PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
ESCUELA DE POSGRADO
DISEÑO MECÁNICO DE UNA PRÓTESIS ACTIVA
TRANSFEMORAL
ANEXOS
Tesis para optar el grado de Magister en Ingeniería Mecatrónica
Presentado por:
SAMUEL MEDINA BARRENECHEA
Asesor:
Ph.D. Elizabeth Roxana Villota Cerna
Jurado:
Ph.D. Dante Ángel Elías Giordano
M.Sc. Ericka Patricia Madrid Ruiz
Lima – Perú
2017
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexos Título Pág.
1 Prótesis activas transtibiales y transfemorales 1
2 Encaje femoral 26
3 Lista de exigencias 31
4 Estructura de funciones 33
5 Matriz morfológica de la prótesis 34
6 Conceptos de solución de la prótesis 36
7 Funciones de transferencia 43
1Anexo 1
PRÓTESIS ACTIVAS TRANSTIBIALES Y TRANSFEMORALES
En el presente anexo se hace una explicación de diferentes diseños de prótesis. Se
resalta de ellos los siguientes puntos: característica de la prótesis, descripción del
funcionamiento, actuadores empleados, sensores empleados, fuente de energía,
material del cual está hecho la prótesis, masa de la prótesis, masa del usuario y ángulos
de las articulaciones.
1.1. Prótesis de tobillo “PANTOE 1”
Proyecto: PANTOE 1
Características: El diseño posee dos grados de libertad. Tiene una articulación
metatarsofalángica, lo cual hace que disminuya el torque del tobillo, y así el consumo
de energía, ver figura 1.1. Durante la fase de balanceo, la posición de giro de ambas
articulaciones se regula sin necesidad de una fuerza externa. Por lo tanto el control en
esta fase se reduce solo a la posición [ZHU et al., 2010],[ZHU et al., 2014].
Figura 1.1. Prótesis accionada por motor dc y con articulación del dedo
principal [ZHU et al., 2010].
Descripción: La activación de las articulaciones del tobillo y metatarso falángicas se
lleva a cabo por medio de actuadores elásticos en serie (SEA), compuestos por motores
DC, tornillo de bolas y resortes. La energía es suministrada por una batería recargable
de litio [ZHU et al., 2010],[ZHU et al., 2014].
2Actuadores:
 Articulación del tobillo: series-elastic actuators (SEA), que proveen torque y tolerancia
al choque. Se comprende de tres resortes de 500 N/cm, una transmisión por tornillo
de bolas de 4mm de paso y un motor dc de 83W FAULHABER con encoder de
ángulo.
 Articulación metatarso falángica: series-elastic actuators (SEA), que proveen torque
y tolerancia al choque. Se comprende de cuatro resortes de 200N/cm, una
transmisión por tornillo de bolas y un motor dc de 30W con un encoder de ángulo.
Sensores:
 Uno sensor de fuerza en el adaptador del socket.
 Un sensor de ángulo en la articulación del tobillo.
 Dos sensores de tacto: uno en el talón y uno en la zona falángica.
 Un potenciómetro lineal en la zona falángica para medir el ángulo y el torque de la
articulación.
Fuente de energía: batería de litio.
Material de la prótesis: aleación de aluminio
Masa de la prótesis: 1,47 kg sin incluir la batería y el socket.
Masa del usuario: No se especifica.
Ángulos de las articulaciones: 45o del tobillo y 90o metatarso falángica.
1.2. Prótesis de tobillo multi-axial  con dos grados de libertad energizados
Proyecto: Sin nombre
Características: El diseño posee dos grados de libertad. Permite el movimiento del
tobillo en plano frontal para mejorar la caminata al momento de girar y cambiar de
dirección [FICANHA & RASTGAAR, 2014],[FICANHA et al., 2014].
Descripción: Emplea dos motores DC (A) y dos cajas reductoras planetarias (B)
operadas por los controladores de motor (C)  conectados a dos encoders de cuadratura
(D). Dos tambores de cable (E) transfieren el torque requerido al tobillo a través de una
cuerda de absorción de choque de nylon (F). Una junta universal (G) conecta el pilón al
pie y a un plato de fibra de carbono. Ambos actuadores aplican el torque al pie usando
el mecanismo de dirección de cable por poleas.  El cable está unido a un plato de fibra
3de carbono por medio de una polea (K), el cual está unido a una prótesis de pie
comercial, ver figura 1.2, [FICANHA & RASTGAAR, 2014],[FICANHA et al., 2014].
Figura 1.2. Prótesis de tobillo con capacidad de dorsiflexión, flexión plantar, inversión y
eversión. [FICANHA & RASTGAAR, 2014]
Actuadores:
 Dos motores dc (A), 0.25 N.m a 9200 rpm produce 240 watts cada uno, dando un
total de 480 watts.
 Dos cajas reductoras planetarias (B) con una relación de transmisión de 104:1. Se
produce una fuerza de 2 kN a 1,17 m/s.
 Los controladores de motor (C) operan las cajas reductoras planetarias.
Sensores:
 Dos encoders de cuadratura. Uno en cada motor.
 Galgas extensiométricas en la prótesis de pie.
 Dos encoders de rotación para la articulación del tobillo.
Fuente de energía: Dos baterías LiPo  de 11.1 v conectadas en serie con una densidad
de energía estimada de 572 kNm/kg, que equivale a 5800 pasos para un usuario de 90
kg.
Material de la prótesis: no se especifica.
Masa de la próstesis: 3 kg sin contar la masa de las baterías y el encaje femoral.
Masa del usuario: 90 kg.
4Ángulos de las articulaciones: Para una marcha lenta se tiene los valores máximos
de -6.9° de eversión y 1.4° de inversión. Para una marcha rápida los valores máximos
son de 8.9° de eversión y 2.7° de inversión.
1.3. Prótesis de tobillo energizada desarrollada por el MIT
Proyecto: Sin nombre
Características: Diseño de prótesis energizada de un grado de libertad. Posee resortes
lineales con poleas para torsión para lograr el giro del tobillo, como se muestra en la
figura 1.3. Para evitar  la obstaculización del movimiento del pie durante la fase
oscilante, un resorte en paralelo es empleado para proveer compensador rígido
rotacional [AU et al., 2007],[AU et al., 2008].
Figura 1.3. Prótesis tobillo- pie desarrollada por el MIT [AU et al., 2007].
Descripción: Se compone de cinco elementos: motor dc, transmisión, resortes en serie,
un resorte paralelo unidireccional  y una prótesis para pie de hoja de carbono
compuesto. Emplea un potenciómetro lineal para medir la deformación de los resortes
en serie. Posee resortes lineales con poleas para torsión. La rigidez del resorte es KCD
para ángulo positivo de tobillo, al considerar que los resortes en serie y paralelo trabajan
a la vez, y KCP para el ángulo negativo, al considerar que solo el resorte en serie trabaja
(ver figura 1.3). El torque adicional ΔT es usado para modelar el torque adicional por el
actuador durante la fase en la flexión plantar, ver figura 1.4, [AU et al., 2007],[AU et al.,
2008].
Posee una prótesis de pie, que consta de una hoja de fibra de carbono y  sirve para
simular la elasticidad dada por la planta del pie absorbiendo el choque durante la pisada.
5Sensores:
 Potenciómetro lineal de 5 kΩ para medir la deformación de los resortes y así obtener
la fuerza aplicada.
 Un encoder de 500 líneas de cuadratura.
 Transductores capacitivos de fuerza: se emplean seis en la planta del pie. Dos en la
parte metatarsiana y cuatro repartidas en la planta del pie.
Actuadores:
 Actuador de fuerza controlable llamado Series-Elastic Actuator (SEA). Motor dc
MAXON MOTORⓇ RE-40 de 150 W con una relación de transmisión de 133.
 Dos resortes en serie.
 Resorte paralelo de 77 kN/m
 Resortes en serie de rigidez total de 1200kN/m.
Figura 1.4. Idealización del comportamiento del tobillo en la fase estacionaria [AU et al., 2007].
6Fuente de energía: Batería de polímero de litio 48v, 4000mAh.
Material de la prótesis: aluminio.
Masa de la próstesis: 2,5 kg.
Masa del usuario: 71- 86 kg.
Ángulos de las articulaciones: dorsiflexión máxima de 15o y flexión plantar máxima
de 25o
1.4. Prótesis de tobillo “AMP-FOOT 2.0”
Proyecto: AMP-FOOT 2.0
Características: El diseño posee dos grados de libertad y la articulación metatarso
falángica es pasiva, ver figura 1.5. El propósito de este diseño es recuperar la mayor
cantidad de energía posible de la marcha e implementar un actuador eléctrico con un
consumo de energía mínimo [CHERELLE et al., 2012],[CHERELLE et al., 2014].
Descripción: Consiste en tres elementos pivotados sobre un mismo eje, eje A: pierna,
pie y el brazo de palanca. Emplea un resorte (PF), ver figura 6, para acumular energía
de la dorsiflexión de la fase estacionaria mientras el actuador introduce energía en el
otro resorte (PO). Usando un sistema de bloqueo la energía acumulada en el resorte
PO, antes del despegue del talón, es guardada en el sistema y liberada en el despegue
del dedo principal. De esta manera, es posible reducir la energía del actuador y su
tamaño, y  logra inducir el torque necesario para la propulsión en la marcha [CHERELLE
et al., 2012].
Figura 1.5. Partes de la prótesis AMP-FOOT 2.0 [CHERELLE et al., 2012].
7Figura 1.6. Resorte (PF) de 300 N/mm tipo Belleville de 29 discos [CHERELLE et al., 2012].
Actuadores:
 Resortes: resorte (PO) de 60 N/mm y resorte (PF) de 300 N/mm tipo Belleville de 29
discos.
 Motor dc: MAXON MOTORⓇ RE-30 de 60 W. Torque nominal: 51,7 mN.m y torque
pico: 150 mN.m.
 Caja reductora: MAXON MOTORⓇ GP32BZ , relación de transmisión i= 5,8:1
 Tornillo de bolas: MAXON MOTORⓇ GP32S ø10x2
Sensores:
 Encoder magnético en la articulación del tobillo.
 Sensor de fuerza resistivo en el talón y en el extremo delantero del pie.
 Medidor de tensión en la conexión de los resortes OP.
Fuente de energía: Bateria LiPo. De 14,8 v (4 celdas). 5000 mAh. Capacidad de
descarga de 250 A (continuo) y 500 A (discreto). Características físicas: 556g y
155x47x29 mm.
Masa de la prótesis: 2,5 kg
Masa del usuario: 75 kg
Ángulos de las articulaciones: No se especifica.
1.5. Prótesis de tobillo no antropomórfico
Proyecto: Sin nombre
Características: El diseño del tobillo posee un grado de libertad y permite reducir el
momento generado en el encaje femoral al entrar en contacto con el muñón. Ello
conlleva a disminuir la incomodidad del usuario y no generar una marcha anormal. El
mecanismo permite desplazar el centro de giro del tobillo [LAPRE & SUP, 2013].
8Descripción: La articulación del tobillo posee un mecanismo de cuatro barras, como se
muestra en la figura 1.7, en la que las barras L1 y L3 pertenecen a la ante pierna y al
talón respectivamente. Las longitudes L2 y L4 son iguales y las otras dos longitudes son
las variables. La variación del centro de giro se logra con cambio de la distancia entre
las articulaciones de la barra L1-L2 y L3-L4 [LAPRE & SUP, 2013].
Figura 1.7. Tobillo no antropomórfico[LAPRE & SUP, 2013].
Sensores:
 Un encoder de cuadratura en la parte posterior del motor.
 Un IMU y un giroscopio  para monitorear el eje de intersección entre el plano frontal
y transversal y saber la orientación de la tibia y determinar la fase de la marcha.
 Galgas extensiométricas debajo de la unión con el encaje femoral, para indicar el
contacto con el suelo al momento del golpe del talón.
Actuadores:
 Motor dc MAXON MOTORⓇ EC-30 de 200 W de cuatro polos. El motor está unido
a un tornillo de bolas por medio de poleas con relación de transmisión de 3:1. La
velocidad lineal del tonillo de bolas es de 7 cm/s.
 Posee un resorte neutral de equilibrio al final del tornillo de bolas para soportar la
carga en la fase estacionaria.
Material de la prótesis: aluminio 7050
Masa del usuario: 70 kg
Ángulos de las articulaciones: entre 5o y 15o.
9*No se tiene información de los siguientes puntos: fuente de energía y masa de la
prótesis.
1.6. Prótesis de tobillo con dos grados de libertad
Proyecto: SPARKy 3
Características: Este diseño de tobillo posee dos grados de libertad y está hecho para
soldados amputados que continúan en servicio activo pueda llevar a cabo movimientos
demandantes y atléticos. El diseño permite girar el tobillo en el plano sagital y coronal,
ver figura 1.8. Esto lo realiza gracias a dos motores, los cuales van unidos cada uno a
un husillo de rodillos y a un resorte. En la parte inferior de la prótesis se localiza un pie
de fibra de carbono [BELLMAN et al., 2008].
Figura 1.8. Prótesis de tobillo SPARy 3 [BELLMAN et al., 2008].
Descripción: Posee una unión tipo cardán en el tobillo. Cada motor está sujetado a la
armadura por uniones esféricas. El extremo de cada motor está sujetado a unos husillos
de rodillos y estos a unos brazos articulados. Cada brazo está pivotado en la unión tipo
cardán y el otro extremo del brazo está unido a un resorte. La relación en el brazo entre
los extremos es de 1.5:1. En cada pisada se consume 16 J [BELLMAN et al., 2008].
Actuadores:
Motor dc MAXON MOTORⓇ EC Powermax 30 de 200 W. Para periodos breves ambos
motores dan una potencia total de 1000 W.
10
Masa de la próstesis: 2,1 kg
*No se tiene información de los siguientes puntos: sensores, fuente de energía, material
de la prótesis, masa del usuario y ángulos de las articulaciones.
1.7. Prótesis de tobillo multiaxial con un grado de libertad energizado
Proyecto: Sin nombre
Característica: El diseño permite al usuario tener dos grados de libertad, en el plano
sagital y en el plano coronal. Los movimientos de dorsiflexión y flexión plantar son
realizados a través de un mecanismo que es energizado por un motor dc. Los
movimientos de inversión y eversión son movimientos no energizados por un actuador
[MASUM et al., 2014].
Descripción: Para los movimientos de dorsiflexión y flexión plantar posee en el tobillo
una articulación de esfera. El motor transmite movimiento a un tren de engranajes y este
a una sección de engranaje, el cual está pivotado en el tobillo, ver figura 1.9, [MASUM
et al., 2014].
Figura 1.9. Esquemas de la parte energizada de la prótesis [MASUM et al., 2014].
Para los movimientos de inversión y eversión, se tiene a cada lado un arreglo de resortes
y amortiguadores, ver figura 1.10.
Ángulos de las articulaciones: 7o de flexión plantar y 16o de dorsiflexión. 30o de
inversión y 15o de eversión.
*No se tiene información de los siguientes puntos: sensores, actuadores, fuente de
energía, material, masa de la próstesis, masa de la persona.
11
Figura 1.10. Control pasivo de movimientos de eversión e inversión [MASUM et al., 2014].
1.8. Prótesis de tobillo  con actuador MACCEPA
Proyecto: CYBERLEGs Alpha-Prototype
Característica: El diseño posee un grado de libertad en el tobillo. Emplea el diseño del
actuador MACCEPA como base para conseguir el movimiento. Posee dos motores dc y
la transmisión de potencia se realiza por distintas disposiciones de engranajes [FLYNN
et al., 2015]1. Las partes de la prótesis se describen en la figura 1.11.
Figura 1.11. Prótesis de tobillo CYBERLEGs prototipo alfa [FLYNN et al., 2015]1.
Descripción: El mecanismo empleado es el que pertenece al actuador MACCEPA, el
cual utiliza dos motores. Un motor, denominado el motor principal, provee de giro a la
articulación y otro motor con la función de pretensado, que regula la longitud de un
resorte. El motor principal  entrega la potencia a un par de engranajes hipoides para
conseguir una relación de transmisión de 10:1. Seguidamente, un sistema de ejes
planetarios consigue que la velocidad tenga una relación de 86:1. El motor para el
pretensado posee una caja de engranajes reduce la velocidad a una relación de 1621:1.
Luego de ello la velocidad es más reducida a una relación final de 1,2:1 [FLYNN et al.,
2015]1. El esquema del mecanismo del actuador se aprecia en la figura 1.12.
12
Actuadores:
El actuador MACCEPA se compone de lo siguiente:
 Un motor principal MAXON MOTORⓇ RE 30 de 60 W con un par de engranajes
hipoides con relación de transmisión de 10:1 y un sistema de ejes planetarios de
86:1.
 Un motor para el pretensado MAXON MOTORⓇ ECMax de 16,8 W con una caja de
engranajes de 1621:1 conectado una relación final de 1,2:1.
 Un resorte de 5kN/m.
Masa de la próstesis: 5,2 kg
Masa del usuario: 80 kg
*No se tiene información de los siguientes puntos: sensores, fuente de energía, material
de la prótesis, masa del usuario y ángulos de las articulaciones.
Figura 1.12. Configuración de actuador MACCEPA [FLYNN et al., 2015]1.
1.9. Prótesis de rodilla “AAAKP”
Proyecto: Agonist-antagonist active knee prosthesis (AAAKP)
Característica: Este diseño de rodillo es de tipo monocéntrico y permite tener el control
tanto de la extensión como de la flexión. Posee dos actuadores tipo SEA situados en la
misma dirección para reducir el volumen. El ángulo de flexión máximo es de 120o, ver
figura 1.13. En la parte inferior posee una prótesis de pie flexible de fibra de carbono
[MARTINEZ-VILLALPANDO et al., 2011],[MARTINEZ-VILLALPANDO et al., 2008].
Descripción: Ambos actuadores SEA tienen la misma dirección de ejes. Los actuadores
no están unidos directamente a la articulación, sino que el final de cada actuador está
13
unido a un dispositivo que se sujeta a una polea dentada y por medio de una faja se
transmite la potencia a la articulación de la rodilla, ver figura 1.14.
Figura 1.13. Prótesis de rodilla “AAAKP” [MARTINEZ-VILLALPANDO et al., 2011].
Figura 1.14. Esquema de elementos de prótesis de rodilla “AAAKP” [MARTINEZ-
VILLALPANDO et al., 2011].
Sensores:
 Un encoder digital (medición lineal) para el ángulo del tobillo.
 Dos encoders digitales (rotacionales) para el desplazamiento de los motores.
 Sensor radiométrico lineal de efecto hall para medir la compresión de cada resorte.
 Una plantilla de resistencia sensible a la fuerza de contacto para medición en el talón
y en la zona falángica.
 Unidad de medición de inercia IMU para medir la aceleración del miembro.
Actuadores: Posee dos actuadores tipo SEA.
 Dos motores dc. El motor para extensión de la articulación es MAXON MOTORⓇ
RE40 y el motor para flexión de la articulación es MAXON MOTORⓇ RE30.
 Tornillo de bolas que están unidos directamente a los motores.
 Resorte para flexión: F k = 104.5 N.m/rad.
14
 Resorte para extensión: E k = 146.0 N.m/rad.
Fuente de energía: Batería de polímetro de litio de 6 celdas (22.2v nominal).
Material de la prótesis: aluminio.
Masa de la próstesis: 3,6 kg.
Masa de la persona: 81 kg.
Ángulos de las articulaciones: ángulo de flexión 120o.
1.10. Prótesis de rodilla policéntrica
Proyecto: Sin nombre
Característica: El diseño ofrece una rodilla policéntrica con la finalidad de reducir el
costo metabólico al caminar, ver figura 1.15, [POLIAKOV et al., 2013].
Descripción: La articulación de la rodilla consta de un mecanismo de cuatro barras
denominada rodilla policéntrica. Las dimensiones de las barras varían de acuerdo a la
naturaleza propia del usuario.
Figura 1.15. Prótesis de rodilla policéntrica [POLIAKOV et al., 2013].
Sensores:
 Giroscopios digitales ITG3205 para medición de la velocidad angular de los
acoplamientos rotatorios.
 Un acelerómetro digital ADXL345 para medición de la aceleración lineal del centro
de masa de los acoplamientos.
 Un encoder digital de rotación en la articulación de la rodilla y del pie.
 Sensores de presión en la articulación de la rodilla y del pie.
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 Magnetómetro digital junto a los acelerómetros y giroscopios.
Actuadores:
 Motor dc.
*No se tiene información de los siguientes puntos: fuente de energía, material, masa de
la prótesis, masa de la persona y ángulos de las articulaciones.
1.11. Prótesis de rodilla y tobillo para subir pendientes
Proyecto: Sin nombre
Características: Diseño de prótesis de rodilla y tobillo  tiene la capacidad de poder subir
pendientes de 5o y 10o, ver figura 1.17. Puede generar 75Nm y 150W en la junta de la
rodilla y 130 Nm y 250W en la flexión plantar, ver figura 16. Posee un sistema embebido
localizado al lado de la pantorrilla (1306) [SUP et al., 2011],[GOLDFARB et al., 2014].
Figura 1.16. Prótesis de rodilla y tobillo para subir pendientes [SUP et al., 2011],
[GOLDFARB et al., 2014].
Descripción: Posee dos actuadores SEA, uno para el tobillo y otro para la rodilla. El
acelerómetro localizado en la pantorrilla indica la inclinación de la prótesis para poder
definir la pendiente y así cambiar el control al deseado, como se muestra en la figura
1.16.
Sensores:
 Un acelerómetro analógico ADXL330.
16
 Dos sensores de carga, en el talón y en la zona metatarsiana.
 Un sensor de corriente de efecto Hall ACS712.
 Dos potenciómetros de precisión ALPS RDC503013. Uno para cada articulación.
Actuadores: Posee dos actuadores tipo SEA.
 Dos motores dc. El motor para extensión de la articulación es MAXON MOTORⓇ
EC30.
 Tornillo de bolas que están unidos directamente a los motores de 12 mm de diámetro
y 2 mm de paso.
 Tres resortes con rigidez de 38,5 kN/m.
Fuente de energía: Batería de polímero de litio de 29.6 v, 3.9 A h y 700 g.
Material de la prótesis: aluminio 7075
Masa de la próstesis: 4,8 kg
Masa de la persona: 70 kg
Ángulos de las articulaciones: ángulo de flexión en la rodilla de 120o,  ángulo de
flexión plantar de 45o y un ángulo de dorsiflexión de 20o.
Figura 1.17. Sistema de detección de pendiente [SUP et al., 2011],[GOLDFARB et al., 2014].
1.12. Prótesis hidráulica semi activa de rodilla-tobillo
Proyecto: Sin nombre
Característica: El diseño emplea dos actuadores hidráulicos y una sola bomba. El
diseño tiene dos ventajas: la primera es que la rodilla y el tobillo nunca producen energía
positiva por mucho tiempo simultáneamente durante el ascenso de escaleras, y la
segunda es que el tobillo produce más energía positiva que la rodilla durante la marcha.
La arquitectura del sistema contiene cinco elementos principales: Unidad de transmisión
17
hidráulica, un actuador en el tobillo, un actuador en el tobillo, prótesis de pie de fibra de
carbono y una articulación de postura controlada. La articulación de postura controlada
se bloquea bajo carga y pivotea libremente durante la fase de balanceo [PILLAI et al.,
2011]. Un detalle de ella se muestra en la figura 1.18.
Descripción: El actuador del tobillo es conectado al pie protésico por medio de una
cuerda de alambre. El actuador, al jalar la cuerda de alambre, flexiona al pie y almacena
energía para propulsar al usuario.
El circuito hidráulico posee una válvula de cuatro estados. Los estados más importantes
son los siguientes: Energizar solo el tobillo (para la fase de despegue del talón),
energizar solo la rodilla (para subir escaleras y para la parte final de la fase de balanceo).
Posee dos sensores de presión, uno para cada actuador, ver figura 1.19.
Figura 1.18. Prótesis hidráulica semi activa de rodilla-tobillo [PILLAI et al., 2011].
Figura 1.19. Circuito hidráulico de Prótesis semi activa de rodilla-tobillo [PILLAI et al., 2011].
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Sensores:
 Dos sensores de presión.
 Un encoder para el barril de la válvula.
 Un encoder magnético para medir el ángulo relativo de la rodilla.
 Un acelerómetro en la pantorrilla.
 Un giroscopio en la pantorrilla.
 Un transductor de fuerza encima de la junta del tobillo para medir momentos en el
plano sagital y fuerzas axiales a lo largo de la pantorrilla.
Actuadores:
 Motor dc MAXON MOTORⓇ EC-powermax 30, 48v.
 Dos cilindros hidráulicos.
 La función del resorte del tobillo lo realiza el pie protésico.
Masa de la persona: 100 kg
Ángulos de las articulaciones: ángulo de dorsiflexión de 15o.
*No se tiene información de los siguientes puntos: fuente de energía, material de la
prótesis y masa de la prótesis.
1.13. Prótesis de rodilla con almacenamiento de energía y regeneración por medio de
un supercapacitor
Proyecto: Sin nombre
Característica: Prótesis electromecánica de rodilla con almacenamiento de energía y
regeneración. Posee un motor-generador que proporciona torque activo o pasivo a la
rodilla. Emplea como actuador un motor con tornillo de bolas (MBSN) para lograr la
flexión de la articulación, como se ve en la figura 1.20 en lugar de la longitud “b-link”
[RARICK et al., 2014].
Descripción: El movimiento rotacional es convertido a lineal por medio de tornillo de
bolas. El sistema de control regula el intercambio de energía entre el motor-generador
y el supercapacitor. Se emplea supercapacitores porque ellos almacenan poca cantidad
de energía en tiempos muy pequeños. Tienen poca densidad de energía pero bastante
densidad de potencia, ver figura 1.21.
19
Figura 1.20. Prótesis de rodilla con almacenamiento de energía y regeneración por medio de
un supercapacitor [RARICK et al., 2014].
El transformador dc ideal es un puente H que posee cuatro modos: motorizar
más/menos y generar más/menos, donde más/menos indica el sentido de giro del motor,
ver figura 1.21.
Actuadores:
 Motor MAXON MOTORⓇ.
 Puente H con MOSFETS.
 Resorte de torsión.
Fuente de energía: Se emplea un supercapacitor de 409 F.
*No se tiene información de los siguientes puntos: sensores, material de la prótesis,
masa de la prótesis, masa del usuario y ángulos de las articulaciones.
Figura 1.21. Esquema del sistema electromecánico y esquema del transformador DC ideal
expresado como puente H [RARICK et al., 2014].
20
1.14. Prótesis de rodilla con actuador lineal
Proyecto: Sin nombre
Característica: El diseño es de una rodilla policéntrica accionada por un motor lineal,
ver figura 1.22. Permite al usuario tener una marcha más semejante a lo real.
Descripción: Está incorporado con un motor híbrido lineal de paso. Su unión es de
cuatro barras. Cuando el eje del motor  se estira, la parte activa del mecanismo de cuatro
barras gira y la prótesis se flexiona [GENG et al., 2012].
Figura 1.22. Prótesis de actuador lineal [GENG et al., 2012].
Actuadores:
 Un motor híbrido lineal de paso HAYDONTM modelo 57000.
*No se tiene información de los siguientes puntos: sensores, fuente de energía, material
de la prótesis, masa de la prótesis, masa del usuario y ángulos de las articulaciones.
1.15. Prótesis de rodilla “CYBERLEGS beta-Prosthesis”
Proyecto: CYBERLEGS beta-Prosthesis
Características: Tiene dos grados de libertad, en la rodilla y en el tobillo. Ambas
articulaciones son energizadas. Hay un actuador SEA para cada articulación [FLYNN et
al., 2015]2.
Descripción: Se compone de: Mk que es el motor de la rodilla, KBL en el resorte de base
de la rodilla, KEX es el resorte de extensión. La sección de recepción de peso, que está
sombreado en gris, se compone del motor de recepción de peso Mwa y de su respectivo
resorte Kwa. El torque de la rodilla, expresado como Tk y la fuerza transmitida al tobillo
se representa FET, ver figura 1.23. Los resortes  empujan o jalan la varilla unida a la junta
21
de la rodilla, así la energía de KBL puede ser guiada al tobillo cuando la rodilla es
flexionada [FLYNN et al., 2015]2.
Actuadores:
Posee dos actuadores SEA repartidos en el mecanismo MACCEPA. La energía que
ingresa al mecanismo proviene del tobillo.
Masa del usuario: 80 kg
*No se tiene información de los siguientes puntos: sensores, fuente de energía, material
de la prótesis, masa de la prótesis y ángulos de las articulaciones.
Figura 1.23. Proyecto Cyberlegs beta-prosthesis [FLYNN et al., 2015]2.
1.16. Prótesis de rodilla con cadenas
Proyecto: Prótesis de rodilla APK
Características: Tiene un grado de libertad, ya que solo presenta la articulación de la
rodilla. La eficiencia total de la prótesis considerando las uniones articuladas, husillo de
bolas y servomotor es de 46,4%. El costo de la estructura de aluminio, el husillo de
bolas, la transmisión de cadena y el servomotor es menor a US$ 2000 [BORJIAN et al.,
2008].
Descripción: Se compone básicamente de tres elementos: el brazo de momento,
estructura de la tibia y el conjunto actuador. El conjunto actuador está dividido en un
servomotor, un husillo de bolas y una transmisión de cadena, como se muestra en la
22
figura 1.24. La potencia es dada al servomotor el cual, a través de la transmisión de
cadena se disminuye la velocidad a la entrada del husillo de bolas. Luego, el movimiento
rotacional se transforma en movimiento lineal y se transmite al brazo de momento que
se encuentra en el fémur [BORJIAN et al., 2008].
Figura 1.24. Proyecto APK [BORJIAN et al., 2008].
Actuadores:
 Servo motor, con valores pico de 7468 rpm y 0,201 Nm.
 Dos engranajes y cadena. Relación de transmisión 3,2:1
Sensores:
 Un encoder.
 Un acelerómetro DE-ACCM5G. Se coloca en el brazo de momento, que ubica en el
fémur, para leer el ángulo de inclinación. Se prefiere colocarlo ahí y no en la tibia
porque hay menos disturbio.
 Un potenciómetro rotacional 20kΩ ± 10%, para medir la extensión y flexión de la
rodilla.
Material: aluminio AA6061.
Masa de la prótesis: 3,64 kg (Considerando: estructura de aluminio, husillo de bolas,
engranajes y motor).
*No se tiene información de los siguientes puntos, fuente de energía, y ángulos de las
articulaciones.
23
1.17. Prótesis de pierna con empleo de muelle en el tobillo
Proyecto: Sin nombre
Características: Tiene dos grados de libertad, en la rodilla y el tobillo. Solo la
articulación del tobillo presenta elementos de almacenamiento de energía [FU et al.,
2013].
Descripción:
La articulación del tobillo presenta dos resortes, uno en serie y otro en paralelo. El
resorte en paralelo es de forma espiral y sirve para la dorsiflexión. El resorte en serie es
un muelle y sirve para la flexión plantar, ver figura 1.25. Se emplea el ángulo obtenido
por los encoders de tobillo y del actuador de tobillo para calcular la deformación del
muelle [FU et al., 2013].
Figura 1.25. Prótesis de pierna con empleo de muelle en el tobillo [FU et al., 2013].
Actuadores:
 Dos motores dc MAXON MOTORⓇ EC30 de 200 W. Cada uno con caja reductora y
husillo de bolas de 12 mm de eje y 2 mm de paso.
 Un muelle de 500 kN/m.
 Un resorte en espiral de 700 kN/m.
Sensores:
 Dos encoders. Uno en cada motor para medir ángulo y velocidad.
 Dos encoders. Uno en cada eje de la articulación de la rodilla y tobillo.
 Un sensor de fuerza uniaxial colocada en serie con en actuador de la rodilla.
24
Material: Solo especifica material del muelle, el cual es de latón de zinc y manganeso.
Masa del usuario: 75 kg.
Fuente de energía: batería
Ángulos en las articulaciones: la rodilla puede girar de 00 a 1000 y el tobillo de -300 a
200.
*No se tiene información de los siguientes puntos: masa de la prótesis.
1.18. Prótesis transfemoral con actuadores neumáticos
Proyecto: Sin nombre
Características: Tiene dos grados de libertad, en la rodilla y el tobillo. Ambos son
movidos por actuadores neumáticos, ver figura 1.26, [SUP et al., 2007].
Descripción: Emplea un pie protésico de perfil bajo de marca OTTO BOCKⓇ Lo Rider.
Para la unión de la prótesis con el pie protésico y con el encaje femoral se utiliza
conectores piramidales estándar. Para las condiciones de diseño, el factor de seguridad
se encuentra entre 1,7 y 3,7 [SUP et al., 2007].
Figura 1.26. prótesis transfemoral con actuadores neumáticos [SUP et al., 2007].
Actuadores:
Dos actuadores neumáticos de doble efecto. Modelo Bimba 17-3-DP para la articulación
de la rodilla y modelo Bimba 17-2.75-DP para la articulación del tobillo. La presión de
trabajo es de 2 MPa. La fuerza producida es de 2270 N (510 lbf) en la expansión y 2070
N (465 lbf) en el retorno. Los dos actuadores son controlados por una válvula de cuatro
vías.
25
Sensores:
 Dos potenciómetros de precisión ETI Systems modelo SP12S, uno en cada
articulación, empleados como sensor de movimiento. Los potenciómetros se
encuentran dentro un par de cojinetes de bronce seco y teflón (modelo Garlock DU).
 Sensor de carga uniaxial (HONEYWELL SENSOTECⓇmodelo 11), ubicados en línea
con el cilindro pistón del actuador, para medir el torque en cada junta.
 Sensor de carga en tres ejes, para medir: la fuerza axial, el momento en el plano
sagital y el momento en el plano frontal situado en la interfaz entre el encaje femoral
y la prótesis.
Material: aluminio AA7075-T6, con esfuerzo de fluencia mínimo de of 500 MPa.
Masa del usuario: 75 kg.
Masa de la prótesis: 2,65 kg
Fuente de energía: nitrógeno comprimido a 2 MPa.
Ángulos en las articulaciones: la rodilla puede girar de 00 a 700 y el tobillo de -100 a
70.
26
ANEXO 2
ENCAJE FEMORAL
En la actualidad existen dos maneras de poder unir la prótesis al muñón. La primera es
por medio del empleo de un encaje femoral y la otra es por medio del anclaje óseo. Esta
última consiste en unir la prótesis transcutáneamente al hueso usando un implante
intramedular dentro del fémur. El anclaje óseo, en comparación con el encaje femoral,
brinda mayor estabilidad, mejor fijación, mejor comodidad en la sedestación, rango
amplio en el movimiento de la cadera, incremental a habilidad de caminar, etc [VAN DE
MEENT et al., 2013]. Sin embargo, existe la tendencia a generar infecciones alrededor
de una piel y el implante [PITKIN et al., 2010].
El encaje femoral, por otro lado, no demanda de intervención quirúrgica para instalación
la unión con la prótesis ya que consta de un elemento en forma de copa en el cual se
introduce el muñón y se sujeta a él, pero con la desventaja que tiende a generar
problemas en la piel en ciertas zonas del muñón, ya que estas zonas no siempre es
resistente al peso o a la fricción causada por el encaje durante la marcha [PITKIN et al.,
2010]. Para atenuar este efecto negativo de encaje en el muñón Nader [NADER &
NADER, 2000] menciona que el encaje femoral debe poseer cuatro funciones
principales: recibir correctamente del volumen del muñón, considerando factores
anatómicos como biomecánicos, adaptar la prótesis al muñón de forma segura, elaborar
las condiciones adecuadas para la transmisión de fuerzas y controlar la prótesis de
forma segura.
2.1. Tipos de encajes
Existen básicamente tres tipos de encaje femoral, los cuales son: encaje convencional,
encaje por estabilización a compresión y liberación, y encaje regulable. El uso de cada
tipo de encaje femoral depende de la recomendación dada por la persona a cargo de la
salud del amputado. A continuación se hace una explicación de cada uno resaltando las
bases del diseño y fabricación.
27
2.1.1. Encaje convencional
Este tipo de encaje es el más común y barato.  Son hechos mayormente de resina
acrílica. El procedimiento clásico es el descrito por NG [NG et al, 2002] se compone de
cuatros pasos descritos a continuación y en la figura 2.1:
 Se toman las medidas físicas del muñón en detalle y se toma un molde negativo de
yeso del muñón.
 Luego se crea un molde positivo llenando el molde con yeso de Paris. Se hace
rectificaciones al molde comparándolo con las medidas tomadas anteriormente.
 Se  crea un  encaje de verificación recubriendo el molde positivo con plástico
transparente.
 Pruebas preliminares se hace usando el encaje de verificación. Las formas de
menor ajuste se logran calentando el encaje. Después de varias pruebas y con la
conformidad del usuario se vuelve a hacer un molde positivo a partir del encaje de
verificación y con ello se hace el encaje final con resina acrítica o resina con capas
de fibras.
(a) (b)                    (c)                   (d)
Figura 2.1. Procedimiento de fabricación de encaje femoral convencional [NG et al, 2002].
Empresas dedicadas a la fabricación de encajes, como ÖSSURⓇ y OTTOBOCKⓇ,
brindan los productos y procedimientos detallados de la fabricación del encaje, los
cuales toman como base al procedimiento clásico. En la figura 2.2 se muestran los
materiales empleados para fabricar un encaje femoral ÖSSURⓇ, los cuales son: manga
de capas de fibra la cual se amolda a la forma, banda de compresión que recubre a la
manga mientras la resina se seca, mangueras  que permiten el ingreso de la resina
líquida, y los cartuchos de resina que se ingresan por inyección en las mangueras.
28
Ciertos encajes poseen una válvula de succión con el fin de retirar el aire entre la pierna
residual y el encaje, sosteniendo el muñón por vacío.
Figura 2.2. Sistema modular de fabricación de encaje ÖSSUR [OSSUR, 2016].
2.1.2. Encajes por estabilización a compresión y liberación
En comparación con el encaje convencional, el diseño del encaje por estabilización y
liberación permite al hueso reducir el desplazamiento producto de la compresión de
tejidos blandos antes de transmitir la fuerza o torque a la prótesis. Esto lo logra a través
de tres o más depresiones longitudinales que comprimen y desplazan el tejido entre las
paredes del encaje y el hueso con el fin de reducir el desplazamiento perdido cuando el
hueso es movido con respecto del encaje. Las áreas de descanso entre las áreas
depresiones son abiertas con el fin de acomodar el tejido desplazado [ALLEY, 2011]. La
figura 28 (a) muestra desde la sección transversal del muñón la forma como el encaje
lo comprime. En la figura 2.3 (b) muestra el encaje unido a la prótesis y a una persona
utilizando el encaje.
(a) (b)
Figura 2.3. Encajes por estabilización a compresión y liberación [Alley, 2011]. (a) compresión del
muñón por el encaje vista desde una sección trasversal. (b) Encaje unido a la prótesis y al
usuario.
29
2.1.3. Encaje regulable
Encaje inventado por la empresa LIM INNOVATIONSⓇ [LIM INNOVATIONS, 2016], ver
figura 2.4. Es un encaje modular versátil, moldeado a medida, diseñado para
proporcionar el máximo nivel clínico, así como la capacidad de ajuste iniciada por el
usuario para acomodar la fluctuación diaria del volumen y proporcionar un nivel sin
precedentes de función y comodidad para el usuario.
Posee alrededor placas intercambiables de fibra de carbono que admiten contracturas
e indicaciones de fuerza. Permite también el ajuste angular y radial ya que pueden variar
su longitud  e inclinación. Posee, también, un asiento isquial, y ajuste vertical y lateral,
que permite al protésico encontrar el ajuste ideal para el usuario.
Figura 2.4. Encaje femoral INFINITE SOCKET TFⓇ [LIM INNOVATIONS, 2016].
2. Accesorios
El encaje femoral interactúa con dos accesorios principalmente para su funcionalidad.
El primer accesorio permite la unión entre en encaje femoral y el segmento femoral y lo
hace a través de un juego de adaptador piramidal de cuatro agujeros. El juego del
adaptador se compone de dos partes: hembra y macho. Estos se unen entre sí por
cuatro prisioneros que posee el adaptador hebra, ver figura 2.5 (a) y (b). Para el presente
proyecto se emplea el juego de adaptadores para un peso límite de 100 kg [OSSUR,
2016], del cual el adaptador macho es el que se conecta al segmento femoral en la parte
superior del pilar.
El segundo accesorio es el revestimiento. Este tiene forma de manga y es una cubierta
protectora que está hecha de un material flexible y amortiguador. Tiene la función de
reducir el movimiento y frotamiento entre la piel y el encaje. Los revestimientos están
30
diseñados con características específicas para trabajar con diferentes condiciones, ver
figura 2.5 (c).  Está hecho comúnmente de silicona [OTTOBOCK, 2016]. Ciertos
revestimientos requieren de lubricante protésico para que puedan entran fácilmente al
encaje.
(a) (b)                                           (c)
Figura 2.5. Accesorios del encaje femoral. (a) Adaptador piramidal macho [29]. (b) Adaptador
piramidal hembra [OSSUR, 2016]. (c) revestimiento de muñón de fémur [OTTOBOCK, 2016].
31
ANEXO 3
LISTA DE EXIGENCIAS
D / E Descripción
E
FUNCION PRINCIPAL:
La prótesis activa reproduce los movimientos en las articulaciones de la rodilla, tobillo
y metatarso-falángica desarrollados durante la rutinas de la marcha. Además, puede
acomodarse a la bipedestación y sedestación.
E GEOMETRÍA:Altura máxima de 70 cm, altura mínima 50 cm.
E MASA:Máxima de 6,5 kg.
E
CINEMÁTICA Y CINÉTICA:
Marcha:
 velocidad máxima: 1,5 m/s.
 Ángulos en las articulaciones: flexión de rodilla de 3o a 50º, dorsiflexión: 7o,
flexión plantar: 20 o, flexión metatarso-falángica: 0o a 25o .
 Momento interno de las articulaciones: flexión de rodilla (0 a 0,8) Nm/kg,
dorsiflexión: (0 a 1,5) Nm/kg, flexión plantar: (0 a 2) Nm/kg.
 Potencia de articulación: rodilla (0 a 2) W/kg y flexión plantar (0 a 4,5) W/kg.
Sedestación:
 Ángulo máximo de la flexión de la rodilla: 0o a 100o, ángulo de dorsiflexión: 0o a
10o, ángulo de flexión plantar 22o y ángulo de flexión metatarso-falángica 0o.
Bipedestación:
 Ángulo de flexión rodilla -1o, ángulo de dorsiflexión 0o y ángulo de flexión
metatarsofalángica 0o.
CARGA:
E Masa máxima a soportar en el encaje femoral de 80 kg.
ENERGÍA:
E  Se emplea una batería.
D  Uso de elementos con capacidad de almacenamiento de energía.
SEÑALES
El sistema de procesamiento deberán medir:
D  Señales electromiográficas para la detección de la intención de movimiento.
D  Ángulo de flexo-extensión en la rodilla: 0o a 120o.
D  Fuerza sobre la prótesis de rodilla de al menos 1.5 veces el peso del usuario.
D  Velocidad máxima durante la marcha: 2 m/s.
D  La señal de apoyo sensorial es una señal proveniente de la activación de losmúsculos.
D  Residuales con taza de muestreo: 300 Hz.
D  Fuerzas de hasta: 200 kgf.
SEGURIDAD (basada ISO 13482 - Safety requirements for personal care
robots):
Usuario:
D  Se tiene una carcasa de protección que evite el contacto directo entrecomponentes potencialmente perjudiciales para el usuario (batería, actuadores).
E
Prótesis:
 Temperatura a soportar de -10 oC a 50 oC.
 Altitud de funcionamiento < 1000 m s. n. m.
D  Se tiene una carcasa de protección que evite el ingreso de materiales externosque puedan dañar a los componentes del sistema de control y hardware asociado.
E  Medidas de protección de suministro y almacenamiento de energía.
E  Medidas de protección riesgos debidos a movimiento de la prótesis que salen dellímite de los rangos permitidos.
32
E
GRADOS DE LIBERTAD:
Tres grados de libertad, considerando 4 eslabones en serie (todos con movimiento en
el plano sagital).
E ERGONOMIA:Uso de la norma ISO 6385.
E
MANTENIMIENTO; debe realizarse por:
 El usuario a nivel superficial, al menos una vez por semana.
 El técnico a nivel de detalle (componentes internos) al menos cada 6 meses.
D MONTAJE:Diseño modular.
D
FABRICACIÓN:
 Uso de materiales y accesorios que se encuentren disponibles en el mercado
nacional.
 Fabricación de piezas empleando procesos de manufactura convencionales que
se realicen en talleres nacionales.
E
COSTO:
Costo de diseño: máximo s/. 10 000.00
Costo de fabricación: s/. 15 000.00
ANEXO 4
ESTRUCTURA DE FUNCIONES
ANEXO 5
MATRIZ MORFOLÓGICA DE LA PRÓTESIS
Concepto de
Solución 1
Concepto de
Solución 2
Concepto de
Solución 3
Concepto de
Solución 4
Concepto de
Solución 5
1
Alm
ac
en
ar
ba
ter
ía Contenedor en
segmento femoral
Contenedor en
segmento tibial
Contenedor en
segmento del pie
Ge
ne
rar
 fu
erz
a
pa
ra 
rod
illa
Motor rotacional Motor lineal Micro bombahidráulica
2
Mu
ltip
lica
r fu
erz
a
(Fé
mu
r-T
ibia
) Engranajes Cadena
Faja dentada y
poleas Tornillo sin fin Husillo de bolas
Diferencia de áreas
con flujo hidráulico
Diferencia de áreas
con flujo
neumático
Leva Juego de palancas
3
Tra
ns
mi
tir 
fue
rza
(Fé
mu
r-T
ibia
) Engranajes Cadena Faja dentada ypoleas Flujo hidráulico Flujo neumático
Flujo de esferas Juego de palancas
Ge
ne
rar
 fu
erz
a
pa
ra 
tob
illo
Motor rotacional
1
Motor lineal Micro bomba
hidráulica
4
Mu
ltip
lica
r fu
erz
a
(Ti
bia
-Pi
e)
Engranajes
Cadena
Faja dentada y
poleas
Tornillo sin fin Husillo de bolas Diferencia de áreas
con flujo hidráulico
Diferencia de áreas
con flujo
neumático
Leva Juego de palancas
5
Tra
ns
mi
tir 
fue
rza
(Ti
bia
-Pi
e)
Engranajes
Cadena
Faja dentada y
poleas Flujo hidráulico Flujo neumático Flujo de esferas Juego de palancas
6
Tra
ns
mi
tir 
fue
rza
al 
se
gm
en
to
fem
ora
l
Encaje femoral
ajustable Encaje femoralrígido
7
Re
sis
tir 
fue
rza
s
en
 el
 se
gm
en
to
fem
ora
l
Pilar Forma humana Carcasa Estructural
8
Tra
ns
mi
tir
fue
rza
s a
l
se
gm
en
to 
tib
ial ArticulaciónMonocéntrica
Articulación
Policéntrica
9
Tra
ns
for
ma
r
en
erg
ía 
(Fé
mu
r-
Tib
ia)
Generador de
corriente
eléctrica
Resorte lineal Resorte de torsión Resorte
Belleville
Hoja de muelle Bomba hidráulica Pistón neumático
10
Alm
ac
en
ar
en
erg
ía 
(Fé
mu
r-
Tib
ia)
Batería Resorte lineal Resorte de torsión ResorteBelleville Hoja de muelle Supercapacitor
Tanque de aire
11
Re
sis
tir 
fue
rza
s
en
 el
se
gm
en
to
tib
ial
Pilar Forma humana Carcasa Estructura
12
Tra
ns
mi
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fue
rza
s a
l
se
gm
en
to 
de
l
pie
Articulación
Monocéntrica
Unión universal Articulación
esférica Articulaciónpolicéntrica
13
Tra
ns
for
ma
r
en
erg
ía 
(Ti
bia
-
Pie
)
Generador de
corriente
eléctrica Resorte lineal
Resorte de torsión Resorte
Belleville Hoja de muelle
Bomba hidráulica Pistón neumático
14
Alm
ac
en
ar
en
erg
ía 
(Ti
bia
-
Pie
)
Batería
Resorte lineal Resorte de torsión ResorteBelleville Hoja de muelle Supercapacitor
Tanque de aire
15
Re
sis
tir 
fue
rza
s
en
 el
 se
gm
en
to
de
l p
ie
Estructura rígida Plancha rígida Forma humana
16
Tra
ns
mi
tir
fue
rza
s a
l
se
gm
en
to
fal
án
gic
o
Articulación
monocéntrica
Deformación por
flexión
17
Tra
ns
for
ma
r
en
erg
ía 
(Pi
e-
Fa
lan
ge
)
Generador de
corriente eléctrica Resorte lineal
Resorte de torsión Resorte
Belleville Hoja de muelle Bomba hidráulica Pistón neumático
18
Alm
ac
en
ar
en
erg
ía
(Pi
e-
Fa
lan
ge
)
Batería Resorte lineal Resorte de torsión Resorte
Belleville Hoja de muelle Supercapacitor
Tanque de aire
19
Re
sis
tir 
fue
rza
s
en
 el
 se
gm
en
to
fal
án
gic
o
Estructura rígida Plancha flexible Forma humana
Concepto de Solución Tipo de línea
1
2
3
4
5
36
ANEXO 6
CONCEPTOS DE SOLUCIÓN DE LA PRÓTESIS
Se realiza esquemas de los conceptos de solución de la prótesis, los cuales son cinco
y se muestran  a continuación con su respectiva descripción.
6.1. Concepto de solución 1
Descripción:
Emplea un encaje femoral rígido. Esto demanda que el encaje sea hecho a la medida
del muñón del paciente. El segmento femoral, tibial, del pie y falángicas están hechos
con disposiciones determinadas de perfiles. Esto con la finalidad de reducir la masa de
cada segmento emplear perfiles con poca área de sección y, también, darle una forma
casi similar a la humada. El concepto de solución se muestra en la figura 6.1.
Vista lateral Vista posterior
Figura 6.1. Vista lateral y posterior del concepto de solución 1.
37
La articulación de la rodilla, tobillo y metatarsofalángica son monocéntricas para ser más
sencillo su movimiento. La energía cinética es transformada y almacenada en resortes
lineales en cada articulación. Emplea una batería, localizada en el segmento tibial, para
suministrar energía a los actuadores, los cuales son motores rotacionales unidos a un
husillo de bolas. El movimiento rotacional es transformado en lineal para lograr una
separación entre el segmento femoral y tibial, y entre el segmento tibial y del pie.
6.2. Concepto de solución 1
Descripción:
Emplea un encaje femoral ajustable. Esto permite que el encaje se adapte al muñón del
paciente. El segmento femoral y tibial con forma de carcasa son capaces de soportar
los esfuerzos generados por las cargas y brindar protección del exterior. El segmento
del pie está hecho de una plancha metálica y el segmento falángico está hecho de la
plancha flexible.
La articulación de la rodilla y la del tobillo son monocéntricas, esto con la intensión que
hacer un mecanismo simple. La articulación metatarsofalángica emplea un muelle para
almacenar la energía al flexionarse. La energía cinética es transformada y almacenada
en resortes torsión en las articulaciones de la rodilla y tobillo. Emplea una batería
localizada en el segmento femoral para suministrar energía a los actuadores, los cuales
son motores lineales unidos a un eslabón de una cadena. El movimiento lineal es
transformado en rotacional por medio de ruedas dentadas. El torque generado es
multiplicado y entregado a cada articulación mediante un par de engranajes. El concepto
de solución se muestra en la figura 6.2.
38
Vista lateral Vista posterior
Figura 6.2. Vista lateral y posterior del concepto de solución 2.
6.3. Concepto de solución 3
Descripción:
Emplea un encaje femoral rígido, lo que conlleva a que el encaje sea hecho a la medida
del muñón del paciente. El segmento femoral y tibial están hechos de pilares, para que
así cada segmento sea de forma simple y ocupe poco volumen transversal. Los
segmentos del pie y falángica están hechos de una estructura rígida, para evitar
deformaciones significativas.
La articulación de la rodilla es monocéntrica para simplificar el movimiento de esta. La
articulación del tobillo es una unión esférica para tener movimientos de eversión e
39
inversión que se amolden a la inclinación del suelo y ocupe poco volumen. La
articulación metatarsofalángica es monocéntrica y emplea un resorte de torsión para
retornar a su estado inicial luego de finalizar cada pisada. La energía cinética generada,
en el plano sagital, en las articulaciones de la rodilla y tobillo es transformada en energía
eléctrica por medio de generadores y almacenada en supercapacitores. Emplea una
batería situada en el segmento tibial para suministrar energía a los actuadores, los
cuales son motores rotacionales. El torque producido por el actuador es multiplicado por
un par de engranajes y transmitido a cada articulación por medio de fajas dentadas.
Solo en el tobillo se emplea adicionalmente un segmento de engranaje y dos resortes
laterales. Todo esto se hace para conseguir los movimientos de eversión e inversión. El
concepto de solución se muestra en la figura 6.3.
Vista lateral Vista posterior
Figura 6.3. Vista lateral y posterior del concepto de solución 3.
40
6.4. Concepto de solución 4
Descripción:
Emplea un encaje femoral ajustable, que permite que el encaje se adapte al muñón del
paciente. El segmento femoral, tibial, del pie y falángicas están hechos con
disposiciones determinadas de perfiles. Esto se hace con la finalidad de reducir la masa
de cada segmento al emplear perfiles con poca área de sección, darle una forma casi
similar a la humada y evitar deformaciones significativas. El concepto de solución se
muestra en la figura 6.4.
Vista lateral Vista frontal
Figura 6.4. Vista lateral y frontal del concepto de solución 4.
La articulación de la rodilla es policéntrica para darle un movimiento más natural. La
articulación del tobillo es una unión esférica para tener movimientos de eversión e
inversión que se amolden a la inclinación del suelo y, a la vez la articulación ocupe poco
volumen. La articulación metatarsofalángica se obtiene por la flexión de un muelle. La
energía cinética, producto de los movimientos en el plano sagital  en las articulaciones
41
de la rodilla y tobillo, es transformada, almacenada y retornada por medio de pistones
neumáticos. Emplea una batería situada en el segmento femoral, la cual acciona una
bomba y esta, a la vez, acciona a los pistones hidráulicos. Cabe resaltar que se emplea
una válvula para controlar en ingreso de aceite en cada pistón.
Solo en el tobillo se emplea adicionalmente dos resortes laterales para obtener el retorno
del pie luego de realizar los movimientos de eversión e inversión.
7. Concepto de solución 05
Descripción:
Emplea un encaje femoral rígido, lo que conlleva a que el encaje sea hecho a la medida
del muñón del paciente. El segmento femoral y tibial están hechos de pilares, para que
así cada segmento sea de forma simple y ocupe poca área transversal. El segmento del
pie está hecho de una plancha metálica que brinda deformación al pisar y el segmento
falángico está hecho de la plancha rígida.
Las articulaciones de la rodilla y la del tobillo son monocéntrica para simplificar sus
movimientos. La articulación metatarsofalángica es monocéntrica y emplea un resorte
lineal para retornar a su estado inicial luego de finalizar cada pisada. La energía cinética
generada en las articulaciones de la rodilla y tobillo es transformada, almacenada y
retornada empleando muelles. Se utiliza una batería situada en el segmento tibial para
suministrar energía a los actuadores. El actuador de la rodilla es un motor rotacional. El
movimiento rotacional es transformado en lineal mediante un husillo de bolas. Este
último, al desplazarse, logra una separación entre el segmento femoral y tibial. El
actuador del tobillo es un motor lineal. El movimiento lineal del motor es multiplicado por
medio de una palanca y transmitido a la articulación por una biela. El concepto de
solución se muestra en la figura 6.5.
42
Vista lateral vista posterior
Figura 6.4. Vista lateral y posterior del concepto de solución 5.
43
Anexo 7
FUNCIONES DE TRANSFERENCIA
Las funciones de transferencia utilizadas en los lazos de control de posición y de torque del tobillo
y de torque de la rodilla son las siguientes:
STB(S)=ΔXsB (s)ISTB(s) = JPNKts2(JPNA)s4+(JPBq)s3+(rB2ksBNA+JPksBND)s2+(ksBBqrB)
Pie(S)= θsB (s)ΔXsB (s) = rBKsBJPs2
ActR(S)=MActR (s)ISTR (s) = JRs2+kpRrkpR2[a1s2+b1s+c1]
donde,
a1=
mhrkpR
KtNηRqηh
+ JRKtNηRqηhrkpR
+ JhrkpRKtNηR
+ JmNqrkpRKt
b1=
BNqrkpR
Kt
c1=
kpRrkpR2
KtNηRqηh
Pierna(S)= αR (s)MR (s) =JR
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