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 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

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 la presente tesis se propone, el diseño mecatrónico de una prótesis de mano, para pacientes con amputación transradiaL la cual pennitirá al usuario el control de esta nueva extremidad por medio de una mterfuz de electroencefulogra:fia que predecirá las acciones y deseos del usuario y comunicándose con el controlador de la prótesis llevará a cabo dicha tarea. El presente diseño ha sido basado en estudios antropomórficos y biomecánicos de la mano humana. Consideraciones, cálculos, comparaciones y justificaciones son presentados en el presente documento. Así se logró un diseño capaz de someterse hasta 1 O kgf de carga con sólo una masa de aproximadamente 800 gr. Además el tiempo de cerrado de la mano es de 0.33 s, siendo un prototipo rápido con una velocidad comparable a la mano humana . Así mismo, el sistema electrónico de la prótesis fue diseñado para optimizar el ahorro de energía y controlar sólo las variables necesarias para el buen funcionamiento del conjunto. Las variables a controlar son justificadas de acuerdo al diseño mecánico propuesto. Además, el sistema se divide en tres dispositivos independientes: una interfuz cerebro máquina, que adquirirá las señales eléctricas producidas en la superficie del cerebro para la interpretación de la acción a realizar; un dispositivo Smartphone de alto rendimiento, que procesará la señal adquirida, realizando el :filtrado y reconocimiento de patrones; y la prótesis propiamente dicha, la cual recibe los parámetros del anterior procesador y controla las salidas actuadas, por medio de un lazo de control realimentado con sensores de posición y fuerza. Finalmente, se proponen filtros digitales de orden ocho para el preprocesamiento de la señal los cuales otorgarán una atenuación de paso de 0.5 dB y una atenuación de corte de 40 dB, así como un algoritmo de reconocimiento de patrones basado en redes neuronales y aprendizaje autónomo. La presente tesis no desarrolla los parámetros exactos de este sistema de reconocimiento y aprendizaje, pero sí propone una secuencia de algoritmos que permitirá llegar al controlador óptimo de la prótesis. Esta limitante se debe a la necesidad de la obtención de estos parámetros por medio de iteraciones de prueba y error. / Tesis

En el presente estudio se realizó la modelación y simulación dinámica de un novedoso sistema actuado para tobillo para la asistencia del movimiento de flexión plantar durante la caminata. Es así que, en la primera parte, se describe la anatomía funcional y biomecánica del sistema pierna-pie, y además se detalla el comportamiento de los principales elementos del sistema músculo esquelético. Posteriormente, se realiza el estado del arte sobre tecnologías portátiles asistenciales de tobillo, y se presentan los principales métodos de modelación y simulación computacional para la evaluación del desempeño de dichos dispositivos. En base al marco teórico presentado, se desarrollan los requerimientos y la conceptualización del diseño preliminar de un sistema actuado cuasi pasivo que contiene un accionamiento controlable capaz de almacenar y liberar energía elástica y así asistir a la marcha. Luego se realiza la modelación del cuerpo humano empleando el modelamiento “linksegmento”, ampliamente usado para análisis biomecánico del movimiento, y se implementa virtualmente el dispositivo propuesto a fin de analizar el comportamiento de su interacción durante la caminata a través de simulaciones dinámicas. El cálculo de la simulación se realiza de manera computacional empleando el software MATLAB a través de la técnica de dinámica inversa. Finalmente, estos resultados permiten entender el comportamiento dinámico del sistema actuado propuesto, así como los parámetros del accionamiento controlable para un desempeño óptimo en la asistencia de la marcha. Este conocimiento aporta al entendimiento de la interacción biomecánica de dispositivos asistenciales y además sienta las bases para el futuro diseño e implementación del dispositivo. / Tesis

En la presente tesis se propone, el diseño mecatrónico de una prótesis de mano, para pacientes con amputación transradiaL la cual pennitirá al usuario el control de esta nueva extremidad por medio de una mterfuz de electroencefulogra:fia que predecirá las acciones y deseos del usuario y comunicándose con el controlador de la prótesis llevará a cabo dicha tarea. El presente diseño ha sido basado en estudios antropomórficos y biomecánicos de la mano humana. Consideraciones, cálculos, comparaciones y justificaciones son presentados en el presente documento. Así se logró un diseño capaz de someterse hasta 1 O kgf de carga con sólo una masa de aproximadamente 800 gr. Además el tiempo de cerrado de la mano es de 0.33 s, siendo un prototipo rápido con una velocidad comparable a la mano humana . Así mismo, el sistema electrónico de la prótesis fue diseñado para optimizar el ahorro de energía y controlar sólo las variables necesarias para el buen funcionamiento del conjunto. Las variables a controlar son justificadas de acuerdo al diseño mecánico propuesto. Además, el sistema se divide en tres dispositivos independientes: una interfuz cerebro máquina, que adquirirá las señales eléctricas producidas en la superficie del cerebro para la interpretación de la acción a realizar; un dispositivo Smartphone de alto rendimiento, que procesará la señal adquirida, realizando el :filtrado y reconocimiento de patrones; y la prótesis propiamente dicha, la cual recibe los parámetros del anterior procesador y controla las salidas actuadas, por medio de un lazo de control realimentado con sensores de posición y fuerza. Finalmente, se proponen filtros digitales de orden ocho para el preprocesamiento de la señal los cuales otorgarán una atenuación de paso de 0.5 dB y una atenuación de corte de 40 dB, así como un algoritmo de reconocimiento de patrones basado en redes neuronales y aprendizaje autónomo. La presente tesis no desarrolla los parámetros exactos de este sistema de reconocimiento y aprendizaje, pero sí propone una secuencia de algoritmos que permitirá llegar al controlador óptimo de la prótesis. Esta limitante se debe a la necesidad de la obtención de estos parámetros por medio de iteraciones de prueba y error.

En el presente estudio se realizó la modelación y simulación dinámica de un novedoso sistema actuado para tobillo para la asistencia del movimiento de flexión plantar durante la caminata. Es así que, en la primera parte, se describe la anatomía funcional y biomecánica del sistema pierna-pie, y además se detalla el comportamiento de los principales elementos del sistema músculo esquelético. Posteriormente, se realiza el estado del arte sobre tecnologías portátiles asistenciales de tobillo, y se presentan los principales métodos de modelación y simulación computacional para la evaluación del desempeño de dichos dispositivos. En base al marco teórico presentado, se desarrollan los requerimientos y la conceptualización del diseño preliminar de un sistema actuado cuasi pasivo que contiene un accionamiento controlable capaz de almacenar y liberar energía elástica y así asistir a la marcha. Luego se realiza la modelación del cuerpo humano empleando el modelamiento “linksegmento”, ampliamente usado para análisis biomecánico del movimiento, y se implementa virtualmente el dispositivo propuesto a fin de analizar el comportamiento de su interacción durante la caminata a través de simulaciones dinámicas. El cálculo de la simulación se realiza de manera computacional empleando el software MATLAB a través de la técnica de dinámica inversa. Finalmente, estos resultados permiten entender el comportamiento dinámico del sistema actuado propuesto, así como los parámetros del accionamiento controlable para un desempeño óptimo en la asistencia de la marcha. Este conocimiento aporta al entendimiento de la interacción biomecánica de dispositivos asistenciales y además sienta las bases para el futuro diseño e implementación del dispositivo.

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.

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

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.