control electrÓnico de sillas de ruedas para...

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

'CONTROL ELECTRÓNICO DE SILLAS DE RUEDAS PARA PERSONAS

PARAPLEJICAS Y CUADRAPLEJICAS"

ÁNGEL JUMBO TORRES

CARLOS TAMAYO CHICAIZA

TESIS PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE INGENIEROS EN:

ELECTRÓNICA Y CONTROL, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES EN LA

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL.

Quito, Diciembre de 1995

Certifico que el presente trabajo ha

sido realizado en su totalidad por

los señores : ÁNGEL JUMBO TORRES y

CARLOS TAMAYO CHICAIZA, bajo mi di-

rección.

Dr./Luis/Corrales

Director

A MI ESPOSA, HIJA,

MADRE, TÍA Y HER-

MANOS

CARLOS TAMAYO CHICAIZA

A MI ESPOSA, HIJA

Y A MIS PADRES

ÁNGEL JUMBO TORRES

AGlíADEGIMIENTO

Al señor Doctor Luis Corrales Paucar, guien con sus conocimien-

tos y dirección nos ayudó a superar las dificultades y llegar a

culminar esta obra.

A los señores Ingenieros: Bolívar Ledesma Galindo y Fernando

Tamayo Chícaiza, por su desinteresada labor y valiosa colabo-

ración.

A nuestros compañeros señores Rene García y Fabián Tamayo por

su invalorable apoyo y colaboración.

ÍNDICE

Pag.

CAPITULO 1 : GENERALIDADES

Discapacidad. 1

Características 1

Sillas de ruedas 2

Sillas manuales 3

Sillas eléctricas 4

Estadísticas sobre discapacitados en el Ecuador. . 7

1.1. Estadísticas sobre potenciales usuarios parapléji-

cos 11

1.2. Estadísticas sobre potenciales usuarios cuadraplé-

jicos 12

1.3. Alternativa propuesta. . 13

CAPITULO 2 : SISTEMA ELECTROMECÁNICO

2.1. Análisis del sistema mecánico. . . 15

Movimiento en una superficie plana 16

Movimiento en una superficie con pendiente ascen-

dente 16

Movimiento en una superficie con pendiente descen-

dente 18

2.2. Análisis del sistema eléctrico (motores y fuente de

poder 20

Diseño de fuentes de polarización. 23

Selección de batería de 12 Voltios 62 AH 23

Cargador de batería 27

Diseño de alarma de baja carga de batería 29

2.3. Especificaciones del circuito de control 34

Especificaciones eléctricas 34

Especificaciones del circuito de control lógico. .. 34

Especificaciones del circuito de control de veloci-

dad ,..,.......,,. . . . , 35

Pag.

Especificaciones del circuito de fuerza. 35

Especificaciones mecánicas 35

CAPITULO 3 : TRANSDÜCTORES

3.1. Diseño y construcción del transductor manual e in-

terf ace 37

Opciones analizadas 37

Criterios de diseño 38

Transductor manual 38

Interface del transductor manual 44

3.2. Diseño y construcción del transductor bucal e inter-

f ace 47

Opciones analizadas 47

Criterios de diseño 51

Transductor bucal 51

Interf ace del transductor bucal 61

CAPITULO 4 : CIRCUITOS DE CONTROL

4.1. Diseño del circuito lógico de control 68

4.2. Diseño del circuito de control de velocidad (lazo

abierto) 72

Técnicas de modulación para el control de velocidad

en motores 73

Circuitos de modulación por ancho de pulso 74

Implementación del generador de onda triangular. .. 78

Diseño de circuitos comparadores 81

Diseño de los circuitos de control de los troceado-

res 86

4.3. Diseño del circuito de fuerza e inversión de giro

de los motores 91

Diseño del circuito de control de inversión de giro 91

Circuitos de fuerza 97

CAPITULO 5 : PRUEBAS Y RESULTADOS

Calibración del voltaje medio de alimentación a los

Pag.

motores. ..,.,,.,,... 101

Calibración de velocidad de la silla de ruedas. ... 102

5.1. Pacientes paraplej icos. 103

5.2. Pacientes cuadrapléjicos . 104

CAPITULO 6 : ANÁLISIS ECONÓMICO

6.1. Análisis de costos del transductor manual. 107

6.2. Análisis de costos del transductor bucal 108

6.3. Análisis del costo total del control electrónico. . 109

Control único universal con transductor manual. ... 113

Control único universal con transductor bucal 114

CAPITULO 7 :

Conclusiones ........ 116

Anexos.

Bibliografía.

0/X JP T TT_j;r»O 3_

1, GENERALIDADES

Al estar este tema de tesis enmarcado eminentemente en el

área electromédica, no muy difundida en nuestro medio, es nece-

sario hacer una descripción que permita una adecuada compren-

sión de los términos que en ella se emiten.

DISCAPACIDAD

Una discapacidad se define como una desventaja para el in-

dividuo, resultado de una deficiencia o limitación que restrin-

ge o impide el cumplir un desempeño considerado como normal pa-

ra edad, sexo y factores socioculturales dentro del promedio y

manera en que los otros seres humanos son capaces. (Cifuentes

M., 1990).

CARACTERÍSTICAS:

T,a discapacidad está en relación con el valor correspon-

diente a una situación o experiencia del individuo, partiendo

de lo normal.

La discapacidad es o representa la socialización de una

deficiencia y como tal refleja además las consecuencias cultu-

rales, sociales, económicas y ambientales que se originan ante

la presencia del deterioro o deficiencia, limitación y discapa-

cidad.

La desventaja surge de la incapacidad o inhabilidad, en-

torpecimiento en la capacidad de mantener lo que puede nominar-

se como una habilidad o rol de supervivencia.

La clasificación de las discapacidades no es sino un aná-

lisis de la desventaja y de las circunstancias, bajo las cuales

es probable que se encuentren a si mismo las personas discapa-

citadas, proceso que coloca a dichos individuos en una relativa

desventaja, cuando son vistos desde las normas de la sociedad.

2

CLASIFICACIÓN;

1,- Discapacidad en la orientación: Es la incapacidad del su.je-

t.o para situarse y relacionarse con su entorno.

2.- Discapacidad en la independencia física: La independencia

física es la capacidad para llevar habitualmente una exis-

tencia independiente y efectiva.

3, Discapacidad en la movilidad: Movilidad es la capacidad del

individuo para desplazarse en forma eficaz en su entorno.

4.- Discapacidad en la orientación social: Es la incapacidad

del sujeto para situarse y relacionarse en su entorno so-

cial .

5.- Discapacidad ocupacional: Es la incapacidad que tiene un

individuo, para emplear su tiempo en forma acostumbrada te-

niendo en cuenta su sexo, edad y cultura.

6.- Discapacidad para la autosuficiencia económica: Autosufi-

ciencia económica es la capacidad del individuo para mante-

ner la actividad o independencia socioeconómica normal,

De la introducción precedente, se puede concluir que los

discapacitados parapléjicos y cuadrapléoicos son los potencia-

les usuarios de sillas de ruedas, cumplen efectivamente en ma-

yor o menor grado con la clasificación de discapacidades, de a-

llí que en lo sucesivo se los denominará discapacitados.

SILLft&-EEJBBEDAS

Durante los últimos años, el diseño de sillas de ruedas ha

tenido una gran evolución, mucho mayor que en los últimos cua-

renta años. Durante los cuales la mejor innovación en sillas

manuales fue alrrededor de 1940, con el desarrollo de una silla

plegable en un solo armazón cruzado. {Journal of Rehabilitation

Research and Development - Glinical Supplement # 2, 1990)

T-os cambios de diseño son vistos con mucha expectativa por

los discapacitados y han cambiado considerablemente su estilo

de vida, especialmente por el cambio de actitud de la sociedad

hacia ellos, considerando lo que desean hacer, a donde quieren

ir y como lo pueden realizar.

3

Las sillas de ruedas están clasificadas en sillas manua-

les, movidas por su ocupante y en sillas eléctricas, energiza-

das por una fuente externa, es decir por baterías.

Los tipos de equipos varían considerablemente en función

de la comodidad y necesidades de las distintas discapacidades.

En general las sillas manuales son usadas por personas con

fortaleza en sus extremidades superiores y son completamente

independientes, tanto para las actividades de trabajo como re-

creacionales.

Las sillas eléctricas son usadas por personas que tienen

deshabilitadas las extremidades inferiores y limitadas las fun-

ciones de las extremidades superiores o por personas con disca-

pacidad general.

Generalmente las personas que utilizan sillas de ruedas e-

léctricas, no son independientes para movilizarse dentro o fue-

ra de su silla de ruedas, siendo los usuarios de este tipo de

sillas los discapacitados parapléjicos y cuadraplédicos.

SILLAS MANUALES:

Las sillas de ruedas manuales han sido las primeras en mo-

dificarse tanto en su estética, como en las funciones especifi-

cas para la cual es diseñada,

El concepto fundamental que se maneja, es que la silla de

ruedas es una parte substancial del individuo, como puede ser

su vestimenta, etc.

Es asi que es posible encontrar sillas de ruedas diseñadas

para actividades especificas como: atletismo, basket-bol, rae-

quetbol, tenis, voleibol, etc. Las cuales tienen su diseño me-

cánico especifico según las actividades que con ella se van a

realizar.

SILLAS ELÉCTRICAS:

Las sillas cíe ruedas eléctricas continúan con las conside-

raciones en la estética, pero con mayores consideraciones par-

ticularmente en la comodidad del equipo ofrecido y requerido

por los usuarios.

Las personas que usan sillas de ruedas eléctricas, por lo

general lo hacen hasta su muerte, en un equipo de similar peso

y tamaño al del usuario y que emite una variedad de ruidos, a-

sociados a sus funciones específicas.

Este tipo de sillas están divididas fundamentalmente Por

el tipo de discapacidad que padece el usuario y se clasifican

de la siguiente forma:

1. Diseñada para personas con: Debilidad general, parálisis

parcial y las cuales son independientes en su transferen-

cia, dentro y fuera de su silla de ruedas.

Para este tipo de usuario existe una gran variedad de si-

llas eléctricas portátiles, carros motorizados, triciclos

eléctricos y distintos tipos de vehículos recreacionales.

Las sillas eléctricas portátiles son usualmente sillas

manuales a las cuales se les ha adicionado: Motores, ba-

terías y el circuito de control correspondiente. Es así

que estas sillas son plegables y fácilmente desmontables,

con el propósito de acrecentar su portatibilidad, son de

bajo peso y son inadecuadas para largos ciclos de traba.lo;

es decir, su vida útil es pequeña.

2. El segundo tipo de sillas de ruedas son usadas por perso-

nas con un inadecuado control de su motricidad o sin él y

básicamente se subdividen de la siguiente forma:

2.1. Personas con parálisis por daños en vértebras cervi-

cales, daños cerebrales, con severas enfermedades

neuromusculares.

2.2. Personas con insuficiencia o ausencia de extremidades

debido a amputaciones, malformaciones congénitas o

ausencias congénitas,

2,3, Personas con espasticidad athetosis debido a enfer-

medades congénitas del sistema nervioso o traumatis-

mos cerebrales.

Este tipo de sillas de ruedas vienen acondicionadas en

muchos casos para realizar distintas funciones, de acuerdo a

las necesidades del usuario y al igual o más que en las sillas

manuales son parte constitutiva del usuario; sin embargo su ta-

maño, peso y ruido que generan son mucho mayores.

Hasta la década de 1980 las sillas eléctricas en Estados

Unidos fueron adaptadas a partir de las manuales, al acondicio-

narles motores? baterías y controladores.

En marzo de 1982, la tercera feria de sillas de ruedas

auspiciada por la administración de desarrollo de servicios y

búsqueda de rehabilitación de veteranos de Estados Unidos, die-

ron las pautas en el rediseño de sillas de ruedas, particular-

mente para personas con severa discapacidad y que no son inde-

pendientes para su transferencia.

Los conceptos del diseño han empezado dando mayor eficien-

cia y mayor versatilidad, para proveer distintas funciones que

requiere el usuario y algo muy importante, mejoran la estética

de las mismas,

Tina forma de comprender los niveles de fuñeionabilidad de

las sillas de ruedas, es considerar el método de control de los

mismos.

Para personas que tienen función en una de sus manos, un

pequeño óoystick que tiene 3/16 pulgadas como desplazamiento,

ha permitido una gran amplitud en el control y ha hecho posible

el control con un dedo, con la qui.lada y en algunos casos con

el labio o con la lengua.

6

El uso de circuitos con controles en la aceleración ha he-

cho gue el sistema de conmutación sea más dúctil. Un sople o vi-

na aspiración han permitido mediante un sistema neumático aso-

ciado, el control de movimiento hacia adelante, atrás y parada

de la silla. Adicionalmente , un leve soplo o una leve aspira-

ción controlan la velocidad de desplazamiento,

fin único switch de control, donde los movimientos de la

silla son explorados automáticamente ha sido lanzado al mercado

últimamente. Las funciones son lentas, sin embargo éste ha pro-

visto un sistema eficaz para personas que no tienen otra alter-

nativa de control,

í corno se han hecho mejoras en el sistema de control, se

han adicionado en las tar.ietas de control accesorios e interfa-

ces para encendido y apagado de luces, alarmas, grabadora, ven-

tiladores y en especial, funciones de reclinación que son muy

importantes para personas con severa discapacidad.

Muchas funciones o movimientos de las sillas de ruedas son

seleccionadas a través de un interruptor , que controla mediante

un display las distintas funciones ofrecidas y otro interruptor

que habilita la función seleccionada. Un único interruptor de

control es logrado a través de un sistema digital codificado en

el controlados

Algunos sistemas también han sido electrónicamente expan-

didos al incluir controles remotos, para básicamente el medio

ambiente en el que circula el usuario.

Estos sistemas utilizan a saber : Transmisores infrarrojos,

de radiofrecuencia o ultrasonido. El equipo operado a través de

estos sistemas, pueden incluir contestadores telefónicos, mar-

cadores de teléfonos automáticos, intercomunicadores, control

de puertas, luces, radio, televisión, etc.

Existen adlclonalmente sillas de ruedas que cuentan con

sistemas de Ínterface, para comunicación de los usuarios que no

pueden, hablar. Para ello se usan sistemas con microcomputado-

r-as que compilan y transfieren mensajes. Este ha sido uno de

los mayores avances en el diseño de sillas de ruedas electróni-

cas.

La última área que debe ser considerada, es la relacionada

con equipamiento de tipo médico y de soporte, que se adiciona a

los mismos, así tenemos que se han adicionado respiradores y/o

estimuladores nerviosos para electrónicamente ayudar en la res-

piración del usuario.

La naturaleza crítica de sistemas de soporte de vida re-

quieren tener, adicionalmente los sistemas de alarmas de emer-

gencia que sensan dificultades, que suceden en el equipo y su

relación con el usuario, comercialmente existen los equipos que

además permiten la transmisión de estas dificultades.

ESTADÍSTICAS SOBRE DT.ROAPAGITADOS EN JEL_ ECUADOR

Respecto a las estadísticas sobre los discapacitados, es

menester señalar que por ser este un grupo poblacional, relega-

do históricamente por los distintos gobiernos de turno, no e-

xisten datos globales nacionales del número de discapacitados

en el Ecuador.

Luego de una exhaustiva investigación, se lograron datos

relativos a la provincia de Pichincha y específicamente en la

ciudad de Quito, que fueron proporcionados por el CEPROCAP

(CENTRO DE PRODUCCIÓN Y CAPACITACIÓN), de la Asociación Para-

pléjica de Pichincha, que si bien no son datos a nivel nacio-

nal, permiten hacer una proyección a nivel nacional, al consi-

derar que los discapacitados en su mayoría se encuentran en los

centros urbanos de mayor población (Cifuentes M, 1993).

A continuación en la Figura 1, se presenta la población

urbana a nivel nacional en el año 1992,

CIUDADES

QUITO

FUENTE; OOHADI

FIGURA 1.1

POBLACIÓN URBANA NIVEL NACIONAL

Considerando la población urbana nacional en el año 1992, se

encuentra el factor correspondiente que permite al relacionar

dicho factor con los datos de discapacitados en la provincia de

Pichincha, proyectar a nivel nacional la población de potencia-

les usuarios de sillas de ruedas eléctricas, proyecciones que

se explican a continuación-

Mediante los datos graficados en la Figura 1, es posible

al relacionar la población nacional urbana con la población ur-

bana de la ciudad de Quito (CONADE, 1992) en ese año, encontrar

el factor de proyección a nivel nacional:

FPN = POBLACIÓN URBANA NIVEL NACIONAL _ 3.388.000POBLACIÓN URBANA QUITO " 1.094.000

= 3,078

En la Figura 2, se presentan los datos de demanda acumula-

da en la provincia de Pichincha recopilados por Cepz^ocap hasta

el año 1991.

9

iwtnr

D 800013CA «ooo

ACi 4000

ADOS eoo°

0

8831

8821

&1987

U22

&1988

&1989

6611

&«90

5800

&1991

ANOS

FUENTE) GEPHOMf

FIGURA 1.2

DEMANDA ACUMULADA PROVINCIA DE PICHINCHA

En la Figura 2, se aprecia que la demanda acumulada crece

con una taza del 3.4 % anual (TCAK dato que permite hacer la

proyección futura hasta el año 1997.

En la Figura 3, se presenta la demanda acumulada proyec-

ción nacional hasta el año 1991, utilizando el factor FPN.

9OOOO

20000

20000

DI

£AP£ 100OOuITA 10000DOS

BOGO

26088

1Q4S8

1660817270

17862

FUENTE i OIPffOOAP/CONAM

1087 1B88 198» 199O 1091

AÑOS

FIGURA 1.3

DEMANDA ACUMULADA PROYECCIÓN NACIONAL

En la Figura 4, se presenta la proyección de demanda de

sillas de ruedas, en la provincia de Pichincha, al utilizar la

TOA 3.4 %.

0000

8CAP£ 4000ITADOa aooo

«8667068

6997

WVZ 1898 1994 IBM WM 1997ANOS

FUBHTI: «PNOIIAP

FIGURA 1.4

DEMANDA PROYECTADA PROVINCIA DE PICHINCHA

En la Figura 57 se presenta la proyección de discapacita-

dos, usuarios de sillas de ruedas, a nivel nacional, mediante

la utilización del FPN (3 ,078) .

£«000

20000

16000

10000

6000

1846819786

£040721099

1992 1993 1994 W96 1996 1997AROS

FUINTI. MMIOCAP

FIGURA 1.5

DEMANDA PROYECTADA NIVEL NACIONAL

11De los datos de la Figura 5, es posible estimar el número

de potenciales usuarios de sillas eléctricas, considerando el

porcentaje estimado por CEPROCAP en el 10 %, dato aproximado,

por cuanto no existen en el país estadísticas al respecto,

A continuación en la Figura 6, se presenta el número de

discapacitados usuarios de sillas de ruedas eléctricas a nivel

nacional.

aeow

2000o6CA 1600PAC

T 1000A0Oa

600

A

1646

&

moa

fl

1873

&

2040

&

2109

fe

£161

&

1002 1003 1994 1996 1998 1997

PUfN7P: CfflWCJW

FIGURA 1.6

D&ÍANDA NACIONAL DE USUARIOS DE SILLAS ELÉCTRICAS

1.1 ESTADÍSTICAS SOBRE POTENCIALES USUARIOS PARAPLEJICOS

A partir de los datos presentados en las Figura 6, que

representan la demanda nacional de discapacitados usuarios de

sillas de ruedas eléctricas, es posible estimar el número de

potenciales usuarios parapléóicos, considerando que según el

Centro de Producción y Capacitación de la Asociación de Para-

pléjicos de Pichincha (Lasluisa C., 1992), el 92.5 % del total

de usuarios son discapacitados paraplé.jicos y el 7.5 % del to-

tal corresponde a discapacitados cuadraplé.j icos.

A continuación en la Figura 7, se presenta el número esti-

mado de potenciales usuarios parapléjicos de sillas eléctricas

a nivel nacional.

2800

£000

1600

10OO

600

1707 17

& &

«26

é.

W87

&

19512018

1W2 «93 «84 «06 ttOA 1M7

AÑOS

FUBNTIi OtfKOUf

FIGURA 1.7

DEMANDA NACIONAL DE USUARIOS PARAPLEJICOS DE SILLAS ELÉCTRICAS

1.2 ESTADÍSTICAS SOBRE POTENCIALES USUARIOS CUADRAPLEJICOS

Como se indicó, el porcentaje de los potenciales usuarios

cuadrapléjicos de sillas eléctricas es el 7.5 %, datos que se

presentan en la Figura 8.

aouu

D 100I8CAP

C 1O£>1TADO8 60

n

138

6,

143

&

148

_

5

163

&

158"

....j¿>

183

tí1992 1993 1994 1995 1908 1997

AÑOS

FUCNTIi OCPROOAP

FIGURA 1.8

DEMANDA NACIONAL DE USUARIOS CUARAPLEJICOS DE SILLAS ELÉCTRICAS

13

1,3 ALTERNATIVA PROPUESTA

En concordancia con los numerales anteriores, se ha visto

la imperiosa necesidad de proponer una alternativa fiable y

factible de realisar, la misma que cubrirá las necesidades de

este sector desprotegido de la sociedad ecuatoriana.

Es así que se propone diseñar un control único universal,

el mismo que debe poder trabajar con cualquier tipo de disca-

pacidad. Para probarlo se propone diseñar dos transductores y

sus respectivos circuitos de acondicionamiento, que serán ope-

rados por discapacitados muy distintos entre si. Los transduc-

tores serán uno manual y otro bucal que solucionarán las nece-

sidades específicas de los siguientes tipos de usuarios:

a,- Parapléjicos que tengan habilidad manual en al menos una de

sus extremidades superiores,

b.- Cuadrapléjicos que tengan movilidad en su lengua y una mí-

nima capacidad pulmonar.

Be debe recalcar que el sistema electrónico de control Cí-

nico universal, debe dejar abiertas las posibilidades de diseño

de otro tipo de transductot^es, que se adapten a necesidades de

otros tipos de usuarios parapléjicos y cuadrapléjicos, que en

lo posterior se diseñen y se adapten con la respectiva interfa-

ce a este control electrónico único universal.

Con este propósito se ha firmado un convenio entre la Es-

cuela Politécnica Nacional y el Hospital Enrique Garcés, en el

cual se especifica, que el Hospital proveerá el sistema elec-

tromecánico que posee y en el que se realizará el montaje del

circuito electrónico de control único universal y los trans-

ductores manual y bucal provistos por la Escuela Politécnica

Nacional.

Se debe indicar que queda abierta la posibilidad de que se

construyan sillas de ruedas electrónicas nacionales, con las

14

especificaciones del control electrónico único universal, que

esta tesis conjunta propone desarrollar.

El diseño del transductor manual para personas parapléji-

cas, las estadísticas y pruebas con pacientes de esta catego-

ría, análisis de los resultados correspondientes, conclusiones

y recomendaciones son realizados por el Sr. Ángel Jumfoo Torres.

El diseño del transductor bucal para personas cuadrapléji-

cas, las estadísticas y pruebas con pacientes de esta catego-

ría, análisis de los resultados correspondientes, conclusiones

y recomendaciones son realizados por el Sr, Carlos Tamayo

Ohicaisa.

El diseño del resto de componentes se lo realiza en forma

conjunta, de tal manera que su concepción incluye todas las po-

sibles dificultades que demandan los diferentes tipos de trans-

ductores.

15

C/VIPTTUT^O S

SISTEMA ELECTROMECÁNICO

2.1 ANÁLISIS DEL SISTEMA MECÁNICO

El sistema mecánico a movilizarse es el de una silla de

ruedas Marca: Everest & Jennings, cuya estructura soporta el

peso de: El usuario, la fuente de poder, los motores y el sis-

tema de control.

La estructura mecánica consiste en un armazón montado en:

Dos ruedas traseras de cincuenta y seis centímetros de diáme-

tro, que mediante bandas se acoplan a dos motores y dos ruedas

delanteras de veinte centímetros de diámetro.

El peso máximo del usuario se considera de 110 Kg., por

ser este el peso máximo especificado en las sillas eléctricas

comerciales. (Everest & Jennings, 1995)

El peso total que los motores deben ser capaces de movili-

zar es:

PTM = PJStf + PMU + PFP + PSC

donde:

PJEM - Peso de la estructura mecánica = 34 Kgf

PMU * Peso máximo del usuario - lio Kgf

PFP = Peso de la fuente de poder - 15 Kgf

PSC = Peso del sistema de control = 1 Kgf

PTM ~ Peso total a movilizar =160 Kgf

Con este valor PTM de 160 Kgf. se procede al cálculo de la

fuerza máxima que los motores deben estar en capacidad de pro-

porcionar para los distintos casos del movimiento de la silla

de ruedas.

N

tFr

UUUUUUUUUUOUBUUUUUUUUUUIIUUUOUUUU

u-O.4

w

FIGURA 2.1

ANÁLISIS EN SUPERFICIE PIAÑA

E Fx = /n x ax = O

F - Fr = O

F « FrAT = in x ^

Fr = |¿ x 2V

Fr = (i x fl? x ST

F = |i x j?7 x g

F = 0.4 X 160 Kgf.

F = 64

Esta fuerza máxima necesaria es la correspondiente ai mo-

vimiento de la silla de ruedas hacia adelante, giro a la iz-

quierda o a la derecha, por cuanto en estos dos casos se ac-

ciona solamente uno de los motores. En el caso del movimiento

hacia adelante o hacia atrás en línea recta, se accionan los

dos motores -

En este caso es necesario considerar las normas interna-

cionales establecidas para las pendientes máximas permitidas,

así como el tramo máximo de movimiento de la silla sin desean-

17

so en el caso de movimiento en superficies con pendientes.

Según la Universidad de Illinois de Estados Unidos (G. Ca-

bezas, 1980), sobre los requerimientos del diseño de los espa-

cios para sillas de ruedas, se norman los siguientes aspectos:

TMSD = Tramo máximo sin descanso = 9 metros

PMPI = Pendiente máxima permitida en interiores

correspondiente a un ángulo de 6.0°.

PMPE = Pendiente máxima permitida en exteriores


PMR = Pendiente máxima recomendable - 6 %


11 %

8 %

Considerando la pendiente máxima permitida en interiores,

se procede al análisis:

U-0.4

FIGURA 2.2

ANÁLISIS EN SUPERFICIE 00» PENDIENDE ASCENDENTE

Fx = m x ax - O

E FY = m x ay = O

Sin B = O

Sin B

N = m x g x Cos BB

F = i i x ¿ n x s r x Cos B + m x gr x Sin B

F = m x g x ( |i x Cos B + 5in B )

F = 160 JC^f. ( 0.4 x Cos 6° + 5in 6a)

F - 80.37

18

Esta fuerza máxima corresponde al movimiento de la silla

de ruedas hacia adelante, giro a la izquierda o a la derecha.

En el caso de movimiento ascendente en linea recta, se accionan

los dos motores.

Considerando las pendientes máximas permitidas, se tiene:

N

u-0.4

Fr

fN

WOO8B

W*INft

FIGURA 2.3

ANÁLISIS EN SUPERFICIE CON PENDIENTE DESCENDENTE

19

ü Fx = m x ax = O

E Fy = m x ay = O

F-Fr+mxgx Sin B - O

F = f r - / n x g x Sin B

N = jn x g x Cos B| i x ^ = ( J i x j n x ^ x Cos B

F=pxmxgx Cos B - m x gr x Sin B

F = jn x g x ( j i x Cos B - Sin B )

J? = 160 Kgf. ( 0.4 x Cos 6° - Sin 6°)

F = 46.92 Kgf.

Está fuerza máxima corresponde al movimiento de la silla

de ruedas hacia adelante, giro a la izquierda o a la derecha,

en el caso de movimiento descendente en linea recta, se accio-

nan los dos motores.

Del análisis prescedente, se tiene que en el peor de los

casos a considerar, la fuerza máxima es de 80.37 Kgf- y co-

rresponde al movimiento de la silla de ruedas hacia adelante

izquierda o hacia adelante derecha con pendiente ascendente,

casos en los cuales se acciona uno solo de los motores.

A continuación se realiza el análisis de potencia de los

motores, con los que la silla de ruedas se encuentra dotada.

Para este análisis se considera la velocidad máxima especifica-

da para sillas de ruedas eléctricas comerciales.

Velocidad máxima = 5.5 MPH = 2.45 m / s (E - J, 1995)

Potencia máxima = Velocidad máxima x Fuerza máxima

Potencia máxima = 2.45 JH / 3 x 80.37 Kgf. = 196 Watts

Potencia del motor = V x I ( Watts )

Potencia del motor = 12 VDC x 10 AMP = 120 Watts

En consideración a que la silla de ruedas es usada y re-

acondicionada a partir de una silla de ruedas manual convencio-

nal, a la que se adicionaron motores, fuente de poder y control

21

Los motores son de 12 Voltios y 10 amperios, cuya armadura

y campo se conectan en serie y se alimentan con la fuente de

poder. La batería es de 12 Voltios y 62 AH.

Al estar los motores alimentados con un troceador DC, es

necesario determinar el rango de frecuencias apropiadas para el

funcionamiento de los motores, para lo cual se requiere deter-

minar los valores de la resistencia de armadura (RA) e induc-

tancia (LA) (LedesmaB., 1989).

En el capítulo correspondiente al diseño del circuito de

control de velocidad, se realizará el cálculo del rango de fre-

cuencia de trabado de los motores.

Para el caso de RA y LA se tiene:

RA = 1.1 Q dato medido con un óhmetro.

Para el cálculo de la inductancia LA, se parte del circui-

to de la Figura 2.5, en el cual se alimenta el motor con un

voltaje rectificado en media onda, obteniéndose la forma de on-

da a rotor bloqueado que se ilustra en la Figura 2.6.

i .w\ECG5952

i

RA

1 . 1 OHM I Ost

i i

LA4 . 28 mH

FIGURA 2.5

CIRCUITO PARA DETERMINACIÓN DE IA INDUCTANCIA DE ARMADURA

22

Vott)

FIGURA 2.6

FORMA DE ONDA DE VOLTAJE A ROTOR BLOQUEADO

A rotor bloqueado, en la forma de onda de voltaje en la

armadura se tiene: T = 16.66 ms = 2 rcrad, con 8 = 11 ms. Con

una regla de tres simple se determina el valor del ángulo í3 =

1.3253 Tcrad. Del desarrollo de las ecuaciones diferenciales

respectivas (Banda H. , 1987)., se tiene:

p » 1.3253 n rad - 4.163556 rad

i|r x ( e~ p / * - eos £ ) - - sin p

* _ C08 4.X63556 ) zad = -sin 4.163556 radX ( e-* -163556

x ( e - / t „ [ _ 0.521691 ] ) * - ( - 0.853134 )

x ( & -«- i»»*/* + 0.521691 ) « 0.853134

t -

LA »

LA =

= l.4696rad. = 0.4677 n rad.

2 x ir x f x LARA

Y x RA2 x ic x f

1.4696 X 1.12 X 71 X 60

LA = 4,288 mH.

23

PDXABIZáCIQH

A partir del requerimiento principal de potencia que cons-

tituyen los motores de 12 VDC, se considera la utilización de

una batería de 12 VDC y 62 AH, de la cual se derivan las fuen-

tes de alimentación para el circuito de control de velocidad y

el circuito lógico de control.

El circuito de control de velocidad tiene como elemento bá-

sico el generador de onda triangular, que por estabilidad ante

posibles variaciones del voltaje de la batería, se lo polariza

con una fuente regulada en 10 VDC.

El circuito lógico de control, al estar constituido básica-

mente por compuertas de tecnología TTL de bajo consumo, necesi-

ta un voltaje de alimentación de 5 VDC, el cual se deriva di-

rectamente de la fuente regulada de 10 VDC.

Al realizar las pruebas de funcionamiento de los circuitos

implementados, se presentaron problemas de inestabilidad en las

fuentes reguladas, debido tanto a transitorios generados en el

accionamiento de los motores como a frecuencias espúreas gene-

radas por la frecuencia de trabajo de los motores. Esto fue so-

lucionado con la implementación de un filtro LC de entrada a

las fuentes reguladas.

SELECCIÓN DE BATERÍA DE 12 VOLTIOS 62 AH.

A continuación se explican los criterios considerados para

el dimensionamiento de la batería:

1.- Potencia efectiva máxima de consumo de los motores.

Este criterio básicamente viene determinado por la fuerza

máxima que los motores deben ser capaces de desarrollar y por

la velocidad a la que se desplaza el usuario.

EL valor de la fuerza máxima fue calculada en el numeral

24

2.1 y corresponde a 80.37 Kgf. Respecto a la velocidad a la

cual se desplaza el usuario en la silla de ruedas, si bien se

puede movilizar a una velocidad máxima de 1.34 m/s, se decidió

fijar una velocidad de 1 m/s, ya que para los usuarios cuadra-

pléjicos por su misma imposibilidad física no es recomendable

una velocidad mayor en sus desplazamientos, a la vez que reque-

rirían una gran destreza en el accionamiento de su transductor.

Con estos datos y considerando que los dos motores están

accionados, la potencia efectiva máxima instantánea a requerir-

se de la batería es:

Pe máx = 2 x 80.37 Kgf. x 1 m/s.

Pe máx = 160.74 Watts.

I = 13.4 A.

2.- Tiempo máximo de utilización de la silla de ruedas

Considerando que el tiempo efectivo que el discapacitado

se moviliza es 10 min/hora, durante 12 horas diarias, se tiene

que el tiempo promedio de utilización de la silla de ruedas es

120 minutos, por tanto son dos horas de movimiento efectivo.

Con los datos expuestos se dimensiona la batería que re-

quiere la silla de ruedas para asegurar dos horas continuas de

utilización.

Sin embargo, por limitaciones en la fuente de polarización

regulada de 10 VDC (que se explican en el diseño de dicha fuen-

te), ésta requiere un voltaje de entrada de 11.8 VDC como míni-

mo para mantener su voltaje de salida constante.

Con esta consideración se procede a determinar el tiempo

en el cual una batería alcanza 11.8 VDC en sus bornes: De a--

cuerdo a la norma INEN 1498 literal 3.3. UNEN, 1986) la bate-

ría se considera descargada cuando el voltaje en sus bornes al-

25

cansa el valor de 10.5 VDC, igualmente se considera cargada

cuando en sus bornes alcanza el valor de 13,2 VDC.

La batería a dimensionarse debe llegar a 11.8 VDC en sus

bornes en un tiempo mínimo de dos horas con una corriente de

13.4 amperios, como se ilustra en la Figura 2.7

VDC

10.52 3 3.8*

HORAS

FIGURA 2.7

DESCARGA DE BATERÍA MÍNIMA A SELECCIONARSE

En esta Figura por triángulos semejantes se tiene:

( 13.2 - 11.8 ) VDC s 2 h( 13 .2 - 10 .5 ) VDC tx

tx = 3.85 horas

Con el tiempo Tx de 3.85 horas y la corriente de 13.4 Am-

perios, se tiene que la capacidad de corriente mínima de la ba-

tería a elegirse debe ser 51.68 AH.

Con el propósito de dotarle al usuario de la silla de rue-

das de un mayor tiempo de uso continuo, se selecciona una bate-

ría de 62 AH, cuyas características generales son:

Tensión Nominal: 12 VDC.

Capacidad (AH) : 62 AH.

Descarga Rápida: 450 A.

Grado (u. vida): 5U.

Cap. de Reserva: 100 min.

Norma Inen 1499

En la Figura 2.8, se presenta la curva de descarga de la

batería seleccionada,

VDC

1D.62 2.4 4 4.62

HORAS

FIGURA 2.8

DESCARGA DE BATERÍA SELECCCIONAM CON I = 13.4 A

(13.2 - 11.8 ) VDC _ fcy< 13.2 - 10.5 ) VDC 4.62 h

tx = 2.A horas

Con el dato de corriente efectiva máxima que es de 13.4 A.

y la capacidad de la batería de 62 AH, se tiene que teóricamen-

te el usuario de la silla de ruedas podría movilizarse en forma

continua 4.62 horas, tiempo en el cual el voltaje en los bornes

de la batería alcanza 10.5 VDC. Sin embargo, por la limitación

27

anotada, se tiene que el usuario puede movilizarse en forma

continua un máximo de dos horas 24 minutos aproximadamente.

CARGADOR DE BATERÍA

Al considerar que la batería seleccionada, se puede des-

cargar un máximo de 32.16 Amperios en un día (2,4 horas de mo-

vimiento continuo hacia adelante o hacia atrás en línea recta),

se requiere un cargador de batería con la capacidad de recupe-

rar la carga perdida, en un lapso de diez horas, tiempo estima-

do de descanso del usuario de la silla de ruedas. Por lo mismo

se adquirió localmente un cargador de 12 VDC y 3 AH.

DISEffO DE FUENTE REGULADA DE 10 VOLTIOS

El requerimiento de corriente de esta fuente al alimentar

al circuito de control de velocidad y al circuito lógico de

control es de: 60 mA.

Esta fuente de alimentación se la deriva de la batería de

12 VDC y se la implementa mediante el circuito integrado LM317

(anexo 1) que es una fuente regulada variable de 1.2 a 37 VDC,

que tiene una capacidad máxima de corriente de 1.5 A., y para

el requerimiento de corriente de 60 mA, el voltaje de entrada

debe ser mayor que el de salida en 1.7 VDC, para conservar la

regulación en 10 VDC,

De lo explicado se desprende que podría utilizarse una

fuente regulada de 100 mA., sin embargo se estaría trabajando

en el límite de su capacidad lo cual da como resultado que re-

quiere que el voltaje de entrada sea mayor que el voltaje de

salida en 3 Voltios, por lo que se requeriría trabajar con má-

ximo 9 VDC de salida, lo cual está contraindicado en el circxii-

to de control de velocidad, pues su elemento principal es el

oscilador controlado por voltaje LM566 (anexo 2) cuya polariza-

ción es mínimo 10 VDC. Por esta razón se escoge la fuente regu-

lada LM317.

El circuito diseñado se presenta en la Figura 2,9.

28

r -i i_i

1Amp 10O uH2 AMP

» 12VDC ?•— 82 AH

VR1LM317

V I VOADJ

*_ CF1•N 33QOUF ,, 16 VDC

<

2

-, RF2••*-•* •*- *-^̂ ^̂ ^̂ >

' RF3

40K "

> 1 . B8K

'

•

•

r c, 1

P2 1 Q V D C

o/X/o • •1OO mA

FIGURA 2.9

FUENTE DE 10 VDC.

CALCULO DE ELEMENTOS ASOCIADOS:

La fórmula proporcionada por el fabricante es

V * 1.25 X ( 1 + -------'ffi )oi/.r oF!2

j?TO = 0.240 JCÜ ( recomendado por el fabricante )

- 1.25) x R-,

R,

1.25

„ (10 - 1.25) X 0.241.25 ^

Rjf¡ m 1«o 8 J^j

^ro se escoge una resistencia de 1.5JC0 en serie

con 0.180 KQ para conseguir el valor calculado

Los valores del filtro son experimentales. El fusible se

escoge de 100 mA. por ser el consumo máximo de 60 mA.

DISEHO DE FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE 5 VOLTIOS

Esta fuente se deriva de la fuente de 10 VDC, su consumo

de corriente es de 46 mA. Se la implementa mediante el circui-

to integrado NTE 960 (fuente regulada de 5 VDC), que tiene una

capacidad máxima de corriente de 1 A. (anexo 3). El circuito se

muestra en la Figura 2.10.

29

1DVDC VR3 3VDC

F2

1OO mA

1

1

ECG960

1N OUTGND

i 1

r CFH. 1UF

F3

i «

«

IDO mA

i

Z CF3, 1UF

FIGURA 2.10

FUENTE DE 5 VDC.

CALCULO DE ELEMENTO ASOCIADOS:

Los valores de los capacitores son los recomendados por el

fabricante. El fusible se escoge de 100 mA. El circuito diseña-

do de fuentes de polarización, se presenta en la Figura 2.11.

1* VOC VCC1

10 voc vcc«

_ ̂ t M«™ i i TU T Ul.3 r «caxooa / nr»

voc vccs

FIG. 2.11

FUENTES DE POIARIZACK»!

DISEBO DE ALARMA DE BAJA CARGA DE BATERÍA

Considerando que el voltaje mínimo en los bornes de la ba-

tería, es de 11.8 VDC, para que la fuente regulada de 10 VDC,

con que se alimenta el circuito de control de velocidad, man-

30

tenga la regulación, se decidió dotar al usuario con una alarma

visual que muestre que el voltaje a bajado a 11.8 VDC.

El circuito a diseñar debe sensar el voltaje de la batería

en 11.8 VDC y encender una alarma visual.

Normalmente cuando la batería esta cargada, ésta propor-

ciona un voltaje mayor a 11.8 VDC con carga (silla y usuario).

Si presenta un voltaje menor a 11.8 VDC, la alarma se enciende

pero, al desconectar la carga, la batería muestra un voltaje

mayor a 11.8 VDC, por lo que la alarma visual se apaga.

Sin embargo, como se observa en la Figura 2.8, la silla de

ruedas puede seguir funcionando por un tiempo de 2 Horas adi-

cionales aproximadamente, tiempo en el cual la batería se con-

sidera descargada totalmente. Si el usuario utiliza la silla en

estas condiciones, notará una disminución en su velocidad.

El circuito diseñado se presenta en la Figura 2.12.

VCC1

P-4

VCC1

R36R33

LDALECG3OO8

UBB

B34 \7

R36

Q192N39Q4

FIGURA 2.12

ANÁLISIS DE ALARMA

31

El operacional LM358N (anexo 4) se alimenta con la fuente

regulada de 10 VDC, para que las variaciones en el voltaje de

la batería no afecten al comparador implementado con este cir-

cuito integrado.

En el pin 6, que es la entrada invertida, se sensa el vol-

taje mínimo de la batería descargada, es decir 11.8 VDC. Se

decide sensar un voltaje proporcional a la batería mediante el

divisor de R33 y R34 que se eligen del mismo valor, por tanto

será un voltaje 5.9 correspondiente a 11.8 VDC.

El funcionamiento del circuito comparador es el siguiente:

si el voltaje en el pin 6 (entrada invertida) es mayor que el

voltaje de referencia en el pin 5 (entrada no invertida), el

voltaje en el pin 7 (salida) será igual a 0 VDC.

Si el voltaje en el pin 6 es mayor que el voltaje de refe-

rencia en el pin 5, el voltaje en el pin 7 será igual a VCC2 -

IfVDC.

CALCULO DE LOS COMPONENTES DEL CIRCUITO BE AIAJtoSA

Cálculo de componentes: resistencias R** y R*Ai

El voltaje de la batería se sensa en el pin 6, el voltaje de refe-

rencia se fija en el pin S. Se decide sensar un voltaje proporcio-

nal a la batería, igual a la mitad del voltaje en sus bornes.

VCCI - ^33 +

La corriente que circula hacia el operacional ea despreciable, de

bido a la alta impedancia de entrada, gue presenta el Ainp. Op.

Se propone una corriente de 0.6 mA, por este divisor.

„ 3,33 34 0.6 mA.

**33 *** •"34 = 1̂ • **^ •"•Q

Sit VR33 « VR3Í

32

- 10 JCfl

El voltaje de referencia a fijar por razones de calibración, sedecide: 5.6 VDC á V á 6 .0 VDC

Cálculo de los componentes, resistencias .R,,, #,« y PA

Sea: R37 = 15

"̂ 37 + -^6

X "̂

v signé*

10 VDC x 15 Je¿" - 6.0 VDC " 15 *•

- 10 ^

= 10 J valor normalizado

•"•37

10 VDC x 15 Jt,5.6 VDC — * 15) **

= 1 » V O AQ

escoge P4 = 2 *Q, potenciómetro de valor normalizado.

Con estos valores de resistencias, tenemos que el rango de cali-

bración del voltaje de referencia en el pinS del comparador es:

rr — V v 52. -"" *CCS O j. D p

-"36

~ V vRBFttéx ~ YCC2 A n

•̂ 3

= 6 . O VDC

33

Cálculo de los con&onentes, resistencias £,B y J?,tt;

Datos para el LED BCG 3008 {anexo 5) :VF = 2 VDC ; ZF^ - 35 lüA.

Se decide que la corriente a circular por el Led sea de: 30 mA.

= 30

» + ff-«38 * ""42

-»• tai*

(11.8 - 2 - 0 .2) VDC

320D

R39 se escoge = 150Q

j?42 se escoge = 1800

Cálculo de el componente f resistencia R^;

Para el cálculo de esta resistencia, se recalca que el voltaje desalida en alto de los Amplificadores Operacionales en este casoel LM358N es el voltaje de polarización menos aproximadamente 1 V

70 De curvas características para IC - 30 mA. (anexo 6)

IB _ 30 mA.

< 3̂8

VR3B = 30 mA. x 150

VR38 = 4 . 5 VDC

^39 = ""•^BjtBtois

„ (9 - 0.75 - 4.5)39 "" 0.43

= 8.72 KQ

R39 = 10 Jî Se escoge valor de resistencia normalizado

1En la Figura 2.14, se presenta el circuito diseñado

VCC1

34

VCC2

P-1

<P361QK

•

t 1

1• 5

• B•

R34 \710K < 1SK

. , U8BR39

LM35BN

R3Q

. 13K

LDALECG3O08

R42. 18K

Q1BSN39D1

FIGURA 2.14

CIRCUITO DE ALARMA DISEftADO

2.3. ESPECIFICACIONES DEL CIRCUITO DE CONTROL

Movimientos básicos que el circuito de control único

universal permite realizar en la silla de ruedas:

- Movimiento hacia adelante en linea recta.

- Movimiento hacia atrás en línea recta.

- Movimiento hacia adelante giro a la derecha.

- Movimiento hacia adelante giro a la izquierda.

A continuación se detallan las especificaciones de los

circuitos de control lógico, velocidad y fuerza implementados.

ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS

ESPECIFICACIONES DEL CIRCUITO DE CONTROL LÓGICO

* Requerimientos de voltaje de alimentación:

35

VCC2 : Voltaje regulado de polarización, del circuito lógico

de control 5 VDC, 46 mA.

Potencia máxima de consumo: 230 mWatts.

* Alarmas:

AL: Batería descargada

* Protecciones:

Fusible de 100 mA. para fuente de 5 VDC.

ESPECIFICACIONES DEL CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD

Voltajes de alimentación:

VCC1 : Voltaje de 12 VDC, 0.8 A.

VCC3 : Voltaje regulado, de polarización, del circuito de

control de velocidad 10 VDC7 60 mA.

Potencia máxima de consumo: 10 Watts.

Velocidad máxima: 1,34 m/s (usuario de 110 Kg.).

Velocidad de trabajo: 1 m/s.

Frecuencia de trabajo de troceadores: 94 Hz.

Fusible de 1 A. para fuente VCC1.

Fusible de 100 mA. para fuente de 10 VDC.

ESPECIFICACIONES DEL CIRCUITO DE FUERZA

Voltaje de alimentación:

VCC1 : Voltaje de 12 VDC., 62 A.

Potencia máxima de consumo: 240 Watts.

Fusibles térmicos con reposición manual, de 10 A.

ESPECIFICACIONES MECÁNICAS

Los circuitos implementados, tanto de fuente de poder,

control lógico, control de velocidad y accesorios se montan en

una caja metálica de:

Peso : 500 gramos.

Dimensiones: 19 x 15 x 16.5 cms.

36

Los circuitos impresos (anexo 7) tienen las siguientes di-

mensiones:

Circuito impreso de fuentes de polarización: 12.3 cm.x 10.7 cm.

Circuito impreso de control lógico: 10.7 cm. x 11 cm.

Circuito impreso de control de velocidad: 10.7 cm. x 11 cm.

Es importante mencionar que tanto la caja metálica como

los circuitos impresos y demás accesorios en lo posible están

interrelacionados con conectores, lo cual hace que fácilmente

sean desmontables (anexo 15).

NOTA: Las fotos y planos de los circuitos implementados se encuentran en

los anexos 15 y 16 respectivamente.

37

CAPITULO 3

TRANSDUCTORES

3.1. la^EaojLjmsr^^Comercialmente en Estados Unidos existen transductores ma-

nuales, construidos para el control de las sillas de ruedas e-

lectrónicas, fabricados por firmas comerciales .como' son: Eve-

rest & Jenning, Sunrise Medical Quickie, Damaco 21st Century

Cientific.

En el país, no existen importadores ni distribuidores de

este tipo de sillas de ruedas electrónicas, por lo que local-

mente no se consigue sus partes componentes como son los trans-

ductores manuales.

En principio un transductor manual es un arreglo de cua-

tro microInterruptoress ubicados alrededor de una palanca a 90°

cada uno, que son activados al mover la palanca perpendicular-

mente al eje de los microinterruptores. Por lo tanto, el trans-

ductor manual proporciona la posibilidad de procesar 4 señales

lógicas,

OPCIONES ANALIZADAS.

En un principio se consideró la posibilidad de importar

los transductores manuales desarrollados por las compañías

constructoras de este tipo de sillas, pero su costo encarecería

el prototipo de control electrónico que se desea diseñar.

Otra alternativa considerada fue el adaptar los transduc-

tores o joysticks utilizados en computadores Atari acoplándolos

a nuestras necesidades de diseño para el control de la silla de

ruedas. Esta alternativa no se la consideró, debido a que el

esfuerzo mecánico que debe realisar el usuario sobre la palan-

ca, en cualquiera de las direcciones posibles es alto y sufre

daños por su uso continuo. Tomando como premisa que los disca-

pacitados parapléjicos no poseen una adecuada destreza en el

38

movimiento de sus extremidades superiores, resulta que este es-

fuerzo es un limitante físico para el uso de este tipo de

transductor en el control de las sillas de ruedas.

Adicionalmente existen joysticks profesionales, que se u-

tilizan en control automático con una amplia variedad de apli-

caciones por la cantidad de contactos adicionales, que se ac-

cionan de acuerdo a la intensidad que se desplaza la palanca en

una dirección; éstos tienen su aplicación en el control de ve-

locidad, aceleración y rebotica. El joystick profesional re-

quiere un esfuerzo mecánico alto en el desplazamiento de la pa-

lanca, razón por lo que no se considera su utilización como

transductor manual.

Finalmente se determinó la necesidad de construir el

transductor manual.

CRITERIOS DE DISE80.

Tomando en considez^ación los antecedentes enunciados se

presenta a continuación los criterios básicos de diseño, en ba-

se a los cuales se desarrolló e implemento el transductor ma-

nual .

1. Los cuatro movimientos básicos son los siguientes:

- Movimiento hacia adelante en línea recta.




2. Facilidad de construcción e implementación.

3. Conflabilidad y seguridad para el usuario.

4. Facilidades de accionamiento.

5. Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo.

TRANSDUCTOR MANUAL.

En base a estos criterios de. diseño, se construyó el

transductor manual, como se muestra en la Figura 3.1.

2

TI a a

J_

*

Cu co

Lüi O

í a

r

J£

a i

"]|T

| 1-

1 aSj

(j u fH Lü

41

r-3 nr» / d-;•

„ ,

FIGURA 3.1

TRANSIXJCTOR MANUAL

42

A continuación se analiza la forma en que el transductor

manual construido cumple con los criterios de diseño expuestos.

1- Movimientos Básicos:

Asociando el arreglo de los cuatro microinterruptores,

componentes del transductor manual, con los cuatro puntos car-

dinales: Norte, Sur, Este y Oeste y con el frente de la silla

de ruedas orientada hacia el norte, se tiene que a cada direc-

ción le corresponde un microÍnterruptor. Como se indicó el

transductor manual proporciona cuatro señales lógicas las cua-

les posibilitan los siguientes cuatro movimientos básicos:

a) Movimiento hacia adelante en línea recta: Se desplaza la

palanca hacia el norte, generándose la señal eléctrica

respectiva correspondiente a "1" Lógico.

b) Movimiento hacia atrás en línea recta: Se desplaza la pa-

lanca hacia el sur, generándose la señal eléctrica res-

pectiva correspondiente a "1" Lógico.

c) Movimiento hacia adelante giro a la derecha: Se desplaza

la palanca al oeste, generándose la señal eléctrica res-

pectiva correspondiente a "1" Lógico.

d) Movimiento hacia adelante giro a la izquierda: Se desplaza

la palanca al este, generándose la señal eléctrica respec-

tiva correspondiente a "0" Lógico.

2. Facilidad de Construcción e Implementación.

A continuación se detallan los elementos y materiales uti-

lizados en la construcción del transductor manual.

Caja de 8.7 cm. x 9.5 cm. x 3.5 cm. de plástico.

Palanca plástica de 9.5 cm. de largo x 1.5 cm. de diáme-

tro.

4 microinterruptores, contactos NO (Normalmente abierto).

- 2 metros de cable de 9 hilos, alambre multifilar.

43

Gonectores DIM de nueve puntos (macho y dos hembras).

Tornillos, tuercas para el montaje y sujeción del trans-

ductor.

Tres resistencias de 1.2 K Q/ 1/4 watt, de potencia.

Una resistencia de 1 MQ / 1/4 watt, de potencia.

Ángulo de aluminio 90°, de 2 cm. x 2.85 cm. x 0.3 cm.

Placa de aluminio de 4.5 cm. x 4,5 cm., en la que se monta

el arreglo de los cuatro microinterrvuptorves.

Foco de 12 VDC.

Este listado de componentes, se puede apreciar es de fá-

cil adquisición local, y el montaje de sus elementos es senci-

llo. Se recalca que la caja y palanca plásticas, se acondicio-

naron a partir de un joystick de Atari.

3. Conflabilidad y Seguridad del Sistema

En este punto se indica que el único aspecto de seguridad

a considerarse es el riesgo de conexiones a tierra, que presen-

ten peligro para el usuario, que se anula con la utilización de

material plástico, en la caja en que se montan los microinte-

rruptores y la palanca de accionamiento de los mismos.

4. Facilidad de accionamiento

El desplazamiento de la palanca ofrece un esfuerzo mecá-

nico mínimo de aproximadamente 0.054 Kgf. y su desplazamiento

para el accionamiento de los microinterruptores, en cualquiera

de las direcciones es 3 mm., logrando una mejora respecto a los

transductores manuales construidos por los fabricantes america-

nos cuyo desplazamiento es 5 mm. (Journal of Rehabilitation Re-

search and Development - Clínical Supplement # 2, 1990).

5. Facilidad de Mantenimiento Preventivo y Correctivo.

El mantenimiento correctivo resulta sencillo de realizar,

por cuanto las partes componentes son desmontables y en caso de

reposición sus costos son bajos. De igual manera el manteni-

miento preventivo resulta simple, se limita a la limpieza y ve-

44

rificación del correcto funcionamiento de los microínterrupto-

INTERFACE DEL TRANSDUCTOR MANUAL

El circuito de control electrónico único universal, traba-

ja con señales lógicas de tecnología TTL, el transductor manual

proporciona niveles de voltaje de 0 VDC y 5 VDC, para "O" lógi-

co y "1" lógico respectivamente, los mismos que deben acondi-

cionarse mediante una interface de resistencias a la entrada

del circuito de control electrónico único universal, que es la

compuerta 74LS04.

El circuito eléctrico del transductor, y la interface con

la entrada del circuito lógico de control, se muestran en la

Figura 3.2.

VCC3

SW1

I

ftM'l1 .2K

U1A U1B

74LS04 fíUZ / 74LS04 RM3

1.2K / 1.2K

RM4 /

1 M /

U1D

74LS04 SW4

U1C

74LS04

FIGURA 3.2

TRANSDUCTOR MANUAL E INTERFACE

45

Gomo se observa, el transductor manual nos proporciona

cuatro señales correspondientes a los cuatro movimientos de la

silla de ruedas. Estas señales se acondicionan mediante resis-

tencias y se acoplan a la compuerta 74LS04, que es la entrada

del circuito de control electrónico único universal.

El cálculo de las resistencias componentes del circuito,

se lo realiza utilizando los datos proporcionados por el fabri-

cante, para el circuito integrado 74LS04, que son los siguien-

tes ( anexo 8) :

VIH = 2 VOLTIOS M'lN.

VIL = 0.8 VOLTIOS MAX,

lOttnáx - 400 uA.

VOL = 0,8 VOLTIOS MAX.

lOIffláx = 8 mA. MAX.

IIH = 20 uA. MAX. PARA VIH = 2.7 VOLTIOS.

IIL = 0.4 mA. MAX. PARA VIL = 0.4 VOLTIOS.

VCC3

RM-4

i I H

U1C

FIGURA 3.3ANÁLISIS TRANSDUCTOR MANUAL

Cálculo del componente, resistencia RM4

El criterio de escogitamiento teórico de RM4 es que puede

ser infinita, considerando que la entrada de la compuerta sin

46

estar conectada a VCC reconoce como 1L- sin embargo el voltaje

a la entrada de la tseimtpuísrtia. exp©rimentalmente se lo determinó

en 2 VDC, que es el mínimo VIH de entrada especificada por los

fabricantes, para asegurar un voltaje VIH adecuado, se decide

poner una resistencia de 1 MQ, con la que VIH es 5 VDC.

RM4 = 1 MQ

VCC 3

RM1

FIGÜEA 3.4

ANÁLISIS TRANSDÜOTOR MANUAL

Cálculo de componentes, resistencias

RM1 = RM2 = RM3

VTRM1tnáx

RM1***

__ O.B VDC0.4

~~ £» "Q

Considerando gue este valor corresponde al valor de RMI máxi

mof se escoge el valor de RMl « 1.2 Kn, valor normalizado.

47

3.2 DI£EííQJ_J£NSlBUC£̂ ^

Al plantearse el desarrollo de un transductor mediante el

cual se posibilite el accionamiento de una silla de ruedas e-

lectrónica, para una persona que no puede mover ninguna extre-

midad, es decir una persona cuadrapléjica, se determinó que en

el país no existen investigaciones o trabajos desarrollados en

este campo.

En Estados Unidos se ha diseñado un transductor bucal- que

funciona mediante una pajilla que se introduce en la boca del

discapacitado, quien al exhalar desplaza la silla hacia adelan-

te, al aspirar desplaza la silla hacia atrás y al no realizar

función alguna la silla se detiene (Journal of Rehabilitation

Research and Development - Clinical Supplement # 2, 1990).

Adicionalmente tiene la posibilidad de aceleración que de-

pende de la intensidad de la aspiración o de la exhalación, to-

do esto asociado con un sistema neumático electrónico de con-

trol.

OPCIONES ANALIZADAS

Considerando la idea básica, se descartó la posibilidad de

aceleración, pues en realidad un discapacitado cuadrapléjico,

lo que necesita para su desplazamiento es una velocidad baja

moderada, que se le proporcionará mediante el circuito de con-

trol de velocidad correspondiente.

Inicialmente se consideró un tipo de transductor, que nos

proporcione tres movimientos básicos:

- Movimiento hacia adelante en línea recta

- Movimiento hacia adelante giro a la izquierda

- Movimiento hacia adelante giro a la derecha

Se analizó un sistema como el que se muestra en la Figura

3.5.

48

FIGURA 3.5

ALTERNATIVA 1

Como se observa el transductor tiene una membrana elástica

que en su centro tiene un pistón transversal que puede despla-

zarse hacia adelante o hacia atrás, dependiendo si se aspira o

se exhala, lo cual proporciona dos movimientos de la silla de

ruedas, que serian los giros hacia adelante tanto a la iz-

quierda como a la derecha, al interrumpir el paso de la luz dé-

los optointerruptores integrados correspondientes con el pistón

transversal.

El tercer movimiento se genera al introducir la lengua en

el optointerruptor, interrumpiendo el paso de la lúa del mis-

mo. El optointerruptor está constituido por elementos discre-

tos, situados perpendicularmente y a una distancia de siete mi-

límetros, que permite la introducción de la lengua del usuario.

49

Esta idea no se la implemento, debido a que en su diseño y

construcción, presenta dificultades en la membrana elástica a.

utilizarse.

Adicionalmente existen riesgos en la seguridad del usuario

ya que al introducir la lengua dentro del transductor se entra

en contacto físico con el optointerruptor.

Como segunda alternativa, se implemento un sistema como el

que se presenta en la Figura 3.6.

Í1P

FIGURA 3.6

ALTERNATIVA 2

50

Se observa que tenemos un sistema de pistones ubicados

verticalmente y separados 180°, los cuales están montados en

una estructura de fibroplast. Su funcionamiento es el siguien-

te:

1. Al exhalar el pistón A sube e interrumpe el paso de la luz

del optointerruptor A, generándose la señal eléctrica que

comanda el movimiento hacia adelante, giro hacia la iz-

quierda, notándose que el pistón B, por acción de la gra-

vedad y por el efecto de exhalar se mantiene hacia abajo,

interrumpiendo el paso de la luz del optointerruptor B

correspondiente -

2. Al aspirar el pistón B sube y por tanto deja de interrum-

pir el paso de la luz del optointerruptor B, generándose

la señal eléctrica que comanda el movimiento hacia ade-

lante, giro hacia la derecha, notándose que el pistón A;

por acción de la gravedad y por el efecto de aspirar- se

mantiene hacia abajo, sin interrumpir el paso de la luz

del optointerruptor A correspondiente,

3. Análogamente como en la opción anterior se tiene un opto-

interruptor hecho con elementos discretos, en el cual al

introducir la lengua se interrumpe el paso de la luz del

optointerruptor generándose la señal eléctrica que comanda

el movimiento hacia adelante en línea recta.

Esta idea se implemento conjuntamente con el sistema de

control electrónico único universal, observándose los siguien-

tes problemas:

1. Al no tener la posibilidad de movimiento hacia atrás, en

línea recta, exige del usuario una gran destreza en BUS

desplazamientos,

2. Se observó que los pistones en determinado tiempo de tra-

bajo tienden a pegarse en las paredes de fibroplast, debí-

51

do a que el aire que se exhala tiene un porcentaje de hu-

medad, que debe eliminarse para que el sistema desarrolla-

do sea confiable y seguro.

3. De manera similar al caso anterior existen problemas de

aislamiento de las señales eléctricas, con la introducción

de la lengua de el usuario, lo que genera perturbaciones en

las señales e inseguridad para el usuario.

Con estos primeros intentos se complementaron los criterios

básicos, para el diseño y construcción del transductor bu-

cal.

CRITERIOS DE DISERO

A partir de los antecedentes expuestos se presentan los

criterios básicos a partir de los cuales el transductor bucal

fue desarrollado e implementado.

1. Mínima posible capacidad pulmonar del usuario.

*¿. Los cuatro movimientos básicos son los siguientes:

- Movimiento hacia adelante en línea recta.




3. Facilidad de construcción e implementación.

4. Conflabilidad y seguridad.

5- Facilidad y comodidad de uso.

6, Facilidad de mantenimiento preventivo y correctivo.

TRANSDUCTOR BUCAL

En concordancia con el numeral anterior se diseñó un

transductor que cumple con los criterios básicos requeridos, el

cual se lo muestra en la Figura 3.7.

i—i

m

n70

r-í £?

m

53

T—i

DP

TD

A

CD

R

FR

DN

TA

L 3D

ST

ER

IDR

:FIR

TE

2.A

T,

PD

ST

,

LAT

, A

NT

DP

TD

D

CO

RT

E

4

FR

IINT

, A

NT

,

K

„__

>

'

LD

15

DP

TD

C

FIG

UR

A

4,7

TR

AN

EIIU

CT

DK

B

UC

AL.

C-1

55

A continuación se analiza la forma en que el transductor

bucal construido, cumple con los criterios de diseño expuestos.

1. Mínima capacidad pulmonar:

No fue posible encontrar los datos de mínima capacidad

pulmonar de un discapacitado; los datos encontrados son los de

máxima capacidad, lo cual nos sirve de referencia, si se asume

que la mínima capacidad pulmonar sería 10 veces menor, valores

que corresponden a:

Exhalar

Aspirar

Exhalar

Aspirar

VOLUMEN (MAX)

500 cm3.500 cm3.

VOLUMEN (MIN)

50 cm3.50 cm3.

PRESIÓN (MAX)

100 mm. de Hg,

80 mm. de Hg,

PRESIÓN (MIN)

10 mm. de Hg

8 mm. de Hg.

Con estos datos (Guyton A., 1984) se procede al cálculo del pe-

so máximo de los pistones.

P -

EXHAIAR

P = 10

A n x r2

1,0336

= 10 mmfíg.

1.000760 ntrfíHg.

-* mg (máx) = i t x r 2 x

1 afcro IKgf

( Q . 2 era)2 x 13.6can*

B 13.6 gf/cm*

=1.71 gf.

ASPIRAR

P = 8

P (máx) =

at"

ic x= 8 ntm.Hg.

760 mn.Hg.x l -000

1 afcm IKgf

( 0 . 2 cm) 2 x 10.8

m 10.8 gf/cm*

Optando por construir pistones de aluminio, que pesados en

una balanza electrónica dieron 0.08 gf. que es aproximadamente

20 veces menos al peso máximo especificado al aspirar.

En cuanto al volumen de aire que el usuario debe desplazar

ya sea en la aspiración o en la exhalación se tiene que, según

la Figura 3.7 (Vista Lateral), básicamente consiste en volúme-

nes cilindricos, que sumados se obtiene:

x r¿ x ±

VT = * x ( [5]2 x 12 + [3]2 x 6 + [1.5]2 x 35 + [0.75]2 x 4)

VT - 1366.6 jnro3 « 1,3666 ero3

Por tanto que el volumen de aire a desplazar en el trans-

ductor es aproximadamente 36 veces menos que el mínimo volumen

de aire que una persona discapacitada puede aspirar o exhalar.

De lo anteriormente expuesto se nota claramente que los re-

querimientos de volumen a desplazar y de peso del pistón a mo-

vilizar son considerablemente mayores a los del transductor di-

señado.

2,- MOVIMIENTOS BÁSICOS

a) Movimiento hacia adelante, giro a la derecha: Al soplar el

pistón A sube e interrumpe el paso de la luz de su optoin-

terruptor A asociado, generándose la señal eléctrica res-

pectiva, correspondiente a "1" Lógico.

b) Movimiento hacia adelante, giro a la izquierda: Al aspirar

el pistón B sube y deja de interrumpir el paso de la luz

de su optointerruptor B asociado, generándose la señal e-

léctrica respectiva, correspondiente a "0" Lógico.

c) Movimiento hacia adelante: Al mover con la lengua la lá-

mina de deflexión LD hacia la derecha, el paso de la luz

57

de el optointerruptor C se interrumpe por la acción del

pistón transvez^sal PT montado en LD, generándose la señal

eléctrica respectiva, correspondiente a "1" Lógico,

d) Movimiento hacia atrás: Al mover con la lengua la lámina

de deflexión LD hacia la izquierda, el paso de la luz de

el optointerruptor D se interrumpe por la acción del pis-

tón transversal PT montado en LD, generándose la señal e-

léctrica respectiva, correspondiente a "1" Lógico,

3. FACILIDAD DE CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACION

A continuación se detalla los elementos y componentes que

se utilizan en la construcción del transductor bucal:

- Lámina de fibroplast de 100 x 100 x 15 milímetros.

- Lámina de bronce de 60 x 60 x 1 milímetros.

- Pistones de aluminio de 1.8 milímetros de diámetro y 12

milímetros de largo.

- Tubería de cobre de 2 milímetros de diámetro y 50

milímetros de largo.

- Cuatro optointerruptores ECG 3100.

Dos metros de cable de nueve hilos con alambre multifilar.

- Cable, tornillos, y caja plástica en la cual se monta el

transductor.

- Cuatro resistencias de 1 MQ de 1/4 de watt, de potencia.

- Cuatro resistencias de 68 Q de 1/4 de watt, de potencia.

- Conectores Din de quince puntos (macho y hembra).

- Conector Din de nueve puntos (macho).

- Tubería flexible dé aluminio de 50 centímetros.

Foco de 12 VDC de 1 watt, de potencia.

Este listado de materiales, se puede apreciar es de fácil

adquisición local.

Por ser éste un prototipo, su construcción es más de tipo

artesanal, por lo que se necesita un señor mecánico tornero que

moldee el fibroplast y manualmente realisar los terminados co-

58

¿respondientes para colocar los distintos elementos del trans-

ductor.

4.- CONFIABILIDAD Y SEGURIDAD DEL SISTEMA

Se observó que el principal inconveniente que se presenta-

ba era la humedad del aire exhalado, que mojaba las paredes del

fibroplast provocando que los pistones se peguen a las mismas y

el transductor falle. Este problema se solucionó de acuerdo a

las siguientes consideraciones:

a) Como se explicó en el capítulo de características electrome-

cánicas, el tiempo de desplazamiento efectivo de un usuario

es aproximadamente 10 minutos en una hora, es decir 1/6 t.

b) El análisis se realiza en el caso de exhalar, por- cuanto el

porcentaje de humedad del aire exhalado es 6.2 %, en el caso

de aspirar el porcentaje de humedad del aire aspirado es

3.7 % (Guyton A. C., 1984). Una consideración importante es

que el aire exhalado presenta una gradiente de temperatura,

respecto a las paredes del fibroplast lo cual produce que el

agua se condense en las paredes del transductor, en el caso

de inhalar al tener la misma temperatura el transductor y el

aire ambiental, no se considera que haya condensación de a-

gua en las paredes del transductor.

c) Se asume que por cada movimiento hacia adelante, giro a la

izquierda es decir al exhalar, el usuario realiza los otros

tres movimientos con los que se dota a la silla de ruedas.

d) Se tiene que considerar adicionalmente que una persona nor-

malmente realiza 12 aspiraciones exhalaciones por minuto, es

decir una exhalación cada cinco segundos (CECIL, 1966).

Con estas consideraciones, se calcula el volumen de agua

presente en el transductor y la cantidad de energía calórica

que se necesita para eliminarla:

El volumen total del aire a desplazar, tanto en la aspiración

como en la exhalación es VT = 1.366,6 mm3 = 1,3666 = . m x c e x A r ( ce : calor específico del h¿o )

Q = 0,016944 gr. x 1 Cal0 x 24°C - 0,4065 cal

Q = 0,4065 Cal x ^ , = 1,6944 J"oulO . 24 cal

Al tomar en cuenta gue la ¿nasa de h2o es cada segundo, se tiene

que la energía en: Joul se convierte en: - — , por tanto ses

tienen unidades de potencia, es decir P1 = 1,6944 Watts.

Considerando que el tiempo efectivo de utilización de la silla

de ruedas es 1/6 de t se tiene que la potencia es 1/6 de P^

PP2 = _A = 0,2824 Watts

60

Adicionalmente, considerando que por cada movimiento de la si

lia de ruedas hacia adelante giro izquierda se realizan los o-

tros tres movimientos con los que se dota a la silla de ruedas,

se tiene :P3 = -~ = 0,0706 Watts.

Siendo la potencia P3 la mínima que se debe dotar al transduc-

tor , para evitar la humedad dentro del sistema diseñado.

Con este valor se seleccionó un foco de 12 voltios DC y de

1 Watt, de potencia que reseca efectivamente la humedad en el

aire del sistema y que además al estar encendido permanentemen-

te, asegura que las paredes del fibroplast no se humedezcan,

especialmente en el área de los pistones.

Como se observa en la Figur^a 3.7 (Vista Superior y Vista

Lateral) la posición del foco en la parte intermedia de los

pistones, podría no resecar efectivamente la humedad del aire

en otra sección del transductor, por lo que se consideró colo-

car un drenaje para el vapor de agua que se condense.

Este drenaje se muestra en la Figura 3.7 (Vista Lateral),

en la posición F.

El factor de seguridad hacia el usuario está determinado

por la imposibilidad física de que éste entre en contacto con

componentes del transductor portadores de señales eléctricas,

por cuanto éstos están aislados totalmente con el fibroplast.

5.- FACILIDAD Y COMODIDAD DE USO

Si bien sicológicamente los movimientos a realizarse en la

silla de ruedas podrían ser de la siguiente manera:

1. Exhalar, movimiento hacia adelante en línea recta.

2. Inhalar, movimiento hacia hacia atrás en línea recta.

61

3. Mover con la lengua la lámina de deflexión hacia la dere-

cha, girar a la derecha.

4. Mover con la lengua la lámina de deflexión hacia la iz-

quierda, girar a la izquierda.

Sin embargo, el mover la lámina de deflexión con la len-

gua, en la" práctica no representa mayor esfuerzo para el usua-

rio y en consideración que la mayor parte del tiempo, el usua-

rio se mueve hacia adelante o hacia atrás, se decidió que el

desplazamiento de la lámina de deflexión, hacia la izquierda o

hacia la derecha con la lengua, comande este tipo de movimien-

tos.

En base a estas consideraciones se seleccionaron las seña-

les eléctricas generadas en el transductor, para mover la silla

de ruedas, como se indicó en el numeral 2.

6. FACILIDAD DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y CORRECTIVO

Por ser el transductor desarrollado e implementado con e-

lementos fácilmente desmontables, el mantenimiento correctivo

e s sene i1lo de realizar, en cuanto e1 mantenimiento prevent ivo

se refiere a una limpieza del transductor de posibles incrusta-

ciones de residuos producto de la exhalación del usuario.

INTERFACE TRANSDUCTOR BUCAL

Al funcionar el circuito electrónico de control único uni-

versal con señales lógicas de tecnología TTL, se debe proceder

al acoplamiento con las señales entregadas por el transductor

bucal, cuyo circuito electrónico se muestra en la Figura 3.9.

62

n B -i. o e a K

R e s-1 M

OPT-

E CCS 3

"1 ,-——

;o óî D a 1 — —T«"7 -* l_ S O -4

n a 2. o e e K

R B 6-1 M

OPT-

E CG3 1

1 , „

- úrÔ O \ —î

U 1 B

3 • • ^ * ^ > R B 7, D B B K > > 1M

OPT- 3

E CG 3 1 O O

U 1 C

._5_.....| ^^^-w^^__, B__

feT -4 l_ S O ̂ í

VCC 3

HB-4

. Q B Q K

OPT- ^

E CG 3 -1 O O

•7 -i i_ s o -

FIGURA 3.9

CIRCUITO ELECTRÓNICO DEL TRANDUCTOR BUCAL Y

COMPUERTA DE ENTRADA AL CIRCUITO DE CONTROL LÓGICO

63

Como se observa, en el circuito electrónico del transduc-

tor bucal, el acondicionamiento de la señal básicamente consis-

te en acoplar los niveles de voltaje y corriente entregados por

los optointerruptores, con los niveles de voltaje y corriente

de entrada del circuito de control electrónico único universal,

que es la compuerta lógica 74LS04.

Los datos provistos por el fabricante son:

Para el ECG 3100 (anexo 9):

Configuración de salida: Transistor NPÜ

Potencia de disipación: 250 mW.

Corriente directa máxima del Led (IFmáx) : 60 mA.

Corriente de colector máxima (IC) : 100 mA.

Para el circuito integrado 74LS04 (anexo 8):

VIH = 2 VOLTIOS MIN.

VIL = 0 . 8 VOLTIOS MAX.

IIH = 2 0 uA. MAX. PARA VIH = 2 . 7 VOLTIOS.

IIL = - 0.4 mA. MAX. PARA VIL = 0.4 VOLTIOS.

El circuito básico es:

V C C 3

R B 1

OPT- 1

E C G 3 1 D O

RB5- i rV n , > V U1A74L5CM

FIGURA 3.10

ANÁLISIS DE TRANSDUCTOR BUCAL E INTERFACE

64

Para el cálculo de los valores de las resistencias se con-

sideran las siguientes condiciones:

Cálculo de componentes, resistencias: Rai, Rasf #H, Y R0ji:

RB1 = RB2 = RB3 = RB4

= (5 - 1.2) VDC60 mA

RB1 = 630

RB1 = 68Ü , Se escoge valor normalizado de resistencia.

Considerando que REÍ es la resistencia mínima, que limita

la corriente del led en el rango máximo de corriente y recal-

cando la necesidad de que el transistor del optoacoplador se

sature a valores menores de 0.8 Voltios que es el VILmáx del

integrado 74LS04 se escogió, RB1 = 68Q luego de varias pruebas

experimentales, pues con esta corriente nos permite un valor de

VIL menor a 0.5 VDC.

Cálculo del componente, resistencia RB5:

El criterio de escogitamiento teórico es el que RB5 puede

ser infinita, considerando que la entrada de la compuerta sin

estar conectada a VCC reconoce al VIH de entrada como "1L", sin

embargo este valor experimentalmente se lo determinó en 2 VDC,

que es el mínimo VIH de entrada especificada por los fabrican-

tes, para asegurar un voltaje VIH adecuado, se escogió una re-

sistencia de 1 MQ, con la que VIH es 5 VDC.

RB5 = 1 Mfí

NOTA: Las fotos y planos de los circuitos implementados se encuentran en

los anexos 15 y 16 respectivamente.

65

CIRCUITOS DE CONTROL

Para una adecuada comprensión de los circuitos de control

ha diseñarse es necesario, en concordancia con el sistema elec-

tromecánico a controlarse descrito en el Capítulo 2, realizar

el diagrama de bloques del sistema, el mismo que se presenta en

la Figura 4.1.

TRANSDUCTOR

C I R C U I T O

L O G I C O DE

CONTROL

Oí 03

C I R C U I T O DE CONTROL

DE VELOC I DAD

C I R C U I T O DE F U E R Z A E

I N V E R S I O N DE G I R O

FIGURA 4.1

DIAGRAMA DE BLOQUES

66

Como se puede observar en el diagrama de bloque de la Fi-

gura 4.1, El Circuito de Control Único Universal desarrollado

consta de los siguientes componentes:

- TRANSDUCTOR.

- CIRCUITO LÓGICO DE CONTROL.

- CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD.

* Modulador por ancho de pulso.

* Circuitos de control de troceadores de motores: MI y M2.

- CIRCUITO DE FUERZA E INVERSIÓN DE GIRO.

* Circuito de control e inversión de giro.

* Troceadores de motores MI y M2.

* Circuito de Fuerza.

A continuación se explica la función que realiza cada uno

de ellos:

TRANSDÜCTOR

Los transductores manual y bucal se los simboliza como un

bloque de 4 interruptores, los cuales proporcionan las señales

lógicas correspondientes a los cuatro movimientos con los que

se dota a la silla de ruedas.

CIRCUITO LÓGICO DE CONTROL

Su función es procesar las señales entregadas por los

transductores y en su salida genera las señales lógicas encar-

gadas de manejar el circuito de control de inversión de giro y

también las señales lógicas que habilitan los circuitos de con-

trol de los troceadores de los motores, logrando con ello que

los mismos no funcionen innecesariamente.

CIRCUITO DE CONTROL DE VELOCIDAD

Este circuito consta de los siguientes componentes:

MODULADOR POR ANCHO DE PULSO

Se encarga de generar dos señales cuadradas de ancho de

pulso variable que alimentan los circuitos de control de los

troceadores para los motores MI y M2 respectivamente. Consi-

67

guiendo de esta forma al variar el ancho de pulso, variar el

valor medio del voltaje con que se alimenta a los motores.

La señal de ancho de pulso variable se consigue al generar

una onda triangular de frecuencia constante, la cual es compa-

rada con un voltaje de referencia variable, obteniendo de esta

manera la forma de onda deseada (Buban , Malvino, 1987).

CIRCUITOS DE CONTROL DE TROCEADORES

Su función es manejar los transistores de potencia BJT's

que alimentan los motores MI y M2, adicionalmente en conjunción

con las señales lógicas de habilitación de funcionamiento de

los circuitos troceadores, permiten que los mismos no funcionen

innecesariamente.

CIRCUITO DE FUERZA E INVERSIÓN DE GIRO

Este circuito consta de los siguientes componentes:

CIRCUITO DE CONTROL E INVERSIÓN DE GIRO

Su función es procesar las señales lógicas entregadas por

el Circuito de Control Lógico y manejar los relés (K1,K2,K3,K4)

que comandan la inversión de giro de los motores.

TROCEADORES MI Y M2

Su principal componente son transistores BJT's, cuya fun-

ción es entregar un voltaje de valor medio variable a los moto-

res dependiendo de la velocidad requerida por el usuario de la

silla de ruedas, y que se fijará en el circuito modulador por

ancho de pulso.

CIRCUITO DE FUERZA

Su función es alimentar los motores MI y M2 con el voltaje

de valor medio seleccionado de acuerdo al usuario, consta de

los contactos de fuerza de los relés, así como de los respec-

tivos elementos de protección tanto de los relés, motores y los

transistores BJT's.

68

4.1 DISEffO DEL CIRCUITO LÓGICO DE CONTROL

Al considerar que el circuito lógico de control tiene que

ser único y universal y operar con los dos tipos de transducto-

res desarrollados en esta tesis y con los que posteriormente se

diseñen, se elaboró la correspondiente tabla de verdad que cum-

ple con proveer los cuatro movimientos con los que se dota a la

silla de ruedas electrónica.

Es importante mencionar que se consideró los niveles de

voltaje que en reposo proporciona el transductor bucal, por ser

este el más crítico en su diseño y cuyo accionamiento y niveles

de voltaje, para las señales lógicas que genera fueron detalla-

dos en el Capítulo 3.

Se recalca que en el diseño del transductor manual fueron

considerados los mismos niveles de voltaje en reposo.

Como se observa en el diagrama de bloques, las señales ló-

gicas generadas por el transductor son: W, X, Y, Z, y en reposo

corresponden a:

- W = "0" Lógico

- X - "0" Lógico

- Y - "1" Lógico

- Z = "0" Lógico

A continuación se presenta la tabla de verdad del circuito

de control lógico implementado, donde W, X, Y? Z, son las va-

riables de entrada entregadas por los transductores y AI, AD,

AA, R son las variables de salida, las cuales comandan el ac-

cionamiento de los relés para el circuito de control e inver-

sión de giro de los motores, y habilitan el funcionamiento de

los circuitos troceadores DC con que se alimenta a los motores.

69

TABLA DE VERDAD CIRCUITO LÓGICO DE COflTTRQL

W X Y Z A I A D A A R

0

0

0

0

0

0

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

101010

1

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

De toda la tabla de verdad, interesan aquellos estados que

producirán los desplazamientos que la silla debe realizar, di-

chos estados son:

AI = Jf.'X.~Y.'Z. ( Adelante Izquierda ) función lógica que corres-

ponde al desplazamiento de la silla hacia adelante giro a la

izquierda; cambia su estado de OL a 1L con el cambio de la va-

riable Y ( de entrada ), de 1 L a O L y acciona el relé Kl.

AD = F.̂ . Y.Z. ( Adelante Derecha) función lógica que corres-

ponde al desplazamiento de la silla hacia adelante giro a la

derecha, cambia su estado de OL a 1L con el cambio de la va-

riable Z ( de entrada ), de OL a 1L y acciona el relé K2.

AA = ~W.X.Y.~Z. ( Adelante ) función lógica que corresponde al

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desplazamiento hacia adelante en línea recta, cambia su esta-

do de OL a II. con el cambio de la variable X ( de entrada ),

de OL a 1L y acciona los relés Kl y K2.

R = W.H.Y.~Z. ( Retro ), función lógica que corresponde al des-

plazamiento hacia atrás en linea recta, cambia su estado de

OL a 1L con el cambio de la variable W ( de entrada) de OL a 11

y acciona los relés K3 y K4.

El acoplamiento de las señales lógicas provistas por los

transductores diseñados y los que posteriormente se diseñen,

se logra al utilizar negadorest que proveen las señales lógi-

cas: W~W, XX, Y"Yt Z~Z, que posteriormente se procesan en las

compuertas lógicas AND, generando las señales lógicas: AI, AD,

AA, y R. en sus salidas correspondientes.

Considerando que la silla de ruedas se mueve hacia adelante

en linea recta con la señal lógica AA, se deben accionar los

dos

control electrÓnico de sillas de ruedas para...

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