SlideShare a Scribd company logo
1 of 76
Download to read offline
 
  California State University, Long Beach 
Department of Mechanical and Aerospace Engineering 
 
    
 
  M.A.E. 490A: C.A.D./C.A.M. 
   
Prosthetic Limb Design 
   
Submitted By: 
Akshay Ramteke 
Rishil Khot 
Samuel Lopez 
Sebastian Calderon 
  
Presented To: 
Shahab Taherian 
   
 
Monday/Wednesday 2:00­3:15 P.M. 
Group #3 
Table of Contents 
    Page 
·           Abstract         4 
·           Introduction             4 
·           Design Parts and Drawings     8 
·           Simulations               10 
I.  Static     11 
II.  Buckling                     11 
·           Design C.A.M.     11 
·           Conclusion and Recommendations     14 
·           Appendices 
I.  References     19 
II.  G­Code               20 
  a.)  Walking Leg Base                 21 
  b.)  Sprinting Leg Base                 22 
  c.)  Running Leg Base                 22 
Abstract 
  This project is the culmination of several different designs for an athletic 
prosthetic leg. Having said this, however, much of the inspiration for this project came from the 
design that is utilized by a company called Ossur that was recommended by Nike. The reason 
this group chose to focus on this for our project is because we each take interest in the working 
collisions between the engineering world, and that of biological applications. For this project, the 
most difficult part in its design was the construction of the leg housing. Just as no 2 people are 
exactly alike, no 2 legs will be the same either. In order to compensate for this, we decided to set 
standards so as to scale our design upon the average attributes of athletes. By assuming the 
average height of a human male to be 5 feet 10 inches tall, we were able to make further 
assumptions based on this fact. Coincidentally (In all honesty it was purely coincidental), two of 
our group members, Samuel Lopez and Sebastian Calderon happen to be this height. This 
facilitated the design somewhat, as we were able to have a partial visual representation of what 
this would look like. This design took multiple attempts to draw, as it must share unique 
geometrical designs of the lower leg so as to function properly; however, the overall design and 
attachment to the “leg” piece was simple. 
  By conducting research on prosthetic limbs, we were able to verify the optimal material 
to use in its design. Ideally, the “leg” portion that is attached to the housing should be made of 
carbon fiber. Since the version of SolidWorks we are using has only a few options, using 
Titanium Alloy Commercially Pure CP­Ti UNS R50400 (SS) since it has the highest yield 
strength, making it the logical choice because of the design. The housing material was also 
questionable because the material had to be strong enough to support a 5’ 10” human being, but 
also be comfortable enough to wear for long periods of time. For this, the suggested material was 
Plastic PP Homopolymer. The final item to design were the bolts and washers, which attach the 
housing to the “leg” portion. This is important as the bolts that are used are attached 
perpendicular to the housing and “leg” portion, meaning there will be a large concentration of 
shear stress on the bolts. In order to counteract this, the material for the bolts and washers was 
chosen to be Aluminum Alloy 6061­T6 (SS), which can withstand large amounts of shear 
without deforming or failing, making it optimal for this type of project. 
Introduction 
       Prosthetic limbs are an ideal choice for amputees who want to participate in activities 
they enjoy. As the hands and feet are both parts of the body that are used very often in everyday 
life, there exists a challenge in replicating their function. Since we chose to focus on the design 
of a prosthetic leg, it is important to think of the unique functions of that of a normal leg so as to 
be able to replicate its functionality in the design of a prosthetic. 
  For starters, the legs provide support for the human body, which (At the assumed height 
of 5’ 10”) ranges between 149­183 lbs (1). This, being a primary function of this device, 
becomes important since both the material as well as the geometry play an important role in 
designing this part. As mentioned before, this part will endure fairly large amounts of weight, 
and must also be as lightweight as possible so as to not be a burden to the user. Carbon fiber is an 
optimal choice because of its respective material properties. The excerpt below, taken from 
http://zoltek.com/carbonfiber/  lists several properties of carbon fiber that would be very 
advantageous for this design. “Carbon fibers are classified by the tensile modulus of the fiber. 
The English unit of measurement is pounds of force per square inch of cross­sectional area, or 
psi. Carbon fibers classified as “low modulus” have a tensile modulus below 34.8 million psi 
(240 million kPa). Other classifications, in ascending order of tensile modulus, include “standard 
modulus,” “intermediate modulus,” “high modulus,” and “ultrahigh modulus.” Ultrahigh 
modulus carbon fibers have a tensile modulus of 72.5 ­145.0 million psi (500 million­1.0 billion 
kPa). As a comparison, steel has a tensile modulus of about 29 million psi (200 million kPa). 
Thus, the strongest carbon fibers are ten times stronger than steel and eight times that of 
aluminum, not to mention much lighter than both materials, 5 and 1.5 times, respectively. 
Additionally, their fatigue properties are superior to all known metallic structures, and they are 
one of the most corrosion­resistant materials available, when coupled with the proper resins.” 
(2). In real life, this excerpt shows precisely why carbon fiber is the ideal choice for this part. For 
the purposes of modeling, however, the Solidworks software does not have sufficient material 
properties to run the simulations. Because of this, we had to change the material in our design to 
Titanium. Titanium, while it is a metal, is very durable and very lightweight as compared to steel 
or aluminum alloys. For the purposes of this simulation, titanium is as perfect a fit as we could 
hope to find. 
            While the foot plays an important role in providing support, another important aspect in 
the design of a prosthetic leg is the leg housing, also known as the socket (3). Since prostheses 
need to be as lightweight as possible, this part is generally constructed from plastics. While 
several websites suggest the most common material for this is polypropylene, which is a 
thermoplastic, we did find an article which suggests it is reinforced with materials such as 
fiberglass, nylon, Dacron, carbon, and Kevlar in order to provide strength (4). While this makes 
sense in realistic terms and in real world applications, in order to simplify the design and 
simulations for this project (also taking into consideration that some of these materials, such as 
Kevlar, are composites which are not defined under the materials list in Solidworks) the design 
we utilized for our own purposes were made from polypropylene only.  
Prosthesis Terminology 
 
This figure shows the basics of prosthetic limbs, also called “Prostheses”. In general, regular 
prostheses are made to model the human leg as closely as possible. For our design, we will 
model the prostheses for an athlete rather than for a normal amputee. The main differences in 
normal leg prostheses and athletic ones lies in the geometry of the foot and pylon. For athletic 
prostheses, these two joints can almost be considered to be “linked”, as they are one, solid 
structure rather than two separate entities. The geometry is designed to act as a sort of spring in 
order to provide support for the athlete wearing it. A picture of an athletic prosthetic leg can be 
seen in the figure below. 
 
 
Figure 1: Image prosthetic leg for a runner 
Notice there is no longer a distinct foot shaped feature as in normal leg prostheses. 
Rather, the design here focuses on providing support for the amputee so that he (or she) may 
travel over large distances without the interference. The modeling and the parts that are utilized 
in the design of an athletic leg prostheses are shown in the following section. 
In our studies, we will be analyzing the properties of three different types of prosthetic 
leg purposes; walking, sprinting, and running. The products we are modeling after are those of 
Ossur. The models consist of Flex Foot Cheetah, Flex Foot Xtend, and Flex Foot Cheetah 
Xtreme. Like different types of shoes having its individual use, each prosthetic leg has its own 
designed use as well. When comparing to Ossurs products and our studies, we concluded that for 
walking, we will compare with Flex Foot Cheetah, sprinting, we will look at Flex Foot Xtend, 
and running, we will compare to the Flex Foot Cheetah Xtreme. The modeling and the parts that 
are utilized in the design of an athletic leg prostheses are shown in the following section. 
 
Figure 3: Socket Base Model 
 
Figure 4: Ossur Base Models 
Each act, walking, sprinting, and running, all have their individual designs and specifications. 
Looking at Figure 4 to the design for walking (Flex Foot Cheetah), we see it has a straight pylon, 
is rounded in the back, and has a slight lift in the foot, very front of the design (similar a lifted 
shoe toe tip). The design specified for sprinting (Flex Foot Cheetah Xtend), has a steeper angle 
from the pylon, and no lift in the tip of the foot. The last model for running (Flex Foot Cheetah 
Xtreme), also has a steep angle from the pylon, as well as a lift in the front of the foot. The 
socket of the prosthetic leg was modeled as close as possible to Figure 3 above. 
  Based off of the designs of Ossur, we came to reason their specifications. Each type of 
step has its angle and force applied. We look closer to taking a relaxed walking step, to a full 
speed sprint, to a fluid jogging or running step. 
 
There are different foot angles when walking, sprinting, and running. A walking step is 
compared to the “Mid­Stance” step in Figure 5. A round angle from ankle to heel of the foot, 
with a lift angle in the front toe of the foot. The “Take Off” step relates to the sprinting design. A 
steeper angle from the heel to the ground, with a lot of pressure at the front ball of the foot 
leaving the front of the foot flat. Lastly the running step is seen in both the “Mid­Swing” and 
“Terminal Swing”. The mid­swing step starts at a lower angle from heel to ground, with the 
terminal swing landing and stepping in a fluid motion lifting the angle from toe to ground. 
  These parameters were taken into account when designing our models for each type of 
step and prosthetic leg purpose. The modeling and the parts that are utilized in the design of an 
athletic leg prostheses are shown in the following section. 
 
Design Parts and Drawings 
  Hex Bolt:
 
  Washer
 
  Socket
 
  Leg Base: Walking
 
  Leg Base: Sprinting
 
  Leg Base: Running
 
  Fully Assembled Walking Model
 
  Exploded Walking Model
 
  
  
  Fully Assembled Sprinting Model
 
  Exploded Sprinting Model
 
  
  
  Fully Assembled Running Model
 
  Exploded Running Model
 
  Bill of Materials: Walking Model
 
  Bill of Materials: Sprinting Model
 
  Bill of Materials: Running Model
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Design C.A.M. 
*NOTE: same tools for all Leg Bases* *NOTE: same machine for all: 3 Axis Vertical Mill* 
 
Tool 1: Rough Cut
 
Tool 2: Finish Cut
 
  Leg Base: Walking
 
  Leg Base: Sprinting
 
  Leg Base: Running
 
 
 
Simulations 
Statics Test 
Running 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Buckling
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Buckling of leg base 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Walking 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Buckling
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Buckling of leg base 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sprinting 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Buckling
 
 
 
 
 
 
 
 
Buckling of leg base
 
 
 
 
 
 
  
References 
1.)      BMISurgery – Find Your Ideal Weigth… 
bmisurgery.org/index.php?ID=findyourideal weight 
2.) Carbon Fiber – Zoltek 
zoltek.com/ carbonfiber / 
3.) How artificial limb is made – material, manufacture, making, us… 
www.madehow.com/Volume­1/Artificial­ Limb .html 
4.) inMotion: Materials Used in Prosthetics Part I 
www.amputee­coalition.org/inmotion/sep_oct_98/matinprs.html 
  
 

More Related Content

Similar to MAE 490 Project - Google Docs

John phillipsportfolio 4 10-17
John phillipsportfolio 4 10-17John phillipsportfolio 4 10-17
John phillipsportfolio 4 10-17John Phillips
 
GLOBAL POSITIONING SYSTEM SYSTEMS ENGINEERING CASE S
GLOBAL POSITIONING SYSTEM  SYSTEMS ENGINEERING  CASE SGLOBAL POSITIONING SYSTEM  SYSTEMS ENGINEERING  CASE S
GLOBAL POSITIONING SYSTEM SYSTEMS ENGINEERING CASE SMatthewTennant613
 
Thermatic simulation platform for nano materials design in kist
Thermatic simulation platform for nano materials design in kistThermatic simulation platform for nano materials design in kist
Thermatic simulation platform for nano materials design in kistKIST
 
4 Super Lightweight Tank - Risk Management
4 Super Lightweight Tank - Risk Management4 Super Lightweight Tank - Risk Management
4 Super Lightweight Tank - Risk Managementpmb25
 
The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...
The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...
The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...Carl Pigeon
 
Design of a Knee Injury Simulator
Design of a Knee Injury SimulatorDesign of a Knee Injury Simulator
Design of a Knee Injury SimulatorDaniel Leon
 
Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...
Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...
Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...Shariful Haque Robin
 
Anis rahman khokan's internship paper
Anis rahman khokan's internship paperAnis rahman khokan's internship paper
Anis rahman khokan's internship paperAnis Rahman Khokan
 
Rubber Band Boat Deck
Rubber Band Boat DeckRubber Band Boat Deck
Rubber Band Boat Deckken fisher
 
Post one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docx
Post one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docxPost one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docx
Post one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docxharrisonhoward80223
 
Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...
Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...
Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...Geoff Carmody
 
NASA Tech Integration Georgia Tech Grand Challenge
NASA Tech Integration Georgia Tech Grand ChallengeNASA Tech Integration Georgia Tech Grand Challenge
NASA Tech Integration Georgia Tech Grand ChallengeSung (Stephen) Kim
 
Ojex juicer
Ojex juicerOjex juicer
Ojex juicerlittleu
 

Similar to MAE 490 Project - Google Docs (20)

DesignPaper2015
DesignPaper2015DesignPaper2015
DesignPaper2015
 
John phillipsportfolio 4 10-17
John phillipsportfolio 4 10-17John phillipsportfolio 4 10-17
John phillipsportfolio 4 10-17
 
GLOBAL POSITIONING SYSTEM SYSTEMS ENGINEERING CASE S
GLOBAL POSITIONING SYSTEM  SYSTEMS ENGINEERING  CASE SGLOBAL POSITIONING SYSTEM  SYSTEMS ENGINEERING  CASE S
GLOBAL POSITIONING SYSTEM SYSTEMS ENGINEERING CASE S
 
Cal Poly Overview
Cal Poly OverviewCal Poly Overview
Cal Poly Overview
 
Thermatic simulation platform for nano materials design in kist
Thermatic simulation platform for nano materials design in kistThermatic simulation platform for nano materials design in kist
Thermatic simulation platform for nano materials design in kist
 
4 Super Lightweight Tank - Risk Management
4 Super Lightweight Tank - Risk Management4 Super Lightweight Tank - Risk Management
4 Super Lightweight Tank - Risk Management
 
Portfolio
Portfolio Portfolio
Portfolio
 
The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...
The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...
The Design and organization aproach to a student build paraffin nitrous oxide...
 
Design of a Knee Injury Simulator
Design of a Knee Injury SimulatorDesign of a Knee Injury Simulator
Design of a Knee Injury Simulator
 
Engineering manuval.pdf
Engineering manuval.pdfEngineering manuval.pdf
Engineering manuval.pdf
 
Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...
Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...
Analysis and Design of Structural Components of a Ten Storied RCC Residential...
 
Anis rahman khokan's internship paper
Anis rahman khokan's internship paperAnis rahman khokan's internship paper
Anis rahman khokan's internship paper
 
full report
full reportfull report
full report
 
Rubber Band Boat Deck
Rubber Band Boat DeckRubber Band Boat Deck
Rubber Band Boat Deck
 
Final Report
Final ReportFinal Report
Final Report
 
Post one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docx
Post one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docxPost one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docx
Post one (two page) two responseThis is the discussion you hav.docx
 
Boeing 787 Dreamliner
Boeing 787 DreamlinerBoeing 787 Dreamliner
Boeing 787 Dreamliner
 
Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...
Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...
Geoffrey_Carmody_13082779_The_Study_Design_and_Build_of_an_Interactive_Pressu...
 
NASA Tech Integration Georgia Tech Grand Challenge
NASA Tech Integration Georgia Tech Grand ChallengeNASA Tech Integration Georgia Tech Grand Challenge
NASA Tech Integration Georgia Tech Grand Challenge
 
Ojex juicer
Ojex juicerOjex juicer
Ojex juicer
 

MAE 490 Project - Google Docs