288-ibnu - analisa kaki palsu update

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.



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 :



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



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





Gambar 4.5.

Kondisi kaki ketika lepas dari tanah

gaya pada pipa belakang : 348,1 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



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



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



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



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



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 :



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)



- 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.



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.



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.

288-ibnu - analisa kaki palsu update

Documents

cane and foot prosthesis

petra hd banuareah

layak pakai secara teknik

analysis by nastrans

berbagai alat bantu

masingmasing alat bantu

tegangan universal joint

berdasar berbagai referensi