Sistema de asistencia a la propulsión para sillas de ruedas convencionales

Abstract

Wheelchairs are assistive technologies; they allow those who use them to access and enjoy their rights as human beings. Its users vary in age, occupation, activity level, health condition, socio-economic status, and other characteristics. Therefore, today there is a wide variety of these devices seeking to meet the different needs, preferences and limitations of those interested. For instance, electric wheelchairs are preferred by users with greater motor limitations due to their easy control, but they have disadvantages such as their size, weight and price. Manual wheelchairs are more compact, easy to repair, resistant, cheap, and promote physical activity. However, they need to be propelled by the user at all times, which can lead to pathologies of the joints involved, causing additional limitations and secondary disabilities. Therefore, a propulsion assistance system for manual wheelchairs is proposed, with the objective of supporting its movement when the user finds it necessary, especially in difficult terrains. Thus, the joint wear caused by the prolonged use of these mobility systems could potentially be reduced, while maintaining many of their advantages. First, a mechanical system was designed using the product design methodology of Ulrich and Eppinger, based on a series of needs and requirements discovered through interviews and reviews of related available products. Then, a speed control system was proposed to guide the movement of the electromechanical section. A PI controller was designed using Labview and, MuPAD and System Identification tools from MATLAB®. Finally, the behavior of the mechanical system was analyzed by finite element analysis, to ensure a stable and resistant structure. The controller’s response and performance were also evaluated in order to verify its design. The preliminary design of a propulsion assistance system was then proposed, a product that could improve the mobility, prevent injuries and promote the labor, social and cultural participation of manual wheelchair users. Future approaches to this work could be done with a view to translating it into a real product, analyzing its performance with a physical prototype and making the necessary adjustments.

Las sillas de ruedas son tecnologías de asistencia, y como tal, permiten a quienes las usan acceder y disfrutar de sus derechos como seres humanos. Sus usuarios varían en edad, ocupación, nivel de actividad, condición de salud, estatus socio-económico, entre otros. Como consecuencia, hoy existe una gran variedad de estas, que busca satisfacer las diferentes necesidades, preferencias y limitaciones de los interesados. Las sillas de ruedas eléctricas, por ejemplo, son preferidas por usuarios con mayor limitación motriz por su fácil control, pero tienen desventajas como su gran tamaño, peso y precio. Las manuales son más compactas, fáciles de reparar, resistentes, económicas, y promueven la actividad física. Sin embargo, su desplazamiento depende del usuario en todo momento, desencadenando posibles patologías de las articulaciones involucradas que lleven a limitaciones adicionales y situaciones de discapacidad secundarias. Por lo anterior, se diseñó un sistema de asistencia a la propulsión para sillas de ruedas manuales, que apoye el movimiento cuando el usuario lo necesite, en especial en terrenos difíciles. Así, se podría reducir potencialmente el desgaste de las articulaciones causado por el uso de estos sistemas de movilidad, mientras se mantienen muchas de sus ventajas. Primero, se diseñó un sistema mecánico con la metodología de diseño de producto de Ulrich y Eppinger, a partir de una serie de necesidades descubiertas por medio de entrevistas y revisiones de los productos relacionados en el mercado. Luego, se planteó un sistema de control de la velocidad que guía el movimiento de la parte electromecánica. Se diseñó un controlador PI con la ayuda de Labview y las herramientas MuPAD y System Identification de MATLAB®. Por último, se analizó el comportamiento del sistema mecánico mediante simulaciones por elementos finitos, para garantizar una estructura resistente y estable. También se simuló la respuesta y evaluó el comportamiento del controlador con el objetivo de verificar el diseño realizado. Se llegó, entonces, al diseño preliminar de un sistema de asistencia a la propulsión, un producto que podría mejorar la movilidad, evitar lesiones y fomentar la participación laboral, social y cultural de usuarios de silla de ruedas manual. Futuras aproximaciones a este trabajo podrían hacerse con miras a traducirlo en un producto real, analizar su desempeño con un prototipo físico y realizar los ajustes necesarios.