Diseño y análisis de una prótesis de tobillo-pie activa autónoma con 2-DoF

Área de la Ciencia:

• Ingeniería biomédica
• La robótica
• Biomecánica

Sus antecedentes:

• La mayoría de las prótesis de tobillo comerciales ofrecen una funcionalidad limitada, generalmente un grado activo de libertad (1-DoF).
• La mejora de la estabilidad y la naturalidad de la marcha requiere movimientos multiplanos del tobillo, incluidos los movimientos sagitales y frontales.
• Los amputados transtibiales pueden beneficiarse de dispositivos protésicos avanzados que restauran la locomoción natural.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar, modelar y analizar una prótesis de tobillo activa autónoma con dos grados de libertad (2-DoF).
• Reproducir los movimientos fisiológicos en los planos sagital (flexión dorsal/plantar) y frontal (inversión/inversión).
• Mejorar la estabilidad y la naturalidad de la marcha del usuario para mejorar la movilidad.

Principales métodos:

• Modelado CAD utilizado (SolidWorks 2024) para el diseño de prototipos.
• Modelado dinámico y análisis de elementos finitos (FEA) para simular el rendimiento y la integridad estructural.
• Integró un diseño mecánico ligero con un accionamiento de tornillo, un motor paso a paso y un sistema de control basado en microcontroladores.

Principales resultados:

• Se obtienen rangos angulares fisiológicos de ±20-22 grados tanto en el plano sagital como en el plano frontal.
• FEA confirmó la robustez estructural con el máximo esfuerzo y deformación dentro de los límites elásticos (factor de seguridad ~ 3,3).
• Consumo medio estimado de energía de 7-9 W y tiempo de funcionamiento superior a 3 horas por carga.

Conclusiones:

• La prótesis de tobillo activa autónoma 2-DoF desarrollada demuestra el potencial para un control de movimiento preciso, eficiente y adaptativo.
• El diseño ofrece una mayor estabilidad y naturalidad de la marcha, adecuada para la locomoción en el mundo real en superficies irregulares.
• Esta investigación promueve soluciones protésicas asequibles y funcionalmente autónomas para personas con amputación transtibial.