Diseño de un tobillo prostético de 2 grados de libertad

Una prótesis es un miembro protésico cuyo propósito es reemplazar total o parcialmente un órgano o miembro que falta. Especialmente el desarrollo de prótesis de pie es muy importante, ya que, con estas, las personas se puede tener movilidad. El presente trabajo demuestra el desarrollo de un prototip...

Full description

Autores:
Bautista Delgado, Anderson Jair
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
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Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/19197
Palabra clave:
Mechatronic
Teknik Berbantuan Komputer (CAE)
Desain Berbantuan Komputer (CAD)
Prostesis
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Foot
Orthopedic implants
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Development of prototypes
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Mathematical models
Mecatrónica
Implantes ortopédicos
Implantes artificiales
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Piernas artificiales
Modelos matemáticos
Ingeniería asistida por ordenador (CAE)
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Prótesis
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Especialmente el desarrollo de prótesis de pie es muy importante, ya que, con estas, las personas se puede tener movilidad. El presente trabajo demuestra el desarrollo de un prototipo como respuesta a esta necesidad, diseñando una prótesis articular transtibial de tobillo y sus etapas de marcha para amputados de extremidades inferiores; así mismo, un conjunto de motores permitirá la activación y control del movimiento del pie protésico.1 INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 9 2 ANTECEDENTES .................................................................................................................................. 10 3 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................... 12 4 OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 14 4.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................................. 14 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................................... 14 5 METODOLOGÍA .................................................................................................................................... 15 6 ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................................. 18 7 MARCO TEÓRICO ................................................................................................................................ 26 8 DESARROLLO DEL DISEÑO PRELIMINAR ..................................................................................... 29 8.1 DISEÑO MECANICO ................................................................................................................... 29 8.1.1 Mecanismo tipo cardán ........................................................................................................... 29 8.1.2 Mecanismo tipo rotula ............................................................................................................. 30 8.2 ELECCIÓN DE ALTERNATIVAS ............................................................................................... 31 8.3 DISEÑO DE LOS SENSORES DE PRESIÓN ........................................................................ 31 8.3.1 Estudio del sensor de fuerza resistivo .................................................................................. 32 8.3.2 Sensor de carga tipo galga..................................................................................................... 33 8.4 DISEÑO DE LOS SENSORES DE ACELERACIÓN ............................................................. 34 8.4.1 Acelerómetro Capacitivo ......................................................................................................... 35 8.4.2 Acelerómetro Piezoeléctrico ................................................................................................... 35 8.4.3 Acelerómetro Piezoresistivo ................................................................................................... 36 8.5 MODELACIÓN 3D ........................................................................................................................ 37 8.5.1 Estudio de fatiga con elementos finitos para el cardan. .................................................... 38 8.5.2 Estudio de fatiga por elementos finitos del acople tipo cardán. ........................................ 40 8.5.3 Diseño del pie jairpur con el mecanismo tipo cardan. ........................................................ 43 8.6 LÓGICA DE PUNTOS DE APOYO ........................................................................................... 45 Fase de apoyo ............................................................................................................................................ 46 8.7 CONSIDERACIONES TECNOLÓGICAS ................................................................................. 46 8.7.1 Consideraciones médicas....................................................................................................... 48 8.7.2 Consideraciones psicológicas ................................................................................................ 50 8.7.3 Consideraciones socioeconómicas ....................................................................................... 51 8.7.4 Consideraciones del motor ..................................................................................................... 52 8.7.5 Consideraciones de diseño .................................................................................................... 52 8.8 FORMULACIÓN MATEMÁTICA ................................................................................................ 54 8.9 MODELO MATEMÁTICO DEL TOBILLO ................................................................................. 55 8.10 MODELO MATEMÁTICO DEL MOTOR DC ............................................................................ 56 8.11 REPRESENTACIÓN DEL MODELO PLANTA Y MOTO ....................................................... 57 8.12 LINEALIZACIÓN DEL MODELO PLANTA Y MOTO .............................................................. 57 8.13 TRASLADO CON SIMSCAPE ................................................................................................... 60 8.13.1 Modelo del mecanismo en SimScape .............................................................................. 61 8.14 MODELO MATEMATICO UTILIZANDO “LINEAR SYSTEM ANALYZER” ......................... 62 8.15 COMPARATIVAS DE MODELOS DE CAJA BLANCA Y CAJA NEGRA CON RESPECTO A SIMSCAPE DE LA RESPUESTA TRANSITORIA ............................................................................ 67 8.16 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL ....................................................................... 69 8.16.1 Sistema de control para la flexión ..................................................................................... 69 8.16.2 Sistema de control para la pronación ............................................................................... 72 8.16.3 Sistema de marcha humana .............................................................................................. 76 8.16.4 Control en paralelo de la flexión y pronación .................................................................. 78 8.17 SELECCIÓN DEL MOTOR ......................................................................................................... 80 8.18 SISTEMA DE CONTROL EN PARALELO DE LA FLEXIÓN Y PRONACIÓN. .................. 82 8.19 INGENIERÍA DE DETALLE ........................................................................................................ 87 8.19.1 Tubo adaptador de pierna .................................................................................................. 87 8.19.2 Mecanismo tipo cardan....................................................................................................... 88 8.19.3 Modificaciones del pie seleccionado ................................................................................ 89 8.19.4 Acople del sistema cardan al pie ...................................................................................... 89 8.19.5 Acople del sistema cardan al sistema modular ............................................................... 90 8.19.6 Adecuaciones para el acople de los motores con el sistema cardan. ......................... 90 8.19.7 Ángulos del acople mecánico cardan al pie jaipur. ........................................................ 91 8.19.8 Selección del sensor de presión ....................................................................................... 92 8.19.9 Selección del sensor de aceleración ................................................................................ 92 8.19.10 Planos de sensores ............................................................................................................. 92 8.19.11 Ubicación de los actuadores .............................................................................................. 93 8.19.12 Caja reductora...................................................................................................................... 93 8.19.13 CIRCUITO DE CONTROL ................................................................................................. 94 8.19.14 Lógica de trabajo del sistema ............................................................................................ 96PregradoA prosthesis is a prosthetic member whose purpose is to totally or partially replace an organ or member that is missing. Especially the development of standing prostheses is very important, since, with these, people can have mobility. The present work demonstrates the development of a prototype in response to this need, designing an ankle transtibial joint prosthesis and its marching stages for lower limb amputates; Likewise, a set of engines will allow the activation and control of the Prosthetic foot movement.A prosthesis is a prosthetic member whose purpose is to totally or partially replace an organ or member that is missing. Especially the development of standing prostheses is very important, since, with these, people can have mobility. The present work demonstrates the development of a prototype in response to this need, designing an ankle transtibial joint prosthesis and its marching stages for lower limb amputates; Likewise, a set of engines will allow the activation and control of the Prosthetic foot movement.application/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño de un tobillo prostético de 2 grados de libertadDesign of a prosthetic ankle with 2 degrees of freedomIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicTeknik Berbantuan Komputer (CAE)Desain Berbantuan Komputer (CAD)ProstesisAnkleFootOrthopedic implantsArtificial implantsDevelopment of prototypesArtificial legsMathematical modelsMecatrónicaImplantes ortopédicosImplantes artificialesDesarrollo de prototiposPiernas artificialesModelos matemáticosIngeniería asistida por ordenador (CAE)Diseño asistido por computadora (CAD)PrótesisPieTobilloArimed. (s.f.). Arimed. Recuperado el 20 de Septiembre de 2007, de http://arimed.com/services/prostheticsOssur. (2009). Ossur. Recuperado el 30 de Septiembre de 2009, de www.ossur.comTilley, A. R. (2002). The Measure of Man and Woman. Human Factors in Design. . New York.Mahavir - Kmina. (2007). Recuperado el 30 de Septiembre de 2009, de http://www.mahavir-kmina.org/Modelo de Motor DC. (2023). Sergio Castaño. Recuperado el 04 de enero de 2023, de https://controlautomaticoeducacion.com/analisis-de-sistemas/modelo-de-motor-dc/“sistema de control para el modelo de una prótesis de tobillo” por José Israel Chamorro Acosta, trabajo de grado previo a la obtención del título de ingeniero en mecatrónica, Universidad Técnica Del Norte ( 2017).“Sistema de control para asistir el movimiento de dorsiflexión de pie caído en la fase de oscilación de la marcha en pacientes hemipléjicos”, por Ana Cecilia Villa parra, proyecto de maestría en ingeniería electrónica, pontificia universidad javeriana (junio – 2011).Normal Gait of Children. (2003). Biomedical Engineering Applications, Basis & Communications Vol 15 No. 4 .https://apolo.unab.edu.co/en/persons/johann-barraganORIGINAL2023_Tesis_Anderson_Bautista1.pdf2023_Tesis_Anderson_Bautista1.pdfTesisapplication/pdf4058942https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/19197/6/2023_Tesis_Anderson_Bautista1.pdff2e15b59431cfe8ebaee3fba38b397bcMD56open access2023_Licencia_Anderson_Bautista.pdf2023_Licencia_Anderson_Bautista.pdfLicenciaapplication/pdf622652https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/19197/5/2023_Licencia_Anderson_Bautista.pdf234fabb0ad15640a842f2903006b8b74MD55metadata only accessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-8829https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/19197/4/license.txt3755c0cfdb77e29f2b9125d7a45dd316MD54open accessTHUMBNAIL2023_Tesis_Anderson_Bautista1.pdf.jpg2023_Tesis_Anderson_Bautista1.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg4122https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/19197/7/2023_Tesis_Anderson_Bautista1.pdf.jpgf965a81196621c2d34ac380331d2b01fMD57open access2023_Licencia_Anderson_Bautista.pdf.jpg2023_Licencia_Anderson_Bautista.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10286https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/19197/8/2023_Licencia_Anderson_Bautista.pdf.jpgd1272a46024b9966aab2662cc9f47b31MD58metadata only access20.500.12749/19197oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/191972023-03-07 22:00:59.009open accessRepositorio Institucional | Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABrepositorio@unab.edu.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