En esta etapa se realiza una revisión detallada acerca de los parámetros anatómicos, fisiológicos y biomecánicos asociados a la mano de un niño mayor de 8 años. Adicionalmente, se lleva a cabo la medición de las dimensiones antropométricas de la mano de un infante con la edad indicada. Así mismo, se definen las características esperadas para la prótesis y las restricciones de diseño particulares al caso.

Una vez definidas las especificaciones de diseño, se procede a generar tres alternativas de solución diferentes tanto en su forma como en los elementos que requiere para su funcionamiento. Con esta información, se procede a evaluar las ventajas y desventajas de cada alternativa con el propósito de seleccionar la mejor opción, la cual es modelada empleando un programa de diseño asistido por computador que permite la realización de un estudio de movimiento de los componentes de la mano, así como la ejecución de un análisis de esfuerzos, desplazamientos y condición de falla para los escenarios de operación. Adicionalmente, se seleccionan los materiales de cada componente estructural de la prótesis y los elementos mecánicos y electrónicos que permitirán su apropiado funcionamiento.

Para llevar a cabo la construcción se realiza un estudio previo de disponibilidad de materiales y tecnologías de manufactura para este tipo de dispositivos en el país. Posteriormente, se procede a fabricar los elementos estructurales y a adquirir los componentes necesarios para el ensamblaje. Por otra parte, en base a los movimientos asignados a la prótesis se lleva a cabo la programación del sistema de control que dirigirá los movimientos asignados.

Una vez garantizada la confiabilidad de la prótesis en la realización de las fases previas, se llevan a cabo las pruebas requeridas para el dispositivo con el objetivo de verificar que el diseño cumple con las especificaciones de funcionamiento necesarias.

A continuación se indican los parámetros considerados al momento de realizar el diseño de la prótesis de mano, tomando en cuenta las características esperadas de la solución y las restricciones establecidas para la misma, a ser utilizadas en la selección de la solución más adecuada.

• Movilidad: el modelo seleccionado debe realizar el mayor número de movimientos posibles asociados con la mano humana.

• Costo: el sistema a diseñar no debe superar el precio de venta de una prótesis comercial con características similares.

• Peso: el peso de la estructura del dispositivo electrónicos debe ser lo más aproximado posible al de una mano humana, de acuerdo a las características del paciente.

• Proceso de fabricación: la manufactura de los elementos estructurales de la prótesis debería adaptarse a la tecnología disponible en el Ecuador.

• Sistema de control: debe permitir controlar la fuerza y movimientos ejercidos por los dedos.

• Mantenimiento: la prótesis debe diseñarse con criterio de mínimo mantenimiento de cada uno de sus componentes.

El proceso de búsqueda de soluciones se llevó a cabo en base a las consideraciones de diseño planteadas. Para ello, se generaron tres alternativas, geométricamente diferentes, basadas en una mano antropomórfica, ver Figuras 1, 2 y 3.

Al evaluar las alternativas planteadas en relación a las consideraciones de diseño, se selecciona la opción 3 (Figura 3), de la cual se indica una descripción detallada en el apartado 3.3.

La prótesis biomecánica para niños consta de cinco dedos, de los cuales cuatro están dispuestos uno al lado del otro, mientras que el pulgar está localizado en oposición a éstos (ver Figura 4). El dedo índice y el anular tienen una estructura mecánica similar así como el dedo medio y meñique.

La Figura 5 muestra la estructura del dedo meñique, el cual tiene cinco articulaciones, dos que se unen a la palma de la mano, dos que conectan a la falange media distal y una articulación común para el movimiento de los dedos. La Figura 6 muestra la estructura del dedo anular.

Para que la prótesis realice los movimientos deseados se emplea un sistema motriz basado en tres actuadores lineales, Firgelli–modelo PQ–12;100:1;12v, colocados en la palma de mano; el primero ubicado en la canal del dedo índice, el segundo situado en la canal del dedo medio conectado al dedo pulgar y el tercero articulado al eje de la falange distal del dedo anular para permitir la movilidad de los dedos medio, anular y meñique. La Figura 7 ilustra la localización de los tres actuadores lineales en la palma de la mano.

Los ángulos de movimientos de los dedos (flexión y extensión) son controlados por un vínculo localizado lateralmente a los dedos ejerciendo un límite mecánico para la extensión (P–1) hasta llegar a la flexion completa (P–2), como se muestra en la Figura 8. La Figura 9 indica la vista lateral de las posiciones de la mano limitada por el vínculo.

Para validar el diseño, se llevó a cabo un análisis de esfuerzos, desplazamientos y del factor de seguridad que ofrece el dispositivo con los materiales seleccionados y las cargas de operación, empleando un programa basado en el tecnicas numéricas de aproximación y el Método de Elementos Finitos.

Como condición de borde se supone restricción de movimiento en la palma de la mano y la condición de deslizamiento en el extremo de cada dedo (falange distal). Se estiman dos posiciones para el estudio, la primera, prensión cilindrica, suponiendo el agarre de un objeto de 40 mm de diámetro; la segunda posición, oposición del pulgar o pinza, simulando la sujeción de un objeto muy delgado. Las cargas sobre la prótesis son localizadas en los actuadores lineales asociados a los dedos involucrados, se estima para el estudio en base a criterios de condición crítica de diseño un incremento del 25 % de la carga máxima que genera el actuador lineal.

Adicionalmente se seleccionó un material para cada componente de la prótesis, estableciendo un polímero ABS con un módulo elástico de 200 MPa para la palma, falanges y los vínculos, mientras que para los pasadores se escogió una aleación de acero de límite elástico 620,42 MPa [7], todo esto proporciona un peso de 73,11 gramos. Si se considera el peso de los tres actuadores lineales (15 gramos cada uno), y el resto de los componentes, el peso total del modelo es de 150 gramos, lo cual favorece las criterios de diseño establecidos, además cumple con los parámetros fijados en Belter, et al. [8] según los cuales el peso de la prótesis debería representar el 0,6 % del peso total del cuerpo en hombres, mientras que para la mujer representaría el 0,5 % del peso. Por otra parte, es conveniente comparar el peso que podría alcanzar la prótesis si se construyera con materiales metálicos, por lo cual se realizó una estimación del peso total asignando el aluminio y el titanio como materiales de la estructura, como se indica en la Tabla 1.

En el análisis de esfuerzo llevado a cabo basado en la aplicación de las cargas críticas de operación se obtuvo un máximo esfuerzo para la condición de prensión cilindrica de 194 MPa (ver Figura 10), localizado en el pasador que articula el dedo pulgar con el actuador lineal, mientras que para la posición de oposición del pulgar con el índice se obtuvo un esfuerzo de 182,4 MPa en el mismo elemento (ver Figura 11); sin embargo, para ambas condiciones el dispositivo protésico operaría sin problema de acuerdo al resultado analítico del factor de seguridad para la condición más crítica es de 3,20. Por otra parte, el maximo desplazamiento que ocurre en el modelo es menor a 1 mm, lo cual no se considera significativo (ver Figura 12). Con esta verificación se procedió a la fabricación del model prototipo para hacer las pruebas usando técnicas de impresión 3D con el material previamente establecido.

Para controlar los movimientos de la prótesis se utilizó un sistema de control proporcionado. El sistema contiene tres actuadores lineales, que proporciona su posición según lo indique el microcontrolador Arduino Nano V, vía señal de entrada analógica, como se muestra en la Figura 13.

La posición de los actuadores lineales son admitidas a los puertos análogos del microcontrolador Arduino. Esta señal referencia el control que es llevado a cabo sobre los actuadores lineales en la posición de los dedos pulgar, índice y anular, efectuando cuatro movimientos principales:

Mano abierta: todos los actuadores están completamente estirados considerando los límites impuestos por los vínculos de cada dedo, ver Figura 14–a.

Mano cerrada: todos los actuadores están retraídos, nuevamente tomando en cuenta el límite para la flexión establecido por el vínculo en el diseño de la prótesis, ver Figura 14–b.

Dedo índice extendido: el dedo índice está estirado por tanto los actuadores lineales de los dedos pulgar y anular se encuentran retraídos ver Figura 14–c.

Oposición del pulgar (pinza fina): los actuadores de los dedos índice y pulgar están retraídos mientras que el actuador del dedo anular esta estirado, ver Figura 14–d.

Los movimientos son generados cuando ellos tienen un estímulo, en este caso fueron usados pulsos para chequear la operación.