Diseño y fabricación de una máquina para caracterización mecánica de dispositivos ortopédicos / Design and manufacturing of a machine for the mechanical characterization of orthopedic devices.

Figueroa Ritzer, Alejo José (2023) Diseño y fabricación de una máquina para caracterización mecánica de dispositivos ortopédicos / Design and manufacturing of a machine for the mechanical characterization of orthopedic devices. Integration Project in Mechanical Engineering, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.

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Abstract in Spanish

En este trabajo, se diseñó y construyó parcialmente una máquina para la caracterización mecánica de dispositivos ortopédicos. En primer lugar, se llevó a cabo un estudio de los movimientos articulares de diversas partes del cuerpo con el fin de determinar las características a simular por parte de un aparato de ensayo. Se analizaron los rangos de movimiento de cada articulación y los momentos correctivos aplicados por las ortesis descritas en la literatura. Una vez definidos los requerimientos, se realizó un diseño conceptual donde se selección o la opción que mejor se ajustaba a dichos requerimientos. El diseño de la estructura de la máquina se hizo siguiendo un enfoque heurístico, que se verificó mediante cálculos utilizando el método de elementos finitos. Asimismo, se seleccionaron los actuadores encargados de aplicar los momentos correctivos en las articulaciones, y se diseño una celda de carga capaz de medir dichos momentos. Se desarrolló una interfaz de usuario que, junto con la electrónica correspondiente, permite controlar la posición de la máquina y mostrar los momentos ejercidos por la ortesis. Y por ultimo, se fabricaron los componentes estructurales de la máquina y se montaron los actuadores, obteniendo un dispositivo capaz de aplicar momentos de 30,8 Nm, 9,24 Nm y 5,24 Nm en direcciones perpendiculares. Dicho dispositivo permitirá la correcta caracterización de una amplia gama de dispositivos ortopédicos.

Abstract in English

In this study, a machine for the mechanical characterization of orthopedic devices was designed and partially constructed. Initially, an extensive examination of joint movements in various anatomical regions was conducted to determine the specific characteristics that needed to be simulated by the testing apparatus. Comprehensive analyses were performed on the range of motion for each joint and the corrective moments applied by orthoses documented in the relevant literature. Once the requirements were established, a meticulous conceptual design was performed, carefully selecting the most suitable option that best fulfilled the identified criteria. The structural design of the machine was crafted using a heuristic approach, which was subsequently verified employing the finite element method. Furthermore, consideration was given to selecting the appropriate actuators responsible for applying the necessary corrective moments to the joints, and a load cell capable of accurately measuring these moments was developed. A user interface was developed that, along with the corresponding electronics, allows for controlling the position of the machine and displaying the moments exerted by the orthosis. The structural components of the machine were successfully produced assembled, resulting in a machine capable of precisely applying moments of 30.8 Nm, 9.24 Nm, and 5.24 Nm in perpendicular directions. This capability will allow the accurate and comprehensive characterization of a diverse range of orthopedic devices.

Item Type:Thesis (Integration Project in Mechanical Engineering)
Keywords:[Orthopedic devices; Dispositivos ortopédicos; Joint movements; Movimientos articulares; Mechanical design; Diseño mecánico; Mechanical characterization; Caracterización mecánica; Orthosis; Ortesis; Machine; Máquina]
References:[1] Webster, J. B., Murphy, D. P. Atlas of Orthoses and Assistive Devices, 5th Edition. Elsevier, 2019. 1 [2] Alonso, G. Diseño, caracterización y optimización de dispositivos ortopédicos demateriales con memoria de forma. Tesis de Doctorado, 2023. 2 [3] Kapandji, A. I. Fisiologia de las articulaciones, 6ta edicion. Churchill Livingstone, 2011. 7 [4] Ingram A. Murray, G. R. J. A study of the external forces and moments at the shoulder and elbow while performing every day tasks. Clinical Biomechanics, 2003. 8 [5] Eschweiler, J., et al. Musculoskeletal modeling of the wrist via a multi-body simulation. Life, 2022. 8 [6] Liu, M. Q., et al. Muscle contributions to support and progression over a range of walking speeds. Journal of Biomechanics, 2008. 8 [7] Stetter, B. J., et al. Estimation of knee joint forces in sport movements using wearable sensors and machine learning. Sensors journal, 2019. 8 [8] Alam, M., et al. Mechanism and design analysis of articulated ankle foot orthoses for drop-foot. The Scientific World Journal, 2014. 8 [9] Pierrat, B., et al. Evaluation of the mechanical efficiency of knee orthoses: A combined experimental–numerical approach. Journal of Engineering in Medicine, 2014. 11 [10] Gere, J. M., Timoshenko, S. P. Mecánica de Materiales - 4ª Edición. International Thomson Editores, 1999. 15, 36 [11] Budynas, R. G. Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley. 8a ed. México: McGraw-Hill Interamericana, 2008. 17, 23, 25 [12] Intermec S.A. http://www.intermec.com.co. Accedido: July 5, 2023. 20, 21 [13] Transmisiones Alfa. http://transmisionesalfa.com.ar/. Accedido: July 5, 2023. 22 [14] Catálogo de rodamientos NSK, 2023. URL http://www.nsk.com, Accedido: 5 de julio de 2023. 24 [15] Stefanescu, D. M. Handbook of Force Transducers: Characteristics and Applications. 2a ed. Springer Nature, 2021. 29, 30 [16] Sistema de perfileria de aluminio modular, Profi-Team Latina S.A. 2023. URL https://www.profiteam.com.ar/, Accedido: 5 de julio de 2023. 36, 37
Subjects:Mechanical engineering > Diseño mecánico
Divisions:Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Física de metales
ID Code:1209
Deposited By:Tamara Cárcamo
Deposited On:16 Aug 2023 15:42
Last Modified:16 Aug 2023 15:42

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