The mechanical design of a transfemoral prosthesis using computational tools and design methodology

Artificial limb replacement with lower limb prostheses has been widely reported in current scientific literature. There are many lower limb prosthetic designs ranging from a single-axis knee mechanism to complex mechanisms involving microcontrollers, made from many materials ranging from lightweight, high specific strength ones (e.g., carbon fibre) to traditional forms (e.g., stainless steel). However, the challenge is to design prostheses whose movement resembles the human body’s natural movement as closely as possible. Advances in prosthetics have enabled many amputees to return to their everyday activities; however, such prostheses are expensive, some costing as much as $60,000. Many of the affected population in Colombia have scarce economic resources; there is therefore a need to develop affordable functional prostheses.The Universidad del Norte’s Materials, Processes and Design Research Group and the Robotics and Intelligent Systems Group have been working on this line of research to develop modular prostheses which can be adjusted to each patient’s requirements. This research represents an initial methodological approach to developing a prosthesis in which software tools have been used (the finite element method) with a criteria relationship matrix for selecting the best alternative while considering different aspects such as mod-ularity, cost, stiffness and weight.El desarrollo de prótesis para extremidades inferiores es reportado profusamente en la literatura científica actual. Hay disponible una gran variedad de diseños de prótesis de miembro inferior, que van desde un mecanismo de rodilla de eje simple hasta complejos mecanismos con microcontroladores, fabricados con una gama de materiales que van desde los ligeros de alta resistencia específica, como la fibra de carbono, hasta tradicionales como el acero inoxidable. Sin embargo, el reto es diseñar prótesis cuyo movimiento se asemeje, lo más posible, al del cuerpo humano. El desarrollo de prótesis ha hecho posible que muchas personas amputadas vuelvan a desempeñarse en sus actividades; sin embargo, estas prótesis son de costos elevados, algunas pueden llegar a valer hasta 60 000 dólares. Gran parte de la población afectada en Colombia es de escasos recursos, por lo tanto se hace necesario el desarrollo de prótesis funcionales de bajo costo.El Grupo de Investigación en Materiales, Procesos y Diseño y el Grupo de Robótica y Sistemas Inteligentes de la Universidad del Norte vienen trabajando en esta línea de investigación con el objetivo de desarrollar prótesis modulares que se puedan ajustar a los requerimientos particulares de cada paciente. Este trabajo corresponde a una primera aproximación metodológica para el desarrollo de una prótesis en la que se utilizaron herramientas computacionales (método de los elementos finitos) junto con una matriz de relación de criterios para seleccionar la mejor alternativa teniendo en cuenta diferentes aspectos como modularidad, costo, rigidez y peso