Design of a detach=
able
mechanism to assist in the mobility process when getting on and off a
sedan-type vehicle for disabled people
Edison Patricio Abarca Pérez.[1], =
Víctor
David Bravo Morocho. [2],
Edgar Javier Loor Solórzano. [3] <=
/span>& Ianni Mera Angelo Salvattore<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>. [4]
Recibido: 23-04-2020 / Revisado: 12-05-2020 / Aceptado: 23-06-2020 / Publicado: 03-07-2020=
<= o:p>
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>Abstract.
DOI: <=
u>https://doi.org/10.33262/c=
ienciadigital.v4i3.1351
This work was carried out with the firm purpose of
designing and building a detachable mechanism to provide assistance in the
mobility process when getting on and off a sedan-type vehicle for disabled
people at AFAPECH, a centre located in the Riob=
amba
canton, Chimborazo Province, Ecuador; attending to the evident need in the
mentioned centre for special equipment that pro=
vides
help in the process of moving people with disabilities into or out of the
vehicle, who, due to their condition, find it difficult to do so on their o=
wn.
In the same way, reduce the effort that it causes to the people in charge of
this daily task, thus avoiding possible injuries due to repetitive movement=
s.
Based on the collection of information on the requirements that should be r=
eflected
on the design, a design was made of a detachable mechanism that is mounted =
on
the hinges of the front doors of the vehicle, whose operation is based on u=
sing
an electric linear actuator commanded by joystick control, to facilitate its
handling. In the same way, a hospital harness was used, which transports the
disabled person from one point to another. For the subsequent construction =
of
the mechanism, it was thought to use ASTM A500 carbon steel, whose mechanic=
al
property values were used to carry out the design validation in ANSIS;
analyzing the efforts, deformations and safety factor, in order to guarantee
the required reliability. After conducting the respective analyzes, it was
observed that the parameters established at the beginning are met, its func=
tionality
being corroborated after its construction and use, since the people who used
the system in the beginning, showed agreement; In addition, it was evidenced
that the components did not suffer any damage during or after use.
Keywords: mechanism, mobility, disability, AFAPECH, vehicle.
Resumen.
El presente trabajo se
realizó con el firme propósito de diseñar y construir un mecanismo desacopl=
able
para brindar ayuda en el proceso de movilidad al subir y bajar de un vehícu=
lo
tipo sedán para personas discapacitadas en AFAPECH, centro ubicado en el ca=
ntón
Riobamba, provincia de Chimborazo, Ecuador; atendiendo a la evidente necesi=
dad
en dicho centro de un equipo especial que brinde ayuda en el proceso de
movilizar hacia el interior o exterior del vehículo a las personas con
discapacidad, que por su estado, s=
e les
dificultar realizarlo por sus propios medios. De igual manera, reducir el
esfuerzo que provoca a las personas encargadas de esta tarea diariamente,
evitando así que se puedan producir posibles lesiones por movimientos
repetitivos. En base a la recolección de información de los requerimientos =
que
debían plasmarse en el diseño, se procedió a realizar un diseño de un mecan=
ismo
desacoplable que se monta en las bisagras de las puertas delanteras del veh=
ículo,
cuyo funcionamiento se basa en usar un actuador lineal eléctrico comandado =
por
un mando joystick, para facilitar su manejabilidad. Del mismo modo, se util=
izó
un arnés hospitalario, que traslada a la persona discapacitada desde un pun=
to a
otro. Para la posterior construcción del mecanismo, se pensó en usar acero =
al
carbono ASTM A500, cuyos valores de propiedades mecánicas fueron utilizados
para realizar la validación del diseño en ANSIS; analizando los esfuerzos,
deformaciones y factor de seguridad, con el fin de garantizar la fiabilidad
requerida. Realizadas los respectivos análisis, se observó que se cumple con
los parámetros establecidos en un inicio, corroborándose su funcionalidad l=
uego
de su construcción y uso, ya que las personas que usaron el sistema en un p=
rincipio
mostraron conformidad; además de que se evidencio que los componentes no
sufrieron daño alguno durante o después de su uso.
Palabras claves: mecanismo,
movilidad, discapacidad, AFAPECH, vehículo.
Intro=
ducción.
El
simple hecho para una persona con discapacidad de realizar ciertas tareas,
puede resultar en una tarea difícil para ellos. Mientras una persona con ni=
ngún
tipo de impedimento físico o intelectual, podría realizar una tarea simple =
sin
el menor esfuerzo posible, una persona discapacitada podría necesitar la ay=
uda
de terceros o algún sistema o herramienta especial (Observatori de la Discapacitat Físic=
a,
s.f.).
Hoy en
día la calidad de vida de las personas discapacidades ha mejorado notableme=
nte,
en comparación a otros tiempos. Con el fin de brindar ayuda, tanto a ellos,
como a su núcleo familiar, existen centros capacitados de apoyo que ofrecen=
sus
servicios, muchas veces de forma gratuita, mostrándoles que la condición que
les aqueja no es impedimento para disfrutar de una vida a plenitud.
Ya que
en su mayoría, dichos centros funcionan sin fines de lucro, la falta de ayu=
da
externa dificulta la adquirió de equipos necesarios, que las personas
discapacitadas utilizan en su día a día, ya sea para terapias u otras
actividades.
Un
ejemplo claro de estos centros, se encuentra en la ciudad de Riobamba, en la
provincia de Chimborazo, Ecuador, que lleva por nombre AFAPECH, que brinda
servicios de ayuda a alrededor de veinte persona con diferentes tipos de
discapacidad.
El
hecho de que algunos de ellos sean trasladados diariamente al centro, en
vehículos particulares de sus familiares, de tipo sedán en su mayoría, ocas=
iona
que se torne un poco difícil la tarea de bajarlos o subirlos de los vehícul=
os,
hasta el punto de que a veces las personas encargadas de dicha tarea sufran
lesiones producto de movimientos repetitivos (<=
span
lang=3DES-EC style=3D'mso-fareast-font-family:Calibri;mso-fareast-theme-fon=
t:minor-latin;
color:black;mso-themecolor:text1;mso-ansi-language:ES-EC;mso-fareast-langua=
ge:
EN-US'>Simoneau, et al., s.f.)<=
span
style=3D'color:black'>.
Con
base en lo descrito, claramente se puede notar que es necesario que el cent=
ro
debe contar con un esquipo especializado para realizar la tarea expuesta en
cuestión.
Este
trabajo, enfocado en ese fin, buscar desarrollar un diseño óptimo que satis=
faga
las necesidades latentes en el problema. Partiendo desde la recolección de
información en base a un estudio metodológico, se busca la culminación exit=
osa
de este trabajo, y que sirva de base para futuros trabajos a desarrollarse =
en
este mismo ámbito.
Metodologia.
La recolección de datos como parte del proceso ini=
cial
investigativo para el diseño en ingeniería, es un pilar fundamentar en la
obtención de resultados satisfactorios.
Para llevar a cabo el diseño preliminar fue necesario recolectar la
información del peso de las personas con discapacidad de AFAPECH, en donde =
tres
de ellos presentaron cualidades importantes al momento de desarrollarse el
diseño: dos poseían un grado de discapacidad mayor al 85%, y la tercera, un
cierto grado de sobrepeso en comparación con el resto (CO=
NADIS,
2019; ).
Dado que se obtuvieron rangos de peso por debajo de
los 100 kg (220.5 lb), se optó por un diseño conservador, en donde se llegó=
a
la concordancia de que el diseño del mecanismo contemplará una capacidad de
resistencia de hasta 100 kg sumado aparte el peso del dispositivo luego de =
su construcción
además debe ser compacto y desmontable, para que facil=
itar
su instalación o acople a los vehículos de tipo sedán, en los que se tiene
pensado su uso.
Ya que el mecanismo en cuestión estaba planeado ser
utilizado principalmente en vehículos tipo sedán, y dado a las característi=
cas
de estos (Arias, 2016), bajo dicha directriz se implementó el diseño de =
un
soporte base, anclado en las bisagras del vehículo, cuyo ajuste en el marco=
de
la puerta se maneja regulando unos apoyos en su parte frontal y lateral com=
o se
muestra en la figura 1, con el fin de que se pueda acoplar en la mayoría de
vehículos del tipo mencionado.
Figura 1. Diseño de soporte regulable (A. Soporte; B. Apoyos regulables)
B A
Fuente: Elaborac=
ión
propia.
Tal como se aprecia en la figura 2, los apoyos de
regulación permitieron aportar mayor estabilidad en el mecanismo al momento=
de
usarlo, con lo que se evitó de igual manera accidentes de cualquier índole =
durante
su manipulación.
Figura
2.
Soporte regulable anclado (C. Soporte; D. Bisagras del automóvil)
=
D =
C
Fuente: Elaboración propia
La parte móvil del mecanismo estuvo distribuida por
dos conjuntos esenciales que permiten adecuadamente su funcionamiento. El primer conjunto, figura 3, lo compon=
e un
soporte giratorio (E), que se anclaba al soporte regulable mencionado
anteriormente. A este soporte se instaló un actuador lineal eléctrico (F), =
que
controlando con un mando proporcionaba un movimiento lineal a dos tubos hue=
cos
de sección cuadrada (G), con lo que se podía levantar a la persona desde el
asiento del vehículo o de la silla de ruedas
Un conector hueco (H) en el extremo final del conj=
unto
permitía dar paso a la instalación del segundo conjunto, constituido por un
brazo (I) y un agarre (J), como se detalla en la figura 4, donde se colocab=
a el
arnés hospitalario que levantaría a la persona en cuestión (Tekvo
Bioingeniería, 2019).
Figura 3. Conjunto=
1
(E. Soporte giratorio; F. Actuador; G. Tubos cuadrados; H. Conector)
H F E G
Fuente: Elaborac=
ión
propia.
Este segundo conjunto integraba una parte primordi=
al
del sistema, lo cual su diseño jugaba un papel importante en lo relacionado=
con
la seguridad que se buscaba brindar, sobre todo el brazo soporte del arnés.=
Figura
4. Conjunto 2 (I.
Brazo del arnés; J. Agarre del arnés)
J I
Fuente: Elaborac=
ión
propia.
Por
otra parte, para la selección del tipo de actuador lineal eléctrico a
utilizarse, se debía conocer la fuerza que este necesita vencer en el insta=
nte
en que se procede con el levantamiento de la persona desde su punto de repo=
so.
Para tal fin era necesario obtener los valores de las fuerzas que se ejerce=
n en
el sistema durante la fase de trabajo, requiriendo así las respectivas medi=
das
usadas en el diseño, figura 5.
Figura
5.
Dimensiones del diseño
Fuente: Elaborac=
ión
propia.
Figura 6. Diagrama de cuerpo libre 1
Fuente: Elaborac=
ión
propia.
Figura
7. Diagrama de cuerpo libre 2
Fuente: Elaborac=
ión
propia.
Mediante
los diagramas de cuerpo libre, mostrados en la figura 6 y 7, y aplicando las
condiciones de equilibrio respectivas, se obtuvieron las fuerzas de reacción
requeridas:
Como
se observa en los valores obtenidos, al momento de la selección del actuador, se debía considerar como pri=
mer punto,
de que este debía vencer una fuerza aproximada de 3074,18N al momento de po=
ner
en funcionamiento el sistema;
así mismo, se debió tomar en cuenta las dimensiones propias del actuador, y=
por
ende la longitud de extensión de carrera del vástago.
Considerando
tales puntos, se seleccionó un actuador lineal de la marca L&K, de 24 V=
de
alimentación y con una fuerza de empuje de 6000 N, entre sus principales
características, tabla 1. Este act=
uador
fue la mejor opción para el trabajo a realizar con el mecanismo (LINAK, 201=
9).
Tabla
1.
Características del actuador lineal
|
Especificaciones técnicas del
actuador lineal L&K LA32 |
|
|
Fuente
de alimentación |
24V de corriente
continua |
|
Fuerza
de empuje |
6000 N |
|
Carrera |
200 mm |
|
Medida
básica de instalación |
373 mm |
|
Medida
en estiramiento |
573 mm |
|
Interruptores
de final de carrera |
Incorporados (no
ajustables) |
|
Ciclo
de trabajo |
Max 10% o 2min/ 18m=
in
en uso continuo |
|
Temperatura
ambiente |
+5 |
Fuente: <=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>LINAK
Posterior al diseño total del dispositivo y selecc=
ión
del actuador lineal, se realizó una simulación asistida por computadora, pa=
ra
de ese modo validar el diseño realizado y de ser el caso, ser sometido a una
optimización posterior.
Figura 8. Anclaje al vehículo
Fuente: Elaborac=
ión
propia
Resultados.
Mediante una validación del diseño en base a una
simulación asistida por computadora, en ANSYS específicamente (Moaveni, 2003), se logró identificar los principales =
puntos
en el mecanismo que estarían sometidos a una mayor concentración de esfuerz=
os.
Bajo el indicativo que el mecanismo seria construi=
do
posteriormente en acero estructural ASTM A500, se
establecieron los parámetros característicos de dicho material durante el
análisis de simulación (Ma=
teriales
los Andes, s.f.).
Al
poner en marcha la simulación del diseño se notó que se producía una
deformación máxima de 5.8 mm en la parte de conexión del arnés ortopédico, =
tal
como es observable en la figura 9.
Figura 9. Simulación de deformación
Fuente: Elaboración propia
En lo relacionado a la concentración de esfuerzos,
como se divisa en la figura 10, el punto donde se divisaba la mayor
concentración de carga fue en un punto cercano al anclaje del brazo soporte=
del
agarre del arnés, con un valor aproximado de 197,88 MP.
Figura 10. Simulación de esfuerzos
Fuente: Elaboración propia
Por último, en base a la corroboración de que el
mecanismo no falle en el proceso de trabajo y cumpla con los requerimientos
esperados, se obtuvo un factor de seguridad de 1.26 del sistema., tal como =
se
aprecia en la figura 11 (Hibbeler, 2011; He=
rnáez,
2015).
Figura 11. Simulación factor de seguridad
Fuente: Elaborac=
ión
propia.
Posterior al proceso de diseño y análisis, se proc=
edió
con la construcción del mecanismo en sí, utilizando en tubos cuadrados y
rectangulares de acero estructural ASTM A500. Por otra parte, para brindar facilidad en el man=
ejo
del mismo, se instaló un mando joystick en el módulo del actuad=
or,
que controla así, el desplazamiento del vástago. El funcionamiento e
instalación del sistema se puede observar en la figura 12.
Figura 12. Pruebas de funcionamiento del mecanismo
Fuente: Elaboración
propia.
Conclusiones.
· =
El mecanismo traba=
ja
con un peso máximo de hasta 100 kg, con el fin de garantizar la fiabilidad =
del
mismo y evitar fallas en los componentes, además de que su soporte base debe
ser regulable, para que se acople a los diferentes modelos de vehículos tip=
os
sedan.
· =
Debido a que se es=
tá
trabajado con personas con grados de discapacidad alto, se debe utilizar un
arnés del tipo hospitalito, el cual reúne las características necesarias pa=
ra
el traslado de personas en esta condición.
· =
Usar un actuador
eléctrico para poner en funcionamiento el mecanismo, es la ideal opción en =
este
caso, ya que reúne características claves en lo referente a peso, instalaci=
ón,
ruidos y costo, en comparación a otros sistema que podrían realizar el mismo
trabajo, pero con algunas desventajas en contra, tal como un sistema hidráu=
lico
o neumático.
· =
Que el mecanismo s=
ea
desmontable, facilita enormemente su traslado en el maletero de cualquier
vehículo, gracias a su compacto diseño.
· =
En la validación d=
el
diseño, se obtuvieron valores de esfuerzo, deformación y factor de seguridad
con valores aceptables dentro de lo permisible, lo que garantiza su
funcionalidad en el trabajo sin que pudiera presentar posibles fallas.
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https://www.tekvobioingenieria.com/soluciones/arneses-eslingas.
PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.=
Abarca Pérez, E. P., Bravo Moro=
cho,
V. D., Loor Solórzano, E. J., & Angelo Salvattore, I. M. (2020). Diseño de un mecanismo
desacoplable para brindar ayuda en el proceso de movilidad al subir y bajar=
de
un vehículo tipo sedan para personas discapacit=
adas. Ciencia
Digital, 4(3), 304-316. https://doi.org/=
10.33262/cienciadigital.v4i3.1351
El artículo que se publica es de exclusiva
responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el pensamiento =
de
la Revista Ciencia Digital.
El
artículo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecáni=
ca.
Riobamba, Ecuador. edison.abarca@espoch.edu.ec
[2] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Mecáni=
ca.
Riobamba, Ecuador.
victor.bravo@espoch.edu.ec
[3] Investigador Independiente,
Riobamba, Ecuador, edgar.loor@espoch.edu.ec
[4] Investigador Independiente, Riobamba, Ecuador, angeloianni_95@outloo= k.es
www.cienciadigital.org
<=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'> =
Vol. 4, N°3, p. 304-316, julio-septiembre, 20