Diseño y simulación de un exoesqueleto de tobillo enfocado en las personas de la tercera edad aplicando técnicas de fabricación 3D usando un polímero reforzado con fibra de carbono

Abstract

El presente trabajo explica el diseño y simulación numérica de un exoesqueleto de tobillo orientado a usuarios de la tercera edad. Una de las articulaciones más propensas a sufrir lesiones por su forma de ¾ de esfera irregular es el tobillo y las personas de la tercera edad son más proclives a sufrir lesiones en esta articulación. Este problema genera disminución de resistencia muscular sobre las piernas, pérdida de motricidad, pérdida de autonomía móvil, etc. Para el diseño de este dispositivo se tomaron medidas anatómicas de un usuario de este sector etario para obtener una estructura mecánica ergonómica, resistente y altamente confiable. Además, el diseño se validó para soportar un rango de pesos de usuarios entre 50 y 80 kg con la finalidad de evaluar la reacción del mecanismo dentro del rango de cargas generadas en relación con la primera tensión principal, coeficiente de seguridad y tensión de Von Misses, para lo cual se empleó el software CAD 3D Autodesk Inventor, donde cabe destacar que estos cálculos biomecánicos sobre el tobillo definieron el desplazamiento y ángulos de rotación de la estructura. Asimismo, se evaluaron dos materiales: ABS y un polímero reforzado con fibra de carbono. Por último, las piezas diseñadas fueron ensambladas, con la garantía de que la movilidad del sistema ha sido validada mediante el entorno de simulación numérica, resaltando que al ser generadas mediante impresión 3D, se reducen los costos de fabricación, permitiendo que sean accesibles y asegurando que más personas puedan beneficiarse con este exoesqueleto de tobillo.

The present work explains the design and numerical simulation of an ankle exoskeleton oriented to elderly users. One of the most injury prone joints due to its irregular ¾ sphere shape is the ankle and elderly people are more prone to suffer injuries in this joint. This problem generates a decrease in muscular resistance on the legs, loss of motor skills, loss of mobile autonomy, etc. For the design of this device, anatomical measurements of a user of this age group were taken to obtain an ergonomic, resistant, and highly reliable mechanical structure. In addition, the design was validated to support a range of user weights between 50 and 80 kg in order to evaluate the reaction of the mechanism within the range of loads generated in relation to the first principal stress, safety coefficient and Von Misses stress, for which the 3D CAD software Autodesk Inventor was used, where it should be noted that these biomechanical calculations on the ankle defined the displacement and rotation angles of the structure. Two materials were also evaluated: ABS and a carbon fiber reinforced polymer. Finally, the designed parts were assembled, with the guarantee that the mobility of the system has been validated through the numerical simulation environment, highlighting that by being generated through 3D printing, manufacturing costs are reduced, allowing them to be accessible and ensuring that more people can benefit from this ankle exoskeleton.