## PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PROTOTYPE
SHANK PROSTHESES KAKI BAGIAN BAWAH LUTUT
Agung Prakoso Program Studi Aeronautika STT Adisutjipto Jl.  Janti Blok R Lanud Adisutjipto Yogyakarta prakosoagung84@gmail.com

## Abstract
The  existence  o f  fe e t  as  the  p a rt  o f  the  human  body  is  very  important  to  support  the  daily activities which  is  to support the  body and to walk. The lost o f  the  under knee p a rt (amputation) is  the dominant  case  o f  the  total  cases  o f  amputation  in  Indonesia.  So  that  we  need a  tool  to  restore  the balance o f  the human body to be able  to do our daily activity.  The  tool is  called prostheses.  The design and manufacture  o f  prototypeshank prostheses  under knee  is  intended fo r  persons  who  have  162  cm height  and  57  K g  o f  average  weight.  Prostheses  are  aim ed  to  the  persons  who  only  lost  one  limb below  the  knee.  In  this  design,  the  length  o f  the  shank  can  be  set  according  to  the  length  o f  leg amputated and is  intended to persons  who are still experiencing high growth (teenager).  The  material is stainless steel 316L.  The shank has a length 200-300 mm,  width  67 mm and 2 mm thick.
Keywords: Prostheses,  shank

## Abstrak
Keberadaan  kaki  sebagai  anggota  gerak  tubuh  manusia  sangatlah  penting  untuk menunjang  aktivitas  sehari-hari,  di  mana kaki  berfungsi  untuk menopang tubuh  dan berjalan. Ketiadaan  kaki  bagian  bawah  lutut  (amputasi)  merupakan  kasus  yang  dominan  dari  total kasus  ketiadaan  anggota  gerak  tubuh  manusia  di  Indonesia.  Sehingga  diperlukan  suatu  alat untuk mengembalikan keseimbangan tubuh manusia untuk dapat beraktivitas  sehari-hari.  Alat pengganti  anggota  gerak  tubuh  yang  hilang  adalah prostheses. Perancangan  dan  pembuatan prototype  shank prostheses kaki  bagian  bawah  lutut  ini  ditujukan  untuk  individu  dengan tinggi  162  cm  dan  dengan  berat  tubuh  rata-rata  57  Kg. Prostheses ini  ditujukan  kepada individu  yang  hanya  kehilangan  satu  anggota  gerak bawah  lutut.  Pada  rancangan  ini,  ukuran panjang shank dapat diatur  sesuai  dengan  panjang kaki  yang  diamputasi  dan  ditujukan untuk individu  yang  masih  mengalami  pertumbuhan  tinggi  (remaja).  Bahan  yang  dipakai  adalah stainless steel 316L. Shank ini  memiliki  panjang 200-300  mm,  lebar 67  mm  dan tebal  batang 2 mm.
Kata kunci: Prostheses, shank

## 1. Pengantar
Tubuh  manusia  normal  mempunyai  sepasang  kaki  yang  merupakan  bagian  tubuh manusia  yang  berfungsi  sebagai  alat  gerak  bawah.  Selain  sebagai  alat  gerak,  kaki  juga berfungsi  sebagai  alat  penyeimbang  tubuh  serta  sebagai  alat  aktivitas  sehari-hari.  Ketiadaan atau  defisiensi  kaki  merupakan  masalah  bagi  manusia,  karena  fungsi  yang  seharusnya dijalankan oleh organ tubuh tersebut tidak ada dan tubuh manusia menjadi tidak seimbang.

## Agung  Prakoso
Pada  tahun  2012  sejumlah  400  orang  penyandang  kaki  buatan  akibat  kecelakaan  dan bencana  mendapatkan  kaki  buatan  Sugeng  Siswoyudono  yang  terkenal  melalui  acara Kick Andy  dan  dilaksanakan  melalui  kerjasama  dengan  Polda  Jawa  Tengah  (Setiadi,  2012).  Kaki buatan  Sugeng  juga  pernah  diberikan  kepada  korban  bom  Palu  di  Sulawesi  Tengah  dan korban tsunami Banda Aceh melalui Kick Andy Foundation (Priambodo,  2010).

## 2. L a ta r Belakang M asalah
Prostheses adalah  suatu  pengganti  untuk  bagian  tubuh  yang  hilang,  meski  definisi tersebut  berhubungan  dengan  tidak  adanya  telinga,  mata,  gigi  atau  bagian  tubuh  lain  akan tetapi  yang menjadi  pembahasan disini  adalah bagian tubuh yang berfungsi  sebagai  alat gerak (Sinaki,1993).  Terdapat  dua penyebab  atas  ketiadaan  alat  gerak tubuh,  yaitu  akibat  amputasi dan  akibat  defisiensi  bawaan.  Pada  kasus  amputasi,  alat  gerak  semula  ada,  namun  karena beberapa  alasan  tertentu  misalnya  kecelakaan  atau  penyakit,  alat  gerak  tersebut  harus dihilangkan.  Sedangkan  pada  kasus  defisiensi  bawaan,  tubuh  seseorang  tersebut  memang tidak terdapat alat gerak tertentu sejak lahir.
Ketiadaan  alat  gerak  bawah  atau  kaki  secara  garis  besar  dibagi  menjadi  dua  yaitu ketiadaan  kaki  atas  lutut (above-knee) dan  ketiadaan  kaki  bawah  lutut (below-knee). Pada ketiadaan kaki,  bagian  penghubung  antara foot,  ankle dan  soket adalah shank yang berfungsi untuk memindahkan dan  membagi  beban  dari  soket ke bagian foot. Terdapat dua jenis shank, yaitu exoskeletal dan endoskeletal (Campbell,  2002).  Keuntungan endoskeletal  shank yaitu lebih  modern,  lebih  mampu  menopang  beban  tubuh,  lebih  kuat.  Kekurangan shank ini  yaitu lebih mahal, pembuatan lebih sulit dan rumit,  pelapisan bagian luar kurang berdaya tahan.

## 3. Metodologi Penelitian
Permasalahan  yang  dibahas  dalam  bab  ini  adalah  merancang  dan  membuat prototype shank prostheses bagian  bawah  lutut.  Langkah-langkah  perancangan  dan  pembuatan  yang digunakan dapat dilihat pada gambar  1.

## A. Tahap Identifikasi Awal Perancangan dan Pem buatan
Alasan  pemakaian prostheses oleh  orang  yang  kehilangan  anggota  gerak  tubuhnya antara lain adalah sebagai berikut:
a. Menggantikan  peran  dan  fungsi  organ  tubuh  yang  tidak  ada  untuk  menjalankan aktivitas hidup  sehari-hari.
b.  Mengurangi perasaan rendah diri  akibat frustasi kehilangan bagian tubuh.
c. Meningkatkan  penyesuaian  diri  dan  menumbuhkan  rasa  percaya  diri  dalam  berperilaku sosial.
d.  Menginginkan  suatu  alat  yang  dapat  lebih  menjamin  keamanan  dan  kemandirian individu.
Gambar 1. Metodologi Perancangan

## B. Tahap Pengum pulan Data
Data  yang  diperoleh  berasal  dari  internet,  buku-buku  prosthetic,  pusat  rehabilitai Yakum,  dan  dari  rumah  sakit Orthopedi Profesor  Dr.  Soeharso  Solo.  Data  tersebut  berupa rancangan-rancangan prostheses dari  mulai  yang  masih  sederhana  sampai  perkembangannya menjadi lebih maju.

## C. Tahap Perancangan dan Pem buatan Shank Prostheses
Prostheses yang  dirancang  merupakan  pengembangan  dari  rancangan-rancangan  yang sudah  ada.  Hal  itu  sesuai  dengan  tujuan  perancangan  dan  pembuatan prostheses tersebut. Prostheses yang akan dirancang adalah bagian shanknya saja.
Biomekanis  kaki  artinya  aksi  gaya  yang  terjadi  pada  kaki  manusia.  Kaki  sebagai anggota gerak bawah berfungsi  untuk berjalan  dan  menopang tubuh.  Siklus berjalan manusia dimulai  saat kaki kontak dengan lantai dan berakhir saat kaki yang sama menyentuh lantai.
Terdapat  dua  fase  saat  kaki  berjalan  yaitu  fase  berdiri  dan  fase  berayun.  Fase  berdiri (stance  phase) merupakan  bagian  siklus  di  mana  tungkai  acuan  berkontak  dengan  lantai, dimulai  saat  tumit  menyentuh  lantai (heel  strike), bergerak  sampai  semua  kaki  menyentuh lantai  dan  tumit  terangkat (toe-off). Fase  berayun (swing phase) merupakan  bagian  siklus  di mana tungkai  acuan tidak menyentuh lantai.  Fase ini  dimulai  dengan tidak tersentuhnya kaki ke lantai  dan berakhir saat tumit menempel ke lantai (heel strike).
Gambar 2. Fase berdiri (stance phase) (Campbell,2002)
Gambar 3. Fase berayun (swing phase) (Campbell,2002)
Selama  proses  berjalan  seluruh  bobot  tubuh  ditumpu  pada  satu  kaki  (kaki  kiri  dalam gambar  3),  beban  tertinggi  yaitu  pada  saat  berjalan  dengan  tumpuan  satu  kaki.  Dengan demikian perlu dicari beban tertinggi  pada mekanisme berjalan.  Gaya yang bekerja pada kaki ketika membawa berat tubuh keseluruhan  ditunjukkan  dalam  gambar  5.  Misal  selama berdiri pada  satu  kaki,  FM  adalah  magnitudo  dari  gaya  resultan  yang  dikeluarkan  oleh  otot-otot abduktor  pinggul, Fj adalah  magnitudo  gaya  reaksi  sendi  yang  diaplikasikan  oleh  panggul pada tulang paha, W 1 adalah berat kaki, W adalah berat total tubuh yang diaplikasikan sebagai suatu  gaya normal  oleh tanah pada kaki.  Sudut antara batas usaha  kekuatan  otot resultan  dan horisontal ditunjukkan oleh 9.
Gambar 4. Berdiri dengan satu kaki (Azkaya dan Nordin,1991)

## w
Gambar 5.  Gaya-gaya yang bekerja pada kaki kanan yang menopang berat keseluruhan tubuh

## (Azkaya dan Nordin,1991)
Suatu  model  mekanika kaki,  komponen-komponen  persegi  dari  kekuatan yang bekerja, dan  parameter-parameter  yang  dibutuhkan  untuk  menyelesaikan  soal  ditunjukkan  dalam gambar 6.  O  adalah  suatu titik  di  sepanjang  sumbu  yang terjadi  seketika  itu juga  pada rotasi sendi pinggul, B  adalah pusat gravitasi pada kaki,  dan C adalah di  mana kekuatan reaksi tanah diaplikasikan pada kaki.  Jarak antara A dan  O,  B,  dan C  ditentukan  secara berurutan menjadi a,  b, dan c. a  adalah  sudut  pencondongan  leher  tulang  paha  pada  horisontal,  dan  p  adalah sudut  yang  dibuat  sumbu  panjang  pada  tangkai  tulang  paha  dengan  horisontal.  Oleh karenanya,  a + p  kira-kira sama  dengan total  sudut leher ke tangkai  dari tulang paha (Azkaya dan Nordin,  1991).
Untuk  menentukan  gaya  yang  dikeluarkan  oleh  otot-otot  abduktor  pinggul  dan  gaya reaksi  sendi  pada  pinggul  untuk  mendukung  kaki  dan  pinggul  pada  posisi  yang  ditunjukkan yaitu:
Penyelesaian Menggunakan diagram bebas tubuh pada kaki.
Untuk  menyelesaikan  soal  tersebut,  digunakan  diagram  bebas  tubuh  pada  kaki  kanan yang  menopang  berat  keseluruhan  orang  tersebut.  Dalam  gambar  6a,  gaya  otot  dan  reaksi sendi  ditunjukkan  dalam  kaitan  komponen-komponennya  pada  arah  x  dan y. Gaya  otot resultan  memiliki  suatu  garis  kerja  yang  membuat  suatu  sudut  9  dengan  horisontal.  Oleh karenanya:
Fmx = Fm cos 9 FMy = Fm sin 9
Karena  sudut  9  ditetapkan  (ditentukan  sebagai  suatu  hitungan  jumlah),  satu-satunya yang tidak  diketahui  pada  gaya  otot  adalah  magnitudonya, Fm. Untuk  gaya  reaksi  sendi,  tak ada  satupun  dari  magnitudo  maupun  arah  yang  diketahui.  Dengan  mengacu  pada  sumbu  di mana sendi pinggul terletak pada O, ax pada gambar 6b  adalah lengan momen pada komponen vertikal FMy gaya otot,  dan ay adalah lengan momen Fmx. Serupa dengan itu, (bx-ax)  adalah lengan  momen  untuk  W 1 dan  (cx  -   ax)  adalah  lengan  momen  untuk  gaya  W  yang diaplikasikan oleh tanah pada kaki.
Dari hitungan soal:
ax = a cos a (1) ay = a sin a (2) bx = b  cos P cx = c cos P (3) (4)

## Agung  Prakoso
Sekarang  ketika  komponen  vertikal  dan  horisontal  semua  gaya  tercakup,  dan  lengan- lengan momennya dengan mengacu pada O  ditentukan,  kondisi  untuk ekuilibrium  rotasi  kaki di  sekitar  O  dapat  digunakan  untuk  menentukan  magnitudo  gaya  otot  resultan  yang diaplikasikan pada A. Dengan menganggap bahwa momen-momen berdasarkan putaran jarum jam adalah positif:
( a ) (b)

## w
Gambar 6(a). Diagram bebas tubuh pada kaki, (b). Parameter-parameter hitungan. (Azkaya dan Nordin,1991)
Keterangan: Fm  = resultan gaya otot abduktor FJ  = gaya reaksi  sendi W 1 = berat kaki
W  = berat total tubuh
9  = sudut Fm dengan horisontal
a  = sudut pencondongan leher tulang paha pada horisontal P  = sudut tangkai tulang paha dengan horisontal ax = lengan momen FMy ay = lengan momen Fmx
(bx -  ax) = lengan momen untuk W 1 (cx -  ax) = lengan momen untuk gaya W
^ M O  = 0: axFMy -  ayFMx -  (Cx  -  ax )W + (bx  -  ax )W  = 0
Dengan mensubstitusikan persamaan (1) sampai  (4) kedalam persamaan diatas: (a cos a) (F m sin 9) -  (a sin a) (F m cos 9)
- (c cos P - a cos a) W + (b cos P - a cos a) W 1 = 0 Penyelesaian persamaan untuk gaya otot:
(cW - b W Jcos p - a ( W  - W Jc o sa F m -------------------- :-------- :------------------ a(cos a sin 6 - sin a cos 6)
Penyebut  dari  persamaan  (5)  dapat  disederhanakan  menjadi  a  sin  (9  -   a).  Untuk menentukan  komponen-komponen  pada  gaya  reaksi  sendi,  dapat  menggunakan  kondisi ekuilibrium vertikal dan horisontal kaki:
^ Fx  = 0: Fjx = Fmx = Fm cos 9 (6) £ Fy  = 0: F jy = FMy + W -  Wi F jy = Fm sin 9 + W -  Wi (7)
Oleh karenanya, gaya resultan yang bekerja pada sendi pinggul  adalah:
Fj = t / ( F J + F 7
(8)
Anggap  bahwa  parameter-parameter  hitungan  dari  soal  dan  berat  kaki  dihitung  dalam istilah-istilah:  tinggi  orang h dan  berat  total  W  sebagai  berikut: a =  0,05h, b =  0,219h, c =  0,52h,  a = 45o,  p  =  80o,  9  =  70o,  dan Wi  =  0,1665W.  Gaya reaksi  sendi  membuat  suatu sudut 0 = tan-1  (Fjy / Fjx) = 74.8o (Azkaya dan Nordin,  1991).

## 4. Hasil dan Pem bahasan
Perancangan  dan  hasil  dari  bagian-bagian shankprostheses dalam  penelitian  ini  adalah sebagai berikut:

## 4.1 Bagian yang disam bungkan dengan soket
S E C TIO N   A -A
Gambar 7. Penghubung soket (satuan mm)

## Agung  Prakoso
4.2 Bagian angkle yaitu penghubung dengan fo o t
Gambar 8. Angkle penghubung foot (satuan mm)

## 4.3 Bagian batang
Gambar 9. Batang (satuan mm)

## 4.4 Bagian penghubung batang dengan angkle
Gambar 10. Penghubung batang dengan angkle (satuan mm)

## 4.5 Bagian penghubung soket dengan batang
Gambar 11. Penghubung soket dengan batang (satuan mm)

## Agung  Prakoso
Bahan yang dipilih  dalan perancangan shankprostheses adalah stainless steel.  Stainless steel yang  biasa  digunakan  aplikasi prostheses adalah stainless  steel tipe  3i6L.  Bahan  ini sering  digunakan  karena  memiliki  sifat-sifat  kuat (gu =  48,5  kg/mm2),  beratnya  7,9  g/cm3, tahan terhadap korosi,  dan nonmagnetic.

## A. Menghitung beban maksimum (Pmaks)
Untuk melakukan perhitungan pada batang diperlukan  suatu  asumsi  yang nantinya akan digunakan sebagai  dasar perhitungan.  Adapun asumsi tersebut adalah tinggi  tubuh (h)  i62  cm sehingga didapat berat tubuh  :
W = h -   i i 0  (+  i0/i00 x selisih) =  i62 -   i i 0  (+ 0,i x 52) = 57,2 kg « 57 kg
Dalam  hal  ini  dicari  perhitungan  pada  saat  beban  tertinggi  yaitu  pada  saat  berjalan dengan tumpuan  satu kaki  (Azkaya  dan Nordin,  i99i).  Beban maksimum  pada kaki  dihitung dari  gaya  reaksi  sendi (Fj). Asumsi  bahwa  parameter-parameter  hitungan  dan  berat  kaki dihitung  dalam  istilah-istilah:  tinggi  orang (h) dan berat total  (W)  sebagai  berikut: a =  0,05h, b =  0,2i9h, c =  0,52h,  a  =  45o,  ß  =  80o,  G  =  70o,  dan  Wi  =  0,i665W.  Gaya  reaksi  sendi membuat  suatu  sudut 0 = tan-i  (Fjy / Fjx) =  74.8o.  Kita  ambil  tinggi  manusia h  (i62  cm)  dan berat W (57 kg), maka nilai a = 8,i  cm, b = 35,478  cm,  c = 84,24 cm, Wi = 9,5  kg.
Untuk gaya otot  :
(cW - bWl )co s ß - a(W -  Wx )c o sa
F m ------------------------------------------------------- a(cos a sin O - sin a cos O) ^  _  (84,24.57-35,478.9,5)cos80- 8,i(57- 9,5)cos45 F m --------------------------------- ;----------- ;-------------------------------
8,i(cos 45 sin 70 -  sin 45 cos 70)
Fm =  i47 kg Gaya resultan yang bekerja pada sendi pinggul  :
f j =  V F J + F 7 Fjx = Fmx = Fm cos G Fjx =  i45,55  kg cos 70 = 49,78 kg F jy = Fm sin G + W -  Wi Fjy =  i47 kg sin 70 + (57 -  9,5)kg
=  i85,63  kg
Fj =  7(50,28)2  + (i85,63)2
Fj =  i92,32 kg
B. Ultimate strength (gu) stainless steel= 485 Mpa = 485 N/mm2 =  48,5  kg/mm2
C. Faktor keamanan (n)
Dari  tabel suggested values fo r factor  o f safety untuk jenis  pembebanan  statis  adalah 3-4. diambil faktor keamanan 4.
D. Tegangan tekan yang diij inkan (Suyitno,1995) ultimate  strength , „ . „ _,  , 2 Gijin = ------------------ 5—  =  12,125  kg/mm2
faktor..keamanan
E. Diameter luar batang (D)
Pada  rancangan  batang,  batang  yang  digunakan  adalah  batang  berongga  dengan diameter luar (D) = 27 mm.

## F. Luas penampang (A)
Misalkan garis tengah lingkaran dalam adalah x mm, maka luas penampang kolom:
A = — (D2 -  x2) 4
A =  — (272 -  x2) (9)
Apabila  batang  tersebut  diharapkan  mampu  menahan  beban,  tegangan  yang  terjadi harus lebih kecil  atau sama dengan tegangan ijinnya :
G < Gijin
Pmaks <  12,125 A A  >  15,86 mm2 (10)

## G. Tebal dinding minimum (tmin)
Dari persamaan (9) dan (10) didapat  :
— (272 -  x2) >  15,86 4 x > 26,62 mm jadi, tebal dinding minimum batang tersebut :
D -  x tmin = -------=  0,2  mm 2

## H. Tegangan tekan yang terjadi  (Gc)
Luas penampang batang (A) = A 1 -  A 2 .
Pada perancangan, tebal  (t) dinding yang digunakan adalah 2 mm.
Dengan A 1 = luas penampang bagian luar = n/4 D2 = 572,265 mm2
A 2 = luas penampang bagian dalam =  415,265  mm2
Jadi A = A 1 -  A 2 =  157 mm2
Tegangan tekan yang terjadi pada batang  :
_  Pmaks
Gc  =  ---------< Gijin A j 192 32
=  ---- ,— <  12,125  kg/mm2 157 =  1,225  kg/mm2 <  12,125  kg/mm2

## I. Mencari Beban tekuk ijin (Pcr ijin)
Dari Anthropometry, panjang body  segment dari  kaki  bagian  bawah  lutut  yang diamputasi tanpa fo o t adalah:
Lkaki  = (0,285H) -  (0,039H) = (0,285.162) -  (0,039.162)= 39,852 cm
Misalkan sisa panjang kaki yang diamputasi  dari lutut ke bawah adalah 9,852 cm,  maka bagian kaki yang diamputasi adalah:
L ampt  = 39,852 cm -  9,852 cm =  30  cm =  300 mm
Dengan  mengacu  bahwa  kondisi  batang  adalah jepit-jepit,  maka  gaya tekuk  dan beban tekuk ijin dapat dicari  :
Modulus elastisitas stainless steel = 200 GPa =  20.000 kg/mm2 Tebal rancangan 2 mm jadi diameter dalam (d) = 23  mm Faktor keamanan (n) = 4
Momen inersia batang berongga:
I = — (D4 -  d4)=  12344,125  mm4 64
Panjang efektif untuk jepit-jepit  :
L  =  182 mm
Le =  - 2
= 182 2
= 91  mm
Gaya tekuk pada batang  :
—2 F T Pcr =  ---- i - =  293.945,5 kg
- e
Beban tekuk ijin  :
Pcrijin= Pcr / n  = 73.486,4 kg
Jadi, beban tekan maksimum yang paling aman adalah 73.486,4 kg. Beban yang dipakai  hanya  192,32 kg < 73.486,4 kg jadi tidak terjadi buckling.
I i
Gambar 12. Hasil Rancangan Shank Prostheses
Setelah shank selesai  kemudian di-assembly dengan  disambung  dengan  soket, foam dan fo o t.
-----------------— ► soket --- ►  foam --- *.  shank f o o t
Gambar 13. Assemblyshank dengan soket, foam dan foot

## Agung  Prakoso
5. Kesimpulan
1.  Perancangan shankprostheses dengan  dimensi  panjang  300  mm,  lebar  67  mm  dan tebal  batang  2  mm  dengan  bahan stainless  steel 316L  mampu  menahan  beban maksimum tubuh yaitu pada individu dengan tinggi  162 cm dengan berat 57 kg.
2. Shank prostheses ini  dapat  diatur  panjang  pendeknya  sesuai  dengan  panjang  kaki yang diamputasi.
3. Dimensi  utama shank  prostheses, Panjang  =  200-300  mm,  Lebar  =  67  mm, Tebal batang = 2 mm.

## D aftar Pustaka
Azkaya,  N.,  Nordin  A.,  1991, Fundamentals  o f Biomechanics  Equilibrium,  Motion,  and Deformation, 2nd Edition,  Springer.
Campbell,  J.A.,  2002, Material  Selection  in  an  Above  Knee  Prosthetic  Leg,  Journal  o f Engineering Material, Vol.7, Hal.  14.
Priyambodo,  R.H,  (2010), Korban  Bom  Palu  Terima  Bantuan  Kaki  Palsu, online: http://www.antaranews.com/berita/229673.
Setiadi,  S.,  (2012), Kick  Andy:  Bank  Mandiri  Bantu  400  Kaki  Palsu, online: http://www.solopos.com/2012/08/03.