Введение 3
ГЛАВА 1. Выявление взаимосвязей геометрических параметров ортопедической обуви с ее функциональным назначением 6
1.1 Актуальность темы 6
1.2 Существующие исследования характеристик стопы 10
1.3 Анализ существующей ортопедической обуви Барука 14
Цель и задачи исследования 16
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 19
ГЛАВА 2. Методики проведения исследований 20
2.1 Патентный поиск 20
2.2 Анализ материалов обуви 23
2.3 Исследование распределения усилия стопы 31
2.3.1 Применение устройства с тензодатчиками 32
2.3.2 Порядок проведения эксперимента 36
2.4 Определение устойчивости тел. Задача на опрокидывание 38
2.4.1 Влияние величины площади основания на устойчивость объектов 46
2.4.1.1 Расчет поперечной силы опрокидывания 47
2.4.1.2 Продольная сила опрокидывания. Возможные варианты конструкции 49
2.5 Определение механических характеристик конструкции подошвы 51
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 56
ГЛАВА 3. Результаты исследований и изменение конструкции 57
3.1 Результаты измерения исследования распределения давления 57
3.2 Варианты изменения конструкции подошвы 60
3.2.1 Испытания гипсовых образцов 60
3.2.2 Изменение величины ширины опоры 65
3.2.3 Изменение конструкции пяточной части 66
3.3 Обобщение результатов 68
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ 70
Заключение 71
Общие выводы по работе 74
Список литературы 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 83
ПРИЛОЖЕНИЕ В 84
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Апробация работы
Применение современных способов изучения надежности конструкций изделия позволяет быстрее решить вопрос о рациональном его построении. Электронные программы и предварительные испытания позволяет определить слабые элементы, использование которых может повлечь разрушение конструкции и/или причинение вреда людям. Данные методы могут позволить сэкономить предприятию значительные средства, ведь это уменьшает риск использования ненадежных конструкций и материалов. Поэтому проведению исследований при проектировании изделий должно отводиться особое место. В том числе и при проектировании конструкции ортопедической обуви.
Ортопедическая обувь - это специальная обувь. Её конструкция учитывает патологические отклонения стопы, голени или бедра [1]. Существует объемная классификация ортопедической обуви в зависимости от конкретного заболевания и конструктивных особенностей (наличие специального защитного чехла, супинаторов и так далее). Целью ортопедической обуви является устранение деформаций и нарушений функций опорно-двигательного аппарата. Ортопедическая обувь является одним из инструментов консервативного лечения. Поэтому вопросы научно- обоснованного проектирования актуальны на сегодняшний день. Качество обуви зависит от технологий изготовления и применяемых материалов.
Изготовление ортопедической обуви - это длинный и сложный процесс согласованных мероприятий. Поэтому особое внимание уделяется не только сборке изделий, но и качественному проектированию колодок, учета индивидуальных особенностей стопы и заболевания [2].
Конструкция ортопедической обуви менялась под влиянием развития обувного производства и уровня медицины. Её делают с учетом особенностей заболеваний и отклонений стопы, голени и бедра. В ситуациях, когда есть серьезные заболевания опорно-двигательного аппарата (сложные течения заболеваний, сопровождающиеся недостатком движения) такая обувь назначается в качестве реабилитации после проведения операций по коррекции и устранению деформаций.
Использование ортопедической обуви служит следующим целям:
- опорная функция, которая обеспечивает пациенту возможность стоять и перемещаться, когда у него есть заболевание или дефект стопы, увеличивает площадь опоры человека;
- обувь помогает скрыть или исправить первые, нестойкие отклонения в состоянии стопы;
- обувь помогает остановить течение прогрессирование заболеваний стопы или предупредить их рецидив;
- поддерживание естественных прогибов и сводов стопы, разгрузка уязвимых прооперированных и болезненных участков.
Ортопедическая обувь может быть малосложной и сложной.
Малосложная обувь может выпускаться серийно и индивидуально. Она назначается при деформациях средней степени, при функциональной недостаточности конечностей и относительной укороченности конечностей. В случае серийного производства предусмотрена унифицированная внутренняя часть, учитывающая анатомические изменения конечности при патологиях. В случае индивидуального изготовления предусмотрено варьирование профиля вкладного элемента - стельки, которая тоже учитывает состояние стопы. Сложная обувь состоит из двух и более элементов. Она используется в случаях, когда возможно коррекция деформации. Так же она используется для компенсации функций деформированных или отсутствующих конечностей [3].
Данная работа посвящена разработке конструкции ортопедической обуви, которая используется после хирургической операции на переднем отделе стопы во время восстановления функций конечности. Так как не было найдено подтвержденных испытаний данного типа обуви, существует необходимость научного обоснования выбора той или иной формы деталей низа обуви и проверки эффективности решений. Представленный в работе подход по исследованию элементов изделия может быть использован для проверки вариантов изделий на этапе их разработки.
В данной магистерской работе представлены технологические и конструкторские решения по разработке ортопедической обуви с применением научного подхода анализа конструкции и её улучшения.
Производство ортопедической обуви является сложным процессом и требует подготовки. Особое внимание должно уделяться конструкции обуви, анализу её элементов. Должны проводиться испытания элементов конструкции и обоснования их целесообразности. Применение специальных устройств и программ математического моделирования позволит сократить затраты на производство вариантов обуви, которые могут быть неустойчивы и небезопасны для ношения человеком.
Раскрывается суть заболеваний переднего отдела стопы - вальгусная деформация и деформация Тейлора. После оперативного вмешательства по лечению данных деформаций применяется ортопедическая обувь специальной конструкции - обувь Барука.
Данная обувь имеет наклон подошвы, за счет чего и разгружает передние области, подверженные болезненным ощущениям. В литературе не найдено статей по исследованию конструкции данной обуви. Сделан обзор исследований стопы. Подобные методы и устройства, используемые в них были использованы в данной работе.
Проведен анализ представленной на рынке ортопедической обуви Барука, её проблем и недостатков, главными из которых оказались неустойчивость и неэффективность разгружения переднего отдела.
Было проведено сравнение трех патентов конструкции обуви Барука европейских авторов, выявлены их основные различия и особенности. Наиболее эффективным по мнению французкого хирурга Барука является ботинок с поддержкой переднего отдела, подошва которого изготовлена из пластичного материала методом литья или штамповки. Угол наклона подошвы должен быть 5-15°.
Анализ материалов помог подобрать наиболее подходящие по свойствам полимеры, их комбинацию для изготовления подошвы. Была предложена комбинация упругого полиуретана и термополиуретана, который не скользит в холодное время года. В качестве самостоятельного материала предложен этилвинилацетат за его низкую плотность и пластичность.
Для исследования распределения усилия стопы на поверхность изготовлено специальное устройство. Проведенные с его применением опыты помогли выяснить, что конструкция обуви Барука эффективно разгружает переднюю часть стопы только при нахождении ноги в статичном состоянии. При совершении малого шага нагрузка переходит на первую плюсневую кость. Проведено исследование по определению эффективного наклона подошвы обуви для разгрузки переднего отдела стопы.
Использованы три гипсовых образца. Выяснилось, что больше эффективность при наклоне подошвы в 10°.
Выявлены условия для обеспечения положения равновесия тел и человека. Рассчитана величина опрокидывающей силы системы "человек- обувь" в продольном и поперечном направлениях. Существует зависимость коэффициента устойчивости от величины ширины опоры. Предложены варианты конструкции с увеличенной площадью опоры, позволяющие улучшить устойчивость обуви и уменьшить риск падения человека, находящегося в ней.
Проведено исследование модели подошвы в комплексе ANSYS, выявлен элемент, подверженный максимальной локальной нагрузке и испытывающий наибольшие деформации. Изменение геометрии привело к улучшению конструкции через уменьшения деформации и величины эквивалентных сил.
Предложен вариант изменения пяточной части, повышения её устойчивости при ситуации, когда человек пытается на неё опереться. Замена скругленной поверхности на небольшие прямолинейные поверхности увеличивает площадь опоры и позволяет человеку зафиксировать стопу.
Предложены варианты использования сменных стелек с супинаторами, повышающими комфортность, или имеющие перераспределяющий рельеф. Это повышает гигиеничность и помогает адаптировать универсальные варианты ортопедической обуви под индивидуальную геометрию стопы.
Применение инженерного подхода к обоснованию внедрения той или иной конструкции, применению определенных элементов помогает в деле разработки и создания формы изделия. Это актуально и в отношении ортопедической обуви, так как это помогает облегчить передвижение пациентов.
Проведения подобных исследований будет наиболее эффективно при взаимодействии конструкторов обуви, её изготовителей и медиков. Так, изготовив улучшенные образцы возможно испытать их в медицинских условиях и выявить те, которые будут наиболее удобны, безопасны и эффективны.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
