Correo Electrónico
DNINFOA - SIA
Bibliotecas
Convocatorias
Identidad U.N.
Published
The mechanical design of a transfemoral prosthesis using computational tools and design methodology
Diseño mecánico para una prótesis transfemoral mediante el uso de herramientas computacionales y metodologías de diseño
DOI:
https://doi.org/10.15446/ing.investig.v32n3.35934Keywords:
Design, transfemoral prosthesis, finite element, design methodology (en)Diseño, Prótesis Transfemorales, Elementos Finitos, Metodologías de Diseño (es)
Artificial limb replacement with lower limb prostheses has been widely reported in current scientific literature. There are many lower limb prosthetic designs ranging from a single-axis knee mechanism to complex mechanisms involving microcontrollers, made from many materials ranging from lightweight, high specific strength ones (e.g., carbon fibre) to traditional forms (e.g., stainless steel). However, the challenge is to design prostheses whose movement resembles the human body's natural movement as closely as possible. Advances in prosthetics have enabled many amputees to return to their everyday activities; however, such prostheses are expensive, some costing as much as $60,000. Many of the affected population in Colombia have scarce economic resources; there is therefore a need to develop affordable functional prostheses.
The Universidad del Norte's Materials, Processes and Design Research Group and the Robotics and Intelligent Systems Group have been working on this line of research to develop modular prostheses which can be adjusted to each patient's requirements. This research represents an initial methodological approach to developing a prosthesis in which software tools have been used (the finite element method) with a criteria relationship matrix for selecting the best alternative while considering different aspects such as modularity, cost, stiffness and weight.
El desarrollo de prótesis para extremidades inferiores es reportado profusamente en la literatura científica actual. Hay disponible una gran variedad de diseños de prótesis de miembro inferior, que van desde un mecanismo de rodilla de eje simple hasta complejos mecanismos con microcontroladores, fabricados con una gama de materiales que van desde los ligeros de alta resistencia específica, como la fibra de carbono, hasta tradicionales como el acero inoxidable. Sin embargo, el reto es diseñar prótesis cuyo movimiento se asemeje, lo más posible, al del cuerpo humano. El desarrollo de prótesis ha hecho posible que muchas personas amputadas vuelvan a desempeñarse en sus actividades; sin embargo, estas prótesis son de costos elevados, algunas pueden llegar a valer hasta 60 000 dólares. Gran parte de la población afectada en Colombia es de escasos recursos, por lo tanto se hace necesario el desarrollo de prótesis funcionales de bajo costo. El Grupo de Investigación en Materiales, Procesos y Diseño y el Grupo de Robótica y Sistemas Inteligentes de la Universidad del Norte vienen trabajando en esta línea de investigación con el objetivo de desarrollar prótesis modulares que se puedan ajustar a los requerimientos particulares de cada paciente. Este trabajo corresponde a una primera aproximación metodológica para el desarrollo de una prótesis en la que se utilizaron herramientas computacionales (método de los elementos finitos) junto con una matriz de relación de criterios para seleccionar la mejor alternativa teniendo en cuenta diferentes aspectos como modularidad, costo, rigidez y peso.
Downloads
References
Ascencio, O., and Gómez, D., Diseño y Modelamiento de pie para prótesis de miembro inferior adaptable a prótesis comerciales o estándares con sistema de amortiguación., BSc Electronic Design and Automation Engineering thesis, Universidad de La Salle, 2004.
Bennetti, P., and Duplonk, L., Pressure distribution beneath the human foot. J Am Podiatr Med Assoc; Vol. 83, 1993, pp. 674 - 678.
Caballero, D., and Tinoco, R., Selección de materiales para una prótesis de extremidad inferior con fuerza de reacción magnetoreologicamente controlada., BSc Mechanical Engineering thesis, Universidad del Norte, 2005.
Cely, M., and Díaz, A., Diseño y análisis por el método de elementos finitos y tomografía computarizada de una prótesis transtibial., Scientia et Technica Año XIII, No 36, 2007.
Collado, S., Dynamometrics Platforms. Aplicaciones., Biociencias, Revista de la Facultad de Ciencias de la Salud, Vol. April 3, 2005, pp. 1- 15.
Correal, S., Palacio, L., and Salazar, I., Análisis FEA de prótesis de rodilla policéntrica, Universidad EAFIT. Avances en Sistemas e informática, Vol. 3, No. 1, June 2006, pp. 35-38.
Díaz, A., Torres, A., Ramírez, J., García, L., and Álvarez, N., Descripción de un sistema para la medición de las presiones plantares por medio del procesamiento de imágenes fase I. Revista EIA, No 6, 2006, pp. 43 - 55.
Enríquez, J., Arreguin, E., Méndez, A., and Trejo, L., Diseño y construcción de una prótesis de rodilla con pistón magnetoreológico, 8th Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, Cusco, 2007.
Espejo, A., Construcción de un prototipo final de pie para prótesis transfemoral., BSc Electronic Design and Automation Engineering thesis, Universidad de La Salle, 2007.
Giakas, G., and Baltzopoulos, V., Time and frequency domain analysis of ground reaction forces during walking: an investigation of variability and symmetry, Gait & Posture, Vol. 5, 1997, pp. 189 - 197.
Hernández, G., Minas Antipersonales (M.A) en Colombia Costo Físico y Emocional., Fundación Universitaria Manuela Beltrán, Umbral Científico, No 002, Junio, 2003.
Keefer, M., King, J., Powell, D., Krusenklaus, J., and Zhang, S., Effects of modified short-leg walkers on ground reaction force characteristics. Clinical Biomechanics, Vol. 23, 2008, pp. 1172 - 1177.
Ramos, M., Utilidad del análisis tridimensional de la marcha como sistema evaluador del estado clínico y funcional de pacientes sometidos a artroplastia de rodilla., MD thesis, Universidad Complutense de Madrid, 2007.
Simpson, K.J, and Jiang, P., Foot landing position during gait influences ground reaction forces, Clinical Biomechanics. Vol. 14, 1999, pp. 396 - 402. Elsevier.
Winby, C., Lloyd, D., Besier, T., and Kirk T., Muscle and external load contribution to knee joint contact loads during normal gait. Journal of Biomechanics, Vol. 42, 2009, pp. 2294 - 2300.
Zhang, S., Clowers, K., and Powell, D., Ground reaction force and 3d biomechanical characteristics of walking in short-leg walkers. Gait & Posture, Vol. 24, 2006, pp. 487 - 492.
License
Copyright (c) 2012 John Sánchez Otero, Roque J. Hernández, Jaime E. Torres S.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
The authors or holders of the copyright for each article hereby confer exclusive, limited and free authorization on the Universidad Nacional de Colombia's journal Ingeniería e Investigación concerning the aforementioned article which, once it has been evaluated and approved, will be submitted for publication, in line with the following items:
1. The version which has been corrected according to the evaluators' suggestions will be remitted and it will be made clear whether the aforementioned article is an unedited document regarding which the rights to be authorized are held and total responsibility will be assumed by the authors for the content of the work being submitted to Ingeniería e Investigación, the Universidad Nacional de Colombia and third-parties;
2. The authorization conferred on the journal will come into force from the date on which it is included in the respective volume and issue of Ingeniería e Investigación in the Open Journal Systems and on the journal's main page (https://revistas.unal.edu.co/index.php/ingeinv), as well as in different databases and indices in which the publication is indexed;
3. The authors authorize the Universidad Nacional de Colombia's journal Ingeniería e Investigación to publish the document in whatever required format (printed, digital, electronic or whatsoever known or yet to be discovered form) and authorize Ingeniería e Investigación to include the work in any indices and/or search engines deemed necessary for promoting its diffusion;
4. The authors accept that such authorization is given free of charge and they, therefore, waive any right to receive remuneration from the publication, distribution, public communication and any use whatsoever referred to in the terms of this authorization.
