Prótesis de rodilla: Fundamentos teóricos y técnicas computacionales para su diseñoKnee Prosthesis: theoretical foundations and computational techniques applied to its design

Resumen

Las prótesis de rodilla tienen la función de proporcionar estabilidad en la fase de apoyo y control de movimiento en la fase de balanceo del ciclo de marcha. Estas funciones pueden ser realizadas por medio de dispositivos mecánicos o inteligentes. Este articulo plantea una metodología para el diseño preliminar de prótesis pasivas (conformada por dispositivos mecánicos) fundamentándose en la recolección de datos y en la aplicación de técnicas computacionales de ingeniería de manera sencilla y novedosa. La síntesis dimensional es aplicada por medio de la generación de la trayectoria del centro instantáneo de rotación del mecanismo de cuatro barras, cuya configuración geométrica es obtenida por medio de un proceso de optimización. El análisis estructural de la prótesis es desarrollado según las exigencias impartidas por la norma ISO 10328 para cargas estáticas y de fatiga; obteniéndose piezas lo suficientemente resistentes, rígidas y estables para las máximas condiciones de carga, con una confiabilidad adecuada a las especificaciones de desempeño propuestas, y con una vida útil de dos años. El modelado geométrico del dispositivo es realizado según las exigencias cinemáticas, cinéticas y estructurales; además, en su construcción es considerada la disposición de los respectivos accesorios universales para su alineación y ensamblaje con los demás componentes modulares de la pierna protésica. Finalmente, el mecanismo de asistencia a la extensión es diseñado mediante un resorte de compresión capaz de soportar las condiciones de servicio estático y de fatiga; lográndose un moderado gasto energético al accionarse por medio de la potencia muscular.

Knee prostheses have the function of providing stability in the support phase and movement control in the swing phase of the gait cycle. These functions can be carried out by means of mechanical or intelligent devices. This article discusses a methodology for the preliminary design of passive prostheses (made up of mechanical devices) bases on data collection and the application of computational engineering techniques in a simple and novel way. Dimensional synthesis is applied by generating the path of the instantaneous center of rotation of the four-bar mechanism, the geometric configuration of which is obtained through an optimization process. The structural analysis of the prosthesis is developed according to the requirements given by the ISO 10328 standard for static and fatigue loads; obtaining part that are resistant, rigid and stable enough for maximum load conditions, with adequate reliability to the proposed performance specifications, and with a useful life of two years. The geometric modeling of the device is carried out according to the kinematic, kinetic and structural requirements; in addition, in its construction the arrangement of the respective universal accessories is considered for the alignment and assembly with the other modular components of the prosthetic leg. Finally, the extension assistance mechanism is designed by means of a compression spring capable of withstanding fatigue and static service conditions; achieving a moderate energy expenditure when powered by muscle power.