Modelación y simulación dinámica de un mecanismo paralelo para un tobillo protésico de 3 grados de libertad

Abstract

La creación de modelos matemáticos precisos para mecanismos paralelos es compleja debido a la naturaleza de su cinemática y dinámica. Los mecanismos paralelos, a diferencia de los mecanismos en serie, tienen múltiples cadenas cinemáticas que trabajan en conjunto, lo que complica su análisis y modelación. El objetivo central de esta investigación es la modelación dinámica para un diseño conceptual de un mecanismo paralelo para un tobillo protésico de tres grados de libertad. La metodología aplicada inicia con un análisis detallado que va desde el estado del arte en biomecánica del tobillo, un resumen de los fundamentos teóricos de la cinemática y dinámica inversa de mecanismos paralelos, un modelo matemático que describe la cinemática y la dinámica inversa del mecanismo propuesto, así como el diseño, la construcción y la evaluación de un primer prototipo de mecanismo paralelo. Esta investigación desarrolla un modelo del mecanismo paralelo 2SPU-1RU para tobillo protésico con tres grados de libertad, empleando el Principio de Trabajo Virtual y una metodología propia para la obtención de resultados en cinemática y dinámica inversa a través de un algoritmo computacional implementado y validado en MATLAB R2022b, el modelo se contrastó con un prototipo físico a través de cuatro experimentos prácticos abarcando movimientos de plantarflexión-dorsiflexión, eversión-inversión, abducciónaducción y una combinación de estos. La precisión del modelo se evidenció entre los resultados experimentales y los calculados, aunque se observaron diferencias en la amplitud y respuesta temporal entre el prototipo y la modelación. Los errores de modelado variaron según el tipo de actuador y movimiento, con un máximo de 24,24% en el actuador rotatorio durante los movimientos combinados. Este análisis detallado no solo valida la eficacia del modelo propuesto, sino que también enfatiza la importancia de la configuración específica del mecanismo paralelo 2SPU-1RU en el contexto de prótesis de tobillo. La elección de esta configuración representa un aporte conceptual significativo al estudio de la articulación del tobillo protésico, ofreciendo una nueva perspectiva en el diseño de mecanismos paralelos adaptados a la biomecánica del tobillo.