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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


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


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


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


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


ITEM VALOR UNIDAD


-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


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



-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


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


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


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


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.

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