RANCANG BANGUN KAKI PALSU

(1)

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

(2)

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. Masing–masing 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.

(3)

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 :

(4)

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

(5)

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 3₈_{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

(6)

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

(7)

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 .

(8)

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.

(9)

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.

(10)

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 :

MPa

S_sy =721,94 (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,

c c K_s 2 1 2 + = (2)

- Beban Statik maksimum pegas berdasarkan Yield Strength-nya, D K d S F s sy s 8 ._π 3 = (3)

Dalam hal ini gaya kritis yang menjadi dasar pada perhitungan pegas adalah gaya terbesar yang diderita pipa belakang yaitu sebagai berikut :

(11)

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 :

y F

k = (4)

- Jumlah koil aktif, Na :

k D G d N_a ₃ 4 8 = (5) dengan koreksi pembulatan ke atas, Na menjadi :

N_a =6,5buah (6) sehingga kekakuan pegas menjadi :

a N D G d k ₃ 4 8 = (7) dan untuk gaya yang sama, defleksi yang terjadi menjadi :

k F

y= (8)

- panjang solid pegas,

) 1 ( + = _t s d N L (9)

(12)

- defleksi pegas jika menerima beban statik maksimal,

k F

y s

s = (10)

- Menghitung ketahanan pegas terhadap buckling :

Syarat agar tidak terjadi buckling untuk material pegas yang terbuat dari baja karbon adalah :

α D

L_o < 2,63. (11)

b. Pegas Tekan Bawah. - Kekakuan pegas,

y F

k = (12)

- Jumlah koil aktif,

k D G d N_a ₃ 4 8 = (13)

- defleksi pegas jika menerima beban statik maksimal, k

F

y s

s = (14)

- Menghitung kestabilan pegas (ketahanan pegas terhadap buckling) :

Syarat agar tidak terjadi buckling untuk material pegas yang terbuat dari baja karbon adalah :

α D

L_o <2,63. (15)

- Menghitung Faktor Keamanan terhadap beban fatigue :

K_s =1,095 (16) dari perhitungan sebelumnya.

(13)

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.

_θ ₌₂₂o ₍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 - D2d Y = 4D 2 _Dd -d2 0.4616(N 1/1.201 )(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.

(14)

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.