Desarrollo de un sistema automático para el tallado tridimensional de espuma de poliuretano para la fabricación de asientos conformados para sillas de ruedas Eduardo Toledo1, Ruth Olivera2 Sección de Ingeniería Electrónica – Facultad de Ingeniería - PUCP Lima - Perú 1 [email protected]; [email protected] Resumen— En el presente trabajo, se implementó un robot cartesiano para el tallado de asientos de espuma de poliuretano, de dimensiones 40cmx44cmx6.5cm, de manera automatizada. Para ello, se contó un sensor laser de distancia, el cual se utiliza para realizar las mediciones de un molde de asiento de la persona, fabricado en espuma de Poliuretano. El sensor se desplaza en los ejes X e Y, mediante el uso de dos motores a paso, para enviar los datos de profundidad a la memoria de un microcontrolador. Posteriormente, utilizando esta información, se controla el movimiento de todo el mecanismo, accionado por 03 motores, para lograr el tallado del asiento en espuma de poliuretano. El sistema desarrollado es capaz de obtener los datos tridimensionales de cualquier superficie irregular con una precisión de ±1mm. Asimismo, el tallado del asiento se lleva a cabo en forma automática y con una precisión de ±1mm.

Ante esta situación, se planteó como alternativa el desarrollo de un sistema automático para el tallado tridimensional de asientos conformados en espuma de poliuretano, el cual fue financiado por la Dirección General de Investigación de la Pontificia Universidad Católica del Perú, en el marco del Concurso Anual de Proyectos de Investigación 2012. Este proyecto presenta una componente mecánica para el movimiento de los motores en los tres ejes de desplazamiento (X, Y, Z) y el posicionamiento del sistema de tallado. Además, una componente electrónica que contiene los circuitos de acondicionamiento para el control de los motores, el software desarrollado para el procesamiento, almacenamiento y envío de datos a la PC, para la visualización del modelo tridimensional. II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Según el Censo Nacional del 2007, se estima Palabras clave— Asiento conformado, tallado que el 9% de la población total del Perú tiene tridimensional, robot cartesiano, asiento para algún tipo de discapacidad, asimismo, el 15% de esta población tiene una discapacidad silla de ruedas, tallado en poliuretano. motriz, obligando a que estas personas utilicen I. INTRODUCCIÓN una silla de ruedas en su vida diaria.3 Entre las causas más comunes que originan el De acuerdo al último reporte de la uso de sillas de ruedas en la población se Organización Mundial de la Salud el 15% de la encuentran: la diabetes, los trastornos del población a nivel mundial tiene algún tipo de Sistema Nervioso Central, las enfermedades discapacidad.1 Asimismo, de acuerdo a la neurodegenerativas, amputaciones de Organización Panamericana de la Salud existe miembros inferiores y accidentes que podrían una prevalencia mayor del 6% en muchos requerir el uso temporal o permanente de sillas países de América. 2 de ruedas. Así también, un gran número de Por otro lado, en los países de América Latina ancianos son usuarios de las sillas de ruedas. el desarrollo tecnológico no ha permitido cubrir Uno de los problemas más graves de las la necesidad de servicios y ayudas personas que utilizan sillas de ruedas es la biomecánicas requeridas por personas con formación de escaras o úlceras por presión. La algún tipo de discapacidad motriz. [1] úlcera por presión (UPP) es una lesión de origen isquémico (falta de sangre en tejidos subcutáneos y piel) que se produce como consecuencia del aplastamiento por periodo 1 Informe Mundial sobre la discapacidad – prolongado de los tejidos entre dos planos Resumen. OMS. 2012 duros, uno de ellos perteneciente al paciente 2 Aplicación de la Clasificación Internacional del Funcionamiento, de la Discapacidad y de la Salud en estudios de prevalencia de discapacidad en las 3 Censo Nacional 2007. Instituto Nacional de Américas. OPS. 2012 Estadística e Informática del Perú

(cualquier saliente óseo) y otro externo al paciente (cama, silla, zapato etc.). [2] Estudios anteriores confirmaron que 36%-50% de las UPP se atribuyen a personas sentadas en sillas de ruedas. Los factores de riesgo asociados con el desarrollo de UPP en el enfermo crítico son la edad, la estancia media y el tipo de superficie de apoyo. [3] De ellos, la presión es el factor principal en la formación de la úlcera. Ésta no debe de exceder los 32mmHg que es la presión capilar en el extremo arterial, ya que de lo contrario produce isquemia al tejido fino y suave que se encuentra entre las prominencias óseas y las superficies de apoyo. [4] Experimentalmente se ha demostrado que se produce daño irreversible al tejido cuando éste es sometido a presiones cercanas a los 70 mmHg por periodos de más de 2 horas. Es importante hacer notar que cuando se modifica la presión en estas áreas expuestas por lo menos cada 5 minutos, el tejido fino soporta presiones más altas por tiempos más prolongados. [4] El conocimiento de la epidemiología de las UPP es una herramienta básica para el diseño de políticas sanitarias orientadas al abordaje de este problema, que ha sido considerado, tradicionalmente, como algo inevitable y asociado a la postración en cama o silla de ruedas. [5] Esta problemática ha conllevado a que se desarrollen diversas tecnologías de asientos de apoyo al tratamiento de úlceras por presión. Dichas tecnologías se pueden dividir en dos categorías: asientos para incrementar el área de contacto y asientos para el alivio de presión. [6,7] A continuación se citan algunas alternativas de solución desarrolladas por diversas instituciones, las cuales servirán como línea de base a la presente investigación: En Brasil, se ha desarrollado mediante manufactura CNC, asientos personalizados en espuma flexible de poliuretano; demostrándose mediante análisis de presiones y termográfico que éstos ayudan a distribuir el peso, disminuyendo los valores de presión. [8] Es importante mencionar los desarrollos de asientos hidráulicos [4] y neumáticos alternantes con cámaras separadas, mediante los cuales se logró disminuir la presión considerablemente. [9] Por otro lado, se han desarrollado tecnologías, mediante actuadores hidráulicos y eléctricos, con la finalidad de cambiar la postura de las personas en silla de ruedas; asimismo, se han desarrollado sistemas capaces de detectar la presión en pequeñas áreas de un asiento, de manera que sea posible aliviar la presión

generada al adoptar una postura en forma prolongada. [10, 11, 12, 13] A su vez, en el Centro de Ingeniería y Tecnología en Rehabilitación de México se vienen desarrollando asientos conformados a la anatomía de los pacientes, con la finalidad de proporcionar comodidad y que prevenga la formación de ulceras de presión, teniendo en cuenta que la postura sedente es la más utilizada en actividades familiares, educativas y laborales. Se desarrollaron asientos mediante 2 métodos diferentes: asientos conformados con espuma visco elástica y asientos conformados con técnica protésica. Estos asientos fueron probados a 70 pacientes con un tiempo de prueba de hasta 2 años, ninguno desarrolló úlceras por presión. [14] Asimismo, en otra investigación del mismo autor se probó combinaciones materiales, que redujeran la presión por debajo de 60mmHg en la zona de las tuberosidades isquiáticas, con el fin de ayudar a prevenir la aparición de úlceras por presión. Los asientos especiales se realizaron usando materiales termoplásticos y espumas de poliuretano, y fueron fabricados, con técnicas protésicas. Estas pruebas fueron hechas en personas sanas. [15] Las combinaciones de polipropileno termoformado y espumas de poliuretano (comercial y UIA), fueron las mejores combinaciones. Se observó que las espumas de poliuretano, son las que mantienen más del 80% de sus valores por debajo de los 60mmHg, lo cual es un buen indicativo de que estas combinaciones, pueden ayudar a prevenir puntos de presión peligrosos. [15] Finalmente, se han logrado medir las presiones generadas al sentarse, con la finalidad de comparar diversas tecnologías de asientos. Se han medido presiones de hasta 300mmHg en un sujeto sentado en una silla de madera, y alrededor de 100mmHg en un sujeto sentado sobre un cojín de espuma blanda de plástico, [16] lográndose en algunos cojines disminuir la presión hasta en 60mmHg. [17] III. METODOLOGÍA Los asientos conformados consisten en asientos y respaldares de silla diseñados de acuerdo a la morfología de cada persona. En la actualidad el proceso de fabricación de estos aditamentos se desarrolla de manera manual, lo cual ocasiona que no se obtenga un asiento que distribuya la presión de manera uniforme y adecuada. Esta tecnología es también aplicable en el desarrollo de plantillas para diabéticos, donde el número de pacientes en nuestro país es numeroso.

Para el desarrollo del sistema de tallado tridimensional del asiento es necesario, en primer lugar, contar con una base de datos que contenga la información de las coordenadas (X, Y. Z) de su superficie. Para ello se evaluaron las siguientes alternativas: 1) Plantilla de Sensores de Presión: Se utiliza una matriz de sensores de presión de tipo resistivo o sensores de fuerza resistivos (FSR) los cuales tienen el principio de variar su resistividad en forma proporcional con la fuerza aplicada en un área efectiva que es característica de cada tipo de sensor. En dicha matriz bidimensional se configuran los sensores de manera que toda el área del asiento quede cubierta por ellos. Cuando una persona se sienta sobre el arreglo de sensores, el sistema debe ser capaz de almacenar las lecturas de fuerza sobre cada sensor (Figura N°1). Estos sistemas se encuentran disponibles comercialmente, y han sido utilizados en varias investigaciones similares. [18]

desde el 18 al 35% en funcionalidad. Tienen además buenas propiedades adhesivas, por lo que también sirven de aglomerantes para fabricar bloques poli-material. El isocianato y el poliol (Figura N°2), al mezclarse, ocasionan una serie de reacciones químicas que conducen a enlaces de uretanos, poliuretanos, alofanatos, ureas modificadas, cianatos prepolímeros etc. En total unas 17 reacciones químicas simultáneas, generándose una exotermia que podría elevar la temperatura, con el riesgo de producir incomodidad en la persona que servirá como molde negativo para la formación del producto.

Fig. 2 Poliuretano A y B para la fabricación del molde de asiento conformado

Fig. 1 Matriz de presiones de Asiento y Respaldar obtenida mediante una plantilla de sensores 2) Molde Positivo fabricado en Espuma rígida de Poliuretano: Para ello se utiliza una mezcla de dos componentes del poliuretano: [19] El componente A, que consiste en el Poliol, una mezcla formulada y balanceada de glicoles (alcoholes de elevado peso molecular), la cual se encuentran en mezcla con agentes espumantes y otros aditivos tales como aminas, siliconas, agua, propelentes y catalizadores organometálicos que condicionan la reacción y dan las características a la espuma final. El componente B es una mezcla de isocianatos, a veces pre-polimerizados, con un contenido de grupos NCO que puede variar

Por razones técnico-económicas se seleccionó la segunda alternativa a fin de obtener un molde positivo del asiento conformado. Adicionalmente, esta alternativa requiere de un sistema de detección de morfología el cual se desarrolla más adelante. Habiendo seleccionado una de las alternativas se describe a continuación el procedimiento a seguir para la conformación del molde de asiento: a. Informar al paciente sobre el objetivo del ensayo y sus resultados esperados. b. El paciente debe encontrarse relajado y participativo en todo momento, ya que el molde final podría ser producto de varios ensayos. c. Teniendo en cuenta que las dimensiones finales del asiento son 38x44cm de área, se debe preparar una bolsa plástica de 45 a 50cm de ancho, con la finalidad de compensar la dilatación del poliuretano. d. Colocar la bolsa en un asiento de madera de 45x45 cm de superficie mínima, colocando la boca de la bolsa apoyada sobre el respaldar del asiento y hacia arriba. e. En un recipiente aparte mezclar homogéneamente el contenido del Poliuretano A y B, en las siguientes proporciones: Poliuretano A: 55%; Poliuretano B: 45%. Para comprender la cantidad exacta de la mezcla tener en

cuenta que la dilatación del producto es de 10 veces el volumen inicial. f. Verter la mezcla en la bolsa procurando que el contenido ocupe todo el volumen del molde durante 10s aproximadamente, hasta verificar que la mezcla empieza a expandir. g. Inmediatamente después solicitar al

paciente que se siente sobre la bolsa que contiene la mezcla. Asegurarse de la correcta posición del paciente hasta verificar la formación del asiento. El producto final obtenido se muestra en las siguientes fotografías.

2. Sistema capaz de diagnosticar y mostrar la morfología del asiento conformado en una PC. 3. Sistema capaz de tallar en forma automática asientos de espuma de poliuretano. B. Selección de Alternativas Tecnológicas Teniendo en cuenta la alternativa seleccionada para la fabricación del molde positivo, se eligió un Sensor Laser como elemento principal para la medición de la morfología del asiento, ya que este tipo de sensor tiene una precisión