Proyecto de Grado para optar por el título de
Ingeniera Mecánica
Autor:
María Paula Corral Londoño
Asesor:
Carlos Francisco Rodríguez
Ingeniero Mecánico, PhD.
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá
Contenido
Lista de Figuras ... 3
Agradecimientos ... 5
1. El proyecto ... 6
1.1. Motivación ... 6
1.2. Introducción ... 6
1.1.1. Población ... 8
1.2.2. Situación Colombiana ... 11
1.3. Objetivos del proyecto ... 12
1.3.1. Objetivo general ... 12
1.3.2. Objetivos específicos ... 12
2. Diseño conceptual ... 13
2.1. Requisitos y restricciones ... 13
2.2. Criterios de diseño ... 14
2.3. Lluvia de ideas ... 14
2
2.5. Simulaciones ... 16
2.6. Diseños finales ... 18
2.6.1. Angulo de transmisión ... 20
2.6.2. Angulo de la cadera ... 21
2.7. Acople prótesis-ciclista ... 22
2.8. Selección de diseño ... 23
3. Diseño detallado ... 25
3.1. Materiales ... 25
3.2. Uniones ... 25
3.3. Dimensionamiento ... 26
4. Manufactura ... 28
5. Resultados y pruebas ... 29
6. Conclusiones y proyecciones... 32
6.1. Conclusiones... 32
6.2. Proyecciones ... 32
7. Bibliografía ... 34
3
Lista de Figuras
Figura 1: Tipos de amputación para miembros superiores (Izquierda) e inferiores (Derecha)
(7) (8). ... 9
Figura 2: Clasificación de los atletas tipo “C” según su discapacidad neurológica, su coordinación, sus habilidades y su fuerza muscular (9). ... 10
Figura 3: Clasificación de los atletas tipo "C" según su amputación y/o uso de prótesis (9). 10 Figura 4: Frecuencia anual de víctimas por minas antipersonal MAP y municiones sin explotar MUSE para los años 1990 hasta Febrero del 2008 (10). ... 11
Figura 5: Diseño por cadenas o poleas. ... 15
Figura 6: Diseño biela-manivela-pistón. ... 15
Figura 7: Diseño de sistema de barras con pivote en la barra superior. ... 16
Figura 8: Diseño de sistema de barras con pivote en la barra inferior. ... 16
Figura 9: Simulación de los mecanismos en Working Model. ... 16
Figura 10: Segundos diseños propuestos. De Izquierda a Derecha, de Arriba a Abajo: Mecanismo similar al de las ruedas de un tren. Sistema Manivela-Biela. Sistema de barras con pivote en la barra superior. Sistema de barras con pivote en la binferior. ... 17
Figura 11: Diseño con corredera. ... 18
Figura 12: Diseño de 4 barras. ... 19
Figura 13: Ángulo de transmisión para cada uno de los mecanismos. ... 20
Figura 14: Evolución de la fuerza en el pedaleo (11). ... 21
Figura 15: Determinación de los ángulos analizados durante el pedaleo (12). ... 21
Figura 16: Ángulo de la cadera para los dos diseños propuestos. ... 22
Figura 17: Movimiento del punto de unión Barra 2-Palanca en coordenadas x y y. ... 23
Figura 18: Comparación entre los diseños propuestos. ... 23
Figura 19: Unión entre la Barra 2 y la Biela (Ver Anexos) ... 25
Figura 20: Unión entre la Palanca y la bicicleta (Ver Anexos). ... 26
Figura 21: Resultados del cálculo del diámetro de los pines y las barras. ... 26
Figura 22: Longitudes totales de las barras del mecanismo seleccionado. ... 27
Figura 23: Porcentaje y Proporción de peso perdido en una amputación (13). ... 27
4
Figura 25: Ensamble en Working Model. ... 29
Figura 26: Ensamble en Autodesk Inventor Professional 2014. ... 29
Figura 27: Prótesis terminada y ensamblada. ... 30
5
Agradecimientos
Para triunfar en la vida, no es importante llegar el primero. Para triunfar simplemente hay que llegar, levantándose cada vez que se cae en el camino.
Anónimo
“Gracias” una de las palabras más difíciles de decir. Esta implica aceptar que no todo lo haces solo en la vida. Cada vez que te caes hay una mano que sale a ayudarte, sin prejuicios, sin preguntas, sin rezagos, solo con el ánimo de ayudar. Agradezco a todos aquellos que me brindaron una mano, aun cuando creía que no la necesitaba. Cuando no quería aceptarla, la mantenían. Gracias, muchas gracias porque todos son coautores de este logro.
6
1.
El proyecto
“Si emociona pensarlo, imagínate hacerlo.” Coelho
1.1.
Motivación
Si cada persona se dedicara a poner sus estudios y talento para ayudar a otras personas y menos empeño en conseguir un beneficio personal, la sociedad seguramente tomaría otro rumbo en su desarrollo. En este proyecto se busca reunir un poco de la carrera ingeniería mecánica con la pasión por los deportes y la ayuda a las personas, dando como fruto un producto que sea útil para la sociedad.
Desde la perspectiva colombiana, hay muchas personas que sufren algún tipo de amputación en sus extremidades inferiores. Esto se debe al conflicto armado que hay en el país, en donde las minas antipersonal son personajes activos en dichos conflictos. Al mismo tiempo, hay una parte de la población que sufre de diabetes, otro factor por el que pueden perder algún miembro de su cuerpo (1) (2) (3).
De esta forma, se busca ayudar a esa porción de población que tiene dificultad para transportarse, para ser bien recibida, aceptada, entre otros, por su condición. Para esto, se plantea diseñar y construir un primer prototipo de una prótesis para personas que sufrieron una amputación transfemoral con el fin de que puedan montar en una bicicleta. Esta prótesis será de tipo funcional, solo para transmitir potencia, no necesariamente se parecerá a una pierna, ni tendrá que ser estética. Como se dijo anteriormente, debe ser funcional, darle al ciclista la facilidad de poder disfrutar nuevamente de montar en bicicleta sin la conciencia de que sufrió algún trauma.
1.2.
Introducción
La práctica del deporte o la ejercitación física genera controversia en las personas, hay quienes dicen que el deporte es salud y hay quienes dicen lo contrario, el deporte es nocivo para la salud. Ambas posiciones son correctas, todo depende de cómo se practique. Quienes no tienen un conocimiento de cómo debería ser un entrenamiento, pueden llegar hasta la muerte sólo por querer tener un día deportivo después de mucho tiempo de realizar la misma rutina de poca actividad. Hay otros que llevan un entrenamiento adecuado que les brinda muchos beneficios a su vida. Entre estos beneficios, se encuentran los de tipo vanidoso, como los son la quema de calorías para mantener el peso, evitar la obesidad o adelgazar un poco; los de tipo vascular, para mantener baja la presión arterial y los niveles de colesterol; los de tipo mental y/o emocional, como el alivio
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de estrés, la mejora del sueño, combatir la ansiedad o la depresión, el aumento de autoestima, mejora en la concentración, entre otros.
Incluso cuando hay discapacidades, hay quienes quieren realizar un deporte y superarse a ellos mismos, olvidar sus complicaciones de la vida cotidiana y convertirse en sus propios héroes. Una muestra de esa superación se ve cada 4 años en los Juegos Paralímpico, donde una gran cantidad de atletas con discapacidades se dirigen a representar a sus países con orgullo.
Se podría tomar, entonces, una discapacidad y un deporte para relacionarlos entre sí. Por ejemplo el ciclismo y la pérdida de algún miembro por amputación. Desde el ciclismo se puede afirmar, a través de estudios que se han realizado, que se ha considerado un deporte ideal para el trabajo de la movilidad y el aumento de fuerza en los músculos. Como se expone en la revista ScienceDirect, en un artículo llamado Lower extremity muscle activity during cycling in adolescents with and without cerebral palsy:
“Cycling has been proposed in several studies in adults with (…) as been ideal for addressing mobility losses because of the potential to strengthen weakened muscles without enhancing abnormal muscle activity. Because cycling involves multisegmental, complex movements that are generated by the same central neural networks as used during gait, cycling may also enhance motor relearning to improve ambulatory status. Finally, it has been suggested that cycling is a functional, safe and widely accessible mode of exercise for patients with a variety of movements and disorders, which could have secondary benefits to cardio respiratory health as has already been demonstrated in adults with SCI” (4).
Ahora, tomando una discapacidad en específico, como lo es la amputación de una parte del cuerpo, se puede ver que se tienen muchas complicaciones tanto en la vida cotidiana como en la vida de deportista debido a este trauma. Entre ellas están los cambios significativos en la locomoción, la atrofia de ciertos músculos por desusos, anormalidades en la columna vertebral por compensación del desplazamiento del centro de gravedad, disminución en la densidad ósea de la parte restante del miembro amputado, entre otros (5) (6).
Por esta razón, es muy importante una correcta rehabilitación y recuperación del paciente. Entre está rehabilitación esta la prescripción adecuada que corresponda a las necesidades de cada uno de los pacientes (2). Sin embargo, este proceso de rehabilitación no puede quedarse solo en la adaptación:
“Finalmente, es necesario insistir en que el proceso de rehabilitación de este tipo de pacientes no debe quedarse únicamente en el logro de la adaptación protésica como un elemento de carácter material y sin contexto. Por el contrario, debe ser visto como un medio que le permita al paciente amputado continuar desarrollándose como persona capaz de
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incluirse nuevamente en su rol ocupacional, familiar y social, es decir, que la rehabilitación no se debe limitar a un recuperación de tipo funcional” (2).
Así pues, se podría decir que el ciclismo podría llegar a ser una buena forma de rehabilitación para personas que hayan sufrido algún tipo de amputación para trabajar los músculos del cuerpo en general, incluidos los de la parte amputada, si es en los miembros inferiores sobre todo, trabajar el equilibrio, la confianza, entre otros. Pero para esto, requerirían, igualmente, de una prótesis que les ayude a pedalear y/o a cogerse del manubrio.
De esta forma, el objetivo principal de este proyecto, es la realización de una prótesis que le permita a un paciente con amputación transfemoral, pedalear una bicicleta común. A continuación se mostrarán los detalles de la selección de la población y el contexto en el que se desarrolla.
1.2.1. Población
Las amputaciones más frecuentes son producto de algún tipo de trauma, ya sea un accidente vehicular o por utilización de maquinaria industrial, quemaduras, entre otras. Para estos casos, se toma la decisión de una amputación para, primero, remover la parte disfuncional del miembro afectado y, segundo, para reconstruir la parte del miembro que quedo (de ahora en adelante llamado muñón) de tal forma que sea lo más funcional posible (5).
Debido a que se le está quitando una porción del cuerpo a una persona, hay repercusiones sobre el paciente tales como el dolor fantasma (dolor que el paciente siente sobre la parte del cuerpo que ya no está), la sensibilidad de la zona afectada, la adhesión de las cicatrices, entre otros. Así pues, para evitar estos efectos secundarios, la amputación se debe realizar de la manera más óptima, tal que el corte se haga lo más distal del cuerpo posible para preservar la mayor cantidad de miembro, la forma como se forma el muñón tenga un adecuado recubrimiento o acolchamiento (5), además de una forma ya sea cilíndrica o cónica (2), para el mejor de los casos, o irregular, en el peor.
Así pues, dentro de las amputaciones hay varios tipos dependiendo del lugar donde se efectúe el corte. Existen las amputaciones de miembros superiores y las de miembros inferiores (Ver Figura 1).
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Figura 1: Tipos de amputación para miembros superiores (Izquierda) e inferiores (Derecha) (7) (8).
Debido a que en este proyecto se desea trabajar con deportistas, más específicamente ciclistas, a continuación se muestran las categorías en las que están clasificados según su discapacidad según el Instituto Colombiano del Deporte.
“De acuerdo a la Unión Ciclística Internacional (UCI) la categoría de un ciclista se expresa por medio de letras y números y no es transferible a otro deporte. La clase está indicada por la inicial en ingles de ciclistas y una letra de acuerdo al tipo de bicicleta que utilice el deportista: Handbike “H”, triciclo “T” y bicicleta “C”. El ultimo digito es un número que indica el nivel de discapacidad, “1” indica la discapacidad más severa” (9).
Según el tipo de bicicleta, los atletas se dividen en subcategorías según su discapacidad. Para este caso el punto de interés es el de bicicletas, los tipo “C”, los cuales están clasificados como se muestra en la Figura 2 y Figura 3.
Ahora bien, teniendo en cuenta las clasificaciones mencionadas anteriormente, se seleccionan los pacientes con amputación transfemoral, para la implementación de una prótesis deportiva. Según la clasificación del Instituto Colombiano del Deporte, corresponderían a los de tipo C1, C2, y C3 debido a que solo se están teniendo en cuenta la discapacidad de tipo funcional, es decir, la discapacidad por amputación transfemoral. Dentro de estas, se buscan atletas de tipo C3 ya que son los que sufren de una discapacidad menos severa que los de las otras categorías. Aun así, no se cierran las posibilidades de conseguir atletas de cualquier tipo que deseen colaborar en la toma de datos y brindar retroalimentación de los diseños presentados durante el desarrollo del proyecto.
10
Figura 2: Clasificación de los atletas tipo “C” según su discapacidad neurológica, su coordinación, sus habilidades y su fuerza muscular (9).
11
1.2.2. Situación Colombiana
Colombia es un país que se ha caracterizado a través de los años por su conflicto armado y su violencia interna. Entre estos conflictos se encuentran tanto los enfrentamientos cuerpo a cuerpo de guerrilleros y militares como los campos minados. Estos campos minados han condenado a muchos colombianos: de 32 personas afectadas en el año 1990, pasaron a ser 2035 en el 2006, y de este total el 72,5% fueron amputadas debido a la gravedad de su lesión (2).
Otro porcentaje de amputados, provienen de enfermedades tales como la diabetes. Para el 2004, el 7,4 y 9,4% de la población adulta colombiana es diabética, y el 50% de ellos están en riesgo de perder alguna de sus extremidades inferiores (3). Según Fernández, en su artículo expone que para el 2004 de 200-300 personas por cada 100 mil habitantes sufre de amputación, los cuales corresponden al 10% del total de discapacitados (3). Según el reporte del DANE para el 2005, el 6,4% de la población sufre al menos un tipo de discapacidad. De ese porcentaje, el 29,3% sufre limitaciones para caminar (1).
A continuación se puede observar la frecuencia anual de victimas por minas antipersonal reportada por la vicepresidencia colombiana hasta el 2008.
Según lo anterior, se considera que hay un porcentaje considerable de personas que necesitan una rehabilitación y por tanto, enfrentar las complicaciones que esta discapacidad trae.
Figura 4: Frecuencia anual de víctimas por minas antipersonal MAP y municiones sin explotar MUSE para los años 1990 hasta Febrero del 2008 (10).
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1.3.
Objetivos del proyecto
1.3.1. Objetivo general
Diseñar y construir una prótesis para personas que quieran montar en bicicleta y sufrieron de una amputación transfemoral.
1.3.2. Objetivos específicos
Diseñar una prótesis que le permita a un ciclista de con amputación transfemoral pedalear.
Construir una prótesis que le permita a un ciclista con amputación transfemoral pedalear.
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2.
Diseño conceptual
“Lo bueno del deporte es que siempre hay una meta. Cada día hay algo que mejorar... y es algo que no tiene fin”. Johan Cruyff
2.1.
Requisitos y restricciones
Este proyecto consta de un diseño, para esto se definen algunos requerimientos que indiquen lo que debe tener el diseño para cumplir con las necesidades del consumidor y unas restricciones que limiten las posibles soluciones de diseño para el problema planteado.
Dentro de los requerimientos, primero, se define un diseño que pueda ser adaptable a una bicicleta convencional de montaña. Esto implica que el diseño de la prótesis no requiera de modificaciones especiales sobre la bicicleta.
Por otra parte, se busca la transmisión de potencia independiente de la forma que tenga la prótesis. Es decir, no se espera que la prótesis se parezca a la extremidad que intenta reemplazar sino que permita transmitir el movimiento desde el muñón hasta la bicicleta.
También es necesario que sea adaptable a cualquier tipo de muñón. Como se mencionó anteriormente, dependiendo del daño en la pierna, el tipo de corte y la recuperación del paciente, se pueden obtener diferentes formas y longitudes de muñón. Se busca entonces que la prótesis diseñada pueda ser utilizada por la mayoría de tipos de muñón posible.
Por último, el diseño debe tener en cuenta que solo debe utilizar la potencia del piloto. Esto quiere decir que no debe haber otro tipo de ayudas por parte de dispositivos de potencia como por ejemplo los motores o volantes que ayuden en el movimiento del pedaleo.
Ahora bien, en cuanto a las restricciones se proponen los siguientes puntos. Primero, la prótesis no debe afectar el equilibrio general del sistema. Este primer punto implica que la bicicleta no puede perder estabilidad debido al peso de la prótesis. En dado caso de un desbalanceo, este debe asegurar que el piloto no vaya a caer del lado del trauma sufrido. Además, se pretende utilizar la mayor cantidad de piezas estándar. Esto se busca en el fin de facilitar el mantenimiento del sistema en dado caso que así lo requiera. Por último, se busca que las piezas que no sean estándar, sean fáciles de manufacturar, como se dijo anteriormente, en caso de necesitar mantenimiento sea relativamente sencillo arreglar el problema presentado.
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2.2.
Criterios de diseño
Según los requerimientos y restricciones mencionadas anteriormente, se definen los criterios de diseño y el peso que estos tienen sobre el diseño final. Estos criterios se exponen a continuación:
Ergonomía (52%): La ergonomía involucra que el movimiento del piloto se conserve como el movimiento natural del pedaleo aun con el trauma sufrido, por ejemplo el ángulo de la cadera.
Movimiento (26%): Esto involucra estudiar los mecanismos en sí y el movimiento de los mismos, reflejados en alguna variable medible, por ejemplo el ángulo de transmisión.
Bicicletas existentes (6%): Dependiendo de las modificaciones que se le deban realizar a la bicicleta para el diseño será mejor uno u otro.
Bajo peso (6%): Esto indica que se escogerá el diseño que menor peso tenga.
Alto porcentaje de piezas estándar (5%): Entre mayor sea el número de piezas estándar del diseño, este será más apto.
Fácil armado (5%): Se busca diseñar un sistema que sea de fácil armado en caso de ser necesario quitarlo y ponerlo más de una vez. Esto se busca por comodidad del consumidor.
2.3.
Lluvia de ideas
Según estos requerimientos y restricciones, se tienen unos problemas puntuales para solucionar. Cómo método de clasificación, se muestran a continuación preguntas planteadas para cada uno de los problemas y posibles soluciones para los mismos.
¿Cómo acoplar el muñón al sistema para extraer la potencia del mismo?
Diseño de una lengüeta que sea sólo empujada por el muñón. Esta no estará amarrada al muñón de ninguna forma. El punto de apoyo de esta lengüeta esta sobre el tubo de la silla por medio de un pin que le permite rotar.
Diseño de un dispositivo parecido a una órtesis que amarra el muñón al sistema. Utilizar el socket propio de cada uno de los pilotos.
¿Cómo transmitir la potencia desde el muñón hasta el plato? Mecanismos de barras.
Correas y poleas. Cadenas.
Guayas.
Sistemas hidráulicos.
¿Cómo ensamblar el accesorio a la bicicleta? Abrazaderas o amarraderas.
15 Tornillo que cruce el marco de la bicicleta. Utilizar una adhesivo.
Bridas.
¿Cómo evitar que la bicicleta no se caiga del lado de la pierna faltante? Instalar una rueda pequeña auxiliar sobre el eje de la llanta trasera.
Utilizar un apoyo auxiliar que salga del manubrio al ser accionado por el piloto con un botón sobre el manubrio.
Poner un contrapeso al lado opuesto de la prótesis.
¿Cómo proteger al ciclista?
El diseño no debe tener puntas o filos cerca al piloto. Mecanismo tapado con una carcasa.
2.4.
Primeros diseños
Utilizando las soluciones dadas anteriormente como respuesta previamente, se proponen unos primeros diseños que utilicen dichas soluciones. Estos primeros diseños se muestran a continuación. Los diseños se clasifican en 4 tipos según el tipo de mecanismo: cadenas/poleas, biela-manivela-pistón, sistema de barras con pivote sobre la barra superior, sistema de barras con pivote sobre la barra inferior.
Figura 5: Diseño por cadenas o poleas.
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Figura 7: Diseño de sistema de barras con pivote en la barra superior.
Figura 8: Diseño de sistema de barras con pivote en la barra inferior.
Se puede observar que para todos los casos mostrados anteriormente, se busca resolver todos los puntos planteados de diferentes maneras.
2.5.
Simulaciones
Las soluciones propuestas en la sección de ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se simulan en el software Working Model con el fin de conocer su comportamiento. Un primer acercamiento se muestra en la Figura 9. Luego de realizar estas simulaciones, con el fin de acercarse más a una posible solución, se incluye un marco de bicicleta como fondo para tener un acercamiento geométrico.
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Para los nuevos diseños propuestos (Ver Figura 10), se puede observar que no se incluyó un diseño con cadenas o poleas. Esto se debe a que este diseño puede ser peligroso para el piloto en cuanto a los engranajes y las cadenas. En cuanto a las poleas, el mantenimiento y ajuste de estas es complejo por lo que se descartan de las soluciones.
En los siguientes diseños (Ver Figura 10), se muestra un cubo sobre el sillín de la bicicleta, el cual corresponde a la cadera del piloto que se toma como pivote. En estos diseños no se tiene en cuenta el acople del muñón al sistema ya que se quiere solo conocer el movimiento de los mecanismos propuestos.
Para estos diseños, además se puede observar que para los que tienen un pivote sobre la barra superior o inferior, el mecanismo invierte el movimiento. Esto quiere decir que cuando el piloto empuja con el muñón, el pedal está siendo halado y viceversa. Estos sistemas se descartan por el criterio de diseño de ergonomía ya que no conserva el movimiento natural del pedaleo (piernas alternantes).
Figura 10: Segundos diseños propuestos. De Izquierda a Derecha, de Arriba a Abajo: Mecanismo similar al de las ruedas de un tren. Sistema Manivela-Biela. Sistema de barras con pivote en la barra superior. Sistema de barras con
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2.6.
Diseños finales
En la sección anterior, se mostraron los problemas que tienen algunos de los mecanismos propuestos como primeros diseños. A continuación se muestran los diseños finales escogidos para ser analizados más detalladamente. En la Figura 11 se puede observar un diseño de un mecanismo de 5 barras mas una corredera. Para el caso de la Figura 12, se puede observar que este es un mecanismo que consta de 4 barras.
Se puede observar que en ambos casos, se tiene una palanca la cual va a ser empujada por el muñón. Esta palanca se propone en el diseño como lo más larga posible, de tal forma que reduzca la fuerza que debería ejercer el muñón para mover el mecanismo y la bicicleta.
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2.6.1. Angulo de transmisión
Para comenzar, es necesario definir el ángulo de transmisión para poder analizarlo. Así pues, este ángulo se define como el formado entre el eslabón de salida y el acoplador. Para este el sistema de corredera sería el ángulo entre la biela y la barra 3, y entre la biela y la barra 2 para el sistema de 4 barras.
El ángulo de transmisión esta definido entonces como:
En la Figura 13 se muestra el ángulo de transmisión para cada uno de los mecanismos. Se puede observar que para los dos mecanismos, el ángulo de transmisión tiene casi el mismo comportamiento.
Figura 13: Ángulo de transmisión para cada uno de los mecanismos.
En la Figura 14 se puede observar el cambio en la transmisión de la fuerza en diferentes puntos del pedaleo. Se muestra que desde la posición 16 hasta la 20, la transmisión de fuerza es muy pequeña llegando a cero. Esto indica que en el movimiento normal del pedaleo se tienen puntos “muertos”, puntos en los que no hay transmisión de potencia. En los diseños propuestos, se puede observar que también se tienen puntos muertos. Sin embargo, estos no se toman como una falla en el diseño planteado debido a que se demostró que estos puntos existen normalmente en el pedaleo.
0 20 40 60 80 100 120
0 100 200 300 400
Á
ng
ul
o
[°
]
θ2 [°]
Ángulo de Transmisión
4 Barras
21
Figura 14: Evolución de la fuerza en el pedaleo (11).
2.6.2. Angulo de la cadera
Ahora bien, en cuanto al ángulo de la cadera, según el artículo Eficiencia Mecánica de Pedaleo en Ciclistas de Diferente Nivel Competitivo, se indica, basados en el diagrama de la Figura 15, que el ángulo de la cadera durante el pedaleo está entre 0° y 45° (12).
Figura 15: Determinación de los ángulos analizados durante el pedaleo (12).
Para evaluar el ángulo de la cadera, se toma el ángulo mostrado en la Figura 11 y Figura 12. Los resultados de ese ángulo se muestran en la Figura 16. Se puede observar que el sistema de
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corredera se mantiene, considerablemente, por debajo de los 45° mientras que el mecanismo de 4 barras supera los 45°.
Figura 16: Ángulo de la cadera para los dos diseños propuestos.
2.7.
Acople prótesis-ciclista
Para acoplar el sistema de la prótesis al ciclista hay ciertos puntos que deben ser tenidos en cuenta. El primero es que hay diferentes longitudes de muñón, ya sea porque la fisionomía de cada persona es diferente o porque el corte realizado cambia para cada persona. Además, las diferentes alturas de la personas implica que el pivote de cadera utilizado para las simulaciones, cambia con cada altura lo cual podría afectar el correcto funcionamiento del sistema.
Para evitar estos problemas, se diseña una leva que mantenga un constante contacto entre el muñón y la palanca del mecanismo. De esta forma, si se cambian las longitudes de pierna (para efectos de la altura de silla y por tanto de altura del pivote de la cadera) y las longitudes del muñón (para efectos del brazo de apoyo del ciclista sobre la prótesis) el mecanismo funciona correctamente.
Para el diseño de la leva, se realiza un análisis del movimiento del punto de unión entre la barra 2 y la palanca. El comportamiento de este punto se encuentra reportado en la Figura 17. La curva representada en esa figura corresponde al perfil que debería tener la leva para que toque la palanca y el muñón en todos los instantes del movimiento. Debido a que se diseña esta leva con un ángulo de cadera que varía desde 0° hasta 45° de tal forma que se corrija para el sistema de 4 barras este ángulo.
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20
0 100 200 300 400
Á ng ul o [° ] θ2 [°]
Ángulo de la cadera
Corredera
23
Figura 17: Movimiento del punto de unión Barra 2-Palanca en coordenadas x y y.
2.8.
Selección de diseño
Ahora bien, teniendo en cuenta todos los criterios de diseño, se selecciona uno de los dos diseños.
Figura 18: Comparación entre los diseños propuestos.
En cuanto al ángulo de transmisión, que cumple el criterio de movimiento, se puede observar que es igual para ambos casos. Por esta razón, se puede decir que, entre estos dos diseños, no es un factor determinante. En cuanto al ángulo de la cadera, se puede observar que el sistema de 4 barras esta considerablemente mayor a los 45° limitantes. Sin embargo, como se mencionó en la sección anterior, la leva diseñada para el punto de unión entre la pierna y el mecanismo corrige el error del ángulo de la pierna. Por esta razón, el ángulo de la cadera tampoco es un factor determinante ya que ambos diseños cumplirían con el criterio.
Ahora, se tiene que el sistema de corredera tiene 5 apoyos mientras que el de 4 barras sólo tiene 3. Esto puede ser un factor determinante ya que se requiere buscar mayor número de puntos y formas de sujeción a la bicicleta sin modificarla para poder sujetar el mecanismo. Así mismo, se
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60
y [m
m
]
x [mm]
Movimiento del Punto de Unión Barra2-Palanca
Criterio Sistema de Corredera Sistema de 4 barras Ángulo de trasmisión 0°-90° 0°-90°
Ángulo de la cadera 33° 67°
Número de apoyos 5 3
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tienen más barras para el mecanismo de la corredera por lo que el peso puede aumentar considerablemente, factor que no sería benéfico.
Por todo lo mencionado anteriormente, se selecciona el diseño de 4 barras para continuar con su manufactura.
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3.
Diseño detallado
“Todos tus sueños pueden hacerse realidad si tienes el coraje para perseguirlos”. Walt Disney
3.1.
Materiales
Se escogen materiales como acero y aluminio para los diseños ya que son materiales comerciales que se pueden conseguir fácilmente. Para el caso del acero, se escoge que sea inoxidable debido a que es un mecanismo que va a estar expuesto al ambiente permanentemente por lo que se puede oxidar fácilmente.
3.2.
Uniones
Ahora bien, se escogen las uniones entre las barras. Debido a que transmite movimiento, se busca que las pérdidas de potencia sean mínimas. Por esta razón se seleccionan rodamientos para todas las uniones.
Para las uniones a la bicicleta, se diseñaron dos piezas específicas. La primera pieza, ensambla la barra 2 con la biela de la bicicleta. Esta pieza consta de un eje por uno de sus extremos, y por el otro, una base roscada, con la misma rosca que une el pedal a la biela. Esta pieza es de rosca izquierda o derecha dependiendo del lado donde vaya a ser ensamblada la prótesis.
Figura 19: Unión entre la Barra 2 y la Biela (Ver Anexos)
La otra pieza que se diseña es la que sujeta la palanca a la bicicleta. Esta pieza se sujeta al manubrio. Esta puede ser puesta del lado necesario para ensamblar la prótesis. Esta pieza tiene una longitud específica para separar la prótesis del marco debido a que la barra 2 debe estar alineada con la biela. Para mayor información acerca de las dimensiones, tolerancias, ensamble, entre otros, del mecanismo, ver la sección de Anexos.
26
Figura 20: Unión entre la Palanca y la bicicleta (Ver Anexos).
3.3.
Dimensionamiento
Para el dimensionamiento de las piezas, se utilizan los criterios de cortante y flexión para determinar el diámetro de los ejes y las barras asumiendo un material. Se escogen barras de perfil circular con el fin de poder ensamblar los rodamientos en ellas y que queden bien fijos.
Para el cálculo de estos diámetros y radios, se supone una deflexión máxima permitida de 1mm. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 21.
Figura 21: Resultados del cálculo del diámetro de los pines y las barras.
Según los resultados obtenidos, se buscan los rodamientos más pequeños comerciales y los ejes más pequeños comerciales. De estos se seleccionan los rodamientos de SKF 624-Z, los cuales tienen un diámetro interno de 4mm y uno externo de 13mm. Con base en esto, se escogen ejes de 4mm y barras de 3/4in (19,05mm).
Debido a que los pines son muy largos (48mm), se le hace un cambio de sección en medio por dos cosas. La primera es para aumentar el factor de seguridad en el centro debido a que es el punto por el cual se sufre mayor deflexión. En segundo lugar, para utilizar este cambio como una separación entre las barras y que estas no se vayan a golpear entre sí.
F [N] Material τ [Pa] d pin [mm] r pin [mm] r barra [mm]
113 Acero 175000000 0.907 1.145 6.621
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Según las simulaciones en Working Model y Autodesk Inventor Professional 2014, se calculan las longitudes de las barras. Debido a que se tienen dos posiciones diferentes para la barra 2, se calculan los puntos donde van a ir instalados los rodamientos y los ejes. Las dimensiones de las barras se encuentran en la Figura 22. Para mayor información acerca de las dimensiones, tolerancias, ensamble, entre otros, del mecanismo, ver la sección de Anexos.
Figura 22: Longitudes totales de las barras del mecanismo seleccionado.
Dentro del dimensionamiento hay que tener en cuenta que el peso total de la prótesis no supere el peso de una pierna. El peso de la porción de miembro perdido por una amputación puede llegar a ser el 20% del peso total del cuerpo para el peor de los casos el cual corresponde a una amputación del miembro inferior completo (Ver Figura 23). Si se tomaran personas entre los 60 y 90kg de peso corporal correspondería a 6,6-9,9kg de peso perdido si corresponde a un corte por arriba de la rodilla. Por esta razón, se diseña con este parámetro: el peso de la prótesis no puede superar el peso perdido por amputación de una persona.
Figura 23: Porcentaje y Proporción de peso perdido en una amputación (13). L palanca [mm] L B2-92 [mm] L B2-100 [mm]
28
4.
Manufactura
“Si ya sabes lo que tienes que hacer y no lo haces entonces estás peor que antes”. Confucio
Ahora bien, para manufacturar las piezas, se utilizó el Centro de Mecanizado Computarizado, el Torno, la Fresa, una curvadora y una sierra sin fin. Excepto el primero de los procedimientos, todos son comunes y fáciles de conseguir por lo que, en caso de necesitar una reparación, es sencillo realizarla.
29
5.
Resultados y pruebas
“Sólo juega, diviértete y disfruta el juego.” Michael Jordan
Luego de manufacturar todas las piezas, se ensambla la prótesis a una bicicleta de montaña convencional. En la Figura 25, Figura 26 y Figura 27 se puede observar el ensamble completo en los software utilizados y de forma experimental.
Figura 25: Ensamble en Working Model.
30
Figura 27: Prótesis terminada y ensamblada.
Figura 28: Resultados del diseño de 4 barras desarrollado.
Como se demostró anteriormente, el mecanismo cumple con los criterios de diseño de ángulo de transmisión y ángulo de la cadera (Ver Figura 28). Ahora bien, en cuanto al número de piezas estándar y manufacturadas, se puede observar que el 80% de las piezas son manufacturadas. Sin embargo, los procedimientos para su manufactura son muy pocos y utilizan herramientas comunes y fáciles de conseguir.
Por otra parte, se tiene la ventaja del amplio rango de longitudes de pierna para los cuales la prótesis puede ser utilizada. En cuanto al costo, se observa que tiene un valor alrededor de los $250.000.00 COP en su manufactura, esto realizando una sola unidad, lo cual es más costoso. Por lo que, si se produce en masa, podría reducirse el costo aún más. Dentro de la revisión bibliográfica realizada, se ha encontrado que el costo de las prótesis está cercano a los $2.000.000.00 COP en adelante.
Materiales Acero Inoxidable y Aluminio
Número de Piezas 5 Manufacturadas 1 Estándar
Longitud Piernas [cm] 83-105
Peso [kg] 4
Costo [COP] $ 250.000.00
31
Para el tiempo de instalación, solo toma la demora de posicionar los pivotes e introducir los ejes en los agujeros correspondientes. Por esta razón, no tomaría más de 15 minutos. Además, se puede ensamblar para que pueda ser utilizada para el lado derecho o izquierdo sin ningún inconveniente.
A pesar de que el diseño cumple con todos estos criterios, al momento de realizar las pruebas con ayuda de una persona con una amputación transfemoral 1/3 proximal1, se tuvieron algunos inconvenientes. El más importante de todos fue el acople del muñón a la prótesis. El tipo de amarre utilizado para amarrar el muñón a la leva no aseguraba la unión correctamente. Por esta razón, al paciente le costaba trabajo realizar fuerza sobre la leva para mover la prótesis.
Al haber tenido estos problemas, el sistema completo prótesis-bicicleta-ciclista no se pudo probar correctamente. Aún así, el sistema prótesis-bicicleta sí pudo ser probado y su funcionamiento fue el esperado según las simulaciones realizadas.
1 Amputación transfemoral 1/3 proximal indica el corte más cercano al cuerpo que se practica. Esto quiere decir que el tamaño del muñón del paciente es de 1/3 de la longitud total de su fémur.
32
6.
Conclusiones y proyecciones
“No seas el resultado de un pasado, sino la causa de un futuro”. Lucca Capiotto.
6.1.
Conclusiones
Tal como se especifica en la sección de objetivos, este proyecto buscaba el diseño y la construcción de una prótesis que le permita, a un ciclista con amputación transfemoral, pedalear. Estos objetivos fueron cumplidos de manera satisfactoria ya que, tal como se explica en la sección
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., el diseño propuesto cumple con los requerimientos y las restricciones planteadas inicialmente según las necesidades del proyecto y del usuario.
Además de cumplirlas, se demostró de forma experimental y por medio de simulaciones, el correcto funcionamiento del sistema. Por lo cual se puede decir que no sólo en la parte teórica en cálculos y simulaciones se obtuvieron resultados coherentes con lo planteado, sino que al llevarlo a la parte experimental, a la construcción y la prueba, el mecanismo también funcionó correctamente.
A pesar del correcto funcionamiento mecánico de la prótesis, la unión de esta con el usuario se debe rediseñar para sacar mayor provecho de la potencia que este puede entregar. Se tuvo problemas en esta unión debido a que conseguir un ciclista que cumpliera la condición de tener una amputación transfemoral, no fue sencillo.
Aun así, durante las pruebas se observó que el ciclista requería de la utilización de su muñón, por lo que se afirma que, al este tener movilidad, podría funcionar para la rehabilitación de las personas que sufren una de estas amputaciones.
6.2.
Proyecciones
Tal como se mencionó anteriormente, hubo una gran falencia en el diseño en la unión entre el usuario y la prótesis. Por esta razón, se propone que sea una de los primeros arreglos que se le realicen al diseño original.
Esta falencia se puede solucionar por medio de la utilización del mismo socket que tiene el usuario. Este socket no se tuvo en cuenta para este diseño debido a que, al ser único y propio de cada persona, se quería buscar un método de agarre tal que fuera aplicable a todos los tipos de muñones para que no hubiera restricción de uso por esta razón. Sin embargo, se comprobó que es
33
necesario un mejor agarre del usuario y, por cuestiones físicas como dolor e incomodidad, se sugiere que se realice un acople del socket al mecanismo.
Para el acople entonces del socket a la prótesis, posiblemente por las diferentes longitudes de muñón, sea necesario pensar en diferentes tallas que pueda tener la leva según dicha longitud y el punto de agarre.
Por otra parte, a pesar que el peso y el costo se encuentran en un rango considerablemente bueno, se podrían buscar otros materiales que de pronto los reduzcan más.
En la parte geométrica, se pueden buscar algunos tipos de curvas que optimicen el movimiento, las dimensiones del sistema, entre otros.
34
7.
Bibliografía
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6. Pérdida de la densidad mineral ósea en la extremidad amputada de los soldados del Ejército Nacion de Colombia, heridos en combate por acción de minas antipersona. Guzman Torres, Antony Enrique, Leal Arenas, Fabian Alexander y Jimenez Juliao, Alberto. 1, Bogotá : Colombiana de Medicina Física y Rehabilitación, 2009, Vol. 19.
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35
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15. García, Javier. Rotor y la salud de las rodillas del ciclista. [En línea] [Citado el: 19 de Junio de 2013.] http://www.plazadedeportes.com/imgnoticias/13912.pdf.
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Prosthetics and Orthotics: Lower Limb and Spinal. Philadelphia : Lippincott Williams and Wilkins, 2002.
36
8.
Anexos
Marco Benotto Polar 26 Aluminio 6061 Marco 1 1 Shimano 170mm Acero Inoxidable 316
Pedal 1
2
Acero Inoxidable 316 Palanca
1 3
Acero Inoxidable 316 Barra 1 4 Aluminio 6061 Leva 1 5
Acero Inoxidable 316 Soporte Manubrio
1 6
Acero al carbon Eje Pedal
1 7
Acero Inoxidable 316 Eje
1 8
Referencia SKF 624-Z Acero 1022 Rodamiento 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 A A B B C C D D E E F F Proyecci n: Escala: 1/4 Unidades: mm
Plano Explosionado
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A2 Plano: 1 de 8
Departamento
de Ingenier a
Mec nica
Las piezas 1 y 2 no hacen parte del dise o, se muestran
con el fin de indicar donde van los soportes del prototipo.
Peso Total: 4.2kg.
Altura M xima del Prototipo: 900mm.
Longitud M xima del Prototipo: 720mm. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Marco Benotto Polar 26 Aluminio 6061 Marco 1 1 Shimano 170mm Acero Inoxidable 316
Pedal 1
2
Acero Inoxidable 316 Palanca
1 3
Acero Inoxidable 316 Barra 1 4 Aluminio 6061 Leva 1 5
Acero Inoxidable 316 Soporte Manubrio
1 6
Acero al carbon Eje Pedal
1 7
Acero Inoxidable 316 Eje
1 8
Referencia SKF 624-Z Acero1022 Rodamiento 8 9 1 2 3 4 5 6 A A B B C C D D Proyecci n: Escala: 1/4 Unidades: mm
Plano de Ensamble
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A3 Plano: 2 de 8
Departamento
de Ingenier a
Mec nica
Las piezas 1 y 2 no hacen parte del dise o, se muestran
con el fin de indicar donde van los soportes del prototipo.
Peso Total: 4.2kg.
Altura M xima del Prototipo: 900mm.
Longitud M xima del Prototipo: 720mm. 1 4 5 3 6 2 7 9 8
Secci n E-E
Escala 1:4
Detalle F
Escala 1 : 1
Detalle G
Escala 1 : 1
E
E
F
G
Proyecci n: Escala: 1/4Departamento
de Ingenier a
Mec nica
Palanca
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A4 Plano: 3 de 8
Tolerancias +0.05mm a menos
que se indique lo contrario. Unidades: mm
Acero Inoxidable AISI 316. Materia Prima: Barra 3/4in
(19.05mm) de di metro. 538.20mm de longitud.
Proceso: Fresado y Taladrado. N8-N9 a menos que se indique
lo contrario.
Todos los agujeros son iguales a como se muestran en F y G.
7.00 3.00 8.00 .01 2 0 .0 4 6 7 .0 0 .0 1 5 3 8 .2 0 .01 A,B C B D C .01 D .01 G 1 4 .3 0 N5 D 2.59 9.53 16.46 .01 .01
Secci n D-D
Escala 1:4
Detalle E
Escala 1 : 1
Detalle F
Escala 1 : 1
D
D
E
F
1 2 3 4 5 6 A A B B C C D DDepartamento
de Ingenier a
Mec nica
Plano: 4 de 8
Barra 2
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A4
Proyecci n:
Escala: 1:4
Unidades: mm
Todos los agujeros son iguales a como se muestran
en los detalles E y F. Acero Inoxidable AISI 136. Materia Prima: Barra 3/4in (19.05mm) de di metro.
540mm de longitud. Tolerancias +0,05mm a menos
que se indique lo contrario. Proceso: Fresado y Taladrado.
N8-N9 a menos que se indique lo contrario. 5 4 0 .0 0 3.00 8.00 .01 7.00 2 2 .0 0 .0 1 7 3 .0 0 .0 1 5 2 0 .0 0 .0 1 1 4 .3 0 A .01 A,B C .01 B C D D G .01 .01 D 2 0 .0 0 .0 1 K7/h6 2.59 9.53 16.46 N5 C C D .01
Proyecci n:
Escala: 1/4
Unidades: mm
Leva
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A4 Plano: 5 de 8
Departamento
de Ingenier a
Mec nica
Tolerancias +0.05mm a menos que se indique lo
contrario.
N8-N9 a menos que se indique lo contrario.
77.1 25.0
21.1
R34.90
R28.25 R34.90
1
5
0
.0
0
200.00
A B
C
7
5
.0
0
.05 A
C
.05 B
40.8
Perfil Tubular de Aluminio 6063 1 1/8in de di metro.
4mm de espesor.
Proyecci n:
Escala: 1/4
Unidades: mm
Soporte Manubrio
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A4 Plano: 6 de 8
Departamento
de Ingenier a
Mec nica
Tolerancias +0.05mm a menos que se indique lo contrario. Acero Inoxidable AISI 316.
Materia Prima: L mina calibre 5mm. 280mmx50mm.
Proceso: Doblado, Torneado y Soldadura.
Ra N9 a menos que se indique lo contrario. 25.40 4.00 50.00 8.00 MIN 5 .0 0 1 7 0 .0 0 .0 1 1 9 5 .0 0 90.00 .01 109.05 2 5 .0 0 .0 1 D .05 A B .1 A A C B C .05 B,C D .05 H7/n6 2 5 .0 0 .05 N5
Secci n A-A
Escala 1 : 1
A
Proyecci n:
Escala: 1:1
Unidades: mm
Eje Pedal
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A4 Plano: 7 de 8
Departamento
de Ingenier a
Mec nica
Acero Inoxidable AISI 316.
Tolerancias +0.05mm a menos que se indique lo
contrario.
Materia Prima: Barra 3/4in (19.05mm) de di metro. 62mm
de longitud.
Proceso: Torneado y Fresado. N4-N5 a menos que se
indique lo contrario.
6 2 .0 0 14.00 19.00 1 4 .0 0 .0 1 2 4 .0 0 15.00 .01 M14x1.25 2 7 .0 0 3 7 .0 0 R2.00 R1.00x4 A A A A .05 .05
Proyecci n:
Escala: 2:1
Unidades: mm
Eje
Mar a Paula Corral Londo o
200822850 A4 Plano: 8 de 8
Departamento
de Ingenier a
Mec nica
Tolerancias +0.05mm a menos que se indique lo contrario. Acero Inoxidable AISI 316.
Materia Prima: Varilla 6mm de di metro. 48mm de longitud.
Proceso: Torneado.
N4-N5 a menos que se indique lo contrario.
48.10 19.05
24.05
4.00
A A .05
A