Diseño y modelado virtual del mecanismo policéntrico de una prótesis de rodilla

Abstract

El presente trabajo desarrolla el Diseño y Modelado Virtual del Mecanismo Policéntrico de una Prótesis de Rodilla. El mecanismo policéntrico se presenta como una aproximación para imitar el comportamiento y funcionamiento de la rodilla humana. El diseño y modelado virtual de este mecanismo es una contribución con el desarrollo e innovación tecnológica del Ecuador presentando nuevas aplicaciones de ingeniería mecánica en el campo de la medicina, específicamente dentro de la ortopediatría. Este estudio presenta una profunda investigación sobre la materia protésica, diferentes tipos de amputaciones en las extremidades inferiores y mecanismos ya existentes para contrarrestar el efecto de la ausencia de una extremidad en el amputado, específicamente, amputaciones transfemorales. Además presenta como está constituida una prótesis transfemoral y el tipo de rodillas que se utilizan como solución a este problema. El presente estudio exhibe una introducción a la anatomía y fisiología de la rodilla. Esto permite definir el sistema de referencia a utilizar y la nomenclatura propia para un correcto diseño biomecánico de prótesis de rodilla. Parte fundamental de esta investigación es estudiar la biomecánica de la rodilla donde se analizan los diferentes grados de flexión y extensión que se pueden generar en la rodilla durante la marcha normal (caminar). También se presentan los movimientos y cargas críticas generadas durante el ciclo de marcha normal. La metodología empleada es el proceso de diseño y se lo ha dividido en dos etapas principales: 1. Diseño de Forma. 2. Modelado Virtual del mecanismo policéntrico de la prótesis. En la primera etapa, Diseño de Forma, se presentan los factores de influencia, criterios de estabilidad, especificaciones de desempeño, criterios de diseño y elementos que conforman la prótesis de rodilla con mecanismo policéntrico. En base a los criterios de funcionamiento y características de la prótesis de rodilla con mecanismo policéntrico de cuatro barras se seleccionó una configuración del mecanismo adecuada que permita al amputado un control voluntario durante las fases más críticas del ciclo de marcha normal. Las dimensiones de los eslabones y la ubicación de los centros instantáneos permanentes se determinan utilizando un programa desarrollado en MATLAB que describe el comportamiento del mecanismo policéntrico de cuatro barras y de su centrodo durante toda la flexión que experimenta el mecanismo de la rodilla durante la marcha normal. En la etapa de modelado virtual se desarrolla el prototipo virtual en 3D, utilizando SolidWorks, en base a la configuración del mecanismo obtenida en el diseño de forma. Para complementar el modelado virtual se presentan los resultados obtenidos del análisis de diseño estático y por fatiga (esfuerzos, deformaciones críticas, y factores de seguridad de cada elemento). Los análisis se realizan utilizando el software ANSYS, en base al método de elementos finitos.