Modificación de mecanismo de extensión de prótesis de rodilla policéntrica

Abstract

En este proyecto se lleva a cabo la mejora mecánica de una rodilla protésica policéntrica, modelo Total Knee 1900. Uno de los inconvenientes que presenta este modelo es que el mecanismo de ayuda a la extensión está formado por un muelle unido a un cable de acero, que se debe ser sustituido por un técnico ortopeda manualmente si el portador desea variar la velocidad de marcha. El movimiento de extensión de la pierna, que condiciona la velocidad del paso, se produce de forma inercial, similar a un péndulo, con una velocidad máxima (dependiente de su masa y geometría, y en la que interviene, además, la contribución del muelle) que impide al usuario aumentar su ciclo de marcha. Se diseña un mecanismo para sustituir el resorte, mediante el cual sea posible variar la velocidad de marcha según los requerimientos del usuario. El diseño e implementación de este dispositivo, conlleva un análisis y estudio cinemático previo de la pierna ortopédica, implementando un modelo simplificado de cálculo. Una vez obtenidas las velocidades y fuerzas que actúan sobre el mecanismo, se procede a la selección de un actuador eléctrico, que permita variar la fuerza y la velocidad de aplicación de esta, según requisitos. El actuador, somete a tracción el cable de acero presente en la rodilla protésica originalmente, ejerciendo un trabajo similar al muelle, pero con la ventaja de ser regulable. Se diseña todos los elementos necesarios para poder acoplar el actuador seleccionado a la pierna ortopédica, realizando un estudio de esfuerzos para determinar si las piezas propuestas soportan las cargas a las que van a estar solicitadas. Posteriormente, con la finalidad de crear un prototipo, se realiza un proceso de ingeniería inversa, obteniendo un modelo tridimensional de la rodilla.

In this project, the mechanical improvement of a polycentric prosthetic knee, model Total Knee 1900, is carried out. One of the drawbacks of this model is that the extension aid mechanism is formed by a spring attached to a steel cable, that it must be replaced, by an orthopedic technician, manually if the wearer wishes to vary the speed. The leg extension movement, which determines the speed of the step, occurs inertially, similar to a double pendulum and has a maximum speed (depending on its mass and geometry). This movement prevents the user from increasing their running cycle and therefore, a mechanism is designed to replace the spring, by means of which it is possible to vary the running speed according to the user's requirements. The design and implementation of this device involves a prior kinematic analysis and study of the orthopedic leg, implementing a simplified calculation model. Once the speeds and forces acting on the mechanism have been obtained, an electric actuator is selected, which allows the force and speed of its application to be varied, according to the requirements. The actuator pulls the steel cable present in the prosthetic knee originally, performing a work similar to the spring, but with the advantage of being adjustable. Next, all the necessary elements are designed to be able to couple the selected actuator to the orthopedic leg, carrying out a stress study to determine if the proposed parts support the loads to which they will be applied. Subsequently, in order to create a prototype, a reverse engineering process is carried out, obtaining a three-dimensional model of the knee.