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U4. Válvulas y actuadores biomédicos TIPOS DE PISTONES, Diapositivas de Transductores y Sensores

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Tipo: Diapositivas

2018/2019

Subido el 08/09/2021

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U4. Válvulas y actuadores biomédicos
TIPOS DE PISTONES (CIRCUITOS DE CONTROL PARA
PISTONES)
Actuador
Un actuador es un dispositivo que convierte la energía en movimiento o que se
utiliza para aplicar fuerza. El dispositivo toma energía de una determinada fuente
(que puede ser energía creada por aire, líquido o electricidad) y la convierte en el
movimiento deseado.
Los actuadores se clasifican en 2 grandes grupos:
1. Por el tipo de energía utilizada: actuador neumático, hidráulico y eléctrico.
2. Por el tipo de movimiento que genera: actuador lineal y rotatorio.
ACTUADORES NEUMÁTICOS
Transforman la energía acumulada del aire comprimido en trabajo mecánico de
movimiento rotatorio o movimiento rectilíneo. Por lo común se clasifican en cilindro
o actuadores lineales y motores o actuadores de giro.
Actuadores neumáticos lineales
El cilindro neumático consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que
desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone
de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio
pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia
el vástago de la suciedad.Los cilindros neumáticos independientemente de su forma
constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los
circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan
construcciones especiales.
- Cilindros de simple efecto:
Con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido. Un
cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace
retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como
cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o
“normalmente fuera”. Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar,
expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble
efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la
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U4. Válvulas y actuadores biomédicos

TIPOS DE PISTONES (CIRCUITOS DE CONTROL PARA

PISTONES)

Actuador Un actuador es un dispositivo que convierte la energía en movimiento o que se utiliza para aplicar fuerza. El dispositivo toma energía de una determinada fuente (que puede ser energía creada por aire, líquido o electricidad) y la convierte en el movimiento deseado. Los actuadores se clasifican en 2 grandes grupos:

  1. Por el tipo de energía utilizada: actuador neumático, hidráulico y eléctrico.
  2. Por el tipo de movimiento que genera: actuador lineal y rotatorio. ACTUADORES NEUMÁTICOS Transforman la energía acumulada del aire comprimido en trabajo mecánico de movimiento rotatorio o movimiento rectilíneo. Por lo común se clasifican en cilindro o actuadores lineales y motores o actuadores de giro. Actuadores neumáticos lineales El cilindro neumático consiste en un cilindro cerrado con un pistón en su interior que desliza y que transmite su movimiento al exterior mediante un vástago. Se compone de las tapas trasera y delantera, de la camisa donde se mueve el pistón, del propio pistón, de las juntas estáticas y dinámicas del pistón y del anillo rascador que limpia el vástago de la suciedad.Los cilindros neumáticos independientemente de su forma constructiva, representan los actuadores más comunes que se utilizan en los circuitos neumáticos. Existen dos tipos fundamentales de los cuales derivan construcciones especiales.
  • Cilindros de simple efecto: Con una entrada de aire para producir una carrera de trabajo en un sentido. Un cilindro de simple efecto desarrolla un trabajo sólo en un sentido. El émbolo se hace retornar por medio de un resorte interno o por algún otro medio externo como cargas, movimientos mecánicos, etc. Puede ser de tipo “normalmente dentro” o “normalmente fuera”. Los cilindros de simple efecto se utilizan para sujetar, marcar, expulsar, etc. Tienen un consumo de aire algo más bajo que un cilindro de doble efecto de igual tamaño. Sin embargo, hay una reducción de impulso debida a la

fuerza contraria del resorte, así que puede ser necesario un diámetro interno algo más grande para conseguir una misma fuerza. También la adecuación del resorte tiene como consecuencia una longitud global más larga y una longitud de carrera limitada, debido a un espacio muerto.

- Cilindros de doble efecto: con dos entradas de aire para producir carreras de trabajo de salida y retroceso. Los cilindros de doble efecto son aquellos que realizan tanto su carrera de avance como la de retroceso por acción del aire comprimido. Su denominación se debe a que emplean las dos caras del émbolo (aire en ambas cámaras), por lo que estos componentes sí pueden realizar trabajo en ambos sentidos. Sus componentes internos son prácticamente iguales a los de simple efecto, con pequeñas variaciones en su construcción. Algunas de las más notables las encontramos en la culata anterior, que ahora ha de tener un orificio roscado para poder realizar la inyección de aire comprimido (en la disposición de simple efecto este orificio no suele prestarse a ser conexionado, siendo su función la comunicación con la atmósfera con el fin de que no se produzcan contrapresiones en el interior de la cámara). El campo de aplicación de los cilindros de doble efecto es mucho más extenso que el de los de simple, incluso cuando no es necesaria la realización de esfuerzo en ambos sentidos. Aplicaciones Cilindros neumáticos Generan movimiento lineal. Si se ejerce una fuerza sobre el aire contenido en un recipiente cerrado, este se comprime forzando las paredes del mismo, entonces la fuerza que actúa en dirección perpendicular sobre la superficie del recipiente puede aprovecharse para generar el desplazamiento lineal de un eje o vástago. Los cilindros neumáticos son los dispositivos que trabajan de acuerdo con este principio para generar movimiento lineal. Este tipo de movimiento lineal hecho por los cilindros de simple efecto o de doble efecto se fabrican de aluminio anodizado y su vástago de acero cromado de alta resistencia. ACTUADORES ELECTRICOS Su principio de funcionamiento se fundamenta en el efecto que produce una espira conductora que se encuentra dentro de la acción de un campo magnético y por la que circula una corriente eléctrica. En estas condiciones se experimenta una fuerza electromagnética en la espira, la cual induce un desplazamiento perpendicular a las líneas de acción del campo magnético, como se muestra en la figura:

Motor paso a paso Los tres tipos principales de motores paso a paso son:

  • Motores de imanes permanentes
  • Reluctancia variable
  • Híbridos En lo que se refiere a la conversión de la energía eléctrica a movimiento angular, estos trabajan con el mismo principio físico que los motores eléctricos rotatorios de corriente continua y alterna. Sin embargo, para el caso particular del motor paso a paso, la conmutación se logra a través de algún sistema electrónico o tarjeta microcontroladora, como la tarjeta Arduino, la cual genera una secuencia de pulsos de corriente modulados que alimentan los devanados internos del motor; por tanto, no son necesarias las escobillas o algún conmutador mecánico, ya que la serie de impulsos eléctricos son transformados en desplazamientos angulares discretos en forma directa por los polos del motor. Por tanto, depende de las entradas de control, el eje motriz es capaz de avanzar un determinado valor en grados, que puede ir desde 1.8° hasta 90°, según sea la secuencia que se indique. Motor paso a paso de reluctancia variable La característica principal de este motor es la reducción y el aumento de la resistencia a la circulación del flujo magnético que se genera a lo largo del recorrido del campo magnético aplicado. La trayectoria del flujo magnético, que es generado por la corriente que circula en el inductor, cruza el entrehierro y sufre una resistencia por el efecto del cambio de permeabilidad, ya que el aire tiene una permeabilidad mucho menor que la del hierro, además de que también es importante considerar la posición del rotor; asi, cuando el eje d del rotor se encuentra en una posición vertical, es decir el valor del ángulo θp δ es 0° o 180°, la resistencia al flujo magnético (reluctancia) es mínima. Es importante hacer notar que la variación es periódica y depende del ángulo δ. Por su parte, la frecuencia está en función de la velocidad angular del estator. En los motores de reluctancia variable, el estator y el rotor están construidos con un conjunto de láminas de acero, esto con la finalidad de evitar las corrientes parasitas. Este tipo de actuadores está constituido por un rotor dentado construido a base de láminas ferromagnéticas y un estator donde se disponen bobinas que forman los polos, las cuales se alojan en ranuras, de manera longitudinal, de modo que hacen más efectiva la acción del campo magnético, gracias a que el material con el que están construidas ofrece baja resistencia a la circulación del flujo magnético. Su funcionamiento es similar a los actuadores de imán permanente, aunque en condiciones de reposo no existe par en el eje del motor, lo que significa que el rotor

gira con libertad, La característica principal de este actuador es que si se requiere se puede construir para que funcione con pasos más pequeños que los de un motor de imán permanente. Motor a pasos de imán permanente Este motor, al igual que el de reluctancia variable, no posee devanados en el rotor; sin embargo, a diferencia de este, tiene imanes permanentes. Se le conoce así debido a que un imán cerámico con forma de cilindro dentado constituye el rotor de este y por qué su estator está fabricado de material ferromagnético dispuesto en forma de láminas, esta característica del rotor representa una de las principales ventajas de este motor, debido a que en ausencia de excitación eléctrica el eje del motor permanece en la misma posición. Motor paso a paso híbridos Se conocen como motores híbridos todos aquellos motores que combinan las características de los motores de imán permanente y de reluctancia variable. Una cualidad palpable de esta característica de hibridad es que este tipo de motores heredan las ventajas de cada uno de estos tipos de motores, las cuales se conjugan en un solo motor, lo que se ve reflejado en la obtención de ángulos pequeños de paso con un alto par. El estator en los motores híbridos es semejante al de los motores tratados antes; sin embargo, difieren en que el rotor de los motores híbridos está conformado por un imán o material imantado en forma de disco cilíndrico en posición longitudinal al eje, el cual produce un flujo magnético. ACTUADORES HIDRÁULICOS El funcionamiento de los actuadores hidráulicos es muy semejante al de los actuadores neumáticos, ya que ambos son dispositivos que transforman la energía almacenada de un fluido a presión en trabajo mecánico de movimiento circular o rectilineo, con la única excepción de que en el caso de los actuadores hidráulicos, el fluido a presión que se utiliza no es el aire, sino algún tipo de aceite mineral. En los sistemas hidráulicos, la energía se transmite a través de un sistema de distribución que en general, está conformado por tubos y mangueras. Está energía es función del caudal y la presión del aceite que circula en el sistema. Las propiedades del fluido utilizado en los actuadores hidráulicos definen diferentes

pistón ejerce sobre la carcasa sea distinta en dos posiciones diametralmente opuestas, dando lugar a una resultante no nula, que origina el par de giro APLICACIONES Se utilizo el actuador lineal L12 de la empresa canadiense Firgelli, este actuador lineal presenta cuatro diferentes dimensiones de pistón, tres de fuerza/velocidad, de acuerdo con las relaciones de transmisión. Para determinar la longitud del pistón se procedió a desarrollar una ecuación que permita determinar la relación exacta del actuador y el ángulo de flexión de la ortesis. En la tesis esta mayormente explicado cómo se obtuvieron los datos desde una ecuación de aproximación que se realizó directamente en MATLAB R2011a, estos datos se utilizaron para determinar la longitud de pistón, los datos obtenidos determinaron que el pistón del actuador debería tener una longitud de 10cm, para que este cumpla los requerimiento de movilidad de la ortesis, para determinar la variación del ángulo de acuerdo al desplazamiento se hizo según el ángulo máximo de flexión de 110 que es el límite de variación valido de acuerdo a las limitaciones anatómicas de la persona a la cual está dirigida la ortesis. La fuerza se determinó gracias a datos obtenidos en un análisis de torque de un modelo biomecánico ya antes hecho, que determino que la fuerza máxima requerida para que la extremidad pueda realizar el movimiento flexo-extensión es de 27N. El actuador debe tener un torque de unos 30N, pero para poder distribuir la fuerza de una manera más adecuada se optó por utilizar dos actuadores lineales de 15N cada uno. Para la velocidad tuvieron que pensar en la idea base que era, que el equipo estaba construido para asistir a los procesos de rehabilitación de rodilla, que en dichos procesos se realzan para fortalecer músculos que se encuentran atrofiados, es por ello por lo que no debe ser rápido si no preciso, se utilizó este actuador por eso ya que tiene una velocidad de 23 mm/s, lo cual no es una velocidad alta por lo que esto resulta conveniente en el control de movimientos de la ortesis. Se utilizo un modelo que determina la velocidad y el torque del actuador dentro de un perfil de un programa de rehabilitación especifico, está representado por un diagrama de bloques desarrollado en inventor e importado a MATLAB R2011a. Compresora de grado medico Los compresores de aire de grado médico son máquinas que están hechas para aspirar aire en ambientes a presión y temperatura atmosférica, tiene como función específica la de canalizar únicamente el aire más limpio, para poder lograr esto, los

compresores de aire médico contienen en su interior una serie de filtros y de membranas que cumplen la función de captar todo tipo de contaminante que tenga el aire, incluso los microbios y las bacterias. Como funciona el compresor de pistón paso a paso Los compresores de pistón cuentan con un sistema de válvulas formado por discos de acero inoxidable, cuando el pistón se desplaza hacia abajo, el disco más grande se dobla y permite el paso del aire hacia el interior del cilindro, cuando el pistón asciende, el disco grande se dobla hacia arriba impidiendo la entrada de más aire y el disco pequeño, también flexible, permite pasar el aire ya comprimido a través del orificio de la válvula.