Proyecto de Grado 2014-2
Diseño y construcción de una máquina de fatiga
para pies protésicos
Estudiante:
Miguel Andrés Suárez Jiménez
Cod: 200721767
Profesor Asesor:
Juan Carlos Briceño Triana PhD.
Tabla de contenidos
Página
i) Aval del documento de grado ………...2
ii) Agradecimientos………....3
iii) Lista de ilustraciones………...….….4
iv) Lista de tablas………6
v) Resumen del proyecto………..….7
vi) Abstract……….7
1. Introducción………..8
2. Objetivos………...…10
3. Metodología………..……….………...11
4. Resultados……….…12
4.1.Identificación de la necesidad……….…………...……12
4.2.Definición del problema………..………..…………12
4.2.1. Descripción de la prueba………..…...13
4.2.2. Requerimientos……….………..13
4.3.Síntesis………...…………...15
4.3.1. Diseños preliminares………..15
4.3.2. Diseño en CAD………..18
4.3.3. Planos…………...………..25
4.3.4. Manufactura y ensamble……….…………...25
4.4.Análisis y Evaluación………...….…..28
4.4.1. Diagrama de cuerpo libre (DCL) y sumatorias de fuerzas y momentos………....28
4.4.2. Simulaciones en ANSYS……….…...……....41
4.5.Presentación………..……….…...58
5. Conclusiones………....56
6. Trabajos futuros y recomendaciones………...58
7. Bibliografía………...………...59
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i. AVÁL del documento de grado
Estudiante: Asesor:
________________________ _________________________ Miguel Andrés Suarez Jiménez Juan Carlos Briceño Triana PhD
ii. Agradecimientos
Quienes han estado a mi lado saben que este ha sido un duro caminar y esto es porque han estado caminando conmigo no como espectadores. Levantándome, secando mis lágrimas, apoyándome, escuchándome, riendo conmigo y compartiendo desde lo más pequeño hasta lo más grande. Estos a quienes considero mi familia (ya sea por sangre o lazoscreados con los años) son los responsables de poner una sonrisa en mi rostro y darme fuerzas cuando no las he tenido.
El primero a quien considero padre, hermano y amigo es a mi Jesús quien nunca me ha dejado ni desamparado, a pesar de mis ingratitudes y olvido. Porque Él ha obrado en cosas que se veían imposibles en mi vida para que pueda continuar el camino. Y sobre todo darle gracias por su amor y cariño que me expresa a través de mis familiares y amigos.
Gracias a mis padres por su apoyo incondicional y libertad que me han otorgado, gracias a ellos y su educación soy Yo hoy en día un Yo del que me encuentro orgulloso. Agradecer a mis hermanas por su paciencia apoyo y amor. Y a mis abuelos, los mejores ejemplos que he tenido en mi vida… esta familia de sangre de la que hablo es más que suficiente motivo para seguir y luchar por un mundo mejor.
También quiero agradecer al amor de mi vida, por TODO. Son demasiadas cosas y momentos vividos. Porque el verdadero amor se prueba en las buenas y en las malas y, Laura tú has estado en las Mejores y en las Peores. Tú me mostraste que el amor es mucho más grande de lo que algún día pude imaginar.
Y por último agradecer a tantos amigos incondicionales que a lo largo de este proceso y de mi vida me han apoyado, alentado, y acompañado. Personas incondicionales que me quieren por quien soy y sus sacrificios muestran que la amistad es un tesoro gigante.
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iii. Lista de ilustraciones
Página
Figura 1. Metodología del proceso de diseño……….11
Figura 2. Aplicación de las cargas………..13
Figura 3. Motor eléctrico-levas………...15
Figura 4. Servomotores………...16
Figura 5. Actuadores Neumáticos………...17
Figura 6. Diseño CAD definitivo………....18
Figura 7.Dibujo frontal máquina………...…...19
Figura 8. Sistema de acción neumática…...……….………...…....20
Figura 9. GDL placas de contacto. …...………...………...…....21
Figura 10. Cola de milano placas de contacto….………...………...…..21
Figura 11. Codificación de los cilindros Mindman...………...………...23
Figura 12. Diseño CAD Mordaza………....………....24
Figura 13. Diseño CAD Bastidor……….24
Figura 14. Corte plasma………...26
Figura 15. Huecos pulidos en el bastidor...………...………...26
Figura 16. Manufactura de los ejes lineales. .………...………...27
Figura 17. Manufactura de placas de contacto vista 1...……...………...………27
Figura 18. Manufactura de placas de contacto vista 2..………...………27
Figura 19. Mordaza ensamblada. .………...………...………...28
Figura 20. Sistema Coordenado General. .………..………...29
Figura 21. Sub-sistemas Coordenados. .………...………...30
Figura 22. Vista iso y lateral sistemas neumáticos. .………...…………..………...31
Figura 23. Planos (z,y‟) y (z,y”) .………...……….………...31
Figura 24. DCL pie protesico planos (z,y‟) y (z,y”) .………...………..……...32
Figura 25. DCL placa inferior planos (z,y‟) y (z,y”) .………...………....32
Figura 26. DCL placa superior planos (z,y‟) y (z,y”)..………...………...33
Figura 27. DCL eje lineal planos (z,y‟) y (z,y”) .………...………...33
Figura 28. DCL Rodamiento lineal planos (z,y‟) y (z,y”) .………...………...34
Figura 29. DCL Sensor planos (z,y‟) y (z,y”) .………...………...35
Figura 30. DCL Cilindro neumático planos (z,y‟) y (z,y”)...………...………..35
Figura 31. DCL corredera 1 planos (z,y‟) y (z,y”) .………...………...37
Figura 32. DCL corredera 2 planos (z,y‟) y (z,y”) .………...…….………...38
Figura 33. DCL pie protésico plano (x,y) ………..………...…….………...39
Figura 34. DCL mordaza planos (x,y), (z,y). .………...…….………...40
Figura 35. Simulación 1 condiciones. .………...………...42
Figura 36. Simulación 1 malla. .………...………...42
Figura 37. Simulación 1 esfuerzos de Von-Misses..………...………...42
Figura 38. Simulación 1 esfuerzos de Von-Misses placa de contacto inferior vista 1……...43
Figura 39. Simulación 1 esfuerzos de Von-Misses placa de contacto inferior vista 2……...43
Figura 40. Simulación 1 esfuerzos de Von-Misses Placa de contacto Superior. …....……...43
Figura 42. Simulación 2 condiciones………...………...………...44
Figura 43. Simulación 2 malla………..………...…...………...45
Figura 44. Simulación 2 esfuerzos de Von-Misses..………...………...45
Figura 45. Simulación 2 esfuerzos de Von-Misses en eje lineal..…...………...45
Figura 46. Simulación 2 esfuerzos de Von-Misses en rodamiento lineal…...………..46
Figura 47. Simulación 2 esfuerzos de Von-Misses en carcasa. …...………...46
Figura 48. Simulación 2 desplazamiento Total. …...………...46
Figura 49. Simulación 2 factor de seguridad. …...………...47
Figura 50. Simulación 3 condiciones…...………...47
Figura 51. Simulación 3 malla……….…...………...48
Figura 52. Simulación 3 esfuerzos de Von-Misses en corredera superior. …...……..……...48
Figura 53. Simulación 3 esfuerzos de Von-Misses en corredera inferior…...………..48
Figura 54. Simulación 3 factor de seguridad corredera superior. …...………...49
Figura 55. Simulación 3 factor de seguridad corredera inferior. …...………...49
Figura 56. Simulación 4 condiciones vista 1………...…………...50
Figura 57. Simulación 4 malla………..…...………...50
Figura 58. Simulación 4 esfuerzos de Von-Misses bastidor y mordaza. …...…..…………...51
Figura 59. Simulación 4 condiciones vista 2…...………...51
Figura 60. Simulación 4 esfuerzos de Von-Misses bastidor………...………..…....51
Figura 61. Simulación 4 esfuerzos de Von-Misses mordaza vista 1...………....52
Figura 62. Simulación 4 esfuerzos de Von-Misses mordaza vista 2……...………..…....52
Figura 63. Simulación 4 desplazamiento total mordaza y bastidor………….…...…...……....52
Figura 64. Simulación 3 factor de seguridad bastidor y mordaza…...…..………...53
Figura 65. Simulación 4 factor de seguridad bastidor………...………....53
Figura 66. Simulación 4 factor de seguridad Mordaza………...………...53
Figura 67. Fotografía máquina de fatiga para pies protésicos….…...………...55
Figura 68. Fotografía Correderas……….…...………...56
Figura 69. Fotografía Bastidor………..…...………..…....56
Figura 70. Fotografía rodamiento lineal………..…...………....57
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iv. Lista de tablas
Página
Tabla 1- Viabilidad Motor eléctrico-levas………15
Tabla 2- Viabilidad Servomotores………16
Tabla 3- Viabilidad Actuadores Neumáticos………...17
v. Resumen
En este proyecto de grado se diseñó y construyó una máquina de fatiga para pies protésicos. Esto para poder continuar con el desarrollo del proyecto „Colombia Caminante1‟ cuyo objetivo es crear un pie protésico de bajo costo para impactar población vulnerable. En este documento se muestra la metodología usada y el proceso de diseño consus respectivos resultados que incluyen: diseños en CAD, validación de los modelos por medio de simulación computarizada, fotos de la manufactura y el ensamble de la máquina.
vi. Abstract
In this project was developed a fatigue test machine for prosthetic feet. This for continuing with the development of„Colombia Caminante‟ project, which objective is to create a low cost prosthetic foot for vulnerable population. This document shows the followed method and the design process with results which include: CAD design, validationusing computer simulations, fabrication photos, and the final result of the machine assembly.
1
Proyecto desarrollado desde 2012-2 por Miguel Andrés Suárez Jiménez, asesorado por Juan Carlos Briceño PhD. y co asesorado por Daniel Suárez Ph.D.
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1. Introducción
En Colombia, un país desgarrado por la violencia y la guerra durante más de 60 años, con grandes escándalos de corrupción en el área de la salud, la población tiene grandes necesidades, en especial la discapacitada. Por tanto, como colombianos es deber ciudadano poner manos a la obra y buscar soluciones a las diferentes problemáticas, tanto desde la academia, como desde las iniciativas propias.
En nuestra sociedad Colombiana el 6,3% de la población es Discapacitada2, esto implica que alrededor de 2´700.000 colombianos son discapacitados. Solamente en Bogotá, en la cabecera municipal, viven 188.0003, donde el 30%posee una discapacidad que les dificulta o impide moverse por sísolos.
Una triste realidad que hace notable el problema de la discapacidad por amputaciones en Colombia,es la guerra;donde el 79% de los afectados por minas antipersona o munición sin explotar sobreviven al accidente, pero en la mayoría de los casos con amputaciones o mutilación de su cuerpos en la zona afectada. Pero esta es “solo la punta del Iceberg”, pues esta población afectada por la guerra es menos del 5%4 de los amputados de miembro inferior en Colombia. Además, estadísticas del DANE indican que el 54% de los discapacitados en el país pertenecen al régimen subsidiado y que incluso existe un enorme 23%, que ni siquiera se encuentran asegurado. Otra estadística de esta institución también indica que el 80% de los discapacitados pertenecen a estratos 1 y 25. Por tanto, se evidencia que la mayoría de los discapacitados viven en condiciones que se asocian a la pobreza y/o vulnerabilidad.
En Colombia, en un país del tercer mundo,existe un 45,5% de población que vive en condiciones de pobreza6 queademás cuenta con un sistema social y de salud aún en desarrollo. Es decir, esineficiente,el cual no satisface por completo necesidades básicas y que no posee total cobertura. País en que la falta de educación, oportunidades y las deficiencias del sistema de salud crean una gran brecha social que genera gigantescas barreras para la inclusión de la población en condición de discapacidad.
Ya conociendo estadísticas generales de la situación, es de considerar también las dificultades que muchos pacientes con amputaciones deben afrontar dentro del sistema de salud, donde se ven obligados a utilizar al recurso de la tutela para obtener los protésicos adecuados. Esto debido a que por altos costos las entidades de salud encargadas suelen prescribir prótesis no aptas para el nivel de actividad de la persona. Lo que genera en muchas ocasiones que los pacientes entren en largos procesos en los que al final no obtienen el protésico indicado. Lo que implica que este sienta dolor en el muñón, o daño prematuro del dispositivo. Por lo tanto se encuentra la necesidad de crear una prótesiseconómica y de calidad que se adecue a las necesidades físicas, ergonómicas, psicológicas del individuo y a los presupuestos de las EPS; para que estos puedan volver como miembros activos de la sociedad.
Del panorama anteriormente descrito nace la propuesta de “Colombia Caminante”, un proyecto que tiene como objetivo realizar investigaciones y desarrollar unaprótesisde bajo costo y buena calidad con el fin de dar una vida digna y mejores oportunidades a una persona de escasos recursos. El fin es cubrir la
2
DANE. Censo General 2005
3DANE Marzo 2010 - Dirección de Censos y Demografía 4MahavirKamina, entrevista 2012.
5DANE Marzo 2010 - Dirección de Censos y Demografía 6
Tomado el 04 de julio de 2012 de:
necesidad básica de la locomoción para que el usuario pueda tener acceso a la sociedad y sus dinámicas en el ámbito laboral y cotidiano. Todo esto teniendo en cuenta que pueda ser producido en Colombia.
Este proyecto desarrollado desde 2012-2 por Miguel Andrés Suárez Jiménez, asesorado por Juan Carlos Briceño Ph.D y co-asesorado por Daniel Suárez Ph.D (este último hasta 2012-2) ha realizado un proceso iterativo de diseño, gracias al cual ya fue fabricado un prototipo funcional. Este fue sometido a una variedad de pruebas mecánicas, el cual ha superado exitosamente. Además del prototipo, en 2013, Sandra Viviana SuárezJiménez, ingeniera industrial de la Universidad de los Andes, realizó en su tesis de pregrado el modelo de negocio y el estudio de factibilidad de este producto, donde se demostró la viabilidad técnico-económica del mismo.
Adicional, Miguel Andrés Suárez Jiménez en 2013 tomo el curso vacacional de Órtesis y Prótesis con el profesor Michael Morley. En este se tuvo contacto con el Laboratorio Gilete, el cual ha apoyado el proyecto por medio de asesorías y quienes están interesados en continuar impulsando esta iniciativa. Esto mediante la facilitación de sus instalaciones y recuso humano para poder validar en pacientes este prototipo.
El Laboratorio Gilete pidió que si las pruebas clínicas van a ser realizadas en sus pacientes, se debe demostrar que el prototipo en desarrollo es seguro para los mismos. Para comprobar lo anterior, el prototipo ya fue sometido a ensayos mecánicos en los laboratorios de la Universidad de los Andes, pero aún se debe realizar pruebas de fatiga (exigidas por el Laboratorio Gilete) para garantizar la seguridad de los pacientes.
Del contexto anterior surge la propuesta de este proyecto de grado: „Diseño y construcción de una máquina de fatiga para pies protésicos‟ con el objetivo de continuar el proyecto „Colombia Caminante‟, esto con el fin de crear oportunidades e inclusión social para la población discapacitada en Colombia.
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2. Objetivos
A continuación se presentan los objetivos y sub objetivos del proyecto “Diseño y construcción de una máquina de fatiga, para pies protésicos.”.
Principales:
1. Establecer los requerimientos mecánicos para la máquina
2. Diseñar la máquina de fatiga
3. Construir la máquina de fatiga
1. Establecer los requerimientos mecánicos para la máquina
I. Revisar la literatura para establecer la cantidad de ciclos y la frecuencia de las pruebas. II. Averiguar las magnitudes y direcciones de los vectores de fuerzas.
III. Realizar un listado de requerimientos.
2. Diseñar la máquina de fatiga
I. Diseños preliminares. II. Diseños en CAD. III. Selección de materiales. IV. Planos de fabricación.
3. Construir la máquina de fatiga
I. Manufactura de componentes. II. Ensamble.
3. Metodología
La metodología seguida para el desarrollo de este proyecto es la siguiente, en la cual se muestra el diagrama de flujo de cómo se realizó el proceso de Diseño:
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4. Resultados
A continuación se presentan los resultados obtenidos del proceso de diseño que fue realizado usando la metodología planteada.
4.1.Identificación de la Necesidad
El siguiente proyecto de grado se concentra en solucionar una de las necesidades del proyecto “Colombia Caminante”. El cual desde 2012 ha desarrollado prototipos de pies protésicos de los cuales algunos ya han sido probados en los laboratorios de la Universidad de los Andes.
Los dispositivos están listos para la fase de pruebas en pacientes, en una investigación apoyada por el Laboratorio Gilete de órtesis y prótesis. Para ello el laboratorio ha solicitado que los dispositivos sean probados a fatiga (no especifican ninguna norma o procedimiento estándar) antes de ser usados por pacientes; lo anterior para garantizar la seguridad del usuario.
Para poder continuar con el desarrollo de “Colombia Caminante” se identifica la necesidad de fabricar una máquina de fatiga para pies protésicos. De ahí se plantea el presente proyecto de grado con el fin de resolver este problema de ingeniería.
4.2.Definición del problema
Ya se conoce que la necesidad es crear una máquina de fatiga para pies protésicos. Por tanto el problema de ingeniería que se resuelve en este proyecto de grado es diseñar y construir dicha máquina.
Pero para definir el problema de Ingeniería es prioritario conocer que acción debe realizar la máquina y sus respectivos requerimientos de diseño. A continuación se presenta una descripción de lo que la maquina debe hacer. Debido a que el ensayo de fatiga ya se encuentra estandarizado se averigua la norma y esta se toma como un guía para establecer el listado de requerimientos de la máquina.
La norma que rige las pruebas para componentes protésicos de extremidades inferiores es la ISO 10328. Debido a que el Laboratorio Gilete no pide la prueba estándar, esta norma es utilizada solo como guía además de los artículos „TechnicalReport – Niagara FootPilotStudy in Thailand‟ (T. Ziolo and J.T. Bryant, 2001) y „Mechanicaltesting of prostheticfeetutilized in low-incomecountriesaccording to ISO-10328 standard‟ (J. Steen Jensen and Henning B. Treichl, 2008). Por tanto para este resolver este problema de Ingeniería los criterios de diseño son especificados por el estudiante usando como referencia los artículos anteriormente mencionados.
4.2.1. Descripción de la prueba
Se desea que la maquina realice una prueba cíclica a los pies protésicos para probarlos a fatiga. La máquina debe aplicar una carga dinámica a la punta y talón del pie bajo los siguientes parámetros (ver figura 2):
Carga alternante talón punta. Carga máxima: 1.330N Frecuencia: 1Hz.
Cantidad de ciclos: 2 millones de ciclos. Angulo entre la vertical y el talón: 15°. Angulo entre la vertical y la punta: 20°.
La superficie de contacto entre los actuadores y el pie debe ser deslizante. Debe poder adaptarse para probar pies de diferentes tamaños y diseños.
Figura 2. Aplicación de las cargas
4.2.2. Requerimientos
A continuación se presenta el listado de requerimientos de diseño para la máquina.
1. Funcionalidad:
1.1. La máquina debe realizar pruebas de fatiga para pies protésicos (Estos pies deben contar con un tubo estándar para poder ser sujetados).
1.2.Debe poder adaptarse para probar pies de diferentes tamaños y diseños.
1.3.Debe poder operarse fácilmente, lo que significa que la persona que opere la maquina pueda hacerlo con un manual de instrucciones y no requiera capacitación previa (el manual no está contemplado
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dentro de los objetivos de este proyecto de grado, por tanto no se incluirán en el presente documento)
2. Fuerzas:
2.1. La máquina debe ejercer una fuerza alternante entre el talón y la punta del protésico con las siguientes condiciones (ver figura 2):
Carga máxima: 1.330N
Angulo entre la vertical y el talón: 15°. Angulo entre la vertical y la punta: 20°.
2.2.Esta debe ser capaz de soportar una sobrecarga de dos veces la carga de operación normal.
3. Facilidad de manufactura:
3.1.La máquina debe poder ser fabricada en los laboratorios de manufactura de la Universidad de los Andes y/o en talleres que presten servicios de manufactura en la ciudad de Bogotá.
4. Tamaño y fuentes de energía:
4.1. La máquina debe poder ubicarse en un espacio dentro de los laboratorios de la Universidad de los Andes. Contemplando que esta no ocupe área mayor a la de un escritorio.
4.2.Esta debe poder funcionar con los recursos energéticos disponibles dentro de los laboratorios de la Universidad de los Andes.
5. Tiempo:
5.1. La máquina debe poder ser diseñada y construida en las 16 semanas del periodo académico.
6. Control y adquisición de datos (no están contemplados dentro de los objetivos de este proyecto de grado, por tanto no se incluirán en el presente documento):
6.1. La máquina debe tener un sistema de adquisición de datos que muestre magnitud de la carga ejercida tanto en el talón como en la punta y el número de ciclos.
6.2.Esta debe tener un sistema de control que alterne las cargas entre la punta y el talón a una frecuencia variable entre 0.5 Hz y 2 Hz (con un estándar de 1Hz).
6.3.Esta debe ser capaz de parar la prueba al realizar dos millones de ciclos. 7. Presupuesto y recursos:
7.1.La máquina no debe costar más de $2‟660‟000.00 COP en efectivo y $660‟000 COP en ensayos y procesos de manufactura dentro en los laboratorios Ingeniería mecánica de la Universidad de los Andes.
4.3.Síntesis
A continuación se presentan los resultados obtenidos durante la fase de síntesis del proceso de diseño. Cabe resaltar que en algunos casos se incluyen en esta fase de síntesis partes de la fase de Análisis. Esto debido a que este es un proceso iterativo donde una fase va unida a la otra:
4.3.1. Diseños preliminares
A continuación se muestran los diseños preliminares realizados teniendo en cuenta los requerimientos de diseño. Además se analiza la viabilidad de cada uno de acuerdo a los requerimientos.
Nota: Todos los diseños contemplan llevar sensores de carga.
Motor eléctrico-levas
El siguiente diseño utiliza un motor eléctrico AC con un variador de frecuencia. Este transmite potencia a 2 levas con fase de 180° (una respecto a la otra) para lograr la fatiga alternante entre talón y punta. Estas levas impulsan seguidores, los que transmiten la potencia al elemento de prueba.
Req. # Cumple (Sí/No)
1.1 si 1.2 si 1.3 no 2.1 si 2.2 si 3.1 si 4.1 si 4.2 si 5.1 si 6.1 si 6.2 si 6.3 si 7.1 no 7.2 si Motor eléctrico-levas
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Figura 3.Motor eléctrico-levas Tabla 1- Viabilidad Motor eléctrico-levas
Viabilidad: De acuerdo con los requerimientos especificados, este diseño no cumple con las limitaciones de presupuesto (motor reductor y variador costo aproximado de $5‟000‟000.00 COP, elementos no disponibles en la universidad), además para cada desplazamiento que se desee se debe tener un par de levas.
Servomotores
Este diseño utiliza 2 servomotores con controlados por computador.
Figura 4Servomotores Tabla 2-. ViabilidadServomotores
Viabilidad: Este diseño cumple con los requerimientos de presupuesto pues los servomotores se encuentran disponibles en la universidad para ser utilizados. El problema es que estos son equipos muy costos (aproximadamente $17‟000‟000.00 COP cada uno) donde se verían sometidos a tiempos de trabajo que exceden los permitidos en las especificaciones del fabricante (para dos millones de ciclos a una frecuencia de 1Hz, esto equivale a 555,56 horas de trabajo in interrumpido por cada prueba).
Req. # Cumple (Sí/No)
1.1 no 1.2 si 1.3 si 2.1 si 2.2 si 3.1 si 4.1 si 4.2 si 5.1 si 6.1 si 6.2 si 6.3 si 7.1 si 7.2 si Servomotores
Actuadores Neumáticos
Este sistema cuenta con 2 actuadores neumáticos lineales. Utiliza un sistema de control por medio de un temporizador o un PLC para accionar las electroválvulas. Y la potencia es suministrada por medio de una línea de aire comprimido estándar.
Figura 5.Actuadores Neumáticos Tabla 3- Viabilidad Actuadores Neumáticos
Viabilidad: Este diseño cumple con todos los requerimientos especificados. Por tanto se eligió como el modelo a desarrollar.
Req. # Cumple (Sí/No)
1.1 si 1.2 si 1.3 si 2.1 si 2.2 si 3.1 si 4.1 si 4.2 si 5.1 si 6.1 si 6.2 si 6.3 si 7.1 si 7.2 si Actuadores Neumáticos
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4.3.2. Diseño en CAD
A continuación se muestran los diseños definitivos realizados en CAD, los que fueron producto final del proceso iterativo de diseño. Adicional la descripción de cada uno de los diseños y los materiales seleccionados para cada parte.
Este diseño es la continuación del desarrollo del diseño preliminar seleccionado. La siguiente figura muestra el ensamble del diseño en CAD definitivo:
Este diseño fue realizado con el objetivo de cumplir los requerimientos de diseño. Este cuenta con dos sistemas iguales de acción neumática, sensores de carga, una mordaza para sujetar los dispositivos protésicos y un bastidor que mantiene todo junto.
Los sistemas de acción neumática tienen correderas que le permiten a la maquina adaptarse a pies de diferentes tallas y elevaciones en el talón. Estas correderas están sujetadas por tornillos orientados según los requerimientos de ángulo en punta y talón. Dentro de estos sistemas se encuentran los sensores de carga, los cilindros neumáticos con anti-giro, guías lineales y placas de contacto.
En la figura siguiente se muestra un dibujo dela maquina ensamblada, este aclara donde se encuentran las partes anteriormente mencionadas.
Figura 7. Dibujo frontal máquina.
A continuación se presenta una descripción de los componentes de la maquina:
Sistemas de acción neumática:
Mordaza
Bastidor
Sistemas neumáticos
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Estos sistemas son los que contienen los cilindros neumáticos, celdas de carga y demás dispositivos/partes que le permiten a la maquina realizar el trabajo mecánico y la respectiva medición de fuerzas. La máquina cuenta con 2 de estos (uno para la punta y otro para el talón del protésico). A continuación se muestra en la siguiente figura uno de los sistemas de acción neumática (ambos sistemas son idénticos):
Figura 8.Sistema de acción neumática.
Este sistema contiene los siguientes 4 subsistemas:
Placas de contacto. Guía lineal.
Celda de carga Cilindro neumático Correderas.
Placas de contacto:
Esta parte de la maquina es la que transmite directamente la fuerza al pie protésico para poder probarlo. Estas placas fueron diseñadas de tal forma que la placa de contacto superior solo tenga 2 grados de libertad. Uno perpendicular al pie (en los ángulos especificados) y el segundo paralelo al dispositivo en sentido longitudinal (talón punta). La placa de contacto inferior tiene solo 1 GDL (perpendicular al pie ver figura 9). Estas placas están diseñadaspara realizar un contacto deslizante que flexione el protésico en talón y punta con el fin de simular la marcha de un paciente usando el protésico durante un número de ciclos determinado. Placas de contacto Guía lineal Celda de Carga Cilindro neumático Correderas
Figura 9. GDL placas de contacto.
Para ello estas la placa inferior cuentan con un empotre a la guía lineal (lo que permite un solo grado de libertad) y una cola de milano (entre la superior e inferior) que es la que permite un contacto deslizante contra el protésico con un grado de libertad adicional. El fin de la cola de milano es poder realizar un contacto deslizante, para que en la prueba el protésico no falle por rozamiento contra la maquina (pues el fin de la maquina no es evaluar fatiga por fricción).
Figura 10.Cola de milano placas de contacto.
La Cola de milano o cola de pato permite un solo grado de libertad, con un ajuste preciso que requiere de poco mantenimiento (únicamente limpieza y lubricación). Para las placas de contacto se seleccionó un acero A-36 con un proceso de pavonado para proteger el material de la corrosión.
Guía lineal:
Este componente junto con el sistema anti giro del cilindro, se encarga de que el movimiento que se transmite a las placas de contacto sea de un solo grado de libertad. Este conjunto es estándar disponible en el mercado colombiano marca Thomson referencia SSE PB M25 DDTHO. Este rodamiento lineal con
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carcaza funciona con un eje rectificado de 25mm de diámetro. En el anexo 1se encuentran las especificaciones técnicas de esta guía lineal.La Carcaza del rodamiento está hecha de aluminio y el eje rectificado esta hecho en acero-plata con un tratamiento superficial.
Celda de Carga:
La celda con la que se diseñó este sistema es de marca Omega con referencia LC 101 y sus especificaciones se encuentran en el anexo 2. Este tipo de celda está disponible en los laboratorios de ingeniería mecánica.
Cilindros neumáticos:
Para esta aplicación se seleccionaron los cilindros neumáticos marca MindmanPneumatics. Adelante se muestra los criterios de selección del cilindro según las especificaciones del fabricante.Nota: teniendo en cuenta los requerimientos de fuentes de energía, se seleccionan los cilindros. Los laboratorios de la universidad de los Andes cuentan con líneas de aire comprimido que tienen una presión de presión de 105 Psi equivalente a 0,72MPa.El fabricante de los cilindros suministra las siguientes tablas, donde se muestra la fuerza en N que ejercen los cilindros, según el sentido, el diámetro del embolo, la presión de las líneas. Haciendo uso de estas se selecciona el modelo adecuado.
Para esta máquina fueron seleccionados cilindros de doble accionamiento que tienen un diámetro de embolo de 63mm. Para este diámetro de embolo el cilindro presenta:
2.182 N de fuerza en avance 1.962N de fuerza en retroceso
Con estos criterios se procede a especificar el cilindro deseado qu9e además cumpla con las siguientes condiciones:
Anti-giro en el eje.
Carrera regulable por tope mecánico.
Para especificar los cilindros se muestra la codificación que utiliza el fabricante.
Figura 11.Codificación de los cilindros Mindman
El cilindro especificado es el siguiente:
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Mordaza:
Este elemento fue diseñado para sujetar el dispositivo protésico, que viene con un tubo estándar de 3 cm de diámetro. La Mordaza cuenta con 4 tornillos de ½ in de diámetro que lo sujetan al bastidor. Además con tres huecos roscados de diámetro M8 que junto con tornillos permite aprisionar el tubo. El material seleccionado para esta pieza fue acero A-36 con una capa de recubrimiento de pintura anticorrosiva.
Figura 12.Diseño CAD Mordaza.
Bastidor:
Este componente es el que sujeta todas las partes y debe soportar las cargas internas generadas durante la prueba. Este componente está diseñado con lámina de ¼ in de espesor, en acero A-36 HR con un recubrimiento de pintura anti-corrosiva. El bastidor cuenta con una lámina vertical la cual tiene soldados los tornillos que sostienen la mordaza y los sistemas neumáticos. Además este tiene dos „pie de amigo‟ para reforzar la estructura y una placa inferior para brindar estabilidad.
Figura 13. Diseño CAD Bastidor
Tornillería:
Toda la tornillería usada en la maquina es de grado 8.
4.3.3. Planos
En el proceso iterativo de la metodología propuesta, después de que los diseños CAD pasaran por la fase de análisis y evaluación. Fueron realizados los planos de fabricación y ensamble. Estos pueden ser encontrados de la siguiente forma en los anexos:
Anexo 3- Plano 1 Bastidor Anexo 4- Plano 2 Mordaza
Anexo 5- Plano 4 placa contacto superior Anexo 6- Plano 5 placa contacto superior Anexo 7- Plano 6 placa adaptador
Anexo 8- Plano 8 eje lineal Anexo 9- Plano 10 adaptador
Anexo 10- Plano 12 corredera superior Anexo 11- Plano 13 corredera inferior
Anexo 12- Planos 3,7,9,11 Pie protésico, rodamiento lineal, sensor, cilindro Anexo 13- Plano Ensamble
Anexo 14- Plano Ensamble Explosionado
4.3.4. Manufactura y ensamble
Los modelos CAD anteriores fueron validados mediante simulaciones en ANSYS en la etapa análisis y evaluación (consignada más adelante en el documento según la metodología planteada).
Algunos de estos componentes fueron fabricados en el taller de manufactura de la Universidad de los Andes. Los demás fueron fabricados en HERPRAC S.A. A continuación se muestran las imágenes de los elementos manufacturados, descripción del proceso de fabricación e imágenes del ensamble definitivo.
Correderas y bastidor:
Estos elementos fueron cortados por plasma en sus dimensiones externas por el proveedor de las láminas.Posteriormente en el Lab-mec (laboratorio de manufactura de ingeniería mecánica) usando la cortadora de plasma, se cortaron los orificios y carriles de ½ in.
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Figura 14.Corte plasma.
Figura 15.Huecos pulidos en el bastidor.
Siguiente se procedió a pulir los carriles y orificios usando lima y pulidora. Luego usando la pulidora se avellanaron los bordes de todas las láminas. Posteriormente se encuadraron las láminas del bastidor y fueron soldadas usando soldadura de arco con electrodo revestido. Después se soldaron todos los tornillos y en el caso de las correderas con esmeril y pulidora se quitó el restante de las soldadura. Estos elementos fueron pintados con anticorrosivo en HERPRAC S.A.
Eje lineal y acoples de sensores:
Este fue maquinado en los tornos del Lab-mec donde se realizaron los cortes, las respectivas reducciones de área y roscas. Además usando la fresa se realizaron los aplanados.
Figura 16. Manufactura de los ejes lineales.
Placas de Contacto:
Estas fueron fabricadas en la empresa HERPRAC S.A.,bajo las especificaciones de los planos. Allí mediante procesos de mecanizado y pavonado fabricaron las piezas especificadas en los planos. Este servicio se solicitó fuera de la universidad debido a que en el Lab-Mec no se cuenta con las herramientas necesarias para fabricar colas de milano.
Figura 17 Manufactura de placas de contacto vista 1.
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Mordaza:
Este elemento fue fabricado y pintado con anticorrosivo en en la empresa HERPRAC S.A. según las especificaciones dadas en los planos.
Figura 19. Mordaza ensamblada.
Ensamble:
El ensamble fue realizado en el Lab-Mec de la Universidad de los Andes. El ensamble fue realizado según los planos. Es importante tener en cuenta que los cilindros neumáticos no pudieron ser montados debido a que no estaban disponibles durante el periodo de tiempo contemplado para este proyecto de grado. Más adelante en la sección de presentación se encuentran imágenes de la maquina ensamblada.
4.4.Análisis y Evaluación
En esta etapa del proceso de diseño se realizaron los diagramas de cuerpo libre para los diferentes sistemas y partes de la máquina. Además de esto se validaron los diseños CAD mediante simulaciones en ANSYS. Es importante resaltar que el proceso de diseño es iterativo y en este documento solo se consignan los resultados finales del proceso.
4.4.1. Diagrama de cuerpo libre (DCL) y sumatorias de fuerzas y momentos.`
A continuación se muestra como se definió el sistema coordenado general x,y,z para la realización de los DCL y las sumatorias de fuerzas y de momentos.
Figura 20. Sistema Coordenado General.
Para simplificar los cálculos fueron creados dos subsistemas coordenados, los cuales se muestran a continuación. Estos son usados para el análisis de los elementos de los sistemas neumáticos de talón y de punta.
Para el talón se usa el subsistema coordenado x‟,y‟, z. Para la punta se usa el subsistema coordenado x”,y”, z.
+x
+y
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Figura 21. Sub-sistemas Coordenados.
Los subsistemas coordenados se encuentran inclinados respecto al sistema coordenado general, de acuerdo al ángulo de la figura 2 tanto en talón como en punta.La descomposición de los vectores se da de la siguiente manera:
Para el plano x‟,y‟, z (talón) que tiene un ángulo de inclinación respecto a la vertical igual a --15°
En sistemas neumáticos 1 y 2
A continuación se presenta el diagrama de cuerpo libre para los sub-sistemas 1 y 2. En el documento se consigna solamente en las ecuaciones para el subsistema x‟,y‟, z pues debido a que los sistemas neumáticos de talón y punta son idénticos las ecuaciones también lo son. Por tanto no se consideró necesario reescribir de nuevo las ecuaciones idénticas para el subsistema x”,y”, z. El diagrama de cuerpo libre del plano (x‟,y‟) de los sistemas neumáticos se encuentra en el anexo 15.
Figura 22. Vista iso y lateral sistemas neumáticos.
Plano’ y plano zy”
Los planos analizados a continuación son los siguientes para los subsistemas 1 y 2
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Siguiente se encuentra el DCL, sumatoria de fuerzas y de momentos.
Pie protésico (contacto en talón o punta):
Figura 24. DCL pie protésico planos (z,y’) y (z,y”)
Estas ecuaciones son ciertas en el momento que solo actúa uno de los sistemas neumáticos. Esto significa que el dispositivo protésico solo recibe carga en talón o punta. Y que la línea de acción de la fuerza está alineada con el soporte del protésico.
Placa superior 1
Placa inferior 1
Figura 26. DCL placa inferior planos (z,y’) y (z,y”)
Eje Lineal 1 (en este elemento se asume un momento par equivalente a las cargas distribuidas que ejerce el rodamiento)
Figura 27. DCL eje lineal planos (z,y’) y (z,y”)
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Rodamiento Lineal 1 (en este elemento se asume un momento par equivalente a las cargas distribuidas que ejerce el eje lineal)
Figura 28. DCL Rodamiento lineal planos (z,y’) y (z,y”)
Este es un sistema indeterminado. Para poder resolverlo y dadas lascondiciones geométricas se puede asumir que:
y
Por tanto:
2
Sensor 1
Figura 29. DCL Sensor planos (z,y’) y (z,y”)
Cilindro 1
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Este es un sistema indeterminado, para resolverlo se asume:
Dado esto:
Este es un sistema indeterminado. Para poder resolverlo y dadas lascondiciones geométricas se puede asumir que:
y Por lo tanto
=
La sumatoria de momentos se realiza en el puntodonde están los tornillos 1,2.
Corredera 1
Este es un sistema indeterminado.
Este es un sistema indeterminado.
Este es un sistema indeterminado.
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Corredera 2
Este es un sistema indeterminado.
Este es un sistema indeterminado.
Debido a que los dos sistemas anteriores son indeterminados este también.
Pie protésico:
Siguiente se muestra el DCL y sumatoria de fuerzas y momentos en el pie en el plano (x,y).
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Mordaza
Siguiente se muestra el DCL y sumatoria de fuerzas y momentos en la mordaza en los planos (x,y) y (y,z).
Figura 34. DCL mordaza planos (x,y), (z,y).
4.4.2. Simulaciones en ANSYS
A continuación se presentan las simulaciones realizadas en ANSYS. En estas simulaciones se determina que los diseños en CAD no fallan por 3 criterios:
Fluencia. Fatiga.
Factor de seguridad.
Debido a que en la fase anterior de análisis teórico se evidencia que muchos de los sistemas son indeterminados, en las simulaciones se evalúan estos para poder conocer la distribución de esfuerzos mediante una solución numérica y así garantizar que los diseños en CAD de la maquina pueden cumplir con los requerimientos sin fallar.
Las simulaciones fueron realizadas en el programa ANSYS 14 Work-Bench en el modo de estudio estático estructural. Para la simulación se definieron los materiales de cada uno de los componentes diseñados con sus respectivas propiedades. En el caso de los componentes estándar se tomó el material que viene como predeterminado en el CAD suministrado por el fabricante (en el caso de las guías lineales).
A continuación se presentan las simulaciones realizadas. Se muestra primero las condiciones bajo las que se realizó la simulación (empotramientos, contactos, cargas, etc.), siguiente la malla, después la distribución de esfuerzos de Von-misses con diferentes imágenes. Y por último se muestra el factor de seguridad que ofrece ANSYS en la herramienta de fatiga.
Nota: en algunos casos se incluyen graficas que muestran el desplazamiento total, en estos casos se verifica que no exista una deformación excesiva que pueda afectar el funcionamiento de la máquina.
Simulación 1: Placas de Contacto
Condiciones y parámetros (estos con tomados basándose en el diagrama de cuerpo libre): Fuerza: 2.182N
Criterio de fatiga usado: Goodman
Placas de contacto con un offset de 40mm Número de ciclos: 2 millones de ciclos
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Figura 35. Simulación 1 condiciones.
Figura 36.Simulación 1 malla.
Figura 38.Simulación 1 esfuerzos de Von-Misses placa de contacto inferior vista 1.
Figura 39.Simulación 1 esfuerzos de Von-Misses placa de contacto inferior vista 2.
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Figura 41. Simulación 1 factor de seguridad.
En las imágenes anteriores se puede ver que el esfuerzo máximo se presenta en la placa de contacto inferior, en el hueco de unión con el eje lineal. Este esfuerzo máximo es igual a 2.2268e7 Pa. También se puede observar que el factor de seguridad es mayor a 15.
Simulación 2: Conjunto placas de contacto y guía lineal
Condiciones y parámetros (estos con tomados basándose en el diagrama de cuerpo libre): Fuerza: 2.182N
Criterio de fatiga usado: Goodman
Placas de contacto con un offset de 40mm Número de ciclos: 2 millones de ciclos
Figura 43. Simulación 2 malla.
Figura 44. Simulación 2 esfuerzos de Von-Misses.
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Figura 46. Simulación 2 esfuerzos de Von-Misses en rodamiento lineal.
Figura 47. Simulación 2 esfuerzos de Von-Misses en carcasa.
Figura 49. Simulación 2 factor de seguridad.
En las imágenes anteriores se puede observar que el esfuerzo máximo se presenta en el rodamiento lineal. Este esfuerzo máximo es igual a 8.304e7 Pa. También se puede ver que el factor de seguridad mínimo es de aproximadamente 9. Adicional la gráfica de desplazamiento total muestra un máximo en la placa de contacto superior con tan solo 0.2 mm
Simulación 3: Correderas
Condiciones y parámetros (estos con tomados basándose en el diagrama de cuerpo libre): Fuerza: 2.182N
Momento par: 87.28 Nm (producto de aplicar la carga a las placas de contacto con un offset de 40mm)
Criterio de fatiga usado: Goodman Número de ciclos: 2 millones de ciclos
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Figura 51.Simulación 3 malla.
Figura 52. Simulación 3 esfuerzos de Von-Misses en corredera superior.
Figura 54. Simulación 3 factor de seguridad corredera superior.
Figura 55. Simulación 3 factor de seguridad corredera inferior.
En las imágenes anteriores se puede ver que el esfuerzo máximo se presenta los orificios de los tornillos, en la corredera superior (estos tornillos unen la corredera inferior con la superior). Este esfuerzo máximo es igual a 1.1575e7 Pa. También se puede observar que el factor de seguridad mínimo es de 15 en ambas correderas.
Simulación 4: Bastidor y mordaza
Condiciones y parámetros (estos con tomados basándose en el diagrama de cuerpo libre):
Para esta simulación se toma en conjunto la mordaza junto con la placa principal del bastidor. En esta simulación se reproduce el peor de los casos. Este es en el que ambos sistemas neumáticos ejercen fuerza al mismo tiempo sobre el protésico.
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Fuerza en los huecos de los tornillos que sujetan las correderas: 2000N (en cada sistema neumático)
Fuerza en la mordaza: 4.000N
Momento par en los huecos de los tornillos que sujetan las correderas: 87.28 Nm (producto de aplicar la carga a las placas de contacto con un offset de 40mm)
Momento par resultante en la mordaza: 280 Nm Criterio de fatiga usado: Goodman
Número de ciclos: 2 millones de ciclos
Figura 56.Simulación 4 condiciones vista 1.
Figura 58. Simulación 4 malla.
Figura59. Simulación 4 esfuerzos de Von-Misses bastidor y mordaza.
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Figura 61.Simulación 4 esfuerzos de Von-Misses mordaza vista 1.
Figura 62. Simulación 4 esfuerzos de Von-Misses mordaza vista 2.
Figura 64. Simulación 3 factor de seguridad bastidor y mordaza
Figura 65. Simulación 4 factor de seguridad bastidor
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En las imágenes anteriores se puede ver que el esfuerzo máximo se presenta en la lámina vertical del bastidor, debajo de donde se ubica la mordaza. Este esfuerzo máximo es igual a 5.2451e7 Pa. Se puede observar también que el máximo desplazamiento se presenta en la parte superior del bastidor, igual a 5,6mm. Este desplazamiento total es bajo y además se debe tener en cuenta que este es para el peor de los casos no para operación normal. También se puede observar que el factor de seguridad mínimo es de 1,8.
En las simulaciones anteriores se muestran cómo se distribuyen los esfuerzos principales en los diferentes elementos de la máquina y como estos no superan los esfuerzos de fluencia. Además se observa que el factor de seguridad siempre es mayor a 1 y que ninguno de los elementos presenta un desplazamiento excesivo que sugiera la existencia de algún problema en el funcionamiento o integridad de la máquina.
4.5.Presentación
A continuación se muestra el resultado final del proceso de diseño realizado en este proyecto de grado. Es importante hacer notar que los cilindros neumáticos no pudieron ser instalados debido a que no estuvieron disponibles durante el tiempo de ejecución del proyecto de grado 2014-2.
Siguiente se presentan las imágenes de la máquina ensamblada:
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Figura 68.Fotografía Correderas.
Figura 70. Fotografía rodamiento lineal.
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5. Conclusiones
Del presente proyecto de grado se concluye que al haber seguido el proceso de diseño planteado en la metodología, exitosamente se identificó la necesidad, definió el problema de ingeniería y se especificaron los requerimientos. Lo anterior permitió realizar un diseño para cumplir con los requerimientos.
También se puede concluir que los diseños CAD pasaron exitosamente las pruebas realizadas en simulaciones computarizadas. Además estos fueron hechos con criterio de ingeniería, lo que permitió ponerlos en lenguaje profesional (planos) para que su manufactura fuera exitosa, incluyendo partes que fueron fabricadas por outsourcing.
Aunque la máquina no pudo ser probada debido a la falta de disponibilidad de los cilindros neumáticos, se espera que esta cumpla con su cometido una vez completa. Esta máquina una vez terminada permitirá el progreso del proyecto „Colombia Caminante‟ con el fin de construir un mejor país al realizar una labor social con población discapacitada.
6. Trabajos futuros y recomendaciones
Para que esta máquina funcione aún deben ser realizadas las siguientes tareas:
Ensamblar y ajustar los cilindros neumáticos.
Diseñar e implementar un sistema de control de acuerdo a los requerimientos especificados. Realizar pruebas en vacío y con dispositivos para poder realizar la calibración y ajustes necesarios al sistema.
Adicional se recomienda que al utilizar la maquina no deben ser retirados los ejes de los rodamientos lineales, pues esto conlleva a que el rodamiento pierda los balines que le permiten cumplir su función (esta es una especificación del fabricante). En caso de ser necesaria su lubricación en el costado cuentan con un tapón y orificio para este fin (preferiblemente consultar procedimientos de mantenimiento en la página del fabricante http://www.thomsonlinear.com).
También se recomienda mantener lubricadas las placas de contacto y verificar el ajuste de tuercas y demás elementos después de realizar cada prueba.
7. Bibliografía
„Technical Report – Niagara Foot Pilot Study in Thailand‟, T. Ziolo, J.T. Bryant, 2001.
„Mechanical testing of prosthetic feet utilized in low-income countries according to ISO-10328 standard‟, J. Steen Jensen, Henning B. Treichl, 2008.
Diseño en IngenieríaMecánica de Shigley, Richard G. Budynas, J. Keith Nisbett, octava edición, Mc Graw Hill, 2010
Biomechanics of Lower Limb Prosthetics, Mark R. Pitkin, Springer, 2010
Miguel Sebastián pinilla, Análisis en 3D de la marcha normal y protésica, Proyecto de grado, Universidad de los Andes, 1995.
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8. Anexos
Anexo 1-Guías linealesThomson.
64
Anexo 5- Plano 4 placa contacto superior
66
Anexo 7- Plano 6 placa adaptador
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70
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Anexo 15-DCL sistema neumático plano (x‟,y‟)
-y' +y'
-x’ +x’
Fmy‟ Fty‟ Fty‟ Rpy‟ Mtx‟y‟ Rpy‟ Mtx‟y‟ Rey‟ Mnx‟y
Rt1x‟y‟ Rt2x‟y‟
La
1
