DISEÑO Y CÁLCULO DE UNA
PRÓTESIS CANINA
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería Mecánica
ETSID, Universidad Politécnica de Valencia
Alumno: Carlos Sabater Fernández
Tutor: Andrés Rovira Cardete
Curso 2018 – 2019
Valencia, Julio de 2019
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Diseño y cálculo de una prótesis canina, Tesis de Mecánica
Dieseño de protesis biomecanicas para caninos
Tipo: Tesis
2022/2023
1 / 87
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DISEÑO Y CÁLCULO DE UNA
PRÓTESIS CANINA
Trabajo Fin de Grado
Grado en Ingeniería Mecánica
ETSID, Universidad Politécnica de Valencia
Alumno: Carlos Sabater Fernández
Tutor: Andrés Rovira Cardete
Curso 2018 – 2019
Valencia, Julio de 2019
i RESUMEN El objetivo principal del siguiente trabajo fin de grado es el desarrollo de un prototipo de prótesis de perro de pata delantera imprimible en 3D. Para ello, ha sido necesario un estudio previo sobre la ortopedia animal en general y la canina en particular. Una vez analizado el mercado actual de las prótesis para perros, se ha propuesto un diseño realizado con el software Siemens NX que, complementado con una detallada selección de materiales, se ha conseguido aportar un diseño ligero, práctico y cómodo. A continuación, se ha planteado un análisis sobre la cinemática del perro para obtener las ecuaciones del movimiento necesarias para la programación de un modelo dinámico. Se ha implementado un modelo dinámico en el software comercial MSC Adams, donde se ha realizado un análisis dinámico inverso con la finalidad de obtener los casos de carga que la prótesis diseñada ha de soportar. Finalmente, una vez obtenidos los distintos casos de carga y una geometría que los vaya a soportar, mediante la utilización del programa Ansys Workbench se han realizado una serie de cálculos de Elementos Finitos que han servido para la validación del prototipo diseñado.
ABSTRACT The main goal of the following final degree project is the development of a forelimb dog’s prosthesis which can be manufactured by 3D printing technologies. In order to achieve this goal, a previous research about animal prosthetics in general and canine prosthetics in particular has been necesary. Once the current market has been analised, a design made with the software Siemens NX has been proposed. After that, some details about the materials that will be used on it has been explained and finally it has been showed up a light, useful and comfortable prototype. Then, a kinematic analysis has been performed to obtain the equations of a dog’s movements which will be necessaries for the programming of a dynamic model. The model and the inverse dynamic analysis have been implemented on the software MSC Adams. The inverse dynamic analysis is necessary to obtain the different load cases that the designed prosthesis has to resist. Finally, once the different load cases and a geometry to hold them have been obtained, making use of the software Ansys Workbench it has been carried out some Finite Element Method calculations which have been used for the validation of the designed prototype.
FIGURA 18: IMÁGENES DE PRÓTESIS USANDO DISTINTOS DISEÑOS Y MATERIALES. (A) DISEÑO TIPO BALLESTA HECHA DE
Página | 5 MEMORIA
- Página | - Tabla de ilustraciones.................................................................................................................... ABSTRACT iii
- MEMORIA
- Objetivos
- Justificación
- 2.1 Justificación académica
- 2.2 Justificación técnica.......................................................................................................
- Estructura del trabajo............................................................................................................
- Introducción
- 4.1 ¿Prótesis u Órtesis?
- 4.2 Historia de las prótesis
- 4.3 Precedentes de prótesis en animales
- 4.4 Prótesis en canes
- Estudio de alternativas
- Descripción de la solución adoptada
- 6.1 Materiales
- 6.2 Método de sujeción de la prótesis
- 6.3 Ergonomía
- 6.4 Forma del apoyo..........................................................................................................
- Análisis de la marcha canina
- 7.1 Zoometría canina
- 7.2 Estudio del miembro anterior
- 7.2.1 La escápula
- 7.2.2 El húmero
- 7.2.3 Radio y cúbito
- 7.2.4 Carpo y metacarpo
- 7.2.5 Falanges
- 7.3 Locomoción canina......................................................................................................
- 7.3.1 El Paso
- 7.3.2 El Trote
- 7.3.3 El Galope..............................................................................................................
- Página |
- 7.4 Análisis cinemático del miembro anterior
- Modelo dinámico
- 8.1 Modelo de barras
- 8.2 Fuerzas de contacto
- 8.3 Programación de los movimientos..............................................................................
- 8.3.1 Funciones temporales
- 8.3.2 Funciones de movimiento
- 8.4 Dinámica inversa
- Cálculo MEF
- 9.1 Preparación del modelo CAD
- 9.2 Material y propiedades
- 9.3 Mallado de la pieza
- 9.4 Cálculo estático
- 9.4.1 Condiciones de contorno
- 9.4.2 Solución
- 9.4.3 Análisis de resultados
- 9.5 Cálculo modal
- 9.5.1 Condiciones de contorno
- 9.5.2 Solución
- 9.5.3 Análisis de los resultados
- Diseños paramétricos
- 10.1 Optimización modelo CAD
- 10.2 Modelo dinámico paramétrico....................................................................................
- Conclusiones y desarrollos futuros
- Referencias
- PLIEGO DE CONDICIONES
- Condiciones de ejecución del proyecto
- 1.1 Condiciones de los equipos utilizados.........................................................................
- 1.1.1 Hardware
- 1.1.2 Software
- 1.2 Condiciones del modelo
- 1.2.1 MSC Adams View.................................................................................................
- 1.2.2 Ansys Workbench
- 1.3 Condiciones del prototipo
- 1.3.1 Condiciones de fabricación
- 1.3.2 Condiciones de montaje......................................................................................
- Página |
- PRESUPUESTO
- Introducción
- 1.1 Mano de obra
- 1.2 Gastos indirectos
- 1.3 Software, hardware y amortizaciones
- 1.4 Gastos generales y derivados
- 1.5 Resumen de los costes totales
- PLANOS
- FIGURA 1: EJEMPLO PRÓTESIS ACTUAL [28]............................................................................................................ Tabla de ilustraciones
- FIGURA 2: PRIMER DISEÑO CONCEPTUAL................................................................................................................
- FIGURA 3: ESTUDIO ANATOMÍA CANINA [29]..........................................................................................................
- FIGURA 4: SOFTWARE COMERCIAL ADAMS VIEW
- FIGURA 5: SOFTWARE COMERCIAL ANSYS
- FIGURA 6: RADIOGRAFÍA DE UN CODO DE PERRO CON DISPLASIA [2]
- FIGURA 7: CONCHA DE CANGREJO ERMITAÑO IMPRESA EN 3D [3]............................................................................
- FIGURA 8: EJEMPLO DE ACABADOS ESTÉTICOS EN PRÓTESIS [4]
- FIGURA 9: EJEMPLO ÓRTESIS DE RODILLA [5]
- FIGURA 10: EVOLUCIÓN DE LAS PRÓTESIS HUMANAS [6]
- FIGURA 11: MANO MECÁNICA AMBROISE PARÉ [7]...............................................................................................
- FIGURA 12: PIERNA DE MADERA CON RÓTULA ARTIFICIAL [11]
- FIGURA 13: PRÓTESIS ACTUAL ACTIVADA MEDIANTE ESTÍMULOS NERVIOSOS [12]
- FIGURA 14: TUCÁN GRECIA ANTES Y DESPUÉS DE LA PRÓTESIS. [13]..........................................................................
- FIGURA 15: PRÓTESIS DENTAL BOVINA [14]
- FIGURA 16: PRÓTESIS DE ALETA CAUDAL [19]
- FIGURA 17: PRÓTESIS APLICADAS A DIFERENTES ESPECIES DE CUADRÚPEDOS.[7].......................................................... - GOMA. (C) DISEÑO TIPO BALANCÍN FABRICADA CON MATERIALES PLÁSTICOS [16] MATERIALES COMPUESTOS. (B) DISEÑO EN METAL USANDO CILINDROS CONCÉNTRICOS Y CON UNA TERMINACIÓN DE
- FIGURA 19: EJEMPLO 1 [17]
- FIGURA 20: EJEMPLO 2 [18]
- FIGURA 21: EJEMPLO 3 [19]
- FIGURA 22: PROTOTIPO CAD
- FIGURA 23: ROLLOS DE GOMA EVA [22].............................................................................................................
- FIGURA 24: ROLLO DE CAUCHO ANTIDESLIZANTE [23]
- FIGURA 25: CORREA DE VELCRO DE LUMINOX[24]..............................................................................................
- FIGURA 26: PAREDES LATERALES DEL MODELO CAD
- FIGURA 27: PERFIL DISEÑO CAD
- FIGURA 28: REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE MEDIDAS ZOOMÉTRICAS [7]
- FIGURA 29: ESQUELETO VISTO DE FRENTE [21]
- FIGURA 30: LA ESCÁPULA Y SUS PARTES [21]
- FIGURA 31: HÚMERO IZQUIERDO DE UN PERRO [21]
- Página |
- FIGURA 32: ANTEBRAZO IZQUIERDO DE UN PERRO [21]
- FIGURA 33: CARPO, METACARPO Y FALANGES FIGURA 21[21]................................................................................
- FIGURA 34: HUESOS DEL PIE CANINO [21]
- FIGURA 35: TIPOS DE PISADA CANINA [21]
- FIGURA 3 6: PISADAS DE UN PERRO DURANTE EL PASO [20]
- FIGURA 37: A. DIAGRAMA DE PISADAS DEL TROTE // B. TROTE EFICIENTE DE UN PERRO [20].........................................
- FIGURA 38: DIAGRAMA DE PISADAS EN EL GALOPE.[20]
- FIGURA 39: ESTUDIO CINEMÁTICO DE UN CICLO
- FIGURA 40: PRIMERA APROXIMACIÓN CINEMÁTICA
- FIGURA 41: MODELO DE BARRAS
- FIGURA 42: DISTRIBUCIÓN DE PARES R (VISTO EN PLANTA)
- FIGURA 43: FUNCIONES TIME03 Y TIME07
- FIGURA 44: FUNCIONES TEMPS_PATAS1 Y TEMPS_PATAS2
- FIGURA 45: CÓDIGO FUNCIÓN MOVCOD1
- FIGURA 46: CÓDIGO FUNCIÓN MOVCOD2
- FIGURA 47: MOVIMIENTO DE LA CADERA MOVCAD
- FIGURA 48: CONJUNTO DE MOVIMIENTOS
- FIGURA 49: ANÁLISIS DE FUERZAS DURANTE LA SIMULACIÓN....................................................................................
- FIGURA 50: FUERZA NORMAL............................................................................................................................
- FIGURA 51: FUERZA DE ROZAMIENTO EN Z (TRANSVERSAL A LA MARCHA)
- FIGURA 52: FUERZA DE ROZAMIENTO EN X (PARALELA CON LA MARCHA)
- FIGURA 53: MODELO CAD SIMPLIFICADO
- FIGURA 54: MALLADO H-ADAPTATIVO
- FIGURA 55: DESPLAZAMIENTOS RESTRINGIDOS
- FIGURA 56: ZONA DE APLICACIÓN DE LAS FUERZAS.................................................................................................
- FIGURA 57: TENSIÓN DE VON MISSES
- FIGURA 58: REDUCCIONES DE PESO
- FIGURA 59: RADIOS 10 MM
- FIGURA 60: GRÁFICA FRECUENCIAS NATURALES
- FIGURA 61: PRIMER MODO DE VIBRACIÓN
- FIGURA 62: SEGUNDO MODO DE VIBRACIÓN
- FIGURA 63: TERCER MODO DE VIBRACIÓN
- FIGURA 64: CUARTO MODO DE VIBRACIÓN...........................................................................................................
- FIGURA 65: QUINTO MODO DE VIBRACIÓN
- FIGURA 66: SEXTO MODO DE VIBRACIÓN
- FIGURA 67: HERRAMIENTA EXPRESSIONS
- FIGURA 68: PARAMETRIZACIÓN DE LA MASA.........................................................................................................
- Página |
Página | 8 2.2 Justificación técnica Lo que se pretende principalmente con el desarrollo de este proyecto es poder hacer accesibles las prótesis animales para la mayoría y por tanto disminuir el número de abandonos en animales domésticos por culpa de los desorbitados precios que encontramos hoy en día en este sector. Gracias a herramientas CAD (Computer Aided Design) y CAE (Computer Aided Engineering) se pueden obtener prototipados de prótesis animales con un diseño totalmente paramétrico, imprimibles en 3D y rápidamente adaptables. Una de las motivaciones que me ha llevado a realizar este proyecto es la posibilidad de tratar distintos campos de los estudiados a lo largo de la carrera, como la realización de análisis dinámicos, el uso práctico del método de los elementos finitos o el diseño asistido por ordenador.
- Estructura del trabajo Para alcanzar cada uno de los objetivos fijados por este proyecto se han de recorrer y desarrollar una serie de puntos sin los cuales no se alcanzaría el resultado deseado. En primer lugar, se ha de realizar un estudio sobre el mercado actual de prótesis animales en general y caninas en particular (Figura 1 ). De este modo, se buscarán y se analizarán cuáles son las características principales que debe tener una buena prótesis canina. Centrando este análisis en los materiales utilizados en las exoprótesis caninas actuales, en los métodos de apoyo y sujeción además de en la ergonomía del animal, se podrá proponer más tarde un buen primer prototipo. Figura 1 : Ejemplo prótesis actual [28]
Página | 9 Una vez analizado el mercado de prótesis actual, el segundo paso será la propuesta de una prótesis que cumpla con todos los requisitos especificados durante la redacción del proyecto. En este apartado, no solo se mostrará un diseño CAD (Computer Aided Design), sinó que la solución adoptada vendrá complementada con una serie de comentarios que justifiquen la geometría diseñada. Además, el diseño aportado se complementará con una minuciosa selección de materiales que convertirán un simple modelo 3D (Figura 2 ) en una solución ingenieril completa. El tercer paso consistirá en un breve análisis de la anatomía canina (Figura 3 ), profundizando en la estructura del miembro anterior. De este modo, se conseguirán unos conocimientos base necesarios para la compresión y análisis de la cinemática de un perro. Figura 3 : Estudio anatomía canina [29] A continuación, se obtendrán las ecuaciones del movimiento correspondientes al miembro anterior canino y se implementará un modelo de simulación dinámica haciendo uso del software comercial MSC Adams View (Figura 4 ). Con la finalidad de realizar un análisis dinámico lo más cercano a la realidad posible, se asignarán masas a los distintos cuerpos de forma que simulen la distribución de pesos de un Pastor Alemán de 35 kg. Una vez conseguido el modelado dinámico de la marcha del animal, se realizará una dinámica inversa a partir de la cual se obtendrán los distintos casos de carga que la prótesis deberá resistir durante la marcha del animal. Figura 2 : Primer diseño conceptual
Página | 11
- Introducción En estos últimos años la consciencia por el bienestar y cuidado animal dentro de nuestra sociedad ha aumentado notablemente. Esto se debe a que, dado un mayor conocimiento sobre sus cuidados, el número de animales domésticos se ha disparado alcanzando cifras muy altas. En concreto, el perro, considerado entre la población occidental como el animal de compañía por excelencia, se encuentra en el 26% de los hogares de nuestro país lo que se traduce en 12 millones de perros tan solo en España. Al mismo tiempo, miles de perros son sacrificados diariamente en perreras tras haber sufrido abandonos por parte de sus familias. Los motivos principales por los que se abandona un perro son mal comportamiento, cambios de domicilio, fin de la temporada de caza y principalmente que un perro haya lesión que le provoque alguna discapacidad cuyos cuidados requieran de un esfuerzo económico el cual no todo el mundo se puede permitir. Al igual que en los humanos, existen numerosas discapacidades en este animal. Estas carencias se clasifican en dos grupos: aquellas que son sufridas desde el nacimiento del animal, como la ceguera, o aquellas que han aparecido tras una enfermedad o accidente. Como ejemplo para este segundo grupo tenemos la amputación de un miembro tras sufrir una displasia de codo (Véase Figura 6 ), enfermedad muy común que implica un desarrollo anormal del hueso y el cartílago en esta articulación dando lugar a una incongruencia articular (las superficies articulares no encajan) y a una erosión notable de la misma. Figura 6 : Radiografía de un codo de perro con displasia [2] Ya bien por enfermedad o por accidente, la amputación de miembros en canes es un problema que ocurre con frecuencia, y con el paso de los años la falta de un miembro puede repercutir gravemente en la salud del animal. Es por eso, que es necesaria una buena rehabilitación y a ser posible la incorporación de una prótesis (interna o externa) que sustituya el apoyo perdido tras la amputación.
Página | 12 Una buena prótesis es sinónimo de calidad de vida, tanto para los seres humanos como para los animales. Dueños de mascotas y veterinarios intentan que sus mejores amigos tengan una segunda oportunidad gracias a estos inventos. Actualmente, el precio de una prótesis canina puede estar alrededor de unos 800€, un precio bastante fuera de las posibilidades de muchísima gente. Los precios son tan altos porque hoy en día estas prótesis se fabrican prácticamente a mano y con materiales compuestos. Desde hace tiempo que tenemos medios para que este no sea un mayor problema, ya que actualmente se están desarrollando todo tipo de productos impresos en 3D (Véase Figura 7 ) tales como picos de ave, aletas para tortugas marinas o incluso gigantescas piernas ortopédicas para elefantes. Figura 7 : Concha de cangrejo ermitaño impresa en 3D [3] Por tanto, el objeto de este trabajo es el desarrollo y diseño de una prótesis canina cuyas principales características sean una fabricación asistida por ordenador mediante métodos aditivos (Impresión 3D) y la posibilidad de un diseño paramétrico que sea capaz de adaptarse a los distintos tamaños de perro de una forma casi automática, además de cubrir la necesidad de un mercado de prótesis caninas de bajo coste. 4.1 ¿Prótesis u Órtesis? Muchas veces existen dificultades a la hora de diferenciar entre prótesis y órtesis ya que los límites entre ambas parecen un poco difusos. Es por eso, que se va a dedicar este apartado para definir las características de cada uno de los dos grupos e identificar los subgrupos que estas mismas contienen. Como punto de partida, podemos decir que la principal diferencia entre prótesis y órtesis es que en el caso de las prótesis siempre sustituyen un miembro o parte del cuerpo mientras que las órtesis la refuerzan o complementan, pero no la sustituyen.