Пассивный протез стопы человека с пружинной системой сгиба частей
Казаринова А.С., Сибирцев Н.А., Сайпулаев Г.Р.
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва
Ключевые слова: протез, стопа, осевая жесткость, 3D-модель, динамика, математическая модель.
Аннотация. В рамках данной работы ставится задача моделирования протеза ноги ниже колена с пружинной системой сгиба отдельных частей: предплюсна, плюсна, фаланги. Рассматривается конструкция протеза ниже колена с системой, оказывающей помощь при ходьбе с помощью пружин, позволяющей пользователю осуществлять ходьбу идентичной человеческой походке и сглаживать переходы между движениями предплюсны, плюсны и фаланг. Протез имеет возможность сгибаться в районе соединения фаланг пальцев, что позволяет пользователю быстрее привыкнуть к изделию. Результаты компьютерного моделирования конструкции протеза в САПР Solidworks показали, что жесткость конструкции при нагружении статической вертикальной силой равной 488 Н будет равна 65,5 кН/м. По результатам расчета динамики стопы предельное значение осевой жесткости пружин составляет 70 кН/м. В качестве одних из возможных материалов для изготовления пружин предплюсны и фаланг протеза могут быть использованы сталь 35Г2, 40Г2 и др. Указанные материалы обеспечивают стабильную работу протеза ноги. Полученная модель стопы может быть использована при проектировании биопротезов медицинского назначения.
Passive prosthesis of human foot with spring system of bending parts
Kazarinova A.S., Sibirtsev N., Saipulaev G.R.
National Research University “Moscow Power Engineering Institute”, Moscow
Keywords: prosthesis, foot, stiffness, 3D-model, dynamics, mathematical model.
Abstract. This paper sets the task of modeling a below-knee prosthetic foot with a spring system for bending individual parts: tarsal, metatarsal, and phalanges. The design of a below-knee prosthesis with a spring assisted system is considered, allowing the user to walk identical to a human gait and smoothing the transitions between the movements of the tarsal, metatarsal, and phalanges. The prosthesis has the ability to bend in the area of the phalangeal joint, which allows the user to get used to the product faster. The results of computer modeling of the prosthesis structure in Solidworks CAD showed that the stiffness of the structure when loaded with a static vertical force of 488 H will be equal to 65 kN/m. According to the results of calculation of the kinematic model of the foot, the limiting value of the axial stiffness of the springs is 70 kN/m. Steel 35G2, 40G2, etc. can be used as one of the possible materials for manufacturing the tarsal and phalangeal springs of the prosthesis. These materials ensure stable operation of the prosthetic foot. The obtained foot model can be used in the design of medical bioprostheses.