Ingeniería Mecánica · 2023
Diseño y construcción de un sistema protésico transfemoral de bajo costo que emule el movimiento relativo del fémur respecto a la tibia en el plano transversal
En este proyecto de investigación se construyó un mecanismo de rodilla policéntrico, de cuatro (4) barras, implementando algoritmos genéticos como metodología de síntesis, siguiendo como patrones condicionales una curva modificada de la cinemática de la rodilla incluyendo en ella el movimiento relativo de translación anteroposterior y una variante del mecanismo de watt. Los cuerpos principales del mecanismo, que soportan menores esfuerzos se construyeron mediante impresión 3D 100% sólida, utilizando resina Epoxi 9400, mientras que los componentes más críticos como brazos y pasadores/resortes de torsión fueron mecanizados en torno y fresadora convencionales con Aluminio 6063 y acero inoxidable AISI 304, respectivamente. Como resultado, se obtuvo un prototipo funcional, que proporciona estabilidad y comodidad al paciente durante la marcha, con un costo de producción de $COP 2’000.000, vida útil estimada de 2 años y con muy baja probabilidad de fallar por corrosión galvánica, lo cual es un factor relevante teniendo en cuenta el entorno de humedad pueblo-campo en el que se desempeña el paciente. La validación de este proyecto se llevó a cabo durante varias fases del diseño, realizando impresiones 3D para verificar requerimientos de movimiento y realizar modificaciones de la configuración geométrica; haciendo simulaciones en Solid Works, con resultados favorables para el análisis de desplazamientos y el esfuerzo máximo Von Mises y mediante encuestas de satisfacción aplicadas al paciente.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 16
- 1. OBJETIVOSp. 20
- 1.1 OBJETIVO GENERALp. 20
- 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOSp. 20
- 2. CUERPO DEL TRABAJOp. 21
- 2.1 MARCO TEÓRICOp. 21
- 2.1.1 Antecedentesp. 21
- 2.1.1.1 Marco Internacionalp. 22
- 2.1.1.2 Marco Nacionalp. 24
- 2.1.1.3 Marco Regionalp. 26
- 2.1.2 Marco Referencialp. 27
- 2.1.2.1 Principios Biomecánicos en las Prótesisp. 27
- 2.1.2.1.1 Ejes Anatómicosp. 28
- 2.1.2.1.2 Eje Longitudinalp. 28
- 2.1.2.1.3 Eje Transversalp. 28
- 2.1.2.1.4 Eje Anteroposteriorp. 29
- 2.1.2.1.5 Planos Anatómicosp. 29
- 2.1.2.5.6 Plano Sagitalp. 64
- 2.1.2.5.7 Plano Frontalp. 30
- 2.1.2.5.8 Plano Transversalp. 30
- 2.1.2.5.9 Descriptores Anatómicosp. 30
- 2.1.2.5.10 Cranealp. 30
- 2.1.2.5.11 Caudalp. 30
- 2.1.2.5.12 Proximalp. 30
- 2.1.2.5.13 Distalp. 30
- 2.1.2.5.14 Ventralp. 30
- 2.1.2.5.15 Dorsalp. 31
- 2.1.2.5.16 Medialp. 31
- 2.1.2.5.17 Lateralp. 31
- 2.1.2.6 Biomecánica de la Rodillap. 31
- 2.1.2.6.1 Anatomía de la Rodillap. 31
- 2.1.2.6.2 Huesosp. 32
- 2.1.2.6.3 Ligamentosp. 33
- 2.1.2.6.4 Meniscosp. 35
- 2.1.2.6.5 Cóndilosp. 35
- 2.1.2.6.6 Músculos y Tendonesp. 35
- 2.1.2.6.7 Mecánica de la Rodillap. 36
- 2.1.2.6.8 Ejes de la Rodillap. 37
- 2.1.2.6.9 Movimiento de Flexión de la Rodillap. 38
- 2.1.2.6.10 Movimiento de Extensión de la Rodillap. 38
- 2.1.2.6.11 Movimiento de Rotación de la Rodillap. 39
- 2.1.2.6.12 Traslación Anteroposteriorp. 36
- 2.1.2.6.13 Ciclo de Marchap. 23
- 2.1.2.6.14 Fase de Apoyop. 41
- 2.1.2.6.15 Fase de Balanceop. 41
- 2.1.2.6.16 Análisis Cinemático de la Marcha Humana en el Plano Sagitalp. 43
- 2.1.2.7 Prótesis Transfemoralesp. 45
- 2.1.2.7.1 Conector (Socket)p. 46
- 2.1.2.7.2 Astil o Zancop. 46
- 2.1.2.7.3 Mecanismo de Rodillap. 46
- 2.1.2.7.4 Rodillas Monocéntricasp. 47
- 2.1.2.7.5 Rodillas policéntricasp. 47
- 2.1.2.7.6 Sistema Pie-Tobillop. 48
- 2.2 DISEÑO METODOLÓGICOp. 48
- 2.2.1 Pre Fase A: Análisis del Problema de Diseñop. 49
- 2.2.1.1 Establecimiento de los Requerimientosp. 49
- 2.2.1.2 Constantes de Diseñop. 52
- 2.2.2 Fase A: Diseño Conceptual del Sistema Protésicop. 54
- 2.2.2.1 Descripción Funcional del Pacientep. 54
- 2.2.2.2 Selección de Alternativasp. 56
- 2.2.2.2.1 Mecanismo de Rodillap. 56
- 2.2.2.2.2 Prótesis Transfemoralp. 62
- 2.2.2.3 Despliegue de la Función de Calidadp. 62
- 2.2.3 Fase B: Diseño de Detalle del Sistema Protésicop. 66
- 2.2.3.1 Dimensionamiento del Mecanismo de Rodillap. 67
- 2.2.4 Selección de Materialesp. 71
- 2.2.4.1 Selección de Materias Primasp. 72
- 2.2.4.2 Selección de Componentes Estándaresp. 75
- 2.2.4.2.1 Socketp. 109
- 2.2.4.2.2 Pilónp. 109
- 2.2.4.2.3 Pie Protésicop. 109
- 2.2.4.2.4 Adaptadoresp. 76
- 2.2.5 Análisis Estructural del Sistema Protésicop. 76
- 2.2.5.1 Establecimiento del Modelo Matemáticop. 76
- 2.2.5.2 Análisis de Falla en el Mecanismop. 79
- 2.2.5.3 Pasadores y Resortesp. 76
- 2.2.6 Fase C: Optimización de los Parámetros de Diseñop. 90
- 2.2.6.1 Retroalimentación de los Parámetrosp. 93
- 2.2.6.1.1 Impresión 3Dp. 109
- 2.2.6.1.2 Simulaciónp. 93
- 2.2.6.2 Optimización de los CADp. 96
- 2.2.6.3 Análisis de Efectos y Modos de Fallos y Criticidad (FMECA)p. 100
- 2.2.7 Fase D: Fabricación, Ensamblaje y Validación del Prototipop. 104
- 2.2.7.1 Construcción del Mecanismo de Rodillap. 104
- 2.2.7.2 Ensamble del Sistema Protésicop. 105
- 2.2.7.3 Validación del Prototipop. 106
- 2.2.7.3.1 Observacionesp. 100
- 2.2.7.3.2 Encuestas de Satisfacciónp. 108
- 3. ANÁLISIS DE COSTOSp. 109
- 4. CONCLUSIONESp. 110
- 5. RECOMENDACIONESp. 112
- BIBLIOGRAFÍAp. 113
- ANEXOSp. 117
- Figura 1. Dimensionamiento de los meniscosp. 18
- Figura 2. Rango de valores para cada menisco según el casop. 18
- Figura 3. Ejes anatómicosp. 28
- Figura 4. Planos anatómicosp. 29
- Figura 5. Anatomía de la rodillap. 32
- Figura 6. Músculos y tendones pertenecientes a la rodillap. 36
- Figura 7. Ejes de la rodillap. 37
- Figura 8. Movimiento de flexión y extensión de la rodillap. 38
- Automáticap. 39
- Figura 10. Representación de los principales componentes de marchap. 41
- de soporte. TT.- Toque de talón. TP.- Toque de puntap. 42
- Figura 12. Estudio cinemático de la rodilla en el intervalo 1p. 43
- Figura 13. Estudio de la rodilla en el intervalo 2p. 44
- Figura 14. Estudio cinemático de la rodilla en el intervalo 3p. 45
- Figura 15. Esquema de prótesis transfemoral y sus partesp. 46
- Figura 16. Flujograma del diseño metodológicop. 49
- Figura 17. Resultados pre fase Ap. 53
- Figura 18. Metodología de diseño de conceptop. 54
- Figura 19. Información del pacientep. 55
- Figura 20. Alternativa 1p. 57
- Figura 21. Alternativa 2p. 58
- Figura 22. Alternativa 3p. 58
- Figura 23. Alternativa auxiliarp. 61
- Figura 24. Flujograma diseño de detallep. 67
- Figura 25. Interacción de mecanismo y curva de cinemática de la rodillap. 69
- Figura 26. Descripción de materialesp. 73
- Figura 27. Flujograma de análisis estructuralp. 76
- Figura 28. Diagrama de cuerpo libre de cadera y rodillap. 77
- Figura 29. Cálculo de fuerzas en “Y” del sistemap. 80
- Figura 30. Flujograma de cálculo de pasadoresp. 82
- Figura 31. DCL y diagramas de pasador posteriorp. 82
- Figura 32. Factor de tamañop. 85
- Figura 33. Curva fracción resistencia a la fatigap. 87
- Figura 34. DCL y diagramas de pasador anteriorp. 88
- Figura 35. Resortes superioresp. 90
- Figura 36. Resorte centralp. 90
- Figura 37. Flujograma del proceso de optimización de los parámetrosp. 91
- Figura 38. Visualización 3D de las piezas en Ultimaker CURAp. 92
- Figura 39. Mecanismo 3D, PLA con 10% de rellenop. 92
- Figura 40. Resultado de análisis de desplazamientosp. 94
- Figura 41. Resultados de análisis de Von Misesp. 94
- Figura 42. Resultado de análisis de factor de seguridadp. 95
- Figura 43. Dibujo CAD explosionadop. 97
- Figura 44. Flujograma desarrollo fase Dp. 104
- Figura 45. Fresado, taladrado e impresión 3D sólidap. 104
- Figura 46. Proceso de manufactura del mecanismo de rodillap. 105
- Figura 47. Mecanismo de rodilla ensambladop. 106
- Figura 48. Validación del mecanismo de rodillap. 107
- Figura 49. Encuesta de satisfacción diligenciadap. 108
- Tabla 1. Matriz de relacionamientop. 50
- Tabla 2. Constantes de diseñop. 53
- Tabla 3. Caracterización del pacientep. 55
- Tabla 4. Cuadro morfológicop. 56
- Tabla 5. Matriz de Pugh R1p. 59
- Tabla 6. Matriz de Pugh R2p. 60
- Tabla 7. Matriz QFDp. 64
- Tabla 8. Selección de metodología se síntesisp. 67
- Tabla 9. Dimensiones de los eslabones a partir de AGp. 70
- Tabla 10. Propiedades de los materialesp. 74
- Tabla 11. Retroalimentación de los parámetros de diseñop. 93
- Tabla 12 Partes constitutivasp. 97
- Tabla 13. Formato de ficha técnicap. 99
- Tabla 14. Formato FMECAp. 101
- Tabla 15. Hoja de decisión FMECAp. 102
- Tabla 16. Costo total para elaboración de la prótesisp. 109
- ANEXO A. Código de síntesis por algoritmos genéticosp. 117
- ANEXO B. Simulaciónp. 122
- ANEXO C. Tablas análisis FMECAp. 131
- ANEXO D. Planos del mecanismo de rodillap. 134