FABRICACIÓN DE PRÓTESIS TRANSRADIAL CONSIDERANDO LA
PARAMETRIZACIÓN DE SUS COMPONENTES TOMANDO COMO VARIABLES LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL USUARIO
JUAN MANUEL MATIZ BERNAL
JUAN CARLOS EDUARDO PINZÓN SALOMÓN
UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
DIVISIÓN DE INGENIERÍAS BOGOTÁ D.C.
FABRICACIÓN DE PRÓTESIS TRANSRADIAL CONSIDERANDO LA
PARAMETRIZACIÓN DE SUS COMPONENTES TOMANDO COMO VARIABLES LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL USUARIO
JUAN MANUEL MATIZ BERNAL
JUAN CARLOS EDUARDO PINZÓN SALOMÓN
Proyecto de Trabajo de Grado en la modalidad de Solución a un problema de Ingeniería para optar al título de Ingeniero Mecánico
Director
Ing. Marco Antonio Velasco Peña
Codirector
Ing. Jhon Alexander Hernández Martin
Nota de aceptación:
Firma del presidente del jurado
Firma del jurado
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
En primera medida gracias a La Universidad Santo Tomas, cuna del conocimiento y la investigación que con sus recursos aporto significativamente al desarrollo de este trabajo de grado y todo nuestro desarrollo profesional, al Servicio Nacional de Aprendizaje SENA que con sus aportes consolido nuestro enfoque de trabajo, sin lugar a dudas gracias a todos aquellos que contribuyeron en nuestro proceso formativo y hoy nos reciben con nuestro título de grado.
Gracias Al Ingeniero Marco Velasco en Calidad de Tutor de nuestro trabajo de grado por ser ejemplo a seguir de maestro y profesional quien con su carisma y calidad personal es precursor de enseñanza, trabajo honesto y Responsabilidad.
Gracias al Ingeniero Jhon Martin en representación del Servicio Nacional de aprendizaje SENA de Metrología y Diseño quien en calidad de Codirector colaboro en gran medida Técnica al desarrollo de nuestro Trabajo de Grado.
CONTENIDO
1 INTRODUCCIÓN ... 1
2 OBJETIVOS ... 3
2.1 GENERAL ... 3
2.2 ESPECÍFICOS ... 3
3 MARCO REFERENCIAL ... 4
3.1 MARCO CONCEPTUAL ... 4
3.1.1 Definición prótesis ... 4
3.1.2 Niveles de amputación en miembro superior ... 4
3.1.3 Manufactura aditiva ... 4
3.1.4 Parametrización CAD ... 7
3.2 MARCO TEÓRICO ... 8
3.2.1 Proceso de escaneo 3D ... 8
3.2.1.1 Pasos de funcionamiento de un escaneo 3D ... 9
3.2.2 Funcionamiento de prótesis transradial ... 9
3.2.3 Ventajas de la parametrización CAD ... 10
3.2.3.1 Pasos para la parametrización del modelo CAD en Solid Works 2016 .. 10
3.2.4 Metodologías de manufactura ... 11
3.2.4.1 Proceso de manufactura aditiva ... 11
3.2.4.2 Proceso de manufactura convencional ... 11
3.2.4.3 Metodologías de manufactura aditiva vs manufactura convencional ... 11
4 ELECCION DE PROTESIS TRANSRADIAL A FABRICAR ... 12
4.1 PRÓTESIS MIOELÉCTRICAS DEL MERCADO ACTUAL ... 12
4.1.1 Limbultra de Touch Bionics ... 12
4.1.2 Deka Arm... 13
4.1.3 InMoov Hand ... 13
4.2 SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA ... 14
4.3 DESCRIPCIÓN DE LA PRÓTESIS ELEGIDA ... 17
5 MODELO TRIDIMENSIONAL DE MUÑÓN DE ANTEBRAZO Y GEOMETRÍA DEL SOCKET A FABRICAR ... 18
5.1 ANTEBRAZO PARA ANALIZAR ... 18
5.1.1 Impacto Psicológico del Usuario ... 19
5.2 METODOLOGÍA DE ESCANEO DE ANTEBRAZO ... 19
5.2.1 Preparación del muñón a escanear ... 19
5.2.2 Materiales y equipos usados ... 19
5.2.3 Descripción general del proceso ... 21
5.2.4 Obtención del modelo STL de muñón ... 25
5.3 GENERACIÓN DE MODELO CAD DE SOCKET ... 27
5.3.1 Descripción general de proceso ... 27
5.4 MODELO FINAL DE SOCKET ... 31
5.5 CONCLUSIONES DEL CAPITULO ... 31
6 PARAMETRIZACIÓN DEL MODELO CAD DE LA PRÓTESIS DE BRAZO TRANSRADIAL TENIENDO EN CUENTA LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS DEL USUARIO ... 32
6.1 OBTENCIÓN DE LA TOTALIDAD DE PIEZAS DEL BRAZO INMOOV – NEUTRO 32 6.1.1 Descripción de modelo final – neutro ... 32
6.1.1.1 Mano general ... 32
6.1.1.2 Palma, ejes de apoyo y bases para dedos... 35
6.1.1.3 Dedos generales ... 47
6.1.1.4 Descripción detallada de dedo índice, medio, anular y meñique ... 48
6.1.1.5 Descripción detallada de dedo pulgar ... 54
6.1.1.6 Descripción general de antebrazo ... 55
6.1.1.7 Descripción general ensamble mano – antebrazo ... 57
6.2 CARACTERIZACIÓN DE DIMENSIONES DEL BRAZO INMOOV A PARAMETRIZAR ... 58
6.3 MEDICIÓN DE BRAZO FUNCIONAL DE USUARIO ... 66
6.3.1 Protocolo para la toma y registro de medidas antropométricas ... 66
6.3.2 Medidas antropométricas de la mano y antebrazo ... 66
6.3.3 Descripción general del proceso de medición ... 70
6.3.4 Resultados del levantamiento metrológico ... 73
6.4 METODOLOGÍA DE PARAMETRIZACIÓN DE MODELO CAD ... 73
6.4.1 Parametrización en el software Solid Works 2016 ... 74
6.5 CALCULO DE RAZÓN DIMENSIONAL ENTRE EL MODELO INMOOV NEUTRO Y MEDIDAS REALES DE USUARIO ... 79
6.6 COMPARACIÓN DE MODELOS OBTENIDOS (INICIAL Y PARAMETRIZADO A USUARIO) ... 84
6.7 CONCLUSIONES DEL CAPITULO ... 84
7 ELABORACIÓN DE COMPONENTES DE LA PRÓTESIS POR MEDIO DE MANUFACTURA ADITIVA A PARTIR DE LOS MODELOS PARAMETRIZADOS CAD .... 86
7.1 MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS ... 86
7.3 VARIABLES DE MANUFACTURA ... 88
7.3.1 Densidad ... 88
7.3.2 Velocidad de impresión ... 89
7.3.3 Temperatura de impresión ... 89
7.3.4 Flujo de filamento ... 90
7.4 PROCESO DE IMPRESIÓN ... 90
7.4.1 Creación del g-code ... 90
7.4.2 Preparación de la cama de impresión ... 91
7.4.2.1 Configuraciones iniciales y Pre calentamiento material de impresión ... 92
7.5 DISTRIBUCIÓN DE IMPRESIÓN ... 92
7.5.1 Impresión y retiro de las piezas ... 93
7.5.2 Descripción general del proceso ... 96
7.5.3 Resultados de impresión ... 98
7.6 ENSAMBLE DE MANO INMOOV ... 98
7.7 CONCLUSIONES DEL CAPITULO ... 99
8 MECANISMO DE ARTICULACIÓN MANO – ANTEBRAZO ... 100
8.1 DISEÑO GEOMÉTRICO ... 100
8.2 ENSAMBLE DEL ANTEBRAZO INMOOV DEL USUARIO ... 101
8.3 CONCLUSIONES DEL CAPITULO ... 103
9 TIEMPOS Y COSTOS ... 104
9.1 TIEMPOS DE MANUFACTURA DE LA PROTESIS ... 105
9.2 COSTOS ASOCIADOS AL PROCESO DE IMPRESIÓN ... 106
10 CONCLUSIONES ... 109
11 RECOMENDACIONES ... 109
12 BIBLIOGRAFÍA ... 113
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Requerimientos Funcionales ... 14
Tabla 2. Clasificación de la importancia de los requerimientos funcionales ... 15
Tabla 3. Evaluación de los requerimientos funcionales ... 17
Tabla 4. Equivalencia de Piezas Originales... 79
Tabla 5. Medidas Antropométricas Mano y Antebrazo ... 81
Tabla 6. Calculo de razones Dimensionales de los dedos para usuario Voluntario ... 82
Tabla 7. Calculo de razones Dimensionales de la palma y bases de dedos para usuario Voluntario... 83
Tabla 8. Calculo de razones Dimensionales del antebrazo para usuario Voluntario ... 84
Tabla 9. Características y Descripción de Material Utilizado... 104
LISTA DE FIGURAS
Ilustración 1 Niveles de Amputación. ... 4
Ilustración 2. Sinterizado Laser Selectivo ... 5
Ilustración 3. Estereolitografia ... 6
Ilustración 4. Modelado Por Deposicion Fundida ... 6
Ilustración 5. Sinterizado Directo de Metal Laser ... 7
Ilustración 6. Fusion Selectiva por Laser ... 7
Ilustración 7. Proceso de Escaneo 3D ... 8
Ilustración 8. Protesis Transradial Vs Mano Humana ... 10
Ilustración 9. Limbultra ... 12
Ilustración 10. Deka Arm ... 13
Ilustración 11. InMoov Hand ... 14
Ilustración 12. Antebrazo a Analizar ... 18
Ilustración 13. Escaner Space Spider ... 20
Ilustración 14. Proceso de escaneo 3D con Artec Studio ... 21
Ilustración 15. Proceso de Escaneo 3D ... 21
Ilustración 16. Posicionamiento bajo para escaneo de muñon ... 22
Ilustración 17. Rotación Manual de escaner en proceso de escaneo 3D ... 23
Ilustración 18. Escaneo de muñon en instalaciones caseras... 24
Ilustración 19. Escaneo 3D en diferente posición ... 24
Ilustración 20. Generación de modelo STL durante escaneo 3D ... 25
Ilustración 21. Obtencion de modelo final STL tras escaneo 3D ... 26
Ilustración 22. Configuración de los límites del archivo STL ... 27
Ilustración 23. Malla en cuadriculas de trasfondo al modelo STL ... 27
Ilustración 24. Función seleccionar curvas sobre modelo ... 28
Ilustración 25. Visualización de curvas sobre el modelo ... 28
Ilustración 26. Ajuste de curvas sobre la superficie del Socket ... 29
Ilustración 27. Curvas totalizadas sobre superficie del Socket ... 29
Ilustración 28. Funcion seleccionar curvas del modelo ... 30
Ilustración 29. Agujeros tras conversión a superficies ... 30
Ilustración 30. Modelo Final Ajustado De Socket ... 31
Ilustración 31. Vista Inferior mano InMoov ... 33
Ilustración 32. Vista Superior Mano InMoov ... 33
Ilustración 33. Vista lateral Mano Inmoov ... 34
Ilustración 34. Vista Frontal Mano InMoov ... 34
Ilustración 35.Isometrico Mano InMoov ... 35
Ilustración 36. Palma Mano InMoov ... 36
Ilustración 37. Vista Traslucida Palma Mano InMoov ... 37
Ilustración 38. Palma Individual Mano InMoov ... 38
Ilustración 39. Base de dedo Meñique Mano InMoov ... 38
Ilustración 40. Pieza traslucida Base de Dedo Meñique Mano InMoov... 39
Ilustración 41. Pieza Individual Base de Dedo Meñique Mano InMoov ... 40
Ilustración 42. Base de dedo Anular Mano InMoov ... 40
Ilustración 43.Vista traslucida Base de dedo Anular Mano InMoov ... 41
Ilustración 44.Pieza Individual Base de dedo Anular Mano InMoov ... 42
Ilustración 45. Base de dedo Pulgar Mano InMoov ... 43
Ilustración 46.Vista traslucida Base dedo Pulgar Mano InMoov ... 43
Ilustración 47. Pieza Individual Base dedo Pulgar Mano InMoov ... 44
Ilustración 51. Pieza Individual Eje de Apoyo Base dedo Pulgar ... 46
Ilustración 52. Vista Traslucida Dedo Anular Mano InMoov... 47
Ilustración 53. Vista Traslucida Dedo Pulgar Mano InMoov... 48
Ilustración 54. Estructura General Dedos Meñique, Anular, Medio e índice ... 49
Ilustración 55. Vista Traslucida Parte 1 Falange Distal Dedo General ... 49
Ilustración 56. Vista Traslucida Parte 2 Falange Distal Dedo General ... 50
Ilustración 57. Vista Traslucida Parte 1 Falange Media Dedo General ... 51
Ilustración 58. Vista Traslucida Parte 2 Falange Media Dedo General ... 52
Ilustración 59. Vista traslucida Parte 1 Falange Proximal Dedo General ... 53
Ilustración 60. Vista traslucida Parte 2 Falange Proximal Dedo General ... 53
Ilustración 61. Estructura General Dedo Pulgar ... 54
Ilustración 62. Vista Traslucida Parte 3 Falange Proximal Dedo pulgar ... 55
Ilustración 63. Estructura general Antebrazo ... 55
Ilustración 64. Vista Lateral Estructura general Antebrazo ... 56
Ilustración 65. Vista Superior Vista Lateral Estructura general Antebrazo ... 56
Ilustración 66. Ensamble general Mano-Antebrazo ... 57
Ilustración 67. Dimensiones a parametrizar Parte 1 Falange Proximal dedo general ... 58
Ilustración 68. Dimensiones a parametrizar Parte 2 Falange Proximal dedo general ... 59
Ilustración 69. Dimensiones a parametrizar Parte 1 Falange Media dedo general ... 59
Ilustración 70. Dimensiones a parametrizar Parte 2 Falange Media dedo general ... 60
Ilustración 71. Dimensiones a parametrizar Parte 1 Falange Distal dedo general ... 61
Ilustración 72. Dimensiones a parametrizar Parte 2 Falange Distal dedo general ... 61
Ilustración 73. Dimensiones a parametrizar ejes de apoyo ... 62
Ilustración 74. Dimensiones a parametrizar Palma Mano ... 63
Ilustración 75. Dimensiones a parametrizar bases de dedo Pulgar, Meñique y anular .... 64
Ilustración 76. Dimensiones a parametrizar Antebrazo ... 65
Ilustración 77. Dimensiones a parametrizar Acople Mano-Antebrazo ... 65
Ilustración 78. Dimensión Largura de la mano ... 67
Ilustración 79. Dimensión Largura de la palma ... 68
Ilustración 80. Dimensión Anchura de la palma ... 68
Ilustración 81. Huesos de la mano humana ... 69
Ilustración 82. Proceso de Medición Largura de la mano Usuario Voluntario ... 70
Ilustración 83. Proceso de Medición Largura de la Palma Usuario Voluntario ... 71
Ilustración 84. Proceso de Medición Anchura de la Palma Usuario Voluntario ... 72
Ilustración 85. Proceso de Medición Largura de Antebrazo Usuario Voluntario ... 73
Ilustración 86. Creación de Nuevo Libro de Excel ... 74
Ilustración 87. Creación de tabla de diseño en el Software Solid Works 2016 ... 75
Ilustración 88. Creación de Tabla de diseño desde archivo en blanco de Excel ... 75
Ilustración 89. Configuración de escalas ... 76
Ilustración 90. Modificacion de configuraciones ... 76
Ilustración 91. Configuración de escalas dimensionales de los modelos analizados ... 77
Ilustración 92. Visualización de tabla de diseño desde software Solid Works 2016 ... 78
Ilustración 93. Configuración de variables de escala a parametrizar ... 78
Ilustración 94. Actualización parametrica de archivo ... 79
Ilustración 95. Software Cura ... 87
Ilustración 96. Configuraciones Pre proceso de impresión ... 88
Ilustración 97. Configuración de densidad de material en software Cura ... 89
Ilustración 98. Configuración de Velocidad de Impresión de material en software Cura .. 89
Ilustración 101. Creación de G-CODE desde el software Cura ... 91
Ilustración 102. Cinta 3M ... 92
Ilustración 103. Primera etapa de impresión ... 93
Ilustración 104. Segunda etapa de impresión ... 93
Ilustración 105. Funciones de Soporte ... 94
Ilustración 106. Bases de soporte para las piezas segun necesidad de proceso ... 94
Ilustración 107. Avance de proceso de manufactura con ayuda de soporte ... 95
Ilustración 108. Proceso de impresión primera capa ... 95
Ilustración 109. Proceso de Impresión parte 2 Falange Proximal dedo Medio ... 96
Ilustración 110. Manufactura Primera Etapa de Impresión ... 96
Ilustración 111. Avance de impresión 3D visualizado desde el control principal de la maquina ... 97
Ilustración 112. Proceso de Manufactura Palma Mano InMoov ... 97
Ilustración 113. Palma Mano InMoov finalizada ... 98
Ilustración 114. Piezas de Dedo InMoov ... 98
Ilustración 115. Acople Mano-Antebrazo Mano InMoov ... 100
Ilustración 116. Eje de Apoyo Acople Mano-Antebrazo Mano InMoov ... 101
Ilustración 117. Antebrazo InMoov Manufacturado Para Usuario Voluntario ... 101
Ilustración 118. Vista Superior Antebrazo InMoov Manufacturado Para Usuario Voluntario... 102
Ilustración 119. Mano InMoov Manufacturada en su totalidad. ... 103
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Formato de Manejo de Usuario ... 115
Anexo 2. Carta de consentimiento informado, Desarrollo y adaptación de ortesis y protesis ... 120
Anexo 3. Formato de historia clínica del usuario ... 121
Anexo 4. Formato de Toma de medias Antropométricas Mano y antebrazo del Usuario Voluntario ... 123
Anexo 5. Dimensiones antropométricas de la población latinoamericana ... 124
Anexo 6. Flujograma de proceso de obtención de protesis transradial InMoov parametrizada ... 124
Anexo 7. Planos de parametrización CAD de las piezas de la prótesis InMoov ... 124
Anexo 8. Certificado de WorkShop SENA – Juan Matiz... 124
Anexo 9. Certificado de WorkShop SENA – Juan Matiz... 124
Anexo 10. Tabla de parametrización de componentes de la protesis InMoov y hoja de datos de medidas antropométricas de usuario Voluntario... 124
Anexo 11. Carpeta de tablas de diseño o parametrización acompañadas de piezas manufacturadas en formatos Solido y STL ... 124
1 INTRODUCCIÓN
Diariamente la persona común utiliza sus extremidades para diferentes actividades básicas como cepillarse los dientes, vestirse, comer, entre otras. Esto hace que sea directamente dependiente de sus extremidades y viva en función de las habilidades que desarrolle con ellas. La pérdida de una o más extremidades se presenta por factores varios entre ellos enfermedades y accidentes.
Según estadísticas del DANE (Departamento Administrativo Nacional de Estadística) en su Censo general del 2005, de cada 100 colombianos, 14,7 tiene limitaciones permanentes para usar brazos y manos[1]. Por esto, en la Resolución 5521 del 27 de diciembre de 2013 del Ministerio de Salud se consigna en el artículo 62 que dentro del POS (Plan obligatorio de salud) se encuentran cubiertas las ayudas técnicas comprendidas como prótesis y órtesis, su instalación y recambio por razones de desgaste, crecimiento o modificaciones en la morfología del paciente[2]. A pesar de los esfuerzos que realizan entidades públicas y privadas para brindarle solución a las limitaciones físicas de las personas, gran parte de la población colombiana no puede llegar a adquirir una de estas prótesis y órtesis. Hay diferentes limitantes como la gran cantidad de trámites y requisitos necesarios para iniciar el proceso de obtención de prótesis y órtesis y restricciones de acceso por lo costosas que pueden llegar a ser estas. Por ejemplo, el valor de una prótesis transradial oscila entre 5 a 6 millones de pesos[3].
A esto se añaden las diferentes problemáticas técnicas que conlleva la construcción de una prótesis, desde la caracterización de sus materiales hasta las metodologías de manufactura apropiadas para su realización. Uno de los factores de mayor preocupación al fabricar es conservar la geometría de diseño ya que los diseños de las prótesis pueden llegar a ser de geometrías variables y complejas que no se podrán fabricar fácilmente y a bajo costo por medios convencionales[4].
Por lo tanto, es necesario que existan diferentes productos de investigación y desarrollo de prótesis y órtesis apoyados por profesionales en ingeniería. Para dar solución a esto se propone modificar el uso de la mano InMoov[5], un proyecto open source, con el fin de adaptar a estas un socket de antebrazo según se requiera por usuario con el fin de lograr una manufactura económica, mediante la parametrización y manufactura de cada una de las piezas de la misma, generando así una reducción en el tiempo y costo asociados a la fabricación de una prótesis transradial.
Para este trabajo de grado, se trabaja con un modelo open source como la mano InMoov, desarrollada inicialmente para un robot antropomórfico. Se seleccionó esta mano debido a su alto grado de funcionalidad demostrado y a su posibilidad legal de reproducción.
2 OBJETIVOS
2.1 GENERAL
Fabricar una prótesis transradial considerando la parametrización de sus componentes tomando como variables las medidas antropométricas del usuario.
2.2 ESPECÍFICOS
Obtener el modelo tridimensional del muñón de antebrazo con el fin de definir la geometría del socket a fabricar.
Parametrizar el modelo CAD de la prótesis de brazo transradial teniendo en cuenta las medidas antropométricas del usuario.
3 MARCO REFERENCIAL
3.1 MARCO CONCEPTUAL
3.1.1 Definición prótesis
Las prótesis son una extensión artificial que reemplaza una parte del cuerpo que falta por diversas razones como amputaciones o agenesia. Se emplea para suplir la función del miembro faltante y para realizar una función estética. Es importante resaltar la diferencia de estas con las órtesis, que apoyan o complementan, pero no sustituyen o reemplazan partes del cuerpo[7].
3.1.2 Niveles de amputación en miembro superior
La pérdida o falta de miembros superiores puede estar clasificadas según la localización de estas en el cuerpo. El proyecto se enfoca en una prótesis transradial donde un individuo tiene una amputación localizada debajo del codo[8].
Ilustración 1 Niveles de Amputación.
Fuente: 3D Natives [12].
pueden ser impresión 3D o prototipado rápido. La fabricación aditiva comienza con un archivo de diseño asistido por computadora (CAD)[9]. La impresora 3D utiliza el archivo para recrearlo mediante capas muy finas de material para construir el objeto 3D final. En comparación a las técnicas de manufactura convencionales, la manufactura aditiva brinda un ahorro de tiempo en el ciclo de desarrollo, ahorro en costos, reducción de residuos y mejora la calidad y diseño del producto final. Gracias a esto la manufactura aditiva está siendo muy aplicada en el sector de prótesis, debido a las formas irregulares que pueden llegar a presentarse, donde la manufactura convencional gracias a una serie de limitaciones puede llegar a ser imposible o muy compleja de realizar[10].
La manufactura aditiva a su vez posee varios métodos para llegar a la impresión por capas del modelo CAD previamente mencionado, como lo son:
Sinterizado Láser Selectivo (SLS): proceso de fusión de polvo por medio de una laser de alta potencia para fabricar en 3D los objetos. Las aplicaciones para este proceso de impresión 3D suelen ser diseños con partes móviles[11].
Ilustración 2. Sinterizado Laser Selectivo
Fuente: 3D Natives [12].
Ilustración 3. Estereolitografia
Fuente: 3D Natives [12].
Modelado por deposición fundida (FDM): crean piezas capa por capa de abajo a arriba calentando y extruyendo el filamento termoplástico. La impresora 3D calienta el material termoplástico hasta que alcanza un estado semilíquido y lo deposita en gotas ultra finas a lo largo de la trayectoria de extrusión[14].
Ilustración 4. Modelado Por Deposicion Fundida
Fuente: 3D Natives [12].
Ilustración 5. Sinterizado Directo de Metal Laser
Fuente: 3D Natives [12].
Fusión selectiva por láser (SLM): Se basa en la fusión mediante la acción de un láser de polvo metálico pre depositado en capas muy finas y uniformes, el proceso se repite capa a capa hasta completarse la pieza. El láser genera en cada capa el contorno de la pieza a construir fundiendo el polvo. Principalmente utilizado en prótesis y órtesis[16].
Ilustración 6. Fusion Selectiva por Laser
Fuente: 3D Natives [12].
3.1.4 Parametrización CAD
El CAD paramétrico se encarga de asignar reglas no lineales entre las proporciones de un diseño, mediante ecuaciones de cualquier tipo, y al mismo tiempo establecer relaciones geométricas, buscando la funcionalidad del modelo o la estética del mismo. Al realizar la parametrización de un CAD se logra poder cambiar cada una de las medidas que componen el diseño para que posteriormente puedan ser editadas. Con la parametrización CAD se obtiene la optimización del diseño, logrando variar el diseño y la reducción de los costos en la ejecución del proyecto[17].
individuo, se podrá variar la geometría de los elementos y así minimizar el tiempo de personalización de la prótesis.
3.2 MARCO TEÓRICO
Dado que la mirada central de este proyecto está en la manufactura y parametrización de la prótesis transradial es fundamental abordar las siguientes temáticas afines.
3.2.1 Proceso de escaneo 3D
Este proceso es un paso inicial en miras de la realización del proyecto ya que el propósito de un equipo de escaneo 3D es crear o reproducir una nube de puntos a partir de muestras geométricas existentes en la superficie del objeto que está siendo escaneado. Para este caso, el objeto será el muñón de la persona afectada. Al obtener estos puntos se puede obtener la forma digitalizada del objeto. Actualmente este tipo de procesos se utilizan a nivel industrial para reproducir piezas de complejidad geométrica avanzada en la industria de metrología y automotriz [18].
Existen dos clases de escaneo 3D en función de, si existe o no, contacto con el objeto a evaluar. En su mayoría los equipos de escaneo 3D sin contacto se usan para el análisis de grandes estructuras[19], El equipo utilizado para el presente proyecto es el escáner Artec Spider que permitirá un escaneo 3D sencillo y permitirá ver el objeto modelado en 3D a medida que avanza el proceso.Este escáner fue diseñado para obtener la textura precisa y geometría de mapeo exacta además de tener capacidad de trabajo inalámbrica.
3.2.1.1 Pasos de funcionamiento de un escaneo 3D
1. Mediante un láser el sistema evalúa la distancia, desde el equipo emisor hasta el objeto analizado, esto teniendo en cuenta el alcance de la trayectoria.
2. Mediante un elemento reflectivo o varios de ellos giratorios, el sistema abarca dos magnitudes longitudinales y dos angulares, con estas magnitudes genera una cantidad enumerada de puntos de los cuales solo se conoce la distancia entre ellos. 3. Es importante aclarar que, en base a la precisión deseada, suele ser necesario
tomar varias veces el escaneo[21].
4. Para reproducir el modelo CAD del escaneo se utilizan diferentes softwares de ingeniería, para ello se utilizará el software Solid Works 2016 ya que el departamenta Nacional de aprendizaje SENA posee licencia estudiantil.
3.2.2 Funcionamiento de prótesis transradial
La prótesis transradial se utiliza para afectación bajo el codo. El funcionamiento de la prótesis es función directa de su diseño y cualidades de fabricación. Sin embargo, se pueden encontrar indicaciones generales para este tipo de prótesis como la óptima fuerza que se realiza para elevar la prótesis debido a sus materiales de fabricación y disposición de apoyos en el codo[22], como inconveniente se puede considerar la dependencia del paciente a realizar mantenimientos preventivos múltiples y los sistemas de soporte ineficientes.
Hay distintos y variados tipos de prótesis transradiales, con longitudes de afectación más largas o cortas, nivel de actividad y preferencias individuales, pueden ser manufacturadas con fines cosméticos, para reemplazar una parte del cuerpo inexistente y finalmente con fines funcionales.
Ilustración 8. Protesis Transradial Vs Mano Humana
Fuente: Manos Mioelectricas Vs Humanas [24].
3.2.3 Ventajas de la parametrización CAD
Al realizar el proceso de parametrización CAD, se deben tener en cuenta los parámetros a utilizar en el Software Solid Works 2016[25] que serán las medidas antropométricas del usuario evaluadas en un proceso previo, una vez realizado el modelo 3D de la prótesis, esta se dividirá en 2 partes el socket (parte que hace contacto con el muñón) y mano.
3.2.3.1 Pasos para la parametrización del modelo CAD en Solid Works 2016
1. Definir las variables o medidas a parametrizar
2. Crear un Libro de Excel en blanco, de preferencia llamarlo de la misma manera que la pieza a parametrizar.
3. Crear una tabla de diseño desde Solid Works 2016 e hilarla automáticamente al libro de Excel previamente creado[25].
4. Configurar las características de las dimensiones a parametrizar y nombrar el modelo parametrizado con un nombre que lo diferencia del inicial con lo cual será fácil de reconocer.
5. Hilar las dimensiones a la hoja de Excel previamente creada.
3.2.4 Metodologías de manufactura
Cuando este realizado el proceso de parametrización y elaborados cada uno de los planos de manufactura por componente y planos de ensamble de conjunto será necesario evaluar la metodología de manufactura apropiada para realizar la prótesis. A continuación se listan algunas de ellas.
3.2.4.1 Proceso de manufactura aditiva
La fabricación de los componentes por medio de la manufactura aditiva inicia al tener acceso al archivo que contiene la pieza previamente parametrizada por el software Solid Works 2016, la impresora 3D seleccionada por la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Santo Tomas utilizará dicho archivo para recrearlo mediante capas extrafinas con unidades de medida en micrones, la variación de materiales no solo afectara las propiedades mecánicas de los componentes sino la calidad dimensional obtenida[26].
3.2.4.2 Proceso de manufactura convencional
Teniendo en cuenta que no se evaluarán los materiales de fabricación de la prótesis, el proceso de manufactura convencional (maquinaria metalmecánica convencional) tendrá inicio por la manufactura de geometrías sencillas y que requieran de pocas horas de proceso, como caras planas, cilíndricas y roscadas, secciones de geometría irregular o curva serán realmente difíciles de manufacturar por métodos convencionales y tediosos de programar en tecnologías CNC, lo cual dificultará los tiempos y aumentará sustancialmente los costos de manufactura[27].
3.2.4.3 Metodologías de manufactura aditiva vs manufactura convencional
Al evaluar la metodología de manufactura se tendrán en cuenta tres tópicos fundamentales:
1. Tiempo de manufactura 2. Calidad dimensional
3. Costo de la operación por prótesis[28]
4 ELECCION DE PROTESIS TRANSRADIAL A FABRICAR
4.1 PRÓTESIS MIOELÉCTRICAS DEL MERCADO ACTUAL
Al realizar una revisión del estado del arte, en la actualidad tenemos diferentes tipos de prótesis transradiales Mioelectricas
4.1.1 Limbultra de Touch Bionics
Esta prótesis se ve y se mueve como una mano natural. Los dígitos motorizados permiten que la mano se doble en las articulaciones de cada dígito y la tecnología individual de paro proporciona a la mano un agarre compatible para que la mano se conforma con precisión alrededor de la forma del objeto que se está sujetando[29].
Utilizando sus características pulsantes y vari-grip, el i-limb ultra permite al usuario aumentar la fuerza de su agarre alrededor de un objeto. Esto puede ser muy útil en situaciones en las que se requiere un agarre más firme, como atar los cordones de los zapatos con fuerza o abrir un frasco bien cerrado de comida.
4.1.2 Deka Arm
El sistema protésico "LUKE" significa Vida bajo la evolución cinética, pero también es una referencia pasajera a la extremidad con la que Luke Skywalker fue dotado en Star Wars. Permite un movimiento extremadamente hábil del brazo y la mano con fuerza de agarre Retroalimentación a través de un sistema de control simple e intuitivo. El miembro modular de batería es de tamaño y peso casi naturales. Cuenta con una mano que tiene seis agarres seleccionables por el usuario y un brazo que permite el control simultáneo de múltiples articulaciones utilizando una variedad de entradas, incluyendo señales inalámbricas generadas por sensores innovadores usados en los brazos del usuario[31].
Ilustración 10. Deka Arm
Fuente:Deka Arm [32].
Al hacer un recorrido por los antecedentes del presente proyecto podemos concluir que no se hace referencia a la parametrización de componentes para agilizar los procesos de obtención de prótesis para personas determinadas, el principio de funcionamiento de cada prótesis es similar, sensores mioeléctricos que serán el medio de control.
4.1.3 InMoov Hand
y puede adaptar posiciones similares a la mano humana, permite posiciones y espacios para cables de sistemas de control ya que fue usada en principio por un androide[33].
Todas sus piezas se encuentran en la plataforma y disponibles en su totalidad para su reproducción total o parcial, también propones posibles materiales de manufactura y aclara los reprocesos que se deben realizar en algunas de las piezas de la mano. Por su versatilidad y diseño, es el esquema base para este proyecto.
Ilustración 11. InMoov Hand
Fuente: InMoov[34].
4.2 SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA
Para hacer un adecuado estudio de las tecnologías y una posterior elección acertada se utiliza el método QFD para tomar la decisión.
REQUERIMIENTOS FUNCIONALES
Tabla 1. Requerimientos Funcionales
Requerimiento
Comentario
Formato Open
Source
La prótesis a fabricar debe estar abierta a todo público, su
autor debe permitir su divulgación y/o modificación
referenciada de la misma.
Prótesis
Estética
(Volumen de
las piezas)
estar capacitados en el campo, mínimo en el caso particular de
este sistema
Número de
piezas de la
prótesis
La razón principal para la adquisición de este sistema es
disminuir el esfuerzo de la mano de obra y disminuir el tiempo
de transporte.
Adecuación
existente de
sistemas
electrónicos
Se busca que la prótesis a parametrizar y fabricar tenga en sus
diseños previos las adecuaciones necesarias para instalar el
sistema de control electrónico ya que este proyecto es inicio
de este en donde se desarrollara dicho sistema electrónico
Fácil
ensamble-desensamble
de la prótesis.
El sistema debe estar en capacidad de soportar las cargas a
las que será sometido, lo cual hará necesario el uso de
materiales pesados, pero la geometría puede ser optimizada
para reducir peso.
Prótesis sea
compacta.
La durabilidad del sistema es un factor importante, la
implementación de materiales antioxidantes es una solución
para las adversidades ambientales que se presenten.
Posibilidad de
manufactura
por
metodologías
aditivas
El sistema debe tener el gasto netamente necesario en
materiales y subsistemas
Para la elección de la tecnología a fabricar se tomaron en cuenta los tres modelos descritos anteriormente, los criterios de elección utilizados fueron que se contaran con formatos CAD open Source, número de piezas, facilidad de montaje para manufactura aditiva, que contara con el diseño del socket y mano y finalmente que contara con adecuación de sistemas electrónicos internos, a continuación, se presenta el peso porcentual de cada uno de los criterios expuestos.
CLASIFICACION DE LA IMPORTANCIA DE LOS REQUERIMIENTOS FUNCIONALES
Tabla 2. Clasificación de la importancia de los requerimientos funcionales
Requerimiento
Puntuación Puntuación
Promedio
(Pinzón, J)
(Matiz, J)
Prótesis Estética
10%
5%
8%
Bajo costo de manufactura (Volumen de las
Número de piezas de la prótesis
10%
10%
10%
Adecuación existente de sistemas
electrónicos
10%
20%
15%
Fácil ensamble-desensamble de la prótesis.
15%
20%
18%
Prótesis compacta.
10%
5%
8%
Posibilidad de manufactura por
metodologías aditivas
30%
20%
25%
TOTAL
100%
Basados en la información anterior se puede afirmar que el requerimiento más importante del proceso de selección de la prótesis es La posibilidad de manufacturar la misma por medio de metodologías aditivas con un 25% de importancia sobre el proceso seguido del bajo costo de manufactura que a su vez está ligado al volumen de las piezas a imprimir con un 18%, la evaluación es generada por los autores del trabajo de grado.
EVALUACION DE LOS REQUERIMIENTOS FUNCIONALES
A continuación se evalúa cada una de las prótesis consignadas anteriormente en el estado del arte hallado, dicha evaluación se realiza contra los requerimientos para saber si satisfacen los requerimientos y en qué medida porcentual lo hacen con el fin de determinar cuál es la prótesis más indicada a trabajar durante el desarrollo del proyecto.
La evaluación se realiza de acuerdo al siguiente criterio:
1 = La prótesis no cumple con el requerimiento
Tabla 3. Evaluación de los requerimientos funcionales
Protesis Analizadas en el estado del arte
Requerimiento
Limbultra
Deka
Arm
InMoov
Hand
Importancia
del
Requerimiento
R1
5
5
5
8%
R2
1
1
4
18%
R3
2
3
4
10%
R4
5
5
5
15%
R5
1
1
5
18%
R6
4
4
4
8%
R7
3
3
5
25%
PROMEDIO
2.78
2.88
4.74
De lo anterior se determina que la prótesis que cumple en su mayoría con los requerimientos propuestos en la desarrollada por InMoov.
4.3 DESCRIPCIÓN DE LA PRÓTESIS ELEGIDA
La prótesis de mano elegida será sustentada bajo el modelo de Mano Open Source InMoov, esta familia de piezas hacen parte del Proyecto del Frances Gael Langevin, quien bajo su estudio de escultura y diseño, forjo su Proyecto personal denominado Robot InMoov, este Proyecto empezó en el año 2012 como el primer Proyecto Open Source de prótesis transradial, al desarrollar el modelo de mano desarrollo su antebrazo y muchas otras partes para conformar su robot humanista InMoov, sus conceptos se basan en compartir y comunidad, lo que le ha dado un lugar a nivel internacional en el desarrollo y replica de sus proyectos a nivel mundial.
5 MODELO TRIDIMENSIONAL DE MUÑÓN DE ANTEBRAZO Y GEOMETRÍA DEL
SOCKET A FABRICAR
Para generar el modelo tridimensional de muñón es necesario en primera instancia escoger un sujeto acorde al desarrollo del trabajo de grado, para ello se debe tener en cuenta una evaluación previa de la lesión, para que esta sea provechosa técnicamente para el proyecto, por esta razón, con anterioridad se generan evaluaciones físicas (ver anexo 1) con el fin de determinar las cualidades físicas del sujeto y las restricciones medicas presentes especialmente en su piel, posteriormente se realizó un estudio del antebrazo afectado acompañado de las metodologías apropiadas de escaneo 3D al mismo, de esta forma se obtuvo el modelo STL y CAD del muñón afectado para su fabricación implementando materiales y metodologías aditivas apropiadas acorde al diseño de antebrazo InMoov previamente obtenido y acoplado digitalmente a la mano InMoov
5.1 ANTEBRAZO PARA ANALIZAR
Para realizar el análisis general se realizó la búsqueda de un usuario que voluntariamente aceptara la participación en el desarrollo del proyecto, los requisitos generales fue su tipo de lesión, transradial y su voluntad de acceder al trabajo de investigación, el usuario evaluado tiene las características necesarias para el desarrollo del optimó del proyecto tal como se evidencia en las fotografías.
Ilustración 12. Antebrazo a Analizar
5.1.1 Impacto Psicológico del Usuario
Al conseguir al usuario para el desarrollo de parametrización y manufactura de la prótesis transradial se llevaron a cabo varias reuniones previas con el fin de afianzar aquellas dificultades de comunicación y explicación del proyecto y del procedimiento a realizar en su lesión, en un principio el usuario se mostró desconfiado antes las explicaciones de los procedimientos a realizar argumentando que en la mayoría de las ocasiones se ha negado a adquirir prótesis por el miedo a la realización de procedimientos quirúrgicos y clínicos en su brazo afectado, para ello se realizaron reuniones con explicaciones claras sobre el desarrollo del proyecto y su incidencia sobre el usuario.
Al ver la incidencia y la voluntad de trabajo el usuario manifestó su colaboración con el proyecto y se mostró entusiasmado de colaborar con este desarrollo argumentando que es la primera vez en la vida que alguien se interesaba por mejorar su calidad de vida, ante las recomendaciones del usuarios se acogieron cambios en el proyecto como el material y la cosmesis deseada por el usuario, este fue el punto crucial de esta investigación pues el usuario manifestó desde un principio la necesidad de que la prótesis no se notara y pudiese continuar su día a día sin que las demás personas del común identificaran que hacía uso de una prótesis, además de ello mostro entusiasmo al saber la continuidad del proyecto en la parte de control electrónico pues su dedeo más grande era controlar la prótesis como si fuese natural.
5.2 METODOLOGÍA DE ESCANEO DE ANTEBRAZO
La metodología aplicada consiste en la construcción 3D del Socket estimado para el miembro afectado, escaneo del muñón del usuario y reconstrucción digital en 3D utilizando el software Hilado a el Escáner Space Spider de la Universidad Santo Tomas, el resultado es un sólido del muñón con la menor desviación posible entre la malla del escaneo[35] y las superficies del muñón del usuario.
5.2.1 Preparación del muñón a escanear
La muestra se debe tomar con una previa limpieza del muñón, así mismo la persona debe estar en su posición regular, de pie o sentado, pretendiendo minimizar los errores de forma en la muestra, se procede a escanear el muñón visualizando en todo momento la pantalla de escaneo para reducir los espacios obtenidos que deformen el modelo, los datos entregados por el escáner 3D son mallas[36], el software permite abrir el archivo como malla o como nube de puntos .
5.2.2 Materiales y equipos usados
Los materiales y equipos usados en este punto de la investigación fueron brindados por la Universidad Santo Tomas previendo el desarrollo de proyectos de este tipo.
dispositivo cuenta con paneles de precisión que le permiten ser manipulado tanto por usuarios inexpertos como por usuarios expertos e ingenieros especializados en el tema analizado, este escáner está basado en la tecnología de luz azul, el equipo permite capturar objetos pequeños o detalles específicos de una geometría en alta resolución con una posición adecuada para manipular los modelos obtenidos y colores que ayudan a identificar errores durante el proceso fácilmente, el escáner tiene la capacidad de generar geometrías complejas aproximadas a la realidad, es ideal para escanear superficies humanas[37].
Ilustración 13. Escaner Space Spider
Fuente: Artec Spider [38].
El equipo fue desarrollado originalmente con una estabilización de temperatura que permite que llegue a su máxima precisión después de tres minutos de operación además de garantizar la repetitividad a largo plazo en el proceso de captura de datos, tiene la ventaja de que los resultados no se ven afectado por las condiciones ambientales del lugar de pruebas, por lo tanto, es ideal para el desarrollo de pruebas y operaciones en un ambiente universitario.
5.2.2.2 Software Artec Studio
Ilustración 14. Proceso de escaneo 3D con Artec Studio
Fuente: Artec Spider [38].
5.2.3 Descripción general del proceso
En primera instancia se deben demarcar las zonas límites del escáner que no solo delimitaran la zona de lectura del equipo sino también lo guiaran a lo largo del proceso, el usuario voluntario debe permanecer en posiciones regulares con el fin de minimizar los errores de forma.
Ilustración 15. Proceso de Escaneo 3D
Se debe realizar la correcta conexión de los controladores y software de escaneo 3D al equipo Space Spider, y cuidadosamente se debe empezar el proceso guardando con precisión la distancia entre el escáner y el muñón escaneado para no perder la referencia del proceso, es valioso mencionar que el posicionamiento del escáner es complicado pues el usuario mueve continuamente el muñón a pesar de su intento por mantener la extremidad estática antes lo requerimientos del proceso.
Ilustración 16. Posicionamiento bajo para escaneo de muñon
Fuente: Autores.
Ilustración 17. Rotación Manual de escaner en proceso de escaneo 3D
Fuente: Autores.
Se pueden presentar errores de tipo sistemático ya que al momento de realizar el proceso no se contaba con las instalaciones y asepsia necesaria debido a la disponibilidad horaria del usuario, el escaneo tuvo que ser realizado fuera de las instalaciones de la universidad santo tomas, en casa de uno de los autores del presente proyecto de grado, lo que dificulto en mayor grado la obtención del modelo.
Ilustración 18. Escaneo de muñon en instalaciones caseras
Fuente: Autores.
Los datos entregados por el escáner Artec Spider son mallas, de esta manera permite visualizar el archivo como malla o como nube de puntos, en este caso se decidió la primera opción debido a la facilidad que representa el tratamiento de datos además de su aproximación a la realidad.
Ilustración 19. Escaneo 3D en diferente posición
5.2.4 Obtención del modelo STL de muñón
Al instalar de manera adecuada el escáner y comprobar la funcionalidad de las conexiones realizadas se procede a realizar el escaneo de forma progresiva, los resultados se visualizan en la pantalla principal del software Artec Studio como una nube de puntos (Ilus. 19), que como conjunto de coordenadas (x,y,z) forma la superficie del muñón, existen dos posibilidades de realizar el escaneo.
El primero de ellos es por capas, en cuyo caso se debe realizar varias veces el proceso de escaneo al usuario formando la totalidad del Muñón. El segundo de ellos es en un solo paso por lo cual solo se generaría una capa, para el caso de estudio se utilizó la segunda opción realizando un solo escaneo, al realizar el proceso, la plataforma brinda ayudas constantes, Una de las principales es la facilidad para visualizar en pantalla el porcentaje de error durante el desarrollo del procedimiento (Ilust 19) la gráfica verde debe mantenerse con su pico en el centro con un erro entre 0% - 1% de otra manera se deben modificar las condiciones físicas del escaneo siendo la distancia de escaneo a la superficie la principal medida correctiva, de esta manera se podrá obtener un modelo con porcentajes de error aceptables
Ilustración 20. Generación de modelo STL durante escaneo 3D
Fuente: Autores.
Al comprobar que no es necesario repetir el procedimiento y que las superficies generadas no contienen agujeros se puede cerrar el proceso de escaneo que se realizó en una sesión de trabajo con un tiempo aproximado de 3 horas, en el caso indicado se procede a eliminar las capas que no representan resultados apropiados debido a que poseen un error mayor al 1%, paso seguido se debe utilizar la sección llamada Tools en donde encontraremos las herramientas paso por paso para finiquitar el desarrollo del modelo, dentro de las cuales se encuentran.
Quitar Excesos: con esta función se removerá el material sobrante sobre las superficies del modelo
sobre el modelo con las cuales se aplica la herramienta para borrar lo que se considere innecesario
Relleno de Agujeros: Con esta herramienta se deben llenar los agujeros existentes en las superficies del modelo de Socket ya que durante en proceso de escaneo es común que se generen este tipo de errores que de no ser corregidos pueden afectar negativamente el proceso de manufactura y la calidad de los resultados
Medidas: Con la cual se verificaron las medidas obtenidas del Socket para comprobar veracidad de la información, se consideran datos aceptables tolerancias dimensionales menores a 1 mm
Texturas: Con esta herramienta se pueden modificar las texturas de la superficie objetivo, para el caso de estudio las superficies debe ser totalmente lisas.
Ilustración 21. Obtencion de modelo final STL tras escaneo 3D
Fuente: Autores.
Ilustración 22. Configuración de los límites del archivo STL
Fuente: Autores.
5.3 GENERACIÓN DE MODELO CAD DE SOCKET
Con el fin de modificar el espesor de las paredes del Socket para generar el modelo de impresión 3D y compensar las tolerancias dimensionales del modelo se deben transformar las superficies del escaneo de formato STL a formato Solido o Superficial.
5.3.1 Descripción general de proceso
Una vez realizado en modelo STL se exporta en su formato original al Software NX 10 desde el cual se convertirán estas superficies STL a Solidos con el fin de aumentar el espesor del Socket y poder realizar su manufactura por metodologías aditivas. El cambio de software se debe a los lineamientos de herramientas que facilitan el tratamiento de datos para el Software NX 10.
Al exportar el modelo a la pantalla de trabajo se debe seleccionar la opción patrón, de esta manera trabajaremos con una superficie posterior cuadrada como se visualiza a continuación.
Ilustración 24. Función seleccionar curvas sobre modelo
Fuente: Autores.
Al tener el patrón en la parte posterior del modelo se debe activar el módulo de superficies y específicamente hacer uso de la función Proyectar Curva, al realizar este proceso se generan una serie se curvas sobre el patrón reflejado sobre la superficie del modelo, al ser un proceso por etapas primero se realiza la proyección de las curvas sobre la mitad del Socket, posteriormente se realiza sobre el 100% de su superficie.
Ilustración 25. Visualización de curvas sobre el modelo
Ilustración 26. Ajuste de curvas sobre la superficie del Socket
Fuente: Autores.
Al tener todo el Socket con la proyección de curvas realizada, se debe dirigir hacia las funciones en la barra de tareas del Software NX 10 donde se habilita la función de ingeniería inversa, dentro de esta función se sugiere elegir el aparte Superficie Rápida la la cual brinda las herramientas necesarias para generar la mayor cantidad de curvas sobre el elemento y visualizarlas en su totalidad.
Ilustración 27. Curvas totalizadas sobre superficie del Socket
Ilustración 28. Funcion seleccionar curvas del modelo
Fuente: Autores.
Una Vez se tiene la mayor cantidad de curvas sobre el modelo se utiliza la función Seleccionar curvas que permite seleccionar las presentes en el modelo, Paso a seguir se debe activa la barra de herramientas y específicamente la función Superficie y Rellenar superficie y con ella afectamos las áreas que estén vacías para rellenarlas
Ilustración 29. Agujeros tras conversión a superficies
Fuente: Autores.
5.4 MODELO FINAL DE SOCKET
Al agregar el espesor necesario se debe tener en cuenta crear una tolerancia dimensional sobre el modelo a manufacturar teniendo en cuenta que se debe dejar un espacio en donde se pueda instaurar un material amable con el contacto sobre la superficie de la piel del usuario que estará en todo momento en contacto con el Socket, finalmente dicha tolerancia se define como ± 5 mm con lo cual en modelo CAD final del Socket se puede visualizar de la siguiente manera.
Ilustración 30. Modelo Final Ajustado De Socket
Fuente: Autores.
Se evidencia el cambio de espesor del Socket siendo este apropiado para su manufactura, las irregularidades presentadas en su modelo se consideraron como necesidad de pos proceso dado que su ajuste se realizara después de su manufactura con materiales y herramientas necesarios.
5.5 CONCLUSIONES DEL CAPITULO
Durante el desarrollo del capítulo se definió la geometría del muñón de antebrazo a analizar formalizando por medio del consentimiento informado el usuario voluntario que brindo la información necesaria para el análisis de su muñón, a lo largo del proceso de escaneo se encontraron falencias múltiples pues los errores sistemáticos fueron variables y repetitivos debido a la operación manual del escáner y la destreza física que debe desarrollar quien realice el procedimiento, factores como la posición y el tiempo jugaron en contra del proceso pues el usuario manifestaba su incomodidad al mantener el brazo en una posición estática por tiempos prolongados, a pesar de ello el escaneo fue realizado en un tiempo de 1 hora hasta lograr el modelo final tridimensional funcional.
Las mejoras al proceso tradicional se destacan en términos temporales, desde el inicio del escaneo hasta la obtención del modelo CAD del socket transcurrieron 2 horas.
6 PARAMETRIZACIÓN DEL MODELO CAD DE LA PRÓTESIS DE BRAZO
TRANSRADIAL TENIENDO EN CUENTA LAS MEDIDAS ANTROPOMÉTRICAS
DEL USUARIO
Una vez se han obtenido los modelos CAD neutros (dimensiones suministradas por el autor) de la mano y antebrazo InMoov suministrados por las bases de datos open source, se hace necesario describir las piezas, sus contrastes con la realidad ergonómica, descripción general del diseño geométrico, la modalidad de ensamble utilizados por el autor de la mano y antebrazo y los ajustes de modelación a las piezas necesarios para su fabricación por metodologías aditivas. Posteriormente se definirán las cotas que llamaremos paramétricas, aquellas que se verán afectadas en función de seguimiento de parámetros dimensionales según usuario de la prótesis a desarrollar, serán las cotas que se modificaran en pro del ajuste dimensional de la prótesis para los usuarios determinados. Una vez se tienen las dimensiones a parametrizar se procede a realizar un análisis metrológico de brazo funcional al sujeto en estudio con el fin de contrastar las dimensiones neutras y las dimensiones objetivo que nos permitan hallar la relación numérica entre las dimensiones del usuario y las dimensiones neutras del modelo obtenido de formatos open source, esto por medio de la relación de interfaz entre el software de modelación CAD y el software de edición dimensional lo cual nos permitirá obtener el modelo de impresión 3d de la prótesis para cualquier persona que lo requiera editando los parámetros anteriormente definidos, para ellos es apropiado elegir metodologías y software de parametrización que nos permitan desarrollar el proceso con alta eficiencia dimensional y temporal. Durante el proceso se hará necesario el ejercicio de comparación dimensional de la prótesis neutra con la prótesis aplicada al sujeto de prueba, una vez se tenga el modelo CAD de la prótesis del usuario se procede a elaborar los planos de manufactura de la prótesis a fabricar.
6.1 OBTENCIÓN DE LA TOTALIDAD DE PIEZAS DEL BRAZO INMOOV – NEUTRO
Para la modelación de la mano InMoov se generan los modelos a partir de los planos disponibles y los modelos existentes en los recursos open source de InMoov[40], se modelaron en el Software Solid Works 2016, disponible gracias al Servicio Nacional de Aprendizaje SENA.
6.1.1 Descripción de modelo final – neutro
A continuación se presenta la descripción general del modelo de prótesis inicial brindado por las plataformas Open Source disponibles.
6.1.1.1 Mano general
VISTA ENSAMBLE MANO
Ilustración 31. Vista Inferior mano InMoov
Fuente: Autores.
En la anterior imagen se puede apreciar el ensamble del modelo de mano individual generado para la mano derecha que será nuestro objeto de estudio.
VISTA FRONTAL Ilustración 32. Vista Superior Mano InMoov
Fuente: Autores.
Ilustración 33. Vista lateral Mano Inmoov
Fuente: Autores.
VISTA LATERAL DERECHA
Ilustración 34. Vista Frontal Mano InMoov
Ilustración 35.Isometrico Mano InMoov
Fuente: Autores.
6.1.1.2 Palma, ejes de apoyo y bases para dedos
Ilustración 36. Palma Mano InMoov
Fuente: Autores.
Ilustración 37. Vista Traslucida Palma Mano InMoov
Fuente: Autores.
Ilustración 38. Palma Individual Mano InMoov
Fuente: Autores.
BASE DEDO MEÑIQUE
El dedo meñique tiene una base que acopla su giro a la palma de la mano y a el resto de unidades que conforman el dedo, su geometría permite destacar que su espesor debe ser igual al espesor de la palma trabajada y cuenta con dos acoples, uno a la palma y otro a los componentes del dedo meñique.
Fuente: Autores.
Su transparencia nos permite ver que en su interior existe un canal especifico con el espacio necesario para permitir el paso del hilo conductor que sale del antebrazo conectado a los motores, atraviesa la palma que lo dirigió anteriormente llegando a la base del dedo que permitirá su flexión posterior.
Ilustración 40. Pieza traslucida Base de Dedo Meñique Mano InMoov
Fuente: Autores.
Ilustración 41. Pieza Individual Base de Dedo Meñique Mano InMoov
Fuente: Autores.
BASE DEDO ANULAR
De manera similar la base del dedo anular funciona de la misma manera a la base del dedo meñique.
Ilustración 42. Base de dedo Anular Mano InMoov
Fuente: Autores.
Ilustración 43.Vista traslucida Base de dedo Anular Mano InMoov
Fuente: Autores.
Ilustración 44.Pieza Individual Base de dedo Anular Mano InMoov
Fuente: Autores.
BASE DEDO PULGAR
Ilustración 45. Base de dedo Pulgar Mano InMoov
Fuente: Autores.
Su transparencia nos permite analizar nuevamente la utilización del Sistema de cable que se redirige de la palma al dedo pulgar permitiendo su movimiento especifico.
Fuente: Autores.
La pieza general se une de manera similar que las dos bases anteriores, de la palma a la base por medio de un eje y de la base al dedo pulgar por medio de un Sistema de sujeción por pegante recomendado por el autor.
Ilustración 47. Pieza Individual Base dedo Pulgar Mano InMoov
Fuente: Autores.
EJE APOYO BASES DEDO ANULAR Y MEÑIQUE
Ilustración 48. Eje de apoyo Bases dedo Meñique y Anular Mano InMoov
Fuente: Autores.
En su figura de transparencia se puede observar que el eje es macizo y se genera en el ensamble con la principal característica de elemento de apoyo, En una de las puntas el eje tiene una superficie rugosa que permite su ensamble y posterior ajuste dentro de la palma y las bases del dedo anular y meñique
EJE APOYO BASE DEDO PULGAR
El eje de apoyo de la base del dedo pulgar cumplirá la misma función y características del eje de apoyo de las dos bases anteriores, incluyendo sus características de ensamble, rigidez y rugosidad para su posterior ensamble y ajuste.
Ilustración 50. Eje de Apoyo Base dedo Pulgar
Fuente: Autores.
Ilustración 51. Pieza Individual Eje de Apoyo Base dedo Pulgar
6.1.1.3 Dedos generales
La estructura general de los dedos es igual en los dedos índice, medio, anular y meñique, que cuentan con 6 piezas distribuidas de a parejas que forman la falange distal media y proximal. A continuación, se presentan los diseños geométricos de los dedos ensamblados a la palma de la mano InMoov.
Ilustración 52. Vista Traslucida Dedo Anular Mano InMoov
Fuente: Autores.
Así mismo se puede apreciar que cada pieza tiene diferente metodología de ensamble, las piezas en pareja que forman las falanges tienen un método se sujeción permanente por medio de pegante líquido y estas parejas de piezas (falanges) se unen a su vez por medio de pines o pasadores que dan lugar a las articulaciones de cada dedo restringiendo el movimiento lineal y habilitando el movimiento rotacional de cada una de las falanges asimilando así el movimiento funcional de la mano
Ilustración 53. Vista Traslucida Dedo Pulgar Mano InMoov
Fuente: Autores.
El dedo pulgar trabaja de manera similar al dedo anteriormente descrito, sin embargo es necesario su análisis individual debido a sus variantes geométricas con respecto al dedo general, el dedo sigue presentando sus cavidades internas con la finalidad de permitir el paso de un cable guía desde la punta del dedo hasta los motores presentes en el antebrazo, disminuir el peso de la prótesis y a su vez el volumen de material necesario para su manufactura, este dedo cuenta con 5 piezas además de una base ensamblada directamente a la palma de la mano.
6.1.1.4 Descripción detallada de dedo índice, medio, anular y meñique
Al tener el mismo número de piezas, mismas características y la misma metodología de ensamble se describe a continuación la estructura detallada del dedo índice, medio, anular y meñique.
Ilustración 54. Estructura General Dedos Meñique, Anular, Medio e índice
Fuente: Autores.
La primera pieza a describir es la punta del dedo, en donde geométricamente se visualiza la uña y hace parte de la falange distal, su diámetro debe ser igual al diámetro de su parte conjunto.
Ilustración 55. Vista Traslucida Parte 1 Falange Distal Dedo General
La segunda pieza perteneciente a la falange distal nos brinda características geométricas que impiden su rotación negativa a lo largo de las articulaciones, su diámetro debe ser igual al de la parte 1 de la falange distal con el fin de garantizar su ensamblabilidad correcta. A su vez esta pieza cuenta con un agujero de pin obrando como articulación entre falanges.
Ilustración 56. Vista Traslucida Parte 2 Falange Distal Dedo General
Fuente: Autores.
Ilustración 57. Vista Traslucida Parte 1 Falange Media Dedo General
Fuente: Autores.
Ilustración 58. Vista Traslucida Parte 2 Falange Media Dedo General
Fuente: Autores.
Ilustración 59. Vista traslucida Parte 1 Falange Proximal Dedo General
Fuente: Autores.
Finalmente la parte 2 de la falange proximal cuenta con un diseño geométrico distinto a las piezas anteriormente descritas, a pesar que su diámetro debe ser igual a la pieza 1 de la falange proximal, su largura es más extensa que las demás piezas considerando su comparación dimensional con la anatomía humana además de su acople articulado a la palma de la mano InMoov. Al igual que las demás piezas de los dedos conserva las cavidades internas que permiten el paso del cable guía además de los agujeros de pin presentes en su base para generar el movimiento correcto de la articulación, este movimiento se restringe geométricamente por medio de la base de la pieza dejando así su giro solo en sentido positivo.
Fuente: Autores.
6.1.1.5 Descripción detallada de dedo pulgar
El dedo pulgar, en la anatomía funcional humana consta de dos componentes óseos, falange Distal y Falange proximal, de esta manera los creadores de la mano InMoov recrearon las características Oseas y geométricas del dedo pulgar generando para su conformación 5 piezas: 2 conformando la falange distal y 3 conformando la falange proximal.
Ilustración 61. Estructura General Dedo Pulgar
Fuente: Autores.
Ilustración 62. Vista Traslucida Parte 3 Falange Proximal Dedo pulgar
Fuente: Autores.
6.1.1.6 Descripción general de antebrazo
El antebrazo InMoov se debe parametrizar en su totalidad como ensamble con el fin de no afectar las dimensiones finales, si se parametriza por piezas individuales el resultado puede afectar la ensamblabilidad del mismo
Ilustración 64. Vista Lateral Estructura general Antebrazo
Fuente: Autores.
Sera importante tener en cuenta las dimensiones de la vista superior del antebrazo debido al diámetro proximal a codo del mismo ya que en este agujero se ensamblara posteriormente el socket previamente manufacturado.
Ilustración 65. Vista Superior Vista Lateral Estructura general Antebrazo
6.1.1.7 Descripción general ensamble mano – antebrazo
Es fundamental evaluar geométricamente la calidad del ensamble entre la mano y el antebrazo que debe corresponder equivalentemente a las dimensiones de cada modelo ya que los modelos resultado deben ser aproximados a la anatomía funcional humana y a las dimensiones del usuario voluntario.
Ilustración 66. Ensamble general Mano-Antebrazo
6.2 CARACTERIZACIÓN DE DIMENSIONES DEL BRAZO INMOOV A
PARAMETRIZAR
Dedos
En primer lugar se evaluaran las dimensiones a parametrizar de las piezas que conforman los dedos, para ello se evalúa la necesidad de dimensiones a parametrizar, se eligen como parámetros la altura del dedo y su espesor aproximado al diámetro de cada uno de los dedos, para ello se acotan las medidas individuales de cada una de las piezas que conforman el dedo, a continuación se presentan las dimensiones extraídas de un modelo de dedo en general se puede visualizar que las medidas de diámetro se comparten en gran medida.
Ilustración 67. Dimensiones a parametrizar Parte 1 Falange Proximal dedo general
Ilustración 68. Dimensiones a parametrizar Parte 2 Falange Proximal dedo general
Fuente: Autores.
Fuente: Autores.
Ilustración 70. Dimensiones a parametrizar Parte 2 Falange Media dedo general
