-
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 1
RANCANG BANGUN KAKI PALSU
Ibnu Ruliyanto*, Petra HD Banuareah** *P2 Telimek-LIPI,
** Jurusan Mesin Institut Teknologi Bandung
ABSTRACT
Many kind of auxiliary foot fracture patients like wheelchair,
cane and Foot prosthesis, Foot
prosthesis user have bigger confidant, advanced foot prosthesis
is a good flexibility but the
weakness did not comfortable and interesting. Base on many
characteristics force data on
the bone and loading force during walking and condition force on
Foot as can as real,
So to be criteria design choice Base on references and
alternatives we built decision
matrices, from the selected design Strength, stress,
deformation, universal joint stress,
universal joint deformation, pin deformation, spring, torsion
spring, Analysis by nastrans
software, conclusion the selected design have high flexibility
so comfortable as technically,
as the assume user weight (addition children) not more than 800
Newton or proximately 81,6
Kg
ABSTRAK
Berbagai alat bantu bagi penderita patah kaki di antaranya
adalah kursi roda, tongkat, dan
kaki palsu. Pengguna kaki palsu memiliki kepercayaan diri yang
lebih tinggi. Keuntungan
kaki palsu adalah tingkat fleksibilitas yang tinggi. Namun
kekurangannya adalah bentuk
kaki palsu yang kurang menarik dan tingkat kenyamanan pemakai
yang masih rendah.
Berdasarkan data-data berbagai karakteristik pembebanan yang
terjadi pada tulang dan
gaya-gaya yang bekerja pada kaki saat berjalan, dan kondisi yang
terjadi pada kaki palsu
sedapat mungkin mendekati kondisi kaki sebenarnya. Maka
dilakukan Kriteria Pemilihan
Desain, Berdasar berbagai referensi dan alternatif yang ada maka
dibuatlah Decision
Matrices. Dari desain terpilih dilakukan Analisis Kekuatan,
Tegangan Tumpu, Deformasi,
Tegangan Universal Joint, Deformasi Universal Joint,, Deformasi
Pin, Pegas, Pegas Torsi,
menggunakan software nastran, Dari hasil penghitungan
perancangan disimpulkan bahwa
Kaki palsu ini memiliki fleksibilitas tinggi sehingga nyaman
dipakai. layak pakai secara
teknik, dapat dipakai dengan syarat berat beban di atasnya
(orang yang memakai ditambah
-
Bandung, 29 30 Juli 2003
2 Pemaparan Hasil Litbang 2003
barang atau satu orang anak kecil jika pemakai ingin menggendong
anak) tidak boleh lebih
dari 800 Newton atau kira-kira 81,6 kg.
PENDAHULUAN
Latar Belakang Masalah.
Berbagai alat bantu bagi penderita patah kaki di antaranya
adalah kursi roda, tongkat, dan
kaki palsu. Masingmasing alat bantu tersebut memiliki kelebihan
dan kekurangan. Kursi
roda yang diperuntukan untuk penderita patah kaki total (kedua
kakinya patah) memiliki
kelebihan dalam kenyamanan pemakaiannya, tetapi dalam hal
tingkat fleksibilitasnya
(kebebasan bergerak) sangat kurang dan secara psikologis pemakai
kursi roda memiliki
rasa minder yang tinggi (rendah diri), karena ketergantungan
kepada orang lain sangat
tinggi, sebagai contoh untuk menaiki tangga pemakai kursi roda
membutuhkan orang lain.
Tongkat, digunakan untuk menopang tubuh penderita patah kaki
total atau setengah.
Tongkat memiliki tingkat fleksibilitas yang lebih baik daripada
kursi roda juga rasa minder
pemakainya pun tidak seperti pemakai kursi roda. Biasanya,
mereka ingin menunjukan
bahwa mereka juga mampu berbuat sesuatu seperti orang biasa.
Pengguna kaki palsu
memiliki kepercayaan diri yang lebih tinggi. Mereka tidak ingin
dikasihani orang lain,
sama seperti pemakai tongkat. Biasanya pemakai kaki palsu ingin
dapat berbuat layaknya
orang biasa. Keuntungan kaki palsu adalah tingkat fleksibilitas
yang tinggi. Namun
kekurangannya adalah bentuk kaki palsu kurang menarik dan
tingkat kenyamanan pemakai
masih rendah.Tingkat kenyamanan pemakai menjadi salah satu
pertimbangan kami untuk
membuat desain yang lebih baik.
ALTERNATIF & KRITERIA DESAIN
Berdasarkan data berbagai karakteristik pembebanan yang terjadi
pada tulang dan gaya-
gaya yang bekerja pada kaki saat berjalan, maka dirancang
berbagai macam alternatif kaki
palsu mengacu pada referensi kaki palsu yang sudah ada saat ini
di mana kondisi yang
terjadi pada kaki palsu sedapat mungkin mendekati kondisi kaki
sebenarnya.
-
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 3
KRITERIA PEMILIHAN DESAIN
Berdasar berbagai referensi dan alternative, maka dibuatlah
matriks yang berisi penilaian
keunggulan dan kelemahan masing-masing desain dalam suatu
Decision Matrices seperti di
bawah ini :
Pugh Decision Matrices for Artificial Foot
No. Kriteria Pemilihan Ref 1 Ref 2 Alt1 Alt 2 Alt3 Alt4 1 Berat
artificial foot 4 4 4 4 4 4 2 Proses Produksi/Waktu Produksi 5 3 4
4 4 4 3 Harga (Material + Pembuatan) 4 3 4 4 3 4 4 Kekuatan
terhadap Beban Kejut 3 5 4 4 4 5 5 Penyesuaian thd Kondisi Jalan 2
4 5 5 5 5 6 Kemampuan Menerima Torsi 3 4 4 4 4 5 7 Kenyamanan
Pemakai 3 5 4 4 4 4 8 Reliability 5 5 5 5 5 5 9 Jumlah komponen yg
digunakan 5 3 4 4 4 4
10 Ketersedian Bahan /Material Penyusun 5 3 4 4 4 4 Jumlah 39 39
42 42 41 44 Keterangan : 1 = Buruk 2 = Agak Buruk 3 = Sedang 4 =
Agak Baik 5 = Baik
Berdasarkan Decision Matrices di atas ternyata kaki palsu dengan
desain alternatif ke empat memiliki score
tertinggi, sehingga untuk tahap perancangan selanjutnya
dilakukan dengan menganalisis, alternatif tersebut.
ANALISIS
Dalam melakukan analisis Teknini dilakukan pengambilan beberapa
keputusan agar kaki
palsu rancangan ini tidak mengalami kegagalan.
1. Material yang digunakan untuk menjadi penopang utama yaitu
piston dan silinder
haruslah kuat, ringan dan dapat masuk ke dalam stocking kaki
palsu nantinya sehingga
dipilih material pipa baja standard jenis A53 dengan ukuran 3/8
dan 1. Material
tersebut dipilih karena memiliki nilai ekonomis paling baik
.
2. Sebagai gaya masukan perhitungan dipilih berat orang maksimal
yang memakai kaki
palsu adalah 800 Newton dengan tujuan keamanan terjamin.
3. Kondisi kaki palsu ketika sedang berjalan disesuaikan dengan
kondisi kaki sebenarnya,
yaitu tapak kaki membentuk sudut + 10o terhadap posisi tapak
saat berdiri tegak. Pada
gambar di bawah disajikan segitiga gaya yang terjadi pada kaki
palsu ketika sedang
melangkah. Untuk lebih jelasnya silakan melihat gambar 4.1
sampai 4.5 di bawah ini :
-
Bandung, 29 30 Juli 2003
4 Pemaparan Hasil Litbang 2003
Gambar 4.1 - Gambar 4.5
Gambar 4.1 dan Gambar 4.2.
Kondisi kaki ketika baru menapak
4.1. gaya pada pipa belakang : 264,3 N
gaya pada pipa depan : 535,9 N
4.2. gaya pada pipa belakang : 494,9 N
gaya pada pipa depan : 305,3 N
Gambar 4.3 dan Gambar 4.4.
Kondisi kaki ketika akan melenting
4.3. gaya pada pipa belakang : 0 N
gaya pada pipa depan : 800 N
4.4. gaya pada pipa belakang : 386,6 N
gaya pada pipa depan : 1174,8 N
-
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 5
Gambar 4.5.
Kondisi kaki ketika lepas dari tanah
gaya pada pipa belakang : 348,1 N
gaya pada pipa depan : 1134,4 N
Analisis Kekuatan Pipa
Analisis pipa untuk artificial foot ini dilakukan dengan bantuan
program Nastran for
Windows 4.5. Artificial Foot rancangan ini menggunakan pipa
standard (ASTM A53)
dengan ukuran 83 inchi dan 1 inchi.
Komponen-komponen utama yang dianalisis adalah Piston Tumpu,
Silinder Tumpu, dan
Universal Joint. Pada analisis komponen-komponen tersebut
dilakukan analisis tegangan
dengan metode Solid Von Mises Stress dan analisis deformasi
dengan metode Total
Translation. Karena keterbatasan jenis-jenis material yang ada
di dalam program Nastran,
maka penggunaan material lain yang memiliki karakteristik
sifat-sifat fisik yang mendekati
diperbolehkan. Material pengganti dalam permodelan adalah
Alumunium Plate_SI dengan
kekuatan tarik 241316526 Pa, sedangkan material yang digunakan
dalam pembuatan
artificial foot adalah pipa stainless steel ASTM A53 dengan
kekuatan tarik 330948400 Pa.
Sebagai beban input dipilih gaya terbesar yang diderita
masing-masing obyek analisis yaitu
untuk komponen piston tumpu dan silinder tumpu sebesar 1174,8 N
sedangkan untuk
Universal Joint sebesar 494,9 N
-
Bandung, 29 30 Juli 2003
6 Pemaparan Hasil Litbang 2003
Analisis Tegangan Piston Tumpu
Piston tumpu adalah bagian dari kaki palsu (artificial foot)
yang akan menumpu
secara langsung tubuh pemakai. Terlihat pada gambar 4.6. hasil
analisis tegangan dengan
metode Von Mises.
Gambar 4.6. Distribusi Tegangan Piston Tumpu
Pada analisis dengan Nastran digunakan constrain jepit permukaan
pada dasar dan pada
pipa yang letaknya 34,2 mm dari dasar tumpuan, terlihat pada
gambar 4.7.
Gambar 4.7 Constrains Piston Tumpu
Gambar 4.8. Beban Piston Tumpu
-
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 7
Beban diberikan pada piston penumpu dalam dua arah, yaitu
sebesar 494,9 N dalam arah
Y-positif (ke atas) pada kedua kuping dan 1174,8 N dalam arah
Y-negatif dengan sudut
84o terhadap sumbu X.
Gambar 4.9. Tegangan Maksimal Piston Tumpu
Tegangan maksimum sebesar 97461,49 Pa terjadi pada bagian pipa
yang mengalami
tegangan tekan (elemen 17442) ditandai dengan warna biru pada
gambar 4.9.
Analisis Deformasi Piston Tumpu
Analisis deformasi ini bertujuan mengetahui letak dan besar
perpindahan nodal pada pipa
yang terbesar akibat adanya gaya yang bekerja.
Terlihat dari hasil analisis dengan Nastran, deformasi terbesar
ditandai dengan kontur
permukaan berupa warna biru muda, atau pada ujung kuping dari
piston penumpu (nodal
13142) sebesar 6,7 x 10-7 meter .
Gambar 4.10. Distribusi Deformasi Piston Tumpu
-
Bandung, 29 30 Juli 2003
8 Pemaparan Hasil Litbang 2003
Analisis Tegangan Universal Joint
Untuk universal joint ini constrain dan beban diberikan pada
kedua sisi permukaan dari
pipa yang saling berlawanan. Constrain yang diberikan pada
universal joint ini berupa jepit
(fixed) permukaan di kedua mulut pipa yang lebih panjang.
Sedangkan beban (load) yang
diberikan juga pada permukaan pipa yang lebih pendek dalam arah
sumbu-X positif
sebesar 494,9 N.
Gambar 4.11. Distribusi Tegangan Universal Joint
Tegangan maksimum terjadi pada bagian tengah dari pipa, yaitu
sebesar 4160791 Pa yang
letak pastinya pada elemen dengan ID 2858 (lihat gambar
4.11.).
Analisis Deformasi Universal Joint
Untuk deformasi yang terjadi pada universal joint, deformasi
terbesar terletak pada sisi-sisi
pipa yang menerima beban sebesar 2,38 x 10-6 m. Deformasi ini
ditandai dengan kontur
permukaan warna biru, seperti terlihat pada gambar 4.12.
Gambar 4.12. Distribusi Deformasi Universal Joint
-
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 9
Analisis Tegangan Pin Depan
Pin depan adalah komponen dari artificial foot yang berhubungan
langsung dengan tapak
kaki. Constrain pin depan diberikan pada kedua sisi pipa
horisontal berupa pin yang tidak
dapat bergerak translasi. Beban diberikan sebesar 1168,364 N
(dari 1174,8 x sin 84o) pada
sisi atas piston dalam arah sumbu Y negatif (ke bawah).
Tegangan terbesar terjadi pada daerah di mana constrain
diberikan, ditandai dengan kontur
permukaan berwarna biru (elemen 6573) sebesar 25182696 Pa.
Gambar 4.13. Distribusi Tegangan Pin Depan
Analisis Deformasi Pin Depan
Pada pin depan, deformasi terjadi akibat adanya gaya yang
diberikan oleh pegas, di mana
deformasi terbesar dapat dilihat dari hasil analisis Nastran di
bawah ini, ditandai dengan
perpindahan elemen-elemen dari pin tersebut.
Translasi terbesar terjadi pada penampang atas dari pin, akibat
dari deformasi pipa
horizontal. Besarnya translasi yang terjadi pada pin depan
adalah 7,98 x 10-6 m.
Gambar 4.14. Distribusi Deformasi Pin Depan
-
Bandung, 29 30 Juli 2003
10 Pemaparan Hasil Litbang 2003
Analisis Pegas.
Analisis pegas yang digunakan pada kaki palsu ini mencakup
penghitungan perancangan
dua buah pegas tekan dan satu pegas torsi ganda. Penghitungan
dilakukan untuk
mendapatkan efek nyaman bagi pemakainya, namun disebabkan
dimensi pegas belum
distandarkan maka dilakukan perancangan mulai dari pemilihan
material sampai penentuan
dimensi oleh perancang.
Analisis Pegas Tekan.
1. Penentuan diameter spring
- Space yang tersedia di antara pipa berukuran 3/8 inch dengan 1
inch adalah sebesar
4,7498 mm. Untuk kelonggaran saat pegas terdefleksi, pegas
dibuat dengan
keadaan merapat ke pipa 3/8 inch.
2. Penentuan material pegas tekan.
Dipilih material Chrome Vanadium ASTM 23, dengan Kekuatan Luluh
(Yield
Strength) diperoleh dari Korelasi Joerres di mana untuk material
baja karbon dan baja
paduan :
MPaS sy 94,721= (1)
3. Menentukan beban statik maksimal yang dapat diterima pegas,
Fs :
Karena pegas dengan kondisi kedudukan di antara dua pelat yang
rata, maka dipilih
bentuk ujung : Squared/Closed End Spring
- Konstanta beban statik,
ccK s 2
12 += (2)
- Beban Statik maksimum pegas berdasarkan Yield
Strength-nya,
DKdS
Fs
sys 8
. 3= (3)
Dalam hal ini gaya kritis yang menjadi dasar pada perhitungan
pegas adalah gaya
terbesar yang diderita pipa belakang yaitu sebagai berikut :
-
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 11
Pada saat baru menapak, pegas yang terdefleksi adalah pegas
kompresi atas dengan gaya kritis sebesar 494,9 N. Perubahan panjang
yang harus terjadi pada susunan
pipa belakang agar membentuk sudut 10o adalah sebesar 11,44
mm.
Pada saat akan melenting, pegas yang terdefleksi adalah pegas
kompresi bawah dengan gaya kritis sebesar 386,6 N. Perubahan
panjang yang harus terjadi pada
susunan pipa belakang agar membentuk sudut 10o adalah sebesar
10,44 mm.
Gaya ini menjadi acuan penentuan kekakuan pegas dan defleksi
pegas selanjutnya. Hal ini
merupakan syarat pemakai merasa nyaman. Maka dilakukan
penghitungan sebagai berikut
:
a. Pegas Tekan Atas.
- Kekakuan pegas, k :
yFk = (4)
- Jumlah koil aktif, Na :
kD
GdNa 34
8= (5)
dengan koreksi pembulatan ke atas, Na menjadi :
buahNa 5,6= (6)
sehingga kekakuan pegas menjadi :
aND
Gdk 34
8= (7)
dan untuk gaya yang sama, defleksi yang terjadi menjadi :
kFy = (8)
- panjang solid pegas,
)1( += ts NdL (9)
-
Bandung, 29 30 Juli 2003
12 Pemaparan Hasil Litbang 2003
- defleksi pegas jika menerima beban statik maksimal,
kF
y ss = (10)
- Menghitung ketahanan pegas terhadap buckling :
Syarat agar tidak terjadi buckling untuk material pegas yang
terbuat dari baja
karbon adalah :
DLo .63,2< (11)
b. Pegas Tekan Bawah.
- Kekakuan pegas,
yFk = (12)
- Jumlah koil aktif,
kD
GdNa 34
8= (13)
- defleksi pegas jika menerima beban statik maksimal,
kF
y ss = (14)
- Menghitung kestabilan pegas (ketahanan pegas terhadap
buckling) :
Syarat agar tidak terjadi buckling untuk material pegas yang
terbuat dari baja
karbon adalah :
DLo .63,2< (15)
- Menghitung Faktor Keamanan terhadap beban fatigue :
095,1=sK (16)
dari perhitungan sebelumnya.
-
Pusat Penelitian Informatika - LIPI
Kedeputian Ilmu Pengetahuan Teknik 13
Analisis Pegas Torsi
Sudut maksimal yang dapat dibentuk oleh tapak kaki saat
melakukan gerakan menggeleng
(Adduction dan Abduction) adalah sebesar 22o. Nilai inilah yang
menjadi acuan dalam
penghitungan perancangan pegas torsi pada kaki palsu.
o22= (17)
Dengan harga Dspring sebagai konstanta dan nilai N sebagai
variabel coba-coba dengan
persyaratan dspring tidak boleh > celah yang tersedia maka
dengan metode Iterasi, harga
dspring dapat diperoleh. Setelah beberapa kali melakukan iterasi
diperoleh harga N yang
sesuai adalah 2,5 dengan harga dspring.
Tabel iterasi yang terakhir seperti tampak di bawah ini :
dspring Dspring 0.461610255 N X = D3 - D2dY = 4D2 - Dd -
d2 0.4616(N1/1.201
)(X/Y)1/1.201 3 21.895 0.461610255 2.5 9058.093417 1842.8791
3.727515526
3.727515526 21.895 0.461610255 2.5 8709.329004 1822.055776
3.641920275 3.641920275 21.895 0.461610255 2.5 8750.362599
1824.560672 3.652021768 3.652021768 21.895 0.461610255 2.5
8745.520034 1824.26582 3.650830109 3.650830109 21.895 0.461610255
2.5 8746.091304 1824.300614 3.650970694 3.650970694 21.895
0.461610255 2.5 8746.023909 1824.29651 3.650954109 3.650954109
21.895 0.461610255 2.5 8746.03186 1824.296994 3.650956065
3.650956065 21.895 0.461610255 2.5 8746.030922 1824.296937
3.650955835 3.650955835 21.895 0.461610255 2.5 8746.031033
1824.296943 3.650955862 3.650955862 21.895 0.461610255 2.5
8746.03102 1824.296943 3.650955859 3.650955859 21.895 0.461610255
2.5 8746.031021 1824.296943 3.650955859 3.650955859 21.895
0.461610255 2.5 8746.031021 1824.296943 3.650955859
Dari tabel iterasi diperoleh dspring = 3,651 mm. Torsi Maksimum
dapat memutarkan pegas
sebesar 22o
KESIMPULAN
Dari hasil penghitungan perancangan kaki palsu di atas dapat
disimpulkan :
1. Kaki palsu ini memiliki kemampuan untuk mengangguk dan
menggeleng saat
melewati medan yang tidak rata (memiliki fleksibilitas tinggi)
sehingga nyaman
dipakai.
2. Dari analisis dapat diketahui bahwa kaki palsu tersebut layak
pakai secara teknik.
-
Bandung, 29 30 Juli 2003
14 Pemaparan Hasil Litbang 2003
3. Kaki palsu ini dapat dipakai dengan syarat berat beban di
atasnya (orang yang
memakai ditambah barang atau satu orang anak kecil jika si
pemakai ingin
menggendong anak) tidak boleh lebih dari 800 Newton atau
kira-kira 81,6 kg.
Daftar Pustaka
Hamill,Joseph; Knutzen, Kathleen M. (1995), Biomechanical Basis
of Human
Movement, William & Wilkins, Philadelphia, USA.
Journal of Biomechanical Engineering,(1990), Analytical Method
for Analysis and
Simulation of Human Locomotion, November; Volume 112.
Winter, David. A. (1990), Biomechanics and Motor Control of
Human Movement 2nd
edition, John Wiley & Sons Inc., New York.
Shigley, Joseph Edward (1989), Mechanical Engineering Design,
McGraw-Hill Book
Company; Singapore.
ASME CODE B31.3, Process Piping & Tabel Properties and
Weights of Pipe.
Ottobock Technical Information, West Germany.