Diseño de una prótesis transtibial amortiguada

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Longitud del pie y la pierna

Las longitudes por eslabones según Dempster para el pie y la pierna son 8.1cm y 40.8cm respectivamente [5].

Peso de la pierna y pie

El peso promedio del pie en cualquier humano según Dempster (1955) y Clauser (1969) es del 1.4% del total de la masa, para este caso el pie se considera de 0.9Kg.

El peso promedio de la pierna en cualquier humano según Dempster (1955) y Clauser (1969) es del 4.5% del total de la masa, para este caso la pierna se considera de 3Kg [5].

Ubicación del centro de masa

Como este punto representa el centro de masa total de alguna articulación, éste se moverá al aplicar o inhibir peso de la parte del cuerpo analizada. Este concepto es muy importante, ya que al diseñar una prótesis siempre se debe de tener en cuenta el ubicar este punto en el lugar donde la persona solía tener el miembro [6]. El centro de masa tanto del pie como la pierna se tomarán respecto al eje sagital:

- El centro de masa del pie se encuentra a 57.1% de la altura del mismo (medido de la planta del pie hacia el tobillo)

- El centro de masa de la pierna se encuentra a 56.7% de la altura de la misma (medida del tobillo hacia la rodilla) [5]

Con los datos de longitud, peso y ubicación de centro de masa del miembro inferior, se calculará el centro de masa entre dos sistemas, en este caso el pie y la pierna, y esta cantidad la tendrá que respetar la prótesis a diseñar.

[pic 4]

[pic 5] Es el centro de masa del miembro inferior

[pic 6] Es la masa de la pierna

[pic 7] Es la masa del pie

[pic 8] Es la longitud de la pierna medida en el eje sagital (perpendicular al suelo)

[pic 9] Es la longitud del pie medida en el eje sagital

De esta relación y con los datos antes obtenidos se tiene que el centro de masa total del miembro inferior es de 25.1cm sobre el eje sagital.

Diseño de la prótesis

Las partes de la prótesis se diseñaron en diferentes materiales por su necesidad dentro de la misma. En la tabla

1 se muestran las piezas y su material, más adelante se indicará su ensamble y descripción.

TABLA 1

Piezas de la prótesis y sus materiales

Pieza de la prótesis

Material

Cuerpo de la prótesis

Acero 316

Pie

Plástico ABS

Pieza rotaria

Aluminio

Acoplador

Aluminio

Socket

Fibra de carbono

Cuerpo de la prótesis

Esta parte es la más importante porque hace el papel de la pierna y la que da la altura a la prótesis. las únicas piezas que se diseñan con ubicación de centro de masa es ésta y el pie, ya que las demás son muy ligeras.

El cuerpo de la prótesis consta de dos piezas: tanque (aloja el líquido) y pistón (pieza móvil).

Se tiene que el peso de la pierna es de 3Kg, pero se considera que la parte no amputada (muñón) pesa 0.5Kg, por lo tanto el cuerpo de la prótesis debe pesar 2.5Kg: 2Kg el tanque y 0.5Kg el pistón. También se considera que el largo de la pierna es de 40.8cm y 12cm de amputación, lo que deja 28.8cm de largo total del amortiguador.

Por otro lado se tiene que el centro de masa de la prótesis está a 25.1cm del suelo, pero el pie mide 8.1cm, por lo tanto el centro de masa del cuerpo de la prótesis se encuentra a 17cm. Con estos datos y la relación de centro de masa entre dos cuerpos [9] se tiene:

[pic 10]

Donde [pic 11] y [pic 12] son la posición del centro de masa del tanque y del pistón respectivamente. Como el tanque va montado encima del pistón como se muestra en la figura 1, entonces su centro de masa depende del pistón. Si hacemos que esa diferencia sea de 12cm entonces [pic 13] y [pic 14]; los dos medidos desde el suelo.

Por su parte el pistón se divide en dos secciones: el vástago y el embolo. Se propone que el embolo pese 0.2Kg, y el vástago pese 0.3Kg y mida 12cm, esto hace que el centro de masa del último este ubicado a 6cm. Para calcular el centro de masa del embolo se utiliza la relación entre dos cuerpos:

[pic 15]

Lo que indica que se encuentra a 1.5cm por encima del vástago, y como es de densidad uniforme la altura del embolo es de 3cm.

Para el cálculo de los diámetros se utiliza la relación de densidad [pic 16] y se obtiene: 2cm de diámetro para el vástago y 3.28cm de diámetro para el embolo.

Se tiene 12cm de vástago, por lo tanto el tanque debe de medir 16.8cm de largo. Para conservar el centro de masa se propone el tanque de dos anchuras diferentes, una con una altura de 6.8cm y la otra de 10cm, como se nota en la figura 1. Como los cilindros son de densidad uniforme los centros de masa se encuentran: la parte de abajo a [pic 17]y la parte de arriba a 23.8cm, de igual manera con la relación de centro de masa de dos cuerpos se obtiene que la masa de la parte alta del tanque es de 1.33Kg y de la parte baja 0.66

Figura 1.- Cuerpo de la prótesis

El barreno del cilindro es el mismo que el del embolo, por lo tanto hay que calcular el espesor de la pared con respecto a la densidad del material, y los pesos ya obtenidos, de tal manera que el diámetro del cilindro superior es de7.92 y el diámetro del cilindro inferior es de 7.26.

Para la fabricación del tanque el barreno no debe de llegar hasta el fondo, sino 0.5cm antes de traspasarlo. En la parte baja del tanque se debe de fabricar una tapa roscada con un agujero del