Diseño mecánico y estructural de prótesis de mano parcial para agarre en barra de ejercicios

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Diseño Mecánico y Estructural de Prótesis de Mano Parcial para Agarre en Barra de Ejercicios Autor: Álvaro López Tornos Tutor: Marcos Borrego Puche Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Diseño Mecánico y Estructural de Prótesis de Mano Parcial para Agarre en Barra de Ejercicios Autor: Álvaro López Tornos Tutor: Marcos Borrego Puche Profesor Ayudante Doctor Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 Trabajo Fin de Grado: Diseño Mecánico y Estructural de Prótesis de Mano Parcial para Agarre en Barra de Ejercicios Autor: Álvaro López Tornos Tutor: Marcos Borrego Puche El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Dar las gracias a mi familia por la formación tanto académica como personal que a lo largo de estos años me han ofrecido, por el incansable apoyo que siempre han brindado en los diversos aspectos de mi vida. A mis amigos y compañeros de clase con los que he podido compartir, además de vivencias académicas, experiencias inolvidables a lo largo de estos años universitarios. Mención especial para mi compañero y amigo Arturo Moreno Arteaga, quien me propuso llevar a cabo este apasionante proyecto, gracias por llevar la amistad al ámbito profesional. Agradecer también a mi tutor, Marcos Borrego Puche, por haber accedido a acompañarme en este interesante y a la vez arriesgado proyecto cuyo significado para mí es mucho mayor al de un mero Trabajo de Fin de Grado, así como a Juan Pedro Domínguez Morales, tutor de mi compañero Arturo. Ambos tutores han demostrado una gran implicación en el desarrollo de la idea y una disponibilidad a agradecer. Terminar agradeciendo a todos aquellos docentes y personas que a lo largo de estos 4 años han aportado el conocimiento necesario y me han hecho crecer como persona para intentar poder llegar a ser lo que hoy en día soy. Álvaro López Tornos Sevilla, 2021 I Resumen Este proyecto surge de la idea que Arturo Moreno Arteaga, estudiante del Grado en Ingeniería de la Salud, propone al observar la dificultad que el autor de esta memoria (Álvaro López Tornos) encuentra para desarrollar ejercicios con barras en el gimnasio debido a sufrir Síndrome de Poland desde su nacimiento. Tras ser compañeros de equipo de baloncesto durante varios años y amigos de clase desde pequeños, Arturo conoce bien las limitaciones que Álvaro tiene, por lo que propone, aprovechando la rama de la Ingeniería en la que se especializa, llevar a cabo el diseño de una prótesis que sirva para aquellas actividades que considera más complejas. Es entonces cuando Álvaro expone la idea de poner en práctica ambos un Trabajo de Fin de Grado conjunto, con temáticas distintas pero con un nexo común, el diseño de una prótesis de mano parcial para agarre de barras cilíndricas en gimnasio. De esta forma, y observando la infinidad de ideas que a día de hoy se implementan en prótesis, los alumnos deciden dividir sus trabajos en un desarrollo de diseño mecánico (Álvaro), y un aporte de electrónica que dote de funcionalidad a la prótesis (Arturo), ambas temáticas acordes a lo estudiado en los respectivos grados de ambos alumnos. Así, ambos alumnos se han podido lucrar del conocimiento de su respectivo compañero. Actualmente el ámbito de las prótesis sigue un crecimiento exponencial, el desarrollo de nuevas tecnologías, así como la variedad de amputaciones y malformaciones hace que la diversidad protésica en el mercado sea inmensa. Sin embargo, es ínfimo el número de estas que se centra en el levantamiento de pesos y por tanto soporte de esfuerzos, además al tratarse de una malformación de mano parcial y no una amputación médica, existe poca disponibilidad al respecto, lo cual aumenta el reto del diseño ya que supone algo novedoso y a empezar desde cero. Se comienza por la idea de desarrollar una prótesis a modo de gancho, robusta para soportar las fuerzas solicitadas y con poca movilidad al no ser esta la necesidad para la cual se diseña. Se observa que una de las limitaciones principales será la sujeción al brazo para que el paciente haga el esfuerzo necesario sin necesidad de sufrir daño añadido. De esta forma, se plantea un socket que no solo abarque la palma de la mano sino parte del brazo del paciente. Para una mayor exactitud en el diseño se realiza un escaneo del brazo del paciente, de forma que se genera un modelo tridimensional que permite modelar una prótesis completamente acorde a la morfología de la malformación. A partir de este escaneo se generan una serie de componentes que III XÍndice de Figuras 4.9 Posición del mecanismo en el instante de apertura total 24 4.10 Posición del mecanismo en el instante del cierre completo 24 5.1 Entorno del software de diseño Solidworks 25 5.2 Disposición de la extremidad en agarre prono cerrado 26 5.3 Evolución del Diseño Tridimensional 26 5.4 Vistas del Modelo Tridimensional Final 27 5.5 Socket 28 5.6 Sistema de Suspensión Socket-Terminal 28 5.7 Imagen general del terminal superior 29 5.8 Vistas del terminal superior 30 5.9 Apertura de la tapa superior para protección de componentes electrónicos 30 5.10 Cableado de la electrónica en el terminal 31 5.11 Zoom en zonas de interés del terminal 31 5.12 Terminal de Agarre 32 5.13 Similitud morfológica entre terminal de agarre y gancho convencional de grúa 33 5.14 Barra de transmisión del movimiento 33 5.15 Movimiento de la barra de transmisión en apertura y cierre 34 5.16 Modelado tridimensional del módulo de electrónica extraíble 34 5.17 Modelo Tridimensional Motor 35 5.18 Modelo Tridimensional Electroimán 35 5.19 Modificación de la pieza de agarre para la implementación del cierre de seguridad 36 5.20 Cierre de Seguridad II 36 5.21 Modelo Tridimensional con la estética final aplicada al prototipo 37 6.1 Impresora 3D, boquilla de impresión 3D, hilos de ABS para impresión 3D 40 6.2 Mallado de la pieza de agarre 41 6.3 Desplazamientos en la pieza de agarre modelada con aluminio AA6061-O 41 6.4 Tensiones y deformaciones en la pieza de agarre para aluminio AA6061-O 42 6.5 Desplazamientos en la pieza de agarre modelada con plástico ABS 43 6.6 Tensiones y deformaciones en la pieza de agarre para ABS 43 6.7 Mallado de la barra de transmisión 44 6.8 Desplazamientos en la barra de transmisión modelada con aluminio AA6061- O 44 6.9 Tensiones y deformaciones en la barra de transmisión para aluminio AA6061- O 45 6.10 Desplazamientos en la barra de transmisión modelada con acero AISI 304 45 6.11 Tensiones y deformaciones en la barra de transmisión para acero AISI 304 46 6.12 Dos ejercicios a analizar en el terminal superior (antebrazo) 46 6.13 Mallado de la pieza del terminal superior (1) 47 6.14 Mallado de la pieza del terminal superior (2) 47 6.15 Desplazamientos en la pieza terminal modelada con aluminio AA6061-O 48 6.16 Tensiones y deformaciones en la pieza terminal superior para aluminio AA6061-O 48 6.17 Desplazamientos en la pieza terminal modelada con aluminio AA6061-O 49 6.18 Tensiones y deformaciones en la pieza terminal superior para aluminio AA6061-O 49 7.1 Motor N20 54 7.2 Placa de desarrollo NodeMCU V2 54 Índice de Figuras XI 7.3 Circuito integrado L293D Puente H 55 7.4 Funcionamiento del electroimán lineal con muelle 55 7.5 Modulo relé de 3V56 7.6 Pulsador y placa PCB 56 7.7 Batería LiFePo4 57 7.8 Arquitectura de la electrónica de la prótesis 57 7.9 Diagrama de flujo del sistema electrónico de la prótesis 58 Notación φdiámetro rpm revoluciones por minuto L longitud V voltaje θángulo de rotación e dist. perp. entre nodo de entrada y salida a1barra fija a2barra de entrada a3barra acopladora a4barra de salida ∞infinito σlím límite elástico δdensidad XIII 1 Inicio del Proyecto Por norma general el ámbito ingenieril trata de, haciendo uso de las tecnologías disponibles, resolver un problema o facilitar al ser humano la capacidad para su resolución. El proyecto que en la presente memoria se desarrolla es un claro ejemplo de como la concurrencia entre las diversas ramas de la ingeniería puede dar lugar a un resultado, que a pesar de encontrarse lejos del óptimo por la cantidad de variables que aún han de ser tenidas en cuenta, aproxima una solución para un problema del día a día. 1.1 Motivación Inicial La idea de llevar a cabo este proyecto ha de ser atribuida a Arturo Moreno Arteaga, estudiante del Grado en Ingeniería de la Salud, quien tras años de amistad apreció la dificultad que Álvaro López Tornos (autor de la presente memoria) poseía para el agarre de barras cilíndricas en el gimnasio. Esta dificultad era debida a sufrir desde su nacimiento el Síndrome de Poland. Por lo general, este síndrome se basa en una alteración congénita consistente en la ausencia total o parcial del músculo pectoral mayor y anomalías de la mano homolateral. A pesar de desconocerse la causa exacta, existe una cierta correspondencia con la alteración vascular del mesodermo que afecta a la arteria clavicular [ 11 ]. Debido a la usual práctica deportiva llevada a cabo por el paciente, la falta de pectoral no le impide llevar a cabo ningún tipo de ejercicio, sin embargo la falta de falanges en la extremidad superior izquierda si que supone una limitación. Al ser una enfermedad de carácter congénito desde pequeño el paciente aprende a realizar todo tipo de actividades sin necesidad de ayuda externa, sin embargo, algunas actividades como son el agarre de piezas de cierto tamaño se le hacen inviables sin ayuda de otra parte de su cuerpo. Esta es la limitación que pretende ser resuelta a lo largo de este proyecto, concretamente el agarre de barras cilíndricas de gimnasio. Figura 1.1 Deficiencia anatómica de un paciente con síndrome de Poland. 1 2Capítulo 1. Inicio del Proyecto Una vez que Arturo comparte con Álvaro la idea del proyecto, con el fin de poder acceder a realizar pruebas y mediciones con él, es Álvaro quién propone cooperar para el desarrollo de un proyecto conjunto, al encontrarse este cursando el Grado de Ingeniería Aeroespacial. De esta forma, pueden aportar ambos estudiantes conocimientos complementarios acordes a las ramas ingenieriles cursadas en sus respectivos grados y de gran utilidad para este proyecto. 1.2 Objetivos Al tratarse de un proyecto particularizado en un paciente concreto es importante imponer una serie de bases iniciales a tener en cuenta a lo largo del desarrollo del equipo como conjunto. Este proyecto ambicioso puede abarcar tantas ramas de la ingeniería como se desee, y será imposible alcanzar un óptimo debido a la presencia de infinidad de factores que siempre implicarán una posible mejora de los prototipos. Sin embargo, es interesante centrar las bases iniciales a partir de las cuales poder desarrollar mejoras, sabiendo que la intención de este proyecto es desarrollar una prótesis para mano parcial, que permita el agarre y levantamiento de barras ( φ=28mm ) con peso de gimnasio, se tiene: • Análisis de la actualidad relativa a prótesis, así como materiales y últimas tecnologías aplicables. Concretamente, estudiar aquellas prótesis de miembro superior que actualmente tienen como finalidad el soporte de esfuerzos. • Analizar la morfología y movilidad del miembro para buscar un ensamblaje óptimo para el paciente. • Plantear una posible solución al problema con un prototipado bidimensional y analizar sus puntos débiles. • Mediante un método iterativo remodelar el diseño bidimensional hasta obtener un modelo que aparentemente cumpla los requisitos a imponer. • Implementación de un sistema electrónico que permita mediante un mecanismo que ha de ser también diseñado, controlar la prótesis de forma sencilla para el usuario. • Desarrollo de un diseño tridimensional en el que se implemente el mecanismo móvil y la electrónica de control. • Optimización del diseño en busca de un aumento de la ergonomía, llegando a un punto de compromiso entre robustez, comodidad y ligereza. • Realización de un análisis de método de elementos finitos que permita al diseñador conocer los esfuerzos a los que se somete la prótesis para la elección de materiales convenientes en la fabricación. Como restricción de cara a este prototipado inicial se impone que la prótesis ha de ser capaz de soportar un peso máximo de 10 kg a tracción, esto es, en la dirección del antebrazo del usuario, debiendo adecuarse en cierta medida a la morfología del paciente. 1.3 Introducción a las prótesis Se define como prótesis al dispositivo diseñado para reemplazar una parte faltante del cuerpo o para hacer que una parte del cuerpo trabaje mejor. Por lo general, brazos, manos, piernas o articulaciones 1.3 Introducción a las prótesis 3 faltantes o enfermas suelen ser reemplazados por dispositivos protésicos [6]. Figura 1.2 Prótesis para sustitución de diversos miembros faltantes. 1.3.1 Historia de las prótesis Se tiene constancia de que los egipcios fueron los pioneros en el desarrollo de prótesis, elaborando rudas extremidades con fibras. La aparición de la primera prótesis funcional se realiza al hallar una momia cuyo hallux es simulado. Posteriormente fue hallada una pierna protésica para amputación inferior a la rodilla, fabricada en hierro y bronce cuyo interior es de madera y que data aproximadamente del año 300 a.C. Durante la Edad Media se desarrollan ideas como la pata de palo o el gancho de mano. Por otro lado, es a lo largo del Renacimiento, y gracias al avance en los estudios médicos, cuando se produce un consecuente aumento del desarrollo de prótesis, alcanzándose en 1500 la aplicación de mecanismos para dotar de movilidad a las extremidades faltantes. A lo largo del siglo XIX son numerosas las mejoras en estos mecanismos que ayudan a la movilidad del paciente, además de ajustarse de forma más cómoda a los correspondientes muñones. El desarrollo más notable se adquiere con la introducción de EEUU en los estudios protésicos, pues tras la guerra civil estadounidense y la Primera Guerra Mundial, muchos son los amputados que necesitan de prótesis para proseguir con su vida cotidiana. La inclusión de elementos electrónicos como son los microprocesadores o chips informáticos dotan a las prótesis actuales de una versatilidad que permite al paciente emular los movimientos de un miembro natural sin diferencia alguna [12]. Figura 1.3 Evolución de las prótesis a lo largo de la historia. Tras una pequeña descripción de la finalidad de las prótesis y un breve recorrido por su evolución 4Capítulo 1. Inicio del Proyecto a lo largo de la historia, interesa analizar cuál es la situación actual en prótesis principalmente de miembro superior [5]. 1.3.2 Tipos de prótesis de miembro superior Por lo general, ante una amputación o malformación congénita en las extremidades superiores existen seis opciones protésicas que han de ser evaluadas por el propio paciente en función de su finalidad, comodidad y objetivos. •Sin prótesis: Se trata de una elección a respetar pues es el propio paciente quien decide cuál es la mejor opción para él, sin embargo, es conveniente consultar a un experto con conocimientos anatómicos que analice los riesgos que conllevaría el desarrollo de una vida cotidiana sin el uso de una prótesis. Esto se debe a que, en ocasiones, con el fin de compensar o suplir el esfuerzo a realizar por el miembro faltante, se produce un uso excesivo del lado contralateral que desemboca en problemas de la simetría del cuerpo, la alineación y la postura corporal. •Prótesis Pasiva: Son aquellas que son diseñadas como prótesis meramente cosméticas, cuya intención no es más que el parecerse al lado contrario en cuanto a morfología se refiere. Suelen ser prótesis ligeras y sin movilidad. En ocasiones si que sirven al paciente para proporcionar apoyo. Las prótesis pasivas se caracterizan en función del material por el que se componen, existiendo tres tipos: PVC, silicona o alta definición. Las últimas suelen ser personalizadas, realizadas a medida según el paciente para conseguir una mayor similitud con el lado opuesto. Puede darse el caso en el cual la prótesis no solo implique la mano o falanges, por lo que se hace necesario el suplir las articulaciones, simuladas con mecanismos multiposicionales en los que es posible imponer el grado de deflexión de la articulación. Figura 1.4 Ejemplo de prótesis pasiva/estética. •Prótesis accionadas por el cuerpo: Son aquellas cuya cinemática es accionada por el propio movimiento del paciente, haciendo uso muchas de ellas de un arnés localizado en la espalda. Este arnés permite, por medio de una serie de cables tensores, transmitir el movimiento del 1.3 Introducción a las prótesis 5 tronco y extremidad contralateral a la prótesis para su correcto movimiento. Figura 1.5 Ejemplo de prótesis mecánica accionada por el cuerpo por medio de arnés anterior. •Prótesis accionada por energía externa (mioeléctrica): Son las conocidas como prótesis de última generación, siendo tales que, al contrario que las accionadas por el propio cuerpo del paciente, emplean una fuente externa para la generación de movimiento. Para ello disponen de componentes electromecánicos como motores o baterías que proporcionan la energía para el movimiento. Son prótesis de características muy variables en función de la finalidad para la cual se diseñan o el nivel de amputación del paciente, requiriéndose por tanto una mayor o menor cantidad de componentes electrónicos consecuentemente. Son muy comunes aquellas que hacen uso de sensores-electrodos (localizados por lo general en los músculos de la extremidad residual) que detectan las señales enviadas por el propio paciente y los interpretan para la realización del correspondiente movimiento. Figura 1.6 Ejemplo de prótesis mioeléctrica implantada en un antebrazo. •Prótesis híbrida: Pretenden combinar componentes que hacen uso de la energía corporal con componentes eléctricos. Son prótesis de uso común entre pacientes con amputaciones de extremidad y que requieren de un componente que les aporte funcionalidad. •Prótesis específicas para una actividad: Son prótesis diseñadas específicamente para el desarrollo de una actividad concreta. Actividad que por lo general no puede ser realizada 12 Capítulo 2. Escaneo y Optimización del Modelo Tridimensional de la Extremidad se observa, se acumula en el punto de cierre de las superposiciones (lado izquierdo de la extremidad). Para el caso bajo estudio, las implicaciones que este error genera en el modelo final son mínimas, debido a que el estudio se centra en el diseño de la prótesis, siendo únicamente necesario un modelo aproximado de la extremidad del paciente para el correcto desarrollo de las medidas de los diversos terminales. Al haberse obtenido un resultado con un mallado muy robusto, el diseñador procede a simplificar el modelo, disminuyendo las rugosidades, resolviendo interferencias y rellenando los vaciados. Se llega a simplificar, como se aprecia en la imagen de la derecha, hasta el punto de modelar un exoesqueleto de la extremidad del paciente. Figura 2.6 Proceso de refinado del escaneo. Con dichos resultados obtenidos, el diseñador se encuentra en disposición de generar una entidad tridimensional de gran similitud al antebrazo y mano del paciente, que pueda implementar en el software de diseño para proceder al desarrollo de la prótesis completa. Figura 2.7 Modelo final del escaneo. Este resultado intenta modelar el brazo del paciente una vez se le recubre con los elastómeros de silicona que permitirán una correcta unión con el socket de la prótesis. 3 Planteamiento Inicial Como ya se pudo observar en la sección 1, en la actualidad el número de prótesis que son diseñadas con la finalidad de soportar esfuerzos es reducido. Si bien ya existen algunas que consiguen un buen resultado durante la realización de actividad física, no son ninguna de ellas aplicables al caso que aquí se aborda debido a, como también se ha comentado, tratarse este caso de una malformación congénita que se sale de los muñones para los cuales la mayoría de estas prótesis genéricas son diseñadas. Es por ello que nos encontramos en una situación en la cual el diseño ha de tomar forma prácticamente desde cero. Figura 3.1 Prótesis para el levantamiento de pesos del ámbito comercial actuales. 3.1 Primer Modelado Tras obtener los suficientes conocimientos en cuanto a la actualidad de prótesis, los diseñadores se aventuran a plasmar en una serie de bocetos la idea a desarrollar. En primera instancia, al tratarse de bocetos se realizan unos modelos 2D que servirán posteriormente como base del modelo definitivo tridimensional. 13 14 Capítulo 3. Planteamiento Inicial Figura 3.2 Bocetos del miembro del paciente. Las bases bajo las cuales se genera este primer diseño son: • Sencilla colocación y correcta sujeción con el miembro del paciente, mediante un terminal con una parte fija (unión al usuario) y otra móvil que permita el agarre y respectiva apertura. •Correcto agarre de una barra de φ=28mm (aplicable cierta tolerancia). • Aproximar el ejercicio al soporte de unos 10kg de peso (un aumento de los esfuerzos requiere de un mejor sistema de sujeción en el paciente). • Imponer un sistema de botonaje que permita el control de la apertura y cierre por medio del movimiento del pulgar del paciente. Figura 3.3 Bocetos de la primera aproximación de prótesis. Este prototipo inicial se basa en un socket (morado) que ejerce la labor de sujeción prótesismiembro. Se aprecia como, al ser un componente de cierta rigidez, para poder implementar el sistema de pulsadores era necesario liberar el pulgar para así permitir su movilidad. A continuación, un terminal compuesto por un par de piezas cuyas finalidades son, una adecuada morfología para el acople en la mano del paciente, un correcto movimiento relativo que les permita agarrar o liberar la barra a gusto del usuario y por último, robustez suficiente para el soporte de esfuerzos durante la realización de ejercicios. 3.2 Corrección del modelo 15 Como se puede observar en las prótesis comerciales ya existentes mostradas al inicio de la sección, al ser la finalidad meramente de resistencia a esfuerzos, no se tienen en cuenta las posible falanges de cara a modelar una mano estética que se asemeje a un miembro normal, primando una morfología única, robusta y acorde al fin para el que se diseña. Por ello, más allá de imitar la parte superior de las falanges en el cierre, los esfuerzos de los diseñadores se centran en una buena sujeción de la barra. 3.2 Corrección del modelo Analizando este primer prototipo es sencillo observar que, por muy robusto que fuera el sistema de suspensión socket-terminal, la posibilidad de rotura o daño en el paciente en ejercicios en los que el esfuerzo sea de tracción en la dirección del brazo es inmensa. Por otro lado, a pesar de haberse tenido en cuenta la instalación de componente electrónica por medio de los pulsadores, no se había reservado ningún espacio para el alojamiento de la placa de control. Estas consideraciones son las que llevan a los diseñadores a llevar a cabo un segundo prototipo en el que basarse para el diseño tridimensional final. Figura 3.4 Boceto bidimensional base para el posterior desarrollo. Se decide (aunque no queda representado en la figura) que por analogía a otras prótesis estudiadas lo correcto es el uso de una funda de elastómero de silicona para el muñón de forma que se amorti- 16 Capítulo 3. Planteamiento Inicial güen los esfuerzos de cizalladura en el miembro. A su vez, para conseguir un reparto de los esfuerzos de mayor homogeneidad se alarga el terminal por todo el antebrazo (para esfuerzos mayores se aumentaría hacia la espalda la sujeción por medio de un sistema de tirantes), consiguiéndose además un aumento del espacio en el que poder alojar los componentes electrónicos requeridos por el sistema. El uso de esta funda de elastómero de silicona favorece la sujeción entre el miembro con respecto al socket (evitando el movimiento relativo entre ambos), llevada a cabo por medio de unos velcros cuyo apriete es a gusto del usuario. El sistema de suspensión entre socket y terminal aún no queda cerrado en este estudio pues depende de la morfología final del terminal, siendo evaluadas dos opciones, el uso de pines (similar a las prótesis transtibiales), o el uso de raíles (dirección contraria al movimiento). Nace durante el desarrollo de este nuevo prototipo una nueva idea con el fin de aumentar la seguridad de la prótesis y por tanto la confianza del usuario en el producto, se trata de un sistema de cierre de seguridad que impida la apertura indeseada de la prótesis durante la realización del ejercicio. El mecanismo que implementará este cierre de seguridad aún no queda definido pero se prevé que no habrá problema en caso de intervenir componente electrónica debido a que, al situarse en un lugar cercano a los pulsadores, será posible establecer un cableado común que conecte ambos componentes con el resto de la electrónica del sistema. 4 Funcionamiento Mecanismo Apertura-Cierre Para la consecución del movimiento de apertura-cierre de la pieza de agarre se hace preciso implementar un mecanismo móvil que por medio de una serie de movimientos lineales y rotacionales sea capaz de obtener el movimiento objetivo a partir de otro independiente. 4.1 Estudios Iniciales Analizando prótesis robustas que implementen algún tipo de mecanismo para la obtención del cierre de las falanges se encuentran resultados como la prótesis fabricada por Ian Davis [ 4 ], quien tras perder 4 falanges de su mano izquierda decidió diseñar y fabricar una prótesis únicamente mecánica en la que no fuera necesario el uso de electrónica para la implementación de movimientos. Figura 4.1 Prótesis mecánica desarrollada por Ian Davis. Estudiando los movimientos que el paciente puede realizar se observa como, a pesar de tener movilidad completa en la muñeca, de forma que este movimiento podía ser empleado para el consecuente cierre de la prótesis, no interesa debido a que durante la realización del ejercicio el óptimo es la postura fija de la articulación, por lo que no es conveniente que el movimiento de la prótesis a desarrollar sea en función del giro de la muñeca. Por otro lado se estudia también la viabilidad de implementar un sistema móvil asociado al movimiento del pulgar, sin embargo, se 17 18 Capítulo 4. Funcionamiento Mecanismo Apertura-Cierre aprecia que los movimientos que el usuario puede realizar con esta falange son limitados, suponiendo un inconveniente para el desarrollo de esta idea. Además se evalúa la posibilidad de que, en caso de implementar una solución como la última mencionada, al realizar el ejercicio el usuario puede realizar de forma involuntaria movimientos que impliquen una apertura indeseada en plena realización del ejercicio. Estas implicaciones llevan a los diseñadores a descartar las posiblidades de implementar un mecanismo cuyo movimiento sea acorde al del miembro del paciente. Se decide así que la opción óptima es el hacer uso de una fuente de energía externa, en concreto un motor de corriente continua o paso a paso. Se evalúan diversas opciones entre las que destacan: • Implantación de uno o dos motores cuyo eje de rotación fuera concéntrico con el eje de rotación de la pieza de agarre. Esta opción queda descartada debido al amplio volumen que acarrearía y a la gran cantidad de esfuerzos a los que se vería sometido el eje del motor durante la realización del ejercicio, al encontrarse este íntimamente ligado a la pieza que soporta los esfuerzos. • Utilización de un motor con dos ejes de rotación a cada uno de sus lados que, por medio de tensores unidos al terminal de agarre transmitiera la fuerza necesaria para la apertura. Esta opción queda descartada debido a que, por un lado el motor solo actúa en el movimiento de apertura, siendo necesaria la implantación de un muelle cuya posición de reposo sea implicando el cierre del terminal, y por otro lado, el motor ha de tener fuerza suficiente como para vencer no solo el peso de la pieza de agarre, sino también la fuerza ejercida por el muelle para el cierre. 4.2 Desarrollo del mecanismo a implementar Descartando las dos soluciones anteriores, y prosiguiendo con el estudio se encuentra un motor de corriente continua en el que se implementa un sistema de engranajes (caja de reducción) y un vástago o tornillo que rota en función de la orden del motor. La versatilidad de este motor es inmensa ya que es posible seleccionar las revoluciones por minuto de trabajo así como la tensión a recibir. Evaluando como poder transmitir este movimiento a un movimiento rotacional del terminal sin que el motor sufra esfuerzos consecuentes, se llega a un mecanismo que recuerda al de una biela-manivela-corredera donde el movimiento lineal de la corredera es generado por un tornillo sin fin cuya rotación se transmite a una tuerca. Figura 4.2 Bases del mecanismo a desarrollar en la prótesis. 4.2 Desarrollo del mecanismo a implementar 19 4.2.1 Primer boceto de aplicación del mecanismo Para comprobar el correcto funcionamiento del mecanismo y la posibilidad de implantación en la prótesis, se hace un diseño preliminar que permite a los diseñadores observar como se desarrollaría el movimiento y cuales serían las variables a modificar para una mejora en las prestaciones. Como se puede observar, este diseño preliminar consta únicamente de aquellos componentes que interfieren en el movimiento, siendo necesarias una serie de modificaciones posteriores que lo permitan implementar en el terminal del prototipo final. Figura 4.3 Primer desarrollo del mecanismo finalmente implementado. 4.2.2 Fundamento Mecánico Una vez se corrobora la funcionalidad del mecanismo ideado comienza a desarrollarse el fundamento por el cual es posible transmitir el movimiento de rotación del tornillo del motor a una rotación de un eje perpendicular al anterior. Analizando la evolución concreta del movimiento de cada uno de los componentes que conforman el mecanismo se tiene: • El usuario pulsa uno de los botones en función de la orden (apertura o cierre) que se quiera llevar a cabo. Cada uno de estos pulsadores transmite una señal cuya implicación es el giro en uno u otro sentido, respectivamente, del tornillo del motor. • Al producirse la rotación en el tornillo del motor la tuerca enrosca o desenrosca consecuentemente, de forma que el movimiento de rotación se traduce en un movimiento lineal a lo largo del eje del motor. • La tuerca transmite el movimiento lineal a la barra de transmisión por medio de un par de vástagos que transforman el movimiento lineal en rotación relativa entre ambas piezas. Destacar que estos vástagos son los que impiden a la tuerca rotar con el tornillo, implicando ese desplazamiento a modo de tornillo sin fin. Ha de tenerse en cuenta por tanto el par generado sobre estos vástagos al intentar la tuerca rotar con el eje del motor, par que se verá en gran medida disminuido con una buena lubricación de la rosca de la tuerca. • La barra de transmisión al encontrarse inmersa en un mecanismo de biela-manivela y no poder moverse de forma lineal como lo hace la tuerca, comienza a abatirse girando entorno a dos ejes de giro. Por un lado se produce la rotación con respecto a los vástagos de unión que permiten la rotación relativa con respecto a la tuerca, y por otro, con el vástago que transmite la rotación a la pieza de agarre. 20 Capítulo 4. Funcionamiento Mecanismo Apertura-Cierre • La pieza de agarre del terminal recibe el desplazamiento del vástago superior generado por la barra de transmisión y rota respecto al vástago inferior (fijo), por lo que se genera un movimiento circular que estando correctamente localizado permite un perfecto acople entre la pieza de agarre y la barra cilíndrica. La selección de este sistema se basa principalmente en la robustez frente a las otras opciones valoradas. En principio puede generar duda de cara al correcto funcionamiento durante la realización del ejercicio ya que, al igual que al producirse el giro del tornillo se produce el desplazamiento de la tuerca, algo similar podría ocurrir al aplicar fuerza sobre la tuerca, la cual tendería a avanzar pudiendo generar una rotación inversa del tornillo que implicase la apertura de la prótesis. Sin embargo, es conocido que este fenómeno no ocurre para métricas nominales como la que en este caso se aborda, debido a que el paso de la hélice es suficientemente bajo como para no inducir la rotación. En concreto en el caso aplicado se hace uso de un sistema tornillo-tuerca de métrica M4. Figura 4.4 Evolución del movimiento a lo largo del mecanismo. Para un mayor entendimiento de los desplazamientos y rotaciones que cada una de las barras y nodos desarrollan en el mecanismo, se genera un esquema de barras en el que se muestran las dos posiciones límite, siendo A la posición de cierre completo y B la posición de apertura total. Figura 4.5 Esquema de barras del mecanismo. La barra azul simula el mecanismo de tornillo sin fin, siendo esta los raíles corredera por los que la tuerca (nodo 1) se desplaza linealmente. A continuación la barra 2 se abate por medio de rotaciones en los nodos 1 y 2 gracias a la presencia de vástagos cilíndricos que inducen la rotación 4.2 Desarrollo del mecanismo a implementar 21 relativa entre piezas. Por último la barra roja es una línea imaginaria entre los dos ejes de la pieza de agarre del terminal. Como se puede apreciar el movimiento lineal del nodo 1 acarrea una rotación circular del nodo 2 y consecuentemente de la barra roja, por lo que se puede asegurar que la pieza de agarre rota siguiendo la misma cinemática a dicha barra con respecto a la barra roja. Análisis de posiciones críticas En un mecanismo como el aquí impuesto, han de tenerse en consideración una serie de aspectos como son las medidas y ángulos entre barras de cara a que sea posible obtener el movimiento de forma oportuna. En concreto es interesante estudiar la rotación de las barras de entrada y salida [10], las cuales pueden alcanzar alguna de las siguientes posiciones críticas: • Posición límite. Posición para la cual, en un mecanismo de cuatro barras, el ángulo interior entre la barra acopladora y la de entrada es de 180◦ o 360◦ . Lo que implicaría en la imagen inferior izquierda que los nodos M, A y B se encuentren alineados. • Posición de puntos muertos. Posición para la cual, en un mecanismo de cuatro barras, el ángulo interior entre la barra acopladora y la de salida es de 180◦ o 360◦ . Haciendo de nuevo referencia a la imagen inferior izquierda, situación para la cual los nodos A, B y N se encuentran alineados. Figura 4.6 Mecanismo de cuatro barras y analogía con un mecanismo biela-manivela- corredera. Atendiendo ahora al mecanismo de biela-manivela-corredera y sus posiciones críticas ha de repasarse el concepto de par prismático, equivalente al par en un nodo pero localizado en el infinito y en una dirección perpendicular a la dirección del movimiento relativo del par prismático (permite el movimiento de traslación a lo largo de un eje). De esta forma la longitud de las barras 1 y 4 equivalentes al mecanismo de cuatro barras queda: a1=∞+e a4=∞(4.1) Rotación en la barra 2 Llevando a cabo el análisis de rotación en el mecanismo de 4 barras se llega a las condiciones: a1+a2≤a3+a4 |a2−a1| ≥ |a4−a3| 28 Capítulo 5. Modelo 3D del Diseño Final blanco en la figura). El motivo de la apertura del extremo superior derecho no es más que el dotar de libertad al pulgar del usuario, de forma que este tenga movilidad para la acción de pulsado de los botones de ‘apertura’y ‘cierre’. Figura 5.5 Socket. Como se puede apreciar en la imagen de la izquierda, en la parte superior del socket aparecen una serie de raíles. La finalidad de estos es la sujeción con el terminal de la prótesis, de forma que sea sencilla de acoplar llevándose a cabo la entrada por medio de una rotación desde la esquina superior izquierda del socket. De esta forma, no existe ningún movimiento natural ni de ejercicios de gimnasio en el cual se siga una trayectoria circular como la aquí diseñada por lo que, a falta de corroborar la veracidad de este diseño con un modelo físico, es posible asegurar la fijación frente a un desafortunado desacoplamiento por movimientos en situaciones indeseadas. Figura 5.6 Sistema de Suspensión Socket-Terminal. La elección de este sistema de suspensión se debe principalmente a su robustez y sencillez tanto en el diseño como en la fabricación. El desacople de ambas piezas permite al usuario poder emplear el socket para múltiples funciones, tratándose como una pieza independiente al terminal. De esta forma es posible intercambiar diversos terminales en función de la acción a realizar, aumentando la versatilidad de la prótesis como conjunto. 5.2 Análisis de componentes 29 5.2.2 Terminal superior El terminal superior es el elemento que conforma la base de la prótesis como tal. Se trata de un componente intercambiable en función de la acción que el usuario quiera realizar, su morfología es por tanto dependiente del uso para el cual se diseña. En este caso concreto, la forma se adecua a la función que en esta memoria se refleja, el agarre de barras cilíndricas. Figura 5.7 Imagen general del terminal superior. Se trata de la pieza de mayor complejidad en cuanto al diseño debido a su múltiple funcionalidad. En primer lugar, alberga todos los componentes electrónicos que intervienen en el mecanismo como son: el módulo electrónico extraíble, el motor, el electroimán implementado en el cierre de seguridad que a continuación se describe o el botonaje localizado en la zona inferior al pulgar (estos dos últimos necesitan de una parte izquierda e inferior que permite aportar robustez a la entidad). Ha de tenerse en cuenta que debido a la característica electrónica de estos componentes es necesario el diseño de un cableado que permita el conexionado del conjunto electrónico completo. Por otro lado, necesita del correspondiente sistema de suspensión para llevar a cabo el acople con el socket, siendo posible incluir un sistema de pestañas que aumente la seguridad sobre el correcto acople socket-terminal (sistema explicado en mayor profundidad en la sección Futuros Desarrollos y Mejoras). Para el correcto funcionamiento del mecanismo han de implementarse un par de conceptos mecánicos en la zona central interior. En primer lugar, la creación de un par de raíles para el correcto guiado del movimiento lineal de la tuerca, y por otro lado, la necesidad de una pieza de sujeción del tornillo del motor que permita evitar el pandeo del mismo ante las solicitaciones de esfuerzos. Por último, incorpora en la zona delantera una superficie cilíndrica parcial cuya finalidad es el contacto continuo con la barra de ejercicio. Debido a que la pieza de agarre será móvil, se darán situaciones en las que la barra no se encuentre en contacto con esta pieza, es por ello interesante tener una superficie en este componente para tener un mayor control sobre el ejercicio, independientemente de si la prótesis se encuentra en estado cerrado o abierto. 30 Capítulo 5. Modelo 3D del Diseño Final Figura 5.8 Vistas del terminal superior. En las imágenes superiores pueden apreciarse algunas de las características comentadas anteriormente. Denotar como, en la parte superior se tienen una serie de vaciados que permiten alojar componentes como son el módulo de electrónica extraíble, el motor o el vástago de transmisión de movimiento cuando la prótesis se encuentra en proceso de apertura. Para la protección de los componentes electrónicos albergados en la parte superior del terminal se añade una tapa que aumenta la estética global del conjunto. Para la implementación de este componente se hace necesaria la introducción, en la parte izquierda del cuerpo, de un vástago que permita la rotación relativa entre ambos cuerpos. Destacar la presencia de ranuras en la zona donde se alberga el motor y el módulo electrónico para, en caso de aumento de temperatura en los componentes que aquí se encuentran, poder ayudar a la ventilación del conjunto. De nuevo la morfología de esta pieza ha de respetar la posición de la barra de transmisión en todo su movimiento de forma que no se produzcan interferencias en ningun momento del ejercicio. Figura 5.9 Apertura de la tapa superior para protección de componentes electrónicos. 5.2 Análisis de componentes 31 Como se ha mencionado, es imprescindible para el correcto funcionamiento del mecanismo de la prótesis un buen funcionamiento de la electrónica asociada, para ello se hace necesaria la implementación de un sistema de cableado que permita asegurar el correcto conexionado de los diversos componentes al módulo extraíble (base de la electrónica del sistema). La conexión del motor es inmediata, sin embargo, para los cables del electroimán y los botones se diseña un sistema de cableado en la zona inferior de la prótesis, así como los respectivos taladros necesarios para la correcta comunicación con la entidad completa. Figura 5.10 Cableado de la electrónica en el terminal. Para terminar la descripción de este componente se hace zoom sobre la zona interior del terminal, zona donde han de tenerse en cuenta un par de aspectos de cara a obtener un buen funcionamiento del motor. En primer lugar se coloca un cuerpo macizo con un taladro en su interior localizado en el lugar donde ha de alojarse el extremo del motor. La instalación de este cuerpo no es más que el evitar el acusado pandeo que se produciría al llevarse a cabo el movimiento de la tuerca a lo largo del tornillo. Al imponerse este empotramiento siguen existiendo unos esfuerzos de pandeo de la barra pero mucho menores a los que aparecen con el extremo libre. Por otro lado, y señalizado en amarillo en la imagen se diseñan un par de raíles (simétricos con respecto al centro de la pieza) en los cuales se alojan los vástagos que unen tuerca y barra de transmisión, de forma que se guía el movimiento rectilíneo de la tuerca absorbiéndose aquí también las fuerzas que obligarían al tornillo a pandear. Figura 5.11 Zoom en zonas de interés del terminal. 32 Capítulo 5. Modelo 3D del Diseño Final 5.2.3 Terminal de agarre En la parte superior del terminal se incorpora por medio de un eje la pieza que ejerce el agarre, pieza que como cabe esperar, ha de ser robusta debido a la gran solicitación de esfuerzos a los que se verá sometida a lo largo de la vida de uso en la realización de ejercicios. Analizando la imagen posterior se observa la presencia de dos taladros no concéntricos que posteriormente serán atravesados por sus respectivos vástagos. La no concentricidad de estos ejes permitirá desarrollar el mecanismo de movimiento de la prótesis final. La posición de cada uno de estos taladros ha sido estudiada en la sección previa minuciosamente estableciendo una relación de compromiso entre, la relación avance de tuerca y giro del agarre, con la estética y comodidad del conjunto. Al igual que en la zona delantera del terminal, la zona que queda en contacto con la barra en el cierre será reforzada con un material elástico que permita adaptar la forma al diámetro de la barra, permitiendo una cierta tolerancia con respecto a una barra genérica de φ=28mm impuesta inicialmente en el modelo. En la parte central inferior se genera una protuberancia que tendrá implicación directa en el cierre de seguridad que a continuación se comenta. Figura 5.12 Terminal de Agarre. Entrando en detalle en la morfología de la pieza, se puede apreciar como la forma recuerda a la del gancho de una grúa. Esto se debe a que, al igual que en una grúa, para soportar los esfuerzos a los cuales se someterá la prótesis, hay que reforzar aquellas zonas que más trabajen. En función del ejercicio que se quiera realizar con la barra, serán diversas las direcciones de los esfuerzos, sin embargo, por lo general los ejercicios más restrictivos (mayor aplicación de fuerza), son aquellos en los cuales se alinea el brazo con la perpendicular de la barra, con movimiento de tracción (tirar), es por ello que se refuerza la zona superior. Por lo general ha de ser la pieza más robusta ya que es en ella donde se soportan principalmente los esfuerzos estructurales. 5.2 Análisis de componentes 33 Figura 5.13 Similitud morfológica entre terminal de agarre y gancho convencional de grúa. 5.2.4 Barra de transmisión del movimiento Para poder transmitir el movimiento lineal de la tuerca hacia un movimiento de rotación del agarre (por medio de la no concentricidad de los ejes mostrados en el apartado anterior), se hace necesaria la implementación de una barra de transmisión como la aquí mostrada. Ha de ser una pieza de cierta robustez debido a que ha de poder transmitir el par generado por el motor a la pieza móvil donde se van a recibir los esfuerzos del ejercicio. Figura 5.14 Barra de transmisión del movimiento. En el extremo inferior se presentan dos taladros en los cuales se alojarán un par de vástagos que permitirán transmitir el movimiento de la tuerca a la propia pieza. En el extremo opuesto se tiene un taladro de mayor diámetro donde se alojará el vástago de unión a la pieza de agarre. A pesar de su necesaria robustez para optimizar las fuerzas generadas por el motor y llevar a cabo una transmisión efectiva, ha de tener un interior hueco que le permita alojar el tornillo del motor en posiciones cercanas a la apertura completa. 34 Capítulo 5. Modelo 3D del Diseño Final Figura 5.15 Movimiento de la barra de transmisión en apertura y cierre. 5.2.5 Módulo electrónico extraíble En el intento de aumento de versatilidad de la prótesis completa, los diseñadores deciden implementar un módulo en el cual se incluya, a excepción de aquellos componentes funcionales (motor, electroimán y botones), toda la electrónica necesaria para el correcto funcionamiento del conjunto. De esta forma, estando esta localizada en la parte superior del terminal, y haciendo uso de un conector que le permita interactuar con el resto de componentes, es posible su extracción en caso de ser necesaria la carga de su batería o la reparación en caso de fallo, estableciéndose así independencia completa con la prótesis global. En cuanto al modelado tridimensional de Solidworks destacar que la caja con los diversos componentes electrónicos así como batería, es modelada como una caja negra cuyas medidas son las mostradas en la imagen inferior. Estas han sido alcanzadas tras un proceso de concurrencia entre ambos desarrolladores del proyecto ya que era necesario adecuar las medidas de los diversos componentes en un espacio reducido que fuera fácilmente integrable en el terminal. Figura 5.16 Modelado tridimensional del módulo de electrónica extraíble. 5.2 Análisis de componentes 35 5.2.6 Motor El motor es la base del movimiento del mecanismo impuesto en la prótesis. Para su modelado tridimensional se opta por implementar un cuerpo sólido cuyas medidas son las impuestas por el componente real y a continuación generar un tornillo de métrica M4 de longitud L=55mm . Debido a las restricciones espaciales que el resto de componentes de la prótesis imponen sobre el conjunto será necesario acortar esta longitud hasta L=52mm , longitud para la cual cabe esperarse un cierto pandeo al imponerse fuerzas en la tuerca (necesidad de pieza de apoyo en el extremo). La parte trasera albergará el cableado con el que se comunicará con el módulo electrónico, por lo que se deja libre esta zona del terminal para poder implantar un conector que no solo establezca la conexión con esta entidad sino también con botones y electroimán. Figura 5.17 Modelo Tridimensional Motor. 5.2.7 Electroimán El electroimán es otro de los componentes electrónicos que intervienen en el modelo. La finalidad por la cual se coloca es la de intervenir como cierre de seguridad, de forma que en ningún momento (en caso de no presionarse los botones) sea posible abrir el cierre. Como se puede apreciar el conjunto es conformado por un vástago, una arandela, un muelle y el módulo en el que se alberga la bobina. El funcionamiento básico es, una vez que llega corriente a la entidad, la bobina actúa sobre el vástago y lo comprime, habilitando la apertura, mientras que si se deja de aportar corriente, la bobina cede su acción ante el vástago y bloquea el cierre. Figura 5.18 Modelo Tridimensional Electroimán. 36 Capítulo 5. Modelo 3D del Diseño Final Cierre de Seguridad El cierre de seguridad es un elemento que pretende dotar al modelo de solidez en el momento de cierre, de forma que ayude al usuario a confiar en el correcto funcionamiento de la prótesis sin producirse la apertura inesperada durante la realización del ejercicio. Para el modelado de este cierre se plantea, haciendo uso del electroimán anteriormente mencionado, implementar un sistema de pestaña en el que se produzca la interferencia entre el propio vástago del electroimán y la pieza de agarre del terminal. Esta pieza está dotada de un taladro del mismo diámetro al del vástago del electroimán, de forma que en la posición de cierre el sistema queda bloqueado por el mismo, aumentándose la complejidad de apertura involuntaria de la prótesis. Figura 5.19 Modificación de la pieza de agarre para la implementación del cierre de seguridad. Para la apertura, por medio de código electrónico se programa que, haciendo uso de la operación ‘delay’, al pulsar cualquiera de los dos botones se produzca la alimentación por corriente al electroimán, llevándose a cabo la retracción y permitiendo el movimiento cuya orden se haya dado por medio de los botones. Además, en caso de fallo en el retroceso, es posible llevar a cabo el cierre de la prótesis aprovechando el chaflán diseñado en la pieza de agarre, la cual retraccionaría mecánicamente el vástago hasta introducirlo en el taladro. Figura 5.20 Cierre de Seguridad II. 5.3 Estética de la prótesis 37 5.3 Estética de la prótesis Una vez comentado el modelado general y parcial de cada uno de los componentes que conforman la prótesis, se muestra una visión global del resultado del prototipo final al cual los diseñadores pretenden llegar. En este caso, se homogeiniza el color y textura de cara a un mayor agrado visual del cliente. Figura 5.21 Modelo Tridimensional con la estética final aplicada al prototipo. Hacer saber que se trata de un prototipo en evolución y que, a pesar de implementar una serie de soluciones a conceptos que han ido surgiendo a lo largo del proceso de diseño, ni mucho menos se pretende dar por finalizado el alcance de este proyecto con este modelo. Por lo general, en el desarrollo de prótesis, una parte de vital importancia es el feedback obtenido por el paciente, por lo que no cabe duda de que serán necesarias modificaciones de cara a desarrollar un modelo final que verdaderamente cumpla las funciones para las cuales este producto se desarrolla. 44 Capítulo 6. Estudio del Método de los Elementos Finitos de fuerzas y desplazamientos hacer saber que, al igual que en el caso previo, al analizar la pieza por separado, ha de imponerse unas restricciones que intenten simular el comportamiento de la misma en el conjunto global, por lo que teniendo en cuenta que la tuerca durante la realización del ejercicio no se moverá a lo largo del tornillo, es posible generar esta restricción imponiendo la limitación de desplazamientos en la parte inferior de la barra de transmisión. Por otro lado, para simular la fuerza que le transmitiría el vástago superior a la pieza, se impone una fuerza de 10kg por elemento en la parte superior del sistema (zona donde se localizaría el mencionado vástago). Figura 6.7 Mallado de la barra de transmisión. 6.2.2 Análisis con aluminio AA6061-O Procediendo al análisis de los desplazamientos con la pieza modelada en aluminio, se observa como por la forma e inclinación de la pieza, imponiendo sujeción en la parte inferior, se produce un cierto pandeo en la parte superior donde se imponen las fuerzas. Este resultado al igual que ocurría en la pieza anterior, no es del todo veraz debido a que la presencia del vástago superior implicaría restricción en los desplazamientos en esta zona. Figura 6.8 Desplazamientos en la barra de transmisión modelada con aluminio AA6061-O. 6.2 Barra de transmisión 45 Sin embargo, a pesar de las consideraciones anteriormente descritas, analizando cualitativamente los valores de desplazamientos máximos alcanzados, se observa que son del orden de centésimas de milímetro, de nuevo dentro de las tolerancias del taladro para el vástago, lo que lleva a pensar que la deformada en la pieza real será mínima. Figura 6.9 Tensiones y deformaciones en la barra de transmisión para aluminio AA6061-O. En cuanto a las tensiones y deformaciones, denotar como la pieza sufre en gran medida debido a la pequeña proporción de material que posee en la zona inferior, donde se produce la unión con la tuerca, lo que lleva a pensar que esta zona ha de ser reforzada, pues el valor máximo alcanzado en la esquina inferior es de 41.69MPa , valor muy cercano a σlím del aluminio. Es entonces cuando el diseñador decide llevar a cabo un análisis de la misma pieza con acero inoxidable AISI 304, metal cuyas propiedades mecánicas a tracción son mejores a las del aluminio anteriormente analizado. 6.2.3 Análisis con acero inoxidable AISI 304 Para el caso del acero, e imponiendo las mismas condiciones de contorno tanto en cargas como en desplazamientos, caben esperarse reultados que mejoren el comportamiento frente al análisis anterior, alejándonos de los puntos límite y buscando un funcionamiento óptimo del componente durante la realización del ejercicio. Figura 6.10 Desplazamientos en la barra de transmisión modelada con acero AISI 304. 46 Capítulo 6. Estudio del Método de los Elementos Finitos Efectivamente, a pesar de comprobarse que la distribución de desplazamientos es la misma a lo largo de toda la pieza, pues las fuerzas y restricciones de desplazamientos son las mismas, se observa como se produce una disminución en los desplazamientos máximos, siendo en este caso de 0.014mm frente a 0.039mm para el caso del aluminio. De nuevo hacer saber que aunque estos desplazamientos no son completamente veraces al ser las restricciones reales diferentes a las aquí impuestas, los valores alcanzados son mínimos, sin apenas implicaciones en el correcto funcionamiento del sistema completo. Figura 6.11 Tensiones y deformaciones en la barra de transmisión para acero AISI 304. En lo que a las tensiones y deformaciones respecta, resaltar como en este caso el esfuerzo al que se ve sometida la pieza es mucho menor al del caso del aluminio pues en este caso, a pesar de que la tensión máxima alcanzada es algo mayor, 42.95MPa , el límite elástico en el acero es de un orden superior al del aluminio, concretamente σlím =206.8MPa. 6.3 Terminal superior Para el caso del terminal superior se analizarán dos situaciones, en primer lugar aquella en la cual se realiza un ejercicio inverso a la tracción analizada en la primera pieza (ej: levantamiento de una pesa por encima del hombro), por lo que sufre la parte inferior del agarre de la prótesis, y por otro lado el equivalente al análisis que hasta el momento se ha estudiado para el resto de componentes. Figura 6.12 Dos ejercicios a analizar en el terminal superior (antebrazo). 6.3 Terminal superior 47 6.3.1 Mallado, imposición de fuerzas y sujeciones en la pieza De nuevo el mallado vuelve a ser homogéneo en toda la pieza, siendo ahora la restricción de desplazamientos impuesta en toda la cara inferior del terminal, pues se encontrará fija con respecto al socket y este respecto al miembro del paciente. Por otro lado, las fuerzas son variables en función del ejercicio que se esté analizando, por ello se tiene: • Ejercicio en el que la dirección de la fuerza sigue siendo el propio brazo, pero cuyo sentido en este caso es hacia abajo (Imagen 1 de la figura 6.12), en vez de hacia arriba como hasta ahora se ha analizado. Se distribuyen por tanto los 10kg de peso por elemento en la zona circular de la parte delantera del componente. Figura 6.13 Mallado de la pieza del terminal superior (1). • Para el segundo análisis (equivalente al hasta ahora analizado en el resto de piezas), se impondrá este mismo peso, siendo en este caso sobre la cara delantera superior a la semicircunferencia, pues se pretenden simular los esfuerzos que el vástago transmite de la pieza de agarre a la pieza analizada durante la tracción. El diseñador es consciente que la imposición de fuerzas en esta zona no modela correctamente las fuerzas transmitidas por el vástago real, pero lleva a cabo el análisis para obtener resultados cualitativos. Figura 6.14 Mallado de la pieza del terminal superior (2). Es importante denotar que no se han impuesto condiciones de contorno en la zona donde se instala el cierre de seguridad pues, como se apreciará a continuacón, los desplazamientos que esta zona sufre son órdenes de magnitud muy inferiores a milímetros, por lo que entran dentro del límite 48 Capítulo 6. Estudio del Método de los Elementos Finitos de tolerancia con el cual el cierre de seguridad se modela. Para un correcto análisis de los esfuerzos en esta pieza (electroimán) sería necesaria la realización de un estudio del conjunto completo en el cual se imponga la cinemática asociada, siendo este un análisis que se escapa del ámbito de estudio de este proyecto. 6.3.2 Análisis con aluminio AA6061-O Levantamiento vertical de peso Al tratarse de un ejercicio en el cual el resto de componentes únicamente intervienen como sujeción, es posible prever que la mayoría de esfuerzos han de ser paliados por la semicircunferencia de agarre que dicho terminal posee en su parte superior. Observando la cantidad de material existente en esta zona, con respecto a aquella impuesta en la zona de agarre superior, es posible suponer que los desplazamientos asociados serán mucho mayores a los de la pieza de agarre analizada al inicio de esta sección. Figura 6.15 Desplazamientos en la pieza terminal modelada con aluminio AA6061-O. Sin embargo, una vez se realiza el análisis se aprecia que, aunque la deformada exagera los desplazamientos sufridos por el terminal, el orden de magnitud del máximo de estos desplazamientos es similar al del resto de piezas cuando se aplica fuerzas sobre ellos. Milésimas de milímetro son valores inapreciables durante el desarrollo del ejercicio, por lo que la implicación en el correcto funcionamiento de la prótesis es mínima. Figura 6.16 Tensiones y deformaciones en la pieza terminal superior para aluminio AA6061-O. 6.3 Terminal superior 49 En lo que a las tensiones y deformaciones se refiere destaca como, al igual que en la pieza de agarre modelada con este mismo material, el orden que alcanzan las tensiones máximas es de un orden inferior al límite elástico ya conocido, implicando una buena respuesta del material frente a las solicitaciones asociadas. Movimiento de tracción Para el análisis de este caso, se impone la fuerza en la parte delantera superior de la entidad, pues se supone que se produce la transmisión de fuerza entre el agarre y dicho componente por medio del vástago que atraviesa esta zona. De nuevo hacer hincapié en que este modelado de la fuerza no será idéntico a la situación real a la que se ve sometida la pieza, pero ayuda a hacer una idea de qué zonas son las más implicadas en la admisión de esfuerzos. Figura 6.17 Desplazamientos en la pieza terminal modelada con aluminio AA6061-O. A pesar de apreciarse una deformada que puede a priori alarmar al diseñador, observando la escala, se aprecia como el orden de magnitud de los desplazamientos asociados es ínfimo, de un orden inferior a la milésima de milímetro, lo cual ha de tranquilizar ante un correcto funcionamiento del componente frente a estos esfuerzos aquí simulados. Se trata así, el caso más restrictivo en el cual los 10kg sean directamente soportados por el terminal, situación que en la realidad no debe sufrirse pues se diseña la pieza de agarre con la intención de soportar el máximo de los esfuerzos posible. Figura 6.18 Tensiones y deformaciones en la pieza terminal superior para aluminio AA6061-O. 50 Capítulo 6. Estudio del Método de los Elementos Finitos En lo que a las tensiones y deformaciones respecta, volver a mostrar el buen comportamiento del aluminio frente a estos esfuerzos de compresión, pues se alcanzan unas tensiones máximas de 1,4MPa perfectamente asumibles por la pieza. 6.4 Conclusiones En primer lugar, comentar que la última pieza no ha sido analizada con otros materiales por los buenos resultados que el aluminio aportaba en primera instancia. Sin embargo, el diseñador no cierra la puerta a la posible aplicación de materiales plásticos en la misma, pues en principio las solicitaciones a las que se debe someter son similares o incluso menores a las presentes en el terminal de agarre, terminal que si fue analizado con dichos materiales. Tras los resultados obtenidos para los tres componentes de mayor relevancia en el mecanismo, y siendo analizados materiales metálicos así como plásticos, se puede concluir que, a pesar de que el modelado de las fuerzas no es del todo veraz, pues analizar el conjunto completo a nivel de software es complejo, y ser las fuerzas reales dependientes de la postura del miembro del usuario, la prótesis es apta para la realización de ejercicios que impliquen movimiento de barras o pesos inferiores a 10kg , siempre que se apliquen materiales como aluminio AA6061-O, acero AISI 304 o ABS. A priori la utilización de materiales plásticos como ABS es posible, principalmente en las piezas de agarre y terminal superior (antebrazo), esta última aplicando analogía con los resultados de la primera. Sin embargo, volviendo a hacer mención a lo ya denotado anteriormente, el proceso de fabricación por medio de hilos en impresoras 3D puede empeorar el comportamiento del mismo, lo que lleva al diseñador a considerar esta opción como únicamente válida para la generación de prototipos que permitan al usuario validar la prótesis, antes que para la realización del propósito de la misma. Para una mejor calidad en el diseño, es conveniente tener en cuenta la comodidad del usuario y por tanto se debe intentar conseguir una entidad con el menor peso posible. Por ello, atendiendo a las características de los materiales anteriormente analizados, y corroborando que tanto el acero como el aluminio son correctos, la baja densidad de este último, δ=2.7g/cm3 frente a δ=8g/cm3 del acero, llevan al diseñador a seleccionar el aluminio AA6061-O como el material óptimo entre los analizados para la pieza terminal tanto superior como de agarre. En cuanto a la barra de transmisión, a pesar de comportarse correctamente con este material, se observa que es la pieza, debido a sus medidas, que más sufriría en la entidad si los 10kg son aplicados sobre ella de forma directa, por lo que es conveniente, aprovechando que sus medidas no son elevadas y por tanto el peso asociado no será demasiado desorbitado, hacer uso del acero inoxidable AISI 304 para este componente. Para terminar, analizando las diversas piezas y los puntos donde más esfuerzos se soportan, se puede llegar a la conclusión de que, de cara a resistir frente a fuerzas del orden de 100N(≈10kg) y haciendo uso de materiales metálicos como los anteriormente estudiados, no es necesario reforzar en gran medida piezas como el terminal de agarre, permitiendo una disminución en el volumen de la prótesis y un aumento considerable de la estética. Por contra, si que deben reforzarse aquellas zonas donde existen concentradores de tensiones, en concreto los taladros en los que son alojados los vástagos de unión entre las distintas piezas, pues son las zonas donde se alcanzan los valores de tensión más cercanos al límite elástico al ser las zonas en las cuales se transmiten los esfuerzos 6.4 Conclusiones 51 entre componentes. De cara a hacer frente a ejercicios de mayor peso, si que habrá que considerar el aumento de material en zonas como ya se ha previsto para la pieza de agarre del terminal (forma de gancho de grúa), pero a priori con las cargas que en este estudio se imponen no es necesario. 7 Electrónica de la Prótesis Ap esar de no tratarse del objeto principal de la memoria, al ser este un proyecto conjunto en el que se incorpora electrónica, el autor considera necesaria una leve introducción a los conceptos aplicados en la prótesis relativos a esta rama de la ingeniería, debido a que en gran medida el correcto funcionamiento depende de un buen diseño electrónico. En primer lugar, al igual que en el desarrollo mecánico, la evolución de la electrónica del sistema se hace en base a las necesidades y limitaciones del paciente, debiendo tenerse en cuenta las restricciones mecánicas y el grado de suficiencia de movilidad en la mano parcial del usuario. Debido a ser el objeto principal de la prótesis el agarre de barras cilíndricas, existe una necesidad básica de apertura-cierre que el usuario no puede desarrollar de forma inmediata. Es por ello que existen dos soluciones, la implementación de un sistema mecánico que por medio de tensores aplique la fuerza suficiente para vencer el cierre del terminal, o el uso de alguna otra tecnología que no necesite de la fuerza aplicada por la mano parcial del paciente. Debido a la restricción en cuanto a movilidad, y la poca fiabilidad que tendría la primera opción en el correcto funcionamiento del elemento, se decide solucionar la adversidad haciendo uso de la segunda opción. Sin embargo, esta solución depende del correcto funcionamiento de giro del tornillo del motor, en base a un sistema de botonaje que el usuario ha de poder pulsar, por lo que entra en juego la componente electrónica en la que aquí se profundiza. Los diseñadores deciden implementar un microprocesador en el módulo extraíble cuya finalidad sea el control del motor. A su vez se dispone de dos pulsadores, cuya función será, mientras se lleve a cabo la pulsación, abrir o cerrar el terminal correspondientemente. Por otro lado, para el sistema de cierre de seguridad se utiliza un electroimán que también hace uso del microprocesador por medio de un relé, de forma que al pulsar cualquiera de los botones el vástago se contrae liberando el cierre de seguridad y comenzando el movimiento rotacional del tornillo. 7.1 Componentes de la electrónica Para la correcta descripción del sistema se entra en detalle en los componentes que conforman la electrónica. Estos componentes serán los empleados en el prototipo inicial para el correcto diseño de las funciones, siendo posteriormente reemplazados por otros componentes cuyos tamaños puedan adecuarse a las medidas del módulo extraíble impuestas por diseño. 53 8 Futuros Desarrollos y Mejoras Tal y como se ha podido observar a lo largo de la memoria, en el proceso de diseño de una prótesis de mano parcial para el agarre de barras cilíndricas, la cantidad de variables a tener en cuenta es inmensa. Esto hace que sea imposible el alcanzar un óptimo en el desarrollo del diseño pues siempre existirá algún ámbito de mejora que pueda tenerse en cuenta. Con esta idea en mente y conociendo las limitaciones de las que se disponía a lo largo del proceso (escaneo del miembro sin gran nivel de exactitud, estudio limitado de MEF, diseño únicamente computacional sin posibilidad de prueba en el paciente...) se ha desarrollado un proyecto cuya finalidad no es más que servir como prototipo inicial para el futuro desarrollo de una prótesis de mayor alcance a la aquí expuesta. Es posible enumerar una serie de cuestiones en las que profundizar o avanzar a partir de este punto del diseño: • En primer lugar, es conveniente el llevar a cabo un escaneo más exhaustivo que permita al diseñador desarrollar un diseño de un socket que se adecue en mayor medida a la morfología del paciente, así como un estudio de materiales que permitan por un lado el aporte de rigidez para el correcto soporte de la prótesis, al igual que una cierta elasticidad para el correcto ajuste con el brazo del paciente. • Prosiguiendo con el socket, es interesante el desarrollar un sistema de suspensión que, siendo probado en prototipos reales, verifique la correcta sujeción del terminal, impidiendo la salida ante cualquier tipo de movimiento. En la sección 5 se introduce el concepto de cierre mediante pestañas. Este cierre se basaría en una pieza al inicio de la entrada de los raíles unida a un muelle de forma que, en posición natural el muelle se encuentre extendido y por tanto la entrada a los raíles cubierta. Por medio de una pestaña que el usuario puede presionar de forma sencilla con la otra mano, se vence la fuerza del muelle y por tanto se libera la entrada a los raíles, siendo posible la entrada o salida del socket. Mediante el diseño de un chaflán en esta pieza de cierre y su correspondiente negativo en los raíles del socket, se podría permitir la introducción del mismo en el terminal sin necesidad de presionar el botón asociado, produciéndose el vencimiento del muelle al deslizar ambos chaflanes aplicando el usuario la fuerza necesaria. • De cara a la realización de pruebas en la electrónica y para observar la comodidad del paciente, es interesante poder obtener unos primeros prototipos mediante impresoras 3D que a pesar de no implementar los materiales necesarios, y por tanto no servir para la finalidad que se busca, ayudan al usuario a hacerse una idea del resultado final. 61 62 Capítulo 8. Futuros Desarrollos y Mejoras • Relacionado con la electrónica son muchas las mejoras que se pueden implementar, desde control por voz hasta la implantación de sensores final de carrera que, independientemente a la pulsación del usuario, cierren la prótesis hasta el punto en el que se establece una cierta presión sobre la barra. • En cuanto al análisis mecánico, por medio del estudio del método de elementos finitos ha sido posible conocer los puntos de mayor limitación, en cuanto a esfuerzos se refiere, en nuestra prótesis. Sin embargo, de cara a un aumento de los ejercicios a realizar o las fuerzas a aplicar, conviene generar un estudio más exhaustivo en el que se analice el conjunto completo, de forma que se puede apreciar la correcta interacción entre las distintas entidades del sistema. • A pesar de ser el aluminio un material cuyos resultados parecen ser suficientes para las restricciones a priori impuestas, es interesante estudiar materiales emergentes a día de hoy como son los materiales compuestos, destacando las fibras de carbono que actualmente se implementan en infinidad de prótesis, principalmente de tren inferior. Este estudio no solo permite la obtención de un modelo más innovador de cara al cliente ya que, por lo general, suelen ser materiales de densidad muy baja que permitirían reducir aún más el peso de la prótesis, buscándose un peso óptimo del conjunto total de entorno a 1kg. • Para terminar destacar que, en caso de ser posible un estudio exhaustivo del miembro del paciente, así como un estudio morfológico del mismo, el punto óptimo del desarrollo se alcanzaría cuando no solo fuese posible el uso de un terminal, sino el intercambio entre varios en función de la acción a realizar (objetivo que en cierta medida ya ha comenzado a tenerse en cuenta en este diseño al separar el socket de la prótesis como tal). Finalizar concluyendo que para la obtención de un resultado que evalúe todas las variables posibles, sería necesario el estudio anatómico del paciente, correspondiendose esto con conocimientos que se salen del ámbito ingenieril que el diseñador posee. 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