بررسي نحوه توزيع تنش و كرنش در پوشش چندلايه قابل انعطاف پروتز دست مصنوعي با الهام از ساختار پوست طبيعي دست

Stress and strain distribution pattern investigation in multi-layer elastic hand prosthesis, inspired by the human skin structure

يكي از موارد بسيار با اهميت در طراحي پروتزهاي دست توجه به پوشش يا پوسته آن‌ها است. هدف از اين تحقيق طراحي پوششي است كه از نظر نحوه انتقال نيرو و تغيير شكل، رفتاري تا حد امكان، مشابه پوست طبيعي انسان داشته باشد. يك لايه از جنس لوريكا كه خواصي بسيار شبيه پوست طبيعي دارد، به پوشش معمول متشكل از سه لايه اضافه گرديد. با استفاده از تحليل اجزاي محدود در نرم افزار انسيس روكش چهار لايه جديد بر روي مدل سه بعدي پروتز دست با ضخامت هاي مختلف براي لايه خارجي مورد بررسي قرار گرفت و نحوه تغيير شكل و تنش هاي داخلي پروتز اندازه گيري شد. ضخامت بهينه بيروني ترين لايه، با توجه به نحوه توزيع تنش و كرنش و انتقال آن به هسته فلزي پروتز، مورد ارزيابي قرار گرفت. رابطه بين ضخامت اين لايه و نحوه توزيع تنش و تغيير شكل پوشش، خطي و مستقيم نيست و ضخامت 1/5 ميلي متر در ميان مقادير اندازه گيري شده در اين بخش، نتايج مناسب‌تري ارائه مي‌دهد. در اين تحقيق لايه چهارم براي بهبود خواص اصطكاكي و الاستيك روكش هاي پيشين به آن‌ها اضافه گرديد و تأثير وجود آن بر توزيع تنش و كرنش در پروتز مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به عدم وجود ارتباط خطي ميان ضخامت و توزيع تنش، براي تعيين ضخامت بهينه با توجه به محدوديت هاي موجود نظير جاسازي حسگرهاي تماسي در ادامه تحقيقات، حداقل ضخامت ممكن براي پوشش در نظر گرفته مي شود.

One of the very important issues in designing hand prosthesis is to consider their cover or cortex. The purpose of this research is to design a cover to have a similar behavior, as much as possible, to the human natural skin, in power transmission and deformation pattern. A layer made of Lorica®, which has similar properties to natural skin, has been added to the conventional cover which is composed of three layers. Using finite element analysis Software, ANSYS V.15, the new four-layered cover has been investigated on three dimensional model of the hand prosthetics with different thickness for the outer layer, and the pattern of deformation and internal stresses in the prosthesis are measured. Optimal thickness of the outermost layer is evaluated due to stress and strain distribution and their transformation to prosthesis metallic core. The relationship between the thickness of this layer and the distribution of stress and deformation of the cover is not linear and direct and the thickness of 1.5mm shows better results among the measured values in this section. In this study, the fourth layer was added to improve the frictional and elastic properties of formerly used prosthetic covers, and its effect on stress and strain distribution in the prosthesis was investigated. It is determined that due to lack of linear correlation between the thickness and stress distribution, the optimal thickness of each layer must be selected based on design limitations like the ability of embedding tactile sensors in future for the minimum thickness. The effects of changes in the thickness of the other layers need further investigation and can be a good subject for future research.