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• Xavier Ramos Ojeda

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I

FACULTAD DE CIECIAS DE LA IGEIERÍA CARRERA DE IGEIERÍA MECATRÓICA TEMA:

AUTOMATIZACIÓ DE UA CAMA DE CUIDADOS ITESIVOS DEL HOSPITAL CARLOS ADRADE MARÍ. CARÁTULA Tesis previa a la obtención del título de Ingeniero Mecatrónico Estudiante: Patricio Cevallos Arroyo Director de tesis: PhD. Fausto Freire Quito – Ecuador Octubre 2010

II

DECLARACIÓ

Del contenido del presente trabajo se responsabiliza el autor

____________________________ Patricio Cevallos Arroyo 1002482402

III

Quito, 23 de Septiembre de 2010

Ingeniero Jorge Viteri. Decano de la Facultad de Ciencias de la Ingeniería Universidad Tecnológica Equinoccial Presente.-

De mi consideración: Pongo en su conocimiento que el estudiante de Ingeniería Mecatrónica, Patricio Cevallos

Arroyo,

ha

culminado

el

Trabajo

de

Titulación

con

el

tema

“AUTOMATIZACIÓN DE UNA CAMA DE CUIDADOS INTENSIVOS DEL HOSPITAL CARLOS ANDRADE MARÍN. El Trabajo cumple con los objetivos y alcance definidos en el Plan de Titulación, tiene coherencia lógica y rigurosidad científica, es un aporte significativo teórico como practico, por lo cual considero está apto para continuar con los procedimientos previos la graduación. Atentamente,

_______________ Fausto R. Freire Director del Trabajo de Grado

IV

V

AGRADECIMIETO

Agradezco a Dios que me permitió tomar este camino, y llegar a feliz término en esta etapa de mi vida. A la Universidad Tecnológica Equinoccial que me abrió las puertas del conocimiento y a la cual siempre le deberé mi profesión. Al Ingeniero Fausto Freire PhD. Que con su acertada dirección y ayuda se logró materializar este proyecto. A todas aquellas instituciones, personas y amigos que con sus ideas, apoyo moral, físico y económico contribuyeron a que este proyecto dejase de ser una visión y se convierta en una realidad. Sobre todo a mi familia, en especial a mi madre que se convirtieron en el eje fundamental para la consecución de este trabajo.

VVI

ÍDICE GEERAL CARÁTULA .................................................................................................................... II DECLARACIÓN ............................................................................................................ III CERTIFICADO DE PRUEBA ........................................................................................ V AGRADECIMIENTO .................................................................................................... VI ÍNDICE GENERAL...................................................................................................... VII ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................. XII ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................... XVII ÍNDICE DE ECUACIONES ....................................................................................... XIX ÍNDICE DE ANEXOS .................................................................................................. XX RESUMEN................................................................................................................... XXI SUMMARY .............................................................................................................. XXIII CAPÍTULO I..................................................................................................................... 1 CAPÍTULO II ................................................................................................................. 21 CAPÍTULO III ................................................................................................................ 70 CAPÍTULO IV ............................................................................................................. 129 CAPITULO V ............................................................................................................... 168 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 171 ANEXOS ...................................................................................................................... 174

VII

ÍDICE DE COTEIDO CAPÍTULO I..................................................................................................................... 1 1.

INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1 1.1

Antecedentes ................................................................................................... 1

1.2

Sistematización ............................................................................................... 2

1.2.1

Diagnóstico .............................................................................................. 2

1.2.2

Pronóstico ................................................................................................ 3

1.2.3

Control del pronóstico ............................................................................. 4

1.3

Formulación del problema .............................................................................. 4

1.4

Objetivos ......................................................................................................... 5

1.4.1

Objetivo General ..................................................................................... 5

1.4.2

Objetivos Específicos .............................................................................. 5

1.5

Justificación .................................................................................................... 5

1.6

Alcance ........................................................................................................... 6

1.7

Factibilidad ..................................................................................................... 7

1.7.1

Factibilidad técnica.................................................................................. 7

1.7.2

Factibilidad Económica ........................................................................... 9

CAPÍTULO II ................................................................................................................. 21 2.

MARCO DE REFERENCIA ............................................................................... 21 2.1

Características generales de las camas.......................................................... 21 VIII

2.2

Características de algunas camas del mercado ............................................. 26

2.3

Sensores ........................................................................................................ 28

2.3.1

Galgas Extensiométricas ....................................................................... 28

2.3.2

Celdas de Carga ..................................................................................... 29

2.4

Actuadores .................................................................................................... 37

2.4.1

Actuadores Lineales .............................................................................. 38

2.4.2

Actuadores Lineales Eléctricos ............................................................. 40

2.5

Elementos de Maquinas ................................................................................ 43

2.5.1

Ejes ........................................................................................................ 43

2.5.2

Columnas ............................................................................................... 46

2.5.3

Cojinetes con Contactos de Rodadura (Rodamientos) .......................... 51

2.6

Adquisición y Acondicionamiento de Señales ............................................. 52

2.6.1

Circuitos puente ..................................................................................... 52

2.6.2

Acondicionamiento de señal ............................................................... 54

2.7

Digitalización de la señal e Interfaz con el usuario ...................................... 60

2.7.1

Microcontroladores ............................................................................... 61

2.7.2

Manejo del módulo LCD ....................................................................... 66

2.7.3

Comunicación Serial. ............................................................................ 67

CAPÍTULO III ................................................................................................................ 70 3.

METODOLOGÍA ................................................................................................ 70

IX

3.1

Análisis de requerimientos............................................................................ 70

3.2

Diseño simultaneo de componentes .............................................................. 72

3.2.1

Análisis de Celdas de Carga .................................................................. 72

3.2.2

Análisis Amplificador de Instrumentación ............................................ 75

3.2.3

Análisis del Multiplexor de la señal ...................................................... 79

3.2.4

Diseño y cálculo de los diferentes elementos de maquina ................... 81

3.3

Simulación .................................................................................................. 104

3.3.1

Simulaciones parte mecánica .............................................................. 104

3.3.2

Simulaciones de la balanza.................................................................. 122

CAPÍTULO IV ............................................................................................................. 129 4.

CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ............................................................. 129 4.1

Construcción de la Parte Mecánica ............................................................. 129

4.2

Construcción de la Balanza......................................................................... 133

4.3

MANUAL DE SERVICIO ......................................................................... 135

4.3.1

Procedimiento para la Resolución de Problemas ................................ 135

4.3.2

Ensamblaje de la Cama ....................................................................... 148

4.3.3

Despiece .............................................................................................. 150

4.4

MANUAL DE USUARIO .......................................................................... 154

4.4.1

Definición de los símbolos del manual ............................................... 154

4.4.2

Introducción ......................................................................................... 155

X

4.4.3

Características del paciente ................................................................. 156

4.4.4

Instrucciones de uso ............................................................................ 157

4.4.5

Limpieza .............................................................................................. 163

4.4.6

Mantenimiento..................................................................................... 163

4.4.7

Resolución de Problemas .................................................................... 166

4.4.8

Especificaciones Técnicas ................................................................... 166

CAPITULO V ............................................................................................................... 168 5.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 168 5.1

Conclusiones ............................................................................................... 168

5.2

Recomendaciones ....................................................................................... 169

BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 171 ANEXOS ...................................................................................................................... 174

XI

ÍDICE DE FIGURAS

Figura 1-1 Diagrama espina de pescado ........................................................................... 2 Figura 2-1 Distribución de los planos en el somier de la cama. ..................................... 23 Figura 2-2 Representación galga extensiométrica tipo cinta. ......................................... 29 Figura 2-3 Celda de carga con galgas extensiométricas ................................................. 30 Figura 2-4 Diferentes tipos de fuerzas que actúan sobre la celda de carga..................... 34 Figura 2-5 Fuente de alimentación hidráulica ................................................................. 39 Figura 2-6 Fuente de alimentación neumática ................................................................ 40 Figura 2-7 Esquema de construcción de Actuador Lineal marca LINAK ...................... 42 Figura 2-8 Actuador Linak construcción interna ............................................................ 43 Figura 2-9 Valores de K para obtener longitud efectiva ................................................. 47 Figura 2-10 Componentes principales de un contacto de rodadura ................................ 51 Figura 2-11 Arreglos de puente de celdas de carga ........................................................ 53 Figura 2-12 Amplificador diferencial ............................................................................. 56 Figura 2-13 Esquema básico de medición utilizando el amplificador AD620 ............... 58 Figura 2-14 Respuesta a la frecuencia de cuatro tipos filtros. ........................................ 59 Figura 2-15 Configuración del filtro del amplificador de instrumentación para atenuar interferencia RF............................................................................................................... 60 Figura 2-16 Arquitectura Harvard simplificada para los microcontroladores ................ 62 Figura 2-17 Amplificador diferencial ............................................................................. 64 Figura 2-18 Seguidor de voltaje ...................................................................................... 65 Figura 2-19 Referencia 2.5V con coeficiente mínimo de temperatura. ......................... 65 Figura 2-20 Pantalla LCD 2x16 ...................................................................................... 66 Figura 2-21 Estructura de un dato enviado forma serial ................................................. 68 XII

Figura 2-22 Distribución de pines del integrado MAX232 ............................................ 69 Figura 3-1 Diagrama de conexión de la celda de carga .................................................. 74 Figura 3-2 Conexión del cable de blindaje en Modo común .......................................... 74 Figura 3-3 Distribución de Pines del AD620 .................................................................. 75 Figura 3-4 Curva típica de CMRR vs. Frecuencia, con relación a la entrada ................. 77 Figura 3-5 Diagrama de conexión del integrado TL084 ................................................. 79 Figura 3-6 Circuito multiplexor de señal ........................................................................ 80 Figura 3-7 Diagrama de fuerzas actuantes sobre los brazos. .......................................... 81 Figura 3-8 Área de la columna ........................................................................................ 84 Figura 3-9 Diagrama de Momento Cortante eje Z .......................................................... 86 Figura 3-10 Diagrama de Momento Flexionante eje Z ................................................... 87 Figura 3-11 Diagrama de Momento cortante eje Y ........................................................ 87 Figura 3-12 Diagrama de Momento Flexionante eje Y .................................................. 88 Figura 3-13 Ensamble inferior A del elevador. ............................................................... 92 Figura 3-14 Ensamble superior A de elevador................................................................ 93 Figura 3-15 Ensamble inferior B del elevador ................................................................ 93 Figura 3-16 Ensamble superior B del elevador ............................................................... 94 Figura 3-17 Base de la cama ........................................................................................... 95 Figura 3-18. Chumaceras ................................................................................................ 95 Figura 3-19 Diferentes pernos y tornillos ....................................................................... 96 Figura 3-20 Somier de la cama ....................................................................................... 96 Figura 3-21 Garrucha ...................................................................................................... 97 Figura 3-22 Celda de carga ............................................................................................. 97 Figura 3-23 Cabecero / piecero ....................................................................................... 98 XIII

Figura 3-24 actuador lineal ............................................................................................. 98 Figura 3-25 Platina de conexión ..................................................................................... 99 Figura 3-26 separador ..................................................................................................... 99 Figura 3-27 Bocines ...................................................................................................... 100 Figura 3-28 Batería ....................................................................................................... 100 Figura 3-29 planos de la cama ...................................................................................... 101 Figura 3-30 Caja de control........................................................................................... 101 Figura 3-31 Fuerzas aplicadas para la simulación. ....................................................... 104 Figura 3-32 Posición final elevación de la cama .......................................................... 105 Figura 3-33 Diagrama de fuerza aplicada por los actuadores en la elevación. ............. 105 Figura 3-34 Diagrama de desplazamientos y velocidad vertical del somier de la cama. ....................................................................................................................................... 106 Figura 3-35 Posición inicial antes de bajar la cama. ..................................................... 108 Figura 3-36 Posición final. ............................................................................................ 108 Figura 3-37 Diagrama de fuerza aplicada por los actuadores al recuar. ....................... 109 Figura 3-38 Estado inicial de la cama antes de la posición trendelenburg. .................. 110 Figura 3-39 Posición trendelenburg final. ..................................................................... 110 Figura 3-40 Fuerza aplicada por el motor inferior anterior y desplazamiento angular del somier en la posición trendelenburg. ............................................................................ 110 Figura 3-41 Posición trendelenburg inversa final ......................................................... 112 Figura 3-42 Diagramas de fuerza aplicada y desplazamiento angular del somier. ....... 112 Figura 3-43 Estado inicial de la cama a media altura ................................................... 114 Figura 3-44 Fuerza aplicada por los actuadores en la posición trendelenburg desde altura media ............................................................................................................................. 114 XIV

Figura 3-45 Fuerza aplicada por los actuadores al realizarse la posición trendelenburg inverso desde altura media. ........................................................................................... 116 Figura 3-46 Posición inicial y distribución de fuerzas sobre el somier de la cama ...... 117 Figura 3-47 Posición final fowler ................................................................................. 117 Figura 3-48 Fuerza aplicada por el motor superior anterior, desplazamiento y velocidad angular del plano1 en la posición fowler ...................................................................... 118 Figura 3-49 Posición inicial y distribución de fuerzas sobre el somier de la cama para elevación de rodillas ...................................................................................................... 120 Figura 3-50 Posición final de elevación de rodillas ...................................................... 120 Figura 3-51 Fuerza aplicada por el motor superior posterior, velocidades y desplazamientos angulares de los planos 3 y 4 en elevación de rodillas ...................... 120 Figura 3-52 Amplificación celdas de carga .................................................................. 123 Figura 3-53 Simulación pantalla 1 ................................................................................ 124 Figura 3-54 Simulación peso muerto ............................................................................ 125 Figura 3-55 Simulación de encerado............................................................................. 126 Figura 3-56 Simulación de la obtención de peso sin carga adicional ........................... 127 Figura 3-57 Simulación de pesado de paciente ............................................................. 128 Figura 4-1 Diagrama de flujo para la resolución de problemas .................................... 146 Figura 4-2 Despiece rueda/celda ................................................................................... 150 Figura 4-3 Despiece de la base...................................................................................... 151 Figura 4-4 Despiece y armado general.......................................................................... 152 Figura 4-5 Despiece somier .......................................................................................... 153 Figura 4-6 Control de posición de la cama ................................................................... 157 Figura 4-7 Botones posición fowler .............................................................................. 158 XV

Figura 4-8 Botones elevación de rodillas ...................................................................... 158 Figura 4-9 Botones elevación de la cama ..................................................................... 158 Figura 4-10 Botones trendelenburg/trendelenburg inverso........................................... 160 Figura 4-11 Ruedas con y sin freno. ............................................................................. 162 Figura 4-12 Batería de Backup ..................................................................................... 165

XVI

ÍDICE DE TABLAS Tabla 1 Comparativa de herramientas de diseño CAD. .................................................... 8 Tabla 2 Comparativa de software de diseño Electrónico. ................................................. 8 Tabla 3 Comparativa de lenguajes de programación para microcontroladores. ............... 8 Tabla 4 Cuadro comparativo de tipos de motores. ............................................................ 9 Tabla 5 Inversión Total. .................................................................................................... 9 Tabla 6 Herramientas. ..................................................................................................... 10 Tabla 7 Muebles y equipos de oficina............................................................................. 11 Tabla 8 Activos fijos intangibles. ................................................................................... 11 Tabla 9 Capital de Trabajo. ............................................................................................. 11 Tabla 10 Materia Prima. .................................................................................................. 12 Tabla 11 Mano de Obra................................................................................................... 13 Tabla 12 Suministros. ..................................................................................................... 13 Tabla 13 Mantenimiento y Reparación. .......................................................................... 14 Tabla 14 Arriendos. ......................................................................................................... 14 Tabla 15 Uniformes y Equipos de Seguridad. ................................................................ 14 Tabla 16 Seguros. ............................................................................................................ 14 Tabla 17 Costo de Producción Anual.............................................................................. 15 Tabla 18 Depreciación. ................................................................................................... 15 Tabla 19 Amortización. ................................................................................................... 16 Tabla 20 Gastos Financieros. .......................................................................................... 16 Tabla 21 Precio de Venta. ............................................................................................... 17 Tabla 22 VAN. ................................................................................................................ 18 Tabla 23 Estado de resultados ......................................................................................... 19 XVII

Tabla 24 Flujo Neto de Caja ........................................................................................... 20 Tabla 25 Tabla comparativa de camas existentes en el mercado. ................................... 27 Tabla 26 Características del microcontrolador PIC 16F877A ........................................ 63 Tabla 30 Requerimientos del proyecto ........................................................................... 70 Tabla 31 Especificaciones de la celda de carga a utilizar. .............................................. 72 Tabla 32 Cálculo en MDesign......................................................................................... 90

XVIII

ÍDICE DE ECUACIOES Ecuación (2.1) Esfuerzo Cortante ................................................................................... 45 Ecuación (2.2) Esfuerzo cortante en tensión uniaxial con cortante torsional ................. 45 Ecuación (2.3) Esfuerzo cortante con par torsional equivalente ..................................... 45 Ecuación (2.4) Radio de giro .......................................................................................... 46 Ecuación (2.5) Longitud efectiva .................................................................................... 47 Ecuación (2.6) Relación de esbeltez ............................................................................... 48 Ecuación (2.7) Constante de columna............................................................................. 48 Ecuación (2.8) Fórmula de Euler .................................................................................... 48 Ecuación (2.9) Formula alternativa de Euler .................................................................. 49 Ecuación (2.10) Carga admisible .................................................................................... 50 Ecuación (2.11) Fórmula de J. B. Johnson ..................................................................... 50 Ecuación (2.12) Voltaje de salida del amplificador diferencial ..................................... 64 Ecuación (3.1) Señal máxima ......................................................................................... 72 Ecuación (3.2) Relación peso voltaje .............................................................................. 73 Ecuación (3.3) Capacidad máxima ................................................................................. 73 Ecuación (3.4) Ganancia del amplificador AD620 ......................................................... 75 Ecuación (3.5) Cálculo de la resistencia para ganancia del amplificador ....................... 75 Ecuación (3.6) Ancho de banda modo diferencial .......................................................... 76 Ecuación (3.7) Ancho de banda modo común ................................................................ 76

XIX

ÍDICE DE AEXOS Anexo 1 Propiedades de las áreas. ................................................................................ 174 Anexo 2 Propiedades del Acero AISI 4140 .................................................................. 175 Anexo 3. Flujograma de diseño .................................................................................... 176 Anexo 4 Fo tografías del proceso constructivo y pruebas del prototipo ....................... 177 Anexo 5. Prototipo CAD implementado mejoras de diseño. ........................................ 182 Anexo 6 Planos constructivos de la cama y circuitos PCB de la balanza ..................... 183

XX

RESUME La Unidad de Cuidados Intensivos del Hospital Carlos Andrade Marín actualmente cuenta con 17 camas que poseen sistemas mecánicos e hidráulicos totalmente manuales, por lo que es necesario implementar un sistema automatizado que permita efectuar los movimientos de la cama y coadyuven a la recuperación del paciente, que en esta unidad generalmente se encuentra en estado crítico, además facilite y optimice el trabajo del personal de enfermería, evitando realizar movimientos manuales que muchas veces son efectuados de una manera inadecuada pudiendo causar lesiones al personal o daños de las partes mecánicas de la cama. Con la automatización se brinda mayor comodidad al paciente y facilidad de manipulación al personal encargado de su cuidado, así como también extiende la vida útil del mobiliario; para la ejecución de este proyecto se utilizó las diferentes ramas de la ciencia que engloba la Ingeniería Mecatrónica. El primer capítulo analiza la problemática y se plantea una solución, se establecen los objetivos general y específicos, el alcance, justificación, factibilidad técnica y económica. En el segundo capítulo se indica una reseña de las camas que existen en el mercado y sus características, además la base teórica para la ejecución del prototipo en lo concerniente al diseño de los elementos mecánicos, sensores, adquisición y tratamiento de señales. En el tercer capítulo se realizan los cálculos de los diferentes elementos mecánicos y electrónicos de la cama y balanza respectivamente, se detallan cada una de la piezas del prototipo y su funcionamiento, para finalizar se ejecutan las simulaciones de cada uno

XXI

de los movimientos de la cama, utilizando diversas herramientas informáticas donde se obtienen resultados como la velocidad, desplazamiento, fuerza. El cuarto capítulo contiene: el proceso constructivo del prototipo, los manuales de operación y de servicio técnico. Para concluir el trabajo se presentan las conclusiones y recomendaciones, tomando en cuenta las sugerencias presentadas por el personal que manipuló el prototipo en la prueba.

XXII

SUMMARY The Intensive Care Unit of Hospital Carlos Andrade Marin currently has 17 beds that have manual mechanical and hydraulic systems, so it is necessary to implement an automated system that allows the movement of the bed and to assist in patient recovery, who is usually found in critical condition, also ease and optimize the work of nurses, thereby avoiding manuals movements which are often done in an inappropriate manner , this may cause injury to personnel or damage to the mechanical parts of the bed. With this automation the hospital provides greater patient comfort and ease of handling personnel responsible for their care, as well as extending the life of the equipment, for the implementation of this project we are using many scopes of science that are included in the Mechatronics Engineering. The first chapter discusses the problem and proposes a solution, establishing the general and specific goals, scope, justification, technical and economic feasibility. The second chapter follows a review of the beds on the market and its features, plus the theoretical basis for the implementation of the prototype with regard to the design of mechanical elements, sensors, signal acquisition and processing. In the third chapter, it shown the calculations of the various mechanical and electronic components of the bed and the scales respectively, detailing each of the pieces of the prototype and its operation, to end run the simulations for each of the movements of the bed using several IT tools where the results are as speed, displacement, force. The fourth chapter contains: the construction process of the prototype, operating manuals and technical service manual. XXIII

To conclude, the project presents conclusions and recommendations, taking the suggestions made by staff who handled the prototype in the test.

________________________ Ing. Fausto Freire PhD. Director del Trabajo de Grado

XXIV

CAPÍTULO I 1. ITRODUCCIÓ El avance de la mecatrónica ha permitido que sistemas, maquinas, procesos que estén involucrados en los diferentes campos de la ciencia puedan ser automatizados permitiendo reducir tiempo, riesgos y mejorar la productividad; la medicina no está fuera de esta tendencia por lo que dentro de este campo existen una infinidad de instrumentos que pueden ser automatizados. Esto puede aplicarse a las camas de la unidad de terapia intensiva del hospital, que son susceptibles a la automatización, al modernizar este tipo de mobiliario, se espera que se reduzcan costos y reutilizar partes y componentes, que de lo contrario saldrían en desuso y desechados como chatarra. Con los conocimientos adquiridos durante los años de estudio y tomando como punto de partida la cama manual se plantea desarrollar el Proyecto de AUTOMATIZACION DE UNA CAMA PARA TERAPIA INTENSIVA DEL HOSPITAL CARLOS ANDRADE MARÍN desde el punto de vista teórico y práctico. 1.1

Antecedentes

La Unidad de Cuidados Intensivos del hospital Carlos Andrade Marín cuenta con 18 camas para este tipo de cuidados, que datan de hace unos 20 años aproximadamente y no poseen ningún tipo de automatismo; son manejadas a través de manivela y pedales hidráulicos para colocar la cama en las diferentes posiciones que esta ofrece como son: Trendelenburg y Trendelenburg inverso, altura ajustable, fowler o espalda, elevación de rodillas, y posición de auto contorno; el índice de ocupación de este servicio es del 100%, con una estancia en su mayoría prolongada de los pacientes. 1

Actualmente existen en el mercado camas modernas que permiten realizar todos estos movimientos, de forma automática pero su precio supera los 30.000 dólares, convirtiéndose este en un limitante a la hora de modernizar el mobiliario. 1.2

Sistematización

A través del proceso de la sistematización se busca enfocar, entender el problema y sus futuras consecuencias, así como encontrar una posible solución para esto se analizan cada una de las siguientes variables: 1.2.1

Diagnóstico

Es necesario identificar cada uno de los problemas y síntomas que conllevan utilizar camas manuales en la unidad de Cuidados Intensivos del Hospital Carlos Andrade Marín, para ello se utilizará un diagrama de espina de pescado. Figura 1-1 Diagrama espina de pescado Procesos

Equipo

Materia

Uso de camas manuales en el área de Terapia Intensiva del HCAM

Ambiente

Personal

Elaborado por: Patricio Cevallos A.

Procesos El manejo de este tipo de camas representa un problema ya que muchas veces se encuentran dañadas y la pérdida de tiempo en su manejo es considerable en un área en la que no se puede desperdiciar grandes cantidades de tiempo.

2

Equipo Este tipo de equipo en la actualidad es obsoleto, considerando el gran avance en la ciencia médica, y las circunstancias en la cuales trabaja. Materia El daño en la construcción es constante debido a la incorrecta manipulación, y a los materiales que se usan en las reparaciones que se realizan en estos equipos. Ambiente El ambiente donde este tipo de equipo trabaja es desfavorable para su conservación y mantenimiento por cuanto, siempre tienen un alto grado de ocupación, lo que impide realizar un mantenimiento oportuno, además la presencia de fluidos corporales, propios de los enfermos, como el vertido por accidente de productos de limpieza y farmacéuticos pueden afectar a mecanismos expuestos y al funcionamiento en si de la cama, se debe tomar en cuenta también el área donde estas trabajan debe ser de completa asepsia, ya que estos ambientes deben estar libres de bacterias gérmenes, etc. Personal El manejo por parte del personal de estos equipos muchas veces no es el adecuado, debido al desconocimiento o apuro en sus actividades. 1.2.2

Pronóstico

Bajo este tipo de condiciones el daño o pérdida de funcionalidad en los equipos es eminente, tarde o temprano; afectando tanto al paciente que utiliza la cama, ya que no puede recibir el tratamiento ni cuidados necesarios así como a los encargados de su cuidado, ya que no pueden dar el tratamiento para su dolencia y pueden resultar lastimados al adoptar una posición inadecuada tratando de que este tipo de camas 3

funcione; por otra parte se reduce más aun la capacidad de por si pequeña de recibir a pacientes en esta área del hospital, cuando las camas manuales salen en desuso, y no existen otras para remplazarlas. 1.2.3

Control del pronóstico

Para mitigar y disminuir los problemas antes enumerados se debe acoplar un sistema para la automatización de este tipo de camas, que permita reducir al mínimo el mantenimiento y prolongue la vida funcional de este tipo de equipos, así como evitar el daño de la parte mecánica por su mala operación; además de reducir las lesiones que se puedan generar a los encargados de su manejo, cuando las camas no funcionan correctamente o están dañadas, brindando también un buen servicio y aportando en parte para el correcto tratamiento a los pacientes que usen este tipo de camas. 1.3

Formulación del problema

El servicio de esta Unidad de Cuidados Intensivos cuenta con camas que poseen sistemas mecánicos e hidráulicos sin ningún tipo de automatización. La gran mayoría de los pacientes en esta área del hospital se encuentran inconscientes y en estados críticos, lo cual no les permite realizar ningún tipo de movimiento y necesitan de constantes tratamientos terapéuticos para evitar escaras y otros males derivados de su falta de movimiento. El personal asignado a los pacientes, en este caso las enfermeras, tienen que realizar los movimientos necesarios de la cama, de forma manual; lo cual muchas veces es realizado de una manera inadecuada, lo que repercute en un desgaste rápido y daño de las partes mecánicas de la cama, restringiendo así cada vez más los movimientos de la misma.

4

¿La aplicación de ciencias como mecánica, electrónica, programación, ergonomía, permitió, diseñar una cama funcional? ¿Es funcional el proyecto dentro de esta área del hospital? ¿La automatización de la cama de cuidados intensivos, permitió ahorrar costos, con relación a la compra de una nueva cama con estas características? 1.4

Objetivos

1.4.1

Objetivo General

Desarrollar una solución de automatización para las camas de la Unidad de Cuidado Intensivos del Hospital Carlos Andrade Marín. 1.4.2

1.5

Objetivos Específicos

-

Analizar el estado y ámbito del problema.

-

Diseñar el sistema electro – mecánico del prototipo.

-

Diseñar el sistema de control electrónico del prototipo.

-

Diseñar la interfaz con el usuario.

-

Construir el prototipo propuesto de la cama.

-

Probar la funcionalidad del prototipo. Justificación

Gracias a nuevas tecnologías se puede mejorar procesos y maquinas existentes al automatizarlas, con esto se logra un mejor control, reducción de costos y aumento en la productividad y seguridad.

5

La automatización de equipos y procesos es aplicable a cualquier ámbito, desde la industria hasta el hogar, claro está es también a la medicina. Ya en este campo la automatización de este tipo de equipo médico esencial en la recuperación de los pacientes es muy importante ya que permite tener un mejor y más preciso control en los movimientos de la cama, así como facilitar esta tarea al personal encargado del paciente, permitiendo al enfermero realizar otras actividades encaminadas al cuidado del paciente. Otras de las ventajas con la automatización de la cama, es que se deja abierta la posibilidad para que los modelos siguientes puedan ser mejorados a través de modificaciones en el software y hardware, sin necesidad de alterar la estructura existente. A nivel internacional ya existe este tipo de camas y son muy utilizadas dentro de las áreas de cuidados intensivos de los distintos hospitales; dentro del mercado nacional se empiezan a distribuir este tipo de camas para hospitales y clínicas, pero su costo es demasiado alto, el cual ronda los 30000 dólares por la unidad mas básica, de allí el precio se incrementa según los módulos y funciones adicionales que se requieran. Lo que trata con este proyecto es automatizar una de las camas de la unidad, a un menor costo y con la mayor cantidad de funciones, que las camas que se pueden adquirir en el mercado. 1.6

Alcance

Se plantea que el prototipo de la cama posea un sistema electro-mecánico para su operación, así como un sistema de emergencia que permita operar la cama cuando no exista suministro eléctrico. 6

A través del sistema electro-mecánico operado mediante actuadores lineales se espera controlar las posiciones de Trendelenburg, Trendelenburg inverso y la altura ajustable. Así como las posiciones Fowler o espalda, posición de autocontorno, y elevación de piernas. En la cama vendría integrada una balanza digital permitiendo controlar el peso del paciente mientras este se encuentre utilizando dicha cama, cabe recalcar que la balanza debe poseer un sistema de tara (ajuste a cero), para que se pese únicamente al paciente, mas no los distintos equipos conectados a este. El control de las diferentes posiciones se plantea hacerlo por medio de un control electrónico ubicado a un lado de la cama. Se plantea que la cama este conectada además a una computadora, en donde al momento del ingreso al paciente se recojan los datos del mismo, como nombre tipo de enfermedad, además de

almacenar los datos

correspondientes al peso del paciente recogidos durante su permanencia en la cama. Para la realización de este proyecto se aplicaran conocimientos de mecánica, actuadores eléctricos, electrónica, los cuales permitirán cumplir con el desarrollo del mismo. Con este proyecto se busca no solo beneficiar a esta área del hospital sino también al resto del sector de la salud que necesite de este tipo de instrumental médico. 1.7 1.7.1

Factibilidad Factibilidad técnica

Para analizar la factibilidad técnica del proyecto se realizaran tablas comparativas de los diferentes aspectos a tomar en cuenta, concluyendo con los resultados.

7

Herramientas de Diseño CAD Tabla 1 Comparativa de herramientas de diseño CAD. Ponderación Características

AutoCAD

10% 8% 50% 20% 12%

8 5 8 8 8

SolidWorks Autodesk Inventor Interacción con otros software 8 7 Costo de la licencia 4 6 Simulación 9 8 Análisis de esfuerzos 9 8 Manejo de ensambles y piezas 9 6

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Internet y publicaciones varias

Como herramienta de Diseño se planea utilizar SolidWorks ya que de acuerdo con las comparaciones con otros software similares obtiene una mejor calificación, pese al costo de su licencia. Herramientas de diseño Electrónico Tabla 2 Comparativa de software de diseño Electrónico. Ponderación 45% 15% 40%

Características Interacción con otros software Costo de la licencia Simulación

Proteus 7 8 8

Multisim 9 7 8

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Internet y publicaciones varias

Como herramienta para diseño electrónico se piensa utilizar Proteus ya que presenta simulaciones bastante exactas de los sistemas electrónicos además, cuenta con gran cantidad de componentes dentro de sus librerías. Lenguaje de programación para microcontroladores Tabla 3 Comparativa de lenguajes de programación para microcontroladores. Ponderación 45% 15% 50%

Características Rapidez de respuesta Ahorro de código Portabilidad

Pic Basic 7 7 9

Assembler 9 8 8

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Internet y publicaciones varias

8

El lenguaje a utilizar será Pic Basic debido a su portabilidad y facilidad de programación. Motores Tabla 4 Cuadro comparativo de tipos de motores. Ponderación 20% 45% 20% 15%

Características Velocidad Torque Control Costo

Actuador lineal 8 9 7 8

Servomotor 7 7 9 6

Paso a paso 6 6 8 8

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Internet y publicaciones varias

Los actuadores lineales los cuales constan de motores DC con motoreductor, entregan mayor fuerza al sistema, característica muy necesaria a la hora de diseño del proyecto, además este puede ajustarse mejor a los requerimientos ya que solo se debe escoger el largo del vástago que se mueve linealmente, cabe recalcar que el control de la posición del mismo es bastante exacto y fácil de realizarlo. 1.7.2

Factibilidad Económica

Indicadores Económicos: El TIR y VAN serán calculados como si se fuera a constituir una empresa dedicada a la construcción y fabricación de este tipo de camas, teniendo como meta fabricar 24 camas por año, esto se lo realizara de esta manera ya que no es posible calcular este tipo de indicadores para la construcción de una sola cama. Tabla 5 Inversión Total. IVERSIÓ Activos Fijos Tangibles Herramientas Muebles y Equipos de Oficina Total Act. Fijos Tang.

Pag1

VALOR TOTAL 1858,4 1484,1 3342,5 9

CAPITAL PROPIO 1200 1000 2200

CAPITAL FIACIADO 658,4 484,1 1142,5

Pag 2

IVERSIÓ Activos Fijos Intangibles Total Act. Fijos Intang

VALOR TOTAL

CAPITAL PROPIO

CAPITAL FIACIADO

24480,0

8000

16480,0

Subtotal Activos Fijos

27822,5

10200,0

17622,5

CAPITAL DE TRABAJO Subtotal Capital de Trabajo

61972,0

20000

41972,0

TOTAL IVERSIÓ

89794,5

30200,0

59594,5

33,63%

66,37%

Porcentaje

100,00%

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Datos obtenidos de cálculos

Terrenos y construcciones no entran como activos fijos tangibles ya que se piensa arrendar tanto el taller como el vehículo. Tabla 6 Herramientas. DETALLE Soldadora Moladora Juegos de llaves Taladro de mesa Juego de brocas Caja de herramientas Remachadora Sierra Juego de desarmadores kit de herramientas electrónica Pinzas

Cantidad Costo Unitario Costo Total 1 400 400 1 85 85 1 200 200 1 700 700 1 80 80 1 150 150 1 17 17 2 20 40 1 50 50 1 50 50 2 25 50 Subtotal 1822 2% imprevistos 36,44 TOTAL 1858,44 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proformas de almacenes

10

Tabla 7 Muebles y equipos de oficina. DETALLE Escritorio Sillas Teléfono Línea de teléfono Conexión Internet 256 Kbps

Cantidad 1 2 1 1 1

Costo Unitario 170 70 40 60 50 Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Equipos de Computo: DETALLE Programador Pics Laptop HP dv4 1420

Cantidad 1 1

Costo Unitario Costo total 45 45 950 950 Subtotal 995 2% imprevistos 19.9 TOTAL 1014.9 1484.1

TOTAL

Costo Total 170 140 40 60 50 460 9.2 469.2

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proformas de almacenes

Tabla 8 Activos fijos intangibles. Concepto Constitución de la empresa Estudio de Prefactibilidad Puesta en marcha Software y licencias Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Valor 1500 2000 500 20000 24000 480 24480 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Internet, publicaciones varias

Tabla 9 Capital de Trabajo. Concepto Costos de Fabricación Materia prima Materiales directos Materiales indirectos

Pag 1

Valor 54735,26 36010,08 1719,72 156,67 11

Pag 2

Concepto Mano de Obra Directa Gastos Suministros Mantenimiento y reparación Arriendos Uniformes y equipo de seguridad Seguros Total Capital de Trabajo

Valor 16848,79 7236,74 612,00 109,14 6120,00 380,46 15,14 61972,00 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Cálculos obtenidos de Excel

Tabla 10 Materia Prima. Especificación Actuadores lineales Celdas de carga Caja de control Sistema backup Control Estructura metálica ruedas Material electrónico Tablero con recubrimiento Subtotal 2% imprevistos TOTAL Materiales Directos Especificación Pernos y tornillos tuercas y arandelas Cable Discos abrasivos Electrodos Pintura Estaño Lubricantes Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Pag 1

Costo Total por Cama 503.00 360.00 164.00 147.00 62.00 120.00 30.00 45.00 40.00 1471.00 29.42 1500.42

Costo Total Anual 12072.00 8640.00 3936.00 3528.00 1488.00 2880.00 720.00 1080.00 960.00 35304.00 706.08 36010.08

Costo Total por Cama Costo Total Anual 12.5 300.00 5 120.00 2 48.00 2 48.00 2 48.00 45.00 1080.00 0.50 12.00 1.25 30.00 70.25 1686.00 1.41 33.72 71.655 1719.72 12

Pag 2

Especificación

Costo Total por Cama

Materiales Indirectos Plástico de embalaje Cinta de embalaje Transporte y Aduanas Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Costo Total Anual

1 0,4 10 11,4 0,228 11,628

24,00 9,60 120,00 153.6 3,07 156,67

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Cotizaciones de almacén

El Costo Total anual se toma como si se fueran a fabricar 24 camas al año. Tabla 11 Mano de Obra. Sueldo básico Cargo # de personas individual Diseñador 1 510 Ayudante 2 240 Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Sueldo mensual IBS Sueldo Anual IBS 698,22 8378,58 678,32 8139,84 1376,54 16518,42 27,53 330,37 1404,07 16848,79 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Comisiones Sectoriales

Tabla 12 Suministros. Concepto Energía eléctrica Agua Internet Teléfono

Unidad Kwh m3 kbps min

Cantidad Mensual 200 8 1000 100

Costo Unitario 0.07 0.5 0.03 Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Costo Mensual 14 4 29 3 50 1 51

Costo Total Anual 168 48 348 36 600 12 612

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Estimados básicos

13

Tabla 13 Mantenimiento y Reparación. Concepto Muebles y equipos Maquinaria

Valor 469.2 1858.44

% del Costo 3% 5% Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Valor Mensual 1.17 7.74 8.92 0.18 9.09

Valor Anual 14.08 92.92 107.00 2.14 109.14

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Estimados básicos

Tabla 14 Arriendos. CONCEPTO Taller y Bodega Vehículo

Cantidad 1 1

Valor Mensual 300 200 Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Valor Total 300 200 500 10 510 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Estimados básicos

Tabla 15 Uniformes y Equipos de Seguridad. DETALLE Overol de tela jean Zapatos industriales Respirador de polvo Protector auditivo Guantes de cuero Gafas de protección Extintores

Cantidad 2 2 2 2 1 2 1

Costo Unitario 35 75 30 4 5 15 50 Subtotal 2% imprevistos TOTAL

Costo Total Anual 70 150 60 8 5 30 50 373 7.46 380.46

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Cotizaciones varias

Tabla 16 Seguros. Concepto Muebles y enceres Equipos de computo

Pag 1

% de Valor Valor Total Total 469.2 1.00% 1014.9 1.00% Subtotal

14

Valor Mensual 0.39 0.85 1.24

Valor Anual 4.69 10.15 14.84

Pag 2

Concepto

Valor Total

% de Valor Total 2% imprevistos TOTAL

Valor Mensual 0.02 1.26

Valor Anual 0.30 15.14

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Estimados varios

Tabla 17 Costo de Producción Anual. Costo Total

Costo Variable

36010.08 1719.72 16848.79

36010.08 1719.72 16848.79

156.67 612.00 109.14 15.14

156.67

COSTO DE FABRICACIÓN Costos Directos Materia Prima Materiales Directos Mano de Obra Directa Costos Indirectos Materiales Indirectos Suministros Mantenimiento Seguros COSTOS DE ADMINISTRATIVOS Personal Administrativo Gastos Administrativos

0 0.00

COSTOS DE VENTAS Total de costos de ventas COSTOS FINANCIEROS Total de costos financieros COSTO DE PRODUCCIÓN TOTAL

Costo Fijo

612.00 109.14 15.14

0 0

0

0

0

7054.14

7054.14

62525,68

54844.40

7681.28

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Contabilidad de Kester

Tabla 18 Depreciación. Concepto Maquinaria Muebles y Enceres

Pag 1

Costo 1858.4

Vida Útil 10

469.2

10

Valor % Residual 10.00% $ 92.92 10.00% 15

$ 23.46

Valor a Depreciación Depreciar Anual $ 1,765.52 176.55 $ 445.74

44.57

Pag 2

Concepto Equipos de computación

Vida Útil

Costo 1014.9

3

%

Valor Residual

Valor a Depreciar

33.33% $ 50.75 TOTAL $ 167.13

$ 964.16

Depreciación Anual 321.35 542.48

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Cálculos Excel

Tabla 19 Amortización. Concepto Constitución de la empresa Estudio de Prefactibilidad Puesta en marcha Software y Licencia

Valor 1500 2000 500 20000

Vida Útil 5 5 5 5

% 20.00% 20.00% 20.00% 20.00% TOTAL

Amortización Anual 300.00 400.00 100.00 4000.00 4800.00

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Publicaciones SRI

Tabla 20 Gastos Financieros. Valor 59594,54 10 años 12,00%

Capital Financiado Plazo Interés anual

Años

semestres

Pago periódico

Interés

Pag 1

Amortización

0 1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72 16

Año 1

Año 2

Año 3

Año 4

$ 3.575,67 $ 3.478,47 $ 7.054,14 $ 3.375,43 $ 3.266,22 $ 6.641,65 $ 3.150,45 $ 3.027,73 $ 6.178,18 $ 2.897,65 $ 2.759,77 $ 5.657,42 $ 2.613,61 $ 2.458,68

$ 1.620,05 $ 1.717,25 $ 3.337,31 $ 1.820,29 $ 1.929,51 $ 3.749,80 $ 2.045,28 $ 2.167,99 $ 4.213,27 $ 2.298,07 $ 2.435,96 $ 4.734,03 $ 2.582,12 $ 2.737,04

Saldo Insoluto $ 59.594,54 $ 57.974,49 $ 56.257,23 $ 54.436,94 $ 52.507,43 $ 50.462,16 $ 48.294,16 $ 45.996,09 $ 43.560,13 $ 40.978,02 $ 38.240,98

Pag 2

Años Año 5

semestres

Pago periódico

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

1 2

$ 5.195,72 $ 5.195,72

Año 6

Año 7

Año 8

Año 9

Año 10

Interés Amortización $ 5.072,29 $ 5.319,16 $ 2.294,46 $ 2.901,26 $ 2.120,38 $ 3.075,34 $ 4.414,84 $ 5.976,61 $ 1.935,86 $ 3.259,86 $ 1.740,27 $ 3.455,45 $ 3.676,13 $ 6.715,31 $ 1.532,94 $ 3.662,78 $ 1.313,18 $ 3.882,55 $ 2.846,12 $ 7.545,33 $ 1.080,22 $ 4.115,50 $ 833,29 $ 4.362,43 $ 1.913,52 $ 8.477,93 $ 571,55 $ 4.624,18 $ 294,10 $ 4.901,63 $ 865,65 $ 9.525,80

Saldo Insoluto $ 35.339,71 $ 32.264,37 $ 29.004,51 $ 25.549,06 $ 21.886,28 $ 18.003,73 $ 13.888,23 $ 9.525,80 $ 4.901,63 $ 0,00

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Estimado Banca privada

Tabla 21 Precio de Venta.

Producto

Producción

Camas UCI

24

CPT anual (USD) 62525.68

Costo total P.V unitario (USD) CPT / PA CU + 12% + 20% 2605.24 3438.91 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Calculo estimativo Excel

Costo de Oportunidad: Tasa activa

9.19% Riesgo país

Tasa pasiva

5.24% Tasa impositiva

Tasa de descuento TD

9.77%

4.12% 36.25%

Fuente: Publicaciones Banco Central

17

Tabla 22 VAN. Años 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

FNC -30200,00 6.857,57 7.078,73 7.289,20 7.370,36 7.552,79 5.977,29 6.120,80 6.239,84 6.330,51 6.388,40

FNCA

VAN =

VANm

VAN M -30200,00 $ 6.247,18 $ 6.448,66 $ 6.640,40 $ 6.714,33 $ 6.880,53 $ 5.445,26 $ 5.575,99 $ 5.684,44 $ 5.767,04 $ 5.819,78

$ 12.910,49 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Cálculos Excel

TIR TIR =

18.65% Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Cálculos Excel

De acuerdo a los indicadores económicos obtenidos y bajo los parámetros que se calcularon se puede decir que el proyecto es factible.

18

Tabla 23 Estado de resultados Concepto Ventas brutas Costo de producción Utilidad Bruta en ventas Gastos Administrativos Gastos de ventas Depreciaciones Amortizaciones Utilidad neta en operación Costos financieros Utilidad antes de participación

Año 1

Año 2

Año 3

Año 4

Año 5

Año 6

Año 7

Año 8

Año 9

Año 10

82.533,89 84.267,11 86.036,72 87.843,49 89.688,20 91.571,65 62.525,68 63.677,41 64.853,33 66.053,94 67.279,77 68.531,34

93.494,66 95.458,04 97.462,66 99.509,38 69.809,19 71.113,87 72.445,96 73.806,02

20.008,22 20.589,70 21.183,39 21.789,54 22.408,43 23.040,32

23.685,47 24.344,17 25.016,71 25.703,36

0,00 0,00 542,48 4.800,00

0,00 0,00 542,48 4.800,00

0,00 0,00 542,48 4.800,00

0,00 0,00 221,13 4.800,00

0,00 0,00 221,13 4.800,00

0,00 0,00 221,13 0,00

14.665,74 15.247,22 15.840,91 16.768,42 17.387,31 22.819,19 7.054,14

6.641,65

6.178,18

5.657,42

5.072,29

4.414,84

7.611,60

8.605,57

9.662,73 11.111,00 12.315,02 18.404,35

0,00 0,00 221,13 0,00

0,00 0,00 221,13 0,00

0,00 0,00 221,13 0,00

0,00 0,00 221,13 0,00

23.464,34 24.123,05 24.795,58 25.482,24 3.676,13

2.846,12

1.913,52

865,65

19.788,21 21.276,93 22.882,06 24.616,59

15% participación de trabajadores Utilidad neta antes de impuestos

1.141,74

1.290,84

1.449,41

1.666,65

6.469,86

7.314,73

8.213,32

9.444,35 10.467,76 15.643,70

16.819,98 18.085,39 19.449,75 20.924,10

25% impuesto a la renta Utilidad eta

1.617,46 4.852,39

1.828,68 5.486,05

2.053,33 6.159,99

2.361,09 7.083,26

4.204,99 4.521,35 4.862,44 5.231,03 12.614,98 13.564,04 14.587,31 15.693,08

1.847,25

2.760,65

2.616,94 3.910,92 7.850,82 11.732,77

2.968,23

3.191,54

3.432,31

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Contabilidad de Kester

19

3.692,49

Tabla 24 Flujo Neto de Caja

Años 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Utilidad Neta 4.852,39 5.486,05 6.159,99 7.083,26 7.850,82 11.732,77 12.614,98 13.564,04 14.587,31 15.693,08

Depreciación Amortización 542,48 542,48 542,48 221,13 221,13 221,13 221,13 221,13 221,13 221,13

Capital de Trabajo

Valor residual

4800,00 4800,00 4800,00 4800,00 4800,00 0 0 0 0 0 61972,00

Amortización Inversión Préstamo deuda FNC 89794,54 59594,54 -30200,00 3337,31 6.857,57 3749,80 7.078,73 4213,27 7.289,20 4734,03 7.370,36 5319,16 7.552,79 5976,61 5.977,29 6715,31 6.120,80 7545,33 6.239,84 8477,93 6.330,51 9525,80 6.388,40

8466,00 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Contabilidad de Kester.

20

CAPÍTULO II 2. MARCO DE REFERECIA Este tipo de mobiliario médico es de suma importancia en el área de cuidados intensivos para que la recuperación del paciente sea integral, y se minimice el riesgo de sufrir padecimientos derivados de la falta de movilidad en el paciente. El cambio regular de posición del paciente ha sido recomendado como medida para reducir la atelectasia y movilizar secreciones pulmonares, así reduciendo el riesgo de infecciones en el tracto respiratorio (Griffiths, 2005). Las enfermeras de la Unidad de Terapia Intensiva están involucradas en el reposicionamiento frecuente de los pacientes para mejorar su ventilación pulmonar y controlar la presión de la zona. La inmovilidad incrementa el riesgo de complicaciones pulmonares. En caso del colapso de los alveolos en el pulmón, se produce atelectasia conduciendo a una distensibilidad pulmonar reducida. La inmovilidad agrava la acumulación de mucosidades en los pulmones, culminando en infecciones respiratorias. Las diferentes posiciones que se logran a través de la automatización de las posiciones de la cama, coadyuvan a tratar diversos padecimientos y lesiones que se presenten en el paciente, se logra facilitar el trabajo de las personas encargadas del cuidado del paciente, así como evitar lesiones que se generan por movimientos bruscos. 2.1

Características generales de las camas. Dimensiones

Las dimensiones de la cama podrán variar para adecuarse al diseño y a las necesidades del cliente, pero estas deberán estar enmarcadas dentro las normas como la NBE-CPI/ 21

96, según la cual la anchura libre en puertas de habitaciones, pasos y salidas será 1,05 m. mínimo. La anchura de cada hoja será 1,20 m. máximo, con esto las medidas serán: H: Altura fija o regulable. Regulable mín. 40, máx. 90 cm. L: Longitud fija o regulable. Regulable min. 190, máx. 220 cm. W: Ancho entre 80 y 100 cm. P: Peso entre 80 y 130 kg. Posiciones de las camas -

Elevación en altura

La altura de la cama de cuidados intensivos debe ser variable. Teniendo como altura mínima 450 mm y como altura máxima 900 mm medidos desde el suelo. Esto permite a la cama colocarla en posición de reposo nocturno para el descanso del paciente. Descendiendo horizontalmente la cama hasta su altura mínima; aumenta la seguridad, evita daños por caída y facilita el acceso a la cama para el paciente. Además permite posición de atención al paciente, la cual ayuda al profesional encargado de su cuidado revisarlo sin necesidad de adoptar posiciones inadecuadas, de acuerdo a su altura. -

Trendelenburg –Trendelenburg inverso

En estas posiciones todo el somier de la cama adopta una posición entre -16° y 16° con respecto a la horizontal, llamándose Trendelenburg a las posiciones comprendidas entre 0 y 16° y Trendelenburg inverso a las posiciones comprendidas entre 0 y -16°. -

Fowler

También llamada de espalda, en esta posición, la parte superior de la cama, donde se asienta la espalda, toma una inclinación entre 0 y 70° con respecto a la horizontal. 22

-

Elevación de muslos

En esta posición, el plano del somier sobre el cual descansan los muslos, puede tomar inclinaciones comprendidas en los 0° y 40° con respecto a la horizontal del lecho, permitiendo, además flexionar o no las rodillas. -

Silla cardiaca

Mediante la combinación de movimientos de la cama como son: fowler o espalda, Trendelenburg y elevación de muslos se puede llevar a cabo la posición de silla cardiaca, este tipo de movimiento en una cama de terapia intensiva es imprescindible. Somier El somier está compuesto por un número determinado de planos. Puede ser un somier no articulado de un solo plano, o puede estar formado por 3 o 4 planos articulados, que permiten variar la posición del paciente en el lecho. El plano de respaldo (1) que permite la posición fowler. El plano central (2) es fijo. El plano de muslos (3) que permite la elevación de muslos. El plano de los pies (4) varía según la posición del plano de los muslos, y a su vez puede regular su altura respecto a la horizontal del punto más alto del plano (3). Los planos antes descritos se pueden apreciar mejor en la siguiente figura: Figura 2-1 Distribución de los planos en el somier de la cama.

4

1 2

3

Elaborado por: Patricio Cevallos A.

23

El somier puede estar fabricado en diferentes tipos de materiales y formas: -

Estructura tubular de acero recubierto de pintura epoxi, poliéster, etc.

-

Varilla metálica electrosoldada.

-

Materiales termoplásticos.

-

Fibra inyectada radiotransparente.

-

Material compacto HLP. Estructura

Normalmente la estructura de la cama está fabricada en Acero recubierto en resina epoxi, pintura epoxi-poliéster, o polvo poliéster puro. La estructura puede ser fija, o por el contrario, puede variar en altura mediante un accionamiento de tipo electrónico, hidráulico o manual. También puede ser una estructura extensible, que permita variar su longitud. Puede tener posicionamiento Trendelenburg y Trendelenburg inverso, y movimiento de lateralización. La estructura debe estar preparada para alojar el cabecero y el piecero de la cama, así como diferentes accesorios como pueden ser un incorporador, porta-sueros, arco balcánico, barandillas laterales, etc. Accionamientos Los accionamientos son todos aquellos sistemas que permiten llevar a cabo los distintos movimientos que son necesarios en este tipo de camas estos pueden ser: -

Manual

Mediante husillos, serretas o manivelas plegables, que permiten regular los planos del somier y la posición y altura del bastidor. 24

-

Eléctrico y Electrónico

Mediante un mando electrónico el cual accionará a uno o varios actuadores eléctricos de baja tensión, que permitan los diferentes movimientos de la cama. Este tipo de accionamiento debe llevar baterías o un sistema mecánico de emergencia que permitan el movimiento normal en caso de fallo del suministro eléctrico normal. Se puede implementar además una consola auxiliar que permita también el control de los movimientos accionados a través actuadores eléctricos. -

Hidráulico o neumático

Mediante un sistema de elevadores hidráulicos accionados a través de pedales, pueden realizarse los movimientos de elevación de la estructura de la cama, así como los movimientos de tren y trendelenburg inverso; de manera similar a la hidráulica un sistema neumático puede realizar los mismos movimientos. Tren de rodadura Ruedas giratorias pivotantes con diámetro de 125 mm o de 150 mm según el tipo de cama. Pueden ser ruedas de rodadura simple o de rodadura doble (ruedas doble carenadas). El bloqueo de las ruedas es de dos tipos: -

Freno independiente: se bloquean individualmente y en diagonal dos ruedas de la cama.

-

Freno centralizado: un pedal con tres posiciones que permite el bloqueo simultáneo de las cuatro ruedas, el bloqueo de una sola rueda para desplazamientos unidireccionales, y el desbloqueo simultáneo de las cuatro ruedas.

25

ormativas internacionales de diseño y construcción Existen varias normativas para el diseño y construcción de equipos y mobiliario medico entre estas normas se citan las siguientes: -

UNE-EN 60601-1:1993: Equipos Electromédicos. Requisitos Generales Para La Seguridad. (Version Oficial EN 60601-1:1990).

-

UNE-EN 60601-1-1:1996: Equipos Electromédicos. Parte 1: Requisitos Generales De Seguridad. Seccion Uno: Norma Colateral: Requisitos De Seguridad Para Sistemas Electromédicos.

-

UNE-EN 60601-2-38:1997: Equipos Electromédicos. Parte 2: Requisitos Particulares De Seguridad Para Las Camas De Hospital Electromecánicas.

-

UNE-EN 60335: Seguridad De Los Aparatos Electrodomésticos Y Análogos.

-

UNE-EN-46001 Sistemas De La Calidad Para Productos Sanitarios.

-

Directiva Comunitaria 93/42/CEE De Productos Sanitarios.

De acuerdo a la información obtenida en el INEN, en el Ecuador no existe una normativa para el diseño y construcción de este tipo de mobiliario, por lo que en este tipo de diseños se debe considerar las Normas Internacionales vigentes que traten sobre el tema.

2.2

Características de algunas camas del mercado

En el siguiente cuadro se comparan las características que poseen algunas de las camas que se pueden encontrar en el mercado local, además de la cama utilizada actualmente en la Unidad de Cuidados Intensivos del hospital y de la solución de automatización que se propone en esta tesis. 26

Tabla 25 Tabla comparativa de camas existentes en el mercado.

Características Altura regulable* Trendelenburg / trendelenburg inverso > 12° * Elevación de rodillas * Posición fowler* Función terapéutica tramo piernas manual Posición silla cardíaca Balanza Capacidad máxima 200Kg Conexión con PC Respaldo de batería Actualizaciones por software *** ÍTEM 1 2 3 4 5 6 7

Camas para Terapia Intensiva en el Mercado 1 2 3 4 5 6 7


















































































DESCRIPCIÓN CI healthcare Astaburuaga Cama K2 Total care duo2 hillroom Komplet Electrica Stryker critical care bed** Cama Ferromédica Solución de automatización propuesta

*A través de accionamiento eléctrico por medio de un mando central. ** Cama actualmente utilizada en el servicio de Terapia Intensiva del Hospital. *** Para agregar nuevas características a la cama únicamente con el cambio en el software de acuerdo a requerimientos específicos del cliente. Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Publicaciones e Internet.

Para el desarrollo del proyecto se considera algunas características de diversas camas existentes en el mercado, sin tomar una como referencia específica; presentando así la solución propuesta en el ítem 7. 27

2.3

Sensores

Son elementos que producen una señal relacionada con la cantidad que se está midiendo y se utilizan en muchos campos, para medir diferentes magnitudes físicas entre las cuales se pueden citar: peso, luminosidad, presión, voltaje, desplazamiento, velocidad, proximidad, etc. Al seleccionar un sensor para hay que considerar varios factores: 1. El tipo de medición que se requiere, la variable que se va a medir, su valor nominal, el rango de valores, la exactitud, velocidad de medición y confiabilidad requeridas, las condiciones ambientales en las que se realizará la medición. 2. El tipo de salida que se requiere del sensor, lo cual determinara las condiciones de acondicionamiento de la señal. 3. Con base en lo anterior se pueden identificar algunos posibles sensores, teniendo en cuenta rango, exactitud, linealidad, velocidad de respuesta, confiabilidad, facilidad de mantenimiento, duración, requisitos de alimentación eléctrica, solidez, disponibilidad y costo. La elección de un sensor no se puede hacer sin considerar el tipo de salida que el sistema debe producir después de acondicionar la señal; por ello, es necesaria una integración idónea entre sensor y acondicionador de señal. (Zemic Europe, 2010) 2.3.1 -

Galgas Extensiométricas Principio Básico de funcionamiento

El cambio de la resistencia eléctrica resultado de la tensión o compresión mecánica, representa el principio básico sobre el cual operan las galgas extensiométricas. (Murray, 1992) 28

Descripción constructiva Existen dos tipos de galgas básicos: -

De hilo conductor o lámina conductora

El sensor está constituido básicamente por una base muy delgada no conductora y muy flexible, sobre la cual va adherido un hilo metálico muy fino. Las terminaciones del hilo acaban en dos terminales a los cuales se conecta el transductor. -

Semiconductoras

Las galgas semiconductoras son similares a las anteriores. En este tipo de galgas se sustituye el hilo metálico por un material semiconductor. Este tipo de galgas semiconductoras tienen un tamaño más reducido. Figura 2-2 Representación galga extensiométrica tipo cinta. cinta

Fuente: (Coughlin, 1999)

2.3.2 -

Celdas de Carga Principio de funcionamiento

Una modalidad muy común de transductor para medir fuerza se basa en el empleo de deformímetros de resistencia eléctrica para monitorear la deformación de cierto elemento cuando éste se estira, comprime o dobla por la aplicación de una fuerza. A este transductor se le conoce como celda de carga. La celda de carga es un tubo cilíndrico, o un bloque en el que se colocan deformímetros o extensómetros. Al aplicar fuerzas para comprimir o flejar a la celda de carga, los deformímetros producen un 29

cambio de resistencia, el cual es la medida de la deformación y, por lo tanto, de las fuerzas aplicadas. Por lo general, estos indicadores de presión se utilizan para fuerzas de hasta 10Mn, su error aproximado por no linealidad es de +- 0.03% del rango total, el error por histéresis de +- 0.02% del rango total. (Bolton, 2005) En la figura 2.3 se muestra una construcción típica de una celda de carga con extensómetros para medir fuerza de compresión. El miembro detector de carga es suficientemente corto para evitar que la columna se arquee bajo la carga nominal y está proporcionado para que desarrolle aproximadamente de 1500µε con carga de escala completa. Los materiales utilizados incluyen acero SAE 4340, acero inoxidable 17-4 PH y aleación de aluminio 2024-T4. Los medidores de metal tipo hoja se adhieren en los cuatro lados; los medidores 1 y 3 detectan el esfuerzo directo provocado por Fi y el 2 y el 4 esfuerzo transversal provocado por la relación de Poisson µ. Esta disposición da una sensibilidad 2(1+µ) veces que la lograda con un solo medidor activo en el puente. También proporciona compensación por temperatura primaria puesto que los cuatro medidores están a la misma temperatura. Además, el arreglo es insensible a esfuerzos de flexión provocados por la aplicación de Fi descentrada o a un cierto ángulo. Figura 2-3 Celda de carga con galgas extensiométricas

Fuente: (Doebelin, 2005)

30

La deflexión bajo carga completa de semejantes celdas de carga es del orden de 0.001 a 0.015 in, lo que indica su elevada rigidez. A menudo la frecuencia natural no se valúa puesto que es determinada casi por completo por elementos de la masa portadores de fuerza externos al transductor. Esto es especialmente cierto en las muchas aplicaciones en que la celda de carga se utiliza para pesar. Para alcanzar alta precisión (0.3 a 0.1% de la carga completa), requerida en muchas aplicaciones es necesaria una compensación por temperatura adicional. Esto se logra por medio de resistores sensibles a la temperatura Rgc y Rmc. Mostrados en la figura 2.3. Estos resistores están permanentemente adheridos en la parte interna de la celda de carga para que asuma la misma temperatura que los medidores. Es decir, aunque se desea medir fuerza, los medidores detectan deformación, por lo tanto, cualquier cambio del módulo de elasticidad producirá una deformación diferente, aun cuando la fuerza es la misma. Como todos los metales cambian de módulo con la temperatura, este efecto provoca una variación de la sensibilidad. (Doebelin, 2005) -

Fuerzas actuantes sobre celdas de carga

El entendimiento de la forma exacta en que una carga o fuerza debe ser aplicada a la celda de carga es de vital importancia para el buen diseño de una balanza o sistema de peso en plataformas tanques, tolvas, silos, etc. permitiendo además una correcta selección del modelo de celda de carga adecuado para la aplicación. o El Ideal Las especificaciones técnicas de las celdas de cargas han sido determinadas bajo condiciones de laboratorio, aplicando la carga o fuerza a la celda bajo condiciones lo más cercanas posibles a la perfección. 31

En la figura 2.4 (a) vemos una simple aplicación con una celda de carga de tipo viga de flexión. Uno de los lados está firmemente fijado a una base rígida, con el extremo opuesto libre para flexionar de acuerdo al peso o carga aplicada. Bajo condiciones ideales, la superficie será perfectamente plana, horizontal y totalmente rígida.

La carga F se introduce en forma vertical con un mínimo de fuerzas extrañas aplicadas. Las celdas de carga están preparadas para ser insensibles en lo posible a todas las fuerzas distintas a la vertical. Lamentablemente, en el mundo real, el montaje de las celdas y las condiciones de aplicaciones de fuerzas están generalmente alejados del ideal. Entendiendo los problemas de aplicación de fuerzas descritos a continuación permitirán prevenir la mayoría de los problemas en la instalación del sistema de pesaje.

Generalmente estas fuerzas o cargas distintas a las verticales se pueden producir por accesorios de montaje no alineados debidamente, una base poco rígida, expansión o contracción térmica, deflexión al aplicar la carga etc. o Fuerzas Angulares Esta es una condición en que la fuerza F es introducida al orifico de recepción de carga en un ángulo en relación con el eje central figura 2.4 (b). Esta fuerza se anula si el componente angular llega a los 90° en relación con el eje central.

Por ejemplo, si la fuerza F está inclinada en 4° en relación a al eje central, en ese caso la fuerza registrada por la celda de carga se reduce en un 0.4° pues se aplica una fuerza lateral de 0.1F. Si esta dirección de la fuerza aplicada es constante, la calibración compensará este error y la balanza será precisa. En cambio, si este ángulo varía al

32

aplicar el peso, se producirá falta de linealidad en la balanza, fricciones en el sistema mecánico y errores por histéresis.

o Cargas Excéntricas Esta es una condición en que la fuerza es aplicada a la celda en forma vertical pero la línea del eje de acción está apartada del eje del orificio de carga de la celda de carga, esto se puede apreciar en la figura 2.4 (c)

Esta condición no afectará el normal funcionamiento de la balanza o sistema de pesaje si la posición es constante, pues al calibrar se compensará el error. En cambio, si este punto de aplicación varía durante el funcionamiento del sistema, se producirán errores de linealidad e histéresis.

o Cargas Laterales Esta es una condición en que la fuerza F (la que se desea medir) está acompañada por otra fuerza R aplicada a 90° en relación a F, esto se puede ver en la figura 2.4 (d). Esta fuerza podría ser constante, pero casi siempre varia en el tiempo produciendo errores de linealidad e histéresis.

La celda de carga ideal debe ser totalmente insensible a estas fuerzas laterales, sin embargo en la práctica se producen errores de precisión por causa de estas fuerzas y generalmente no todas las celdas reaccionan en la misma forma ante problemas similares.

En el sistema de pesaje de la cama no deben existir fuerzas laterales al momento de esta permanecer permanecer inmóvil y posición para pesaje, sin embargo estas existirán al

33

momento de la cama ser transportada o cuando no se encuentre en una posición completamente inmóvil o Fuerzas Giratorias o de Torque Generalmente, las fuerzas laterales no actúan directamente sobre un eje neutro, causando una fuerza de torque, adicional a la fuerza lateral. Una celda puede ser afectada por fuerzas de torque (T) de muchas maneras. En la figura 2.4 (e) se ilustra una condición en que la línea de acción de la fuerza lateral, es apartada del eje neutro por una distancia h resultante del torque sobre Rh.

La figura 2.4 (f) ilustra una condición en que el peso cuelga del eje de la celda por medio de un perno. Cualquier fuerza lateral aplicada a este sistema tendrá un efecto de torque mucho mayor, aumentado por la distancia h1 en relación al eje de fuerzas.

Finalmente vemos una fuerza de torque de magnitud Fy como causa de la fuerza aplicada fuera del eje de carga de la celda, figura 2.4 (g).

Teniendo en cuenta que estas fuerzas son generalmente variables, no es posible predeterminar la forma en que pueden degradar la precisión del sistema de pesaje. (Servicios de Pesaje SDP, 2007) Figura 2-4 Diferentes tipos de fuerzas que actúan sobre la celda de carga.

(a)

(b)

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(c)

(d)

(e)

(f)

(g) Fuente: (Servicios de Pesaje SDP, 2007)

-

Aspectos importantes al elegir y usar celdas de carga

La instalación de celdas de carga en camas hospitalarias requiere cuidadosa atención para que el sistema sea seguro y preciso. El desempeño de una celda de carga depende primordialmente en su capacidad para flejar repetidamente bajo condiciones cuando el peso es aplicado o removido Para satisfacer los requerimientos, las celdas de carga son usadas principalmente en conjunción con sistemas de montaje especiales, preferentemente deberán ser montados

35

rígidamente entre la aplicación y la base. Los soportes de las celdas de carga deben ser diseñados para evitar los siguientes efectos en la celda de carga: -

Fuerza laterales.

-

Momentos de flexión.

-

Momentos de torsión.

-

Vibraciones para la celda de carga.

Estos efectos no solo comprometen el desempeño de la celda de carga, si no también pueden conducirla a un daño permanente. Preferentemente la celda de carga debe ser montada sobre una base rígida que no flejará mientras el sistema está cargado. La celda de carga además deberá ser soportada por una placa endurecida con un grosor de 4mm y una dureza de entre 50 a 53 Rc.. -

Determinación de la capacidad correcta de la celda de carga.

Los factores que contribuyen a la carga en una celda de carga son: a. Pre-carga. (el peso de toda la construcción colocada sobre las celdas) b. Capacidad máxima de media. c. Influencias dinámicas. (reanimación, transporte, etc.) d. Carga descentrada para la medición. e. La posibilidad de una sobrecarga de peso. Para escoger la mejor capacidad de la celda de carga, se debe calcular la carga máxima posible dividida entre el número de celdas de carga. Escoger la capacidad mayor más próxima dentro del rango de capacidades disponibles. Para la capacidad escogida revisar si el intervalo mínimo (Vmin) satisface los requerimientos de exactitud. Si no satisface

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los requerimientos una menor capacidad puede ser escogida pero la posibilidad de sobrecarga de cada celda de carga debe ser evitada. Las sobrecargas estáticas y dinámicas pueden resultar en un cambio del balance cero, así también se deben tomar en cuenta otros factores como: a. Evitar fuerzas derivadas entre la base y la cama tanto como sea posible. b. Mantener espacio libre alrededor de la cama y suficiente espacio entre la base y la cama. c. Evitar fuerzas de impacto tanto como sea posible. d. Localizar las celdas de carga lo más cerca posible al perímetro exterior, tanto que el centro de gravedad este siempre dentro de las celdas de carga. e. Localizar las celdas de carga preferentemente allí donde la fuerza de introducción sea constante. f. Localizar las celdas de carga allí donde las fuerzas laterales no ocurran durante la medición. g. Fijar la celda de carga con el torque correcto. h. Montar las celdas de carga horizontalmente y al mismo nivel. i. Cuidar que la cama este colocada en posición horizontal durante la medición. (Zemic Europe, 2010) 2.4

Actuadores

Los actuadores son dispositivos inherentemente mecánicos que proporcionan fuerza para mover otro dispositivo mecánico. Los actuadores sea hidráulicos, neumáticos o eléctricos son usados para manejar diferentes dispositivos mecatrónicos.

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2.4.1

Actuadores Lineales

Una necesidad común en el sistema mecánico es la de mover componentes en línea recta, existen gran cantidad de dispositivos y sistemas que facilitan el movimiento lineal La fuerza que provoca el actuador proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del origen de la fuerza el actuador se denomina “neumático”, “hidráulico” o “eléctrico”. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando se necesita de mayor potencia, aunque hay riesgos asociados con fugas de aceite, además de ser más costosos que los demás sistemas de actuación, mientras que los actuadores neumáticos son más utilizados para controlar elementos de actuación final, incluso cuando el sistema de control es eléctrico. Esto se debe a que con dichas señales es posible accionar válvulas de grandes dimensiones y otros dispositivos de control que requieren mucha potencia para mover cargas considerables. La principal desventaja de los sistemas neumáticos es la compresibilidad del aire. Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en dispositivos mecatrónicos, como actuadores de posicionamiento preciso, además presentan diseños más compactos que el resto de actuadores, son de fácil instalación y brindan mayor tiempo de trabajo sin mayor mantenimiento, ya que generalmente son unidades cerradas desde fabrica. Actuadores hidráulicos En los sistemas hidráulicos la presurización del aceite se logra mediante una bomba accionada por un motor eléctrico. La bomba envía aceite desde un pozo colector a través de una válvula de retención y un acumulador; esto se observa en la figura 2.5. La 38

válvula de alivio libera presión cuando ésta rebasa determinado nivel de seguridad; la válvula de retención evita que el aceite regrese a la bomba y el acumulador equilibra las fluctuaciones de corta duración en la presión de salida del aceite. (Bolton, 2005) Figura 2-5 Fuente de alimentación hidráulica

Fuente: (Bolton, 2005)

Actuadores eumáticos A los mecanismos que convierten la energía del aire comprimido en trabajo mecánico se les denomina actuadores neumáticos. Aunque en esencia son idénticos a los actuadores hidráulicos, el rango de compresión es mayor en este caso, además de que hay una pequeña eña diferencia en cuanto al uso y en lo que se refiere a la estructura, debido a que estos tienen poca viscosidad. En una fuente de energía neumática (figura 2.5), sea acciona un compresor de aire con un motor eléctrico. El aire que entra al compresor se filtra y pasa por un silenciador para reducir el nivel de ruido. La válvula de alivio de presión protege contra un aumento de la presión de sistema que exceda el nivel de seguridad. Dado que el compresor aumenta la temperatura del aire, es posible que sea necesario un sistema de enfriamiento; para eliminar la contaminación y agua del aire se utiliza un filtro y un separador de agua. En

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el receptor de aire se aumenta el volumen del aire del sistema y se equilibran las fluctuaciones de presión de breve duración. duraci (Bolton, 2005) Figura 2-6 Fuente de alimentación neumática

Fuente: (Bolton, 2005)

2.4.2

Actuadores Lineales Eléctricos

La estructura de un actuador eléctrico es simple en comparación con la de los actuadores hidráulicos y neumáticos, ya que sólo se requieren de energía eléctrica como fuente de poder. Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, ales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entra la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. Entre los mecanismos utilizados para generar movimiento lineal a través de actuación eléctrica tenemos: -

Tornillos de potencia

Los tornillos de potencia y de bolas sirven para convertir movimiento rotatorio en movimiento lineal y para ejercer la fuerza necesaria para mover un elemento de 40

maquina a lo largo de una trayectoria deseada. Los tornillos de potencia trabajan con el principio clásico del tornillo con rosca y su tuerca correspondiente. Si el tornillo se soporta con cojinetes y gira, mientras que la tuerca se mantiene sin girar, la tuerca se trasladará a lo largo del tornillo. Si la tuerca es parte integral de una maquina, la rosca impulsará a lo que este acoplada en la misma a lo largo de un eje lineal. Por el contrario, si la tuerca se soporta mientras gira, se puede hacer que el tornillo se traslade. La potencia se entrega el eje de entrada por un motor eléctrico. El gusano maquinado integral en el eje de entrada, impulsa la corona y produce una reducción en la velocidad de giro. El interior de la corona tiene roscas maquinadas que se acoplan a las roscas externas del tornillo de potencia, y lo impulsan en sentido vertical. (Mott, 2006) -

Piñón cremallera

La función de este accionamiento es producir un movimiento lineal de la cremallera, a partir del movimiento giratorio del piñón motriz. Este tipo de accionamiento no es recomendable para generar gran fuerza. (Mott, 2006) -

Solenoides lineales

Son aparatos que hacen que un núcleo cilíndrico salga o entre cuando se aplica corriente a una bobina eléctrica, lo cual produce un movimiento rápido a distancias pequeñas y que no necesitan mayor fuerza. (Mott, 2006) -

Tornillo de bolas

Un tornillo de bolas tiene funciones parecidas a un tornillo de potencia pero la configuración es distinta, la tuerca contiene muchas bolas pequeñas y esféricas que tienen contacto de herradura con las roscas del tornillo, lo cual proporciona poca 41

fricción y grandes eficiencias, en comparación con los tornillos de potencia. A medida que el tornillo y la tuerca giran entre si, las bolas de rodamiento son desviadas en un extremo y regresada por los tubos de guía para retorno de bolas, al extremo opuesto de la tuerca de bolas. Esta circulación permite que el recorrido de la tuerca no tenga restricción en relación el eje. (Mott, 2006) Principio de operación El principio básico de operación (figura 2.7) de la gran mayoría de actuadores lineales existentes en el mercado, es que un motor DC de bajo voltaje (7), por medio de un sistema de engranajes (8), gira un tornillo sin fin en una tuerca estática. Como la tuerca no puede rotar, la barra del pistón es frenado y esta se mueve hacia delante y hacia atrás cuando el tornillo gira. Figura 2-7 Esquema de construcción de Actuador Lineal marca LINAK

Fuente: (LINAK, 2010)

1. Ojo del pistón. 2. Pistón. 3. Localización de las roscas. 4. Ubicación del freno. 5. Sistema de engranes. 6. Montaje trasero. 42

7. Motor. 8. Transmisión entre el juego de engranes y el sinfín. 9. Cable para conexión. El tipo de motor, los engranajes y el paso del pistón, determinan la velocidad y el empuje del actuador. Figura 2-8 Actuador Linak construcción interna

Fuente: (LINAK, 2010)

2.5

Elementos de Maquinas

Para la llevar a cabo este proyecto es necesario conocer los diferentes elementos de maquinas que se podrán utilizar, los cuales se detallan a continuación 2.5.1

Ejes

Un eje es un componente de dispositivos mecánicos que trasmite movimientos rotatorios y potencia, es parte de cualquier sistema mecánico donde la potencia se tramite desde un primotor a otras partes del sistema. Para el caso puntual del diseño del eje que se piensa usar en esta aplicación se debe tener en cuenta algunos conceptos y teoría importante a la hora de proceder con el mismo.

43

-

Factor de Diseño

El factor de diseño N es una medida de la seguridad relativa de un componente bajo la acción de una carga. En la mayoría de los casos, la resistencia del material con que se fabricará el componente se divide entre el factor de diseño para determinar un esfuerzo de diseño, σd llamado esfuerzo admisible o esfuerzo permisible. Entonces el esfuerzo real que se desarrolla en el componente debe ser menor que el esfuerzo de diseño. Para escoger un factor de diseño adecuado se debe analizar asuntos como la naturaleza de la aplicación, el ambiente, la naturaleza de las cargas sobre el componente que se va a diseñar, el análisis de esfuerzos y el grado de confianza en los datos que se emplean en el proceso de diseño. En el libro de Robert Mott se sugiere los siguientes lineamientos para materiales dúctiles, los valores recomendados son: 1.  = 1.25 a 2 El diseño de estructuras bajo cargas estáticas, para las cuales hay un alto grado de confianza en todos los datos del diseño. 2.  = 2.0 a 2.5 Diseño de elementos de maquina bajo cargas dinámicas con una confianza promedio en todos los datos de diseño. 3.  = 2.5 a 4.0 Diseño de estructuras estáticas o elementos de maquina bajo cargas dinámicas con incertidumbre acerca de las cargas, propiedades de los materiales, análisis de esfuerzos o el ambiente. 4.  = 4 o más Diseño de estructuras estáticas o elementos de maquinas bajo cargas dinámicas, con incertidumbre en cuanto a alguna combinación de cargas, propiedades del material, análisis de esfuerzos o el ambiente. El deseo de dar una seguridad adicional a componentes críticos puede justificar también el empleo de estos valores. 44

-

Método del Esfuerzo Cortante Máximo

Se emplea para esfuerzos cortantes y esfuerzos combinados. Se determina el esfuerzo cortante máximo con el círculo de Mohr, entonces la ecuación de diseño es: (Mott, 2006)
 <
 = -

 = .  /



Ecuación (2-1) Esfuerzo Cortante

Tensión Uniaxial Combinada con Cortante Torsional

Este caso especial es importante porque se describe el estado de esfuerzos en un eje giratorio que soporta cargas de flexión y al mismo tiempo trasmite par de torsión. Un concepto útil y cómodo se conoce como par torsional equivalente y es utilizado para el caso especial de un cuerpo sometido solo a flexión y torsión. Para calcular este tipo de esfuerzo se utiliza la siguiente fórmula: (Mott, 2006)
 =

√ +  

Ecuación

(2-2) Esfuerzo cortante en

tensión uniaxial con cortante torsional

Donde el numerador de la ecuación anterior se define como par torsional equivalente  , entonces la ecuación se puede expresar como: (Mott, 2006)  =

 

Ecuación

(2-3) Esfuerzo cortante con

par torsional equivalente

Procedimiento para Diseñar Ejes A causa del desarrollo simultaneo de los esfuerzos cortantes torsionales y los esfuerzos flexionantes el análisis de esfuerzos en un eje implica casi siempre emplear un método de esfuerzos combinados el método recomendado para diseñar y analizar ejes es el de la teoría de falla por energía de distorsión. También pueden desarrollarse esfuerzos 45

cortantes verticales y esfuerzos normales directos, por cargas axiales, estos esfuerzos pueden dominar en ejes muy cortos, u en porciones del eje donde no existen flexión ni torsión. 2.5.2

Columnas

Una columna es un miembro estructural que soporta una carga axial de compresión, y que tiende a fallar por inestabilidad elástica o pandeo, más que por aplastamiento del material. La inestabilidad elástica es la condición de falla donde la forma de una columna no tiene la rigidez necesaria para mantenerla erguida bajo la carga. Entonces, si no se reduce la carga, la columna se colapsará. (Mott, 2006) -

Propiedades de la Sección Transversal de una Columna

La tendencia de una columna a pandearse depende de la forma y las dimensiones de su sección transversal así como también de su longitud y la forma de fijarla a miembros o apoyos adyacentes. Las propiedades importantes de la sección transversal son: 1. El área de la sección transversal A. 2. El momento de inercia I de la sección transversal, con respecto al eje para que el I sea mínimo. 3. El valor de radio de giro de la sección transversal, r. el cual puede ser calculado con la siguiente fórmula: (Mott, 2006)

-

= !

Ecuación (2-4) Radio de giro

Fijación de un Extremo y Longitud Efectiva

El termino fijación de un extremo se refiere a la forma en que se soportan los extremos de una columna. La variable más importante es la cantidad de restricción a la tendencia 46

de rotación que existe en los extremos de la columna. columna. Existen tres formas de restricción de extremos: -

Extremo articulado.articulado. Un extremo articulado de una columna esta guiado de tal modo que no se puede mover de un lado a otro pero no ofrece resistencia a la rotación del extremo. Una unión con pasador cilíndrico cilíndrico ofrece poca resistencia con respecto a un eje, pero restringe restring para el eje perpendicular al eje del pasador.

-

Extremo empotrado.empotrado. Es aquel que se sujeta contra la rotación en el soporte.

-

Extremo libre.libre. Es aquel en el que el extremo superior de la columna no tiene restricción y no esta guiado es el peor de los casos de columna.

Longitud efectiva de la columna.columna. Esta se define de la siguiente manera: (Mott, 2006)

Donde:

" = #"

Ecuación

(22-5) Longitud efectiva

L=longitud real de la columna entre los soportes. K= Constante que depende del extremo fijo. (Grafico valores de k) Figura 2-9 Valores de K para obtener longitud efectiva

Valores teóricos Valores prácticos

Articulada – articulada K=1.0

Empotrada – empotrada K=0.5

Empotrada- libre K=2.0

Empotrada articulada K=0.7

K=1.0

K=0.65

K=2.10

K=0.8 Fuente: (Mott, 2006)

47

-

Relación de Esbeltez

La relación de esbeltez es el cociente de la longitud efectiva de la columna entre su radio de giro mínimo. (Mott, 2006) Relación de esbeltez=$% /&' = ($/&' -

Ecuación

(2-6) Relación de esbeltez

Relación de Esbeltez de Transición

La relación de esbeltez de transición o constante de columna, Cc, se define como: (Mott, 2006) + , )* =  -

Ecuación columna

(2-7) Constante de

Donde: E= Modulo de elasticidad del material de la columna. Sy= Resistencia de fluencia del material. -

Selección del método de análisis

La elección del método de análisis de columnas rectas y con carga central apropiado, depende del valor de la relación de esbeltez real de la columna que se analiza, comparado con la relación de esbeltez de transición de la misma. Entonces tenemos que: Si #"/./0 > 23 se debe diseñar la columna como una columna larga caso contrario

Si #"/./0 < 23 se procederá a diseñar la columna con el análisis de columna corta. -

Análisis de Columnas Largas

En el análisis de una columna larga se emplea la formula de Euler: (Mott, 2006) 4* =

+ ,! (($/)

Ecuación 48

(2-8) Fórmula de Euler

Con la ecuación se calcula la carga crítica Pcr, donde la columna comenzaría a pandearse. Si reemplazamos la ecuación (2.4) entonces obtenemos la formula de Euler alternativa siguiente: (Mott, 2006) 4*

+ , = (($)

Ecuación

(2-9) Fórmula alternativa de Euler

Esta fórmula nos permite especificar el tamaño y la forma de una sección transversal de columna para soportar cierta carga, además es más fácil con esta ecuación determinar el momento de inercia. -

Factor de Diseño y Carga Admisible

Como se espera una falla con una carga límite y no con un esfuerzo, el concepto de un factor de diseño se aplica en forma distinta que en la mayor parte de los demás miembros sometidos a cargas. En vez de aplicar el factor de diseño a la resistencia de influencia o a la resistencia última del material, se aplicará a la carga crítica. Para aplicaciones típicas en el diseño de maquinas, se emplea un factor de diseño 3. Para columnas estacionarias con cargas y extremos empotrados bien conocidos se podrá emplear un factor de 2 o hasta de 1.92. Para columnas muy largas, donde existe incertidumbre acerca de las cargas y de los extremos empotrados o cuando se presenten peligros especiales se aconseja emplear factores mayores. (Mott, 2006) Las siguientes definiciones se deben comprender: Pcr= Carga critica de pandeo Pa= Carga admisible P= Carga real aplicada N= Factor de diseño Así tenemos que: 49

Pa = Pcr / N

Ecuación (2-10) Carga admisible

La carga real aplicada P debe ser menor que Pa. -

Análisis de Columnas Cortas

Cuando la relación de esbeltez real en una columna, KL / R, es menor que el valor de transición Cc, la columna es corta y se debe emplear la formula de J.B. Johnson. si se aplica la ecuación de Euler se calcularía una carga critica mayor a la que en realidad es. La formula J.B. Johnson se escribe como sigue: (Mott, 2006) 4* = ! 78 − -

 (($/) ; :+ ,

Ecuación (2-11) Fórmula de J. B. Johnson

Diseño de Columnas

En una situación de diseño, las dimensiones desconocidas de la sección transversal hacen imposible el cálculo de radio de giro, y en consecuencia la relación de esbeltez. Sin la relación de esbeltez, no se puede determinar si la columna es larga o corta. Por consiguiente, no se conoce la fórmula adecuada para aplicarla. Esta dificultad se supera si se supone que la columna sea larga o corta, y se procede con la formula correspondiente. Entonces, después de haber determinado las dimensiones de la sección transversal, se calculará el valor real de KL/r y se comparará con Cc. Así se comprobará si se ha empleado la formula correcta. En caso afirmativo, el resultado calculado es correcto. Si no, se debe aplicar la formula alterna y repetir el cálculo para determinar dimensiones nuevas. En resumen el objetivo del análisis y diseño de las columnas es garantizar que la carga aplicada a una columna sea segura y que sea bastante menor que la carga critica de pandeo. (Mott, 2006)

50

2.5.3

Cojinetes con Contactos de Rodadura (Rodamientos)

El propósito de un cojinete es soportar una carga y al mismo tiempo permitir un movimiento relativo entre dos elementos de una maquina. El termino cojinetes con contacto de rodadura se refiere a una gran variedad de cojinetes llamados rodamientos, los cuales usan bolas esféricas o algún tipo de rodillos entre los elementos estacionario y móvil. El tipo más común de cojinete soporta un eje rotatorio y resiste cargas puramente radiales, o una combinación de cargas radiales y axiales. (Mott, 2006) Los componentes de un cojinete con contacto de rodadura típico son la pista interior, la pista exterior y los elementos rodantes. Estas partes del rodamiento se pueden apreciar en la siguiente figura. Figura 2-10 Componentes principales de un contacto de rodadura (NSK Corporation, Ann Arbor,MI)

Fuente: (Mott, 2006)

En general, la pista exterior es estacionaria, y está sujeta a la caja de la maquina. La pista interior se introduce a presión en el eje giratorio y, en consecuencia, gira con él. Entonces, las bolas ruedan entre las pistas interior y exterior. La trayectoria de la carga es: del eje, a la pista interior, a las bolas, a la pista exterior, por último, a la caja. La 51

presencia de las bolas permite una rotación muy uniforme, con poca fricción par parte del eje. El coeficiente de fricción típico para un rodamiento es de 0.001 a 0.005, aproximadamente. (Mott, 2006) Cargas Actuantes en un rodamiento Las Cargas Radiales Actúan hacia el centro del cojinete a lo largo del radio, este tipo de cargas son comunes a las que causan los elementos de trasmisión de potencia. Las Cargas de empuje son aquellas que actúan paralelas a la línea central del eje como son las componentes axiales de las fuerzas sobre engranes helicoidales sinfines y coronas y engranes cónicos. El desaliniamiento se refiere a la desviación angular de la línea central del eje en el rodamiento, respecto al eje real del mismo. (Mott, 2006) 2.6

Adquisición y Acondicionamiento de Señales

La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación. La señal puede ser, por ejemplo, demasiado pequeña, y sería necesario amplificarla; podría contener interferencia que eliminar; ser no lineal y requerir su linealización; ser analógica y requerir su digitalización, ser digital y convertirla en analógica; ser un cambio en el valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente; consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada, etc. A todas estas modificaciones se les designa en general con el término acondicionamiento de señal. 2.6.1

Circuitos puente

Los circuitos puente de varios tipos son muy utilizados para la medición de resistencia, capacitancia e inductancia. Puesto que se ha visto que muchos transductores convierten

52

alguna variable física en cambio de resistencia, una capacitancia o una inductancia, los circuitos puente son de interés considerable. El puente de wheatstone El circuito de puente de wheatstone consiste de cuatro elementos resistivos con excitación de voltaje aplicado en las puntas del puente. Las galgas extensiométricas pueden ocupar uno, dos o cuatro brazos del puente, completando con resistencias fijas los brazos que sobran. Figura 2-11 Arreglos de puente de celdas de carga

Fuente: (Coughlin, 1999)

53

Dependiendo de la cantidad de sensores de deformación activos en el arreglo de la celda de carga se determina la sensibilidad frente a los pequeños cambios en la resistencia del transductor ∆R, duplicándose la sensibilidad al duplicarse la cantidad de sensores. El puente más simple mostrado en la figura 2.11 (a) consiste de un único elemento variable, cuya resistencia es R + ∆R, un sensor de temperatura y 2 ramas cuyas

resistencias son R. Obteniéndose de esta manera una salida ∆@ ∆@

∆@

Si ∆R«R, la sensibilidad es 1/4.

La configuración de dos sensores de deformación, colocados en ramas opuestas y de 2 sensores de temperatura colocados cada uno en las ramas que faltan para completar el

puente, se observan en la figura 2.11 (b). La salida será @B>∆@ ≅ < >@ . Si ∆@

∆@

∆R«2R, la sensibilidad es casi 1/2.

Cuando se colocan sensores de deformación en todas las ramas, con un par respondiendo en dirección opuesta a la del otro, figura 2.11(c). La salida de este arreglo será

Como es necesario que el voltaje de entrada sea solo restado de la referencia y no amplificado tenemos que: w>  w= w>  270 {Ω  w= Como referencia de voltaje tanto para el pic como para el circuito multiplexor se utiliza el diodo regulador de voltaje NTE952, que se describió en el capitulo anterior. anterior Además es preciso utilizar amplificadores seguidores de voltaje para acoplar impedancias quedando el circuito de la siguiente siguient manera: Figura 3-6 Circuito multiplexor de señal

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proteus ISIS 7

See utiliza capacitores en alimentación positiva y negativa del integrado para filtrar el ruido proveniente de la fuente. 80

3.2.4

Diseño y cálculo de los diferentes elementos de maquina

En lo que se refiere al diseño mecánico del proyecto se procederá con el diseño de los ejes y brazos de palanca que permitirán la elevación y posiciones trendelenburg y trendelenburg inverso de la cama. El diseño de los diferentes elementos de máquina que componen el prototipo se los realizará como carga estática ya que el movimiento de los mismos será lento, con movimientos angulares pequeños, sin llegar a completar ni una vuelta, además cabe recordar que la mayor parte del tiempo la cama permanecerá en una sola posición. Diseño de columnas El material a utilizar es un acero estructural ASTM A36. Figura 3-7 Diagrama de fuerzas actuantes sobre los brazos.

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Trabajo critico de impulso parte de abajo. 2=  2>

2>‘  100{’ = 980“ 2> sin(14°) = 2>‘ 2> = 4050.9“

2> = •= → •= = 4050.9 “ •= = •— 81

Obtenemos la carga crítica despejando de la ecuación 2.10: •˜.  •— ∗ “ Como factor de diseño se escoge 3.

•˜.  4050“ ∗ 3 = 12150 “

Se procede a diseñar los brazos como columnas largas (ecuación 2.8): (ƒ > ∗ < ∗ ™) •˜. = (# ∗ ")>

Donde:

E = 207 Gpa módulo de elasticidad para aceros al carbón y aleados. K= 2.1 ya que el brazo adopta la forma de Empotrado – libre. L = 350mm. H = 6B; la altura será igual a seis veces la base. 12150 = Despejando I tenemos que:

“ h ∗ ™i vv> (2.1 ∗ 320XvvY)>

fƒ > ∗ 207000 g

™ = 2685.62 vvA

Aplicando la ecuación obtenida del apéndice 1 para la inercia de un rectángulo tenemos: ™ =

Sí H = 6B entonces:

~Š š 12

~Š š 2685.62 vv = 12 A

~(6~)š = 2685.62 vvA 12 ~ A = 149.2 vvA 82

~  3.5 vv Š = 21 vv

Se calcula el radio de giro respecto al eje que produzca el valor menor; en este caso es en el eje Y-Y para lo cual se utiliza la siguiente fórmula del anexo 1: ./0 = ./0 =

~

√12 3.5

√12

./0 = 1.01

Se obtienen la relación de esbeltez y la relación de esbeltez de transición y se comprueba si el proceso de diseño fue correcto con las ecuaciones 2.6 y 2.7, respectivamente: .›œ—˜tóu › ›žŸ›œ ›‹ =

.›œ—˜tóu › ›žŸ›œ ›‹ =

#" ./0

2.1 ∗ 320 1.01

.›œ—˜tóu › ›žŸ›œ ›‹ = 665.34 2ƒ > < 23 =  ¡‘

23 = ¢

Como:

2ƒ > ∗ 207000 g 248.21 g

“ h vv>

23 = 128.3 #" > 23 ./0

“ h vv>

665.34 > 23 83

De acuerdo a lo anterior se concluye que el proceso de diseño escogido fue el correcto. -

Dimensionado de las columnas

Área de la columna: £3 = ~3 ∗ Š3 = 3.5vv ∗ 21vv = 73.5vv>

Con el área de la columna se busca en un catálogo de material la platina que tenga un área igual o mayor a la ya obtenida. Además cabe anotar que el brazo será atravesado

por un eje de 30 mm de diámetro por lo cual habrá que sumar al área de la columna el área transversal del eje. La platina deberá tener una altura mayor a 30mm para que pueda ser atravesada por el eje, por este motivo se escogió del catalogo una platina de 50 x 6 mm. Con los siguientes cálculos se comprobará si el tamaño escogido, satisface el diseño. Área transversal de la platina: £¤ = ~¤ ∗ Š¤ = 6vv ∗ 50vv = 300vv> Área transversal del eje: £ = ~ ∗ Š = 6vv ∗ 30vv = 180vv>

Para que se satisfaga el diseño es necesario que el área de la platina sea mayor que el área de la columna más el área trasversal del eje, esto se puede apreciar de mejor manera en el siguiente gráfico: Figura 3-8 Área de la columna

Área

Área

Área

Elaborado por: Patricio Cevallos A.

£3 + £ < £¤

73.5 vv + 180 vv < 300 vv 84

Se comprobó que la platina de 50 x 6 mm. es la indicada para el diseño. Cálculo de los ejes -

Procedimiento general de diseño

1. Especificar los objetivos y limitaciones del diseño. 2. Determinar el ambiente donde estará el elemento considerando todos los factores que influirán sobre el mismo. 3. Determinar la naturaleza y las características de las cargas que va a soportar el elemento, que puede ser: cargas estáticas, dinámicas, de choque o Impacto. 4. Determinar las características de las cargas y las condiciones de operación. 5. Analizar cómo se van a aplicar las cargas para determinar el tipo de esfuerzo producido tal como: Esfuerzo Normal Directo, Esfuerzo flexionante, Esfuerzo cortante directo, Esfuerzo cortante torsional o alguna combinación de esfuerzos. 6. Proponer la geometría básica del elemento. 7. Proponer el método de fabricación del elemento, prestando atención especial a la precisión necesaria para diversos detalles y al acabado superficial que se desea. 8. Especificar el material de fabricación del elemento con sus condiciones. 9. Determinar las propiedades necesarias del material seleccionado como: Resistencia de fluencia Sy, resistencia última detención Su, Modulo de elasticidad, entre otras. 10. Especificar un factor de diseño adecuado N. 11. Determinar que método de análisis de esfuerzo se aplicará al diseño. 12. Calcular el esfuerzo de diseño adecuado para aplicar en el análisis de esfuerzos. 13. Determinar la naturaleza de todas las concentraciones de esfuerzos que puedan existir en el diseño. 85

14. Especificar dimensiones adecuadas de todos los detalles del elemento. 15. Comprobar todas las hipótesis planteadas en el diseño para garantizar que el elemento sea seguro y razonablemente eficiente. Las fuerzas aplicadas sobre el eje se encuentran el plano YZ por lo cual se proceda a descomponer las mismas sobre cada uno de los planos. Se realiza la sumatoria de momentos en el eje Z para obtener las reacciones en los apoyos: ¥ ¦§¨ 2š© 5650) − 980(575) − 2002,84(325) − 980(75) = 0 2š© = 1981.42 “ = 2A©

Con estas reacciones se dibuja el diagrama de momento cortante: Figura 3-9 Diagrama de Momento Cortante eje Z 980 980 2002,84 P3z P4z A

B FMz

C3z

C4z

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: MDesing

Se calculan los momentos torsores y se representan el la gráfica

¦= = 2š© (75vv) = 148606,5 “. vv

¦© = 2š© (325vv) − •š© (250) = 39861,5 “. vv 86

Figura 3-10 Diagrama de Momento Flexionante eje Z 980 A

P3z

2002,84

980 P4z B

FMz C3z

C4z

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: MDesing

De la misma manera se realiza la sumatoria de momentos en el eje Y obteniendo: ¥ ¦§¨ 2š« 5650) + 3930(575) − 5655,84(325) + 3930(75) = 0 2š« = −1102,78 “ = 2A«

Figura 3-11 Diagrama de Momento cortante eje Y 5655,8

C3 y A

FMy

3930 P3z

C4 y 3930

B

P4z

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: MDesing

87

¦=  2š« 575vv) = 82708,5 “. vv

¦« = 2š« (325vv) − •š« (250) = 624271,5 “. vv Figura 3-12 Diagrama de Momento Flexionante eje Y

C3 y 3930

5655,8

FMy

3930

A

C4 y B

P4z

P3z

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: MDesing

Usando Teorema de Pitágoras se obtiene el Momento máximo: >

¦ = ¬f¦© i + ­¦« ® ¯ >

¦ = 740867,86 “. vv

La fuerza normal del motor ejercida sobre el eje será de:

°u = 6000“ ∗ cos(23,5) = 5502,36“

Con la fuerza normal, y la distancia del brazo sobre la que esta actúa se calcula el torque que el motor ejerce sobre el eje.

 = °u ∗ 150 vv = 825354,07“. vv

Utilizando las formulas 2.2 y 2.3 se calcula el par torsional equivalente.  = ±((¦ )> + ()> ) 88

  1109095,69“. vv  =  ⇒  = ³

Para el diseño de los ejes se utilizará acero AISI 4140 o su equivalente bohler v 320, cuyas características se pueden observar en el anexo 2.

Con el valor de resistencia de fluencia ¡‘ del material escogido, y tomando un factor de diseño de 2 procedemos a calcular el esfuerzo cortante de diseño. ³ =

0,5¡‘ 0,5(750) = = 187.5 “. vv> “ 2

Con el par torsional equivalente ya calculado y el esfuerzo cortante de diseño obtenemos el modulo de sección polar Zp.  =

 1109095,65 = = 5915,77vvš ³ 187,5

De acuerdo al anexo 1 el diámetro del un perfil circular se calcula de la siguiente manera: ´š =

16 ƒ

µ 16  ´= ƒ

´ = 31,115vv

Según el catálogo consultado el diámetro mayor más próximo seria de 35 mm, al cual se debería trabajarlo hasta reducir su diámetro al valor antes calculado, esto aumentaría en gran medida el valor de la cama. Por lo cual se decide a utilizar un eje de 30 mm, que aunque es un poco más pequeño que el valor obtenido en el diseño, no se realizará

89

ningún trabajo de maquinado sobre el mismo, ahorrando así costos y reduciendo el peso de la cama, sin comprometer la seguridad el diseño. Aunque los cuatros ejes están sometidos a distintas fuerzas, se utilizara este diámetro para todos, debido a que el mismo fue calculado para el eje más crítico y quedaría asegurado el diseño para todos lo demás ya que sobre los mismos se ejercen fuerzas menores. El diseño es comprobado a través de la herramienta de calcula MDesign obteniendo los siguientes valores: Ingreso de Datos: Tabla 29 Cálculo en MDesign Statically Determinate Beams Type of beam support Length to the first support point Length to the second support point Beam length Distance to considered cross-section

Two-point support l1 = 0 l2 = 650 l= 650 x= 325

Type of cross-sectional shape:

Circle

Diameter Modulus of elasticity Shear modulus

d= E= G=

Forces and distributed loads Nr. Distance mm Length mm 1 75 0 2 575 0 3 325 0 Twisting moments Nr. Distance mm 1 325 2 0 3 0

Value N -4051 -4051 -6000

Value N.m 825 -412.5 -412.5 90

° 76 76 289.5

29.9974 206842.8 79289.74

° 90 90 90

mm mm mm mm

mm N/mm² N/mm²

Resultados Force factors in the desired cross-section Reaction in the first support point Reaction in the second support point

R1y = -1102.744 R2y = -1102.744

N N

Reaction in the first support point Reaction in the second support point Force factors in the desired cross-section

R1z = 1981.446 R2z = 1981.446

N N

Shear force in YOX plane Shear force in ZOX plane

Vy Vz

Bending moment in YOX plane Bending moment in ZOX plane

Mz = 6.244e+005 N.mm My = 3.990e+005 N.mm

= -2827.924 = -1001.421

N N

Maximal force factors in YOX and ZOX plane to length of the beam Maximum shear force in YOX plane Distance to point where Vzmax occured

Vymax x

= 2827.924 N = 76.143 mm

Maximum shear force in ZOX plane Distance to point where Vymax occured

Vzmax x

= 1981.446 N = 575.714 mm

Maximum bending moment in YOX plane Distance to point where Mzmax occured

Mzmax x

= 6.244e+005 N.mm = 325.000 mm

Maximum bending moment in ZOX plane Distance to point where Mymax occured

Mymax x

= 3.990e+005 N.mm = 325.000 mm

Maximum torsional moment Distance to point where Tmax occured

Tmax = 8.250e+005 N.mm x = 0.000 mm

Stresses in the desired cross-section Stress due to bending in YOX plane Stress due to bending in ZOX plane Combined stress due to bending

yox = 235.574 zox = 150.551  = 386.126

91

N/mm² N/mm² N/mm²

Torsional shear stress Shearing stress in YOX plane Shearing stress in ZOX plane

t = yox = zox =

-0.000 -5.335 -1.889

N/mm² N/mm² N/mm²

Deformations in the desired cross-section Deflection in YOX plane Deflection in ZOX plane

fy fz

= -2.075861 mm = -1.857590 mm

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Cálculo Mdesign

Diseño CAD de partes y piezas. -

Ensamble inferior A del elevador Figura 3-13 Ensamble inferior A del elevador.

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Masa = 6,65 Kg Volumen = 847879 mm3 Área de superficie = 228467 mm2 El ensamble inferior A del elevador está constituido por el eje de acero AISI 1040 de 30mm de diámetro x 650 mm de largo, 4 platinas de acero ASTM A 36, 2 platinas con medidas de 390x50x6 mm, que se unen al ensamble superior A y 2 platinas con medidas de 190x50x6 mm, que permiten acoplar el motor lineal; además de un par de ángulos de 25x25x3 mm que sirven de soporte para los brazos de palanca.

92

-

Ensamble superior A del elevador Figura 3-14 Ensamble superior A de elevador

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009 .

Masa = 7,1 Kg Volumen = 903258 mm3 Área de superficie = 204267.2 mm2 El ensamble superior A del elevador está constituido por el eje de acero AISI 1040 de 30mm de diámetro x 870 mm de largo, 4 platinas de acero ASTM A 36 de 257x50x6mm, unidas en 2 pares, las que se conectan a través de un pasador con el ensamble inferior A del elevador. Juntas estas dos pieza forman parte del mecanismo de elevación del la cama, y son parte fundamental para lograr la posición trendelenburg. -

Ensamble inferior B del elevador Figura 3-15 Ensamble inferior B del elevador

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Masa = 5,32 Kg 93

Volumen = 678999 mm3 Área de superficie = 154959 mm2 El ensamble inferior B es construido de igual forma que el ensamble inferior A, con la diferencia que las 2 platinas que actúan como brazos de palanca son más cortas con una longitud de 180 mm. -

Ensamble superior B del elevador Figura 3-16 Ensamble superior B del elevador

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Masa = 7,52 Kg Volumen = 959181 mm3 Área de superficie = 224306 mm2 Al igual que el ensamble anterior, este está construido de la misma manera que su similar A, con la única diferencia en la longitud de los brazos de palanca que son igual a 302 mm. Junto con el ensamble inferior B, esta parte del elevador es fundamental para lograr la posición trendelenburg inversa; al trabajar juntos los 2 ensambles de elevación A y B, se logra elevar de manera horizontal todo el lecho de la cama. Tanto en el ensamble superior B como el ensamble superior A, la disposición del par de platinas permite dar mayor rigidez a cada uno de los elevadores, manteniendo a los brazos inferiores en el centro. 94

-

Base de la cama Figura 3-17 Base de la cama

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009 .

Masa = 14,45 Kg Volumen = 1840869 mm3 Área de superficie = 1134598 mm2 La base es una parte fundamental de la cama ya que sobre la misma se asientan las diferentes partes y sistemas de la cama, está construida en acero angular ASTM A36 de 50x50x6 mm ya que se busca que sea lo más rígida posible, para que no exista distorsión del peso debido a flexión que pueda existir en la base, se utiliza también tubo de construcción mecánica cédula 40 para rigidizar aun más la base, además de que servirán como soporte para la colocación de los motores que permitirán la elevación del lecho de la cama. -

Chumaceras Figura 3-18. Chumaceras

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

95

Masa = 193 gramos Volumen = 24639.6 mm3 Área de superficie = 17683 mm2 Las chumaceras son ocho en total, están ensambladas especialmente para los ejes que se utilizaran en el proyecto, cada una está construida con platina de 50x3mm, y van adheridas tanto a la base como al somier de la cama a través de pernos, en estas se aloja el eje permitiéndole que gire pero no se desplace hacia ningún lado. -

Diferentes pernos y tornillos Figura 3-19 Diferentes pernos y tornillos

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

En el prototipo son utilizados varios pernos y tornillos de diferentes dimensiones, tanto para fijar las piezas en su lugar, como también para ejes que permiten la rotación de ciertos elementos. -

Somier modificado de la cama Figura 3-20 Somier de la cama

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

96

Masa = 43,75 Kg Volumen = 5574638 mm3 Área de superficie = 2937218 mm2 La estructura básica del somier de la cama manual permanece sin mayores cambios, sin embargo a este se le han realizado un par de adecuaciones que permitirán alojar los motores para realizar los movimientos automáticos. Estas adecuaciones son 2 travesaños de ángulo de 30x30x4, con cartelas donde se acoplarán las fijaciones traseras de los actuadores lineales; estos travesaños son colocados dependiendo de la geometría existente de la cama y de las dimensiones de instalación recomendadas por el fabricante de los actuadores lineales. -

Garruchas Figura 3-21 Garrucha

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Cada una de las ruedas de la cama posee freno y bloqueo de dirección individual, permitiendo transportar con facilidad la cama. -

Celdas de carga Figura 3-22 Celda de carga

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

97

En total son cuatro y se encuentran colocadas entre la base y las ruedas, la forma de colocar las celdas permite que estas flejen y así obtener el peso del paciente. -

Cabecero y piecero Figura 3-23 Cabecero / piecero

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Masa = 10,7 Kg Volumen = 1835217 mm3 Área de superficie = 1406493.1 mm2 Al igual que el somier, el cabecero y el piecero se los obtuvo de la cama manual, como en la cama manual sobre estos se asentaba el somier, es necesario eliminar ciertos componentes que ya no serán de utilidad como las patas y los soportes de la cama, y remplazarlos por piezas que permitan un acople sencillo de estos nuevamente al somier. -

Actuador lineal Figura 3-24 actuador lineal

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

98

Son 4 actuadores en total que permiten obtener los diferentes movimientos de la cama, el motor de 131mm de carrera localizado en el somier, permite realizar el momento fowler o de espalda, el motor de 77mm de carrera de igual manera localizado en el somier, es el encargado de realizar el movimiento de elevación de muslos. Los motores colocados en la base cada uno con una carrera de 100mm, permiten elevar la cama en forma horizontal, si los dos empujan al mismo tiempo, de lo contrario, si un motor empuja, mientras que el otro recua se producirán los movimientos trendelenburg o trendelenburg inverso dependiendo de qué motor empuje y que motor recúe. -

Platina de conexión entre la celda de carga y la garrucha Figura 3-25 Platina de conexión

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Masa = 294 gramos Volumen = 37468 mm3 Área de superficie = 18019.33 mm2 Sirve para acoplar cada una de las ruedas, con la respectiva celda de carga, por cada rueda existe una de estas piezas, está construida con una platina de acero ASTM A36 100x85x6mm (largo x ancho x espesor). -

Separador entre celda de carga y base. Figura 3-26 separador

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

99

Masa = 32 gramos Volumen = 4164 mm3 Área de superficie = 2920 mm2 Esta pequeña pieza es de gran importancia al momento de pesar al paciente ya que permite que la celda, tenga suficiente espacio entre la base, para que pueda flejar, sus dimensiones son 40x30x6 mm (largo x ancho x espesor), al igual que varias partes de la cama está construida con acero ASTM A36. Son cuatro piezas en total con estas características. -

Bocines Figura 3-27 Bocines

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Están colocados en los orificios de los elevadores inferiores A y B por donde pasan los ejes, con estos bocines se logra reducir la fricción que pueda existir entre los elevadores inferiores y superiores cuando están en funcionamiento, aminorando de esta manera la fuerza que deben realizar los actuadores lineales, así como posibles atascamientos producto de la excesiva fricción, y daños en los actuadores por sobrecarga, la construcción de estos bocines es mixta de plástico y cobre. -

Batería Figura 3-28 Batería

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

100

-

Planos de la cama Figura 3-29 planos de la cama

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Masa = 12.35 kg Volumen = 19603788 mm3 Área de superficie = 3396080 mm2 Son cuatro planos de la cama de diferentes dimensiones cada uno, estos remplazan a los antiguos resortes que estaban colocados en la cama manual, permitiendo obtener una a base rígida donde se pueda recostar el paciente, su construcción es en triplex de 12 mm de espesor con recubrimiento de melamínico, esto hace posible la toma de radiografías, además permite una correcta limpieza sin peligro a que se deformen estas superficies. -

Caja de control Figura 3-30 Caja de control

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

101

-

Diseño de software

Inicio B Pantalla 1

Retardo 5s

VT=0

Leer pines A0 y A1 Guardar valor A0 o A1 en VP Transformar valores A0 o A1 a peso Enviar dato por serial

Pantalla 2 VP VT

No Tecla? Si Si

Tecla = Tara No

VT = VP

VT= 0 Si

102

No

A

A

Leer pines A0 y A1 Guardar valor A0 o A1 en VP Transformar valores A0 o A1 a peso Enviar dato por serial

VN = VP-VT

Pantalla 3 VN No

Tecla? Si Tecla = Peso

Si

No No

Tecla peso y tara Si B

Elaborado por: Patricio Cevallos A.

103

3.3

Simulación

Las simulaciones son realizadas tanto de la parte mecánica como la parte electrónica permitiendo someter a los componentes a varios ensayos. 3.3.1

Simulaciones parte mecánica

Todas las simulaciones están hechas bajo carga máxima de diseño la cual es de 400 kg incluida la estructura. La carga máxima sobre la cama será de 250 Kg, ya que el peso de la estructura es de 150 Kg. Los 250 Kg están repartidos sobre la cama de tal forma que sobre el plano 1 se asienta el 45% del peso total del cuerpo, sobre el plano 2 se encuentra el 15% del peso del cuerpo, sobre el plano 3 se encuentra el 20%, y sobre el plano 4 el 20% restante del cuerpo. 3.3.1.1 Elevación de la cama Para la elevación de la cama, esta empieza en la parte más baja, la fuerza es aplicada por los dos motores empujando al mismo tiempo. Posición Inicial Figura 3-31 Fuerzas aplicadas para la simulación. Plano

Plano

Plano

Motor inferior

Plano

Motor inferior Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

104

Posición final Figura 3-32 Posición final elevación de la cama

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

-

Fuerza aplicada por los actuadores Figura 3-33 Diagrama de fuerza aplicada por los actuadores en la elevación.

Fuerza - Mag (newton)

4638 4138 Motor inferior posterior

3638 3138

Motor inferiror anterior

2638

15,0

14,0

13,0

12,0

11,0

10,0

9,0

8,0

7,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

2138

Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Como se puede apreciar en el grafico para este movimiento, el motor inferior posterior ejerce mayor fuerza que el motor inferior anterior, debido a la geometría presente en el diseño, ya que el brazo al cual mueve el motor 1 es más largo por lo tanto existirá mayor torque, traduciendo esto en una mayor fuerza que el motor debe entregar para 105

lograr el movimiento, la grafica resultante de la simulación de fuerza para este motor es una grafica no lineal teniendo como punto máximo 4429N, a partir del cual decrece la fuerza necesaria para la elevación, esto se debe a que el somier de la cama a más de elevarse en forma vertical se desplaza en forma horizontal producto también de la geometría presente en el sistema de elevación sobre el cual se asienta el somier. En el punto donde la fuerza del motor empieza a decrecer, la cama empieza a desplazarse más en forma horizontal que vertical por lo cual es necesario menor fuerza. Mientras tanto la fuerza ejercida por el motor inferior anterior es menor debido a que la longitud del brazo con el que trabaja es mucho menor, por lo cual se genera un menor torque y por lo tanto se necesita menos fuerza para ejecutar el movimiento. Gracias a esta simulación podemos ver que la fuerza de los actuadores que forman parte del diseño será suficiente para lograr el movimiento, ya que cada uno de los mismos eroga una fuerza de hasta 6000 N. -

Desplazamientos y velocidad vertical del somier de la cama

500,00 450,00 400,00 350,00

desplazamiento vertical somier

300,00

15,00

14,00

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

250,00 0,00

Desplazamiento traslacional - Y (mm)

Figura 3-34 Diagrama de desplazamientos y velocidad vertical del somier de la cama.

Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

106

215,00 195,00 175,00 155,00 desplazamiento horizontal somier

135,00 115,00 95,00 15,00

14,00

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

75,00 0,00

Desplazamiento traslacional Z (mm)

235,00

Velocidad traslacional - Y (mm/sec)

13,00 12,50 12,00 11,50

Velocidad de elevacion del somier

11,00

15,00

14,00

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

10,50

Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

El desplazamiento total realizado por el somier de la cama se observa en los anteriores gráficos, donde el primero muestra el desplazamiento en dirección vertical, desde su parte más baja 260 mm hasta alcanzar la parte más alta 450 mm teniendo un desplazamiento total de 190 mm, mostrando como resultado una gráfica casi lineal. Debido a la geometría resultante del sistema de elevación existe también un movimiento horizontal del somier con respecto a la base de la cama, el resultado de este movimiento es visible en la figura 2, teniendo un curva la cual para un mejor manejo y ya que la distancia que se recorre en forma horizontal es pequeña con respecto al tamaño de la cama puede ser linealizada, obteniendo un desplazamiento horizontal total del somier 107

de 135 mm. La grafica 3 muestra la velocidad con la que el somier se desplaza en forma vertical, la curva resultante de la velocidad puede ser tomada como creciente en forma lineal, con una velocidad mínima 11,3 mm/seg hasta llegar a una velocidad máxima al final del movimiento de 12,6 mm/seg, obteniendo de esta manera un promedio de velocidad de elevación de 12 mm/seg. 3.3.1.2 Regreso de la cama a la parte más baja Para regresar la cama a su posición más baja, esta empieza en la parte más alta, la fuerza es aplicada por los dos motores recogiéndose los mismos al mismo tiempo. Posición Inicial Figura 3-35 Posición inicial antes de bajar la cama.

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Posición final Figura 3-36 Posición final.

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

108

-

Fuerza aplicada al recuar los actuadores Figura 3-37 Diagrama de fuerza aplicada por los actuadores al recuar.

Fuerza - mag (newton)

4500 4000 3500 3000

motor inferior posterior

2500

Motor inferior anterior

2000 1500 15,000

14,000

13,000

12,000

11,000

10,000

9,000

8,000

7,000

6,000

5,000

4,000

3,000

2,000

1,000

0,000

1000

Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Para llevar al somier desde su parte más alta hacia la parte más baja, los motores, ejercerán fuerzas similares a las ejercidas para elevar la cama, como se puede apreciar la gráfica del motor inferior posterior no es lineal, además es de forma inversa a la grafica de la fuerza que el motor ejerce para subir la cama, la fuerza ejercida por el motor inferior posterior es mayor que la fuerza ejercida por el motor inferior anterior esto se debe de igual forma a la geometría presente en cada uno de los brazos que forman el sistema de elevación sobre el cual se asienta el somier de la cama, ya que el brazo sobre el cual actúa el motor inferior posterior es más largo, y por lo tanto existirá un mayor torque, lo que se traduce en mayor fuerza ejercida; las fuerzas ejercidas tanto por el motor inferior anterior como el inferior posterior parten desde los 1500 N y van en aumento esto se debe a que al inicio de esta posición la cama se encuentra en la parte más alta, y al empezar a descender existe mayor movimiento en forma horizontal que en vertical, y cuanto más pasa el tiempo este movimiento horizontal disminuye, mientras aumenta el movimiento vertical. 109

3.3.1.3 Posición Trendelenburg partiendo de la parte más baja Para la posición trendelenburg, el somier de la cama empieza en la parte más baja, la fuerza es aplicada únicamente por el motor inferior anterior. Posición inicial Figura 3-38 Estado inicial de la cama antes de la posición trendelenburg.

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Posición final Figura 3-39 Posición trendelenburg final.

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

-

Fuerza aplicada por el actuador inferior anterior y desplazamiento del somier

Figura 3-40 Fuerza aplicada por el motor inferior anterior y desplazamiento angular del somier en la posición trendelenburg. Fuerza Mag (newton)

3700 3500 3300 3100 2900 2700 2500

Tiempo (sec)

110

Desplazamiento angular (deg)

7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

En las graficas se observa el desplazamiento del somier, así como la fuerza aplicada por el motor inferior anterior para llevar a cabo el movimiento trendelenburg, en el primer grafico se tiene la fuerza total que entrega el actuador para lograr esta posición, se puede ver que la grafica resultante de la fuerza es creciente casi en forma lineal, empezando en 2600 N hasta alcanzar una fuerza máxima de 3600 N al momento de llegar a la parte con mayor inclinación del somier, aunque la grafica no es completamente lineal esta puede linealizarse para simplificar los cálculos sin perder mayor precisión en los mismos, además se puede comprobar que los 6000N de fuerza entregados por el actuador propuesto en el diseño es más que suficiente para lograr dicha posición. En lo que se refiere al desplazamiento angular del somier se puede observar que el mismo crece de forma casi lineal desde los cero grados hasta los 6 grados, con esto podemos ver que la geometría de los diferentes elementos que permiten lograr esta posición es la adecuada ya que se cumplen con los requerimientos planteados al inicio de la tesis. Con la simulación también se logra comprobar que cada una de las carreras de los pistones de los diferentes actuadores lineales es la adecuada ya que permiten alcanzar la posición planteada en los requerimientos para cada uno de los movimientos de la cama. 111

3.3.1.4 Posición Trendelenburg inverso partiendo de la parte más baja Para la posición trendelenburg inverso, el somier de la cama empieza en la parte más baja, ahora la fuerza es aplicada únicamente por el motor inferior posterior. Posición inicial (Ver figura 3.38) Posición final Figura 3-41 Posición trendelenburg inversa final

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

-

Fuerza aplicada por el actuador inferior posterior y desplazamiento angular del somier

Figura 3-42 Diagramas de fuerza aplicada y desplazamiento angular del somier. 4600

Fuerza - Mag (newton)

4500 4400 4300 4200 4100 4000

motor inferior posterior

3900 3800 3700

Tiempo (sec)

112

Desplazamiento angular

17 16 15 14 Desplazamiento somier

13 12 11

Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

En la primera grafica se observa la fuerza entregada por el motor inferior posterior para lograr la posición de trendelenburg inverso partiendo de la parte mas baja, la curva de la fuerza es en forma de parábola, esto se debe a la geometría de los brazos soldados a los ejes que forman el sistema de elevación de todo el somier, como fuerza máxima aplicada por el motor tenemos cerca de 4600 N esto se da a los 7 segundos de haber iniciado este movimiento, esto se debe a que este tiempo la fuerza normal ejercida a los brazos del eje superior posterior es mayor en magnitud por lo tanto será necesaria una mayor fuerza para lograr el movimiento, a partir de este instante la fuerza decrece, ya que la cama se empieza a desplazarse mas en forma horizontal, que en forma vertical como sucedía en un principio, luego de este tiempo la fuerza necesaria ´para lograr el movimiento empieza a decrecer hasta alcanzar los 3800 N aproximadamente, a través de esta simulación podemos concluir que la fuerza del motor inferior posterior será la suficiente para obtener el movimiento, ya que la misma es de 6000N. En cuanto al desplazamiento angular realizado por el somier es casi lineal durante la mayor cantidad de tiempo, observándose un pequeño cambio casi al llegar al final de la posición aproximadamente a partir de los 12 segundos, esto también se produce por la geometría de los diferentes brazos que componen el sistema de elevación de la cama. 113

3.3.1.5 Posición Trendelenburg partiendo de una altura media En esta variante de la posición trendelenburg mientras que el motor inferior anterior empuja, el motor inferior posterior se recoge, logrando así cumplir el mismo objetivo, desde una posición diferente de inicio. Posición inicial Figura 3-43 Estado inicial de la cama a media altura

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Posición final (Ver figura 3.39) -

Fuerza aplicada por los actuadores inferiores

Figura 3-44 Fuerza aplicada por los actuadores en la posición trendelenburg desde altura media

Fuerza - Mag (newton)

4.300,00 4.100,00 3.900,00 3.700,00 3.500,00

Motor inferior posterior

3.300,00

Motor inferior anterior

3.100,00 2.900,00 2.700,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Tiempo (sec)

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

114

Aunque al final de este movimiento se consigue la misma posición trendelenburg anteriormente descrita, es simulado como un caso aparte ya que se inicia de una posición diferente, actuando en este los dos motores inferiores a diferencia de la posición trendelenburg antes analizada donde solo actúa directamente un solo motor, el inferior anterior, en este caso el motor inferior anterior igualmente empujará mientras que el motor inferior posterior recuará, de esta forma obteniéndose una grafica diferente de fuerzas de los motores, la cual se puede observar en la figura superior, donde al comenzar el movimiento desde una altura media, la fuerza aplicada por el motor inferior posterior necesaria para sostener y controlar el avance de la cama decrece en forma no lineal desde los 4100 hasta los 3700 N aproximadamente; esto se debe principalmente a la disposición de los brazos del sistema de elevación inferior y a la fuerzas actuantes sobre el extremo de estos al momento de llevar a cambo dicha posición. El gráfico de la fuerza del motor inferior anterior, en comparación al grafico de fuerza del motor inferior posterior, crece de manera casi lineal, esto se debe a que el actuador además de ejercer fuerza para elevar la parte superior de la cama, también mueve el somier de la cama en forma horizontal desplazando el centro de gravedad de la cama hacia la parte posterior, sin afectar mayormente la estabilidad de la estructura de la cama

3.3.1.6 Posición Trendelenburg inverso partiendo de una altura media La única diferencia con la posición anterior es que ahora el motor inferior anterior empuja, mientras que el motor inferior posterior recua, logrando obtener al final la misma posición trendelenburg. Posición inicial (Ver figura 3.43) Posición final (Ver figura 3.41) 115

-

Fuerza aplicada por los actuadores

Fuerza - Mag (newton)

Figura 3-45 Fuerza aplicada por los actuadores al realizarse la posición trendelenburg inverso desde altura media. 4200,00 4000,00 3800,00 3600,00 3400,00 3200,00 3000,00 2800,00 2600,00 2400,00 2200,00

motor inferior posterior motor inferior anterior

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

En esta posición al igual que la anterior se parte desde una altura media del somier, se toma como un caso aparte ya que los motores actuaran de forma contraria a la posición trendelenburg desde la parte media, ahora el motor inferior anterior halará, mientras que el motor inferior posterior empujará, los resultados de la fuerzas pueden ser apreciadas en la grafica comparativa donde la fuerza del motor inferior posterior decrecerá de forma no lineal desde los 4200 N hasta los 3400 N al completar la carrera total del pistón del actuador, de igual manera la fuerza ejercida por el motor inferior anterior decrecerá forma casi lineal desde los 2750 N aproximadamente hasta los 2200 N, la diferencia de fuerza en los dos actuadores se debe principalmente a la diferencia en la longitud de los brazos sobre los cuales actúan directamente cada uno de los actuadores, al igual que en la anteriores simulaciones se comprueba que los actuadores escogidos con una fuerza erogada de 6000 N son lo suficientemente fuertes como para poder soportar la carga máxima de diseño sin sufrir daño debido a sobrecargas, o peor aun no lograr mover el sistema. 116

Para las siguientes simulaciones se ha tomado únicamente el somier de la cama, ya que sobre el mismo se lograran dichas posiciones;

de igual forma las fuerzas como

referencia solo son las q actúan sobre cada plano que se mueve durante dicha posición. 3.3.1.7 Posición Fowler Para lograr esta posición el motor superior anterior ejerce fuerza empujando el mecanismo que permite el movimiento descrito. Posición inicial Figura 3-46 Posición inicial y distribución de fuerzas sobre el somier de la cama

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Posición final Figura 3-47 Posición final fowler

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

-

Fuerza aplicada por el motor superior anterior, desplazamiento y velocidad angular con carga máxima de diseño

117

Figura 3-48 Fuerza aplicada por el motor superior anterior, desplazamiento y velocidad angular del plano1 en la posición fowler 2.900,00 2.700,00 2.500,00 motor superior anterior

2.300,00 2.100,00 1.900,00 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

45,00 Desplazamiento angular (deg)

40,00 35,00 30,00 25,00 20,00

plano superior

15,00 10,00 5,00 0,00 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

4,80 Veloc. Angular - Mag (deg/sec)

Fuerza - Mag (newton)

3.100,00

4,60 4,40 4,20 4,00 3,80

plano superior

3,60 3,40 3,20 3,00 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,012,0 13,014,0 15,0 Tiempo (sec) Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

118

En esta posición interviene directamente el actuador superior anterior el cual ejercerá una fuerza sobre el brazo correspondiente permitiendo así dicho movimiento en las graficas se puede observar el comportamiento tanto de la fuerza como el desplazamiento y velocidad angular del plano 1, la gráfica de la fuerza ejercida por el motor decrece en forma no lineal desde los 3000 N hasta los 1950 N aproximadamente, esto se debe principalmente a que la fuerza ejercida por el motor está sobre un miembro el cual no posee un contacto fijo sobre plano al que moverá si no un contacto de rodadura sobre el mismo, además la fuerza necesaria para mover el plano 1 será mayor cuando este se encuentre en posición horizontal, debido a que el peso será mejor distribuido sobre el plano y a que la resultante horizontal de la longitud del brazo será mayor al inicio del movimiento, de esta manera generándose un mayor torque, para lo cual será necesaria una mayor fuerza para lograr el movimiento. El desplazamiento angular tiene una grafica casi lineal que para efectos prácticos puede ser linealizada, en esta se puede observar como el plano 1 del somier de la cama parte desde una inclinación de 0 grados hasta llegar a una inclinación de 45 grados con respecto a la horizontal, cuando se ha extendido completamente el pistón del actuador lineal correspondiente; con esto se logra comprobar que la carrera del pistón y la fuerza del actuador son suficientes para satisfacer los requerimientos iniciales de inclinación para la posición fowler. La gráfica de velocidad angular es decreciente no lineal desde los 4.7 deg/sec hasta los 3.1 deg/sec, este comportamiento en la velocidad se debe a que el plano 1 no está sujeto de forma fija al elemento que entrega la potencia, sino es un contacto por rodadura, además las articulaciones de giro tanto del plano 1 como del elemento trasmisor de potencia son en diferentes puntos, por lo cual la velocidad del plano 1 disminuye cuando está llegando a su posición final. 119

3.3.1.8 Elevación de rodillas Posición inicial Figura 3-49 Posición inicial y distribución de fuerzas sobre el somier de la cama para elevación de rodillas

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Posición final Figura 3-50 Posición final de elevación de rodillas

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

-

Fuerza aplicada por el actuador superior posterior, desplazamiento y velocidades angulares de los planos 3 y 4 bajo con carga máxima de diseño Figura 3-51 Fuerza aplicada por el motor superior posterior, velocidades y desplazamientos angulares de los planos 3 y 4 en elevación de rodillas 3000,00

Fuerza - Mag (newton)

2800,00 2600,00 2400,00 2200,00 2000,00

motor superior posterior

1800,00 1600,00 1400,00 1200,00 0,0

1,0

2,0

3,0

4,0 5,0 6,0 Tiempo (sec)

120

7,0

8,0

9,0

10,0

Velocidad angular - Mag (deg/sec)

8,00 7,50 7,00 6,50

Velocidad angular plano 3 Velocidad angular plano 42

6,00 5,50 5,00 4,50 4,00

Desplazamiento angular (deg)

200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 Plano 3

100,00 80,00

Plano 4

60,00 40,00 20,00 0,00 0,0

1,0

2,0

3,0

4,0 5,0 6,0 7,0 Tiempo (sec)

8,0

9,0

10,0 11,0

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009

Las partes del somier que actúan en el movimiento de elevación de rodillas son los planos 3 y 4 siendo el actuador que logra este movimiento el actuador superior posterior localizado bajo dichos planos, la fuerza ejercida por este decrece en forma lineal a través del tiempo, empezando en 2800 N hasta llegar a 1300N, este comportamiento de la fuerza del actuador se debe tal como en la mayoría de movimientos anteriores a la geometría de los diferentes elementos que actúan para llevar a cabo el movimiento, ya que el brazo sobre el cual actúa directamente la fuerza al momento de iniciar el movimiento se encuentra casi en posición horizontal, existiendo de esta manera una mayor componente de la longitud del brazo sobre la horizontal, generando así mayor 121

torque, y por lo tanto el actuador necesitará de una mayor fuerza para lograr mover la carga, está decrece con el tiempo a medida que la componente horizontal de la longitud del brazo disminuye, al aumentar la inclinación del plano 3. El desplazamiento de los planos 3 y 4, los cuales forman este movimiento puede ser apreciado en la tercera gráfica donde se observa que sus respectivos trazados son casi lineales, estos planos correspondientes a los muslos y pantorrillas respectivamente se encuentran unidos mediante 2 pasadores, por lo cual se mueven solidariamente en dirección opuesta, partiendo desde 180° hasta los 130° el desplazamiento del plano 3, mientras que el plano 4 parte desde los 0° hasta los 40° con respecto a la horizontal, el desplazamiento menor por parte del plano 4 se debe a que su longitud con respecto a la del plano 3 es mayor. Las velocidades angulares de los planos 3 y 4 se observan en la segunda gráfica donde se aprecia que cada una de las mismas decrece en forma no lineal; para el plano 3 la velocidad angular decrece desde los 7.6 deg/sec hasta los 6.1 deg/sec, esto sucede a los 7 segundos de empezar el movimiento, para luego aumentar la velocidad angular hasta los 6.5 deg/sec en el final del movimiento, este cambio en la velocidad angular se debe a la forma en la cual esta acoplado el plano 3 al mecanismo del brazo que transmite la fuerza necesaria para lograr esta posición; en cuanto a la velocidad angular del plano 4 decrece desde los 5,8 deg/sec hasta los 4,4 deg/sec. Esta simulación permite ver que la fuerza del actuador escogido es más que suficiente y no tendrá ningún inconveniente al trabajar el mismo entrega hasta 6000 N siendo necesarios únicamente para este movimiento una fuerza máxima de hasta 3000 N aproximadamente. 3.3.2

Simulaciones de la balanza

Las simulaciones de la balanza están realizadas en Proteus, al no encontrar una celda de carga como elemento simulable dentro del programa, esta fue remplazada por entradas 122

de señal en el rango de los mili voltios para luego ser amplificadas, emulando así la misma función de las celdas. 3.3.2.1 Simulación amplificación señal de las celdas de carga La entradas de las celdas de carga están simuladas como entradas de voltaje DC diferentes las cuales son amplificadas, se pueden observar sus valores antes de la amplificación enn el voltímetro 4 y 5 y ell valor ya amplificado en voltímetro 1. 1 El valor de voltaje ya amplificado coincide con el valor calculado con la resistencia R7 y la diferencia cia de voltaje en las entradas 4 y 5 del amplificador. Este valor se envía a la entrada del comparador de señal. señal Figura 3-52 Amplificación celdas de carga

1

4

5 Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proteus ISIS 7

Posterior a la amplificación amplif de la señal proveniente de las celdas celda de carga, la señal ingresa al comparador donde a través de un arreglo de amplificadores, es comparada con una referencia de 2.5V, y enviada a uno de los dos pines RA0 o RA1 del 123

microcontrolador, dependiendo del valor que esta señal tome, si la misma es mayor a 2.5 V es enviada a RA1, de lo contrario si la señal es menor a 2.5 V es enviada por el pin RA0, para luego ser procesada en el microcontrolador y mostrada al operador. 3.3.2.2 Inicialización icialización de la balanza Al encender la balanza, parpadeará el LED para saber que arrancó el programa para luego aparecer en la pantalla LCD el mensaje “SISTEMA DE PESAJE CAMA UCI”. UCI” Figura 3-53 Simulación pantalla 1

1

1 2

3

LED

Elaborado orado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proteus ISIS 7

3.3.2.3 Muestra del peso muerto de la cama Luego de mostrarse por 5 segundos el mensaje de la pantalla anterior aparece el peso muerto de la cama en el display es decir el peso sin el paciente en la cama. Ya que las 124

celdas están siempre midiendo el peso de toda la estructura y lo que sobre esta se asiente, el peso muerto de la cama será siempre cambiante, ya que aunque el peso de todo lo que compone la estructura sea constante, lo que se coloque sobre el somier cambiará el peso, esto es por ejemplo el menaje de la cama, equipos e instrumentos de soporte orte para el paciente que estén colocados colocado sobre el cama, de esta manera variando el peso muerto de todo el conjunto, por esta razón no se a colocado el peso muerto como un valor constante.. El voltaje de salida del amplificador se muestra en el voltímetro 1, 1 es una señal CC que se obtiene de las celdas de carga, el voltímetro 2 muestra la diferencia de voltaje entre la señal amplificada y la referencia de voltaje que en este caso es de 2,5 V CC, esta ingresará por el pin RA1; por ultimo en el voltímetro 3 se aprecia el mismo valor de la señal amplificada luego de pasar por un seguidor de voltaje y que ingresara al pin RA0. Teniendo como base la figura 3-53 53 lo que difiere de la misma se muestra en las siguientes figuras. Figura 3-54 Simulación peso muerto

1

2

3

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proteus ISIS 7

125

3.3.2.4 Encerado de la balanza Al presionar el botón encerar conectado al pin RD0 del PIC, este pin sufre un cambio de estado de 1 a cero, lo cual permite de acuerdo a la programación copiar el valor que se tenía en la variable peso a la variable tara,, evidenciándose también este cambio en el display, el valor de la variable tara no será cambiante ya que únicamente se graba el valor que haya estado en la variable peso al momento de encerar la balanza, balanza el objetivo de copiar este valor es almacenar el peso muerto de la cama y encerar la balanza para pesar únicamente al paciente. paciente Como el peso muerto no ha sufrido ningún cambio los valores mostrados en cada uno de los voltímetros tampoco cambiarán Figura 3-55 Simulación de encerado

1

2

3

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proteus ISIS 7

3.3.2.5 Obtención del peso del paciente Luego de presionar el botón pesar, la balanza de forma automática resta el peso muerto de la cama y muestra en la pantalla la balanza ya encerada. Aunque luego del amplificador continuamos teniendo un valor de voltaje correspondiente al peso de la cama. En esta parte se observa ya la balanza encerada y lista para recibir el medir el 126

peso del paciente que se coloque sobre el lecho de la cama, al continuar presionando el botón “pesar”, el resultado será el mismo siempre y cuando no se haya adicionado peso al último medido. Al igual que en la simulación anterior los valores del peso no hay cambiado por lo tanto los valores mostrados en los voltímetros serán iguales. Figura 3-56 56 Simulación de la obtención de peso sin carga adicional

1

2

3

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proteus ISIS 7

3.3.2.6 Peso del paciente Al encontrarse el paciente sobre el lecho de la cama, cama, en las celdas de carga se producirá un desbalance mayor del puente, puente lo que aumentará la diferencia de voltaje entre las entradas del amplificador, siendo esta señal amplificada; al presionar nuevamente el botón “pesar” la señal proveniente del amplificador amplificador será procesada por el microcontrolador a través del modulo A/D, para luego mostrarse el peso equivalente equivalen a dicha señal en el display. Los valores del cambio de peso se pueden apreciar ahora en los voltímetros, se observa en el voltímetro 1 como ha aumentado aumentado el valor de voltaje de la señal proveniente de las celdas de carga, carga, y por consiguiente como han cambiando también los valores en los otros voltímetros. voltímetros 127

Figura 3-57 Simulación de pesado de paciente

2

1

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: Proteus ISIS SIS 7

Se puede continuar pesando al paciente las veces que sea necesario, y se mostrara en la pantalla el nuevo peso del paciente. Este peso será enviado en forma serial hacia la PC donde también será mostrado. Al presionar los botones “pesar” y “tara” al mismo tiempo se reiniciara todo el sistema, siendo necesario repetir todo el proceso anterior para volver a obtener solo el peso del de paciente, esta función debe ser utilizada al momento de cambiar de paciente en la cama, o colocar objetos sobre el lecho de la cama que cambien al peso muerto de la misma.

128

3

CAPÍTULO IV

4. COSTRUCCIÓ DEL PROTOTIPO 4.1

Construcción de la Parte Mecánica

Materiales: •

4.80 m. de ángulo tipo ASTM A 36 de 50 x 50 x 6 mm.

•

3.04 m. eje de acero AISI 4140 de 30 mm de diámetro.

•

1.20 m. de tubo de vapor cedula 40.

•

1.80 m. de ángulo de 25 x 25 x 3 mm.

•

1.40 m. de platina de 50 x 3 mm.

•

0.50 m. de platina de 30 x 3 mm.

•

platina de 50 x 6 mm.

•

0.16 m. de platina de 40 x 6 mm.

•

0.44 m. de platina de 10 x 5 mm.

•

½ kilo de electrodos 6011.

•

½ kilo de electrodos 7018.

•

32 pernos 5/16 x una pulgada con tuercas.

•

12 pernos milimétricos de 10 x 50 mm con tuercas.

•

16 pernos avellanados milimétricos de 6 x 20 mm.

•

16 pernos milimétricos de 6 x 20 mm.

•

Arandelas.

•

Paneles de triplex con recubrimiento de melamínico. 129

•

Somier, cabecero y piecero reciclados de cama manual.

Construcción: -

Se procede a cortar el ángulo de 50 x 50 x 6 en 2 segmentos de 1.70 m. y 2 segmentos de 0.70 m. cada uno, con cortes de 45 grados en los extremos de tal manera que permitan formar el ensamblaje con esquinas a 90°.

-

Con los 4 segmentos se forma una base rectangular la cual debe ser bien nivelada para soldarse con electrodos 6011 debidos a las características del material y a las fuerzas que será sometida esta base.

-

Luego se realizan las perforaciones con broca de 6 mm. 4 por cada esquina de la base de tal forma que permitan anclarse las celdas de carga.

-

Se realiza el corte del tubo de vapor en 2 segmentos de 0.60 m. cada uno los mismos que se sueldan a la base de acuerdo al plano.

-

Entre los tubos se suelda la platina de 30 x 3 mm. de una longitud de 0.47 m. con electrodos 6011, sobre la cual se colocarán los motores en los orificios de 10 mm. practicados en los extremos de la platina.

-

De la platina de 50 x 6 se obtienen 4 segmentos de 257mm., 4 segmentos de 302 mm., 4 segmentos de 190 mm. 2 segmentos de 180 mm. y 2 segmentos de 360 mm. que se utilizaran como brazos de los ejes con los cuales se realizara la elevación de la cama.

130

-

A cada uno de estos segmentos se perforan orificios de 30 mm. de diámetro en uno de los extremos, estos orificios se los realiza con la ayuda de una fresadora debido a que no se posee la broca ni el taladro de banco apropiado.

-

En el otro extremo de las platinas de 257mm, 302mm y 190 mm. se practican un orificio de 10 mm. de diámetro por donde pasará el eje que permitirá la movilidad de la articulación, mientras que para las platinas de 180 mm. y 360 mm. se practican orificios de 11.5 mm. de diámetro en los cuales se alojarán los bocines.

-

El eje de acero de 30 mm. se corta en 2 segmentos de 870 mm y 2 segmentos 670 mm

-

En uno de los segmentos de eje de 870 mm. se colocan las 4 platinas de 257 mm. como se indica en el plano, mientras que en el otro segmento del eje de 87 mm. se colocan las 4 platinas de 302 mm. a la misma distancia que las platinas del otro eje de similar tamaño, cada uno de los juegos de platinas deben ser colocados en forma paralela entre las mismas y perpendiculares al eje, las mismas que son soldadas con electrodos 7018 debido al tipo de material con el cual están construidos los ejes y las fuerzas que se presentarán en las uniones.

-

En los ejes más cortos (670 mm.) se colocan 2 platinas de 190 mm. lo más cercano al centro del eje y de forma paralela entre ellas, estas permitirán anclar el pistón del actuador; luego se colocan las 2 platinas de 180 y 360 mm en cada uno de los extremos de los ejes, el ángulo que debe formarse entre las platinas que se encuentran en la parte central con las de los extremos deberá ser de 120 º 131

de igual manera que en los ejes largos estas piezas se sueldan con electrodos 7018.

-

Con 8 segmentos de 15 cm. cada uno, cortados de la platina de 50 x 3 mm., por doblado se fabrican las chumaceras que sostendrán a los ejes en su posición tanto en la base como en el somier de la cama, en la parte plana de cada una de ellas se perforan cuatro orificios de 3/8 de pulgada. En dos chumaceras que soportarán al eje en la parte inferior del somier de la cama, se les hará un orificio adicional que servirá para fijar y restringir el movimiento del eje.

-

Con el taladro de mesa y una broca de 3/8 se realizan perforaciones en la base y somier de la cama, cuatro perforaciones por chumacera de acuerdo a las distancias presentadas en el plano.

-

Se retiran los resortes y se enderezan los travesaños del lecho de la cama (reciclada) y se procede a soldar en el somier de la cama 2 segmentos de ángulo de 25 x 25 x3 con una longitud de 870 mm. los que servirán de soporte para los motores que ejecutarán las posiciones fowler y elevación de rodillas.

-

Se cortan las patas del piecero y cabecero de la cama original y se sueldan soportes para poder sujetarlos al somier de la cama.

-

Se retiran la escoria de la suelda, se esmerila las uniones para una mejor uniformidad y se redondea las esquinas de las diferentes piezas que componen el ensamble.

-

Se procede a pintar cada una de las partes de la estructura. 132

-

Se ensambla la estructura de acuerdo a los planos de despiece presentados en el manual técnico, previamente deben engrasarse las partes que tendrán movimiento.

-

Se colocan cada uno de los motores en las posiciones especificadas, se conectan al control y la batería localizados en la caja de la base de la cama.

-

Finalmente se cortan piezas del triplex con el recubrimiento melamínico en dimensiones de 0.89 x 0.69; 0.89 x 0.30; 0.89 x 0.29 y 0.89 x 0.48 m. las mismas son colocadas sobre cada uno de los planos que conforman el somier y son ajustadas con tornillos.

4.2

Construcción de la Balanza

Materiales: •

12 borneras de 2 entradas.

•

1 potenciómetro de precisión de 2 k y 5 k respectivamente.

•

Resistencias de 270 k, 1k, 22k, 3k, 330 y 100Ω.

•

2 diodos 4007.

•

Capacitores de 22 pF, 2200 pF, 68000 pF.

•

Capacitores electrolíticos de 1 uf, 1000 uf, 0.1 uf, 10uf.

•

1 clock de 4 Mhz.

•

1 switch.

•

3 pulsadores.

•

1 potenciómetro de 10 k.

•

1 juego de espadines macho y hembra. 133

•

1 LCD de 16 x 2.

•

25 cm. de cable de 14 hilos.

•

2 conectores ICD.

•

1 led bicolor.

•

1 conector DB9 macho.

•

1 microcontrolador PIC 16F877A.

•

1 MAX 232.

•

1 amplificador de instrumentación AD620.

•

1 amplificador TL084.

•

1 baquelita.

•

1 fuente de poder de computadora.

Construcción -

Se realiza el diseño en Proteus, se simula y se obtiene el ruteado del circuito en Ares, luego se procede a quemar sobre las baquelitas el diseño del PCB obtenido, se practican cada uno de los orificios y se suelda los elementos de acuerdo a su ubicación especifica.

-

Con el circuito terminado se conectan en las borneras las celdas de carga, tomando siempre en cuenta los cables de alimentación, de conexión a tierra, señales positivas y negativas así como el cable de blindaje.

-

Mediante el cable de 14 hilos se conecta la placa de control con la placa de display.

-

Finalmente se conecta la fuente de poder a la placa de control. 134

4.3

MAUAL DE SERVICIO

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Todas las fotos y tablas son propiedad del autor.

Este manual está dirigido hacia las personas encargadas del mantenimiento y reparación de este tipo de equipo, en el mismo constan procedimientos y recomendaciones para las soluciones de los problemas presentados en el prototipo. 4.3.1

Procedimiento para la Resolución de Problemas

Siga la secuencia línea por línea (cada paso previo se asume que el paso anterior ha sido completado). En cada paso la operación normal de la cama puede ser respondida con un sí o no, de la repuesta dependerá el siguiente paso a seguir, un procedimiento de reparación y análisis o un reemplazo de componentes, si más de un componente es el dañado reemplácelos en el correspondiente orden. Para empezar la recolección de datos sobre el problema empiece con la acciones iniciales. Utilice las funciones de chequeo para resolver o identificar un problema y estar seguro de su reparación, realice las acciones finales después del chequeo de funciones para asegurar la correcta reparación del problema. -

Acciones Iniciales

Use las acciones iniciales para recopilar datos sobre los problemas con la cama, anote los síntomas u otros datos que describe el operador estos datos ayudaran a identificar la más posible causa. 1. Está disponible alguien que pueda explicar el problema? Si

o

(Ir al chequeo de funciones)

2. Pregunte a esta persona que indique o explique el problema este problema puede ser demostrado? Si

o

(Ir al chequeo de funciones) 135

3. El problema es el resultado de una operación incorrecta del operario? Si

o

(Ir al chequeo de funciones)

4. Capacítese al operario a través del manual de usuario. Para asegurar que la cama opera correctamente realice el chequeo de funciones. -

Chequeo de Funciones

1. La cama y la balanza se encuentran conectados a la fuente de poder correcta? Si

o

(Conecte la cama a la fuente de poder correcta, si el problema es

solucionado vaya a las acciones finales caso contrario siga con el siguiente paso.) 2. Pruebe las funciones de subir y bajar la cama. Todas la funciones de subir y bajar la cama operan correctamente? Si

o

(Asegurarse que todas las funciones de la cama no están bloqueadas si el

problema es solucionado vaya a las acciones finales caso contrario siga con el siguiente paso.) 3. Presione el botón de elevación de espalda, la sección de la espalda se eleva? Si

o

( Vaya a ;o Opera la Posición Fowler de la Cama)

4. Presiones el botón de bajar la espalda, la sección de la espalda baja? Si

o

(Vaya a ;o Opera la Posición Fowler de la Cama)

5. Presione el botón de subir rodillas, la sección de rodillas se eleva? Si

o

(Vaya a ;o Opera la Función de Elevación de las Rodillas)

6. Presione el botón de bajar las rodillas, la sección de rodillas baja? Si

o

(Vaya a ;o Opera la Función de Elevación de las Rodillas)

136

7. Presione el botón de subir la cama, esta subió? Si

o

(Vaya a Subir y Bajar la Cama no Funciona)

8. Presione el botón de bajar la cama, esta bajó? Si

o

(Vaya a Subir y Bajar la Cama no Funciona)

9. Con la cama en cualquier posición presione el botón trendelenburg la cama adoptó esta posición? Si

o

(Vaya a la Posición Trendelenburg no opera)

10. Con la cama en cualquier posición presione el botón trendelenburg inverso, la cama adoptó esta posición? Si

o

(Vaya a la Posición Trendelenburg inverso no opera)

11. Si la cama está frenada y la dirección bloqueada presione cada uno de los frenos localizados en las llantas, la cama se puede mover libremente? Si

o

(Revisar cada una de las llanta y reemplace las llantas que no operen de

forma correcta.) 12. Se inicializó correctamente la balanza y se realizó la función de tara? Si

o

(Vaya a Función de la Balanza no opera correctamente)

13. La balanza se encuentra encendida y al momento de pesar al paciente este se muestra en el display. Si

o

(Vaya a Función de la Balanza no opera correctamente)

14. Se envió el dato del peso del paciente al computador. Si

o

(Vaya a Función de la Balanza no opera correctamente)

137

15. Vaya a acciones finales. inguna de las Posiciones de la Cama Funciona 1. Desconecte la cama del suministro eléctrico y deje que esta se enfríe por 20 minutos, conecte la cama nuevamente, la funciones de la cama no operan? Si

o

(Vaya a las acciones finales)

2. El cable de poder está sujeto firmemente al conector en la caja de control? Si

o

(Conecte firmemente el cable a los conectores en la caja de control, si

esto corrige el problema vaya a las acciones finales, caso contrario siga con el paso 4) 3. Todos los conectores de la caja de control están firmemente conectados? Si

o

(Conecte firmemente todos los conectores en la caja de control, si esto

soluciona el problema vaya a las acciones finales, caso contrario siga con el siguiente paso) 4. Chequee los fusibles en la caja de control localizado en la base de la cama, los fusibles están bien? Si

o

(Reemplace los fusibles adecuadamente)

5. Reemplace la caja de control si esto corrige el problema vaya a las acciones finales caso contrario contacte al proveedor de la cama. o Opera la Posición Fowler de la Cama 1. Al presionar los botones de elevación de la espalda se queda inmóvil esta sección de la cama? Si

o

(Vaya a las acciones finales) 138

2. Conecte firmemente el conector del control y del motor correspondiente a la caja de control. No opera la función de elevación de la espalda. Si

o

(Vaya a las acciones finales)

3. Se escucha un clic en la caja de control al presionar los botones de subir y bajar el espaldar? Si

o

(Cambie el mando de control)

4. Quitar el motor y verificar si no se encuentra bloqueado el mecanismo de elevación. Si

o

(Lubrique y desbloquee el mecanismo)

5. Reemplace el motor. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

6. Llame al distribuidor de la cama. o Opera la Función de Elevación de las Rodillas 1. Al presionar los botones de elevación de las rodillas se queda inmóvil esta sección de la cama? Si

o

(Vaya a las acciones finales)

2. Conecte firmemente el conector del control y del motor correspondiente a la caja de control. No opera la función de elevación de las rodillas. Si

o

(Vaya a las acciones finales)

3. Se escucha un clic en la caja de control al presionar los botones de subir y bajar? Si

o

(Cambie el mando de control)

139

4. Verifique que el plano inferior no se encuentre bloqueado a causa del atascamiento tanto del rodamiento o de la barra que permite el cambio de posición. Si

o

(Mueva suavemente el plano inferior de la cama hasta desbloquear el

rodamiento o la barra) 5. Quitar el motor y verificar si no se encuentra bloqueado el mecanismo de elevación. Si

o

(Lubrique y desbloquee el mecanismo)

6. Reemplace el motor. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

7. Llame al distribuidor de la cama. Subir y Bajar la Cama no Funciona 1. Al presionar los botones de subir o bajar la cama esta se queda inmóvil? Si

o

(Vaya a las acciones finales)

2. Conecte firmemente los conectores del control y los motores. No operan las funciones? Si

o

(Vaya a las acciones finales)

3. Se escucha un clic en la caja de control al presionar los botones de subir y bajar el espaldar? Si

o

(Cambie el mando de control)

140

4. Quite los motores y verifique si no se encuentra bloqueado el mecanismo de elevación. Si

o

(lubrique y desbloquee el mecanismo)

5. Revise que las articulaciones de los brazos de elevación se encuentren libres al movimiento y estén debidamente engrasadas. Si

o

(Centre cada uno de los brazos y afloje las tuercas de los ejes hasta

obtener un movimiento deseado). 6. Reemplace el o los motores que no presenten movimiento. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

7. Llame al distribuidor de la cama. Posición Trendelenburg no opera 1. Al presionar el botón de trendelenburg el somier de la cama no toma el ángulo correcto respecto al horizontal? Si

o

(Vaya a las acciones finales)

2. El conector del control y del motor localizado en la base hacia la cabecera de la cama, están firmemente conectados? Si

o

(Conéctelos a la caja de control, si el problema persiste continúe con el

siguiente paso) 3. Opera normalmente la funciones de subir y bajar la cama? Si

o

(Revise el correcto funcionamiento del motor indicado)

4. Se escucha un clic en la caja de control al presionar el botón? Si

o

(Cambie el mando de control) 141

5. Quite el motor y verifique si no se encuentra bloqueado el mecanismo de elevación. Si

o

(Lubrique y desbloquee el mecanismo)

6. Revise que las articulaciones de los brazos de elevación se encuentren libres al movimiento y estén debidamente engrasadas. Si

o

(Centre cada uno de los brazos y afloje las tuercas de las chumaceras

hasta obtener un movimiento deseado). 7. Reemplace la caja de control. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

8. Reemplace el motor. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

9. Llame al distribuidor de la cama. Posición Trendelenburg inverso no opera 1. Al presionar el botón de trendelenburg inverso el somier de la cama no toma el ángulo correcto respecto al horizontal? Si

o

(Vaya a las acciones finales)

2. El conector del control y del motor localizado en la base hacia la cabecera de la cama, están firmemente conectados? Si

o

(Conéctelos a la caja de control, si el problema persiste continúe con el

siguiente paso) 3. Opera normalmente la funciones de subir y bajar la cama? Si

o

(Revise el correcto funcionamiento del motor indicado) 142

4. Se escucha un clic en la caja de control al presionar el botón? Si

o

(Cambie el mando de control)

5. Quite el motor y verifique si no se encuentra bloqueado el mecanismo de elevación. Si

o

(Lubrique y desbloquee el mecanismo)

6. Revise que las articulaciones de los brazos de elevación se encuentren libres al movimiento y estén debidamente engrasadas. Si

o

(Centre cada uno de los brazos y afloje las tuercas de los ejes hasta

obtener un movimiento deseado). 7. Reemplace la caja de control. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

8. Reemplace el motor. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

9. Llame al distribuidor de la cama. Función de la Balanza no opera correctamente 1. La cama se encuentra en la posición más baja y nivelada con respecto al piso? Si

o

(Nivele y coloque la cama en la posición más baja)

2. La fuente de poder de la balanza se encuentra correctamente conectada? Si

o

(Conéctela firmemente a la fuente de alimentación)

3. Al encender la balanza se muestra en el display el mensaje “Sistema de Balanza cama UCI” y pasa inmediatamente a la siguiente pantalla? Si

o

(Continúe con el paso 10) 143

4. El peso que aparece en la pantalla es congruente con los objetos colocados sobre la cama? Si

o

(Vaya al paso 7)

5. Al presionar el botón tara paso el mismo valor numérico del peso? Si

o

(Cambie la tarjeta de control)

6. Al presionar el botón pesar y sin colocar ningún otro objeto sobre la cama aparece un valor diferente de 0? Si

o

(Vaya a acciones finales)

7. Al colocar un peso patrón sobre la cama el peso mostrado en el dispaly no coincide con el peso patrón? Si

o

(Vaya a acciones finales)

8. Ajuste el potenciómetro localizado en la placa para la calibración de la balanza. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

9. Se encuentra conectado correctamente el control de la balanza a la fuente de poder? Si

o

(Conecte adecuadamente la fuente de poder al circuito de control

tomando en cuenta los voltajes y polaridades) 10. Se enciende el módulo del display y se encuentra conectado al control de la balanza? Si

o

(Conecte correctamente el cable)

11. El cable de conexión no presenta daños en su estructura? 144

Si

(Cambie el cable)

o

12. Desconecte todas las celdas de carga de la placa de control de la balanza y revise las impedancias de los cables de señal y de alimentación, ¿coinciden por las dadas del fabricante? Si

o

(Continúe con el paso 14)

13. Cambie la tarjeta de control. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

14. Cambie las celdas dañadas. Persiste el problema? Si

o

(Vaya a acciones finales)

15. Póngase en contacto con el proveedor. -

Acciones finales

1. Realice un mantenimiento preventivo a la cama, engrasando las partes que tienen movimiento y revisando que las diferentes partes que componen el equipo se encuentren en buen estado.

2.

Documéntese el problema y las acciones tomadas, para llevar un registro y control.

Para una mejor comprensión de este manual guíese por el diagrama de flujo para la resolución de problemas mostrado en la siguiente figura.

145

Figura 4-1 Diagrama de flujo para la resolución de problemas

146

Elaborado por: Patricio Cevallos A.

147

4.3.2

Ensamblaje de la Cama

1. En él extremo de las celdas de carga identificado por una flecha se acoplan las platinas de conexión con los pernos avellanados de cabeza Allen de 6 mm. los mismos que se ajustan con un torque máximo de 10 N. 2. A cada platina de conexión se sujeta una garrucha con el respectivo cubre celda a través de pernos 5/16 por 1/2 pulgada. El procedimiento aquí descrito se puede apreciar en la figura 4.1. 3. Sobre un par de bancos se coloca la base de la cama; en cada esquina de la base se colocan los separadores de la celda de carga y la base, procurando que los orificios de la base, el separador y la celda queden alineados para luego ajustarse a través de los pernos cabeza Allen de 6 mm. Esto se puede ilustrar con el despiece de la base en la figura 4.2. 4. En cada uno de los brazos del elevador inferior A se coloca el bocín de plástico en el orificio de 11.5 mm. 5. Se procede a unir el elevador inferior A con el elevador superior A mediante pernos colocados en los orificios de los brazos que permiten formar la articulación. 6. De igual manera a los pasos 4 y 5 se procede con la colocación de bocines en el elevador inferior B y la unión con el elevador suprior B. 7. El elevador superior A se une al somier de la cama por medio de las chumaceras las mismas que son ajustadas con pernos de 5/16. Se debe lubricar las chumaceras y las puntas del eje para que permitan un movimiento suave del eje de mayor longitud.

148

8. Se coloca el elevador B, a diferencia del elevador A se deben ajustar las chumaceras al somier de la cama para restringir parcialmente el movimiento del eje de mayor longitud, además se cruzará un perno en los extremos del eje superior de 3/8 atravesando también el somier y la chumacera. Se debe procurar que el ángulo formado entre los brazos del elevador superior B y el somier de la cama sea de 25 a 30°. 9. Con la ayuda de otra persona se procede a bajar de los bancos la base de la cama, para colocar el somier sobre los mismos. 10. Los ejes inferiores se debe procurar que queden centrados en los huecos de la base de la cama, para luego colocar sobre los ejes las chumaceras y ajustar a la base con los pernos 5/16. 11. Cada uno de las fijaciones traseras de los actuadores de 100 mm. de carrera se colocan en los extremos de la platina ubicada en el centro de la base de la cama por medio de un perno de 10 mm. de diámetro. Los vástagos de los actuadores se fijan entre las platinas ubicadas en el centro de los ejes, de igual manera mediante pernos de 10 mm. 12. El actuador de 132 mm. de carrera es utilizado para realizar la posición fowler y es colocado en el somier de la cama. 13. El actuador de 77 mm. de carrera para que realice el movimiento de elevación de rodillas se coloca en el somier de la cama, todo lo antes descrito se lo puede observar de forma grafica en la figura 4.3. 14. Se atornillan cada una de las piezas de melamínico, de acuerdo a las medidas sobre cada uno de los planos que conforman la cama.

149

15. Se coloca el cabero y piecero de la cama sobre los extremos de la misma, y se ajustan firmemente al somier través de los pernos de 9/16 de pulgada localizados en cada esquina del mismo. La colocación tanto de los tableros de melamínico como el cabero y piecero se lo puede observar en la figura 4.4. 4.3.3

Despiece

En esta sección se muestra la posición en la cual están colocadas cada una de las piezas con las que se forma el prototipo. Despiece rueda/celda Figura 4-2 Despiece rueda/celda

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009.

150

Despiece de la base Figura 4-3 Despiece de la base

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuunte: SolidWorks 2009.

151

Despiece y armado general Figura 4-4 Despiece y armado general

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009.

152

Despiece Somier Figura 4-5 Despiece somier

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Fuente: SolidWorks 2009.

153

4.4

Elaborado por: Patricio Cevallos A. Todas las fotos y tablas son propiedad del autor.

MAUAL DE USUARIO

En este manual se detallan la forma correcta de manejo del prototipo. Esta dirigido al personal médico y de enfermería que estará al cuidado del paciente. 4.4.1

Definición ón de los símbolos del manual

El manual contiene una serie de iconos y signos que facilitarán facilitará su comprensión, y manejo del producto. Símbolos para Advertencia y Precaución

Las advertencias son las situaciones o acciones que pueden afectar a la seguridad del paciente o del usuario. El hecho de ignorarlas puede provocar daños al paciente o al usuario. Las precauciones hacen referencia a cuidados o procedimientos a seguir por parte del personal de asistencia para evitar daños en el equipo, Símbolo de advertencia de peligro de aplastamiento

Símbolo de advertencia de peligro químico

Símbolo de descarga eléctrica

154

Uso previsto La cama se ha diseñado para utilizarse en entornos de asistencia sanitaria, especialmente para el área de cuidados intensivos. 4.4.2

Introducción

Este manual proporciona instrucciones para el uso normal de la cama. Antes de empezar a manipular la misma léase y analice detenidamente el contenido de este manual. Se debe seguir cuidadosamente todos los aspectos relativos a la seguridad consignados en el presente manual. Componentes Componente A B C D E F G H I

Descripción Control de posición de la cama Freno y dirección de cuatro ruedas Baranda de cabecera Baranda de pie de cama Ruedas móviles de 120 mm. Receptáculo de soporte para equipos Amortiguadores de golpes en las esquinas Display y control de la Balanza Compartimiento de Control

I

C H A

D

G E

B 155

La cama ofrece además las siguientes funciones: •

Batería de reserva (Back up). up)

•

4 motores de CC. CC

•

Articulación completa de la cama: subir/bajar cama, cabeza y rodillas y posiciones trendelenburg y antitrendelenburg.

•

Control de posición de la cama. cama

•

Bascula incorporada. incorporada

•

Indicador de peso del paciente. paciente

•

Conexión serial hacia una computadora para el registro registro y control de peso.

4.4.3

Características del paciente Advertencia:

•

No utilice el producto si la altura, anchura y peso del paciente se encuentran encuentra fuera de los intervalos recomendados. Pueden producirse lesiones al paciente o daños en el equipo.

Altura: 140 cm a 185 cm Anchura: 88 cm. Peso máximo del paciente: 200 kg. Carga de trabajo segura: 350 35 kg. máximo, incluyendo el peso del paciente, colchón, soportes, bolsas, bombas de IV, etc.

156

4.4.4

Instrucciones de uso

Utilización del control de posición de paciente para para uso del personal sanitario. Advertencia: •

Tenga cuidado de bajar el armazón de la cama. Para evitar lesiones, asegúrese de que ninguna extremidad descansa bajo el armazón de la cama mientras este baja,

•

Antes de bajar la cama, compruebe que no haya objetos objetos debajo de esta que puedan obstruir el movimiento, estos podrían causar lesiones graves o daños al equipo.

El control de posición del paciente, está conectado al modulo central por un cable extensible y debe ser colocado fuera del alcance del paciente. Figura 4-6 Control de posición de la cama

Subir y bajar la sección de cabecera Suba la sección de cabecera hasta la posición deseada manteniendo pulsado el control de flecha Subir cabeza. La sección de cabecera puede elevarse hasta alcanzar una inclinación de 60º. Baje la sección de cabecera hasta la posición deseada manteniendo pulsado el control de flecha Bajar cabeza. 157

Figura 4-7 Botones posición fowler Botón Subir Cabeza

Botón Bajar Cabeza

Subir y bajar la sección de rodillas Suba la sección de rodillas hasta la posición deseada manteniendo pulsado el control de flecha Subir rodillas. La sección de rodillas puede elevarse hasta alcanzar una inclinación de 30º. Baje la sección de rodillas hasta la posición deseada manteniendo pulsado el control de flecha Bajar rodillas. Figura 4-8 Botones elevación de rodillas Botón Subir Rodillas

Botón Subir Bajar

Subir y bajar la cama La altura de la cama puede regularse de la posición baja, prevista para la salida del paciente, a la posición alta, destinada a la realización de exámenes. Utilice el control Subir/Bajar cama para subir o bajar la cama hasta situarla a la altura deseada. Mantenga pulsado el control de flecha Subir cama para subir la cama hasta la posición deseada. Figura 4-9 Botones elevación de la cama Botón Subir Cama

Botón Bajar Cama

158

Advertencia •

Tenga cuidado al bajar el armazón de la cama, Para evitar lesiones, asegúrese de que ninguna extremidad descanse bajo el armazón de la cama mientras éste baja.

Mantenga pulsado el control de flecha Bajar cama para bajar la cama hasta la posición deseada. Colocar la cama en las posiciones Trendelenburg y Trendelenburg inversa Advertencia: •

Antes de colocar la cama en la posición Trendelenburg o Trendelenburg inversa, asegúrese de que el extremo de la cama, una una vez elevada completamente, se encuentre al menos 15 cm. Separado de la pared. Si no lo hace, podrían producirse lesiones personales o daños en el equipo.

•

Antes de colocar la cama en la posición Trendelenburg o Trendelenburg inversa, asegúrese de que el área situada debajo de la cama está libre de obstáculos. Si no lo hace, podrían producirse lesiones personales o daños en el equipo.

Las posiciones Trendelenburg o Trendelenburg inversa, de la cama pueden regularse desde cualquier altura a la que se encuentre encuentre la misma, utilizando los botones marcados para esto. Mantenga pulsado el botón Trendelenburg para lograr dicha posición hasta llegar a la inclinación deseada. Mantenga pulsado el botón Trendelenburg inverso para lograr dicha posición hasta llegar a la inclinación deseada. 159

Figura 4-10 Botones trendelenburg/trendelenburg inverso

Botón Trendelenburg

Botón Trendelenburg Inverso

Balanza Advertencia: •

Al transportar al paciente se debe evitar golpes fuertes en las ruedas de la cama ya que podría afectar en la sensibilidad de la medición, incluso inhabilitar por completo a la balanza.

Procedimiento: 1. Antes de pesar al paciente asegúrese de que la cama se encuentre en la posición más baja, nivelada y las 4 ruedas deben estar frenadas. 2. Preparar la cama con todos los objetos que estarán sobre la misma mientras dure la estancia del paciente. 3. Encienda la balanza, espere un momento hasta que aparezca el peso de los objetos que están sobre la cama. 4. Presionar el botón de encerar la balanza, y esperar hasta que el peso pase a la tara de la balanza. 5. Presione el botón pesar, la siguiente pantalla aparecerá el valor de 0 quedando lista la cama para recibir al paciente. 6. Cada vez que sea necesario registrar el peso del paciente presionar el botón pesar y automáticamente saldrá en la pantalla el peso del paciente sea en el

160

mando de control o en el computador, el dato de peso será registrado en el computador junto con la fecha y hora de la toma. 7. En el programa suministrado suministrado con la balanza se debe colocar el nombre del paciente, fecha de ingreso. Cada vez que se ingrese un nuevo paciente se debe apagar la balanza y seguir la rutina antes descrita. Receptáculos de soporte para equipos Puede instalar un soporte en el receptáculo lo de soporte para equipos situado en la cabecera de la cama. Paneles de los extremos de la cama La cama dispone de pernos para instalar los paneles de los extremos de la cama. Instale un panel en un extremo de la cama insertándolo en los dos pernos horizontales horiz situados en los extremos de la cama, luego de un pequeño ajuste. Amortiguadores de golpes Los amortiguadores de golpes se encuentran en ambos extremos de la cama. Freno y dirección de las ruedas Advertencia: •

Normalmente, los pacientes se apoyan en la cama para levantarse, active siempre los frenos cuando la unidad este ocupada, salvo cuando traslade al paciente. 161

Las ruedas de freno se encuentran en las cuatro esquinas de la cama. Para activar el freno, pise el extremo inferior de la palanca de freno para bloquear la rueda. Para desactivar el freno, pise el extremo superior de la palanca de freno para empujarla hacia delante y desbloquear la rueda. Figura 4-11 Ruedas con y sin freno.

(a)Rueda sin freno

(b) Rueda con freno y bloqueo de dirección

Tiras de contención del paciente Advertencia: •

Los dispositivos de contención para el paciente no pretenden reemplazar los cuidados que debe proporcionar el personal sanitario.

Aunque estén

correctamente instalados, los dispositivos de contención pueden hacer que el paciente se enganche o se lesiones, e incluso provocar su muerte, especialmente en el caso de pacientes nerviosos o desorientados. desorientados. Observe al paciente al que haya instalado un dispositivo de contención de acuerdo con los requisitos legales y los protocolos del centro. 162

La instalación de tiras de contención para el paciente se coloca en el marco principal de la cama a ambos lados de la superficie de descanso. 4.4.5

Limpieza

Se recomienda limpiar la unidad con detergente y agua tibia.

Advertencia: •

Desenchufe la unidad de la toma eléctrica. eléctrica

•

No exponga la unidad a ambientes con una humedad excesiva, pueden dañar los mecanismos de la unidad.

•

No utilice productos de limpieza abrasivos.

•

No utilice ningún dispositivo de limpieza a vapor con la unidad. unidad

•

Para eliminar las manchas rebeldes, se recomienda utilizar productos de limpieza convencionales de uso doméstico y un cepillo de cerdas ce suaves. Para disolver la suciedad seca o difícil de limpiar, se deberá empapar la mancha.

Desinfección: Se recomienda desinfectar la unidad con un desinfectante cuando se cambie de paciente y siempre que se detecten manchas visibles. 4.4.6

Mantenimiento

Se debe realizar el mantenimiento preventivo anual para asegurar de que todas las funciones funcionan correctamente. Especial atención a las funciones de seguridad: •

Sistemas de freno de las ruedas. ruedas

•

Cables y componentes eléctricos. eléctricos 163

•

Funcionamiento del control.

•

Batería de reserva.

•

Celdas de carga. carga

•

Precisión de la balanza. balanza

Posiciones de la cama Advertencia: 

Es recomendable que la cama permanezca en la posición más baja mientras el paciente no está vigilado. De este modo, disminuye la gravedad de las lesiones que podrán producirse si el paciente se cae de la cama.



Si el estado del paciente implica riesgo de que pueda quedar atrapado, la plataforma de descanso debe permanecer en la posición horizontal horizonta y más baja mientras no está vigilado.



Cuando se disponga a cambiar la posición de la cama, asegúrese de que manos, pies y equipo se encuentren alejados de las articulaciones del armazón.

Seguridad eléctrica Peligro de aplastamiento: Los riesgos asociados dos al uso de camas eléctricas superan los riesgos más obvios de que se produzca una descarga eléctrica. Siempre que se estén realizando operaciones de reparación en la cama, desconéctela de la fuente de alimentación y desconecte la batería de reserva. Si no lo hace, podrían producirse lesiones personales o daños en el equipo.

Peligro de descarga eléctrica El equipo eléctrico puede provocar una descarga eléctrica. eléctrica 164

Un uso o una manipulación inadecuada del cable de alimentación podrían dañarlo. Si el cable de alimentación está dañado, retire inmediatamente la cama de servicio y póngase en contacto con personal de mantenimiento. Batería de reserva •

La cama dispone de una batería de reserva que permite el funcionamiento de los motores en caso de falta o fallo fallo de suministro eléctrico, de las funciones subir/bajar la cama, cabeza y rodillas posiciones Trendelenburg y Trendelenburg inversa.

Cabe indicar que si la batería está completamente descargada, puede tardar hasta 5 horas en recargarse. Para asegurar de que la batería siempre esté cargada, conecte la cama a una fuente de alimentación adecuada siempre que sea posible. Figura 4-12 Batería de Backup

Precaución: Si la cama no va a utilizarse durante un período de tiempo prolongado, comunique al personal de mantenimiento para que sea retirada la batería. De lo contrario podría ocasionar una reducción de la vida útil de la batería. batería

165

4.4.7

Resolución de Problemas

Calentamiento en exceso del Sistema de Control El Sistema de Control de la cama dispone de un Sistema de autoprotección que evita que se caliente en exceso. Para contribuir a garantizar que la cama no se calienta en exceso, tome las siguientes medidas durante las operaciones clínicas: 

No haga funcionar los motores durante más tiempo que el necesario ( 2 minutos de funcionamiento, 18 de descanso).



No ejecute más de dos funciones al mismo tiempo.

En caso de que la cama se apague después de un funcionamiento prolongado, haga lo siguiente: 

Desconecte la cama de la fuente de alimentación



Espere 20 minutos para que la cama se enfríe.



Enchufe la cama en una fuente de alimentación adecuada



Si el problema persiste póngase en contacto con mantenimiento.

4.4.8

Especificaciones Técnicas

Medidas de la cama Componente Longitud incluido piecero y cabecero Longitud de la plataforma de descanso Anchura máxima: Anchura de la plataforma de descanso Altura máxima de la cabecera Espacio mínimo bajo la cama Altura a la base Tamaño de la rueda Peso Total

Medidas 2030 mm. 1900 mm. 910 mm. 890 mm. 1220 mm. 170 mm. 205 mm. 120 mm. 110 kg. 166

Especificaciones de la cama Componente

Medidas

Inclinación de la sección de la cabecera (máxima) Inclinación de la sección de rodillas (máxima) Intervalo de altura de la plataforma de descanso Posición Trendelenburg (máxima) Posición Trendelenburg inversa (máxima) Capacidad de elevación de la sección de cabecera (máxima) Capacidad de elevación de la sección de pie de cama (máxima) Capacidad de elevación de la cama (carga de trabajo máxima segura) Altura máxima de la cama desde el piso Capacidad máxima de pesaje de la balanza incluido peso de la cama Intervalo de medición de la balanza Precisión de la balanza

50º 40º 170 mm – 370 mm. 8º 6º 110 kg 115 kg 225 kg 710 mm 400 kg. 1 kg +- 1 kg.

Requisitos de alimentación de la red Condición Tensión estimada Alimentación / entrada Frecuencia

Rango 7A 110 V AC 50Hz

Especificaciones de la batería Condición Rango Vida máxima de la batería (sin activar 3 meses ninguna función y la cama desconectada de la fuente de alimentación) Tiempo necesario para recargar una batería 6 horas para recargar, para utilizar por totalmente descargada primera se debe recargar por 24 horas úmero máximo de ciclos de subir/bajar con una batería totalmente cargada: Con 0 kg sobre la cama 25 ciclos Con 113 kg sobre la cama 22 ciclos Con 204 kg sobre la cama 16 ciclos

167

CAPITULO V

5. COCLUSIOES Y RECOMEDACIOES Conclusiones

5.1 •

La construcción de este prototipo puede constituir una alternativa viable a las camas que existen el mercado.

•

Se alcanzaron los objetivos planteados al principio de la tesis.

•

Las simulaciones realizadas al diseño por computadora permitieron comprobar que los cálculos de los diferentes elementos fueron correctos y que satisfacen el diseño.

•

En la prueba de campo se comprobó la funcionalidad y solidez del diseño del prototipo en lo referente al plano mecatrónico.

•

Con la utilización de los actuadores lineales eléctricos, para la ejecución de los diferentes movimientos de la cama se logró simplificar el diseño además de brindar solidez al mismo.

•

Es indispensable que en el diseño de esta cama se tenga uno de los ejes fijos a su somier para que el prototipo tenga estabilidad y no se presenten cambios de posición abruptos e inesperados.

•

La colocación de cuatro celdas de carga permitió, tomar el peso del paciente acostado, ya que el peso se distribuye uniformemente sobre las celdas de carga. 168

•

Con el diseño actual de la cama, se debe transportarla únicamente por lugares totalmente planos sin ninguna irregularidad en el piso, estas pueden causar daños a la precisión de las celdas de carga que se encuentran situadas sobre las ruedas.

•

El desplazamiento horizontal de somier que ocurre cuando se eleva la cama no afecta la estabilidad de la cama.

5.2

Recomendaciones •

Es necesario para tomar el peso del paciente que la base de la cama se encuentre nivelada, el somier en la posición más baja y todas las ruedas completamente asentadas sobre el piso.

•

Los brazos y ejes de la cama deben estar correctamente alineados para evitar rozamiento y se produzca una fuerza adicional innecesaria en los motores.

•

Con la finalidad de complementar el prototipo en un futuro se puede aumentar el movimiento de lateralización a la cama.

•

Las sugerencias brindadas por el personal médico y de enfermería que probó la cama pueden servir de punto de partida para continuar con la mejora del prototipo.

•

Para un mejora al prototipo en un futuro se debe cambiar el lugar de las celdas de carga o en su defecto rediseñar la balanza, para que la cama pueda ser rodada sin peligro a daños en la celdas.

169

•

Para mejorar la sensibilidad de la balanza se deben aumentar más filtros tanto pasivos como activos a la tarjeta de control, además de filtros digitales en la programación del microcontrolador, para limpiar el ruido que pueda existir en la señal de las celdas de carga y afectar a la medición.

170

BIBLIOGRAFÍA 1. Actuadores ;iasa . (2009). Recuperado el 18 de febrero de 2010, de Manual tecnico : http://www.niasa.com 2. Analog Devices. (2004). Recuperado el 3 de Marzo de 2010, de AD620 Datasheet. 3. Angulo Usategui, J. M., Romero Yesa, S., & Angulo Martínez, I. (2006). Microcontroladores PIC Diseño práctico de aplicaciones PIC16F87x. Madrid: Mc Graw Hill. 4. Bolton, W. (2005). Mecatrónica Sistemas de control electrónico en Ingeniería Mecánica y Eléctica. Mexico D.F: Alfaomega. 5. Boylestad, R. L. (2004). Introduccion al análisis de circuitos. Mexico: Pearson. 6. Coughlin, R. F. (1999). Amplificadores Operacionales y circuitos integrados lineales. Mexico: Prentice Hall. 7. Datasheet Catalog. (January de 1995). Recuperado el 3 de Marzo de 2010, de Datasheet LM336: http://www.datasheetcatalog.com 8. Doebelin, E. (2005). Sistemas de Medición e Instrumentación. Diseño y Aplicación . Mexico: Mc. Graw Hill. 9. Griffiths, H. (2005). Manual handling risk management. critical care beds and support systems . ;ursing Standard , 45-53. 10. Jensen, B. (2007). Manual de Usuario Actuadores Lineales y partes Electronicas LI;AK. Lousville : LINAK. 171

11. LI;AK. (2010). Recuperado el 17 de febrero de 2010, de The lineal actuator: http://www.linak.com/about/?id3=2316 12. LINAK. (05 de 2010). Manual de Usuario Actuadores Lineales y Electronica. Guderup, Dinamarca. 13. MAXIM. (Enero de 2006). Maxim Integrated Products. Recuperado el 15 de Marzo de 2010, de Maxim +5V-Powered, Multichannel RS-232: www.maximic.com/packages. 14. Microchip. (2003). Recuperado el 22 de noviembre de 2009, de PIC16F87XA datasheet: http://www.microchip.com 15. Mott, R. L. (2006). Diseño de elementos de máquinas. Mexico: Pearson Education. 16. Murray, W. M. (1992). The Bondend Electrical Resistance Strain Gage. New York: Oxford Univesity Press. 17. Nashelsky, B. (Mexico). Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. 2003: Pearson. 18. ;ational Instruments. (Diciembre de 2009). Recuperado el 15 de Enero de 2010, de Measuring Strain with Strain Gages: http://www.ni.com 19. Reyes, C. A. (2006). Microcontroladores PIC programacion en basic. Quito: Rispergraf. 20. Salomone, Salomone, J., Jazni, J., Cova, W., & González, G. (2007). Diseño y cálculo de un actuador electromecánico lineal para accionamiento de la tobera 172

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173

AEXOS

Anexo 1 Propiedades de las áreas.

174

Anexo 2 Propiedades del Acero AISI 4140

175

Anexo 3. Flujograma de diseño

176

Anexo 4 Fo tografías del proceso constructivo y pruebas del prototipo Cama original

Preparación del somier

Brazos de palanca

Piezas de los ejes

Alineación de los brazos

Soldando las partes del eje

177

Estructura de la base

Estructura de la base pintada

Fabricación de las chumaceras

Chumaceras

Base de la cama

Somier de la cama

178

Accesorios

Montaje de la balanza

Primer montaje

Circuito en protoboard de la balanza

Piezas mecánicas antes de pintar

Armado del somier de la cama

179

Ajuste del eje inferior del somier

Caja de control de la cama

Cabacero de la cama

Colocación del cabecero de la cama

Display de balanza

Control y display de la balanza

180

Prototipo terminado

Foto obtenida del diseño CAD.

Fotografías de la prueba de la cama en el Hospital del IESS Ibarra.

181

Anexo 5. Prototipo CAD implementado mejoras de diseño.

Barandas de seguridad laterales Piecero y cabecero fácilmente desmontables

182

Anexo 6 Planos constructivos de la cama y circuitos PCB de la balanza

183

1

2

3

A

4

5

6 A

DETALLE A ESCALA 1 : 5 15 22,500

A

19

B

545 33,401

B

0

7,20

122

300

C

50

C

170

110

500 1600

1500 410

Vista Isométrica

545

375,500

50

Vista lateral derecha NOMBRE DISEÑADO POR:

D

600 700 Vista Superior 1

2

REVISADO POR:

PROYECTO

Patricio Cevallos A. Dr. Fausto Freire REVISION

COMENTARIOS

Automatizacion de una cama de cuidados intensivos del hospital Carlos Andrade Marín

PARTE

WEIGHT:

SCALE:1:15

Base Cama SHEET 1 OF 1

A4

2

884

13

5

6

20

A

A

B

1830

B

4

DETALLE A ESCALA 1 : 6

225

A

3

60,4

1

Vista Isométrica

30 C

10

35

605 911

C

17,5

00

35

50 106

Vista lateral derecha

900

NOMBRE DISEÑADO POR:

D

Vista superior

REVISADO POR:

PROYECTO

Patricio Cevallos A. Dr. Fausto Freire REVISION

COMENTARIOS

Automatizacion de una cama de cuidados intensivos del hospital Carlos Andrade Marín

PARTE

Modificaciones al somier

1

2

WEIGHT:

SCALE:1:20

SHEET 1 OF 1

A4

1

2

3

4

5

6 A

6 9,2

214,7 199,5

38

A

B

B

870

428,6

Vista Isométrica

302 262 214,7 199,5

C

25 50

9,2

C

30

00

,1 10

Vista lateral derecha

46 Vista Superior

NOMBRE DISEÑADO POR: REVISADO POR:

D

PROYECTO

Patricio Cevallos A. Dr. Fausto Freire REVISION

COMENTARIOS

Automatizacion de una cama de cuidados intensivos del hospital Carlos Andrade Marín

PARTE

1

2

WEIGHT:

SCALE:1:8

Elevador superior A SHEET 1 OF 1

A4

1

2

3

4

5

6

A

A

26

6

6 B

B

30

Vista Isométrica

180

30

140

00

670

0° 12

316

NOMBRE DISEÑADO POR: REVISADO POR:

PROYECTO

Patricio Cevallos A. Dr. Fausto Freire REVISION

COMENTARIOS

Automatizacion de una cama de cuidados intensivos del hospital Carlos Andrade Marín

PARTE

1

2

Vista Lateral Derecha

10

Vista Superior

D

C

,1 00

316

36 107

150

C

36 107

190

11,5

WEIGHT:

SCALE:1:8

Elevador inferior A SHEET 1 OF 1

A4

1

2

3

4

5

6

A

A

6 9,2

214,7 199,5

38

46

B

B

870

428,6

Vista Isométrica

257 217 C

25 50

C

214,7 199,5

30

38

Vista lateral derecha NOMBRE DISEÑADO POR:

Vista Superior

D

REVISADO POR:

PROYECTO

Patricio Cevallos A. Dr. Fausto Freire REVISION

COMENTARIOS

Automatizacion de una cama de cuidados intensivos del hospital Carlos Andrade Marín

PARTE

1

2

WEIGHT:

Elevador Superior B

SCALE:1:8

SHEET 1 OF 1

A4

1

2

26

6

3

4

5

6

6 A

A

Vista Superior

0 36 0 32

50 11,500

B

30

107

316

316

670

10,100

107

120°

36

50

B

150 190

Vista lateral derecha

C

C

NOMBRE

D

DISEÑADO POR:

Vista isométrica

REVISADO POR:

PROYECTO

Patricio Cevallos A. Dr. Fausto Freire REVISION

COMENTARIOS

Automatizacion de una cama de cuidados intensivos del hospital Carlos Andrade Marín

PARTE

1

2

WEIGHT:

SCALE:1:8

Elevador inferior B SHEET 1 OF 1

A4

1

2

3

4

5

6

A

A

50 30

9

R5

B

C

10

C

3

20

15

8 R1

R1 5

20

Vista Isométrica

115

B

30

42,500

NOMBRE DISEÑADO POR: REVISADO POR:

PROYECTO

Patricio Cevallos A. Dr. Fausto Freire REVISION

COMENTARIOS

Automatizacion de una cama de cuidados intensivos del hospital Carlos Andrade Marín

PARTE

1

2

42,500

Vista lateral derecha

Vista Superior

D

30

WEIGHT:

SCALE:1:2

Chumacera SHEET 1 OF 1

A4

PCB display de la balanza

PCB control de la balanza