Diseño BiomecánicoUna aproximación formal

Oscar Campo, PhD

Diseño Biomecánico

Ingeniería Biomédica: hombre Biomecánica: seres vivos

Diseño Biomecánico

Biomimética

Diseño Biomecánico

Interacción de sistemas: “ingenierías híbridas”

Sistema 1

Sistema 2

Sistema 3

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Interacción de sistemas

Ciencias de la vida

Electrónica

Mecánica

InformáticaAdministración

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Sistema Biomecánico

SistemaBiológico

SistemaMecánico

Sistema Mecánico

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Usuario…

Elemento

Elemento

Elemento

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Elementos

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Sistemas Mecánicos

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En una camilla hospitalaria…

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En una prótesis de rodilla…

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Fijación de fracturas…

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Otros sistemas…

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Características generales… CargasTodo elemento mecánico debe soportar una carga

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Características generales… GeometríaTodo elemento tiene una forma

definida, la cual está limitada por el entorno

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Características generales… MaterialTodo elemento está constituido de un

material específico

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Función de Desempeño Requerimientos Funcionales Requerimientos Geométricos Propiedades del Material

P=f(F)f(G)f(M)

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Función de Desempeño

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Ejemplo de aplicación

Un deportista con amputación transfemoral necesita una prótesis deportiva con articulación de rodilla de tal manera que sea lo más liviana posible

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Definición del objetivoEl mejor desempeño se logrará

minimizando la masa:

p=mp* = optimiza(m)

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Requerimientos funcionales

La carga crítica del adaptador modular, funcionando como una columna es:

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Características geométricas: l, t

Función de desempeño

p = f(F) f(G) f(M)

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Optimización

Se requiere alto E y mínimo ρ

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Definición de la geometría

Y el factor de seguridad?

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Definición del Factor de Seguridad: Suponer basado en experiencia Usar valores recomendados Usar métodos estadísticos

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Para todo elemento se debe cumplir como condición de seguridad:

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Definición de una nueva variable aleatoria:

Normalizando0

zSDφ

φ−=

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Reexpresando

Definiendo el Coeficiente de Variación:

( )2 2 2

0

y y

zSD

zSD

z SD SD

φ

φ

σ

φ

φ

σ σ

−=

= −

+ = −

xx

SDC

x=

( )^2

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Reexpresando en función de Cx:

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

22 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2 22 2

2 2 2 2 2

2 2 2 2

2 2

1 12

2 1

1 1 1 1

1

y y y

y y y y

y

y

y

z C C

z C C

z C fs C fs fs

C z C zfs

C z

σ

σ

σ

σ

σ σ σ σ

σ σ σ σ σ σσ σ

+ = −

+ = − +

+ = − +

± − − −=

−

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Ahora se puede definir z a partir de: Una probabilidad de falla deseada Una vida útil deseada

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Conclusión Desempeño basado en características

generalizadoras F, G, M Esfuerzo limitado por resistencia Seguridad del diseño basado en

variables aleatorias

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