El presente trabajo conlleva el diseño conceptual de un módulo de ensayos para prótesis transtibial que permite emular condiciones de marcha en superficies planas, inclinadas y con irregularidades. Este trabajo surge de la necesidad de verificar mediante ensayos la funcionalidad de prótesis transtibiales que lleguen a ser fabricadas en el país, lo cual no está contemplado en una normativa internacional, dado el incremento en la fabricación de estas por parte del INR y de la producción científica orientada a este ámbito. Asimismo, aborda problemas que surgen de los ensayos en pacientes amputados como el incremento de costos y tiempo, trámites complicados, y falta de repetitividad. El proceso de diseñó está basado en la Norma Alemana VDI 2206 culminando en la selección y detalle del concepto de solución óptimo. Así, se sientan las bases para continuar con el diseño definitivo mediante la ingeniería de detalle en trabajos futuros. Además, el diseño de la máquina está orientado a emular ciclos de marcha en las condiciones requeridas obteniendo información mediante sensores de fuerza y unidades de medición inercial, con lo cual se podrá verificar la funcionalidad de las prótesis prescindiendo de ensayos en humanos en primera instancia.

En el área de la medicina moderna, la manufactura aditiva es uno de los procesos de fabricación más empleados debido a la versatilidad que brindan para adaptar componentes médicos a la necesidad de cada paciente, así como el uso de diversos materiales. Sin embargo, la información referente al comportamiento mecánico de estos componentes frente a la aplicación de cargas en distintas direcciones no es suficiente para su uso efectivo en algunas aplicaciones de esta área, debido a que presentan un comportamiento anisotrópico y en consecuencia existen direcciones críticas donde la pieza fabricada podría fallar; como es el caso del diseño y la fabricación de prótesis. De esta forma, este trabajo permitirá cumplir con los objetivos del proyecto: “Optimización del uso de polímeros sintéticos en procesos de manufactura aditiva mediante modelos de simulación computacional y técnicas de caracterización de materiales. Caso de estudio: aplicaciones médicas prótesis de mano”. El presente trabajo tiene como objetivo caracterizar, mediante ensayos de tracción, el comportamiento anisotrópico de especímenes fabricados mediante manufactura aditiva, a partir de filamentos de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), poliamida 6 (PA6) y estos mismos reforzados con fibras de carbono (CF): ABS/CF y PA/CF. Para ello, se realizaron ensayos de tracción y análisis termogravimétrico a los materiales iniciales para la fabricación (filamentos) y se seleccionaron los parámetros óptimos de impresión para los 4 materiales obtenidos en una investigación anterior: velocidad de deposición, temperatura de impresión, altura de capa y patrón de impresión. Posteriormente, se definieron las 6 orientaciones de impresión que permitirán obtener las 9 constantes elásticas que rigen el comportamiento anisotrópico de los especímenes. Por último, se fabricaron probetas de los 4 materiales en las distintas orientaciones definidas y se procedió a realizar los ensayos de tracción correspondientes a cada espécimen fabricado. Como resultado del trabajo, se concluyó que la adición de fibras de carbono en la matriz polimérica incrementa el valor del módulo elástico en las direcciones donde la carga y la orientación de impresión son paralelas. Sin embargo, en direcciones donde la carga es perpendicular a orientación de impresión, el módulo disminuye. Además, la adición de estas fibras presentó un mayor incremento del módulo para la PA (3.9 veces) a comparación del ABS (1.5 veces).

El objetivo del presente trabajo es el diseño preliminar de un mecanismo para el movimiento de las caderas en el plano frontal del exoesqueleto PUCP durante el ciclo de la marcha humana sobre el sitio. Debido a la considerable cantidad de personas con discapacidad esquelético-muscular en el Perú según el Consejo Nacional para la Integración de la Persona con Discapacidad y la necesidad de desarrollar tecnologías que mejoren los dispositivos de rehabilitación existentes. Así, la metodología aplicada es la regida por VDI 2206, donde se desarrolla: la identificación de la problemática; planteamiento del objetivo general y específicos y propuesta de solución; una revisión del estado del arte asociado al mecanismo teniendo en cuenta trabajos y estudios anteriores sobre dispositivos de asistencia en rehabilitación; presentación de las exigencias que requiere el diseño para determinar las funciones de la máquina en relación al movimiento de caderas en el plano frontal que contiene señales, uso de energía, componentes mecánicos, eléctricos y de control; una matriz morfológica de cada función con distintos principios de solución; finalmente, se proponen conceptos de solución en base a sus combinaciones para hallar el concepto de solución óptimo tomando en cuenta el dimensionamiento del sistema a través de un análisis técnico-económico; Como resultado, se obtuvo el diseño mecánico preliminar de un mecanismo para el movimiento de las caderas en el plano frontal del exoesqueleto PUCP durante el ciclo de la marcha humana sobre el sitio. Se concluye que el presente documento contribuye al desarrollo de nuevas tecnologías para los dispositivos de rehabilitación, en este caso en el diseño de un prototipo mecanismo de cadera que añada el movimiento en el plano frontal del Exoesqueleto PUCP.

Existen diversas aplicaciones de la Ingeniería Mecánica y la Ciencia de los Materiales orientadas a áreas como la minería, aviación o medicina. Entre estas se incluye también a la biomecánica, la cual combina conocimientos de caracterización de materiales, simulación computacional y fabricación de prototipos, con el fin de lograr una comprensión profunda de los mecanismos que ocurren dentro de especímenes biológicos desde un punto de vista estructural y energético. En el caso específico de la oftalmología, con el propósito de obtener nuevas tecnologías en el desarrollo de implantes o procedimientos clínicos para el ojo humano, se hace de mucha utilidad la constante optimización y refinamiento de los métodos usados para obtener las propiedades biomecánicas de las partes del ojo. Entre otros, se requiere realizar un análisis numérico y cualitativo de la morfología ocular haciendo uso de la configuración de diversos ensayos mecánicos existentes para tejidos blandos, con el fin de poder comparar diversos valores de esfuerzos y deformaciones frente a distintas condiciones de trabajo del ojo evaluado. En esa perspectiva, el objetivo principal del presente trabajo fue caracterizar las propiedades viscoelásticas de la esclera de ojos de cerdo para simular su comportamiento biomecánico mediante métodos computacionales. Para alcanzar dicho objetivo, se estableció la siguiente metodología: i) En primer lugar, se tuvieron que definir los detalles de la procedencia de los ojos de cerdo a ensayar, así como la justificación de su uso y los cuidados que se tuvieron que tener en cuenta para poder conservar sus propiedades mecánicas hasta el momento de la ejecución de los ensayos. ii) Luego, se definió un protocolo a seguir para la realización de los ensayos mecánicos; empezando con el procedimiento de corte para dividir las escleras de ojos de cerdo identificando cada zona de la superficie ocular seccionada y elaborar sus correspondientes probetas. También se definieron las características de los equipos usados para los ensayos mecánicos, así como la secuencia seguida por los sujetadores de probetas, cuya geometría fue modificada para su empleo en trabajos con tejidos pequeños. iii) Adicionalmente, se elaboró un procedimiento a seguir para obtener las curvas medias y el error estadístico de los datos tomados a partir de los resultados de los ensayos mecánicos. Asimismo, se propusieron ajustes de curvas para poder extraer las propiedades visco-elásticas. iv) Finalmente, se analizaron las variaciones de las propiedades encontradas desde un punto de vista biomecánico y microestructural; asimismo, se complementó el modelo computacional ocular hiper-elástico de Ahmed con las propiedades viscoelásticas obtenidas comparando los efectos de la adición de dichas propiedades sobre los resultados de esfuerzos y deformaciones de la superficie ocular. Se encontró que las diferentes propiedades visco-elásticas de las diversas zonas de la esclera se deben presumiblemente a diferentes orientaciones y agrupaciones de fibras de colágeno, repercutiendo en una deformación máxima de 0.341 mm en la zona superior cercana a la dirección nasal del globo ocular sometido a 15 mmHg de presión interna aplicada durante 10000 s, lo cual ocasionaría la forma geoide y cuneiforme del ojo encontrada en los especímenes ensayados. Así mismo, dichas diferencias microestructurales de la esclera también repercutieron a que se obtuvieran diferentes deformaciones tanto en el centro de la córnea y la zona más cercana a la dirección nasal, siendo estas de 8% y 14.8% respectivamente.

En este trabajo se desarrolló un estudio comparativo de los principales exoesqueletos industriales de miembros superiores con actuación pasiva desarrollados en la actualidad, los cuales tienen la finalidad de proveer una fuerza de asistencia para minimizar la fatiga del usuario al trabajar en posiciones poco ergonómicas por tiempos prolongados. Estos exoesqueletos se basan en principios o técnicas de compensación de carga, las cuales incorporan distintas configuraciones y mecanismos con actuadores pasivos, tales como resortes acoplados a sistemas de cables y poleas; resortes acoplados a mecanismos de levas con seguidor, entre otros; para finalmente generar una fuerza que equilibre la carga que se desea manipular. En este sentido, primero se realizó una revisión bibliográfica de la tecnología en exoesqueletos, con énfasis en los principales exoesqueletos desarrollados actualmente para ser aplicados en el sector industrial. Se determinó que, para aplicaciones industriales, la alternativa más viable es optar por el desarrollo de exoesqueletos pasivos. Por consiguiente, una vez presentado el panorama actual de la tecnología en exoesqueletos industriales pasivos, se investigaron las principales técnicas de compensación de carga en las cuales se basan los mecanismos de actuación incorporados por estos dispositivos. Esto se realizó con la finalidad de analizar los principios físicos y/o mecánicos de funcionamiento de los mecanismos de actuación pasivos. Finalmente, se procedió a analizar 8 de los principales exoesqueletos industriales de miembros superiores de actuación pasiva, para luego compararlos y determinar las ventajas de las distintas técnicas de compensación de carga aplicadas en el desarrollo de sus mecanismos de actuación.

El objetivo del trabajo es analizar la placa (implante) a través de un modelo capaz de proporcionar valores de tensiones y desplazamientos bajo las diferentes condiciones de carga en distintos puntos de la placa que pueden son necesarios conocer. Esta información es de gran importancia, porque una cirugía persigue que la prótesis hueso del sistema este bajo un estado mecánico íntimo al hueso, promueve una estabilidad más grande y durabilidad de la placa y reduce el número de cirugías necesarias durante la vida del paciente. / Tesis

Las prótesis activas de miembro inferior buscan ejercer sobre el muñón de la persona amputada movimientos y reacciones similares a las que produce un miembro sano. Esto se logra por medio de sistemas que brindan potencia a las articulaciones, a diferencia de las prótesis pasivas. La finalidad de reproducir movimientos y reacciones similares a la de un miembro inferior es reducir el costo metabólico que puede demandar el emplear una prótesis pasiva y reducir las lesiones en otras partes del cuerpo producto de requerir mayor esfuerzo y movimientos anormales para suplir la función que brinda un miembro inferior sano. El objetivo de este trabajo es presentar el diseño mecánico de una prótesis activa transfemoral. El diseño fue concebido para que la prótesis pueda realizar rutinas de marcha en estado activo. Para rutinas como bipedestación y sedestación la prótesis se comporta de forma pasiva. El presente trabajo presenta un marco teórico de la marcha de la persona, las características de proyectos actuales de prótesis activas de miembro inferior, un método de obtención de reacciones en las articulaciones a partir de información obtenida de un análisis de marcha y la información de la persona modelo, la aplicación de la metodología de diseño empleada, el diseño de los sistemas de transmisión de potencia y de la estructura, la selección de componentes y el diseño preliminar del sistema de control. La prótesis diseñada se compone de cuatro partes, denominadas segmentos, y tres articulaciones, de las cuales dos de ellas son activas. Cabe resaltar que se emplearon elementos de almacenamiento de energía para reducir el tamaño de los actuadores y reutilizar la energía emitida por cada articulación. / Tesis

En el presente trabajo de investigación se ha realizado el diseño conceptual (en base a la norma VDI 2221) de un exoesqueleto para asistir y proteger la articulación de la rodilla al correr. Este diseño ha sido seleccionado entre varias alternativas de solución luego de una evaluación técnica-económica basada en criterios considerados importantes para un exoesqueleto de este tipo. Se ha realizado una breve revisión de la anatomía, fisiología y biomecánica de los miembros inferiores del cuerpo humano. Así mismo, se han evaluado las necesidades que tendría el usuario del exoesqueleto en mención, así como algunos de los parámetros más importantes al momento de correr. De esta manera, se han determinado los requerimientos con los que debe cumplir el dispositivo mencionado. Se han investigado diversos exoesqueletos y se han estudiado los componentes utilizados en estos. Además, se han hecho comparaciones entre los tipos de actuadores que suelen ser usados y también entre algunas configuraciones especiales de estos. De esta forma, se determinaron los componentes que pueden cumplir con las funciones de la matriz morfológica para cada dominio (mecánico, eléctrico – electrónico y de control). Se presentan también las alternativas para la estructura de funciones y se elige aquella considerada óptima, a partir de la cual se han elaborado las matrices morfológicas respectivas y se han propuesto las alternativas de solución que cumplen con el objetivo general de este trabajo.

El presente trabajo de investigación detalla el procedimiento realizado para desarrollar una propuesta de diseño conceptual de una silla de ruedas con posicionamiento bípedo para personas parapléjicas. Utilizando la metodología VDI 2221 de la Norma Alemana se realizó el proceso de investigación, planteamiento y selección necesaria para obtener el diseño conceptual. Se inició con el planteamiento de la problemática y dificultades que tienen las personas parapléjicas al realizar actividades comunes que no tendría una persona que puede pararse, seguido del estado del arte respectivo para recabar información de dispositivos e investigaciones previas relacionadas al desarrollo o diseño de sillas de ruedas bipedestadoras o similares que simulen el movimiento de una persona al levantarse y mantener dicha posición, así como de la biofísica del ser humano que deberá tomarse en cuenta para el desarrollo del dispositivo. Con la información recabada se detallaron los requerimientos del dispositivo como geometría, peso o dinámica, junto con la estructura de funciones para controlar, energizar o realizar movimientos mecánicos que deberá seguir el dispositivo. Con ello, se realizó la búsqueda de actuadores tal como el actuador lineal, sensores de voltaje para la batería y otros dispositivos necesarios para desarrollar las matrices morfológicas que distinguen cada propuesta de solución. Destacando el uso de un actuador lineal eléctrico que logrará soportar todo el peso durante el movimiento, el cual junto con un acelerómetro permitirán un mayor control y suavidad a la hora del movimiento del usuario durante el cambio de posición. Finalmente, se detalló cada una de las propuestas de solución, de las cuales se hizo una evaluación técnica y económica evaluando complejidad, facilidad de uso, ergonomía y costes para obtener una propuesta ganadora. Siendo esta propuesta mejorada y detallada en mayor profundidad en sus uniones, distribución de piezas y componentes para obtener el diseño conceptual que cumpla adecuadamente con los requerimientos y funcionamiento esperado del dispositivo.

El presente trabajo presenta el diseño preliminar de un dispositivo que complemente al simulador de marcha de la PUCP para reproducir los movimientos de los miembros inferiores del ser humano para personas con problemas en la marcha. En la etapa inicial se contempló un breve estudio de la biomecánica, dinámica del movimiento y ergonomía de la persona humana, tomando mayor importancia en las dimensiones, velocidad, aceleraciones y fuerzas promedio de una persona entre los 6 y 12 años durante la marcha. Así también se definió la geometría y componentes del dispositivo, con lo cual se desarrolló la cinemática y cinética del miembro inferior y de cada elemento del dispositivo mediante la dinámica de cuerpos rígidos aplicando el método newtoniano, definiendo los datos de entrada y de salida. Luego se procedió a desarrollar un algoritmo para resolver los arreglos realizados en el análisis cinético del miembro inferior y del dispositivo, con lo cual se obtuvieron las cargas y momentos en el dispositivo necesarios para la elección de los actuadores rotativos. Se validó la geometría de cada elemento del dispositivo con el análisis de deformaciones mediante el método de elementos finitos, con ello se obtuvieron los planos de despiece y ensamble de los elementos del dispositivo. Por último, se elaboró el diseño preliminar del sistema de control del dispositivo, el cual consiste en el método Master-Slave e incluye en la lógica de control, un lazo externo, el cual realiza un control de seguimiento de posición, un lazo interno, el cual realiza un control de corriente (torque) y una retroalimentación mediante el sensor de posición/velocidad (encoder) de cada actuador rotativo. El resultado del presente trabajo es el diseño de un exoesqueleto de 2 GDL para los miembros inferiores, el cual se acopla a la plataforma del simulador de marcha desarrollado en la Pontificia Universidad Católica del Perú. Asimismo, ayuda en la rehabilitación física de personas entre los 6 a 12 años con dificultades en la marcha para lo cual puede variar de altura entre los 55 a 75 cm según sea las características físicas de la persona a rehabilitar. Además, se espera que contribuya en el estudio de dispositivos robóticos en la rehabilitación física en nuestro país. El costo estimado, que incluye costos directos e indirectos del dispositivo, es de S/. 71,940.00 el cual incluye costos de diseño, fabricación y ensamble.