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Recibido:Enero 28 de 2017-Aceptado: Mayo 13 de 2017
El presente artículo describe el proceso de diseño y construcción de una silla de ruedas capaz de permitir la posición de bipedestación a pacientes con discapacidad grado IV en miembros inferiores, de hasta 100 kg de peso. Para el dimensionamiento de la silla se consideró un análisis antropométrico a 19 pacientes adultos (13 mujeres y 6 hombres) del Centro de Rehabilitación Integral Especializado CRIE Nro. 1, ubicado en la parroquia Conocoto – Quito, Ecuador, se utilizan los percentiles P95 de las mediciones antropométricas de los pacientes del centro. Usando el software Autodesk Force Effect, se simuló el movimiento del paciente al pasar de sedestación a bipedestación, y así controlar posiciones relativas de miembros inferiores y tronco, en un rango de movimiento desde 15° a 75°, y tener una base de datos para la selección del sistema impulsor en la silla. Mediante un análisis estático de cargas en el cuerpo del paciente, se designó las cargas críticas de diseño para los miembros críticos de la silla, los mismos que fueron comprobados mediante un análisis de esfuerzos con el software Autodesk Inventor V15. También se expone las pruebas y evaluación supervisada por 10 profesionales terapistas físicos, mediante pruebas in situ con pacientes del CRIE N°1 y con una encuesta a los profesionales terapistas físicos.
Palabras Claves:Antropometría, bipedestación, discapacidad, silla
This paper describes the design and construction process of a wheelchair capable of allowing standing position to patients with grade IV disability in lower limbs, up to 100 kg weight, located in the Conocoto parish - Quito, Ecuador, the P 95 percentiles of the anthropometric measurements of the patients of the center. Using Autodesk Force Effect software, the patient’s movement was simulated by moving from sitting to standing, and thus controlling relative positions of lower limbs and trunk, in a range of motion from 15 ° to 75 °, and having a database for the selection of the drive system in the chair. Through a static analysis of loads on the patient’s body, critical design loads were assigned to critical chair members, which were tested through stress analysis with Autodesk Inventor V15 software. We also present the tests and evaluation supervised by 10 physical therapists professionals, through in situ tests with patients of CRIE N ° 1 and with a survey to the physical therapist professionals
Keywords:Anthropometry, standing, disability, chair.
O presente artigo descreve o processo de projeto e construção de uma cadeira de rodas capaz de permitir a posição de pé em pacientes com deficiência de grau IV em membros inferiores de até 100 kg de peso. Para dimensionar a cadeira de uma análise antropométrica considerou 19 pacientes adultos (13 mulheres e 6 homens) Centro de Reabilitação Integral Especializada do CRIE No. 1, localizado na freguesia Conocoto -. Quito, Equador, os percentis P95 de usados Medições antropométricas de pacientes no centro. Usando o software Autodesk Force Effect, o movimento do paciente foi simulado, movendo-se de um lado para outro, e assim controlando as posições relativas dos membros inferiores e do tronco, em uma amplitude de movimento de 15 ° a 75 °, e tendo um banco de dados para a seleção do sistema de acionamento na cadeira. Através de uma análise estática de cargas no corpo do paciente, as cargas críticas do projeto foram atribuídas aos membros críticos da cadeira, que foram testados através de análise de estresse com o software Autodesk Inventor V15. Os testes e avaliação supervisionados por 10 fisioterapeutas também são apresentados, através de testes no local com CRIE N ° 1 e uma pesquisa de profissionais de fisioterapia.
Palavras-chave:Antropometria, permanente, deficiência, cadeira.
Una persona con capacidades especiales o discapacidad [1][2], es aquella que, como consecuencia de una o más deficiencia o pérdida o anormalidad de una estructura o función, como física, mental, intelectual o sensorial [3], sin importar la causa que lo hubiere originado, ve restringida permanentemente su capacidad biológica, psicológica y asociativa para ejercer una o más actividades esenciales de la vida diaria.
El Centro de Rehabilitación Integral y Especializado (CRIE Nro. 1) ubicado en la parroquia de Conocoto – Quito, Ecuador, brinda el servicio de rehabilitación en el área de fisioterapia , este centro cuenta con los espacios adecuados y máquinas especializadas para brindar tratamiento a los diferentes tipos de discapacidad, pero no cuenta con un bipedestador eléctrico tipo silla de ruedas, para sus terapias.
En Ecuador se adoptó el instrumento internacional para la valoración de las situaciones de minusvalía conformada por Baremos, Estos baremos establecen normas para la evaluación de las consecuencias de la enfermedad, de acuerdo con el modelo propuesto por la clasificación internacional de deficiencias, discapacidades y minusvalías de la O.M.S [5], entonces se considera a un paciente con discapacidad grado IV, a la persona con discapacidad grave ya que las secuelas imposibilitan la realización de la mayoría de las actividades diarias generales. [6]
Los pacientes observados, presentan distintas patologías como: fractura T12 (5%), reumatismo (5%), lesión ciática (5%), osteoartritis (5%), flacidez muscular (5%), lumbalgia (5%), operación tumoral (5%), traumatismo (5%), coxartrosis (5%), trombosis (5%), artrosis medular (5%), hemiplejia (11%), hemiparesia (32%), todas las patologías antes mencionadas son consideradas como discapacidad grado IV y requieren el uso de silla de ruedas [6].
II. Materiales y MétodosLa antropometría se ocupa del estudio de las dimensiones estructurales y funcionales del cuerpo humano, siendo las medidas más usuales la longitud, el peso y tipo de movimiento. [7]
Son varios factores que influyen en las dimensiones anatómicas tales como: la edad, el sexo, la raza, la ocupación, la vestimenta e incluso la hora del día [8].
Las dimensiones estructurales o estáticas, que se toman en posiciones fijas estandarizadas (puntos de referencia esqueléticos – anatómicos), que se ubican al palpar las prominencias óseas [7] [9].
2.2 Proceso AntropométricoLos datos antropométricos se obtuvieron de 19 pacientes (13 mujeres y 6 hombres) con edades de 52±18 años en los hombres y 70±9 años en mujeres, quienes requieren el uso de silla de ruedas, registrados en la base de datos CRIE Nro. 1, los mismos que recibieron información suficiente y dieron su aprobación por escrito, para colaborar en la investigación, la misma que fue financiada en su totalidad por la Universidad Politécnica Salesiana.
2.2.1 Medidas AntropométricoEn el modelo biomecánico figuras 1 y 2 se detalla el código de la medida antropométrica [10], con los que se utilizó en la investigación:
Las mediciones antropométricas ( Figura 1) ( Figura 2) se las realizaron con la colaboración de dos personas un medidor y un anotador, quienes tienen el adiestramiento requerido para la toma de mediciones, los instrumentos utilizados fueron: lápiz demográfico, cinta métrica, kit antropométrico profesional CESCORF, los mismos que tenían el respectivo certificado de calibración
El análisis estadistico se realizó mediante el software Microsoft Excel 2013, utilizando los criterios antropométricos a los percentiles extremos de la población [11], por lo que en las tablas I se muestra los resultados del cálculo del percentil 95, que es el más empleado en el diseño ergonómico y que facilitan las relaciones funcionales de la silla [10] [12][13].
2.3 Dimensionamiento general de la silla: Tomando en cuenta las diferencias antropométricas entre géneros, siendo los hombres los que presentan dimensiones mayores [14] [15], se procedió a dimensionar los espacios y distancias de la silla usando los valores del P95[16][17], más el espacio de tolerancia [18], lo que garantiza que al menos 95% de la población será capaz de usar la silla sin molestia [19] [20],También se tomó en cuenta las posturas de los pacientes en estudio [20], en la figura 3 se detallan las medidas en centímetros ( Figura 3)
2.4 Alternativas del sistema de elevación: Se planteó tres alternativas, silla con sistemas hidráulico, mecánico (tornillo de potencia) y eléctrico, mediante un análisis cualitativo [21] y cuantitativo de ponderación simple, tomando en cuenta los siguientes parámetros: facilidad de accionamiento, uso de fuerza muscular, mantenimiento, facilidad de montaje, costos, existencia de materiales en el mercado, los mismos que se ponderaron excelente (5); muy bueno (4); bueno (3); regular (2); malo (1). Se seleccionó sistema de elevación eléctrico, el mismo que se detalla en la figura 4
2.5 Selección Actuador lineal Como unidad de fuerza de empuje se consideró un actuador lineal Dewert modelo megamat 2, con una carga de empuje de 600 N, velocidad máxima de 28 mm/s, longitud de carrera máxima de 425 mm y voltaje de entrada 110 V [22]
2.6 Análisis de un paciente en sedestación y bipedestación La posición bípeda forma parte de la herencia humana, proporcionando bienestar, beneficia al sistema circulatorio[23], reduciendo la espasticidad [24]. Al adquirir la posición bípeda el paciente logra extender las articulaciones de los miembros inferiores, previniendo contracturas en los mismos. [23] [25]
La verticalidad mejora la atención y facilita las interacciones sociales, poniendo al paciente a nivel de los ojos de otras personas. [26].
En la postura de pie, el menor uso de energía se produce cuando la línea vertical de la gravedad cae a través de la columna ósea de sostén. Si la línea de gravedad pasa por el centro de cada articulación se aplica menos tensión sobre músculos y ligamentos.[18]
Se considera a la rodilla como la articulación más grande del esqueleto humano, la misma que soporta la mayor parte del peso del cuerpo en posición de bipedestación, en ella se unen el fémur, la tibia y la rótula [27], esta articulación presenta una superficie cóncava que se desliza sobre otra convexa alrededor de 2 ejes, existen dos cuerpos que sirven como amortiguadores entre el fémur y la tibia, denominados los meniscos femorales [28] [29], desde el punto de vista morfológico la rodilla constituye la articulación encargada de la flexión y extensión de la pierna [30] [31]. La articulación de la rodilla realiza fundamentalmente movimientos en 2 planos perpendiculares entre sí (planos sagital y frontal) [27], posee un fuerte aparato ligamentoso, cuya función es darle estabilidad y evitar movimientos excesivos [28] [29].
De investigaciones realizadas se registra el par máximo de extensión de la rodilla cuyo valor es de 0.38 N.m/kg aproximadamente (30.4 N.m para una persona de 80kg). [32]
Los miembros inferiores fueron representados como un mecanismo plano formado por eslabones simples, en el cual la articulación de la rodilla, fue considerado como eslabón crítico [27], también se incluyó a otros segmentos del cuerpo humano: cuello, tronco, cadera, pierna y pie, representados en forma de eslabones.
Para la simulación se utilizó el programa Autodesk Force Effect, en el que se introdujeron las medidas del P95, considerando a a pantorrilla (EF) como un elemento fijo, por efecto del movimiento que produce la silla bipedestadora, el muslo (BC) gira un ángulo de hasta 75°y el conjunto cadera (CD) y tronco, tienen un desplazamiento sobre el eje vertical como se muestra en las figuras 5.
En el software se ingresó diferentes valores de velocidad angular y se observó el movimiento del sistema, a los datos obtenidos, se los relacionó con la energía cinética rotacional total [33]:
El momento de inercia del muslo se lo obtuvo modelándolo en Autodesk Inventor Professional 2015, con las dimensiones Ds = 171,1 mm, Di = 132,9 mm y SP 476, 4 mm. Obteniendo el momento de inercia 174500 kg. mm2.
Sin embargo, el software no está considerando las patologías de los pacientes, es decir en las simulaciones se observa que los eslabones siguen una trayectoria ordenada y soportan la velocidad angular fijada por el software, por lo que es recomendable considerar que los bipedestadores presenten movimientos suaves y lentos.
Por lo mencionado anteriormente, la velocidad lineal del actuador debe ser aproximadamente v=8 mm/s, equivalente a 0,0168 rad/s, esta velocidad se ejerce s7o bre la estructura de bipedestador y por ende a los muslos por lo que aplicando en la ecuación (1), obteniendo que la energía cinética rotacional de los dos muslo es 0,05 J:
Por lo que se concluye que el actuador seleccionado proporciona la energía cinética necesaria para que el paciente pase de la posición de sedestación a bipedestación, con la mayor comodidad y ningún esfuerzo de sus músculos
Para la estructura se seleccionó acero ASTM A–36, considerando sus propiedades mecánicas como resistencia y soldabilidad que superan a materiales como aluminio y acero inoxidable [34], posee buenas características en lo referente a durabilidad, su susceptibilidad a la corrosión la evitamos con el uso de recubrimientos de pintura anticorrosiva, su costo es relativamente bajo y su gran stock en el mercado local, hace que se trabaje con este material.
2.7 Determinación de cargas de trabajo Tomando en cuenta el peso del tronco y los muslos, considerando una carga máxima de diseño 100 kg. (980.67 [N]), se toma en cuenta la tabla de pesos segmentarios [35], se calculó las cargas de trabajo las mismas que se detallan en la tabla II:
La ubicación de las cargas de trabajo se detallan en el modelo biomecánico de la figura 6:
Donde
F1: fuerza segmentaria en el centro de gravedad de la espalda
F2:fuerza segmentaria en el centro de gravedad del muslo
F3: fuerza del actuador lineal
Aplicando las ecuaciones de equilibrio [36] se obtiene F3 = 845.99 [N], que es la fuerza necesaria para levantar el peso segmentario del tronco y el muslo, con lo que se comprueba que el actuador lineal seleccionado trabaja sin inconvenientes con la carga máxima de diseño.
2.7.1 Diseño de soportes de asiento (nodo crítico): La fuerza neta de diseño 980 [N] (100 kg.) se dividió para los dos soportes, obteniendo una carga 490 [N] y una longitud de 422.50 mm para el elemento crítico mostrado, se decidió aplicar un factor de seguridad de diseño, n=2 [37]. ( Figura 7).
En cuanto a la estructura, debido a su compleja geometría el análisis se realizó con el entorno de análisis estático en Autodesk Inventor Profesional 2015. Se aplicó la carga máxima de trabajo de 980 N obteniendo una deflexión máxima de 0.133mm. (Figura 8)
3. Resultados y análisis
3.1 Estructura de la silla
3.2 Evaluación La evaluación se llevó acabo en el CRIE N°1, con la presencia de diez profesionales terapistas físicos, quienes laboran en el mencionado centro.( Figura 10)( Figura 11)
La evaluación la hicieron todos los profesionales terapistas físicos, mediante una encuesta personal y por escrito, con un criterio de evaluación de 1 a 10 y emitieron sugerencias individualmente, en la se evaluó los siguientes parámetros: facilidad de manipulación, facilidad de operación, estética, funcionalidad, facilidad de transporte obteniendo los siguientes resultados:
Como se expresa en la tabla III, la calificación promedio de 6 evaluadores es 9,17 con lo que se puede concluir que no sugieren cambios para la silla, la calificación promedio de 3 evaluadores es de 7,6 con lo que se puede concluir que sugieren cambios mínimos y solamente 1 evaluador califica a la silla con 4 sugiriendo cambios
Siendo el presente proyecto financiado en su totalidad por la Universidad Politécnica Salesiana, Quito – Ecuador, como proyecto de investigación de fondos concursables las sugerencias emitidas por los evaluadores terapistas físicos, se tomarán en cuenta para el rediseño de la silla bipedestadora en un futuro proyecto
4. Conclusiones
Se presentó el diseño mecánico y construcción de una silla de ruedas bipedestadora para en una persona con movilidad restringida grado IV, en sus miembros inferiores, con el objetivo principal de mejorar su calidad de vida. La silla bipedestadora cumple con todos los requerimientos de resistencia mecánica, control de movimiento, facilidad de operación, facilidad de transporte y un mantenimiento reducido
Adicionalmente la silla podrá ser usada como equipo de rehabilitación física para pacientes del Centro de Rehabilitación Integral Especializado CRIE Nro. 1, ubicado en la parroquia Conocoto – Quito, Ecuador.
Para los parámetros iniciales de diseño se obtuvo mediante un estudio antropométrico de un grupo de 19 pacientes adultos (13 mujeres y 6 hombres) del CRIE Nro. 1, quienes presentan un grado IV de discapacidad en sus miembros inferiores. El análisis estadístico se realizó mediante el software Microsoft Excel 2013, utilizando los criterios antropométricos a los percentiles extremos de la población. Con los datos obtenidos se dimensionó la geometría preliminar de la silla bipedestadora que fue la base para el estudio de cargas y el diseño mecánico.
La asistencia para la bipedestación se hace a través de un actuador lineal eléctrico Dewert modelo megamat 2, el mismo que cumple con todos los requerimientos referentes a velocidad de elevación, carga a elevar, económico, fácil manipulación y existe en el mercado local.
En este proyecto se utilizó herramientas informáticas como Autodesk Inventor v15, Autocad Mechanical v15, Autodesk Force Effect, ya que permitieron el uso de modelos en 2D y 3D y con un análisis paramétrico se logró totalizar todas las restricciones geométricas del diseño estructural de la silla bipedestadora, con ellos se pudo examinar diferentes configuraciones de los componentes y la silla.
Las evaluaciones hechas por los profesionales fisioterapistas del CRIE N°1, indican que el 60% de los evaluadores mencionan que la silla bipedestadora cumple con las características necesarias para las que fue construida, el 30% manifiesta que se deben hacer mínimas modificaciones a la silla y solamente un evaluador sugiere cambios obligatorios. No obstante a este proyecto se le considera como piloto para desarrollar futuras innovaciones y obtener mejores e innovadores productos
5. Recomendaciones
La silla bipedestadora está diseñada para superficies planas, por lo que se recomienda proporcionar el acompañamiento necesario de una o dos personas si se la usa en superficies inclinadas.
No exceder el peso máximo de 100 kg, que se ha establecido en el diseño de la silla bipedestadora, ya que esto provocará deformaciones en la estructura o elementos que son vitales para su funcionamiento.
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Forma de citar:
F.E. Obando-Herrera, T.G. Flores-Mugmal, J.I. Barbero-Palacios, L.A. Ortega-Bustamante “Silla bipedestadora para personas con movilidad restringida grado iv en las extremidades inferiores con una capacidad de carga de 100kg”, Respuestas, vol. 22, no. 2, pp. 76-86, 2017.
*Magister en Educación, mención Educación Superior, Magister en Gestión de Energías, Candidato a Doctor en Ingeniería Industrial Ingeniero Mecánico, Docente Investigador Carrera de Ingeniería Mecánica, Grupo de Investigación en Energías Renovables e Implementación Mecánica de Pymes GIERIMP, Correo: fobando@ups.edu.ec Universidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador
**Carrera de Ingeniería Mecánica. Correo: tfloresm@est.ups.edu.ecUniversidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador
***Carrera de Ingeniería Mecánica. Correo: jbarbero@est.ups.edu.ec Universidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador
****Carrera de Ingeniería Mecánica. Correo: lortegab@est.ups.edu.ec Universidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador
