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PARAMETRIZACIÓN GEOMÉTRICA DE UNA PRÓTESIS TRANSRADIAL A
PARTIR DE LA MANO PROSTÉTICA ADA V1.1
CAMILO ESTEBAN CHAVES MUÑOZ
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS
BOGOTÁ D.C.
2018
PARAMETRIZACIÓN GEOMÉTRICA DE UNA PRÓTESIS TRANSRADIAL A
PARTIR DE LA MANO PROSTÉTICA ADA V1.1
CAMILO ESTEBAN CHAVES MUÑOZ
Proyecto de Trabajo de Grado en la modalidad de Solución a un problema
de Ingeniería para optar al título de Ingeniero Mecánico
Director
Ingeniero Marco Antonio Velasco Peña
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS
BOGOTÁ D.C.
2018
DEDICATORIA
A mi familia quien siempre me apoyó durante mi carrera, que han sido apoyo e
impulso para los momentos difíciles; por su comprensión y cariño incondicional.
Y, a aquella mujer quien en los últimos años de carrera me enseñó a ver la vida
de otra manera.
AGRADECIMIENTOS
En primera medida gracias a la Universidad Santo Tomás, centro de estudio
donde tuve la posibilidad de cursar mi carrera como ingeniero y, a los recursos
suministrados para el desarrollo del presente trabajo.
Al Ingeniero Marco Velasco por su apoyo, guía y enseñanza que hicieron posible
la realización del proyecto.
Al SENA (Servicio Nacional de Aprendizaje) y Voxel S.A.S. que dispusieron de
sus instalaciones y equipos para la realización de pruebas.
A mi familia, que siempre ha estado mi lado durante este camino de aprendizaje
y experiencia hacia la vida profesional.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN 10
2. OBJETIVOS 12
2.1. GENERAL 12
2.2. ESPECÍFICOS 12
3. MARCO REFERENCIAL 13
3.1. MARCO CONCEPTUAL 13
3.1.1. Amputación 13
3.1.2. Niveles de amputación de brazo 13
3.1.3. Prótesis 13
3.1.4. Antropometría 13
3.1.5. Diseño paramétrico digital 14
3.2. MARCO TEÓRICO 14
3.2.1. Prótesis transradial 14
3.2.2. Antropometría de la mano 16
3.2.3. Parametrización CAD con el Software Autodesk Inventor Pro 19
3.2.4. Juntas flexibles 19
3.2.5. Impresión 3D 21
3.3. ESTADO DEL ARTE 22
3.3.1. Prótesis en el mercado 22
3.3.2. Investigaciones 31
4.1. REQUERIMIENTOS 33
4.2. EVALUACIÓN Y PONDERACIÓN 35
5.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES 36
5.2. TIPOS DE AGARRE Y MOVIMIENTOS 38
5.3. PARÁMETROS DE IMPRESIÓN 40
5.3.1. Filamento TPU 42
5.3.2. Filamento PLA 43
5.4. ANÁLISIS DE LAS JUNTAS FLEXIBLES 44
5.4.1. Prueba mecánica de fatiga ¡Error! Marcador no definido.
5.4.2. Análisis por elementos finitos 50
6. PROPUESTA DE DISEÑO 59
6.1. MODIFICACIÓN DE LAS JUNTAS FLEXIBLES 59
7. PARAMETRIZACIÓN Y APLICATIVO CAD 67
7.1. METODOLOGÍA DE TOMA DE DATOS 67
7.1.1. Protocolo general: 67
7.1.2. Procedimiento de permisos y manejo de información: 67
7.1.3. Procedimiento de toma de medidas: 68
7.2. MODELADO CAD 72
7.3. DESARROLLO DE APLICATIVO 78
7.3.1. PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL APLICATIVO CAD 83
8.1. CONCLUSIONES 86
8.2. RECOMENDACIONES A FUTURAS INVESTIGACIONES 87
9. REFERENCIAS 89
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Prótesis de mano estética 15
Ilustración 2. Prótesis de mano mecánica 15
Ilustración 3. Esquema básico de una prótesis de mano mioeléctrica 16
Ilustración 4. Principales medidas atropométricas de la mano 17
Ilustración 5. Huesos de la mano y muñeca 18
Ilustración 6. Diagrama de bloque funcionamiento de un mecanismo flexible 20
Ilustración 7. Mano Bebionic 23
Ilustración 8. Mano prostética SensorHand Speed 24
Ilustración 9. Mano Michelangelo de Ottobock 25
Ilustración 10. Mano ImMoov 27
Ilustración 11. Mano ADA v1.1 de Open Bionics 28
Ilustración 12. Mano Dextrus 29
Ilustración 13. Mano prostética i-Limb 30
Ilustración 14. Modelo final prótesis bio-inspirada 31
Ilustración 15. Modelo CAD de la prótesis UC-1 32
Ilustración 16. Dimensiones nominales mano ADA V1.1 36
Ilustración 17. Vista con líneas ocultas de la palma de la mano ADA V1.1 37
Ilustración 18. Entradas para el cableado de la mano 38
Ilustración 19. Extrusor no optimizado para filamento flexible 42
Ilustración 20. Dimensiones de la probeta para fatiga 45
Ilustración 21. Junta palma-dedos en la prótesis ADA V1.1 46
Ilustración 22. Impresora FDM Multoo 1.5 Pro 46
Ilustración 23. Sólido rotado en el software en la posición que requiere la menor
cantidad de material de soporte 48
Ilustración 24. Parámetros de impresión utilizados 48
Ilustración 25. Extrusor de la impresora 3D 49
Ilustración 26. Nudo en el filamento del material TPU 49
Ilustración 27. Probeta para fatiga impresa 50
Ilustración 28. Gráfica esfuerzo vs deformación para el material TPU. A) Esfuerzo vs
deformación para carga uniaxial. B) Esfuerzo vs deformación para carga biaxial. C)
Esfuerzo vs deformación para cargas de flexión cortantes. 50
Ilustración 29. Esfuerzo vs ciclos para probetas de TPU envejecidas a 120°C 51
Ilustración 30. Calidad de los elementos de malla de la probeta 52
Ilustración 31. Elementos dispersos de malla después del refinamiento 53
Ilustración 32. Comparación de la calidad de enmallado para la prueba FEM. En la
parte superior la probeta con la malla de alta calidad. En la parte inferior se muestra la
malla que genera Ansys por default. 54
Ilustración 33. Caras determinadas como soporte fijo en la probeta para en análisis
FEM 55
Ilustración 34. Caras de las piezas de la prótesis que entran en contacto una vez
ensamblado el modelo 55
Ilustración 35. Ubicación de la fuerza sobre la probeta 56
Ilustración 36. Probeta en la posición neutra después de aplicada la fuerza de
precarga 57
Ilustración 37. Gráfica de step y fuerzas tabuladas para el análisis en Ansys 57
Ilustración 38. Resultados del análisis FEM para a probeta 58
Ilustración 39. Tipos de geometrías comúnmente utilizadas en juntas flexibles 59
Ilustración 40. Análisis FEM para la junta modificada de ángulo en V. En la parte
superior se muestran los resultados de esfuerzo. En la parte inferior los resultados de
ciclos de vida 62
Ilustración 41. Esquema de configuración de los dedos de dos a tres falanges 63
Ilustración 42. Ángulos obtenidos en las posiciones de agarre firme de un objeto de
40 mm de diámetro para un dedo con dos falanges 64
Ilustración 43. Ángulos obtenidos en las posiciones de agarre firme de un objeto de
40 mm de diámetro para un dedo con tres falanges 64
Ilustración 44. Posición del brazo para el procedimiento de toma de medidas 68
Ilustración 45. Líneas realizadas sobre la palma de la mano del paciente para la toma
de medidas 69
Ilustración 46. Medición de las dimensiones de la mano. En la parte superior medición
del largo de la palma. En la parte inferior, medición del ancho de la mano 70
Ilustración 47. Medición del largo de las falanges con la mano ubicada en posición de
garra 71
Ilustración 48. Toma de ancho de la muñeca 71
Ilustración 49. Planos de trabajo para el modelado de la prótesis 72
Ilustración 50. Sketch de una de los planos que conforman la palma de la mano con
todas las restricciones dimensionales requeridas 73
Ilustración 51. Medidas antropométricas de la mano tenidas en cuenta en el estudio
sobre la población colombiana entre los 20 y 29 años de edad 74
Ilustración 52. Piezas principales de la prótesis. A la izquierda la parte posterior de la
mano. A la derecha la palma con los dedos. 75
Ilustración 53. Principales dimensiones requeridas para la parametrización de la pieza
referente a la palma y los dedos 76
Ilustración 54. Principales dimensiones requeridas para la parametrización de la pieza
referente al canto externo de la mano 77
Ilustración 55. Orden de los datos en Excel para vincular con Inventor 78
Ilustración 56. Módulo de parametrización de Inventor 79
Ilustración 57. Vínculo entre Excel e Inventor 2018 80
Ilustración 58. Interfaz de usuario para el ingreso de medidas antropométricas del
paciente 80
Ilustración 59. Botones necesarios para la parametrización y actualización del modelo
82
Ilustración 60. Comparación de los modelos CAD de las prótesis para los sujetos de
estudio 84
Ilustración 61. Dimensiones para las prótesis masculina y femenina según los sujetos
de prueba utilizados. En la parte superior mano femenina. En la parte inferior mano
masculina. 85
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Ventajas y limitaciones del uso de juntas flexibles 20
Tabla 2. Tipos de impresión 3D 21
Tabla 3. Ficha técnica mano prostética Bebionic 24
Tabla 4. Ficha técnica mano prostética SensorHand Speed 25
Tabla 5. Ficha técnica mano prostética Michelangelo 26
Tabla 6. Ficha técnica mano prostética i-Limb 30
Tabla 7. Requerimientos y variables funcionales a ser evaluados en la selección de la
prótesis 33
Tabla 8. Ponderación de los requerimientos 35
Tabla 9. Tipos de agarres logrados con la mano ADA V1.1 38
Tabla 10. Tipos de movimientos logrados con la mano ADA V1.1 39
Tabla 11. Componentes de la mano ADA V1.1 41
Tabla 12. Propiedades mecánicas del filamento TPU 43
Tabla 13. Propiedades mecánicas del filamento PLA 44
Tabla 14. Datos técnicos de la máquina Multoo 1.5 Pro 47
Tabla 15. Tipos de modificación a la junta flexible 60
Tabla 16. Resultados obtenidos en las pruebas FEM con los diferentes tipos de
geometría de junta flexible utilizados 61
Tabla 17. Dimensiones promedio de la mano para la población colombiana entre 20 y
29 años de edad 74
Tabla 18. Dimensiones de parametrización para el modelo CAD base de la prótesis 75
Tabla 19. Número de planos que conforman cada una de las partes de la prótesis 81
Tabla 20. Dimensiones de la mano de los pacientes de estudio para la prueba del
aplicativo CAD paramétrico 83
1. INTRODUCCIÓN
Una persona realiza día a día actividades que requieren de cierto grado de
destreza y precisión por parte de sus miembros superiores. Sin embargo, para
alguien con discapacidad, actividades aparentemente simples pueden llegar a
ser un verdadero reto debido a la ausencia de la extremidad.
Según la Organización Mundial de la salud, más de 1000 millones de habitantes
tienen dificultades para vivir normalmente a causa de algún tipo de discapacidad,
llegando a representar cerca del 15% de la población mundial total. Para esta
organización, una persona con discapacidad se define como aquella con alguna
limitación física o mental para realizar actividades como caminar, vestirse,
bañarse, leer, escribir, escuchar, etc. (1).
En Colombia se registran pacientes con todo tipo de limitaciones. Según el censo
general hecho por el Departamento Administrativo Nacional de Estadística
(DANE) en el año 2005, cerca del 64% de la población nacional presenta algún
tipo de discapacidad, de las cuales el 14.7% sufre de limitaciones al momento
de usar su miembro superior. Este tipo de restricciones hacen referencia a
deficiencias neuromusculoesqueléticas relacionadas con el movimiento del
miembro superior, implicando el uso del brazo, la mano o los dedos para
alcanzar, llevar y soltar objetos y demás actividades que requieran la utilización
de movimientos finos y de destreza, debido a una amputación o enfermedad
congénita (2).
Datos mundiales, indican que las personas con discapacidades tienen más
probabilidades de estar desempleadas (53% hombres y 20% mujeres
respectivamente) que las personas no discapacitadas (3). A pesar de esto, la
reincorporación laboral es posible según el nivel de amputación y la edad del
paciente mediante la utilización de aparatos prostéticos que reemplacen algunas
de las funciones que originalmente cumplía la extremidad (4).
Según la Resolución 5521 del 27 de diciembre de 2013 del Ministerio de Salud,
por medio del artículo 62, se encuentran cubiertas dentro del Plan Obligatorio
de Salud ayudas técnicas como prótesis y órtesis, instalación y cambio por
desgaste, crecimiento o cambios en la morfología del paciente (5).
Sin embargo, existen problemáticas a la hora de adquirir uno de estos
implementos, desde la gran cantidad de trámites y requisitos necesarios para ser
beneficiario de los servicios del POS hasta los problemas relacionados con
movilidad y costos de la prótesis. Debido a las complejas geometrías orgánicas
que conlleva un diseño similar al miembro humano las empresas diseñadoras y
constructoras de prótesis buscan inclinarse a una de las tres variables: estética,
funcionalidad y precio.
Las prótesis ofrecidas con apariencia estética suelen ser incapaces de proveer
la suficiente funcionalidad en los movimientos de agarre de objetos,
presentándose la pérdida de grados de libertad (6). Los diseños de prótesis con
tecnología mioeléctrica que se ofrecen en el país son importados y, en
consecuencia, de un alto costo (7). Debido a esto, a pesar de tener cantidad
limitada de movimientos, en Colombia siguen siendo más utilizadas las prótesis
mecánicas de gacho, debido a agilidad y precio en relación a aquellas de alta
tecnología (8).
Por otro lado, en diferentes universidades se encuentran desarrollando
proyectos de investigación desde pregrado hasta doctorales en busca del
mejoramiento de las prótesis actuales, enfocándose en la movilidad en general
o en el sistema de control a utilizar, automatizando las tareas realizadas por el
miembro artificial (9). También se incluyen en las investigaciones, las
metodologías de manufactura y el costo que representaría para el usuario final
la adquisición de un aparato prostético.
Considerando la importancia del tema, en este trabajo de grado se escogió el
diseño de prótesis ADA v1.1, un modelo Open Source desarrollada como
prototipo de investigación y prótesis para actividades de uso liviano. Se propone
realizar una mejora en las juntas de los dedos, con el fin de tener una mayor
resistencia a la fatiga y extender el tiempo de vida del aparato, así como también
generar un aplicativo de parametrización que permita a cualquier usuario utilizar
la prótesis sin importar sus dimensiones antropométricas.
El conocimiento de este trabajo pretende sentar bases de estudio en el diseño y
manufactura de prótesis en la universidad, siendo este un campo poco explorado
y trabajado en el país, abriendo las puertas a la posibilidad de generar
investigaciones futuras dentro de la institución promoviendo la investigación
universitaria como herramienta para generar impacto social ayudando a las
personas que lo requieran.
2. OBJETIVOS
2.1. GENERAL
Parametrizar geométricamente una prótesis transradial a partir de la mano
prostética ADA V1.1
2.2. ESPECÍFICOS
- Realizar un análisis por elementos finitos de las juntas flexibles de los dedos
de la mano prostética ADA V1.1
- Proponer una mejora de diseño de las articulaciones de los dedos de la
prótesis ADA V1.1 disminuyendo la probabilidad de falla por fatiga
- Desarrollar un aplicativo CAD para parametrizar los componentes de la mano
prostética.
3. MARCO REFERENCIAL
3.1. MARCO CONCEPTUAL
3.1.1. Amputación
Procedimiento quirúrgico que comprende la extirpación de una
extremidad/miembro o parte del mismo a través de uno más huesos. Son
indicadas cuando hay una pérdida irreparable del flujo sanguíneo a un miembro
enfermo o lesionado (10).
3.1.2. Niveles de amputación de brazo
Describe el sitio por el que se amputa una parte del cuerpo. El nivel de
amputación, junto con otra serie de factores se usa para determinar la prótesis
adecuada para cada caso en particular.
En el caso del miembro superior, las amputaciones se dividen en amputaciones
parciales de mano, desarticulación de muñeca, amputación transradial,
desarticulación de codo, amputación transhumeral, desarticulación de hombro e
interescapulotoráxica (11).
Este trabajo se enfoca en una prótesis para uso transradial, es decir que la
amputación se realiza a medio antebrazo por el hueso del radio, conservando la
articulación de codo.
3.1.3. Prótesis
Según la norma ISO 8549-1 (Términos generales para prótesis y órtesis
externas) revisada y actualizada en 2011, una prótesis es un aparato externo
usado para reemplazar parcial o completamente una parte faltante o deficiente,
incluyendo cualquier dispositivo que tenga parte dentro del cuerpo humano para
fines estructurales o funcionales (12).
3.1.4. Antropometría
Es la disciplina que describe las diferencias cuantitativas de las medidas del
cuerpo humano y estudia las dimensiones considerando como referencia las
estructuras anatómicas, esto es, que ayuda a describir las características físicas
de una persona o grupo de personas (13).
3.1.5. Diseño paramétrico digital
Permite dinamizar el proceso de creación de un modelo y su posterior revisión,
facilitando la introducción de cambios en cualquier momento del proceso de
construcción o revisión del mismo. Así mismo, permite establecer trazabilidad
entre los parámetros de forma que un error dimensional es más sencillo de
localizar y corregir (14).
Se pueden definir dentro de un modelo CAD parametrizado, leyes no lineales
entre las proporciones del diseño, en función de un parámetro, mediante
ecuaciones de cualquier tipo, y, al mismo tiempo, establecer relaciones
geométricas de ligadura entre las formas, de tal suerte que se pueda ensayar un
modelo de diseño con base en diferentes valores del parámetro, buscando la
funcionalidad del modelo o la estética del mismo (15).
Este proceso permite tener la facilidad de realizar cambios en un modelo sin
necesidad de borrar gran cantidad de operaciones o incluso empezar
nuevamente el diseño. Una prótesis con diseño parametrizado permitiría a
cualquier individuo obtener un modelo que se adapte estéticamente a su cuerpo
al utilizar las dimensiones antropométricas de su propia extremidad.
3.2. MARCO TEÓRICO
3.2.1. Prótesis transradial
Es un tipo de prótesis para amputaciones de miembro superior indicada para
pacientes que hayan sufrido algún tipo de amputación por trauma, o en su
defecto para pacientes que requieran su uso por sufrir de algún tipo de
malformación congénita por debajo de la articulación de codo a mitad del
antebrazo (16). Para estas prótesis, además, existen diferentes tipos
dependiendo de lo que el usuario final requiera, pues se pueden tener prótesis
tanto pasivas (Ilustración 1) como activas.
Ilustración 1. Prótesis de mano estética
Fuente. MedicalExpo (17)
Aquellas denominadas pasivas tienen la finalidad de ser netamente estéticas,
enfocadas en simular tanto en colores como en texturas a una mano humana,
sin embargo, su funcionalidad es completamente nula debido que se construye
con el fin de lograr una rehabilitación psicológica en el paciente (16).
Por otro lado, en las prótesis activas se encuentran aquellas de accionamiento
mecánico y las mioeléctricas. Las prótesis mecánicas usan sistemas de cables,
poleas, palancas e incluso engranajes para accionar la mano a voluntad del
usuario, manteniendo la dependencia del otro miembro para lograr efectuar la
acción (Ilustración 2).
Ilustración 2. Prótesis de mano mecánica
Fuente. Arce, C. (18)
Las prótesis mioeléctricas, como en las que se enfoca el presente trabajo,
funcionan por medio de sensores y un sistema de control para accionar
servomotores y así lograr la movilidad con ayuda de mecanismos, engranajes,
resortes o cables. En la Ilustración 3, se muestra un esquema básico para una
prótesis de este tipo.
Ilustración 3. Esquema básico de una prótesis de mano mioeléctrica
Fuente. Flores, R. (19)
Este tipo de prótesis ha tenido un gran avance en los últimos años gracias al
rápido desarrollo tecnológico en sistemas de control y sensórica, los cuales
acompañados de ingeniosos arreglos mecánicos han logrado entregar al público
diseños de todo tipo cada vez más funcionales y estéticos a la vez.
3.2.2. Antropometría de la mano
Para realizar cualquier tarea manual, se requiere de ciertas condiciones físicas
para que ésta sea hecha de una manera adecuada y eficiente. Teniendo en
cuenta esto, el diseño de una prótesis con las dimensiones antropométricas
correctas ayudará al paciente a una mejor ejecución de las actividades y, por
tanto, a mejorar su proceso de rehabilitación. En la
Ilustración 4 se muestran las principales medidas de la mano que se deben tener
en cuenta en un estudio antropométrico.
Ilustración 4. Principales medidas antropométricas de la mano
Fuente. Yunis, M. (20)
Las medidas especificadas (descritas en la
Ilustración 4) por Yunis hacen referencia a:
- Longitud máxima de la mano (1): Distancia vertical de la base de la
mano hasta la base del tercer dedo (desde el primer pliegue de la muñeca
hasta la base del dedo medio).
- Longitud palmar (2): Desde el pliegue más distal y palmar de la muñeca
hasta el pliegue más proximal de la segunda falange.
- Ancho de la mano (3): Distancia horizontal desde el borde externo
lateral, sobre el quinto dedo hasta el borde lateral del segundo dedo a la
altura del nudillo.
- Espesor de la mano (5): Medida en centímetros con la mano desde una
proyección lateral. Línea proyectada desde la cabeza del segundo
metacarpiano por palmar hasta el segundo metacarpiano por dorsal.
- Diámetro de agarre (6): Diámetro interior máximo que se puede lograr
utilizando el dedo medio y el pulgar sin que estos se separen.
- Circunferencia máxima de la mano (7): Medida en torno a la muñeca a
la cabeza del primer metacarpiano pasando por la eminencia hipotenar.
- Circunferencia de la mano (8): Se registra rodeando la mano a modo de
perímetro pasando por la cabeza del quinto metacarpiano.
- Longitud de las falanges: Medida comprendida entre la cabeza del
metacarpiano hasta el extremo de la falange correspondiente, tomada con
los dedos a flexión de 90°.
En la Ilustración 5 se muestra un esquema de la estructura ósea de la mano,
nombrando los huesos que sirven de referencia a la hora de hacer una toma de
las dimensiones necesarias.
Ilustración 5. Huesos de la mano y muñeca
Fuente. FisioStar (21)
En este trabajo, se requiere de las dimensiones del miembro para simular, de
una mejor manera el tamaño ideal de la prótesis según la antropometría de la
persona, permitiendo así una mejor adaptación a la misma.
3.2.3. Parametrización CAD con el Software Autodesk Inventor Pro
El software Autodesk Inventor Pro permite parametrizar modelos a partir de un
sketch o sólido ya creado vinculado a un libro de Excel para una fácil
modificación y manejo de datos.
Para hacer parametrización de modelos con este software CAD se debe:
- Crear en Inventor un sketch o un sólido
- Definir en el modelo todas las dimensiones. Se debe utilizar la herramienta
“General Dimension”.
- Crear un libro de Excel para vincular los datos
- Ubicar en la columna A los nombres de las variables a trabajar, y en la
columna B los valores indicados.
- En inventor en la sección de “Manage” ir a parámetros
- Vincular el libro de Excel anteriormente creado y actualizar
- Dar los nombres a las variables de Inventor con los datos vinculados de
Excel. Debe ser el mismo nombre utilizado en la hoja.
- Modificar los datos en Excel, guardar el libro y actualizar el modelo en
Inventor
Este trabajo busca hacer provecho de este sistema de parametrización,
utilizando como base las dimensiones antropométricas de la persona y la
posibilidad de generar ecuaciones a las variables en Excel.
Con esto, se pretende generar un modelo de prótesis imprimible que ajuste de
la mejor manera posible a la persona, utilizando las dimensiones del miembro
contrario del paciente.
3.2.4. Juntas flexibles
Un mecanismo flexible es un sistema mecánico compuesto por al menos un
componente que es sensible a la deformación, por tanto, obtiene su movilidad
transformando una energía de activación de origen mecánico, térmico,
magnético, eléctrico, etc., en un desplazamiento de salida (22). En la Ilustración
6 se muestra un diagrama de bloque relacionado con el principio general de
funcionamiento de una junta flexible.
Ilustración 6. Diagrama de bloque funcionamiento de un mecanismo flexible
Fuente. Cubillos, L. (22)
Uno de los aspectos que determina el comportamiento de un mecanismo flexible,
es el dimensionamiento y modelamiento geométrico de aquellas zonas donde se
concentra la flexibilidad y movilidad del mecanismo, presentando una alta
concentración de esfuerzos (22). A estas zonas se les denomina juntas flexibles.
Este tipo de juntas hacen parte de un mismo cuerpo con el resto de los elementos
o eslabones del mecanismo a diferencia de las juntas de rotación
convencionales. En la Tabla 1 se enumeran algunas ventajas y limitaciones del
uso de juntas flexibles en un mecanismo.
Tabla 1. Ventajas y limitaciones del uso de juntas flexibles
VENTAJAS LIMITACIONES
- Sin pérdidas de fricción - No necesita lubricación
- No hay presencia de tolerancias de ensamblaje (backslash)
- Menor volumen en relación a las juntas tradicionales
- Posibilidad en aplicaciones de pequeña escala
- Fabricación más sencilla y menor cantidad de pos procesos
- Relativamente bajos
niveles de rotación - Se involucran esfuerzos
combinados, por lo que no se presenta rotación pura
- No hay punto fijo que rotación debido a la constante deformación del elemento durante la rotación
- Mayor sensibilidad térmica que una junta tradicional
Fuente. Adaptado de Cubillos, L. (22)
Este tipo de juntas es ampliamente utilizado en la industria médica, donde son
requeridos mecanismos de poco tamaño y gran precisión. Por ejemplo, algunos
desarrollos en materia de sistemas prostéticos suponen el uso de juntas flexibles
debido a su parecido con los tendones de una persona.
La implementación de este tipo de arquitectura en aparatos de índole prostética
requiere un uso eficiente y preciso de métodos avanzados de manufactura, un
diseño estructural optimizado con el fin de lograr un balance adecuado entre
tiempo de vida del elemento y la resistencia del mismo (23).
3.2.5. Impresión 3D
Es el proceso de unir materiales para hacer objetos a partir de un modelo digital,
normalmente poniendo una capa encima de otra, por contraposición a las
metodologías de fabricación sustractivas, tales como el mecanizado tradicional
(24).
Con el paso de los años, se han desarrollados diferentes tecnologías de
manufactura aditiva. En la Tabla 2, se mencionan los tipos de impresión 3D y
una corta descripción de su principio de funcionamiento.
Tabla 2. Tipos de impresión 3D
TECNOLOGÍA PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO IMAGEN
SLS (Sinterización por láser selectiva)
Se funden las partículas de polvo de plástico, metal, cerámica o vidrio por medio de un láser, mientras se va formando el sólido deseado.
STL (Estereolitografía)
Un láser Ultravioleta (UV) cura una resina líquida capa por capa.
TECNOLOGÍA PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO IMAGEN
FDM (Modelado por deposición fundida)
Se extruye filamento fundido por una boquilla, construyendo el objeto capa por capa.
PJ (Polyjet) Se llena una cámara con resina fotopolímero y una luz UV cura la resina una capa tras otra.
Fuente. Adaptado de Fundación Materialización 3D (25)
Gracias a su versatilidad, esta tecnología en manufactura ha llegado para
impactar de forma drástica el campo de la medicina, creando soluciones
completamente nuevas que no podrían existir con técnicas anteriores.
El crecimiento de la impresión 3D en el campo de las aplicaciones médicas ha
sido extremadamente rápido si se compara con otro tipo de industrias que
también utilizan la manufactura aditiva en sus procesos productivos (26).
3.3. ESTADO DEL ARTE
Para determinar el tipo de prótesis que será objeto de estudio en el presente
trabajo se debe entrar a mirar la tecnología actual en el mercado y en las
investigaciones en demás centros investigativos y universidades. Debe tenerse
en cuenta no solamente la tecnología, sino también la funcionalidad, materiales
utilizados, métodos de manufactura y precio de venta de cada modelo.
3.3.1. Prótesis en el mercado
3.3.1.1. Bebionic: Prótesis desarrollada por Ottobock, una empresa
alemana especializada en implantes prostéticos externos
3.3.1.2. Ilustración 7).
Ilustración 7. Mano Bebionic
Fuente. Ottobock (27)
La mano cuenta con motores individuales en cada uno de los dedos, permitiendo
sujetar objetos con naturalidad y de forma coordinada. Cada uno de los motores
está dispuesto de forma tal que la distribución de peso se encuentra
completamente optimizada (27), gracias a esto el modelo es capaz de realizar
14 tipos de agarres diferentes. Así mismo, es capaz de agarrar objetos de hasta
45 kg.
Cada dedo cuenta con un sensor que le permite detectar si, al momento de tener
un objeto agarrado este se resbala, ajustando automáticamente la presión de
prensión ejercida. Además, los dedos tienen unas almohadillas que mejoran la
sujeción.
Por otro lado, se puede recubrir con un guante diseñado específicamente para
la prótesis Bebionic. El guante está compuesto por varias capas de caucho,
forrado internamente con una malla de tela que le permite resistir el desgaste y
daños por punción (27). Viene en 19 tonos diferentes que simulan el color de
piel.
Ottobock ofrece la prótesis en 2 tamaños diferentes, acoplándose a una gran
variedad de pacientes, tanto del sexo masculino como femenino.
En la Tabla 3 se muestran los datos técnicos de la mano Bebionic.
Tabla 3. Ficha técnica mano prostética Bebionic
ITEM VALOR UNIDAD
Voltaje de operación 7,4 V
Apertura máxima* 165 - 200 mm
Tiempo de apertura/cierre 1 s
Fuerza de agarre
Puño 140,1 N
Trípode 36,6 N
Llave 26,5 N
Masa* 591 - 661 g
Nota: Los valores con * dependen del tamaño de la prótesis
Fuente. Ottobock (27)
3.3.1.3. SensorHand Speed: Prótesis mioeléctrica diseñada y
comercializada por la empresa alemana Ottobock.
Cuenta con una alta tecnología, enfocada en el agarre de presión de objetos,
controlando la presión con la cual se agarran los objetos, evitando que estos se
quiebren o resbalen espontáneamente de la mano gracias a un avanzado
software desarrollado por la misma compañía.
El diseño tiene forma de pinza tipo gripper, con un sensor ubicado en el extremo
del pulgar (Ilustración 8), el cual toma datos y envía una señal para modificar la
fuerza de cierre si detecta una deformación considerable en el objeto o si este
se desliza. Adicionalmente, la prótesis permite realizar movimientos de
pronación y supinación de la muñeca.
Ilustración 8. Mano prostética SensorHand Speed
Fuente. Ottobock (28)
Adicionalmente, la prótesis puede ser recubierta con un guante de látex que
simula el color de la piel.
En la Tabla 4 se muestran los datos técnicos de la prótesis SensorHand Speed.
Tabla 4. Ficha técnica mano prostética SensorHand Speed
ITEM VALOR UNIDAD
Voltaje de operación 6 - 7,2 V
Rango de temperatura de operación
0 a 70 °C
Apertura máxima 100 mm
Velocidad de cierre 15 - 300 mm/s
Fuerza de agarre 100 N
Masa 460 g
Fuente. Ottobock (28)
3.3.1.4. Michelangelo: Modelo de prótesis de mano desarrollada por
Ottobock (
3.3.1.5. Ilustración 9).
Ilustración 9. Mano Michelangelo de Ottobock
Fuente. Ottobock (29)
La mano está controlada basándose en el sistema Axon-Bus (Adaptative
eXchange Of Neuroplacement data), gracias a esto, todos sus componentes
están optimizados para funcionar y comunicarse perfectamente entre sí,
eliminando la perdida de velocidad y/o funcionalidad de la prótesis (29).
Cuenta con una unidad mecánica denominada AxonWrist, que le permite
flexionar, extender, hacer movimientos de prono-supinación, además de simular
el movimiento de una muñeca en posición neutral relajada.
El diseño de sus juntas y dedos, acompañado del eficiente sistema de control le
permite a la mano realizar siete tipos diferentes de agarre, replicando numerosas
funciones de una mano humana.
Por otro lado, la prótesis se puede recubrir con un guante que se asemeja a la
textura y color de la piel humana hasta en 7 matices de colores diferentes (29).
En la Tabla 5 se describen las características técnicas de la prótesis de mano
Michelangelo.
Tabla 5. Ficha técnica mano prostética Michelangelo
ITEM VALOR UNIDAD
Voltaje de operación 11,1 V
ITEM VALOR UNIDAD
Rango de temperatura de operación
-10 a 60 °C
14 –a 140 °F
Apertura máxima 120 mm
Velocidad de cierre 325 mm/s
Fuerza de agarre
Oposición 70 N
Lateral 60 N
Neutral 15 N
Masa 420 g
Fuente. Ottobock (29)
3.3.1.6. InMoov: Es un prototipo de mano robótica diseñada por el escultor
francés Gael Langevin como parte de su proyecto InMoov, el primer androide
hecho por impresión 3D y en formato OpenSource.
La mano InMoov (Ilustración 10) estuvo pensada para aplicaciones no sólo
investigativas sino como una ayuda prostética de alta tecnología y bajo costo
(30).
Su diseño le permite realizar gran cantidad de agarres y movimientos similares
a la mano humana. Los servomotores se encuentran ubicados en la sección del
antebrazo o socket (en caso de ser utilizada como prótesis). El movimiento es
realizado por medio de tensión de alambres.
Ilustración 10. Mano ImMoov
Fuente. Thingiverse InMoovHand (30)
La muñeca se puede programar para realizar movimientos de supinación, prono
supinación, flexión y extensión, con ayuda de un sistema de pequeños
engranajes también impresos.
El sistema de control se basa en lenguaje Arduino y se encuentra disponible para
el público en general desde la página oficial de InMoov.
3.3.1.7. ADA V1.1: Diseño realizado por Open Bionics, empresa del
ingeniero estadounidense en robótica Joel Gibbard, como parte de su desarrollo
en prótesis de manufactura aditiva de bajo costo.
El modelo se hace como objeto de estudio para investigaciones en robótica y
biomecánica (31); así como implante prostético externo para amputaciones de
articulación de muñeca y transradial (Ilustración 11).
Ilustración 11. Mano ADA v1.1 de Open Bionics
Fuente. OpenBionics (31)
Su impresión se hace en dos tipos de materiales diferentes, filamento flexible y
PLA. Los servomotores y la tarjeta de control se ubican directamente en la palma,
de tal forma que se distribuya el peso de manera uniforme a lo largo y ancho de
la mano.
Los dedos son accionados por medio de cables de manera independiente, lo que
le permite realizar gran variedad de agarres y movimientos. Los archivos de sus
componentes se encuentran disponibles OpenSource, libres para su descarga y
reproducción. Sin embargo, la compañía ofrece el kit en su página web con la
mano armada y lista para su funcionamiento.
3.3.1.8. Dextrus Hand: La mano Dextrus (Ilustración 12) es un diseño de
ingeniero en robótica Joel Gibbard como parte de los desarrollos del Open Hand
Project.
Tiene los servomotores al interior de la palma, lo que la hace versátil en un gran
rango de medidas de usuarios. El sistema de control se hace por medio de
sensores EMG con una interfaz intuitiva que permite al paciente crear su propia
configuración del hardware (32).
Su manufactura utiliza plástico ABS como material principal y por medio de
impresión 3D. Los tendones están hecho de alambre trenzado de acero
inoxidable de 1 mm recubierto en nylon (32).
Ilustración 12. Mano Dextrus
Fuente. Open Hand Project (32)
Cada servomotor actúa de forma independiente para mover cada dedo, por lo
que mano es capaz de realizar una gran cantidad de agarres, además de contar
con sensores de presión en el extremo de cada dedo (en su versión más
avanzada) que le permite mantener objetos con firmeza (32).
Todos los archivos se encuentran disponibles y libres para su descarga y
modificación directamente en la página oficial del Open Hand Project.
3.3.1.9. I Limb Ultra: Es un modelo prostético diseñado por Touch Bionics,
de Össur (Ilustración 13).
Cada dedo de esta mano se encuentra vinculado a un actuador, por lo que cada
uno tiene la posibilidad de moverse de forma independiente. Así, tiene gran
variedad de agarres y movimientos disponibles (33).
Ilustración 13. Mano prostética i-Limb
Fuente. Touch Bionics (33)
Se puede ajustar con uno o dos sensores EMG controlando los movimientos de
la mano a partir de lecturas del movimiento muscular del miembro residual del
usuario. Así mismo, tiene sensores que varían la presión si detectan que el objeto
se resbala de la mano.
Además, se puede vincular a una aplicación para dispositivos móviles que le
permite realizar diferentes gestos de la mano ya predeterminados y útiles para
diversas aplicaciones (33). Para prótesis de tipo transradial se puede configurar
con muñeca movible, con movimientos de flexión y extensión.
El modelo viene en cuatro tamaños diferentes, por lo que se puede adaptar a
gran cantidad de pacientes. Como extra, se puede utilizar un guante de
recubrimiento en tono blanco, negro o hasta 18 colores de piel diferentes.
En la Tabla 6, se muestran los datos de ficha técnica de la mano i-Limb.
Tabla 6. Ficha técnica mano prostética i-Limb
ITEM VALOR UNIDAD
Voltaje de operación 7,4 V
Rango de temperatura de operación
-40 - 70 °C
Apertura máxima* 154,2 - 182,5 mm
Tiempo de apertura 0,8 - 1,2 s
ITEM VALOR UNIDAD
Fuerza de agarre Puño 100 N
Lateral 21 N
Masa* 467 - 628 g
Nota: Los valores con * dependen del tamaño de la prótesis
Fuente. Touch Bionics (33)
3.3.2. Investigaciones
3.3.2.1. Prótesis bio-inspirada con cinco grados de libertad: Prototipo
desarrollado en la Universidad Nacional de Colombia por el ingeniero Jair Loaiza
como parte de una tesis investigativa de maestría en ingeniería Mecánica dentro
del grupo de Investigación en Diseño Optimo – Optimun.
La prótesis es capaz de emular los movimientos de agarre de los cinco dedos, la
oposición del pulgar a los dedos índice y corazón (pinza tridigital), flexo extensión
de la muñeca y la prono-supinación del antebrazo (Ilustración 14). Es accionada
por 5 motores DC, de los cuales 4 se encuentran en la palma hueca y el restante
en el antebrazo (34).
El proyecto define como materiales de construcción el Nylon 6/10 y acero AISI
1020, con procesos de manufactura como maquinado CNC, maquinado
convencional, corte láser y fundición por centrifugado (34).
Ilustración 14. Modelo final prótesis bio-inspirada
Fuente. Loaiza, J. (34)
3.3.2.2. Mano robótica UC-1: Prótesis desarrollada como parte de un
proyecto investigativo en la Universidad Pontificia Javeriana, como derivación de
la investigación “Prótesis robótica para amputados de mano” de la Universidad
del Cauca.
Los principales parámetros considerados en el diseño de la prótesis fueron la
funcionalidad, simetría corporal y peso (7).
La mano cuenta con una palma y tres dedos poli articulados que pueden realizar
flexo-extensión y un dedo pulgar, que además del movimiento ya nombrado
permite la pronosupinación (7).
La mano está desarrollada con 6 actuadores, y sensores de posición y fuerza, lo
que permite el control sobre el agarre del objeto. El diseño final cuenta
únicamente con 3 dedos (índice, medio y pulgar) con los que realiza 5 tipos de
agarres diferentes.
En la Ilustración 15 se muestra el modelo CAD de la prótesis UC-1 realizado por
los autores.
Ilustración 15. Modelo CAD de la prótesis UC-1
Fuente. Quinayás, B; Muñoz , M; Vivas, Ó; Gaviria, C (7)
4. SELECCIÓN DE DISEÑO A PARAMETRIZAR
Teniendo en cuenta la revisión del estado del arte de diez modelos de prótesis
disponibles en el mercado o desarrolladas como trabajos investigativos se
determina cual es el diseño más viable a ser trabajado en el presente proyecto.
4.1. REQUERIMIENTOS
Se tiene en cuenta el método de QFD (Quality Function Deployment) para
evaluar la tecnología y escoger el diseño más apropiado. En primera medida, se
precisan los requerimientos que ha de cumplir la prótesis, generando variables
cuantificables de orden funcional.
En la Tabla 7 se muestran los requerimientos, su descripción y las variables con
las cuales serán analizados cada uno.
Tabla 7. Requerimientos y variables funcionales a ser evaluados en la selección de la prótesis
REQUERIMIENTO REF VARIABLES
FUNCIONALES UNIDAD DESCRIPCIÓN
Fácil manufactura R1 Cantidad de procesos de manufactura
-
Se debe requerir la menor cantidad de procesos de manufactura, evitando la necesidad de post-procesos y aumentando la velocidad de construcción de la prótesis. Impacto ambiental positivo al necesitar menos maquinaria y consumo energético.
Fácil ensamble R2 Número de piezas
-
La prótesis debe contar con la menor cantidad de piezas posibles, evitando un alto impacto ambiental.
REQUERIMIENTO REF VARIABLES
FUNCIONALES UNIDAD DESCRIPCIÓN
Durable R3 Resistencia a la fatiga
ciclos
La mano debe ser capaz de resistir a la cantidad de movimientos a la cual será sometida el mayor tiempo posible
Económica R4 Costo COP Debe ser de un costo asequible para el usuario
Tamaño R5 Volumen de la prótesis
mm^3
Relacionado a las dimensiones finales de la prótesis. El volumen debe ser similar al volumen ocupado por la mano de la persona
Liviana R6 Masa total Kg
En lo posible debe ser liviana para solventar la pérdida de fuerza y masa muscular a causa de la no presencia del miembro natural
Fácil adquisición R7 Disponibilidad de formato OpenSource
-
Se debe poder descargar los archivos y/o planos del diseño en formato Open Source abierto al público
Buen agarre R8 Fuerza de prensión
N
Debe tener la fuerza suficiente al momento de agarrar objetos, sin quebrarlos, romperlos o dejarlos caer
Movilidad R9 Grados de libertad
-
El modelo debe ser capaz de replicar agarres y movimientos de una mano humana
Fuente. Autor
4.2. EVALUACIÓN Y PONDERACIÓN
Una vez definidos los requerimientos que debe cumplir la prótesis y
comparándolos con variables funcionales, se prosigue a la evaluación de cada
uno para los modelos revisados en el estado del arte.
Tabla 8. Ponderación de los requerimientos
MODELO CALIFICACIÓN POR REQUERIMIENTO
PROMEDIO R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9
Bebionic 1 1 10 1 7 2 0 10 8 4,44
SensorHand Speed
1 1 10 3 6 5 0 10 5 4,56
Michelangelo 1 1 10 1 6 5 0 10 10 4,89
InMoov 7 5 5 8 5 8 10 8 8 7,11
ADA v1,1 8 7 5 8 6 8 10 5 8 7,22
Dextrus Hand 8 5 5 8 6 7 10 7 8 7,11
i Limb Ultra 1 1 10 2 8 4 0 10 10 5,11
Prótesis bio-inspirada con cinco grados de libertad
5 5 5 5 5 7 0 5 8 5,00
Mano robótica UC-1
5 8 8 5 4 10 0 8 5 5,89
Fuente. Autor
Teniendo en cuenta los resultados mostrado en la Tabla 8, se puede observar
que la mejor opción a ser trabajada como modelo de parametrización es la mano
de Open Bionics ADA V1.1.
Este modelo se muestra como el más versátil de todos los estudiados con una
calificación total de 7,22 puntos de 10 posibles, siendo la más alta por una
diferencia de 0,11 puntos respecto a las prótesis InMoov y Dextrus Hand.
5. CARACTERIZACIÓN DE LA MANO PROSTÉTICA ADA V1.1
5.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES
La mano ADA V1.1 fue diseñada para ser de rápida y fácil manufactura, siendo
una excelente posibilidad como plataforma de pruebas investigativas en prótesis
y robótica (31). Cuenta con 5 grados de libertad, un sistema de control de código
abierto compatible con Arduino y 5 servomotores ubicados en la estructura
principal al interior de la palma, trabajando con un voltaje total de 12v. Cada dedo
funciona con un actuador independiente (alambres que simulan los tendones)
permitiéndole realizar varios tipos de agarres importantes en las actividades
básicas de una persona.
El modelo cuenta con unas dimensiones nominales de 215 x 178 x 58 mm
(Ilustración 16) y una masa aproximada de 380 g, teniendo en cuenta que se
utilicen las especificaciones que recomienda la empresa para su impresión y
ensamble.
Ilustración 16. Dimensiones nominales mano ADA V1.1
Fuente. Autor
La mano es una derivación del modelo anterior de la misma compañía, la mano
robótica Dextrus realizada por el Open Hand Project (31), un proyecto que busca
hacer posible para que las personas con discapacidades puedan obtener una
prótesis de alta tecnología a un bajo costo, por medio de herramientas como el
prototipado rápido y los sensores EMG.
La palma de la mano cuenta en su interior con espacios destinados para
posicionar los 5 servomotores que accionan el sistema de movimiento, así como
un conducto por cada dedo por donde pasa el alambre que funciona como
actuador (Ilustración 17).
Ilustración 17. Vista con líneas ocultas de la palma de la mano ADA V1.1
Fuente. Autor
Por su parte, la cubierta trasera cuenta con agujeros para conexiones y cableado
(cable de poder, USB y cable de 3.5 mm) ubicado en la zona de la muñeca. De
igual forma, tiene 4 agujeros roscados (4 x M3) distribuidos a lo largo del
perímetro para el acople de un soporte externo, ya sea un socket o una base
para estudios de movimiento (Ilustración 18).
Ilustración 18. Entradas para el cableado de la mano
Fuente. OpenBionics (31)
Las piezas de la prótesis, se encuentran para su libre descarga desde la página
oficial de OpenBionics, o directamente desde webs especializadas en micro
proyectos relacionados con la impresión 3d como Thingiverse e Instructables.
5.2. TIPOS DE AGARRE Y MOVIMIENTOS
Debido a su configuración estructural, la prótesis puede simular varios movimientos de una mano humana, logrando agarrar gran cantidad de geometrías. Sin embargo, se mantienen restricciones de peso al momento de sostener una masa con la prótesis, pues el material puede llegar a deformarse o fallar.
En la Tabla 9 se muestran los agarres que esta mano puede realizar, así como su carga máxima.
Tabla 9. Tipos de agarres logrados con la mano ADA V1.1
AGARRE CARGA ÚTIL [kgf] IMAGEN
Empuñadura 1
AGARRE CARGA ÚTIL [kgf] IMAGEN
Agarre de gancho 5
Agarre en trípode 0,7
Agarre de aguja 0,4
Fuente. OpenBionics (31)
De igual forma, en la Tabla 10 se listan los tipos de gestos principales que esta mano puede efectuar gracias a su diseño geométrico y estructural.
Tabla 10. Tipos de movimientos logrados con la mano ADA V1.1
MOVIMIENTO IMAGEN
Saludo (agarre de mano)
MOVIMIENTO IMAGEN
Gesto de punto
Gesto de pulgar
Fuente. OpenBionics (31)
Gracias a su diseño, la mano logra replicar con gran precisión los movimientos
de una mano humana, esto gracias a la conexión individual de los servomotores
con cada dedo, además de poseer una arquitectura que le permite adaptarse a
diferentes objetos.
La mayor ventaja de este modelo es su capacidad de lograr agarres de precisión,
como el de trípode y aguja, siendo de gran ayuda en actividades como sujetar
un lápiz para escribir, objetos pequeños como una memoria USB o actividades
cotidianas y aparentemente simples como cerrar la cremallera de un abrigo.
5.3. PARÁMETROS DE IMPRESIÓN
La mano se encuentra divida en 4 secciones, cada una de las cuales se debe
imprimir con ciertas condiciones específicas para procurar su correcto
ensamblaje.
En la Tabla 11 se listan cada una de las partes de la mano y sus respectivas
características generales en función del filamento en que se debe imprimir.
Tabla 11. Componentes de la mano ADA V1.1
Componente Material Masa
[g]
Tiempo de
impresión [h]
Volumen de
impresión [mm]
Imagen
Palma Ninjaflex
(TPU) 160 26
180 x 200 x 45
Cubierta trasera
PLA 57 6 130 x 95 x
40
Soporte superior PCB
PLA 6 0,67 80 x 70 x
10
Soporte inferior PCB
PLA 10 0,67 80 x 70 x
10
Fuente. OpenBionics (31)
Para obtener una correcta impresión de cada una de las partes, y asegurando
un comportamiento mecánico adecuado, la empresa recomienda configurar
adecuadamente los parámetros de impresión teniendo en cuenta las
características de cada material utilizado en la manufactura de la prótesis.
5.3.1. Filamento TPU
Filamento flexible y con muy buen acabado en impresión, de la categoría TPE
(termoplástico elastómero) con base poliuretano. Debido a esto se denomina
poliuretano termoplástico, por sus siglas en inglés TPU (thermoplastic
polyurethane).
Es un material idóneo al momento de aplicaciones industriales que requieran las
cualidades tanto del plástico (poliuretano) como las del caucho, además de ser
resistente a corrosión causada por productos químicos y poseer una fuerte
adhesión entre capas (35).
Posee una alta resistencia a los impactos y un porcentaje de alargamiento de
hasta el 580%. No se recomienda en ambientes donde la temperatura sea mayor
a 100°C pues puede afectar la integridad de la pieza y la adherencia entre las
capas.
Durante su impresión, se recomienda una temperatura entre los 185 y 195 °C,
con una baja velocidad de impresión para evitar su atascamiento y una cama
caliente entre los 50 y 70 °C. Por otro lado, se debe tener precaución que el
material, debido a sus propiedades elásticas se puede enredar dentro del
extrusor si este no se encuentra adaptado para filamento flexible (36).
Ilustración 19. Extrusor no adaptado para filamento flexible
Fuente. Recreus (36)
En la Ilustración 19 se muestra cómo el filamento se deja arrastrar por la fricción
generada en el contacto con la polea y, al no ser rígido se pliega y se recoge al
interior del extrusor.
En la Tabla 12 se muestran algunas características técnicas del filamento TPU
a utilizarse como material de construcción principal del modelo de mano.
Tabla 12. Propiedades mecánicas del filamento TPU
ITEM VALOR UNIDAD MÉTODO DE
ENSAYO
Módulo de elasticidad a la tracción
26 MPa ASTM D638
Esfuerzo de tracción a la deformación
8,6 MPa
Esfuerzo de tracción a la rotura 39 MPa
Alargamiento a la deformación 55 % ASTM D641
Alargamiento a la rotura 580 % ASTM D642
Resistencia a la flexión 4,3 MPa ISO 179
Módulo de flexión 78,7 MPa
Dureza 95 Shore A ASTM D2240
Resistencia a la abrasión 0,06 g ASTM D4060
Índice de fluidez 15,9 g/10min ISO 133
Trancisión vítrea -24 °C DSC
Temperatura de fusión 220 °C
Densidad 1,22 g/cm^3 ASTM D782
Absorción de humedad 0,18 % ASTM D570
Fuente. Ultimaker (35)
5.3.2. Filamento PLA
Es un termoplástico “ecológico” proveniente del maíz, con nombre químico acido
2-hidroxipropanoíco. Actualmente es el filamento más común en la impresión
FDM (37).
Este filamento, debe imprimirse en un rango de temperatura similar al del ABS,
entre 190 y 220 °C, variando en función de la impresora y el extrusor a utilizarse,
sin embargo, la temperatura adecuada se encuentra dentro del rango ya
mencionado. A pesar de esto, una vez impreso el material a temperaturas de
entorno mayores a 60 °C comienza a volverse endeble.
Durante el proceso de impresión las capas de filamento depositado se adhieren
completamente una respecto de la otra, gracias a la baja viscosidad del material
una vez fundido. Con esto se evita que las esquinas se pandeen del resto de la
estructura, evadiendo de esta forma el efecto Warping (38).
Por otro lado, al ser un material fabricado a partir de aceites vegetales, no emana
gases tóxicos durante su impresión, aunque tiende a absorber humedad con el
paso del tiempo.
En la Tabla 13, se muestran las propiedades mecánicas del filamento PLA.
Tabla 13. Propiedades mecánicas del filamento PLA
ITEM VALOR UNIDAD MÉTODO DE
ENSAYO
Densidad 1,24 g/cm^3 ASTM D792
Módulo elástico 3600 MPa ISO 178
Resistencia a la flexión 108 MPa
Dureza 85 Sh D ASTM D2240
Probeta impresa estirada en dirección paralela a las capas
Resistencia a la rotura en tracción
50 MPa
ISO 527
Deformación a la rotura en tracción
9 %
Módulo elástico en tracción
1230 MPa
Probeta impresa estirada en dirección perpendicular a las capas
Resistencia a la rotura en tracción
39 MPa
Deformación a la rotura en tracción
4 %
Módulo elástico en tracción
1120 MPa
Temperatura de flexión bajo carga 56 °C ISO 75/2B
Temperatura de fusión 145/160 °C ASTM D3418
Temperatura de transición vítrea 56/64 °C
Fuente. Ultimaker (39)
5.4. ANÁLISIS DE LAS JUNTAS FLEXIBLES
Se pretende realizar un análisis de las juntas flexibles en la mano, determinando
sus esfuerzos y su comportamiento respecto a los ciclos de carga y vida útil de
las mismas, con el fin de determinar el comportamiento de este tipo de material
en una aplicación prostética (el modelo ADA V1.1 fue un concepto que no llegó
a ser utilizado como prótesis)
5.4.1. Probeta de fatiga
Para esto, se tiene en cuenta el modelo Open Source obtenido directamente de
la página oficial de Open Bionics de la ADA v1.1.
Debido que la geometría de las juntas para los dedos índice, medio, anular y
meñique es igual, se realiza una probeta de un único dedo para analizar el
comportamiento y resistencia a la fatiga.
El modelado de la probeta se realiza por medio del software CAD Autodesk
Inventor a partir de las dimensiones establecidas en el modelo original. En la
Ilustración 20 se muestran las dimensiones de la probeta.
Ilustración 20. Dimensiones de la probeta para fatiga
Fuente. Autor
En la probeta únicamente se analiza la junta flexible que hay entre los dedos y
la palma, debido a que es aquella que más operación tiene durante los
movimientos de la mano, ya sea para realizar algún tipo de agarre o gesto.
Además de esto, se tiene presente que al tener articulaciones a lo largo del dedo
puede llegar a enredarse o flectarse de forma no deseada mientras se realiza el
ensayo en la máquina.
En la Ilustración 21 se muestra la geometría de la junta en el modelo en formato
STL de la mano ADA v1.1 utilizada en la probeta inicial para el ensayo de fatiga.
Ilustración 21. Junta palma-dedos en la prótesis ADA V1.1
Fuente. Autor
La probeta se imprime en la máquina Multoo 1.5 Pro (Ilustración 22) en la
empresa experta en diseño e impresión FDM Voxel 3D Lab S.A.S. A pesar de
que en la página oficial de Open Bionics se sugieren unas condiciones de
impresión, se varían ciertos parámetros para obtener una buena calidad de
impresión en función de las condiciones de la máquina utilizada.
Ilustración 22. Impresora FDM Multoo 1.5 Pro
Fuente. 3D Printers Online Store (40)
En la Tabla 14 se muestran las características técnicas de la impresora utilizada
para la manufactura de la probeta.
Tabla 14. Datos técnicos de la máquina Multoo 1.5 Pro
Fabricante Multoo
Modelo MT 1.5 Pro
Tecnología FDM
Área disponible de impresión 400 x 400 x 400 mm (L,W,H)
Área cama de impresión 400 x 400
Kit de extrusión Single + Dual + laser engraving
Temperatura de boquilla ≤ 300°C & ≤ 400°C
Diámetro de la boquilla 0,4 mm
Espesor de capa 0,05 - 0,3 mm
Temperatura cama de impresión ≤ 100 °C
Grabador de energía 500 mW, 405nm
Velocidad de impresión 1-180 mm/s
Presición de posición Z: 2,5 µm; XY: 11 µm
Conexión SD card/ USB Cable
Software G Code Cura/ Maerbot Desktop/ Simplify 3D/ Slic3r
Tamaño de máquina 610 x 530 x 710 mm (L,W,H)
Peso 25 kg
Fuente. 3D Printers Online Store (40)
Para la correcta impresión de la geometría, se rotó el sólido buscando la posición
en la que menos soporte tuviera que generar, con el fin de tener un menor gasto
de material y, que al momento de retirar el soporte del modelo hubiera una menor
superficie afectada (Ilustración 23).
Ilustración 23. Sólido rotado en el software en la posición que requiere la
menor cantidad de material de soporte
Fuente. Autor
En la
Ilustración 24 se muestran, además, los parámetros de impresión que se
utilizaron durante la manufactura de la probeta. Con estos datos, la construcción
de cada probeta tomó un tiempo de 2 horas y 58 minutos (valor entregado por el
software Cura).
Ilustración 24. Parámetros de impresión utilizados
Fuente. Autor
Por otro lado, para mantener la temperatura del material, la impresora tuvo que
ser aislada y sellada durante la impresión. Por otro lado, se tuvo que tener
especial cuidado con el flujo constante de material (Ilustración 25), pues como
se explicó anteriormente, el filamento flexible tiende a enredarse dentro del
extrusor.
Ilustración 25. Extrusor de la impresora 3D
Fuente. Autor
Otro aspecto importante y, aunque suele suceder en casos aislados, el filamento
puede tener cambios en su diámetro, formando una especie de nudo que no
alcanza a entrar por el extrusor ni tener contacto con las resistencias de
calentamiento, por lo que se atasca y deja fluir material (Ilustración 26).
Ilustración 26. Nudo en el filamento del material TPU
Fuente. Autor
De esta forma, se imprime el modelo de probeta que será utilizado en el análisis
de elementos finitos sobre la junta principal con el fin de comprobar las
condiciones y parámetros de impresión a ser utilizados en la manufactura del
modelo final.
La prueba de impresión queda como probeta para ser utilizada posteriormente
en una prueba que simule los ciclos de flexión a los cuales va a ser sometida y
comparar los resultados de una prueba FEM y la prueba mecánica para una
pieza realizada con material TPU manufacturada por medio de impresión FDM.
Ilustración 27. Probeta para fatiga impresa
Fuente. Autor
En la Ilustración 27 se muestra la probeta para fatiga impresa según los
parámetros definidos. El material de soporte fue removido una vez concluyó la
impresión.
5.4.2. Análisis por elementos finitos
Teniendo en cuenta el modelo CAD del dedo tomado como probeta para la
prueba mecánica de fatiga, se realiza el respectivo análisis FEM (Finite Element
Method). Esto con el fin de comparar en un futuro los resultados obtenidos de
forma experimental y la aproximación matemática del método de elementos
finitos con ayuda del software CAE ANSYS Workbench 18.1.
Para realizar este tipo de análisis, se debe tener en cuenta que el material se
modela como híper elástico en el software FEM. Por tanto, se requiere de ciertas
propiedades y gráficas en específico para caracterizarlo de forma correcta.
Por tanto, se hace necesario la utilización de las gráficas experimentales del
comportamiento del material sometido a cargas de tensión uniaxial, biaxial y a
cargas de flexión (cortante). Aparte de esto, se requiere de los datos sobre el
comportamiento de fatiga del material.
Ilustración 28. Gráfica esfuerzo vs deformación para el material TPU. A)
Esfuerzo vs deformación para carga uniaxial. B) Esfuerzo vs deformación para
carga biaxial. C) Esfuerzo vs deformación para cargas de flexión cortantes.
a)
b)
c)
Fuente. Adaptado de Ruhl et al. (41)
En la Ilustración 28 se pueden observar las gráficas de esfuerzo vs. deformación
del TPU para los distintos estados de carga anteriormente expuestos.
La gráfica de comportamiento de fatiga (esfuerzo vs ciclos), mostrada en la
ilustración 28, se obtiene teniendo en cuenta ensayos realizados a probetas
sometidas a envejecimiento térmico (42). De estas, se toma la gráfica de material
sometido a una temperatura y tiempo similar al utilizado durante la impresión del
filamento.
Ilustración 29. Esfuerzo vs ciclos para probetas de TPU envejecidas a 120°C
1 2 3 4 5mm mm
2
4
6
8
10
12
14
MPa
0.5 1.0 1.5mm mm
2
4
6
8
10
12
MPa
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5mm mm
2
4
6
8
MPa
Fuente. Tcharkhthi, A; Farzaneh, S; Abdallah-Elhirtsi, S; Esmaeillou, B; Nony,
F; Baron, A (42)
Con los datos, se procede a realizar el análisis de la junta por medio del módulo
Mechanical del ANSYS.
Inicialmente, se procede a determinar el respectivo enmallado de la probeta. La
malla inicial que genera Ansys debe ser refinada debido a la alta dispersión de
los elementos que puede afectar la precisión del análisis, en especial en la
sección de la junta (Ilustración 30).
Ilustración 30. Calidad de los elementos de malla de la probeta
Fuente. Autor
La calidad de los elementos diferenciales se mide de 0 a 1, donde 0 corresponde
a una calidad mínima. Con el enmallado inicial del ANSYS, se tiene un porcentaje
del 17% con calidad menor a 0.5, mientras que, con el proceso de refinado de la
0 2 106 4 106 6 106 8 106 1 107Cycles
10
20
30
40
MPa
malla, la dispersión se reduce a un porcentaje de 8.76% elementos con una
calidad inferior a 0.5 (Ilustración 31).
Ilustración 31. Elementos dispersos de malla después del refinamiento
Fuente. Autor
En la Ilustración 32 se muestra un comparativo entre la malla generada por
defecto y la malla refinada con la cual se procede a realizar el análisis.
Ilustración 32. Comparación de la calidad de enmallado para la prueba FEM. En la parte superior la probeta con la malla de alta calidad. En la parte inferior
se muestra la malla que genera Ansys por defecto.
Fuente. Autor
5.4.2.1. Ubicación de los apoyos: Debido que la probeta representa el
comportamiento de la junta flexible de unión de los dedos con la palma,
únicamente para la sección manufacturada en TPU, se cuenta con una serie de
caras que permanecen fijas una vez ensamblada la mano. En la Ilustración 33
se muestran las caras determinadas como “Fixed support” en el software.
Ilustración 33. Caras determinadas como soporte fijo en la probeta para en análisis FEM
Fuente. Autor
Estas caras se dejan como fijas debido que entran en contacto con la sección
superior de la mano, correspondiente al canto interno de la prótesis impresa en
filamento rígido PLA. En la ilustración se muestra la interacción de estas caras
respecto a la otra pieza de la prótesis. Estas caras van fijas con adhesivo y
sujetas con tornillos, por lo que se pueden tomar como apoyos fijos.
Ilustración 34. Caras de las piezas de la prótesis que entran en contacto una
vez ensamblado el modelo (en verde)
Fuente. Autor
5.4.2.2. Fuerzas ejercidas sobre el modelo: El valor de la fuerza que se
utiliza en análisis es valor máximo que registra el actuador lineal Actuonix PQ
12P 63-1.
A partir de los datos de ficha técnica, el motor alcanza un punto máximo de
eficiencia con 30 N de fuerza a una velocidad de movimiento de 8 mm/s,
(referencia ficha técnica del motor).
La fuerza se ubica en el lugar donde, según la geometría de la mano y los dedos,
se amarra el alambre que funciona como tendón y ayuda a realizar el movimiento
de cierre. Por tanto, la carga se ubica en el extremo del dedo, justo en el lugar
donde, en una mano humana, iría ubicada la uña.
Para esto, se realiza un pequeño plano sobre la superficie del dedo, a la altura
de la uña para poder ubicar el vector de fuerza de manera más precisa en el
software (Ilustración 35).
Ilustración 35. Ubicación de la fuerza sobre la probeta
Fuente. Autor
Se debe primero determinar la fuerza inicial que se debe ejercer al material para
lograr la posición neutra de la mano, pues según la forma en la cual se imprime
la prótesis, los dedos se encuentran con 30° grados de inclinación al contrario
de su movimiento. Esto con el fin que se asegure el retroceso del material una
vez el actuador deja de ejercer fuerza de tracción.
En la Ilustración 36 se muestra la probeta en la posición neutra de la mano. La
carga utilizada para llegar a esta posición es de 4 N y, se determinó ingresando
cargas en el software iniciando desde 1N y aumentando de forma progresiva
hasta llegar a la posición deseada.
Ilustración 36. Probeta en la posición neutra después de aplicada la fuerza de
precarga
Fuente. Autor
Una vez se conoce la fuerza de precarga del dedo, se procede a realizar el
análisis teniendo en cuenta el valor de carga del motor. Para esto, se utiliza la
herramienta de ANSYS de “Step”, donde se puede aumentar la carga a partir de
un punto deseado.
En la Ilustración 37 se muestra la gráfica obtenida por el software y la respectiva
tabla donde se ingresan los valores de la fuerza respecto a cada Step.
Ilustración 37. Gráfica de step y fuerzas tabuladas para el análisis en Ansys
Fuente. Autor
Se observa en la gráfica, que en el primer Step a fuerza aumenta hasta llegar a
los 4 N, que es la fuerza de carga inicial para que el dedo llegue a la posición
neutra de la mano. Posteriormente, en el segundo paso, la fuerza aumenta hasta
los 34 N, incrementando los 30 N correspondientes a la fuerza del actuador. De
esta forma, se analiza la probeta acercándose al comportamiento que tendría en
la vida real.
Con este análisis, se obtiene para la probeta un esfuerzo de 35,576 MPa sobre
la junta, con el valor máximo ubicado sobre las esquinas de la junta en contacto
con el dedo y, una duración de 5,34 x 10^4 ciclos, con el punto de fallo a fatiga
sobre la misma zona de esfuerzo máximo (Ilustración 38).
Ilustración 38. Resultados del análisis FEM para a probeta
Fuente. Autor
6. PROPUESTA DE DISEÑO
6.1. MODIFICACIÓN DE LAS JUNTAS FLEXIBLES PALMA-DEDO
La modificación de la junta flexible se hace teniendo en cuenta las geometrías
comúnmente utilizadas (Ilustración 39).
Ilustración 39. Tipos de geometrías comúnmente utilizadas en juntas flexibles
Fuente. Meng et al. (43)
Teniendo en cuenta los diseños de junta, se realizan 10 modificaciones
diferentes, las cuales se pueden agrupar en dos grandes grupos.
En el primer grupo se modifica únicamente la parte superior de la junta,
manteniendo las curvas orgánicas de la parte inferior, justo en la unión entre el
dedo y la palma. Para el segundo, se varia la geometría tanto la parte superior
como a inferior de la junta.
En la
Tabla 15 se muestran los tipos de modificaciones realizados a la junta.
Tabla 15. Tipos de modificación a la junta flexible
MODIFICACIÓN UNILATERAL
MODIFICACIÓN BILATERAL
Circular
Bordes redondeados
Hiperbólico
Circular-borde redondeado
MODIFICACIÓN UNILATERAL
MODIFICACIÓN BILATERAL
Ángulo en V
Fuente. Autor
El análisis de cargas se realiza utilizando las mismas restricciones, apoyos y
posición de la fuerza de la probeta inicial. De igual forma, se mejoró la calidad
de la malla en cada uno de los análisis.
En la Tabla 16 se muestran los resultados de esfuerzo y vida para cada una de
las pruebas realizadas. De igual forma, se muestran los resultados obtenidos con
la junta sin modificar.
Tabla 16. Resultados obtenidos en las pruebas FEM con los diferentes tipos de geometría de junta flexible utilizados
MODIFICACIÓN SUPERIOR
MODIFICACIÓN DE AMBAS CARAS
FORMA ESFUERZO
[MPa] CICLOS
ESFUERZO [MPa]
CICLOS
Original 35,765 5,64E+04 35,765 5,64E+04
Circular 35,106 7,97E+04 33,499 1,38E+05
Bordes redondeados
92,742 0,00E+00 81,098 0,00E+00
Hiberbólica 30,546 2,53E+05 29,792 2,85E+05
Circular-borde
redondeado 32,101 1,92E+05 24,181 5,43E+05
Ángulo en V 24,319 5,36E+05 20,23 7,64E+05
Fuente. Autor
Se puede observar como la configuración que recibe un menor esfuerzo y tiene
mayor cantidad de ciclos antes de fallar por fatiga es la junta de “ángulo en V”
modificada por ambos lados (Ilustración 40).
Ilustración 40. Análisis FEM para la junta modificada de ángulo en V. En la parte superior se muestran los resultados de esfuerzo. En la parte inferior los
resultados de ciclos de vida
Fuente. Autor
Esta configuración soporta alrededor de 15,535 MPa menos de esfuerzo que la
junta original y aumenta la vida en 7,0794 x 10^5 ciclos.
6.2. MODIFICACIÓN DE LAS JUNTAS ENTRE FALANGES
Para realizar la modificación de la junta a lo largo del dedo se tiene en cuenta
parámetros geométricos.
Se hace la suposición de que, al realizar otra junta a lo largo del dedo
(obteniendo una tercera falange) los ángulos de cierre han de ser menores que
utilizando solamente dos secciones (
Ilustración 41).
Ilustración 41. Esquema de configuración de los dedos de dos a tres falanges
Fuente. Autor
Para formar esta tercera articulación se tiene en cuenta que la longitud del dedo
de dos a tres falanges permanece constante. El largo de las falanges se
determina por medio de la relación aurea existente en todas las proporciones del
cuerpo humano.
Con la configuración original de mano ADA V1.1, con solamente una junta a lo
largo del dedo (Ilustración 42), para lograr una sujeción de un objeto cilíndrico de
diámetro 20 mm las dos falanges de los dedos deben cerrar formando un ángulo
de cierre de 100° respecto a la posición neutra del dedo (vertical) en su agarre
más firme y de 119° en una segunda configuración.
Ilustración 42. Ángulos de cierre obtenidos en las posiciones de agarre firme de un objeto de 40 mm de diámetro para un dedo con dos falanges
Fuente. Autor
Por otro lado, el mismo objeto circular, sostenido ahora con un dedo de dos
articulaciones, se obtienen ángulos de 102° para la primera articulación y 59°
para la segunda articulación en el agarre más firme con tres articulaciones, y de
73° y 94° respectivamente (Ilustración 43).
Ilustración 43. Ángulos de cierre obtenidos en las posiciones de agarre firme
de un objeto de 40 mm de diámetro para un dedo con tres falanges
Fuente. Autor
Los ángulos obtenidos se hacen teniendo en cuenta el cierre uniforme y
proporcional del dedo.
Al existir una menor deflexión total en la articulación al momento de agarrar un
objeto, los ciclos de vida a fatiga de la articulación son mayores teniendo una
configuración de tres falanges respecto a la original de la mano ADA V1.1 de
solamente 2 falanges y 1 articulación.
6.3. DISEÑO CONCEPTUAL DE SOCKET
Se debe tener en cuenta que una vez se realice el cambio dimensional en la
prótesis según las medidas de la persona existe la posibilidad que el sistema de
control y los actuadores lineales no ajusten de manera apropiada en la mano,
incluyo llegando a ocupar un volumen mayor que el disponible en la palma de la
mano.
No obstante, se puede ubicar en otra zona de la prótesis, el socket. Esta zona
se refiere al espacio que se encuentra en el modelo prostético que hace interfaz
directa con el miembro residual o muñón de la persona.
De esta forma, los actuadores y el sistema de control podrían ser ubicados de
tal manera que se acomoden al espacio y se mantenga la misma movilidad y
funcionalidad.
Los dedos serían movidos de la misma forma, por tensión de un cable halado
por un actuador lineal independiente para cada dedo. Y su conexión sería la
misma, solo que ajustada al espacio disponible en el socket.
Esto se hace teniendo en cuenta que sin importar la longitud del cable la tensión
permanece constante a lo largo del mismo si se ejerce una fuerza de tracción.
Debido a que se trata de un diseño conceptual, se omiten los efectos de la
fricción provocada por el roce del alambre con las paredes de los conductos
internos de la mano.
El socket iría ajustado a la mano por la parte inferior. Los agujeros y espacios de
conexiones y cableado se modifican, siendo necesarios únicamente los que
permiten el paso de los alambres de tensión.
En la Ilustración 44 se muestra el diseño conceptual del socket teniendo en
cuenta la distribución de los motores y el sistema de control.
Ilustración 44. Concepto de socket
Fuente. Autor
7. PARAMETRIZACIÓN Y APLICATIVO CAD
7.1. METODOLOGÍA DE TOMA DE DATOS
Para lograr una correcta parametrización del modelo, se requiere de ciertas
medidas en específico a partir de las cuales la mano tomará el tamaño más
aproximado de la extremidad propia de cada usuario.
Aunque Yunis (20) sugiere 8 medidas específicas para categorizar
completamente una mano humana, para este caso de aplicación solamente se
tendrán en cuenta 4: Ancho de la mano, ancho de la muñeca, longitud de la
palma y longitud de las falanges.
El grosor de los dedos varía de forma proporcional con el modelo de la prótesis,
por lo que no se tiene en cuenta en la toma de medidas de usuario. El ancho de
la mano varía de igual forma que el grosor de los dedos de la prótesis, esto
debido que queda muy complicado describir geométricamente las curvas
naturales de la mano de una persona, más aún cuando estas cambian de
paciente en paciente.
7.1.1. Protocolo general:
En ámbitos prácticos, los usuarios a los cuales se les realizará a toma de
mediciones como objeto de estudio y/o para la utilización final de la prótesis
deben seguir una serie pasos que aseguren la calidad en el registro de los datos
(44).
La toma se hará teniendo en cuenta manuales disponibles en la red libres para
su descarga. Para realizar la toma de medidas a cada usuario se deberá tener
en cuenta la descripción realizada por Yunis (20) y el Manual de Medidas
Antropométricas del Instituto Regional de Estudios en Sustancias Tóxicas IRET-
UNA (45).
El protocolo, se divide en dos partes, la primera relacionada con los permisos de
usuario y manejo de datos. La segunda parte refiere al procedimiento de toma
de medidas.
7.1.2. Procedimiento de permisos y manejo de información:
- Se debe explicar al usuario el procedimiento de toma de medidas, las zonas
corporales a tener en cuenta y los riesgos posibles del procedimiento.
- La información y datos recolectados se manejará de forma confidencial, con
fines investigativos y médicos en caso de ser requerido para un usuario final.
- El nombre de la persona objeto de estudio se dejará como anónimo, a menos
que se autorice por el mismo paciente la divulgación del nombre.
- La persona debe firmar un consentimiento informado donde autoriza la
realización del procedimiento y el tratamiento de la información.
- Se debe utilizar el formato especial diseñado para la recolección de la
información en el presente trabajo.
- El lugar de realización de la toma de medidas debe tener una iluminación
apropiada, ya sea natural o artificial, y una ventilación adecuada.
7.1.3. Procedimiento de toma de medidas:
Inicialmente, la persona a la cual se le realizará la toma de medidas debe colocar
la mano con la palma hacia arriba sobre una superficie plana (de preferencia
blanca para generar un mayor contraste), extendiendo la mano de manera
natural y de forma proporcional hasta que el canto externo y el dedo índice
queden completamente apoyados sobre la superficie (Ilustración 45).
Ilustración 45. Posición del brazo para el procedimiento de toma de medidas
Fuente. Autor
El antebrazo de la persona debe estar apoyado y paralelo sobre la superficie,
mientras el codo debe estar alejado del tronco de la persona. El brazo debe estar
descubierto al menos hasta la altura media del bíceps de la persona.
Inicialmente, con un marcador se debe hacer una línea en la palma desde el
primer pliegue de la muñeca hasta el primer pliegue del dedo medio. Después,
se debe marcar una línea a 90° respecto a la línea hecha del largo de la palma
desde la base y primer pliegue del dedo meñique hasta el borde contrario de la
palma justo debajo del dedo índice a la altura del nudillo (Ilustración 46).
Adicionalmente, se realiza una línea guía sobre el segundo pliegue de la
muñeca, con el fin de evitar una medición errada debida al movimiento de los
tendones extensores largo y corto del pulgar.
Ilustración 46. Líneas realizadas sobre la palma de la mano del paciente para la toma de medidas
Fuente. Autor
Posteriormente, con ayuda de un vernier se toma la medida de las dos líneas
dibujadas sobre la mano de la persona (Ilustración 47).
Ilustración 47. Medición de las dimensiones de la mano. En la parte superior medición del largo de la palma. En la parte inferior, medición del ancho de la
mano
Fuente. Autor
Para la medida del largo de los dedos se mide cada una de las falanges. Para
esto, el paciente debe flexionar las articulaciones aproximadamente 90°.
Inicialmente se debe cerrar en forma de puño, tomando la medida de la primera
falange desde el punto medio del nudillo hasta el extremo de la misma,
posteriormente, el paciente ubica la mano en posición de garra (Ilustración 48).
Con ayuda del calibrador vernier se debe medir el largo de cada una de las
falanges.
Ilustración 48. Medición del largo de las falanges con la mano ubicada en
posición de garra
Fuente. Autor
Finalmente, se hace la medición del grosor de la muñeca, utilizando como guía
la línea punteada hecha sobre el segundo pliegue (Ilustración 49).
Ilustración 49. Toma de ancho de la muñeca
Fuente. Autor
Estas medidas se utilizarán para formar la mano faltante de la persona, por lo
que, si el usuario tiene amputación de tipo transradial en el lado derecho, se
tomarán las medidas respectivas en la mano izquierda para formar así la prótesis
de la mano contraria.
7.2. MODELADO CAD
El modelo CAD se realiza teniendo en cuenta las herramientas de NURBS
disponibles en el software Autodesk Inventor 2018, como lo es la herramienta de
solevación.
Por medio de esta herramienta, se puede generar un sólido o superficie 3D en el
espacio mediante la especificación de una serie de secciones transversales (46).
Para modelar la prótesis, se divide en dos partes principales, al igual que en la
mano ADA V1.1: la palma con los dedos y la parte posterior de la mano. Ambas
piezas se modelan utilizando el mismo principio de solevación.
Se generan planos perpendiculares uno respecto del otro, a una distancia
arbitraria de 10 mm entre cada uno. En cada uno de los planos se genera el
respectivo Sketch correspondiente a una zona específica de la mano (Ilustración
50).
Ilustración 50. Planos de trabajo para el modelado de la prótesis
Fuente. Autor
Para poder formar las curvas orgánicas se utiliza la herramienta de “Spline por
interpolación” del software. Los splines pasan a través de una serie de puntos
(puntos de ajuste) y generan la curva que mejor se acomode a la consecución
de los mismos (47).
De esta forma, si se generan las restricciones de posición de cada uno de los
puntos de ajuste, la curva es completamente parametrizable y varía su curvatura
en función de las dimensiones requeridas. Por tanto, cada sketch es encargado
de modificar las condiciones de ancho y grosor de la mano, mientras que la
distancia entre los planos de trabajo determina el largo de cada una de las partes
de la mano, tanto de la palma y los dedos como de la parte posterior.
En la
Ilustración 51 se muestra uno de los planos de trabajo con las dimensiones
requeridas para su parametrización. Se deben determinar todas las
restricciones, de lo contrario al variar algún parámetro la geometría puede sufrir
alteraciones no deseadas que afecten la integridad del sólido una vez formado.
Ilustración 51. Sketch de una de los planos que conforman la palma de la
mano con todas las restricciones dimensionales requeridas
Fuente. Autor
El modelo CAD para la parametrización de la prótesis se hace teniendo como
base las dimensiones promedio para la población latinoamericana, donde se
hace énfasis en un capítulo en las dimensiones promedio para la población
colombiana (48).
Se tiene en cuenta las dimensiones tanto para la población masculina como la
femenina, y para el modelo inicial se determina un promedio entre estas medidas
para el desarrollo del modelo CAD base.
En el estudio se hizo un registro por edades para la toma de medidas. Sin
embargo, en este trabajo solamente se tendrán en cuenta aquellas para la
población masculina entre los 20 y 29 años de edad.
Ilustración 52. Medidas antropométricas de la mano tenidas en cuenta en el estudio sobre la población colombiana entre los 20 y 29 años de edad
Fuente. Adaptado de: Ávila R., Prado L., González E. (48)
En la Ilustración 52 se muestran las medidas de referencia que se tuvieron en
cuenta en el estudio antropométrico. En la Tabla 17 se muestran los valores
promedio obtenidos para caracterizar dimensionalmente la mano para la
población de estudio.
Tabla 17. Dimensiones promedio de la mano para la población colombiana
entre 20 y 29 años de edad
DIMENSIONES PROMEDIO [MM]
HOMBRES MUJERES
31 Anchura de la muñeca 54 48
32 Anchura de la mano 83 74
39 Largura de la mano 183 166
40 Largura de la palma de la mano
103 92
54 Perímetro de la muñeca 162 144
55 Perímetro metacarpial 202 177
Fuente. Adaptado de: Ávila R., Prado L., González E.
De las dimensiones anteriormente descritas se escogen aquellas que
concuerdan con el protocolo de mediciones definido en el subtítulo 7.1. En la
Tabla 18 se presentan las dimensiones con las cuales se parametrizará el
modelo base de la prótesis.
Tabla 18. Dimensiones de parametrización para el modelo CAD base de la
prótesis
DIMENSIONES VALOR [mm]
Anchura de la muñeca 51
Anchura de la mano 78,5
Largura de la palma de la mano
97,5
Largura del dedo medio 77
Fuente. Autor
El largo del dedo medio se determina como la resta entre el valor del largo
máximo del mano descrito en el estudio antropométrico y la medida de largura
de la mano.
De esta manera, se dejará los cuatro dedos (índice, medio, anular y meñique)
con el mismo largo. El pulgar tendrá la dimensión necesaria para que al momento
de cerrarlo completamente toque el extremo del metacarpo justo debajo del dedo
meñique, para lo cual la dimensión de la segunda falange será el doble del real
de la mano de la persona.
En la Ilustración 53 se muestran las piezas que conforman la prótesis según los
datos obtenidos para el modelo base.
Ilustración 53. Piezas principales de la prótesis. A la izquierda la parte
posterior de la mano. A la derecha la palma con los dedos.
Fuente. Autor
En la Ilustración 54 se muestran las dimensiones respectivas que tienen en
cuenta para hacer la parametrización de la sección de la palma. En la Ilustración
54 se muestran las medidas con las cuales se parametriza la parte referente a la
parte posterior de la mano.
Ilustración 54. Principales dimensiones requeridas para la parametrización de la pieza referente a la palma y los dedos
Fuente. Autor
Ilustración 55. Principales dimensiones requeridas para la parametrización de la pieza referente al canto externo de la mano
Fuente. Autor
Para ambas piezas, el valor de diámetro de los agujeros distribuidos en la pieza
no varía debido que son para tornillos M3. Sin embargo, su posición en la mano
debe cambiar conforme varían las proporciones de la misma.
Estos tornillos se ubican utilizando una distribución similar a la que tienen en la
mano ADA V1.1, aunque sus coordenadas de posición varían respecto a las del
modelo de OpenBionics.
7.3. DESARROLLO DE APLICATIVO
El aplicativo de parametrización CAD se realiza gracias a la opción de
vinculación entre Excel y Software de Autodesk Inventor.
Se tiene en cuenta que Inventor sólo toma los datos de Excel ubicados en la
primera hoja. En la columna A se han de colocar los nombres de las variables a
ser trabajadas y en la columna B los respectivos valores de cada una (Ilustración
56).
Ilustración 56. Orden de los datos en Excel para vincular con Inventor
Fuente. Autor
Hay que tener en cuenta que primero se debe vincular el archivo de Excel antes
de dar nombre a las variables en el módulo de parametrización de Inventor
(Ilustración 57).
En la columna Equation se debe colocar el nombre de la variable tal cual se
encuentra en la columna A de la hoja de Excel. El orden en que se coloquen los
nombres no afecta siempre y cuando se nombre de la misma forma.
Para vincular el archivo de Excel, se debe ir al botón de “Link”, donde se ha de
buscar a ruta donde se encuentra guardado el archivo en el ordenador
(Ilustración 58).
Ilustración 57. Módulo de parametrización de Inventor
Fuente. Autor
En el archivo de Excel desarrollado para el aplicativo se compone de tres hojas,
de las cuales dos de ellas se encuentran bloqueadas ante cualquier modificación
y otra que funciona como interfaz de usuario.
Las hojas bloqueadas corresponden, a aquella que se vincula directamente con
el módulo de parametrización de Inventor, y la segunda es aquella en la que se
realizan los cálculos de escala correspondientes en función de las dimensiones
de la persona. Cualquier modificación en alguna de estas hojas podría afectar la
creación del modelo y generar cambios no deseados en las geometrías.
Ilustración 58. Vínculo entre Excel e Inventor 2018
Fuente. Autor
La hoja 3, con nombre “Usuario” cuenta con los respectivos espacios en los
cuales se digitan las medidas tomadas al usuario. Se cuenta con una imagen de
apoyo en el costado derecho de las celdas donde se ingresan los datos donde
se puede observar a que se refiere cada una de las medidas ahí presentes
(Ilustración 59).
Ilustración 59. Interfaz de usuario para el ingreso de medidas antropométricas
del paciente
Fuente. Autor
En la hoja 2 con nombre “Parámetros” se generan las respectivas relaciones
dimensionales para la modificación del modelo de dimensiones arbitrarias con
las medidas obtenidas del usuario. En esta hoja se muestran los valores de
posición de cada uno de los puntos que conforman el Spline en cada uno de los
planos que conforman el modelo, así como las diferentes distancias entre planos.
La parametrización del modelo se basa en generar escalas a un modelo CAD
neutro con ciertas dimensiones X vitales para definir la geometría y multiplicarlas
por un factor k obteniendo así valores Y (ecuación 1). Estos nuevos valores Y lo
único que hacen es modificar ciertas medidas definidas en el diseño, que en
conjunto aumentan o disminuyen de forma proporcional el volumen de cada uno
de los componentes de la prótesis sin afectar su forma.
𝑌 = 𝑘 𝑋 (1)
El factor de escala k se determina en función del componente. Debido que no
toda la mano se modifica en conjunto, el valor k cambia para modificar de manera
independiente ya sea el largo de los dedos, largo de la palma o ancho palmar.
Teniendo en cuenta lo anterior, la ecuación 2 se reescribiría de la forma:
𝑌𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑘𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑋𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 (2)
Por tanto el factor 𝑘𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 se calcula en función de una medida en específico,
tanto del modelo neutro como de la persona para cada parte de la mano.
La variación la distancia de los planos que conforman la palma, dedos y canto
posterior de la mano se realiza según la ecuación 3. De esta forma, se cuenta
con la dimensión total de largura tomada del usuario y se divide en la cantidad
de planos que conforman cada una de las partes de la mano.
𝐿𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜𝑠 =𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒 (3)
El largo de la pieza, será entonces la sumatoria del total de los planos que
conforman cada una de las piezas.
En la Tabla 19 se muestran la cantidad de planos que conforman cada sección
de la mano.
Tabla 19. Número de planos que conforman cada una de las partes de la
prótesis
PARTE NÚMERO DE
PLANOS
Canto posterior 31
Palma 28
Falange 1 y 2 2
Falange 3 5
Falange 1 pulgar 6
Falange 2 pulgar 4
Fuente. Autor
Para el dedo pulgar, se tiene en cuenta además un factor extra de corrección
para la longitud total del mismo, esto debido a que el movimiento de cierre del
dígito en la mano humana se hace desde la zona palmar, mientras que en la
prótesis el movimiento inicia únicamente desde la junta ubicada sobre el borde
lateral. De esta manera, para el largo de la falange 1 y 2 se agrega un factor de
corrección con el fin de aumentar de forma proporcional el tamaño en función de
la geometría del modelo y las dimensiones de la persona.
Por tanto, para calcular las longitudes de las falanges 1 y 2 del dedo pulgar se
utilizan las ecuaciones 4 y 5 respectivamente.
𝐿𝑓𝑎𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒 1 = 1,35 (𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒) (4)
𝐿𝑓𝑎𝑙𝑎𝑛𝑔𝑒 2 = 2,75 (𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑠𝑢𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑒) (5)
Una vez ingresadas las dimensiones tomadas de la mano de la persona,
automáticamente se realizan todos los respectivos cálculos dimensionales,
cambiando los valores de parámetros en la hoja 1.
Posterior a esto, se debe guardar el libro de Excel. Se puede utilizando el símbolo
de guardado en la barra de herramientas o por medio de CTRL + G, en caso de
tener el programa configurado en idioma español. Si no se realiza el proceso de
guardado del libro de Excel, Inventor no registra los cambios dimensionales
hechos en los parámetros.
Ilustración 60. Botones necesarios para la parametrización y actualización del
modelo
Fuente. Autor
Para ver las modificaciones en el modelo, se debe ir nuevamente a la sección
“Manage” en la barra de menús de Inventor 2018, y dirigirse a la subsección
“Update”. Allí se pulsa en el símbolo de actualizar y el modelo cambia
automáticamente de tamaño según los datos registrados en el libro de Excel
(Ilustración 60).
7.3.1. PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO DEL APLICATIVO CAD
Una vez el modelo se encuentra completamente dimensionado, vinculado al libro
de Excel y las variables parametrizadas, se procede a realizar una prueba del
funcionamiento del aplicativo CAD. Para esto, se escogen dos personas (hombre
y mujer) de manera aleatoria para realizar la toma de datos y el modelo de
prótesis según las dimensiones recogidas.
Ninguna de las personas sufre de amputación ni de ningún tipo de discapacidad,
se escogen solamente con fines académicos.
Tal cual lo explicado en el protocolo de toma de datos, los nombres de los
pacientes de estudio se mantienen en anonimato. De igual manera, el
procedimiento se realizó según lo explicado en la sección 7.1.3. En la Tabla 20
se muestran las medidas recogidas para las dos personas de prueba.
Tabla 20. Dimensiones de la mano de los pacientes de estudio para la prueba
del aplicativo CAD paramétrico
DIMENSIONES [mm] PERSONA 1
(MUJER) PERSONA 1 (HOMBRE)
Ancho de palma 72,83 85,096
Largo de palma 95,31 107,052
Ancho de muñeca 48,96 59,213
Índice
F1 36,62 48,433
F2 29,25 38,159
F3 24,78 29,029
TOTAL 90,65 115,621
Medio
F1 39,43 55,957
F2 33,81 41,404
F3 26,41 31,185
TOTAL 99,65 128,546
Anular
F1 36,61 45,914
F2 32,92 39,688
F3 23,83 28,941
TOTAL 93,36 114,543
Meñique
F1 27,66 33,583
F2 26,17 30,624
F3 21,98 25,465
TOTAL 75,81 89,672
Pulgar F1 37,51 42,603
DIMENSIONES [mm] PERSONA 1
(MUJER) PERSONA 1 (HOMBRE)
F2 29,01 38,852
TOTAL 66,52 81,455 TOTAL FACTOR
CORRECCION DEL MODELO
130,416 164,35705
Todas las dimensiones en milímetros
Fuente. Autor
Estas medidas de ingresan en la interfaz de usuario, con el fin de actualizar el
modelo CAD, dimensionado ahora según los parámetros de la persona.
En la Ilustración 61 se ve la comparación del modelo CAD de las prótesis,
mientras que en la Ilustración 62 se ven las dimensiones nominales de los
modelos CAD para los dos sujetos de estudio.
Ilustración 61. Comparación de los modelos CAD de las prótesis para los
sujetos de estudio
Fuente. Autor
Se puede ver que, en el modelo la mano femenina es más esbelta y con una
longitud menor que la mano masculina. De igual forma, la longitud de los dedos
y de cada una de las falanges es menor para la mano de la mujer.
La diferencia se puede apreciar observando el tamaño de los agujeros respecto
al modelo. En la mano para la mujer aparentan tener un mayor tamaño en
relación con la mano para el hombre, esto debido que su diámetro no varía sin
importar la proporción de la mano.
Ilustración 62. Dimensiones para las prótesis masculina y femenina según los
sujetos de prueba utilizados. En la parte superior mano femenina. En la parte
inferior mano masculina.
Fuente. Autor
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES A FUTURAS
INVESTIGACIONES
8.1. CONCLUSIONES
- El uso de manufactura FDM permite lograr curvas orgánicas complejas y
un buen acabado superficial. Sin embargo, las piezas deben ubicarse de una
forma que se requiera la menor cantidad de material de soporte posible, pues al
momento de ser removido del resto de la pieza puede quedar rebaba que afecte
la calidad estética final.
- Se determina por medio del análisis FEM la geometría de junta flexible
que mejor se acomoda a las necesidades de movilidad de la prótesis en relación
a la cantidad de ciclos máxima que puede realizar. De esta manera, se modifican
todas las juntas, incluyendo aquellas que unen las falanges.
La junta del dedo pulgar se modifica de la misma manera que la junta para los
otros dedos, debido a que la geometría varía únicamente en el largo de la misma.
Además, se comprueba el comportamiento a fatiga para el material TPU utilizado
como material de manufactura FDM en la prótesis. Este tipo de análisis ayuda
también a conocer más sobre las propiedades físicas y mecánicas de este tipo
de poliuretano con alto potencial en aplicaciones de ingeniería y bio-ingeniera.
- Se analiza el comportamiento de un dedo únicamente en la prueba a
fatiga, debido que todos presentan un rango y movilidad similar. Además, los
actuadores lineales utilizados en cada uno de los dedos son de la misma
referencia, por lo que las condiciones de carga son iguales para cada uno de los
dígitos.
- Para realizar un análisis eficiente para elastómero en el software Ansys,
se requiere de las curvas para el comportamiento a cargas uniaxiales, biaxiales
y cortantes del material, además de un ajuste por medio de los parámetros de
Mooney-Rivlin
- Se agrega una tercera falange a los cuatro dedos: índice, medio, anular y
meñique con el fin de aumentar la vida de las juntas de unión de las falanges,
debido que se reduce el ángulo máximo de deflexión y en consecuencia una
reducción en el esfuerzo por flexión de esa zona.
Además de esto, se aumenta la superficie de contacto entre los dedos y los
objetos, en especial los de forma cilíndrica, lo que resulta en un agarre más firme.
- Para formar modelos paramétricos generados por solevación a partir de
planos compuestos por splines, se requiere tener en cuenta todas las
restricciones de posición de los puntos que conforman la línea, sin tener en
cuenta los ángulos entre los mismos ni los radios de las curvaturas formadas.
Sin embargo, al generarse geometrías complejas, se debe determinar que tantos
planos consecutivos se puede trabajar de tal manera que la interpretación
automática de la superficie por parte del software no afecte la calidad de las
caras que conforman el sólido.
- La toma de la medida de la falange 1 se ve directamente afectada por el
tamaño del nudillo de la persona. De esta forma, se presenta un mayor error en
la toma de esta dimensión en la población masculina, pues por contextura ósea
y actividades físicas tienden a tener nudillos más pronunciados que sus
contrapartes femeninas. Por tanto, se deben hacer una mayor revisión y ajustes
dimensionales a la longitud de los dígitos una vez generado el modelo CAD. El
ajuste ha de realizarse si la diferencia entre las longitudes totales de los dedos
del modelo respecto a los de la persona es mayor o igual a 5 mm.
- Debido a que las dimensiones de la palma cambian en relación a las de
una persona, el sistema de control y los actuadores se mueven de la palma de
la mano, pues existe la posibilidad que no se acomoden dimensionalmente para
ciertos parámetros. Por tanto, estos componentes han de acomodarse en el
socket de la prótesis.
8.2. RECOMENDACIONES A FUTURAS INVESTIGACIONES
- Se puede generar un modelo de muñeca que permita hacer los
movimientos de pronosupinación y flexo-extensión, ayudando a complementar
la movilidad total del miembro protésico.
- Se hace necesario realizar un análisis variando los parámetros de
trayectoria de impresión con el fin de complementar el estudio de
comportamiento a la fatiga y así mejorar el tiempo de vida útil de la prótesis para
el paciente.
- El uso de sistemas digitales de escaneo puede ser de gran utilidad para
la toma de medidas antropométricas de usuario de una manera más acertada,
evitando errores relacionados con la lectura y la calibración de los diferentes
instrumentos, así como también relacionados con las geometrías y curvas
orgánicas que pueden llegar a afectar la recolección de la información
dimensional.
- Realizar un diseño de socket parametrizado que se acople a las
dimensiones del miembro residual de la persona.
- Implementar el sistema de control con el fin de comprobar la completa
funcionalidad de la prótesis.
9. REFERENCIAS
1. Organización Mundial de la Salud. Clasificación internacional del
Funcionamiento, de la Discapacidad y de la Salud. Madrid, España : IMERSO,
2001.
2. Departamento Administrativo Nacional de Estadística. Identificación de las
personas con discapacidad en los territorios desde el rediseño del registro.
Bogotá, Colombia : Dirección de Censos y Demografía, 2008.
3. Torres-San-Miguel, C, y otros. Diseño personalizado de una interfaz
mioeléctrica para una prótesis de miembro superior. 2011. págs. 70-83.
4. Barouti, H, Agnello, M y Volckman, P. Amputaciones del miembro superior.
Paris, Francia : Elsevier, 1998.
5. Ministerio de Salud y Protección Social. Plan Obligatorio de Salud POS.
Bogotá, Colombia : List. Medicam. del POS, 2014.
6. Vivas, A y Aguilar , E. Modelado geométrico y dinámicos de una prótesis de
mano robótica. 2007.
7. Diseño y construcción de la prótesis robótica de mano UC-1. Quinayás, B, y
otros. Popayán, Cauca : Universidad del Cauca, 2010, Ingeniería, págs. 223-
238.
8. El Tiempo. El Tiempo. [En línea] 19 de julio de 2004. [Citado el: 21 de 2 de
2017.] http://www.eltiempo.com/archivo/documento/MAM-1539807.
9. Loaiza, J y Arzola, N. Evolución y tendencias en el desarrollo de prótesis de
mano. 2011. págs. 191-200.
10. Gonzales, M. Aprende en línea UdeA. Universidad de Antioquia. [En línea]
2012. http://aprendeenlinea.udea.edu.co.
11. Protésica. Protésica S.A.S. [En línea] 2015. http://protesica.com.co/nivel-de-
amputacion/.
12. ISO. ISO 8549-1: Prosthetics and orthotics Vocabulary Part1. General terms
for external limb protheses and external ortheses. 2011.
13. Escuela Colombiana de Ingeniería. Laboratorio de Condiciones de Trabajo.
Facultad de Ingeniería Industrial. Bogotá, Colombia : s.n., 2011.
14. Hurtado, M. Metodología y Aplicaciones de Diseño Paramétrico. Master
Oficial de CAD/CAM/CIM. 2010.
15. Zurita de la Vega, E. Concepto de CAD Paramétrico. Curso de CAD
Paramétrico con Microstation V8XM. Santiago de Compostela : Universidad
Santiago de Compostela, s.f., págs. 1-7.
16. Sullcahuamán, B. Diseño mecánico de un prototipo de prótesis mioeléctrica
transradial. Trabajo de grado para título de Ingeniero Mecánico. Lima, Perú :
Pontificia Universidad Católica del Perú, Septiembre de 2013.
17. MedicalExpo. MedicalExpo. Prótesis estéticas externas. [En línea] 2018.
http://www.medicalexpo.es/fabricante-medical/protesis-estetica-esterna-
6656.html.
18. C., Arce. ArcesW. Prótesis de mano. [En línea] 2005.
http://www.arcesw.com/pms3.htm.
19. Flores, R. Slideshare. La mecatrónica en el diseño de prótesis inteligentes.
[En línea] s.f. https://es.slideshare.net/rosaitzelflores/mecatrnica-diseno-
protesis.
20. Anthropometric characteristics of the hand based on laterality and sex among
Jordanian. Yunis, M. 2005, International Journal of Industrial Ergonomics, págs.
747-754.
21. FisioStar. FisioStar. Huesos de la Mano y Muñeca. [En línea] 2018.
https://fisiostar.com/anatomia/articulaciones-de-la-mano/attachment/huesos-de-
la-mano-y-muneca.
22. Cubillos, L. Diseño óptimo en juntas flexibles de movimiento planar. Trabajo
de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico. Bogotá, Colombia : s.n.,
2008.
23. Lotti, F., y otros. Mechanical Structures for Robotic Hands based on the
"Compliant Mechanism" Concept. Noordwijk, Holanda : Workshop on Andvanced
Space Technologies for Robotics and Automation ASTRA, 2002. Vol. 7.
24. Fontrodona, J. y Blanco, R. Estado Actual y perspectivas de la impresión
3D. Barcelona, España : Generalitat de Catalunya, 2014.
25. Fundación Materialización 3D. Fundamentos de la impresión 3D. Bogotá.
Colombia : M3D Fundación Materialización 3D, 2015.
26. Bucco, M. La impresión 3D y su aplicación en los servicios médicos (prótesis,
fármacos, órganos). Maestría de Gestión de Servicios Tecnológicos y de
Telecomunicaciones. Buenos Aires, Argentina : Universidad de San Andrés,
Junio de 2016.
27. Ottobock GmbH. Bebionic. Bebionic Technical Manual. 2017.
28. —. Information for practitioners. SensorHand Speed and MyoHand VariPlus
Speed. s.f.
29. Ottobock. Prótesis de Mano Michelangelo. Ottobock GmbH. [En línea] 2013.
https://www.ottobock.com.co/prosthetics/upper-limb/solution-overview/axon-
bus-prosthetic-system-with-michelangelo-hand/.
30. InMoov. InMoov Forearm and Hand. InMoov Open Source 3D Printed Life-
size Robot. [En línea] 2013. http://inmoov.fr/project/.
31. OpenBionics. OpenBionics. ADA Hand V1.1. [En línea] 2016.
https://www.openbionics.com/.
32. Open Hand Project. Dextrus . Open Hand Project. [En línea] 2013.
http://www.openhandproject.org/dextrus.php.
33. Touch Bionics by Össur. i-Limb hand. User Manual. 2017.
34. Loaiza, J. Diseño y simulación de un prototipo de prótesis de mano
bioisnpirada con cinco grados de libertad. Universidad Nacional de Colombia.
Bogotá, Colombia : s.n., 2012. Tesis de maestría.
35. Ultimaker. Ficha de datos técnicos TPU 95A. Ultimaker. 2017.
36. Wood, S. Recreus Print your Life Style. Como imprimir con Filaflex. [En línea]
Recreus, s.f. https://recreus.com/es/content/12-como-imprimir-con-filaflex.
37. Impresoras3D.com. Filamento PLA: consejos, características y mucho más.
Impresoras3D.com everything to create. [En línea] 3 de Enero de 2018.
https://www.impresoras3d.com/filamento-pla-consejos-caracteristicas-y-mucho-
mas/.
38. Ultimaker. How to fix warping. Ultimaker. [En línea] 2017.
https://ultimaker.com/en/resources/19537-how-to-fix-warping.
39. —. Ficha datos técnicos filamento PLA. Ultimaker. 2017.
40. 3D Printers Online Store. Multo MT 1.5 Pro High Speed Large Format Digital
3D Printer. [En línea] 3D Printers Online Store.
https://www.3dprintersonlinestore.com/multoo-high-speed-3d-printer.
41. Ruhl, A. On the Time and Temperature Dependent Behaviour of Laminated
Amorphus Polymers Subjected to Low-Velocity Impact. [aut. libro] Andreas Ruhl.
s.l. : Springer Fachmedien Wiesbaden, 2017.
42. Thermal Ageing Effect on Mechanical Properties of Polyurethane.
Tcharkhthi, A, y otros. s.l. : Taylor & Francis, 2014, Vol. 19.
43. Meng, Q. A Design Method for Flexure-Based Compliant Mechanisms on the
Basis of Stiffness and Stress Characteristics. Dottorato di Ricerca in Meccanica
e Scienze Avanzate dell'Ingegneria. Bologna, Italia : s.n., 2012.
44. Matiz, J. y Pinzón, J. Fabricación de prótesis transradial considernado la
parametrización de sus componetes tomando como variables las medidas
antropométricas del usuario. Proyecto de Trabajo de Grado en la modalidad de
Solución a un problema de Ingeniería para oprtar al título de Ingeniero Mecánico.
Bogotá, Colombia : s.n., 2017.
45. IRET-UNA. Manual de Medidas Antropométricas. Heredia, Cost Rica :
Publicaciones SALTRA, 2014.
46. Autodesk Inc. Autodesk Knowledge Network. Solevación (comando). [En
línea] Autodesk Inc., 2018.
https://knowledge.autodesk.com/es/support/autocad/learn-
explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2017/ESP/AutoCAD-Core/files/GUID-
0A041818-2E32-4212-A3D8-CE0361C3D229-htm.html.
47. Autodesk Inc. . Autodesk Knowledge Network. Splines en bocetos. [En línea]
Autodesk Inc. , 2018. https://knowledge.autodesk.com/es/support/inventor-
lt/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2015/ESP/InventorLT-
Help/files/GUID-9D877CDB-843E-4A02-92AF-447DAC230FA7-htm.html.
48. Avila, R., Prado, L. y Gonzáles, E. Dimensiones antropométricas de la
población latinoamericana: México, Cuba, Colombia, Chile. Guadalajara,
México : Universidad de Guadalajara, 2007.