y conguración de la calidad
de mallado.
Figura 1. Modelado del sistema automático con
orugas
La carga aplicada sobre el tubo del
espaldar está constituida sobre la silla de
ruedas anclada y asegurada al sistema de
movilización que se encuentra a la altura de
cada uno de los ganchos que sujetan la silla.
Se consideró una carga total por efecto del
peso de la persona y de la silla de 1372 N,
que se constituye en la fuerza resultante
aplicada sobre el sistema al acoplar la silla
de ruedas con el espaldar inclinado a 45
grados. Como se muestra en la gura 2.
Figura 2. Diagrama de cuerpo libre del sistema
De lo cual se tiene:
W (140Kg.9,8) sen45°
W 970,15N Ec.1
.
x
x
=
=
W
x
, es la fuerza aplicada sobre el tubo del
espaldar y al existir un soporte a cada lado
del tubo se tiene:
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W(140Kg9,8) cos45°
W970,15N Ec.2
..
y
y
=
=
PP485N Ec.3
12
==
Aplicando las ecuaciones de condición de
equilibrio se obtiene como resultado:
R485N
R 485N
2
1
=
=
-
El momento máximo exionante
Para efectos del diseño y análisis en el
elemento estructural denominado sujeción
de la silla de ruedas, se selecciona un perl
de tubo cuadrado estructural de 25 mm y 1,5
mm de acero ASTM A500, con un módulo de
resistencia para la sección cuadrada hueca
es: S=0,97cm
3
.
Partiendo de las ecuaciones:
.
n
S
Ec 5
y
v
=
Se encuentra el momento máximo de
exión, y con el valor de S obtenido se tiene:
,
.
,
xm
Nm
m
N
97 10
96
98 97 10
73
6
2
#
v
==
-
.
S
M
Ec 4
mxá
!v
=
Considerando que el límite a la uencia
para el acero ASTM A500 es de 315 MPa,
se determina que el factor de seguridad es:
.
.n
S
x
m
N
x
m
N
98 97 10
315 10
318
y
6
2
6
2
v
== =
Para efecto de comprobar y validar el cálculo
se utilizó el módulo “Static Structural” del
programa ANSYS R14.5 versión estudiantil,
cuyas condiciones de borde y cargas
aplicadas al sistema de sujeción del
espaldar, así como el factor de seguridad
obtenido se observa en la gura 3 y gura 4
respectivamente
Figura 3. Condiciones de borde y cargas aplicadas al
sistema de sujeción del espaldar
Figura 4. Factor de seguridad del tubo para espalar
Para realizar el análisis dinámico, con el
objetivo de determinar la mayor fuerza
en el sistema de orugas, se establece tres
escenarios de movimiento que tienen lugar
en el sistema, primero cuando se desplaza
en una supercie plana, segundo cuando
el sistema supera el primer escalón y el
tercero cuando el sistema se encuentra en
plena marcha sobre las gradas, siendo en
este último caso en donde se requiere la
mayor fuerza para movilizar el sistema que
fue de 2222.5 N
M96N.m
mxá
=
-
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Figura 5. Fuerzas sobre el sistema al desplazarse
sobre las gradas
Cálculo potencia motores
Para que el sistema se desplace sobre las
gradas la fuerza necesaria es de 2222,5 N,
con esta fuerza se determinó que el trabajo
necesario:
..WFdEc6
=
La distancia se encuentra con la fórmula :
..evtEc7
=
Por tanto:
Con el trabajo y la distancia se calcula la
potencia:
Para que el motor logre movilizar el sistema
de orugas en el caso más crítico debe tener
300 Watts.
Cálculo para el eje acople del motor
El motor que genera el movimiento, posee
un torque de 60 N x m, el material para la
construcción del eje de transmisión es el
AISI 1018.
El eje se encuentra sometido a una fuerza
que ejerce la banda de transmisión al ser
tensionada como se visualiza en la Figura 6:
Al reemplazar el torque del motor M=60 N .
m, el radio exterior de la polea r
extpolea
=0.124
m., coeciente de fricción entre nitrilo y
aluminio μ=0.22 y el ángulo de contacto
θ=160° x π rad/180°=2.79 rad., en las
siguientes ecuaciones:
()..MFFr Ec 9
12
=-
.
F
F
eE
c10
2
1
=
ni
Se encuentra F
2
= 569,85 N , F
1
= 1052,51
N, y la fuerza resultante de FR = 1599,91 N.
Diseño a fatiga del eje
Siguiendo el proceso de diseño a fatiga
aplicado al eje, cuyo material es AISI
1018 (S
ut
= 400 MPa y S
y
= 220 MPa) para
garantizar que el mismo, soporte la carga
se tiene:
'.
se kkkkk
k
se Ec
1
11
abcde
f
$$$$$$
=
', .
'
se SEc
se MPa
05 12
200
ut
=
=
Factor supercial, k
a
=a . S
ut
b
,. ,e
s
m
sm
0131013
==
,.,,.WN Nm2274 09 013295 63
==
.
,.
,
P
t
W
Ec
P
s
Nm
Watts
8
1
29563
295 63
=
==
Figura 6. Diagrama de cuerpo libre del eje del motor
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Donde a y b son constantes a fatiga.
Acabado supercial maquinado o laminado
en frío:
a=4,51 MPa
b=-0,265 MPa
,.() ,ka MPa MPa451 400 09217
,0 265
==
-
Factor de corrección por tamaño:
,
.
,,
k
d
Ec
kd
mm
ddi metro delejemm
762
13
124279 51
32
á
,
,
b
b
0 107
0 107
##
=
=
=
-
-
cm
'1
,
,
kb
762
32
0 85766
,0 107
==
-
cm
Factor de carga ,k
c
=1 Para exión.
Factor de temperatura ,k
d
=1 Para
Temperatura ambiente:
Factor de conabilidad k
e
=1
Factor de efectos diversos k
f
=1
,se MPa15809
=
Aplicando la teoría de Goodman modicada:
[2]
.
,
,
,
,,
,
,
se
S
n
Ec
MPa
MPa
S
n
n
1
14
2
2
15 91 0
795
15808
795795
1
00701
1
14 26
maxmin
a
ut
m
m
m
ut
v
v
v
vv
v
+=
=
+
=
-
=
==
==
Análisis Transitorio
Con el módulo Structural Transient del ANSYS
Versión estudiantil se procede a realizar
el análisis transitorio para comprobar el
efecto dinámico en el eje del motor a las
condiciones de funcionamiento.
Las soluciones obtenidas al realizar el
análisis Transient con respecto al esfuerzo
equivalente de Von Mises y el factor de
seguridad, se presentan en las guras 7 y 8
respectivamente.
Figura 7. Esfuerzo equivalente de Von Mises
Figura 8. Factor de seguridad Análisis Transiente
El análisis Transiente establece un factor
de seguridad en el eje de 14,89 valor muy
similar al obtenido analíticamente mediante
la ecuación de Goodman modicada. Al
observar los dos factores de seguridad
obtenidos se determina que el eje se
encuentra correctamente diseñado para
soportar cargas a fatiga.
El control automático que controla el
movimiento de las orugas se realiza
mediante un joystick de dos ejes, que envía
las señales de posicionamiento hasta un
XBee Pro S1 congurado previamente como
,, 'se se0921708576 111
1
1
######
=
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emisor.
El XBee Pro S1, envía las señales recibidas
del joystick hacia un segundo XBee Pro S1
congurado previamente como receptor,
una vez que recibe los datos del joystick,
este comunica la información a la tarjeta de
control Arduino Uno.
La tarjeta procesa la información recibida
y la transforma en señales que serán
interpretadas por la tarjeta Sabertooth
2x60.
Recibida la información en la tarjeta
Sabertooth, esta se encarga de accionar a
los motores DC (corriente directa), según los
requerimientos y necesidades del usuario
que opera el sistema produciéndose el
desplazamiento del sistema.
Figura 9. Control para el sistema de orugas
Xbee Pro S1 como transmisor
Se congura uno de los XBee para que
transmita los datos de manera inalámbrica
hacia el control principal. Previo a esto se
conecta el Xbee al computador, con la ayuda
del cable de comunicación, y se verica la
conexión mediante el software X-CTU, una
vez establecida la comunicación exitosa se
congura el módulo transmisor empleando
el software X-CTU y según los parámetros
indicados en la tabla 2.
Tabla 2: Parámetros conguración Transmisor
PARÁMETRO VALOR
PAN ID 100
DL 2
MY 1
D2 2
D1 2
D0 2
IT 5
IR 14
Etapa de control
Es la encargada de recibir y procesar los
datos para su posterior transferencia a la
etapa de potencia.
En la etapa de control se encuentra el
segundo XBee congurado previamente
como receptor para recibir los datos
enviados por el XBee Transmisor e ingresar
los mismos en la tarjeta Arduino. El Xbee
receptor se congura considerando los
parámetros indicados en la tabla 3:
Tabla 3: Parámetros conguración XBee Receptor
PARÁMETRO VALOR
PAN ID 100
DL 1
MY 2
La tarjeta Arduino Uno se constituye también
en un dispositivo electrónico fundamental
en la etapa de control, se encarga de tomar
los datos que recibe el Xbee receptor para
procesarlos y obtener datos que pueden
ser interpretados por la Sabertooth.
La tarjeta debe ser programada mediante
el software Arduino 1.6.0 para cumplir con
este propósito.
Etapa de potencia
En la etapa de potencia se encuentra la
tarjeta Sabertooth 2x60 que controla los
motores, esta recibe la señal de Arduino y
según el valor que tenga la señal activa o
desactiva a los motores, permite controlar
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el sentido de giro y la velocidad de los
actuadores.
La tarjeta sabertooth se congura para la
aplicación a realizar y el tipo de señal. Se
utiliza en diferentes modos al disponer de
una placa con dip switchs (DIP) para elegir
el modo en el que se desea que opere [1].
El DIP es el elemento que permite la
conguración del control y para el presente
caso:
Figura 10. Conguración DIP
Cuando el switch 4 esta abajo la Saber se
encuentra en modo independiente. En este
modo la señal que ingrese en S1 controla
directamente el motor 1 y la señal que
ingrese en S2 controla el motor 2. Con el
switch 1 abajo y el 2 arriba se congura
el tipo de recepción de datos en control
remoto.
Para energizar, la Saber y los motores se
emplean baterías secas de plomo ácido de
12V a 7Ah.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se procede realizar las pruebas físicas para
comprobar el funcionamiento correcto de los
sistemas de control y sistemas mecánicos,
para el efecto se realizó el ascenso y
descenso por escaleras que comunicaban
tres pisos durante tres veces consecutivas,
con una carga máxima posible de 140 Kg,
en dos diferentes tamaños de huella e
inclinación en las gradas para vericar el
correcto funcionamiento del sistema de
control y tracción.
Figura11. Sistema en protocolo de pruebas
Figura 12. Sistema puesto a prueba
Se conrmó el correcto funcionamiento de
los sistemas mecánicos encargados de la
trasmisión de potencia, de los elementos
del anclaje y sujeción de la silla de ruedas al
sistema, así como los elementos empleados
en el control para manipular todo el conjunto
y los elementos empleados en el freno del
sistema. [3],[4]
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4. CONCLUSIONES
• Al calcular el factor de seguridad
estático del sistema, obtener
analíticamente un valor de 3,1, un
valor de 2,1 de forma computacional
se determina que el diseño del
sistema es adecuado y soporta las
cargas de diseño.
• El estudio dinámico del sistema
considero tres escenarios de
movimiento en supercie plana, al
inicio del ascenso de las gradas y
desplazamiento sobre las gradas,
siendo este el escenario que
requiere de la mayor fuerza para
desplazamiento, a partir de la cual
se proyectó el motor para el sistema
de tracción.
• El análisis Transient y diseño a fatiga
realizado sobre el eje permitieron
obtener factores de seguridad
bastante similares (14,89 y 14,26
respectivamente) validando el
diseño del eje a las condiciones de
carga consideradas para el diseño.
• El control automático permite
generar posibilidades en el sistema
para que una persona de capacidades
especiales se adapte plenamente y
pueda mejorar su calidad de vida al
llevar una vida más normal.
• El control del sistema inalámbrico
facilita su operación, permite que
el espaldar del sistema pueda
desmontarse para su transporte y
almacenamiento.
• La selección de elementos
electrónicos fue la más adecuada, se
obtuvo el funcionamiento esperado
por el sistema.
5. RECOMENDACIONES
• Se recomienda el uso de orugas
en un sistema salva escaleras,
porque resulta ser idóneo para
esta aplicación por su versatilidad
y adaptabilidad a los escalones
permitiendo el desplazamiento
lineal a través de los mismos.
• Realizar un estudio de materiales
compuestos que permitan reducir
el peso del sistema sin disminuir la
resistencia del mismo, tendiente a
realizar una producción en serie.
• Utilizar el sistema automático con
orugas en gradas que no superen
los 35° de inclinación, de lo contrario
se puede provocar inestabilidad del
sistema.
• Ampliar el análisis de producción
del sistema tendiente a optimizar,
reducir los tiempos y costos de
fabricación, garantizando la calidad
de las piezas que conforman el
sistema de transportación de silla
de ruedas a través de escaleras.
• Al momento de operar la máquina
se debe tomar muy en cuenta
las características y restricciones
del mismo para evitar daños
permanentes, que afecten la vida
útil del sistema de orugas.
6. REFERENCIAS
[1] QUINDE, J., & ULLOA, L.. «Diseño
y construcción de dos Robots tipo
Warbot» (2012) .
[2] BUDYNAS, & J. K. Nisbett, Diseño
en ingeniería mecánica de Shigley.
México, D. F.
[3] RIBA ROMEVA, C. (2002). Diseño
Concurrente. Cataluña: Ediciones
UPC
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[4] RIBA ROMEVA, C. (2002). Diseño
para la Manufactura. En R. R. Carles,
Diseño concurrente. Cataluña:
Ediciones UPC.
7. BIOGRAFÍA
1
Félix Javier Manjarrés
A.- es Ingeniero
Automotriz e Ingeniero
Industrial, Magíster en
Gestión de Empresas
, Magíster en Ciencias
en Diseño, Producción
y Automatización
Industrial, Diplomado
Internacional en
Competencias Docentes
Instituto Tecnológico de Monterrey. Es
consultor de proyectos de ingeniería
mecánica e industrial. Docente tiempo
parcial en la Universidad de las Fuerzas
Armadas ESPE Extensión Latacunga,
profesor de posgrado en la Universidad
Internacional SEK. Profesor a contrato en la
Facultad de Mecánica en la EPN.
2
Ernesto Ramiro
Santillán M.- Ingeniero
Mecánico, M.Sc en
Diseño, Producción
y Automatización
Industrial. Magister
en Dirección de
Empresas Mención
Proyectos. Diplomado
Internacional en
Competencias
Docentes Instituto Tecnológico de
Monterrey, Docente tiempo parcial en la
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
sede Latacunga. Consultor Individual en
proyectos de desarrollo e inversión.
3
Hernán Vinicio
Morales Villegas, sus
estudios superiores en
Ingenieria Mecánica los
desarrolló en la Escuela
Superior Politécnica
de Chimborazo.Posee
título de cuarto nivel
en Gestión de Energías
Renovables de la
Universidad Técnica de
Cotopaxi.
Es Diplomado Superior en Gestión del
Aprendizaje Universitario, título obtenido
en la Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE, actualmente se desempeña como
Docente Tiempo Parcial en la Universidad
de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión
Latacunga.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 22 junio 2016
Fecha aceptación 15 diciembre 2016
MANJARRÉS F, SANTILLÁN R, MORALES H, SISTEMA AUTOMÁTICO SALVA ESCALERAS PARA SILLAS DE RUEDAS, EQUIPADO CON ORUGAS
