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2. Memoria Estudio de mercado Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 Descripción del proyecto 3 Definición del proyecto 4 Estudio de movimientos en la muñeca 5 Antecedentes 6 Segmentación del mercado 7 Análisis de producto: Torquímetros 8 Test de producto 12 Conclusiones 16 Análisis de producto: Sensores torquimétricos 20 Test de producto 24 Conclusiones 28 Estudio de palanca 32 Análisis de producto: Sensores lineales 33 Test de producto 36 Conclusiones 37 Análisis de producto: Microsensores 38 Test de producto 42 Conclusiones 43 Usuarios 46 Entorno de uso 48 Ciclo de vida del producto 49 Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 2 Actualmente existen en el mercado múltiples productos electrónicos diseñados para la medición de esfuerzos. Muchos de estos dispositivos implican el control y medición de variables como posición, desplazamiento, fuerza, ritmo cardíaco, carga, número de repeticiones, etc., combinados con la emisión de alarmas o la generación de tablas estadísticas. Una de las claves del éxito de estos productos radica en la versatilidad de las aplicaciones que ofrece el amplio desarrollo electrónico, pudiendo dotar a los productos actuales de múltiples funciones gracias al uso de baterías, pantallas, memorias, sistemas de sensores, monitorización, navegación, procesadores, etc… lo que permite hacer combinaciones para conseguir aplicaciones especificas que sólo dependan del uso y su entorno, pudiendo encontrar productos para uso privado o compartido, de compra por particulares o instituciones, portátiles o no, de exterior e interior e incluso para utilización en condiciones extremas. El punto en común de estos productos es el aprovechamiento de una determinada tecnología y el tipo de usos y usuarios a los que van dirigidos, pero el rango de precios, calidad de acabados, prestaciones, etc. es muy amplio. Además, existe una cierta dificultad por parte del usuario de conocer todo el rango de productos existentes, elegir el más adecuado a sus necesidades y aprender su modo de uso. En parte, este problema se acentúa por la inexistencia de un carácter en los productos que ayude a diferenciar e identificar unas tipologías respecto a otras. El proyecto consiste en el diseño de un producto electrónico totalmente nuevo e innovador para la medición de esfuerzos de par en el cuerpo humano, capaz de integrar y aprovechar las posibilidades que ofrece la tecnología existente, obteniendo su máximo rendimiento en el entorno de uso y de modo que tenga un carácter definido que permita al usuario reconocerlo y utilizarlo del mejor modo posible. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 3 El objetivo principal del proyecto es la generación y desarrollo de un producto no existente en el mercado. Este debe ser un aparato electromecánico capaz de realizar mediciones precisas del par generado por las articulaciones. Como punto de partida centraremos el diseño en un aparato para la muñeca y sus tres movimientos. Un aparato electrónico (o dispositivo) consiste en una combinación de componentes electrónicos organizados en circuitos, destinados a controlar y aprovechar las señales eléctricas para obtener algún tipo de información o resultado. El proyecto se centrará en los aparatos electrónicos para la medición de par, los cuales en este momento, únicamente están destinados a cubrir necesidades de medición, calibración, o de control. Dichos aparatos suelen tener una pantalla para mostrar tanto los datos como los resultados de las diferentes mediciones o parámetros que utiliza. Puesto que su objeto es debemos medir esfuerzos de par en las articulaciones del ser humano, deberemos tener en cuenta la antropometría y ergonomía del cuerpo humano. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 4 Movimiento Nombre Flexión Extensión Abducción Aducción Pronación Supinación Ángulo de giro 0 – 60 º 0 – 45 º 0 – 15 º 0 – 30 º 0 -85º 0 – 70 º Dado que la ergonomía y antropometría del cuerpo humano es muy extensa, el proyecto se centrará en los movimientos de la muñeca. Estos movimientos y sus respectivas cotas angulares (tomados desde la posición normal de la mano), son: Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 5 En el mercado actual no existe el producto que se nos ha encargado diseñar. Por ello se ha realizado una búsqueda general abarcando diferentes campos, con el fin de obtener información variada sobre cualquier producto que pueda realizar la función que nosotros deseamos (medición de par). En el sector industrial, encontramos una serie de aparatos destinados mayoritariamente al control y estudio, que permiten realizar mediciones de par. Estos aparatos son de varios tipos, cada uno adaptado al entorno de uso propio de cada medición. Sus características técnicas, también son diferentes, destinando las mejores de ellas a los productos de laboratorio y ensayo. En el sector de la antropometría no se ha encontrado ningún aparato que cumpla con los requisitos. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 6 Fijos Portátiles Torquímetros de precisión Torquímetros de sobremesa Transductores Sensores torquimétricos intercambiables Estáticos Dinámicos Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 7 Son torquímetros fijos tanto los de precisión como los de sobremesa. Adquieren este adjetivo porque siempre se utilizarán en un mismo espacio de trabajo (como un laboratorio, taller, puesto de control, etc). Así mismo reciben el adjetivo de estáticos porque el máximo ángulo de giro del sensor es menor a una vuelta hacia cada lado (±360º). A continuación se analizará este sector en busca de los aspectos más relevantes de su diseño, tanto a nivel externo como interno. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 8 Análisis externo: Todos los torquímetros fijos, tanto de precisión como de sobremesa, muestran formas cuadradas o rectangulares y solo utilizan la curva en algunas caras o para enlazar superficies planas. Están fabricados con materiales metálicos como aluminio y acero ligero para algunas piezas. Los detalles, botonería, apliques y accesorios están fabricados con plástico ABS. Presentan orificios en la carcasa para ser atornillados a la superficie de trabajo, lo que proporciona en una mejor calidad de medida. Dado que son utilizados principalmente en laboratorios predomina el color blanco, pero también se pueden encontrar aparatos negros o grises. El acabado en todos ellos es liso, sin rugosidades. Análisis interno: Todos ellos utilizan sensores de par estáticos, es decir, para mediciones que no requieran más de una vuelta tanto en giros positivos como en negativos. Estos sensores son de gran precisión ya que sus componentes no reciben vibraciones o golpes de ningún tipo. *(El sensor se analizará en solitario más adelante). Además de esto cuentan con un display en el que se muestran los datos obtenidos por el sensor así como un grupo electrónico dedicado a la función de traducir la fuerza de giro captada por el sensor en números mostrados por el display. Todos ellos llevan alimentación eléctrica de la red (220V), aunque trabajan a menor voltaje. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 9 Torquímetros fijos Ventajas Inconvenientes Torquímetros de precisión - Precisión 0.01 - 0.001 N/m -Muestreo entre 2000-3000 /s -Fabricación en aluminio - Alimentación de la Red eléctrica -Par máximo 20 N/m -Peso aprox. 20 Kg -Precio 1800-2000 € Torquímetros de sobremesa -Par máximo 100 – 150 N/m - Fabricación en aluminio -Alimentación de la Red eléctrica -Peso aprox. 4 kg -Precio 900-1200 € - Precisión 0.1 - 0.01 N/m - Muestreo entre 900 – 1100 /s Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 16 Transductores portátiles Ventajas Inconvenientes Torquímetros portátiles -Peso aprox 400 gramos -Alimentación de Red / Batería 10 – 30 horas -Memoria 500-1000 medidas -Precio 1100-1500 € -Precisión del aparato 0.1 - 0.01 N/m -Precisión de medida según sensor -Par máximo según sensor -Muestreo entre 1000 – 2000 /s -Fabricación en plástico ABS Transductores -Peso aprox 2kg -Fabricación en aluminio -Precio 1000-1400 € -Alimentación de la Red eléctrica -Precisión del aparato 0.1 - 0.01 N/m - Precisión de medida según sensor -Par máximo según sensor - Muestreo entre 1000 – 1500 /s Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 17 Los torquímetros fijos ya sean de precisión o de sobremesa ofrecen mayores y mejores prestaciones tanto a nivel técnico como a nivel ergonómico, sin embargo todo esto repercute en un aumento notable de peso y precio. Así mismo la toma de corriente eléctrica como única fuente de alimentación está generalizada en estos 2 segmentos ya que se da por hecho que el aparato no se moverá de su lugar de trabajo. En cuanto a sus características técnicas hay que destacar la altísima precisión y velocidad de muestreo de los torquímetros de precisión pero en contrapunto su elevado peso debido al sistema automatizado para los ensayos. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 18 Los torquímetros portátiles ya sean de mano o transductores presentan la característica de no incorporar el sensor torquimétrico. Este hecho presenta la ventaja de que el mismo transductor puede ser utilizado en diferentes sensores que pueden estar situados en diferentes máquinas o lugares dentro de la empresa. Esto repercute beneficiosamente sobre el precio en caso de utilizar un número mayor de sensores al mismo tiempo. Al igual que en los torquímetros fijos, en los portátiles el precio va ligado directamente a las características técnicas. Un aspecto importante de este sector es su capacidad de portabilidad, es decir, la incorporación de batería y reducción de peso. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 19 Son sensores torquimétricos aquellos dispositivos capaces de captar magnitudes físicas en forma de par y transformarlas en señales eléctricas para su posterior análisis. Existen sensores estáticos y dinámicos. La diferencia existente entre ambos es el tipo de esfuerzo que deberán medir, es decir, un esfuerzo estático o dinámico. Esto significa que un sensor estático realiza mediciones en un rango de giro de 360º hacia ambos sentidos. Sin embargo el sensor dinámico realiza la medición mientras gira a altas revoluciones (>1000 rpm). Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 20 Análisis externo: En este esquema se muestra el conjunto del torquímetro desde el exterior. El conjunto está formado por el cuerpo del torquímetro, el conector del cable y el propio cable. A continuación, se encuentra otro con las conexiones del cable. Se puede observar que se necesitarán como mínimo este número de cables si no contamos con goniómetro y en caso de querer incorporarlo se necesitarán otros cuatro cables. Torquímetro Esquema de conexión del cableado: A - DC IN + +6V DC B - DC IN + -6V DC C - Señal OUT - 2mV D - Señal OUT + 2mV E - Ground Masa F - Goniómetro +5V DC G - Goniómetro 1 OUT 2mV H - Goniómetro 2 OUT 2mV J - Goniómetro Ground Masa K - Control input Conecta con Pin- A M - Escudo Conecta con la caja del sensor conector Cable de conexión Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 21 Análisis externo: Dentro del segmento de los sensores estáticos encontramos diferentes especificaciones, acabados y formas finales en función del uso que tendrán. En el margen derecho se pueden observar algunos sensores. En primer lugar se encuentra una célula de carga para uso industrial y a continuación una célula de ensayos de laboratorio. Bajo estas, se encuentra una llave dinamométrica, muy útil en el sector de la mecánica y por último una célula de carga similar a la llave pero sin mango para poder incorporar el que se desee. Están fabricados en acero y aluminio de alta calidad y los detalles están hechos con plástico ABS o goma. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 22 Análisis interno: Este tipo de sensores se caracteriza por realizar su función sin necesidad de girar más de una revolución, por ello su composición resulta más sencilla. La fuerza de giro entra por uno de los anillos de tensión y es transportada al cuerpo del rotor a través de la abrazadera de doble amarre. Tras esto, la fuerza de giro pasa al cuerpo del sensor donde se transforma en una fuerza lineal que es captada por las galgas extensiométricas y posteriormente transformada en señales eléctricas. Estas señales se envían al transductor a través del cable de conexión. Cuerpo del rotor Cuerpo del sensor: Incorpora las galgas extensiométricas Anillo de tensión Cuerpo del estátor Anillo de tensión Abrazadera de doble amarre Transformador de giro Cable de conexión Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 23 Marca ETH ETH PCB PCB Modelo VS-H RDT i 2301-01A 4115-01A Precisión ±0.01 ±0.01 ±0.1 ±0.001 Muestreo Según transductor Según transductor Según transductor Según transductor Par máximo 20 N/m 50 N/m 226 N/cm 10 N/m Peso 850 g 560 g 600 gr 500 g Material Aluminio Aluminio Aluminio Aluminio Color Gris Gris Negro - Gris Negro Acabado Liso - mate Liso - mate Liso - Brillante Liso – brillante Volumetría Compuesta Compuesta Cilíndrica Cilíndrica Alimentación 12V cc 12V cc 12V cc 12V cc Conexión 12 pines 12 pines 12 pines 12 pines Precio 350 € 300 € 240 € 490 € Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 24 Análisis externo: Los sensores dinámicos están diseñados para funcionar a un régimen alto de revoluciones. Por ello, incorporan rodamientos de alta calidad y acoplamientos a ambos lados, uno de cabeza cuadrada y otro circular. De esta manera se aseguran un correcto amarre sea cual sea la posición en que se instale. Están realizados en aluminio y acero para garantizar las máximas prestaciones. Tienen forma rectangular y están muy bien acabados a nivel de uniones y conexiones. Existen diferentes modelos con diferentes formas y características, pero siempre orientadas al uso. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 25 Dado que el Par es una fuerza lineal, aplicada en perpendicular a una distancia conocida del punto de giro, se pensaron diferentes maneras de realizar esta medición pensando siempre en abaratar costes y en simplificar la complejidad y el número de piezas de los sensores actuales. La manera más sencilla de realizar esto es mediante la palanca simple, es decir, la palanca de primer tipo. La fuerza (F), se ejerce en perpendicular a la palanca con un punto de aplicación que se encuentra a una distancia (D). El producto de estos dos factores, genera un tercer factor llamado Par (Z). Por ello, a continuación se analizarán diferentes sensores de captación de fuerza lineal. De esta manera se podrá diseñar un sensor que base su funcionamiento en este tipo de palanca. D F Z Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 32 En el mercado existen multitud de sensores para medición de esfuerzos lineales, ya sean a tracción o a compresión. El sensor de par que se va a desarrollar estará diseñado para captar las fuerzas generadas por la muñeca humana por lo que el estudio se centrará en los captadores más pequeños y de menor capacidad de carga. Estos sensores también son denominados como células de carga. Su uso está destinado mayoritariamente al pesaje y control de cargas en grandes industrias, aunque no es extraño encontrarlos en algunas herramientas muy específicas y de uso profesional. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 33 Análisis externo: En el mercado existen multitud de células de carga a compresión, destinadas a cubrir todas las necesidades existentes tanto de capacidad de carga como de tamaño. Estos van desde unos pocos milímetros y una carga reducida (Φ20, 500N) a varios centímetros y altísimas cargas (Φ180, 350KN). Los sensores son pequeños, sensibles, de poco peso y de un diseño relativamente compacto. En el mercado existe una gran variedad de modelos que cumplen con todos los requisitos tanto en tamaño como en capacidad de carga. Estos van desde unos pocos milímetros de diámetro, espesor y carga (Φ22 H14 500N) hasta los más grandes de este sector (Φ30 H16 20KN). Todos los sensores de contacto o células de carga se refieren a medidas de fuerzas normales a la superficie del sensor y en dirección hacia el sensor. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 34 Análisis interno: Todos los sensores de pequeña y media carga tienen forma cilíndrica ya que de esta manera es más fácil su montaje como puede observarse en el ejemplo del margen derecho. Para poder reducir la histéresis y aumentar la exactitud en la medida, el sensor se suele construir a partir de una pieza mecánica maciza, que puede ser de aluminio o de acero inoxidable. El funcionamiento del sensor se basa en comprimir sus caras superior e inferior, ejerciendo sobre ellas el peso/fuerza que se quiera medir. De esta manera la galga extensiométrica alojada en su interior, varía de tamaño lo que se traduce en un cambio de resistencia interna, que es fácilmente medible para obtener así la fuerza ejercida. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 35 Marca SENSY Burster Burster Measurement Specialities Modelo 5962 8402 8415 XFL212R Precisión ±0.5 % ±0.5 % ±0.5 % ±0.5 % Fuerza 50 - 500 N 0 – 1000 N 0 – 500 N 0 – 500 N Peso 50 g 63 g 20 g 10 g Material Aluminio Acero inox Acero inox Aluminio Volumetría Cilíndrica Cilíndrica Cilíndrica Cilíndrica Alimentación 10 V cc 3-5 V cc 3 – 5 V cc 12V cc Conexión 4 pines 4 pines 4 pines 12 pines Precio 9 € 6’65 € 8’42 € 14 € Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 36 Los micro sensores a compresión o micro células de carga, son un sector muy amplio de productos. Estos son de todo tipo de tamaños y formas, existiendo prácticamente cualquier especificación requerida, tanto en capacidad de carga, como en tamaño, forma o peso. De este amplísimo sector se pueden obtener más ventajas y oportunidades que en los sensores a tracción ya que este segundo sector no ha sido desarrollado para pequeñas cargas. Su uso es mayoritariamente en básculas de todo tipo, pesaje de silos… En caso de estos micro sensores su uso está dedicado a regulación y control como sistemas de seguridad en maquinaria industrial de mediano y gran tamaño. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 37 Análisis externo: Este sector de sensores es relativamente novedoso ya que su fabricación solo ha sido posible mediante la evolución en tecnología y materiales. Todos estos sensores de la marca Tekscan, ya que es la única que tiene la patente. Tienen un espesor de 0’2 mm, y sus dimensiones están relacionadas con la cantidad de carga que son capaces de medir. Existen cuatro modelos de sensor, los dos superiores son los más comunes, siendo el de color rojo para uso en altas temperaturas. Los dos sensores inferiores son más sencillos y cuentan con un poco menos de precisión que los anteriores. La mayor diferencia que existe entre ellos es su tamaño y la cantidad de fuerza máxima que pueden medir. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 38 Análisis interno: La fabricación de estos sensores es relativamente sencilla como se puede observar en el esquema. En resumen es una construcción simétrica realizada en capas. El substrato flexible es poliester, y en los modelos con resistencia térmica es poliamida. La capa de plata se usa como contactor y conductor de la señal. A continuación se incorpora una capa con el sensor de medición, es decir, la parte que realmente medirá las fuerzas que ejerzamos. Por último una capa de adhesivo para fijar el conjunto de piezas. Tras esto, solo hay que duplicar este montaje y ya estará completado el sensor. Las conexiones que utiliza son macho, facilitando así su montaje. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 39 Funcionamiento: Su funcionamiento se basa en las resistencia de presión variable, de modo que estando en reposo el sensor, tendrá una resistencia muy alta (circuito abierto). A medida que comencemos a ejercer la fuerza sobre el sensor, se observa como la resistencia decrece exponencialmente en el primer momento, sin embargo, al aumentar la carga, la resistencia decrece casi linealmente. ** Este funcionamiento puede ser comprobado con un polímetro midiendo resistencia y ejerciendo fuerza al sensor con la mano. Al transformar esta variación de fuerza en tensión continua, se obtiene una gráfica casi uniforme en la que se puede obtener la carga en función de esta tensión. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 40 Montaje: Como se puede observar, el montaje del sensor es bastante sencillo ya que solo necesitaremos un transistor para amplificar la señal y una resistencia variable para poder calibrar el sensor. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 41 Los entornos de uso en los que el aparato será utilizado pueden ser: Clínicas / hospitales Institutos de investigación / Universidades Centros deportivos especializados Empresas de desarrollo de productos y procesos Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 48 Adquisición y desembalaje Lectura de instrucciones Verificar funcionamiento del aparato Calibración y puesta a punto Uso Revisiones y mantenimiento Desechado y reciclado DESECHADO: Preferiblemente debe realizarse en un punto limpio donde se puedan reutilizar sus distintas piezas y evitar de esta manera la contaminación. Otra forma seria reciclar en puntos exclusivos ya sea de la empresa o del ámbito al que pertenece el dispositivo. Ricardo Establés Beitia - Ingeniería Técnica en Diseño Industrial - EUITIZ - Curso 2012/2013 49