Diseño de un dispositivo para la movilidad de personas con discapacidad motriz usando el método función de calidad

DISEÑO DE UN DISPOSITIVO PARA LA MOVILIDAD DE PERSONAS CON DISCAPACIDAD MOTRIZ USANDO EL MÉTODO FUNCIÓN DE CALIDAD

DESIGN OF A MOBILITY DEVICE FOR DISABLED PEOPLE USING THE METHOD OF QUALITY FUNCTION DEPLOYMENT

Leonardo Emiro Contreras Bravo¹, Wilmar Augusto Granados¹

¹ Universidad Distrital Francisco José de Caldas lecontreasb@udistrital.edu.co , wagranados@udistrital.edu.co

Recibido: 10/05/2013 Aceptado: 24/06/2014

Resumen

Este artículo describe el diseño de un dispositivo de movilidad para personas con discapacidad motriz entre 8 a 15 años de edad, con patologías T12 y que no tengan patologías concomitantes en miembros superiores. Inicia con la obtención de los requerimientos del cliente, y la transformación de estos a partir de la herramienta llamada función de calidad (QFD Quality Function Deployment), y el uso de diferentes métodos de evaluación del diseño obtenido.

Después de caracterizar de una manera cuantitativa lo cualitativo, se procede a desarrollar un proceso sistémico que genere elementos particulares para llegar a concretar el diseño que une los elementos técnicos y los requisitos del cliente (usuario). En la parte final, se realizan varios diseños mediante el software Solid Edge. Se selecciona un modelo que cumple con los requisitos del cliente arrojados por la herramienta QFD y otras metodologías de diseño

Palabras clave: Función de Calidad, Discapacidad, Ingeniería, Movilidad, QFD.

Abstract

This paper describes the design of a mobility device for physically disabled people between 815 years with T12 pathologies and no comorbidities in the upper limbs. It begins by eliciting the customer's requirements, and conversion to designs prototypes using a tool called quality function (QFD Quality Function Deployment). The evaluation of the different designs is also shown.

Once the qualitative description is characterized quantitatively, the design process proceeds by systemically generating particular elements to reach the global design by joining the technical elements and requirements of the user. In the final part of the paper, several designs using Solid Edge software are presented. Lastly, the model that better meets customer requirements indicated by the QFD analysis is chosen.

Key words: Disability, Engineering, Mobility, QFD, Quality.

1. Introducción

Según [1], en Colombia conviven alrededor de 4´992.000 discapacitados que equivaldrían a 12% de la población. Por otro lado según el Censo 2005 (datos más reciente en el país) se determinó que existen alrededor de 6.3 personas por cada 100 con una discapacidad permanente en donde parte de esa población discapacitada tiene entre 8 y 13 años. En la figura 1 se muestra que la población proyecta para 2013 a partir del Censo para personas de sexo masculino entre 10 y 15 años es alrededor de 16.000 discapacitados, mientras que para el sexo femenino del mismo rango de edad es un tanto menor. Datos que van en aumento según la proyección.

Otra información importante del Censo 2005, es que la población que tiene alguna discapacidad y se encuentra entre las edades de 5 a 9 años está alrededor de 3 y 4%, y los que tiene entre 10 y 14 años están 4 y 5%, por lo tanto, el segmento de población comprendido entre 8 y 15 años es complejo porque el desarrollo natural del individuo no permite establecer un patrón de medidas definitivo lo que lleva a tener una escasez de diseños que permitan una flexibilidad sobre las medidas antropométricas. Por otra parte, los costos de una silla de ruedas son variables debido a distintos factores como materiales, funcionabilidad, etc. Son pocas las que alcanzan niveles asequibles en precio y que permitan adecuarse fácilmente a una discapacidad en particular.

Respecto al número de limitaciones por persona [2], el 71,2% presentan una limitación, el 14,5% dos limitaciones, el 5,7% tres limitaciones y el 8,7% tres o más limitaciones permanentes. Del total de personas que reportaron alguna limitación, el 29,3% poseen limitaciones para moverse o caminar.

Otra estadística interesante fue la que arrojó la caracterización de discapacitados en la ciudad de Bogotá [3], según esta (figura 2), la pirámide poblacional de discapacidad muestra un patrón ascendente con la edad y claramente marcado hacia las mujeres. Así mismo la mayoría de la población por ciclo vital se encuentra en la etapa de vejez con 45 %, seguida por la adultez con un 40 %, la adolescencia y juventud represento el 12,3 %. Del total de personas que reportaron alguna limitación, el 28,9% poseen limitaciones para moverse o caminar. Estas estadísticas corroboran la importancia y potencial impacto que pueda tener en la calidad de vida de este segmento de la población, estudios enfocados al diseño y posterior producción de dispositivos que faciliten su movilidad, y que respondan a necesidades específicas.

Existen diversos trabajos de investigación relacionados con el diseño de sillas de ruedas y/o dispositivos que ayuden a la movilidad de personas discapacitadas, muchos de ellos se basan en la generación de modelos matemáticos para diseñar sistemas de control automático de la misma [5], [6], y [7], algunos van un poco más allá, modelando sistemas que le permiten a un paciente estar en un estado erguido [8], otros plantean diseños que puedan detectar obstáculos, girar 360º y/o realizar funciones a partir del sensor de voz de propietario como [9], o realizar diseños que ayuden a compensar las limitaciones de personas discapacitadas [10]. En la mayoría de los casos, el diseñador parte del hecho que los discapacitados requieren de un dispositivo “robóticoavanzado” para poder desarrollarse emocionalmente, cognitivamente y socialmente. Este tipo de suposiciones han hecho que se acoplen diversos elementos al rediseño de una silla de ruedas convencional, lo que ha generado un producto de alto costo al que pocas personas tienen acceso, especialmente en nuestro país donde prevalece una alta proporción de personas con discapacidad pertenecientes a los estratos socioeconómicos y de escolaridad baja (44,6% estrato I y 35,2% estrato II).

Otros desarrollos enfocados a la población infantil permiten identificar que la capacidad de movilidad independiente es crucial para un niño en crecimiento y su pérdida puede afectar gravemente el desarrollo cognitivo, emocional y social [11] pero debido a sus altos costos lo hace inalcanzable a los segmentos sociales mas vulnerables, tal que, como lo expresa [12]

A partir de lo anterior surge la motivación por realizar un estudio sobre una propuesta de diseño de un dispositivo que ayude a las personas con discapacidad motriz entre edades de 8 a 15 años, con patologías T12 y que no tengan patologías concomitantes en miembros superiores, que cumpla con las condiciones particulares de los usuarios, incorporando elementos tecnológicos, ergonómicos, legales y prácticos mediante el uso de metodologías de diseño asistido por computador (CAD – computer aided design) y modelamiento por elementos finitos (MEF) entre otras.

Existen diferentes metodologías de diseño (diseño axiomático, método funcional, diseño descriptivo, métodos creativos, método TRIZ, etc.). En este proyecto piloto, se ha seleccionado el Método de Función de Calidad (QFD) por la gran efectividad que este provee debido a la reducción de fallas que se dan después de la elección final; lo anterior con relación a los costos es realmente significativo, permite planificar todo proceso tomando como referencia las necesidades de los usuarios o “Voz del cliente” esperando satisfacer sus requerimientos en totalidad, y a su vez con resultados de calidad [4]. El QFD, es una metodología que ayuda al desarrollo de los procesos de innovación y desarrollo en las organizaciones, también a articular la transición que existe entre la generación de una idea y como llevarla a cabo. Dicha metodología facilita la determinación de los elementos que la organización necesita para la elaboración de un producto, paso siguiente el establecimiento de los métodos de producción para la optimización de los recursos y maximizar los beneficios.

2. Generalidades del QFD Función de Calidad

2.1. Estructura de QFD

La analogía más usada para explicar cómo está estructurado el QFD, es una casa de calidad (House of Quality) [13]. La Figura 3 muestra cómo se estructura este tipo de matriz QFD básica. El costado izquierdo, componente 1, es la entrada del cliente; esta es la etapa en el proceso en la que se determinan los requerimientos del usuario en relación con el producto (qué’s). Para satisfacer estas necesidades, se evalúan ciertas especificaciones de desempeño conformando el techo interior de la casa o componente 2 (cómo’s). Posteriormente se analiza la relación existente entre estos aspectos técnicos, conformándose el techo de la casa (matriz de correlaciones) o componente 3. Así mismo se debe establecer la relación entre cada una de las necesidades referidas por el usuario con las características técnicas determinadas, presentado como componente 4 (Matriz de relaciones entre como’s y que’s) y para el cual se concede un valor numérico que represente dicha relación.

El fondo o base de la casa, componente 5 (Objetivos de los como’s), es donde se jerarquizan los requisitos técnicos del proceso que son críticos. El componente 6 (cómo nos ven), a la derecha, pondera la satisfacción de las necesidades de los usuarios a partir de las propuestas presentadas por la competencia. El componente 7 hace referencia a la relación entre las propuestas disponibles (tanto las de la competencia como la propia) y los componentes técnicos. Finalmente el componente 8 (Evaluación consecución de los objetivos como’s) arroja la propuesta más cercana a satisfacer los requerimientos técnicos.

2.2. El proceso QFD

Un ciclo completo del proceso de QFD lo constituyen seis matrices ilustradas en la figura 3. La matriz 1 se usa para comparar los requerimientos del cliente con las características técnicas del producto. Todas las otras matrices se originan de esta primera matriz. La matriz 2 se usa para comparar las características técnicas en la matriz 1 con sus tecnologías aplicadas asociadas. Sirven para contestar preguntas como: ¿Qué quiere el cliente?, ¿Cuáles son los requisitos técnicos relacionados con las características que quiere el cliente? La matriz 3 se usa para comparar las tecnologías aplicadas de la matriz 2 con sus procesos de manufactura asociados. La matriz 4 se usa para comparar los procesos de manufactura de la matriz 3 con sus procesos de control de calidad asociados. La matriz 5 se usa para comparar los procesos de control de calidad con sus procesos de control estadístico del proceso. La matriz 6 se usa para comparar los parámetros del control estadístico del proceso con las especificaciones que se han desarrollado para el producto terminado.

3. Metodología

3.1 Captación de las demandas del cliente (voz del cliente)

Con el fin de captar los requerimientos del cliente (RC), se decidió hacer encuestas, por ser un método muy fácil de trabajar cuyas fuentes primarias será la comunicación con las personas directamente afectadas (patologías de lesión medular de T12 hacia abajo y que no tengan patologías concomitantes en miembros superiores) [15], centros de atención para discapacitados, familias de discapacitados, centros de investigación, conocimiento propio. Para desarrollar la primera matriz, fue necesario contar con información de cuatro factores:

• Las necesidades reales de los usuarios.

• Como valoran los usuarios cada una de las demandas.

• Cuáles son las principales quejas que plantean los usuarios acerca del producto.

• Qué opinión tienen los usuarios de nuestro producto y de los competidores líderes, tomando como referencia cada una de las necesidades detectadas.

A partir de las fuentes mencionadas, se obtuvieron 120 RC. Para poder manejar las necesidades del cliente, estas deben estar estructuradas en jerarquías. Las necesidades primarias son en general las primeras 5 a 10 necesidades que fijan el rumbo estratégico del producto. Por ejemplo “que sea cómoda” es una necesidad primaria para dispositivo de transporte. Las necesidades secundarias se elaboran a partir de las necesidades primarias, cada necesidad primaria genera aproximadamente entre 3 y 10 necesidades secundarias [16]. La tabla 1 muestra algunas de ellas, a manera de ilustración.

3.2. Priorización de los requisitos del cliente

No todos los requerimientos del cliente (RC) son igualmente importantes a los ojos de los usuarios; se utilizó el método de análisis jerárquico también conocido como AHP (Analytic Hierarchy Process) que se basa en comparación por pares, para determinar correctamente la importancia de cada demanda. En este caso, los técnicos y usuarios utilizan una valoración del 1 al 5, donde el 5 indica la mayor prioridad y el 1 la menor.

La prioridad es uno de los factores que contribuyen al cálculo de la ponderación total de cada Característica Técnica (CT); el otro factor es la intensidad de la relación RC y CT. Cada pregunta evaluada se realizó teniendo en cuenta la valoración que se muestra en la Figura 5.

3.3. Evaluación del cliente

La población objetivo evalúa los criterios obtenidos con el fin de definir su grado de satisfacción y determinar su prioridad; estos criterios se comunican a través de preguntas consignadas en una encuesta (ver figura 4).

Según [17], entrevistar unos 20 ó 30 usuarios serían suficientes para identificar el 90% o más de las necesidades en un segmento relativamente homogéneo. Por lo tanto posterior a la aplicación de la encuesta, se realiza la tabulación de los datos por medio de un análisis matricial realizado con la ayuda del software de Excel 2007 ® de Microsoft. El análisis arrojó que existían 41 necesidades primarias: autonomía, colaboración para movilizarse, movimiento suave, acceso a unidades sanitarias, energía humana, liviano, ruedas medianas para la dirección, frenos mecánicos, posición sentada, entre otras.

3.4. Elaboración de la lista de parámetros técnicos o características técnicas

Las CT también pueden organizarse en un árbol jerárquico. Por medio del método tormenta de ideas se obtiene los elementos que se enuncian a continuación: peso completo, peso del chasis, altura, ancho, longitud, diámetro de ruedas delanteras, altura al asiento, alto del espaldar, entre otros.

3.5. Ponderación, evaluación y correlación

En el cuadro central de la matriz se asignó un valor que informará el nivel de importancia que tiene la relación entre las filas de los RC y las columnas de las CT. Esta correlación expresa cuánto afecta a cada RC una CT particular.

• Primer criterio: débil afirma que la relación encontrada entre las características técnicas y requisitos del cliente resta de tener gran importancia. Se le asigna valor de 1.

• Segundo criterio: moderada se asigna este criterio cuando existe una relación entre las variables. Se le asigna valor de 3

• Tercer criterio: Fuerte que quiere representar la existencia de una alta dependencia o relación entre los criterios que se desean analizar. Se le asigna valor de 9.

La relación entre características técnicas, se describen brevemente a continuación:

• Primer criterio es: muy fuerte y lo relaciona con el símbolo “++” que significa que la relación de las características técnicas tienen un nivel de dependencia muy alto.

• Segundo criterio es: fuerte y lo relaciona con el símbolo “+”esta relación es de una dependencia pero no muy fuerte.

• Tercer criterio es: nada no se ha determinado el grado de relación.

• Cuarto criterio es: débil y se simboliza ““que quiere decir que el criterio relacionado tiene un nivel de independencia bajo.

• Quinto criterio es: muy débil y se agina el símbolo de “ “que quiere representar un alto nivel de independencia.

3.6. Nivel de dificultad

Existen 5 niveles que determinarán cual es el nivel de dificultad que existe para los usuarios, inicia con el criterio de muy fácil con un valor asignado de 1 hasta una ponderación de muy complicado con un valor de 5.

3.7. Puntuación absoluta

Es el valor que se genera al momento de evaluar las características técnicas en relación con los requerimientos del cliente es llamada la puntuación absoluta esta puntuación se relaciona con el nivel de dificultad asignada a cada una de las características técnicas. La fórmula para calcularla es la siguiente:

3.8. Puntuación relativa

Se refiere al modo con el cual se calcula el posicionamiento de la puntuación absoluta de una característica técnica con la puntuación absoluta de la cantidad de características técnicas analizadas. La fórmula para calcularla es la siguiente:

4. Resultados y discusión de los resultados

4.1. Primera casa de la calidad

El primer resultado obtenido es la primera casa de la calidad, la cual se muestra en la figura 5. En ella se describen las CT que más influyen o pueden solucionar los RC. Esta primera matriz arrojó como resultado 36 CT.

4.2. Análisis Morfológico

El Análisis Morfológico es un método analíticocombinatorio cuyo objetivo es resolver problemas mediante el análisis de las partes que lo componen. Se basa en la concepción que cualquier objeto del nuestro pensamiento está compuesto o integrado por un cierto número de elementos y en la consideración que estos tienen identidad propia y pueden ser aislados.

Para este fin se siguieron las recomendaciones dadas en [18] para determinar con éxito las características que hacen parte del análisis morfológico, a saber:

• Generalidad e independencia entre características o funciones. Aquí se evaluó la dependencia, independencia o no validez de la característica para tenerlas en cuenta, agruparlas y realizar los diseños. En la tabla 2 se ilustran algunas.

• Características o funciones factibles.

• Una lista razonable y manejable debe tener de 4 a 8 características o funciones.

La tabla 3 ilustra un resumen de las características necesarias para realizar las propuestas de diseño. Se agrupó de la siguiente manera: Autonomía, Energía de propulsión, ruedas, inclinación de las ruedas, amortiguación, cambios climáticos y comodidad.

Estos bocetos fueron realizados por medio del Software Solid Edge, tomando como partida las características técnicas obtenidas de la primera casa de calidad y que posteriormente fueron reducidas por medio del método de análisis morfológico. Las diferentes características de análisis morfológico y algunas opciones de diseño se muestran en la tabla 4.

Para la elección de la mejor propuesta se realiza un análisis de objetivos ponderados [19]. Para ello se construye la matriz de criterios y valoración (parcialmente ilustrada en la tabla 5 ). En esta matriz el diseñador es quien asigna la calificación de tal manera que será de 1 cuando su cumplimiento del objetivo sea bajo, 3 cuando lo cumple en manera parcial y 5 cuando los cumple totalmente. Se observa como resultado de este análisis que la propuesta 1 es la que tiene mayor cumplimiento de los requisitos del cliente. Seguidamente para obtener el valor del objetivo, el diseñador deberá multiplicar su calificación con la calificación de la importancia para los usuarios que es obtenido a partir de la primera matriz de la casa de la calidad.

Algunas razones por las cuales fueron o no seleccionas son: La opción 2 no es seleccionada por cuanto la forma del asiendo dificulta convertirla en un sistema plegable y/o ajustable. La opción 3, es un asiento que se parece a una silla hospitalaria; para los encuestados no es agradable la forma de la silla puesto que a algunos les trae malos recuerdos de su discapacidad. La opción 4 no es seleccionada ya que posee un tipo de asiento y espaldar no adaptable a los usuarios en periodo de crecimiento (entre 8 y 15 años de edad). Así entonces la propuesta 1 es la que tiene mayor cumplimiento de los RC.

4.3. Propuesta seleccionada

A continuación se muestra brevemente aspectos relevantes de la propuesta seleccionada (Boceto 1). Para la selección de los materiales adecuados (tabla6), se tuvo en cuenta la segunda casa de calidad QFD (no mostrada en este artículo).

Algunos elementos adicionales en la silla son apoya brazos esencial para el diseño como parte de los elementos de comodidad que necesitan en el dispositivo, sistema de amortiguación, frenos de disco, apoyo en todo el cuerpo de la persona, apoya pies y apoya cabeza con la opción de extenderlos ya que como se mencionó, las personas están en periodo de crecimiento (figura 6).

5. Conclusiones

Una de las ventajas que se observó durante la aplicación de la metodología de diseño para el producto de movilidad, es que permite la eliminación de la subjetividad a lo largo de su proceso. Lo anterior se logra gracias a técnicas como el análisis morfológico para la toma de decisión del boceto elegido y el análisis de objetivos ponderados para determinar el nivel de relación que existe entre las características que se evalúan en las matrices de la casa de la calidad.

Por otra parte durante el proceso de levantamiento de RC, se encontraron varios de carácter muy críticos que solamente los usuarios o población objetivo (las personas con discapacidad) podían conocer, por ejemplo, que el dispositivo sea liviano debido a que las extremidades inferiores son las diseñadas para resistir el peso de las personas, los brazos no están diseñados para dicha labor. Por lo tanto si se exige mucho los músculos de los brazos estos pueden desarrollar lesiones.

Igualmente el estudio identificó que los usuarios de sillas de ruedas encuestados no se encuentran totalmente satisfechos con las mismas. Al respecto la encuesta que fue procesada durante el proceso QFD ayudó a captar con mayor facilidad los requisitos que verdaderamente son importantes para crear un boceto de diseño que puede mejorar las condiciones de comodidad de los usuarios y en general sus condiciones de vida para niños y adolescentes que se encuentran en periodo de crecimiento.

La propuesta descrita en este artículo está basada explícitamente en las necesidades de las personas discapacitadas. En efecto, tras el desarrollo de la casa de la calidad se generaron prototipos que no se alejan de la forma básica con que se cuenta actualmente, teniendo en cuenta los requerimientos antropométricos, los aspectos ergonómicos, entre otros. En etapas posteriores asociadas a este proyecto se realizará el análisis estático y dinámico de la estructura del dispositivo, así mismo como el análisis de todas sus partes constitutivas y optimización de dimensiones y material a través de software de elementos finitos. Después de ello se identificarán los procesos de fabricación de una silla piloto. De esta manera se espera en el futuro lograr construir un dispositivo que cumpla con los requisitos de cliente y criterios técnicos arrojados por el QFD, pero con materiales económicos y procesos de fabricación que conlleven a una silla de un bajo costo.

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