Alejandro Acuña Espinoza
Susy Cruz Soto
José P. Solórzano Rojas
Meir Vainer Lechtman
Asesor Director: Msc. Pietro Scaglioni
Asesor Interno: Msc. Gabriel Monge
Asesor Externo: Msc. Axel Retana
Asesor Externo: CPO. Dino Cozarelli
OBJETIVO GENERAL
• Diseñar un mecanismo de alineación que se
acople a las prótesis supracondíleas disponibles
actualmente en el mercado latinoamericano
permitiendo a sus usuarios alinearlas en dos
dimensiones de forma sencilla e inmediata.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar
las
variables
de
marcha
fundamentales de los usuarios de las prótesis.
• Elaborar un modelo matemático simplificado
para el cálculo indirecto de las fuerzas internas
en la prótesis durante la marcha.
• Aplicar los criterios de falla por esfuerzos
estructurales al mecanismo de alineación.
• Simular el funcionamiento del mecanismo en
condiciones de operación convencionales.
DETALLES DEL PROYECTO
•
•
•
•
Fuente: Autores
Justificación
Alcance
Importancia alineación
Procedimiento de
alineación
METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS
Plataforma de reacciones
BioWare
Cámaras de video
Max TRAQ
6 sujetos masculinos
6 repeticiones por sujeto
FUERZAS EXTERNAS
Vector de fuerza vertical
Vector de fuerza horizontal ‘x’
Vector de fuerza horizontal ‘y’
Fricción resultante ‘x’
Fricción resultante ‘y’
METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS
• Resultados obtenidos de la plataforma
Fuente: Autores
ÁNGULOS
Fuente: Autores
METODOLOGÍA DE LAS PRUEBAS
• Resultados obtenidos de los videos
Fuente: Autores
ANÁLISIS DE DATOS
Se tienen 6
valores por
cada variable
(6 repeticiones)
Buscar curva
de mejor ajuste
JMP8
ANÁLISIS DE DATOS
• Variables→7 ángulos y 6 fuerzas externas
800
85
700
80
75
500
Angulo (°)
Fuerza Z (N)
600
400
300
65
60
200
55
100
0
-0.2
70
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Porcentaje de paso
Fuente: Autores
50
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
Porcentaje de paso
Fuente: Autores
1.05
RESULTADOS CINÉTICOS
→ La componente en el plano vertical representa cerca de 120% del PC
→ La componente horizontal y representa cerca de 20% del PC
RESULTADOS CINÉTICOS
→ La componente horizontal x representa cerca de 5% del PC
Objetivo de los datos obtenidos en las pruebas:
Realizar un modelo matemático que describa el comportamiento de
las fuerzas internas en la prótesis; a partir del cual se determinarán
las fuerzas críticas que inciden sobre el mecanismo.
ANÁLISIS DE MOVIMIENTO
Extremidad inferior
Prótesis supracondílea
FUERZAS EXTERNAS FQ
 D1

P .C .  
 1   sen    sen     Q 
6


 D


 sen   Q 
sen   
2

5
FQ Z
 D1

P .C .  
 1   sen    sen     Q 
6


 D


 cos   Q 
sen   
2

5
FQ x
FQ
Y
 P .C .  sen    cos  
Fuente: Autores
FUERZAS EXTERNAS-FRS
DIAGRAMAS
SIMPLIFICADOS
Fuente: Autores
Fuente: Autores
FUERZAS EXTERNAS-FRS
DIAGRAMAS SIMPLIFICADOS
Entrada
•Plano sagital
1 ec. sist. Rotac.
2 ec. sist. Traslac.
• Plano frontal
1 ec. sist. Rot.
1 ec. sist. Traslac.
• Sist. de 1 eslabón
• 1 CM
•Fricción, sentido
medial-lateral y
anterior-posterior
Fuente: Autores
FUERZAS EXTERNAS-FRS
DIAGRAMAS SIMPLIFICADOS
Salida
Plano sagital
 3 ec. sist.
Rotacional
 6 ec sist.
Traslacional
 Sist. 3 eslabones,
3 CM
Plano coronal:
 2 ec. sist. Rot.
 2 ec. sist. Traslac.
 Sist. 2 eslabones ,
2 CM
 Fricción, sentido
medial-lateral y
anterior-posterior
Fuente: Autores
FUERZAS EXTERNAS-FRS


DIAGRAMAS
m  x  b  x  k  x  Fext (t )
SIMPLIFICADOS


Método Analítico
I    b    k     Fext (t )
•18 ec. dif. por
sujeto de 2do orden
•6 sujetos
analizados
•1 sujeto descartado
X  s   m  s  b  s  k   Fext ( s )
2
X
s  
X s 
m  s
Fext  s 
2
 bs  k
1


m  s  b  s  k 
2
F s   b  s  X s   k  X s  m  s  X s 
F s 
2

m
m
RESULTADOS CINETICOS-FUERZAS INTERNAS
FUERZAS PARA LA SIMULACIÓN
• Fuerzas internas críticas
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Fuente: Autores
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Fuente: Autores
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
1
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
2
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
3
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
4
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
5
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
6
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
7
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
8
Fuente: Autores
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
Tornillo
Acople
Tapa
Anillo Superior
Rótula
Anillo Inferior
Hule
Base
Anillo de Presión
ESQUEMA CONCEPTUAL DEL MECANISMO
9
Fuente: Autores
CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES
Ubicación
Dimensiones
Generales
Material
UBICACIÓN
• Se coloca el mecanismo de alineación debajo de
la rodilla mecánica en una prótesis
supracondílea
CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES
Ubicación
Dimensiones
Generales
Material
DIMENSIONES GENERALES
• Diámetro interno de la base: 30 mm
• Longitud total: 63,5 mm - 64,0 mm
• Masa: 123 g - 143 g
CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES
Ubicación
Dimensiones
Generales
Material
MATERIAL
•
•
•
•
•
Aluminio 2024-T6
Relación de Poisson: 0,33
Módulo de Elasticidad 72,4 GPa
Esfuerzo de fluencia: 345 MPa
Esfuerzo de fatiga: 124 MPa para
5 x 108 ciclos
• Esfuerzo último: 427 MPa
Fuente: Materials Group, University of Cambridge
CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES
Movimiento
de la rótula
INCLINACIÓN Y ROTACIÓN
Fuente: Autores
ANÁLISIS DE FALLA
Modelo virtual
Esfuerzos de Von
Mises
Falla por fatiga:
Soderberg
MODELO VIRTUAL
Simplificaciones
Propiedades de los materiales
Condiciones de frontera
Interacciones
Pasos
Condiciones de carga
Densidad de enmallado
Fuente: Autores
ANÁLISIS DE FALLA
Modelo virtual
Esfuerzos de Von
Mises
Falla por fatiga:
Soderberg
ESFUERZOS DE VON MISES
• Mecanismo
expuesto a
esfuerzos máximos
de hasta 116 Mpa
• ángulo máximo de
10º
• Para el análisis del
mecanismo se
utilizaron los
valores de fuerzas
máximos
reportados en el
análisis cinemático
de los sujetos
Deformación
Acople 1
Acople 2
Caso 1
15,9%
15,9%
Caso 2
16,0%
16,0%
Caso 3
16,1%
16,1%
Caso 4
16,1%
15,9%
Fuente: Autores
ESFUERZOS DE VON MISES
Acople 1
Acople 2
Fuente: Autores
Fuente: Autores
ANÁLISIS DE FALLA
Modelo virtual
Esfuerzos de Von
Mises
Falla por fatiga:
Soderberg
TEORÍA DE FALLAS DE SODERBERG
• Factor de seguridad de 1,6
Esfuerzos alternantes (MPa)
140
120
Soderberg
100
Goodman
80
Gerber
60
ASME
Bagci
40
Diseño
20
0
0
100
200
300
Esfuerzos medios (MPa)
Fuente: Monge, G. 2009
400
500
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Valores experimentales:
• Tobillo: Fmaxz= 2,41 P.C.
• Rodilla:Fmaxy=2,1 P.C.
• Rodilla: Fmaxz= 0,55 P.C.
Valores teóricos:
• Tobillo: fuerzas de compresión de hasta 4 P.C
• Rodilla: fuerzas de compresión de hasta
3,3-7,8 P.C.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Tobillo: Fuerzas compresivas 1,6 P.C. que en la
prótesis.
• Rodilla: Fuerzas de 1,2 P.C. veces superiores a la
fuerza antero-posterior máxima encontrada en
la rodilla.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
•.
 Adaptación
 Longitud del muñón
ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Fuerza vertical y Fuerza horizontal anteriorposterior son menores a su valor teórico.
 Pasos cortos
 Ausencia de grupos musculares
• Fuerza horizontal media-lateral es mayor a su
valor teórico.
 Mayor ángulo de inclinación del fémur
ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Relación entre fuerzas externas y peso corporal
diferente a valores teóricos
• Las personas que utilizan prótesis no caminan
de la misma manera que las personas que tienen
ambas piernas biológicas:
 Tiempo de adaptación
 La longitud del muñón
 Ajuste entre el socket y
el liner
Fuente: Autores
ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Comportamiento de las fuerzas de reacción con
la superficie.
800
700
50
500
400
Fuerza Y (N)
Fuerza Z (N)
600
300
200
100
0
-0.2
0
-50
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Porcentaje-100
de paso
-0.2
Fuente: Autores
1
0
1.2
0.2
0.4
0.6
0.8
Porcentaje de paso
1
1.2
ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Esfuerzo máximo de
116 Mpa.
• Ángulo permisible de
10°
Fuente: Autores
ANÁLISIS DE RESULTADOS
• Vida útil de aproximadamente 17 años
• Los valores más altos de esfuerzo se presentan
en el cuello
• Competitividad en el mercado:
 Versatilidad de movimiento.
 Tamaño (63,5 mm - 64,0 mm)
 Masa (123 g - 143 g)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Características de mecanismos de alineación
Mecanismo
Masa (g)
Material
Adaptador de tubo
90
Aluminio
Referencia
(TIMed,2010)
Adaptador con núcleo
63
Aluminio
(TIMed,2010)
Adaptador para
laminación
60
Aluminio
(Ortoibérica,2009)
Adaptador para pie SACH
53
Aluminio
(Ortoibérica,2009)
Adaptador doble
79
Aluminio
(Ortoibérica,2009)
40
Aluminio
(Ortoibérica,2009)
38
Acero Inoxidable
(Össur, 2009)
Adaptador hembra con
rotación
Adaptador hembra con
rosca
CONCLUSIONES
• El diseño del mecanismo permitirá que este se
pueda adaptar a las prótesis supracondíleas y
alinearlas de manera sencilla e inmediata.
• Los rangos angulares medidos durante las
pruebas para los diferentes planos de
movimiento de la prótesis, difieren de los valores
reportados para piernas biológicas.
CONCLUSIONES
• Las fuerzas internas que se generan durante la
marcha en la prótesis, son menores que las
fuerzas internas que se generan en la pierna
biológica.
• Los mayores esfuerzos que se generan en el
mecanismo se presentan durante el movimiento
de salida del ciclo de paso.
• El diseño del mecanismo es satisfactorio.
RECOMENDACIONES
• Aumentar el número de sujetos en las pruebas.
• Restringir aún más la muestra mediante
características como rango de longitudes del
muñón y tipo de pie protésico.
• Utilizar mayor número de plataformas de fuerza.
• Disponer de un área de pruebas mayor tamaño.
RECOMENDACIONES
• Utilizar cámaras de alta velocidad.
• Obtener los momentos de inercia particulares de
cada sección.
• Incrementar el conocimiento acerca de la
marcha en población latinoamericana.
¡MUCHAS GRACIAS!
AGRADECIMIENTOS
•
•
•
•
•
•
•
•
M.Sc. Pietro Scaglioni
M.Sc. Juan G. Monge
CPO. Dino Cozarelli
M.Sc. Axel Retana
Dra. Claudia Espinoza
Ing. Raziel F. Sanabria
José Moncada, PhD
M.Sc. Guido Quesada
•
•
•
•
•
•
•
Ing. Verónica Córdoba
Ing. José D. Cordero
Ing. José E. Angulo
Sr. Oscar Flores
Srta. Heidy Saavedra
Sr. Eric Ramírez
Sr. Alex Rodríguez
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Diseño de mecanismo de alineación en dos dimensiones para