En el presente documento se realiza la investigación de un prototipo de prótesis de mano derecha. Este debe ser controlado por señales mioeléctricas, es decir, ser accionado dependiendo de los valores sensados en el sistema. Estos datos vienen a ser los impulsos rápidamente cambiantes provenientes de los nervios y músculos. Para poder desarrollar el tema, en primero lugar, se estudian los movimientos de la mano, de los cuales se escogen: la flexión y extensión de los dedos, la flexión y extensión de la muñeca, y la pronación y supinación de la muñeca. La razón por la cual se decide investigar este tema, es debido al constante incremento de lesiones del miembro superior, los cuales muchas veces terminan en la amputación de este. De esta manera, las personas quedan discapacitadas de las actividades cotidianas que se pueden realizar con la mano, entre ellas, conducir un vehículo. Es por eso que se busca que esta prótesis sea orientada especialmente hacia conductores que presenten este tipo de discapacidad para que puedan conducir cualquier automóvil automático. Se analiza información de diversas fuentes con el fin de conceptualizar diseños óptimos. Posteriormente, en base a un análisis técnico-económico, se escoge la opción más viable.

Esta tesis presenta el diseño de un mecanismo de dos grados de libertad para una prótesis robótica transtibial que cuenta con dorsiflexión/flexión plantar e inversión/eversión activas. Así mismo, se expone el diseño de un pie protésico que complementa a dicho mecanismo para obtener una prótesis robótica transtibial que no incluye al socket del paciente con amputación. Este mecanismo de 4,63 kg es capaz de proveer el torque adecuado en el momento necesario a fin de que personas con amputación de miembro inferior y de aproximadamente 60 kg de peso, puedan trasladarse en superficies planas e inclinadas realizando giros de hasta 19° en dorsiflexión, 20° en flexión plantar, 25° en inversión y 10° en eversión. Además, el mecanismo permitiría al usuario caminar en un plano horizontal o en un plano inclinado de hasta 25° de inversión. Por otro lado, se seleccionan los componentes electrónicos que utiliza el sistema de control para realizar los giros mencionados automáticamente gracias al uso de un microcontrolador. Por último, se presenta la lista de planos de ensamblaje y despiece del mecanismo, junto al costo total de producción de la prótesis diseñada cuyo valor es de aproximadamente S/. 12 500 mil soles. Entre los pasos a seguir para lograr el diseño del mecanismo se encuentran, un breve estudio en torno a la anatomía y biomecánica del tobillo, y una investigación en torno a los mecanismos en prótesis robóticas transtibiales y sistemas electrónicos y de control. La información obtenida se utilizó para proponer un diseño conceptual considerando la norma alemana de diseño mecatrónico VDI 2206. Luego, se llevó a cabo un análisis cinemático para obtener las fuerzas que el mecanismo debe generar durante todo el ciclo de marcha, las cuales fueron consideradas en los cálculos y simulaciones por elementos finitos realizados para una correcta selección y diseño de los componentes mecánicos del mecanismo. Finalmente, se realizó un modelo dinámico del mecanismo y una selección de componentes electrónicos para obtener las funciones de transferencia de un sistema de control para la prótesis que podría ser implementado en trabajos futuros.

Actualmente, diversos laboratorios están implementando módulos de ensayo que permitan evaluar el funcionamiento de prótesis de miembro inferior sin la intervención de un paciente. Esto se debe a que no existe un estándar para evaluar la funcionalidad estas prótesis; el incremento de costo y tiempo en las pruebas y rediseño por el riesgo que suponen, así como otros inconvenientes como la falta de repetibilidad. Por ello, la presente tesis desarrolla el diseño de un módulo de ensayos para prótesis transtibial que permite emular condiciones de marcha en superficies planas, inclinadas y con irregularidades. Primero, se describe un marco teórico sobre el análisis cinemático y cinético de la marcha humana, así como un estado del arte referente a los módulos de ensayo existentes. Además, se presenta el diseño conceptual del módulo propuesto. Luego, se presenta el subsistema mecánico conformado principalmente por la estructura soporte, un eje lineal de husillo de bolas y una caja reductora rueda-tornillo sinfín; así como los cálculos mecánicos necesarios para su diseño, selección de componentes y una validación estructural por simulación digital. A continuación, en el diseño electrónico y de control, se presenta el diagrama de bloques, en el cual se aprecian los componentes tales como sensores y actuadores, fuentes de alimentación y controladores. Luego, se continúa con la selección de componentes y se presenta el subsistema electrónico definitivo. Después, se presenta el subsistema de control a utilizar y la lógica de funcionamiento general mediante un flujograma. Más adelante, se presenta la interfaz usuario-máquina del módulo de ensayos propuesta. Finalmente, se presenta la estructura de los planos y los costos estimados de diseño y fabricación, los cuales ascienden a S/. 51 212,76. Este diseño se diferencia de aquellos existentes en su capacidad de poder operar en distintas superficies. Gracias a este módulo, se permite prescindir de un paciente humano en una etapa inicial de diseño y fabricación, y de esa manera acelerar la etapa de rediseño, evaluar la competitividad y desempeño de prótesis transtibiales en terrenos variados encontrados en la vida diaria.

El desarrollo de prótesis de mano está evolucionando rápidamente en los últimos años. Los factores que están permitiendo este desarrollo son la creciente demanda que se observa en el Perú y el mundo, y el creciente avance en tecnologías de manufactura y dispositivos electrónicos. Con respecto al primer punto, en el mundo 1.5 de cada 1000 personas sufren de alguna amputación y de estos el 16% del total se estima que es de miembro superior; además, la cifra en Perú asciende a 11,353 personas con este tipo de amputación y la oferta de prótesis de mano que ofrece el mercado peruano con ortopedias estéticas, de garfio y mioeléctricas no llegan a cubrir las expectativas de los potenciales usuarios debido a los altos costos y/o escasas funcionalidades. Con respecto al segundo punto, en el estado del arte expuesto en el capítulo uno se identifica a las prótesis mioeléctricas como prótesis con crecientes avances tecnológicos en la actualidad, y por ello, se presenta una comparativa entre las prótesis mioeléctricas comerciales, de fuente abierta y de investigación, de los últimos 5 años, que se exploraron para el desarrollo del presente trabajo. Por otro lado, después del análisis hecho en el estado del arte, se presenta un breve estudio de los sensores y actuadores en el cual se mencionan las tecnologías más destacadas y sus principios de funcionamiento; para luego, en el capítulo dos, ahondar en las ventajas y desventajas de cada una de estas; también se repasan los componentes a usar en el sistema de alimentación (conversores DC/DC y baterías) y otros componentes relevantes del sistema electrónico como el excitador del motor y la unidad de control. En el capítulo tres se muestra el modelo solución. Finalmente, en las conclusiones se recapitulan las tecnologías más convenientes de los sensores, del actuador, de los conversores DC/DC y de la batería para esta aplicación; en recomendaciones se brindan algunas sobre el diseño de Hardware; y, en futuros trabajos, se explica los pasos a seguir para el diseño e implementación del sistema electrónico.

En el cuerpo humano a veces se presentan alteraciones en el esqueleto tanto en el crecimiento como en el desarrollo del mismo en diversos grados, actualmente se practican técnicas que tiene por objetivo la corrección de los crecimientos anormales que se presentan en el esqueleto. El objetivo del presente trabajo es la corrección de los crecimientos anormales que se presentan en el maxilar inferior, la técnica a utilizar es la denominada distracción osteogénica, esta técnica ha demostrado que la tracción gradual de los tejidos vivos crea fuerzas que estimulan el crecimiento y la regeneración de los huesos. Se diseñó y construyó un dispositivo, el cual logrará de manera satisfactoria una tracción gradual sobre mandíbula inferior, ocasionando que esta modifique su geometría. El diseño del dispositivo utilizó una “Metodología del diseño”, ésta es una técnica reconocida, la cual nos garantiza que el dispositivo cumpla con todos los requerimientos y restricciones necesarias para lograr la distracción osteogénica. Los cálculos de las piezas del dispositivo denominado Distractor fueron verificados utilizando el Método de los Elementos finitos (CAE). También se presentan los planos del Distractor, los cuales sirvieron para la fabricación y ensamble del mismo, las piezas se fabricaron en talleres nacionales. / Tesis

En la presente tesis se ha realizado el diseño de un mecanismo de dedo de 2 grados de libertad para una prótesis mioeléctrica transradial, este diseño tiene como característica que es antropomorfo, reduciendo el impacto visual de una prótesis común ya que las características en cuanto a tamaño y forma se asemejan a las dimensiones de una mano promedio. Se concluyó que el diseño sea por medio de cuerdas y poleas, cuyo movimiento de los dedos se encuentran restringidos por los ángulos entre falanges en cada articulación. Este diseño permite la sujeción de un objeto de forma cilíndrica de aproximadamente de 500 gramos, abordando así cálculos de diseño de elementos mecánicos, análisis del movimiento del mecanismo validado mediante simulaciones computacionales, selección de componentes, fabricación del diseño mediante impresión 3D con filamento ABS, evaluación de la funcionalidad, planos de ensamble y despiece para su fabricación. El costo estimado de diseño y fabricación de los dedos pulgar, índice, medio, anular y meñique, incluyendo el mecanismo de dos grados de libertad diseñado, y todo esto integrado en una mano protésica, es de S/. 14,000 aproximadamente. / Tesis

La presente tesis muestra el diseño e implementación de un sistema de control para una prótesis mioeléctrica de miembro superior con control de fuerza y posición cuya operación permita ser realizado por medio de señales electromiografías, con el objetivo de asistir a las personas que presentan discapacidad. El trabajo se enfoca en el desarrollo del sistema de control, el empleo de un algoritmo de control de movimiento, la selección de los dispositivos de control. Seguidamente, se presentan los diseños de las tarjetas electrónicas desarrolladas y su implementación dentro de una prótesis de miembro superior que ha sido desarrollada en el Grupo de Investigación en Robótica Aplicada y Biomecánica (GIRAB) de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Los resultados muestran que el sistema de control implementado en la prótesis proporciona una destreza en movimiento parecida a la mano humana y permite asegurar la sujeción con el objeto a sostener. El costo de desarrollo e implementación de este sistema de control se estima en S/. 38,200 soles. / Tesis

The presented work demonstrates the process of designing a cheap, low cost three axis force sensor. Further it describes its integration in an array of multiple sensors to measure the distribution of forces acting on the sole of a prosthetic foot. The focus will be on easy manufacturing and common materials since the sensor will be integrated in a low cost prosthesis for lower limp amputees. Using the knowledge from bio mechanics and some basic assumptions for the later use, requirements for the project are derived. After a presentation of some state of the art sensor principles, suitable concepts are collected. Than, the concepts are compared using a comparison table to find the one the fits the requirements the best. A very compelling concept using barometers casted in silicone rubber is tested using a simple prototype to try out whether it is a good candidate or not. The tests show that the concept is capable of measuring forces but due to its disadvantageous susceptibility for temperature changes it is rejected for the further development process. The concepts are reevaluated and a new concept is chosen. Afterwards the design process is described. Beginning with the mechanical design explaining the working principle. The calculation of the dimensions is presented. After that a circuit to work with a capacitive measurement as well as a version for resitive measurement is developed and a layout for a prototype board using capacitive measurement is proposed. To prove the functionality, the capacitive system is built up as a prototype. To try the measurement behavior and to measure its repeatability a test stand is designed. It uses commercial available load cells to conduct a reference measurement. The output of the sensor is compared to the reference measurement. With various different test procedures the curves mapping the measured values to the force for normal and shear force measurement are determined. During the tests, different aspects of performance like creep behavior or hysteresis are investigated. Also the repeatability is measured various times under different loads to make reliable estimations of the precision of the measurement. Further on, a resistive force sensor which could be used instead of the capacitive sensing elements is tested regarding its curve and performance to have a comparison of the advantages and disadvantages of either designing the future sensor with resistive or capacitive sensing elements. With both concepts a repeatability of a few percent uncertainty can be achieved. Further on ways to improve future versions of the sensor are described based on the experiences made during the work with the prototype. Finally a possible way to integrate multiple sensors into a sensing array is proposed. The design as well as possible electrics to acquire the data are discussed. This way a solid basis for further developments of a sensing array measuring the force distribution is given. / Die vorgestellte Arbeit zeigt den Prozess der Konstruktion eines preiswerten, kostengünstigen Dreiachs-Kraftsensors. Weiterhin wird eine Integration der Sensoren in ein Array, zur Messung der Verteilung von Kräften auf der Fußsohle besprochen. Der Schwerpunkt soll dabei auf einer einfachen und günstigen Herstellung, sowie der Verwendung handelsüblicher Materialien liegen, da der Sensor in ein kostengünstiges Prothesenkonzept integriert werden soll. Ausgehend von den Erkenntnissen der Biomechanik und einigen grundlegenden Annahmen für die Nutzung des Sensors, werden verschiedene Anforderungen abgeleitet. Im Folgenden wird der Stand der Technik anhand einiger aktueller Forschungsarbeiten und Sensorprinzipien vorgestellt. Daraufhin werden geeignete Konzepte gesammelt, die zur Entwicklung des Sensors eingesetzt werden können. Anschließend werden die Konzepte anhand einer Vergleichstabelle verglichen, um das bestgeeignetste Konzept zu finden. Eine sehr überzeugende Variante, bei der Barometerchips in Silikon eingegossen werden, wird mit einem einfachen Prototyp getestet, um herauszufinden, ob es sich um einen guten Kandidaten für die weitere Entwicklung handelt, oder nicht. Die Versuche zeigen, dass der Prototyp in der Lage ist, Kräfte zu messen, jedoch zeigt sich eine große Anfälligkeit für Temperaturschwankungen. Das Konzept wird deshalb nicht weiter verfolgt. Die Konzepte werden neu bewertet und anschließend ein Neues ausgewählt. Daraufhin wird der Entwurfsprozess beschrieben. Das Funktionsprinzip und die Auslegung der Abmessungen werden erläutert. Anschließend wird eine Schaltung zum Arbeiten mit einer kapazitiven Messung, sowie eine Schaltung für eine resitive Messung entwickelt und ein Layout für eine Platine zur kapazitiven Kraftmessung vorgeschlagen. Zum Nachweis der Funktionalität wird das kapazitive System als Prototyp aufgebaut. Um das Messverhalten zu testen und seine Wiederholbarkeit nachzuweisen, wird ein Prüfstand entworfen. Zur Durchführung einer Referenzmessung werden handelsübliche Wägezellen verwendet. Der Ausgang des Sensors wird mit der Referenzmessung verglichen. Mit verschiedenen Prüfverfahren werden die Kurven bestimmt, die die Messwerte der Normalund Querkraft zuordnen. Während des Tests werden verschiedene Leistungsaspekte wie Kriechverhalten oder Hysterese untersucht. Auch die Wiederholbarkeit wird mehrmals unter verschiedenen Belastungen gemessen, um zuverlässige Schätzungen der Genauigkeit der Messung vorzunehmen. Weiterhin wird ein resistiver Kraftsensor, der anstelle der kapazitiven Sensorelemente verwendet werden könnte, hinsichtlich seiner Kurve und Leistung getestet, um einen Vergleich der Vor- und Nachteile der Konstruktion des zukünftigen Sensors mit resistiven oder kapazitiven Sensorelementen zu erhalten. Mit beiden Konzepten kann eine gute Wiederholgenauigkeit mit nur wenigen Prozent Unsicherheit erreicht werden. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Verbesserung der zukünftigen Version des Sensors auf Grundlage der gesammelten Erfahrungen beschrieben. Schließlich wird ein möglicher Weg zur Integration mehrerer Sensoren in eine Sensoranordnung vorgeschlagen. Das Design, sowie die mögliche Elektrik zur Erfassung der Daten werden diskutiert. Damit wird eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung einer Sensoranordnung zur Messung der Kraftverteilung geschaffen. / Tesis

En el presente documento se presenta el diseño, pretotipado (prueba de concepto) y verificación funcional cinemática en el desarrollo de una prótesis para amputaciones parciales de dedo índice siguiendo la metodología de diseño VDI 2221. El dispositivo creado permite realizar los movimientos de flexión y extensión usando la energía cinética de la falange restante del dedo índice. El diseño de la prótesis es totalmente mecánico, es decir que usa la energía cinética de la falange restante del dedo para ser activado. Para realizar los movimientos de flexión y extensión se usó mecanismos por cable, en este caso se usaron dos tipos de cable: uno rígido y uno elástico. El cable rígido es usado para dirigir la energía cinética desde la falange restante del dedo hacía la prótesis y el cable elástico es usado para almacenar energía potencial cuando la prótesis se encuentra totalmente en flexión; esta energía es liberada cuando la prótesis deja de estar en flexión. El diseño de la prótesis incluye un mecanismo de pívot para permitir el giro de las falanges. Finalmente, se verificó la funcionalidad de la prótesis. Primero, se creó un protocolo de pruebas, para que las pruebas puedan ser repetibles y reproducibles, y un parante para la prótesis, para mantener fija la prótesis. Seguido de ello, se realizaron los videos activando la prótesis y se seleccionó el de mejor resolución. Por último, se procesó el video en el software Kinovea, como resultado se consiguió datos y gráficas de los ángulos de flexión, velocidad angular y aceleración angular de las articulaciones de la prótesis. Los resultados de este análisis cinemático demostraron que la prótesis alcanza ángulos de flexión máxima de 84°, 92.2° y 76.75° en las articulaciones metacarpofalángicas, interfalángicas proximales e interfalángicas distales (MCP, PIP y DIP respectivamente), lo cual está dentro de los rangos permitidos según la literatura. Además, las gráficas de velocidad y aceleración angular son comparables con las encontradas en la literatura, demostrando la repetitividad de los datos encontrados. Teniendo en cuenta ello, se demostró la funcionalidad de la prótesis y que este simula el movimiento natural de los dedos.

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