1 Diseño y Construcción de un bipedestador eléctrico para niños con discapacidad Proyecto de grado Alejandro Herrera Ruiz Estudiante de Ingeniería Mecánica y Administración de Empresas Profesor asesor: Luis Mario Mateus Sandoval Ingeniero Mecánico M.Sc. Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, Colombia Junio de 2018
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Diseño y Construcción de un bipedestador
eléctrico para niños con discapacidad
Proyecto de grado
Alejandro Herrera Ruiz
Estudiante de Ingeniería Mecánica y Administración de Empresas
Profesor asesor:
Luis Mario Mateus Sandoval
Ingeniero Mecánico M.Sc.
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá, Colombia
Junio de 2018
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Quiero dedicar este trabajo principalmente a mi madre, Edith Ruiz Gómez, quien
me ha apoyado no solo durante este proyecto, sino a lo largo de toda mi vida. Fue
ella quien siempre estuvo alentándome para dar lo mejor mí y poder realizar este
trabajo, que espero algún día pueda cambiar la vida de muchos niños.
También, quiero dedicar este trabajo a todos los niños que hicieron parte de este
proyecto, pues me dieron la oportunidad y depositaron su confianza para que yo les
pudiera brindar una mano con una de sus tantas necesidades.
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Mis mayores agradecimientos a:
Mi madre, por siempre brindarme todas las herramientas para poder culminar con
éxito este proyecto.
Gabriela Robles, por su inmensa colaboración, apoyo incondicional, compañía y
aliento durante todo el desarrollo del proyecto.
Profesor Luis Mateus, por brindarme la oportunidad de realizar un proyecto con este
enfoque. Por su paciencia durante todo el semestre y por su gran disposición para
ayudarme a resolver las dudas e inquietudes que pudieron surgir.
Todos los técnicos de manufactura, Carolina, Jorge, Jose, Ramiro y Andrés, por
haber apoyado el proceso de manufactura del prototipo, siempre con la mejor
actitud y su mejor esfuerzo para hacer que las cosas salieran bien
Asociación ACONIÑO, por abrirle las puertas a la universidad y permitirme
Ilustración 8. Silla para automóviles de niños utilizada ............................................................ 23
Ilustración 9. Rodachines industriales con freno ...................................................................... 23
Ilustración 10. Prototipo de Bipedestador Eléctrico ................................................................. 24
Ilustración 11. Prueba estática en posición sedente .................................................................. 25
Ilustración 12. Prueba estática en posición bípeda ................................................................... 25
Ilustración 13. Paciente Andrés Felipe en prueba dinámica..................................................... 26
Ilustración 14. Paciente Michelle en prueba dinámica ............................................................. 26
Ilustración 15. Apoyo en soporte de pies ................................................................................... 27
Ilustración 16. Pechero estilo mariposa ..................................................................................... 28
Ilustración 17. Almohadillas utilizadas para asegurar las piernas de los niños ....................... 29
Ilustración 18. Desajuste lineal en el cuerpo del paciente ......................................................... 30
Ilustración 19. Bisagras desalineadas con respecto a la silla .................................................... 31
Ilustración 20. Ubicación de los componentes que se deben tener en cuenta ........................... 32
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1. Índice
Término Definición
Hipotonía
Puede afectar a niños y adultos, es una disminución en el tono muscular
(debilidad muscular).
Espasticidad Se refiere a músculos tensos y rígidos. Puede interferir con la actividad
de caminar, movimientos y el habla.
Sedentación Cuando aumenta la presión al interior de los discos y tiene que ver con
la alineación de la columna vertebral.
Bipedestación Capacidad de mantenerse erguido sobre las extremidades inferiores.
Dismorfia Anomalía en la forma de alguna parte del cuerpo del ser vivo que se da
durante su desarrollo.
Deleción Es la pérdida de parte de los cromosomas, lo cual genera afectaciones en
el desarrollo del ser vivo.
Heterocigosis Cuando en los genes se tienen dos alelos diferentes.
Hipsarritmia Patrón electroencefalográfico que se caracteriza por la presencia de
continuas descargas de ondas lentas, puntas, ondas agudas, sin
sincronización entre ambos hemisferios, y de alto voltaje, dando la
sensación de un absoluto desorden del electroencefalograma.
2. Introducción La clasificación internacional del funcionamiento, discapacidad y salud (ICF), define una
discapacidad como un término que aglomera impedimentos, limitaciones en actividades y
restricciones de participación. Actualmente, hay por lo menos 1 billón de personas en el
mundo que tienen alguna discapacidad, esta cifra representa el 15% de la población total de
habitantes en el planeta, de las cuales hay entre 110 millones y 190 millones que tienen
dificultades significativas en su cotidianidad, por lo que tienen que acceder a diferentes
métodos y medios para poder realizar actividades rutinarias que van desde llegar al trabajo o
incluso vestirse. Esta población se encuentra en una situación que se agrava aún más por el
hecho de que es más difícil o caro acceder a servicios de salud de la calidad requerida para
que puedan suplir sus necesidades. Lo anterior, se puede ver reflejado en tasas de mortalidad
y mortalidad prematura más alta, envejecimiento acelerado, sedentarismo, correlación entre
enfermedades, etc. Adicionalmente, la tasa de personas con discapacidad ha venido
aumentado debido a las condiciones precarias de salubridad en algunas poblaciones y al
aumento de la población adulta mayor de 65 años alrededor del mundo. [23]
Entre los diferentes obstáculos a los que están sometidas las personas con discapacidad para
poder acceder a un servicio de salud están, por ejemplo, los altos costos en los que deben
incurrir en servicios de transporte más la atención médica especializada. Por eso, en países
de bajos ingresos el porcentaje de personas con alguna discapacidad que deja de recibir
atención médica es de 51% a 53%, mientras que las personas sin discapacidad que se quedan
sin atención rondan el 33 % [20]. Agregado a lo anterior, existe una barrera de tecnología e
infraestructura, pues muchas veces las calles, los centros médicos o de terapia, los baños y
otros lugares de uso común, el sistema de transporte o incluso los vehículos particulares no
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están adecuados para que las personas con discapacidades puedan acceder fácilmente. Por
último, en países de bajo desarrollo hay escasez o carencia de insumos, equipo y, en algunos
casos, de experiencia médica especializada que permita tratar adecuadamente a las
necesidades de cada persona.
Para poder dirigirnos más hacia el desarrollo de este proyecto, es necesario definir calidad de
vida y bienestar de las personas. En primer lugar, calidad de vida es la percepción que tiene
un individuo sobre su posición en la vida, en el contexto cultural y en el sistema de valor en
el que viven, todo esto con relación a sus metas, expectativas, estándares y preocupaciones
[24]. En segundo lugar, bienestar es el estado de comodidad, salud y prosperidad en una
persona [6]. Como las anteriores son variables que no son cuantificables fácilmente y que
están abiertas a la interpretación, y, a su vez, son esenciales para la problemática que se va a
desarrollar durante el proyecto, se va a usar una interpretación propia para poder concretar la
situación que se desea cambiar y las posibles soluciones a esta. Por lo tanto, sin alejarse
mucho de lo indicado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y sus siglas en inglés
WHO, calidad de vida va a ser la dificultad o facilidad de realizar acciones de la vida
cotidiana, con cierto grado de independencia, mientras que bienestar va a ser la capacidad de
ir mejorando o manteniendo el estado de salud, comodidad y prosperidad.
Por consiguiente, el planteamiento general de este proyecto considera proponer una ayuda
para solucionar algún requerimiento que exista en la población con discapacidad. Debido a
su definición, la discapacidad es un término muy diverso y que aglomera diferentes clases de
restricciones, como la visual, motora, auditiva, psicológica, etc. Es por eso, por lo que el
rango de aplicación de este proyecto estará limitada a una población específica, la cual
comprende a niños entre los 6 y 10 años con alguna discapacidad o una combinación de estas,
que entre su diagnóstico se encuentre alguna clase de impedimento para un desarrollo
locomotor normal. Principalmente, niños que dependan de sillas de ruedas para movilizarse
y de un apoyo extra para poder sentarse o mantener una posición erguida. Con el fin de que
esta solución pueda llegar a aumentar el bienestar de esta población, mejorar su calidad de
vida y, lo más importante, que sea de acceso fácil para personas con bajos y medios recursos.
3. Contexto
Usualmente, las personas que presentan discapacidades de tipo motor y cognitivo tienen que
recurrir a sistemas de apoyo permanentes como caminadores o sillas de ruedas y temporales
como bastones o asistencia de otra persona; pero esto es solo en los casos donde las personas
ya han desarrollado cierto grado de independencia o ya están adaptadas a las condiciones
especiales. Sin embargo, el caso de los niños es diferente, pues por su edad son dependientes
en varios aspectos de su cotidianidad y, más aún, cuando desde nacimiento padecen de algún
tipo de condición especial que les impide tener un desarrollo normal, al igual que cuando
estas condiciones son padecidas desde muy temprana edad. Lo anteriormente mencionado,
sumado al rango de edad que fue seleccionado para el proyecto, deja a los padres en una
situación en la que cuentan con 2 opciones. La primera es cargar al niño hacia todos lados y
la segunda es adquirir una silla de ruedas, pues en esta edad los niños dejan de ser aptos para
los coches de bebé debido al crecimiento. Este proyecto estará enfocado hacia los niños que
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dependen de las sillas de ruedas, pues estas no solo son un medio de transporte, son también
un dispositivo que aporta a la calidad de vida de ellos y de las familias que tienen acceso a
estas. Pues, es preciso mencionar que en el mundo existen aproximadamente 70 millones de
personas que requieren de silla de ruedas, pero no todas estas personas la requieren por las
mismas condiciones o necesidades [22].
Por lo tanto, para el desarrollo del proyecto se contactó a la asociación ACONIÑO, quienes
son una entidad privada sin ánimo de lucro. Esta asociación fue fundada en el año 1990 con
el propósito de apoyar a familias con niños en condición de discapacidad entre 0 y 18 años.
Entre su campo de acción se encuentran niños con diagnósticos tales como parálisis cerebral,
retardo en desarrollo psicomotor, síndrome de West, hipotonía, entre otros que serán
definidos en el documento más adelante. Así mismo, la misión de ACONIÑO está
relacionada con los fundamentos que impulsaron el desarrollo de este proyecto. Esto es,
contribuir a la inclusión social, mejoramiento de calidad de vida y bienestar de las personas
con discapacidad a través de programas con enfoque especializado.
4. Objetivos
4.1 Objetivo general
Desarrollar un vehículo que cuente con un sistema de actuadores eléctrico que
permita llevarlo de una posición sedente a una posición bípeda y, además, que brinde
autonomía de movilidad a una persona en condición de discapacidad.
4.2 Objetivos específicos
• Diseñar un vehículo que permita a niños en condición de discapacidad o
movilidad restringida sobrepasar con facilidad obstáculos comunes en Bogotá
y que, al mismo tiempo, sea una herramienta de apoyo para el proceso
terapéutico en el que se encuentran actualmente. • Desarrollar un sistema que permita cambiar la posición del usuario
conservando la ergonomía necesaria para garantizar la seguridad e integridad
del usuario. • Construir un vehículo con materiales que permitan bajo peso, procesos de
manufactura adecuados para una posible producción en masa y que cumpla
con las normas establecidas por los organismos de salud
5. Investigación
Como se comentó anteriormente, el desarrollo del proyecto se realizó en la asociación
ACONIÑO, con el acompañamiento de la señora Berta Brunal, quien es la Directora General.
También, con las terapeutas profesionales Franci Carolina Rincón, quien se desempeña en el
área de terapia ocupacional y Mayra Plazas, quien es la encargada de la terapia física. De
igual forma, durante todo el proceso se mantuvo contacto con terapeutas que se desempeñan
en otras áreas, al igual que con los padres o familiares de los niños.
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5.1 Metodología
A lo largo de este proyecto, se realizaron diferentes visitas con el fin de tener un
acercamiento al ambiente donde interactúan los niños, sus diferentes necesidades y,
además, de la observación y análisis de las patologías seleccionadas para el desarrollo
del prototipo. Cada una de las visitas se realizó con un propósito diferente, por lo que
la duración de estas fue variable. En la Tabla 1 se puede apreciar el desglose de
fechas, de los propósitos y las actividades que se realizaron durante la visita.
Fecha Propósito
Febrero 16
Este es el primer día, por lo que el motivo es la presentación del estudiante,
presentación del proyecto y la solicitud de acompañamiento de la asociación. Para esto, se hizo una previa y breve explicación por teléfono, de la cual se concretó la cita
para la presentación.
Febrero
20
Se hizo la presentación del estudiante con el equipo de terapeutas con el cual se
desarrolló el proyecto. Adicionalmente, se realiza el primer acercamiento con el grupo de niños que estaban en turno.
Febrero
22
Acercamiento al segundo grupo de niños, recomendado por la terapeuta Mayra. Se
agrupa a ciertos niños con diagnósticos afines al proyecto, con los cuales se podrán trabajar los requerimientos de usuario.
Marzo 2 Definición de requerimientos principales y desarrollo del “House of Quality” (HOQ)
para el prototipo, actividad que se realizó junto con las terapeutas Franci y Mayra.
Marzo 15 Acotación y especificación de requerimientos para el desarrollo del prototipo. Se realiza validación de la matriz que se obtuvo en la visita de marzo 2
Marzo 22 Se realizan las mediciones de algunas partes del cuerpo que se van a ver involucrados
en el diseño del mecanismo
Mayo 17 Visita del equipo de la universidad a los padres de los niños con el fin de dar a conocer los proyectos que se van a realizar con ayuda de ellos y para recibir retroalimentación
acerca de los requerimientos especificados para el proyecto actual
Junio 25 Se realizan las pruebas del primer prototipo con niños que son capaces de responder
ante situaciones adversas, con el fin de obtener una retroalimentación de las terapeutas, pero también de los pacientes.
Junio 26
Junio 27
Tabla 1. Fecha, propósito y actividades de visitas.
5.2 Selección de niños
Esta selección se hizo con base en la restricción de edad que había sido establecida
al inicio del proyecto, también, junto con la ayuda de las terapeutas se
seleccionaron niños que presentaran condiciones de discapacidad similares, pues
en la asociación se tratan niños con toda índole de discapacidades. De igual modo,
la selección depende del grado de discapacidad o de cuan afectados están los niños
debido a su condición, ya que hay casos de niños que desarrollaron más control e
independencia, debido a que presentan grados más leves de las patologías,
mientras que otros están totalmente afectados por su patología. Por lo tanto, se
utilizará la clasificación GMFCS “Gross Motor Function Classification System”
por sus siglas en inglés, que se traduce en un sistema de clasificación de la función
motora gruesa que distingue 5 niveles, de los cuales, el nivel V corresponde a
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movilidad autónoma y control anti gravitatorio gravemente restringido, incluso
con uso de tecnología asistida. El nivel IV es tiene que ver con movilidad
autónoma limitada, los niños están en la capacidad de reptar, voltearse y
desarrollar gateo homólogo, sin embargo, requieren de dispositivos para mantener
el control del tronco y, para movimientos prolongados requieren asistencia o ser
transportados. El último nivel que se va a tener en cuenta es el III, donde requieren
dispositivos de ayudar para caminar, subir escaleras apoyados de barandillas, pero
no pueden transportarse largas distancias ni en terrenos desnivelados [2].
5.3 Marco teórico de patologías y sintomatología.
• Parálisis cerebral (PC): Grupo de alteraciones permanentes del movimiento
y la postura que limitan la actividad, debido a trastornos no progresivos
ocurridos durante el desarrollo cerebral del feto o del niño pequeño.[2]
• PC atáxica: Es un cuadro clínico de hipotonía e hiperextensibilidad articular,
como también poca estabilidad al intentar mantener el equilibrio. Esta
condición dificulta la sedestación, bipedestación y la marcha. Cuando la PC
atáxica lleva espasticidad, tienden a afectar a los grupos musculares a lo largo
del tiempo, favoreciendo el desarrollo de deformidades ortopédicas.[2]
• Mielitis transversa: Es el nombre que recibe una inflamación en médula
espinal, generando una interrupción entre las fibras nerviosas de la médula
espinal y el resto del cuerpo, pues se genera una destrucción de la mielina,
sustancia que aísla y cubre las fibras celulares nerviosas. Dependiendo de la
zona de la médula espinal en la que se produce la inflamación, se pueden
generar diferentes tipos de síntomas con diferentes periodos de duración.
Variando entre fuertes dolores de un día, hasta parálisis en miembros de forma
permanente. [9]
• Síndrome de supresión 1P36: Hace referencia a una anomalía cromosómica
caracterizada por rasgos dismórficos faciales distintivos, hipotonía, retraso en
el desarrollo, discapacidad intelectual, convulsiones, defectos cardiacos,
deficiencia en el crecimiento de aparición prenatal, entre otros. Generado por
la deleción parcial en heterocigosis de la parte distal del brazo corto del
cromosoma 1. [12]
• Síndrome de West: También llamado espasmos infantiles, es un tipo
específico de ataque que se puede observar en los síndromes epilépticos
infantiles. Se caracteriza por los espasmos, retraso psicomotor del niño y una
frecuencia particular de electroencefalografía (EEG) llamada como
hipsarritmia u ondas caóticas del cerebro. Los espasmos consisten en
contracciones repentinas del cuerpo con endurecimiento de los brazos y
piernas, se pueden presentar hasta 100 espasmos al tiempo. [9]
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• Síndrome de Sturge Weber: Conocido como la mancha de vino, es una
enfermedad congénita que afecta los vasos sanguíneos, en particular los de la
piel, los de los tejidos que recubren el cerebro y los vasos sanguíneos oculares.
Este trastorno produce convulsiones, debilidad en un lado del cuerpo,
discapacidad cognitiva, aumento de la presión sanguínea intraocular, entre
otros daños al sistema nervioso. [7]
En la Tabla 2 se encuentran los niños que fueron seleccionados y algunas de
sus patologías.
• Niño Edad Patología
Sofía Ovalle 6 Síndrome de Sturge Weber
Juan Pablo Garzón 7 Parálisis cerebral
Valery Sofía Bastidas 6 Síndrome de West
Andrés Felipe Gómez 9 Parálisis cerebral Atáxica
Michelle Ramos 10 Mielitis transversa
Luciana Rincón 6 Síndrome IP-36
Paula Niño 8 Parálisis Atáxica
Angie Daniela Castro 6 Hidrocefalia Tabla 2. Niños seleccionados y Patologías
5.4 Resultados de investigación
Luego de las primeras visitas realizadas a la asociación y del acompañamiento
por parte de las terapeutas, se realizó una matriz de requerimientos utilizando la
metodología llamada “Casa de la calidad” y teniendo en cuenta las patologías
presentadas anteriormente. Por lo tanto, se tuvo en cuenta algunos de sus
síntomas, principalmente los que competen al desarrollo motor y la movilidad de
los niños.
Para la construcción de la matriz, se solicitó a las terapeutas que indicaran los
requerimientos principales del usuario, los cuales también recibieron
retroalimentación de algunos acompañantes de los niños con los que se había
hablado previamente. Acto seguido, se establecieron las características
ingenieriles de las que iba a depender el diseño, estas se fueron agregando a
medida que surgieron requerimientos de usuario. Cuando ya estuvo construida la
matriz, se pidió la calificación de los requerimientos de usuario a la terapeuta, en
un rango de 1 a 5, siendo el nivel 1 lo menos importante y 5 lo más importante.
Luego, se procedió a relacionar los requerimientos con las características entre un
rango de 0 y 5, donde el nivel 0 corresponde a que no existe relación alguna y 5
a que están totalmente relacionadas las variables. Finalmente, se realizó una
clasificación de ranking, por parte de las terapeutas, enumerando cada
requerimiento para poder compararlos, analizar y concluir con respecto a los
pesos que se obtienen para cada característica ingenieril.
Entonces, lo que se desea hacer con este mecanismo es estimular el movimiento
en los niños, haciendo que pasen de una posición sedente a una bípeda (totalmente
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vertical) a través de un movimiento totalmente guiado y controlado. Este
movimiento se estipuló para ser por medio de un actuador eléctrico portable para
que no sea necesario estar cerca algún tomacorriente y, con esto, se asegura su
versatilidad. El mecanismo debe tener algunos efectos en el bienestar del niño
como la prevención de cuadros de osteoporosis a temprana edad, incrementar el
flujo sanguíneo y disminuir la hipotonía en los miembros inferiores.
Adicionalmente, el mecanismo también debe ser útil para transportar a los niños
y que les permita tener una mayor integración con sus actividades de la vida
diaria.
En la Tabla 3 se puede observar el desglose de niveles de importancia que se
utilizó para alimentar la matriz que se le presentó a las terapeutas para realizar la
calificación. De igual forma, se muestran los criterios de relación utilizados para
indicar el vínculo entre los requerimientos de usuario y las características
ingenieriles.
Requerimientos de Usuario Características Ingenieriles
Nivel Grado Importancia Nivel Relación
1 Nada Importante 0 No hay relación
2 Poco Importante 1 Poca relación
3 Importancia Neutra 2 Podría existir alguna relación
4 Alta Importancia 3 Relacionados parcialmente
5 Más Importante 4 Relacionados
5 Totalmente relacionados
Tabla 3. Calificaciones de la Matriz
En la Tabla 4 se puede observar la construcción de la matriz, mientras que en la
Tabla 5 se observa los resultados obtenidos de manera organizada.
[20] World Health Organization. (2008). Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en
entornos de menores recursos. Ginebra: ISPO.
[21] World Health Organization. (2008). Pautas para el suministro de sillas de ruedas manuales en
entornos de menos recursos. Ginebra : World Health Organization.
[22] World Health Organization. (06 de Julio de 2013). World Health Organization. Obtenido de
Disability and Rehabilitation: www.who.int/disabilities/media/news/2013/07_06/en/
[23] World Health Organization. (12 de Enero de 2018). World Health Organization . Obtenido de
Disability and Health: www.who.int/mediacentre/factsheets/fs352/en/
[24] World Health Organization. (01 de Marzo de 2018*). World Health Organization. Obtenido de
Measuring Quality of Life: www.who.int/healthinfo/survey/whoqol-qualityoflife/en/
[25] Sánchez Hernández, F. (2006). Diseño de un sistema de juego-aprendizaje para la silla de
ruedas de asistencia a niños con parálisis cerebral. Bogotá: Universidad de los Andes.
14. Anexos Según la norma NTC 4268, “Clasificación por tipo con base en características de
aspecto” este tipo de sillas tienen una clasificación por dígitos dependiendo de las
características con las que cuenta la silla (Norma Técnica Colombiana, 1997). El primer dígito corresponde a los medios de propulsión y conducción, este prototipo
corresponde al tipo 1, que hace referencia al control y propulsión por medio de un
acompañante, de tipo no energizado.
El segundo dígito corresponde al área de uso con base en el ancho total y los diámetros
de las ruedas. En la Tabla 7 se puede observar la matriz de combinaciones para
obtener el dígito, debido a que el ancho total de la silla es menor a 550 𝑚𝑚 y, a pesar
que existen dos ruedas grandes mayores a 260 𝑚𝑚, los rodachines traseros son
menores a 180 𝑚𝑚, por lo que la clasificación de este dígito corresponde al tipo 1.
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Tabla 7. Combinación del diámetro de la rueda y ancho total de la silla. Tomado de NTC4268
El tercer dígito corresponde al ajuste del asiento y los respaldos, en la Tabla 8 se
puede observar la clasificación para el dígito. Sin embargo, para este caso el número
es 0, pues la silla debe mantener un ángulo fijo entre el asiento y el espaldar, siendo
ajustable el sistema de soporte del cuerpo. (Norma Técnica Colombiana, 1997)
Tabla 8. Combinación de ajustes de asiento y respaldos. Tomado de NTC4268
El cuarto dígito corresponde a los ajustes de los descansa brazos y del apoya pies.
Según la Tabla 9, y asumiendo que la silla tiene unos pequeños descansabrazos fijos
y el soporte del apoya pies es manualmente ajustable, indica que el dígito es el 2.
Tabla 9. Combinación ajustes de descansabrazos y apoya pie. Tomado de NTC4268
Finalmente, el último dígito corresponde a la plegabilidad de la silla, lo que es
referente a la capacidad de la silla a disminuir sus dimensiones generales. Por lo tanto,
es del tipo 1, pues la estructura de la silla es totalmente rígida.