Perancangan Produk Orthosis Dewangga O. Nugroho Muhamad F.N. Fadilah Kholisa I. Rokhmana Muhammad F. Hasan
Perancangan Produk Orthosis
V
Kata Pengantar
Puji dan syukur penulis sampaikan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat rahmat dan karunia-Nya, penyusunan buku Beomekanika ini dapat terselesaikan tepat pada waktunya. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Dr. Rifky Ismail, ST, MT selaku dosen pengampu mata kuliah Penulisan Teknik dan Presentasi. Dalam buku ini akan dibahas tentang biomekanika gerak pada manusia. Gerakan tersebut meliputi biomekanika gerak berjalan, berlari, naik dan turun tangga, jangkauan serta gerakan sholat. Akhir kata, penulis menyampaikan permohonan maaf jika ada kesalahan yang penulis lakukan dalam penyusunan buku ini. Maka kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat penulis harapkan, agar penyusunan berikutnya dapat lebih baik lagi. Semoga buku ini bisa bermanfaat dan memberikan informasi yang diperlukan bagi siapa saja yang memerlukannya.
Semarang, 1 April 2017
Penulis
VI
VII
Ringkasan
Pengobatan fisik dan Rehabilitasi selalu menjadi masalah yang belum dijelajahi oleh sebagian besar medis dan paramedis profesional. Ada kekosongan di ranah meresepkan prosthesis yang tepat dan paling berguna dan orthosis untuk populasi penyandang cacat yang membutuhkan. Orthosis/Orthose/ ortesa adalah segala alat yang ditambahkan ke tubuh atau alat bantu penyangga tubuh atau anggota gerak tubuh yang layu, lumpuh atau cacat untuk menstabilkan atau immobilize bagian tubuh, mencegah kecacatan, melindungi dari luka, atau membantu fungsi dari anggota tubuh. Buku ini Perancangan Produk Orthosis dimaksudkan untuk mengisi kekosongan dan memberikan informasi yang cukup untuk bagaimana membuat produk orthosis yang tepat. Pada buku ini akan dibahas beberapa jenis produk orthosis, antara lain : boston brace, clubfoot orthotic, hip abduction splint, dan knee brace. Dengan melakukan simulasi dan menggunakan matriks penilaian konsep kita dapat merancang produk yang paling tepat.
VIII
IX
Daftar Isi
Kata Pengantar Ringkasan Daftar Isi Daftar Gambar BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Hubungan antara Ilmu Teknik Mesin dengan Rehabilitasi Medis 1.3 Prothosis dan Orthosis 1.3.1 Pengertian Prothosis 1.3.2 Pengertian Orthosis 1.3.3 Jenis-jenis Orthosis Referensi BAB 2 BOSTON BRACE 2.1 Latar Belakang 2.2 Penanggulangan Penyakit 2.3 Parameter Pengguna Hasil Produk 2.4 Identifikasi Kebutuhan Pelanggan 2.5 Diagram Fungsi Produk 2.6 Tabel Klarifikasi Kombinasi 2.7 Rancangan Konsep 2.8 Matriks Penilaian Konsep 2.9 Produk-produk yang Ada di Pasar Referensi BAB 3 CLUBFOOT ORTHOTIC 3.1 Latar Belakang 3.2 Tujuan Perancangan 3.3 Identifikasi Kebutuhan Pelanggan 3.4 Penentuan Spesifikasi Teknis Produk 3.5 Tahap Perancangan 3.5.1 Matriks Morfologi 3.5.2 Pembentukan Konsep 3.5.3 Seleksi Konsep 3.6 Desain dan Proses Manufaktur 3.6.1 Analisa Pembebanan
V VII IX XI 1 1 2 3 3 4 5 7 9 9 10 14 14 14 15 15 17 18 20 21 21 23 23 23 23 24 24 27 28 28
X
3.6.2 Bill of Material 3.6.3 Estimasi Harga 3.7 Produk-produk yang Ada di Pasar Referensi BAB 4 HIP ABDUCTION SPLINT 4.1 Pendahuluan 4.2 Produk Hip Abduction Splint 4.3 Proses Perancangan Produk 4.2.1 Fasa 1 4.2.2 Fasa 2 4.2.3 Fasa 3 4.4 Pengambilan Keputusan Referensi BAB 5 KNEE BRACE 5.1 Pendahuluan 5.1.1 Ide Produk 5.1.2 Definisi 5.2 Fungsi Produk 5.2.1 Blok Fungsi 5.2.2 Diagram Blok Perancangan Alat 5.3 Konsep Desain Produk 5.4 Matrik Pengambilan Keputusan 5.5 Bentuk Produk Terpilih 5.6 Inovasi Produk Knee Brace 5.6.1 C-Brace High-Tech Leg Brace 5.6.2 E-Mag Active Electronically Controlled Knee Join System 5.6.3 Knee Brace Dalam Negeri 5.7 Paten-paten Knee Brace Referensi BAB 6 WEARABLE EXOSKELETON ROBOTIC FINGERS DAN SUPERNUMERARY THUMB
29 31 31 33 35 35 36 37 37 38 40 41 43 45 45 45 45 46 46 46 47 49 51 51 52 52 53 56 61 63
6.1 Latar Belakang 6.2 Tujuan Penelitian
63 64
6.3 Produk 6.3.1 Siklus Kehidupan Produk 6.3.2 Originalitas Produk 6.3.3 Ciri Produk Berhasil 6.4 Perancangan dan Pengembangan Produk 6.5 Identifikasi Kebutuhan Pelanggan 6.6 Metode Pencarian Konsep Produk 6.6.1 Metode Brain Stroming 6.6.2 Metode Brain Writing 6.6.3 Metode Analogi 6.6.4 Memakai Paten Sebagai Sumber Ide 6.6.5 Buku, Jurnal, dan Katalog Sebagai Ide
64 64 66 67 67 69 69 70 72 72 73 73
XI
6.6.6 Menyewa Konsultan Untuk Mengembangkan Produk 6.6.7 Metode Morfologi 6.7 Penyusunan Spesifikasi Teknis Dengan Metode QFD 6.8 Antropometri 6.9 Data Antropometri 6.9.1 Antropometri Structural 6.9.2 Antropometri Fungsional 6.10 Perkembangan Wearable Exoskeleton Robotic Hand 6.11 Teori Dasar Metode Elemen Hingga 6.12 Flow Chart Penelitian 6.13 Objek penelitian 6.14 Identifikasi Pengguna 6.15 Mendesain Konsep Alat 6.16 Perancangan Atau Desain 6.17 Pengujian Kekuatan 6.18 Pembuatan Prototipe 6.19 Batasan Perancangan Produk 6.20 Pernyataan Misi 6.21 Perancangan Produk Kaki Tiruan Bawah Lutut Untuk Berlari 6.21.1 Ide Produk 6.21.2 Definisi 6.21.3 Kriteria Perancangan 6.21.4 Fungsi 6.21.5 Pemilihan Desain Geometri 6.22 Dokumentasi Referensi BAB 7 ALAT TERAPI ROBOTIK BERBASIS FLEX SENSOR 7.1 Pendahuluan 7.2 Tinjauan Pustaka 7.3 Pengaturan Sensor Penggerak Eksoskeleton 7.3.1 Pembuatan Wiring Diagram 7.3.2 Pemasangan Sensor Pada Sarung Tangan 7.3.3 Kalibrasi Flex Sensor 7.3.4 7.3.5 Pemrograman Servo Linear Mikrokontroler 7.3.6 Software Alat Terapi Robotic 7.4 Hasil dan Pembahasan 7.4.1 Interface Hardware Dan Software 7.4.2 Pengujian Flex Sensor 7.4.3 Prototipe Eksoskeleton 7.4.4 Analisa Gerakan Jari Tangan Referensi
73 74 74 75 76 77 78 80 83 85 86 86 86 87 87 87 87 87 88 88 89 89 89 90 90 92 93 93 95 98 100 101 103 105 106 108 114 114 115 117 120 125
XII
XIII
Daftar Gambar
Gambar 1.1 Oscar pistorius dengan alat prosthosis Gambar 1.2 Orthosis sebagai alat penyembuhan Gambar 2.1 Skoliosis Gambar 2.2 Milwaukee brace Gambar 2.3 Boston brace Gambar 2.4 Charleston brace Gambar 2.5 Spinecor brace Gambar 2.6 Konsep 1 Gambar 2.7 Konsep 2 Gambar 2.8 Konsep 3 Gambar 2.9 Konsep 4 Gambar 2.10 Konsep terpilih Gambar 2.11 Lightweight boston brace Gambar 3.1 Konsep pertama Gambar 3.2 Konsep kedua Gambar 3.3 Konsep ketiga Gambar 3.4 Konsep keempat Gambar 3.5(a) Konsep ketiga tampak bawah Gambar 3.5(b)Konsep ketiga tampak samping Gambar 3.6 Analisa pembebanan Gambar 3.7 Pengguna clubfoot orthosis pasca operasi Gambar 4.1 Pasien hip abduction splint
4 5 10 11 12 13 13 15 16 16 17 18 19 25 25 26 26 28 28 28 32 36
Gambar Gambar 4.2 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 5.1 Gambar 5.2 Gambar 5.3 Gambar 5.4
37 38 38 38 40 40 41 41 47 47 48 48
Produk abduction splint Diagramhip fungsi I Diagram fungsi II Pohon klarifikasi Konsep I Konsep II Konsep III Konsep IV Konsep Knee Brace ke 1 Konsep Knee Brace ke 2 Konsep Knee Brace ke 3 Konsep Knee Brace ke 4
XIV
Gambar 5.5 Konsep Knee Brace ke 5 Gambar 5.6 Konsep Knee Brace ke 5 Gambar 5.7 High Tech Knee Brace Gambar 5.8 E-MAG Active Electronically Controlled Knee Joint System Gambar 5.9 Knee brace buatan PT. Kuspito Prosthetic dan Orthotic Gambar 5.10 Knee brace buatan CV Japro Medika Gambar 5.11 Knee brace produksi DonJoy Gambar 5.12 Knee brace produksi Mueller Gambar 5.13 Elastis pada knee brace buatan PT. Kuspito Gambar 5.14 Paten US 5,063,916 Gambar 5.15 Paten US 7,150,721 B2 Gambar 5.16 Bagian – bagian system pengunci Gambar 5.17 Mekanisme pengunci Gambar 5.18 Paten US 7,201,728 B2 Gambar 5.19 Sistem knee joint Gambar 6.1 Siklus kehidupan produk Gambar 6.2 Rumah kualitas atau diagram QFD Gambar 6.3 Ukuran manusia yang sering digunakan untuk merancang Produk Gambar 6.4 Antropometri structural posisi berdiri dan duduk Gambar 6.5 Antropometri fungsional/dinamis Gambar 6.6 Antropometri fungsional posisi kerja Gambar 6.7 (a)HandSOME, (b)HandEXOS, (c)Wege dkk, (d)Ueki dkk Gambar 6.8 (a)Hasegawa dkk, (b)In dkk, (c)Shields dkk, (d)Dicicco dkk Gambar 6.9 Aplikasi penggunaan FEM pada masalah teknik Gambar 6.10 Flow chart penelitian Gambar 6.11 Proses pembuatan prototype Gambar 6.12 Prototipe kaki tiruan yang telah dibuat Gambar 6.13 Prototipe kaki tiruan saat dipasang pada pasien Gambar 7.1 Penyakit penyebab kematian tahun 2012 Gambar 7.2 Latihan jari-jari tangan pada terapi okupasi konvensional Gambar 7.3 Terapi okupasi konvensional di RSUP Dr. Kariadi Semarang Gambar 7.4 Diagram alir penelitian
49 51 52 53 53 54 54 55 56 57 58 58 59 60 60 65 75
Gambar alat terapi robotic Gambar 7.5 7.6 Wiring PCB alatdiagram terapi robotika Gambar 7.7 Sudut lekukan flex sensor Gambar 7.8 Sarung tangan dengan flex sensor Gambar 7.9 Pemasangan perangkat sensor dan mikrokontroler Gambar 7.10 Flowchart pemrograman mikrokontroler Gambar 7.11 Konfigurasi pin pada Firgelli L12-R Gambar 7.12 Tampilan software Arduino IDE Gambar 7.13 Tampilan command Windows Gambar 7.14 Tampilan editor Gambar 7.15 Tampilan figure Windows Gambar 7.16 Interface antara hardware dengan hardware, software dengan
100 101 102 103 104 106 107 109 113 113 114
76 78 79 80 81 82 84 85 90 91 91 94 96 97 99
XV
hardware, dan hardware dengan user Gambar 7.17 Grafik resistansi vs sudut flex sensor ibu jari dan telunjuk Gambar 7.18 Grafik resistansi vs tegangan output ibu jari dan telunjuk Gambar 7.19 Eksoskeleton tampak asimetri Gambar 7.20 Eksoskeleton tampak atas Gambar 7.21 Simulasi gerakan menggenggam Gambar 7.22 Sambungan jari eksoskeleton Gambar 7.23 Letak jari eksoskeleton pada jari tangan Gambar 7.24 Kinematika jari tangan saat fleksi Gambar 7.25 (a)DBB massa 1, (b)DBB massa 2 Gambar 7.26 Posisi awal Gambar 7.27 Posisi akhir Gambar 7.28 Kecepatan vs waktu Gambar 7.29 Percepatan vs waktu
115 116 117 118 118 119 119 120 120 122 123 124 124 124
XVI
1
Pendahuluan
1
1.1 Latar Belakang Indonesia memiliki jumlah penduduk ke 5 (lima) terbesar di dunia, dan merupakan negara kepulauan yang terbanyak jika dibadingkan dengan negara lainnya. Jumlah penduduk disabilitis (Kebutuhan khusus) umumnya adalah 10% (sepuluh perseratus) dari total jumlah penduduk di suatu negara. Pengertian dasar dari disabilitas adalah keterbatasan pada kondisi tertentu dan disabilitas memiliki beberapa tingkatan dari yang ringan, sedang sampai berat. Dimana disabilitas tingkat sedang dan berat pada umumnya membutuhkan alat bantu. Dalam era moderenisasi ini secara sadar atau tidak sadar kemajuan teknologi serta dinamika kehidupan yang sangat dinamis dalam satu sisi memberikan kontribusi terhadap kualitas hidup masyarakat dimana teknologi dapat menjadikan segala sesuatu lebih mudah dan cepat jika kita bandingkan dengan 10 (sepuluh) tahun kebelakang. Namun kemajuan teknologi juga menimbulkan dampak yang kurang baik jika tidak segera disadari. Dampak dari perkembangan jaman ini memberikan tekanan psikologis yang cukup besar yang mengakibatkan pola hidup yang kurang teratur, tingkat stess yang lebih tinggi, dan sebagainya.
2
Beberapa faktor tersebut diatas juga memberikan kontribusi meningkatnya tingkat disabilitasi khususnya di Indonesia seperti: stroke, flat foot (yang banyak disebabkan oleh makanan dan minuman), syaraf terjepit, Cerebal palsy (CP) yang bukan disebabkan karena faktor keturunan atau genetik. Dan meningkatnya kecelakaan lalu lintas dan kecelakaan kerja. Hal ini juga dapat dilihat dimana tingkat disabilitas pada usia dini lebih meningkat dibandingkan tahun-tahun sebelumnya sebagai salah satu contoh penyakit diabetes militus dan stroke saat ini banyak yang terjadi pada usia yang relatif muda sehingga stroke, radang sendi dan tulang serta diabetes tidak lagi dikenal sebagai “penyakit orang tua” (Yuliardi, 2016). Rehabilitasi medik adalah salah satu cabang ilmu kedokteran dan kesehatan yang menitikberatkan pada memaksimalkan fungsi kerja anggota tubuh yang menurun akibat faktor tertentu. Rehabilitasi medik dapat memiliki cabang ilmu dan pelayanan antara lain : 1. Orthotic dan Prosthetic : yaitu unit yang memberikan pelayanan untuk membuat alat ganti dan alat bantu tubuh. 2. Fisioterapy : yaitu unit yang memberikan pelayanan untuk membantu fungsi gerak tubuh. 3. Ocupasiterapy : yaitu unit yang memberikan pelayanan untuk melatih dan memaksimalkan gerak dasar harian seperti menulis, memegang benda dan sejenisnya. 4. Speachterapy : yaitu unit yang memberikan pelayanan untuk melatih berbicara. 5. Hydroterapy : yaitu unit yang memberikan pelayanan untuk membantu fungsi gerak tubuh dengan menggunakan media kolam air.
1.2 Hubungan antara Ilmu Teknik Mesin dengan Rehabilitasi Medis Seperti yang dijelaskan di awal, jika saat ini kita berada pada era teknologi yang sudah cenderung serba praktis. Perubahan ini tak hanya berdampak buruk bagi manusia, namun juga berdampak baik. Seperti pada bidang industri, berbagai industri saat ini sangat membutuhkan teknologi, karena dengan berkembangnya teknologi dapat memberikan dampak positif efisiensi biaya maupun waktu. Industri kesehatan merupakan salah satu contoh yang membutuhkan teknologi didalamnya. Saat ini telah ditemukan banyak alat kesehatan yang
3
sangat membantu pekerja medik , beberapa contohnya adalah alat MRI (Magnetic Resonance Imaging), Knee Brace dan lainnya. Berkembangnya teknologi di bidang industri medis tak lepas dari campur tangan insinyur atau peneliti di bidang teknik, khusunya teknik mesin. Bidang keilmuan teknik mesin, jika dilihat lebih dalam dan lebih luas, memberikan andil yang cukup besar pada kemajuan teknologi industri, salah satunya adalah industri kesehatan. Banyak sekali teknologi yang harus ditinjau secara mekanis agar dapat memenuhi fungsi yang diharapkan. Disinilah peran seorang mekanik yang sangat dibutuhkan untuk dapat meninjau suatu produk tertentu agar dapat berfungsi secara maksimal.
1.3 Prothosis dan Orthosis Prothosis dan Orthosis merupakan salah satu cara rehabilitasi medik dengan menambahkan alat yang bertujuan untuk membantu fungsi kerja bagian tubuh tertentu agar dapat bergerak dan beraktifitas secara maksimal. (Wijanarko dan Azizah, 2016)
1.3.1 Pengertian Prothosis Prothosis adalah alat pengganti organ yang sudah tidak ada atau disebut sebagai artificial limb. Alat ini bertujuan agar pasien dapat beraktifitas mendekati kemampuannya sebelum sakit atau hanya bersifat sebagai kosmetik saja. Pasien yang menggunakan alat ini adalah pasien pasien yang mengalami amputasi pada bagian tangan atau kakinya. (IKFR Universitas Padjajaran, 2015). Alat bantu prothosis sangatlah membantu para pasien yang membutuhkan alat bantu agar tetap dapat beraktifitas seperti orang normal pada umumnya. Dengan seiring perkembangan jaman, banyak sekali produk yang ditawarkan, dan produk tersebut terbukti dapat membantu pasien dengan sangat baik. Salah satu pasien yang terbantu adalah Oscar Pistorius.
4
Oscar Pistorius merupakan atlit pelari sprint yang harus mengamputasi kedua kakinya ketika peristiwa Paralympic. Setelah Oscar mendapatkan kaki palsunya, tak mengurangi prestasinya dan dapat meraih medali pada Kejuaraan Dunia Atletik tahun 2011 (Wikipedia, 2017)
Gambar 1.1 Oscar Pistorius dengan Alat Prothosis (Murano, 2012)
1.3.2 Pengertian Orthosis Orthosis/Orthose/ ortesa adalah segala alat yang ditambahkan ke tubuh atau alat bantu penyangga tubuh atau anggota gerak tubuh yang layu, lumpuh atau cacat untuk menstabilkan atau immobilize bagian tubuh, mencegah kecacatan, melindungi dari luka, atau membantu fungsi dari anggota tubuh. (Wijanarko dan Azizah, 2016) Pada kehidupan sehari-hari, biasanya alat Orthosis digunakan hanya untuk alat penyembuhan atau alat rehabilitasi dari suatu penyakit tertentu, penggunaannya hanya sementara. Seperti pada gambar 1.2 dibawah ini, produk orthosis digunakan untuk melindungi ligamen setelah proses perawatan/ operasi. Alat orthosis digunakan hingga masa penyembuhan pasien berakhir. Trauma akibat operasi dapat mengurangi stabilitas sendi dan ligamen. Dalam keadaan tersebut, pasien membutuhkan alat bantu eksternal untuk mendukung sendi. (Judy, 2004)
5
Gambar 1.2 Orthosis sebagai Alat Bantu Penyembuhan (Judy, 2004)
1.3.3 Jenis-jenis Orthosis Orthosis dibagi dalam 3 jenis, berdasarkan atas bagian dari tubuh manusia, yaitu: (Arifin, 2012) a. Orthosis anggota gerak atas Orthosis ini diberikan kepada orang yang mengalami kecacatan atau kelumpuhan pada anggota gerak atas yaitu lengan dan tangan. Orthosis untuk orang sakit, penyakit tersebut misalnyastroke, osteoarthritis, cerebral palsy. Fungsi orthosis yang lain sebagai alat koreksi kecacatan agar dapat meningkatkan luas garak sendi, dan sebagai immobilitation pada masa pemulihan setelah operasi. Contoh: 1) Static cock up splint yang digunakan pada tangan yang mengalami drop hand yang memungkinkan jari-jari tangan tidak dapat digerakan. 2) Cock up slint dynamic yang digunakan pada tangan yang mengalamidrop hand yang memungkinkan jari-jari tangan dapat digerakan. 3) Elbow braceyang yangdigunakan digunakanuntuk untukstabilitasi penguat sendi siku, orthosis pada AGA. 4) lengan bawah karena . Arm corset fracture 5) Night splint yang digunakan untuk tangan yang mengalami drop hand tetapi digunakan pada malam hari. b. Orthosis anggota gerak bawah Orthosis ini diberikan kepada orang yang mengalami kecacatan atau kelumpuhan pada anggota gerak bawah yaitu paha, betis dan kaki. Contoh: 1) HKAFO (hip knee ankle foot orthose) yang digunakan pada anggota gerak bawah yang seluruhnya mengalami kelayuan.
6
2) KAFO (knee ankle foot orthose) yang digunakan pada pasien dengan kelainan panjang tungkai dan polio. 3) AFO (ankle foot orthose) yang digunakan untuk koreksi kecacatan pada daerah ankle dan foot yang mengalami drop foot. 4) FO (foot orthose) yang digunakan untuk koreksi kecacatan pada telapak kaki. 5) Orthopaedic shoes yang digunakan untuk mengoreksi kelainan kaki yang cacat, seperti flat foot, menetralisir dari kaki yang mengalamivalgus atau varus. c. Orthosis untuk orang sehat Orthosis untuk orang yang sehat seperti deker lutut, dekerankle, dan corset. d. Alat bantu mobilisasi Alat bantu mobilisasi seperticrutch, walker, kursi roda, dan three foot.
7
Referensi Arifin, Sahibul. (2012). Pengertian Orthose / Orthosis. http://arifplb2011.blogspot.co.id/2012/09/pengertian-orthose-orthosis.html (diakses pada 30 Maret 2017) Colditz, J.C. (2004). Low-Temperature Thermoplastic Splints/ Orthoses Made by Therapists: An Overview of Current Practice. http://www.oandp.com/articles/2004-10_03.asp. (diakses pada 26 April 2017) Gesunde Medical. (2013). Kursi Roda Elektrik. https://www.alatkesehatan.id/kursi-roda-elektrik/ (diakses pada 5 April 2017) IKFR Universitas Padjajaran. (2015). Prosthesis Orthosis. http://ikfrbandung.com/post/detail/prosthesis-orthosis(diakses pada 26 April 2017) Murano, Grace. (2012). 10 Most Inspirational Athletes With Prostetic Limbs. http://www.oddee.com/item_98313.aspx(diakses pada 26 April 2017) Wijanarko, Agung dan Ronim Azizah. (2016) .Pusat Rehabilitasi Pasca Stroke di Semarang dengan Pendekatan Healing Environment.Tugas Akhir Thesis. Universitas Muhammadiyah Surakarta. Yuliardi, Windy. (2016). Ortotik dan Prostetik Berbasis Web pada PT. Pratama Sentra Rehabilitasi. Skripsi. Akademi Manajemen Informatika dan Ilmu Komputer. Wikipedia. (2017). Oscar Pistorius. https://en.wikipedia.org/wiki/Oscar_Pistorius (diakses pada 26 April 2017)
8
9
Boston Brace
2
2.1 Latar Belakang Boston Brace adalah alat untuk menanggulangi salah satu penyakit atau kelainan pada tulang belakang, yaitu skoliosis. Skoliosis adalah kondisi melengkungnya tulang belakang ke samping secara tidak normal. Penyakit ini lebih sering terjadi pada anak-anak sebelum masa pubertas dengan kisaran usia 10 hingga 15 tahun. Anak laki-laki dan perempuan memiliki risiko yang sama untuk mengidap skoliosis ringan, namun anak perempuan lebih rentan untuk mengalami perburukan gejala sehingga memerlukan penanganan yang memadai. Meskipun kebanyakan kasus skoliosis yang menimpa anak-anak bersifat ringan dan tidak memerlukan perawatan, namun harus diawasi secara saksama dan disarankan untuk menjalani X-ray secara rutin untuk mengetahui perkembangannya dan menghindari komplikasi lanjutan (www.alodokter.com).
10
Gambar 2.1 Skoliosis (www.mayoclinic.com).
2.2 Penanggulangan Penyakit Ada 4 macam penanggulangan penyakit pada skoliosis, antara lain :
1.
Observasi
Pemantauan dilakukan jika derajat skoliosis tidak terlalu besar, yaitu kurang dari 20 derajat pada tulang yang masih tumbuh. Observasi dengan pemeriksaan fisik dan X-ray dapat dilakukan tiap empat hingga enam bulan untuk memantau perkembangan lengkungan. Kebanyakan skoliosis yang diderita anak-anak tidak parah dan tidak memerlukan perawatan karena tulang yang melengkung bisa kembali normal seiring perkembangan anak (www.alodokter.com).
2.
Obat
Perawatan dengan menggunakan obat-obatan biasanya diberikan kepada penderita skoliosis dewasa dan bertujuan meredakan rasa nyeri. Obat yang diberikan biasanya parasetamol atau obat antiinflamasi non-steroid (AINS), seperti ibuprofen. Jika kondisi yang dialami cukup parah, dokter mungkin akan menyuntikan obat steroid untuk meredakan nyeri, walau hanya untuk jangka pendek (www.alodokter.com).
3.
Operasi
Perawatan dengan menggunakan obat-obatan biasanya diberikan kepada penderita skoliosis dewasa dan bertujuan meredakan rasa nyeri. Obat yang diberikan biasanya parasetamol atau obat antiinflamasi non-steroid (AINS), seperti ibuprofen. Jika kondisi yang dialami cukup parah, dokter mungkin akan
11
menyuntikan obat steroid untuk meredakan nyeri, walau hanya untuk jangka pendek (www.alodokter.com).
4.
Orthosis
Menggunakan alat bantu berupa brace atau penahan jika pembengkokan pada tulang belakang memiliki sudut sebesar 30-40 derajat. Alat bantu yang umumnya dapat dijumpai di pasaran antara lain :
Milwaukee The Brace Milwaukee umumnya digunakan untuk tinggi toraks (punggung tengah) kurva. Ini memanjang dari leher ke panggul dan terdiri dari korset khusus berkontur panggul plastik dan cincin leher dihubungkan dengan jeruji besi di bagian depan dan belakang brace. Batang logam membantu memperpanjang panjang batang tubuh dan cincin leher membuat kepala berpusat di panggul. Tekanan bantalan, ditempatkan secara strategis sesuai a.
dengan pola kurva pasien, yang melekat pada batang logam dengan tali (Innaz, 2012).
Gambar 2.2 Milwaukee Brace (www.bracingscoliosis.com)
12
Boston Brace The Boston Brace memanjang dari bawah payudara ke awal daerah panggul di depan dan dari bawah tulang belikat ke tulang ekor di belakang. Jenis penjepit bekerja dengan menerapkan tiga-titik tekanan ke kurva untuk mencegah b.
perkembangannya. Ini memaksa daerah lumbal untuk fleksibel, yang mendorong di perut dan rata kurva lumbal posterior. Ditempatkan secara strategis tekanan bantalan tempat pada kurva, dan "void bantuan" yang terletak di seberang daerah tekanan. Dikembangkan pada awal tahun 1970 oleh Dr John Hall dan Mr William Miller dari Rumah Sakit Anak Boston, Boston Brace yang biasanya diresepkan untuk kurva di lumbal (punggung) atau thoraco-lumbar (mid-to-low back) bagian tulang belakang (Innaz, 2012).
Gambar 2.3 Boston Brace (Anis dkk, 2015).
c.
Charleston Brace
Pilihan lain adalah Brace Charleston Bending. Brace ini dikembangkan pada tahun 1979 oleh Dr Frederick Reed dan Ralph Hooper,Charleston Bending Brace dikenakan hanya pada malam hari, itulah sebabnya itu juga dikenal sebagai penahan "paruh waktu". Charleston Bending Brace dibentuk agar sesuai dengan tubuh pasien di saat dia membungkuk ke arah konveksitas-atau luar tonjolankurva, konsep di balik desain ini adalah "over-koreksi" kurva selama delapan jam penjepit dikenakan. Brace Charleston biasanya dianjurkan untuk kurva tulang belakang dari 20-35 derajat, dengan puncak kurva di bawah tingkat tulang belikat (Innaz, 2012).
13
Gambar 2.4 Charleston Brace (www.prothotic.com)
Spinecor Alat ini adalah alat yang paling umum digunakan saat ini. Brace ini mempunyai bagian pelvic dari tali elastic kuat yang membungkus badan. d.
Menarik lekukan, putaran dan ketidakseimbangan. Alat ini kebanyakan sukses untuk pasien yang memiliki kelengkungan relative kecil, struktur muda. Biasanya dipakai 20jam sehari. Spinecor juga satu-satunya scoliosis brace untuk orang dewasa. Brace ini dikembangkan di Montréal, Canada dan sudah digunakan di beberapa Negara (en.wikipedia.org).
Gambar 2.5 Spinecor Brace (www.adultscoliosisbrace.com).
14
2.3 Parameter Pengguna Hasil Produk Parameter yang harus dipenuhi pada calon pengguna hasil produk antara lain (Anis dkk, 2015): Usia maksimal 20 tahun ( berhentinya masa pertumbuhan) Derajat pembengkokan 30-40 derajat Tulang belakang berbentuk huruf
2.4 Identifikasi Kebutuhan P elanggan Kami telah mengidentifikasi beberapa kebutuhan pelanggan melalui survei yang kami lakukan melalui beberapa situs internet. Hasilnya, ada beberapa hal yang diprotes oleh pelanggan dari produk-produk yang sudah ada di pasaran, antara lain (Anis dkk, 2015): Ringan Nyaman Efisien Harga ekonomis Kemampuan untuk di produksi secara massal
2.5. Diagram Fungsi Produk
15
2.6 Tabel Klasifikasi Kombinasi Penahan Desain Brace
Material
Full Body
Polimer
Sebagian
Kain Strech (korset) dan Polimer Sabuk Belt
2.7 Rancangan Konsep I. Konsep 1 (Referensi Boston) Penahan Desain Brace
Material
Full Body
Polimer
Sebagiann
Kain Strech (korset) dan Polimer Sabuk Belt
Gambar 2.6 Konsep 1 (Anis dkk, 2015).
16
II. Konsep 2 (Referensi Spinecor) Penahan Desain Brace
Material
Full Body
Polimer
Sebagian
Kain Strech (korset) dan Polimer Sabuk Belt
Gambar 2.7 Konsep 2 (Anis dkk, 2015).
III. Konsep 3 Penahan Desain Brace
Material
Full Body
Polimer
Sebagian
Kain Strech (korset) dan Polimer Sabuk Belt
17
Gambar 2.8 Konsep 3 (Anis dkk, 2015). IV. Konsep 4 Penahan Desain Brace Material
Full Body
Polimer
Sebagian
Kain Strech (korset) dan Polimer Sabuk Belt
Gambar 2.9 Konsep 4 (Anis dkk, 2015).
2.8 Matriks Penilaian Konsep Berikut ini adalah matriks penilaian dari keempat konsep produk yang telah kami buat.
18
Jadi dapat disimpulkan, konsep produk yang dipilih oleh kelompok kami adalah konsep 4.
Gambar 2.10 Konsep Terpilih (Anis dkk, 2015).
2.9 Produk-produk yang ada di pasar 1. Lightweight Boston Brace Lightweigh Boston Brace menawarkan kenyamanan dan dukungan trunk maksimal dalam pengobatan Skoliosis Idiopatik dan Kyphosis. Boston Brace dianggap sebagai sistem utama untuk pengobatan non-operasi Skoliosis dan
19
Kyphosis. Setiap penjepit custom terbuat dari polimer kelas ortopedi tanpa retak dengan busa liner Polyethylene hypo-allergenic untuk kenyamanan optimal.
Gambar 2.11 Lightweight Boston Brace (www.eagleenterprisesproducts.com)
20
Referensi Anis, F.E.F. dkk. 2015. “Laporan Tugas Besar 2 Perancangan Produk”. en.wikipedia.org. “Back Brace”. https://en.wikipedia.org/wiki/Back_brace diakses pada 29 Maret 2017. Innaz, Allya. “Macam-macam Brace”. http://www.allyainnaz.net/2012/12/macam2-brace.html diakses pada 29 Maret 2017. www.adultscoliosisbrace.com diakses pada 31 Maret 2017 www.alodokter.com. “Skoliosis”. http://www.alodokter.com/skoliosis diakses pada 29 Maret 2017. www.bracingscoliosis.com. “Milwaukee brace”. http://www.bracingscoliosis.com/milwaukee-brace.html diakses pada 31 Maret 2017 www.mayoclinic.com. “Adult scoliosis”. http://healthletter.mayoclinic.com/content/preview.cfm/n/254/t/Adult scoliosis/ diakses pada 2 April 2017 www.prothotic.com. “Orthotic Services”. http://www.prothotic.com/Orthotic.html diakses pada 1 April 2017 www.eagleenterprisesproducts.com. “Spinal Orthotics”. http://www.eagleenterprisesproducts.com/spinalorthotics.html#customized-boston-brace diakses pada 26 April 2017
21
Clubfoot Orthotic
3
3.1 Latar Belakang Bayi yang lahir dengan keadaan sehat serta memiliki anggota tubuh yang lengkap dan sempurna merupakan harapan dari seorang Ibu dan seluruh keluarga. Namun terkadang pada beberapa keadaan tertentu didapati bayi yang lahir kurang sempurna karena mengalami kelainan bentuk anggota tubuh. Salah satu kelainan adalah kelainan bawaan pada kaki yang sering dijumpai pada bayi yaitu kaki bengkok atau CTEV(Congeintal Talipes Equino Varus). CTEV adalah deformitas yang meliputi fleksi dari pergelangan kaki, inversi dari tungkai, adduksi dari kaki depan, dan rotasi medial dari tibia (Adillani, 2014) dan salah satu anomali ortopedik kongenital yang sudah lama dideskripsikan oleh Hippocrates pada tahun 400 SM (Miedzybrodzka, 2002). Clubfoot atau Congenital Talipes Equino-varus (CTEV) adalah istilah umum yang digunakan untuk menggambarkan deformitas umum dimana kaki berubah dari posisi yang normal. Nama CTEV berasal dari bahasa latin,Talipes berasal dari kata talus (ankle) dan pes (foot), menunjukkan suatu kelainan pada kaki yang
22
menyebabkan penderitanya berjalan padaankle-nya. Sedang Equinovarus berasal dari kata equino (meng.kuda) + varus (bengkok ke arah dalam/medial). (Bagus dkk., 2015) CTEV rata-rata muncul dalam 1-2:1000 kelahiran bayi di dunia dan merupakan salah satu defek saat lahir yang paling umum pada system musculoskeletal (Angganugraha, 2016).Clubfoot merupakan kelainan konginetal (terjadi sejak lahir) pada kaki, dapat mengenai satu atau keduanya yang posisi abnormal pada sejak lahir. Merupakan deformitas (kelainan) kompleks yang melibatkan tulang, otot, tendon, dan pembuluh darah. Kondisi ini pada anak laki-laki rationya dua kali lebih sering dibandingkan anak perempuan dan 50 % kasus adalah bilateral (terjadi pada kedua kaki), dan kejadiannya meningkat 10% pada keluarga yang memilikikasus anak serupa. (JaniOrthoprost, 2013) Patogenesisnya bersifat multifaktorial. Banyak teori telah diajukan sebagai penyebab deformitas ini, termasuk faktor genetik, defek selgerminativum primer, anomali vascular, faktor jaringan lunak, faktor intrauterine dan faktor miogenik. Telah diketahui bahwa kebanyakan anak dengan CTEV memiliki atrofi otot betis, yang tidak hilang setelah terapi, karenanya mungkin terdapat hubungan antara patologi otot dan deformitas ini. Diagnosis CTEV ditegakkan dengan gambaran klinis deformitas telapak kaki yang dapat dilihat segera setelah bayi lahir. Kaki terputar dan terbelit sehingga telapak kaki menghadap postero-medial ( depan-kearah dalam). Bila kelainan ini tidak dikoreksi klinisnya akan lebih nyata dengan bertambahnya umur, karena adanya kontraktur (pemendekan) otot serta perubahan pertumbuhan muskuloskeletal. Pengenalan dan penanganan secara dini pada clubfoot sangat penting dimana “Golden Period” untuk terapi adalah tiga minggu setelah lahir, karena pada umur kurang dari tiga minggu ligamen-ligamen pada kaki masih lentur sehingga masih dapat dimanipulasi (Ismiarto, 2015). Alat ini disebutclubfoot orthotic . Ada banyak sekali macam-macam bentukclubfoot orthotic .Tetapi dari berbagai macam clubfoot orthotic tersebut masih jarang yang desainnya tanpa menggunakan bar penyambung , dan yang terpenting di negara Indonesia ini belum ada desain clubfoot orthotic ini yang dapat memberikan pemakai dapat bergerak bebas.
23
3.2 Tujuan Perancangan Tujuan perancangan produk clubfoot orthotic ini adalah Membuat suatu desain inovatif produk orthotic yang dapat digunakan untuk penderita penyakitclubfoot dan dapat diproduksi secara massal. (Bagus dkk., 2015)
3.3 Identifikasi Kebutuhan Pelanggan Sebelum membuat konsep desain harus diketahui terlebih dahulu apa yang sebenarnya menjadi kebutuhan pelanggan supaya desain produk yang dihasilkan dapat memiliki manfaat yang maksimal bagi pelanggan. Kebutuhan pelanggan yang harus dipenuhi oleh produkClubfoot Orthotic: Produk dapat melakukan gerak kanan , kiri maupun menendang Produk dapat diatur sudutnya hingga 70o Produk dapat diproduksi massal dan digunakan penyandang penyakit
clubfoot Produk memiliki nilai estetika
3.4 Penentuan Spesifikasi Teknis Produk Indikator-indikator pada produk Clubfoot Orthotic yang perlu menjadi pertimbangan untuk diaplikasikan dalam pembuatan desain produk adalah (Bagus dkk., 2015): o Anjuran pemakaian (usia minimal) adalah 6-12 bulan o Sudut yang ditetapkan diatur tanpa menggunakan bar , tetapi pengunci baut o Dimensi (diameter x tinggi) = 90 mm o Berat Maksimal Produk = 0,5 kg o Beban maksimal pengguna = 10 kg
3.5 Tahap Perancangan Tahap perancangan dimulai dengan mencari referensi desainclubfoot yang telah ada dan apa saja kekurangan produk tersebut. Dan berusaha untuk mencari solusi dari masalah yang ada tanpa mengurangi keunggulan produk tersebut.
24
Dalam tahap perancangan, memantau dari sisi mekanisme penahan, material produk, derajat kebebasan, dan pengatur sudut.
3.5.1 Matriks Morfologi Terdapat beberapa pilihan, ditinjau dari sisi mekanisme penahan, material produk, derajat kebebasan dan pengatur sudut. Hal tersebut dapat dilihat pada tabel 3.1 Tabel 3.1 Kombinasi Konsep
Dengan mempertimbangkan kombinasi konsep dengan identifikasi kebutuhan pelanggan seperti dibahas sebelumnya, maka dipilih konsep yang mempunyai bahan polyethylen , mempunyai 3 sumbu derajat kebebasan , pengatur sudut horizontal dan tanpa menggunakan bar.
3.5.2 Pembentukan Konsep Kombinasi elemen yang sudah dipilih menghasilkan empat konsep yang memiliki desain dan bentuk yang berbeda. Keempat desain ini memiliki keunggulan masing-masing.
25
a.
Konsep Pertama
Keunggulan konsep pertama adalah konsep ini merupakan metal-less atau tidak menggunakan logam sama sekali, sehingga dapat bergerak secara fleksibel dan ringan ketika digunakan. Gambar konsep pertama dapat dilihat pada gambar 3.1
. Gambar 3.1 Konsep Pertama (Bagus dkk., 2015)
b.
Konsep Kedua
Keunggulan konsep kedua ini adalah memakai batang penyangga disamping, agar kaki dari pasien clubfoot ini bisa rigid . Desain dari konsep ketiga bisa diliha pada gambar 3.2
Gambar 3.2 Konsep Kedua (Bagus dkk., 2015)
26
c.
Konsep Ketiga
Keunggulan konsep ketiga adalah pengatur sudut yang berupa pengunci lingkaran , dengan adanya pengatur sudut ini kaki konsumen akan dapat diatur sudutnya dan dapat kembali normal , konsep ini juga menawarkan clubfoot orthotic yang dapat bergerak bebas tanpa menggunakan bar. Gambar konsep kedua dapat dilihat pada gambar 3.3
Gambar 3.3 Konsep Ketiga (Bagus dkk., 2015)
d.
Konsep Keempat
Keunggulan konsep keempat adalah adanya logam yang disusun segitiga sehingga memiliki konstruksi yang lebih kuat. Selain itu konsep ini memiliki ukuran yang kecil dibanding konsep lain serta bentuk yang tidak rumit, sehingga tidak mengganggu aktivitas pasien. Gambar konsep keempat dapat dilihat pada gambar 3.4
27
Gambar 3.4 Konsep Keempat (Bagus dkk., 2015)
3.5.3 Seleksi Konsep Dari empat konsep yang tersedia, dilakukan pemilihan konsep menggunakan matriks keputusan seperti pada tabel 3.2 Tabel 3.2 Matriks Keputusan
Keterangan:
28
Wt Nilai Minimal Nilai Maksimal
= Bobot Nilai Maksimal =1 =5
Dari matriks keputusan, dihasilkan konsep produk yang terpilih yaitu konsep produk ketiga. Tetapi konsep ketiga masih memiliki kekurangankekurangan , maka konsep ketiga ini dikembangkan kembali menjadi lebih sempurna . Hasil pengembangan konsep ketiga ini dapat dilihat pada gambar 3.5a dan 3.5b.
(a) (b) Gambar 3.5 (a) Konsep ketiga tampak bawah (b) Konsep ketiga tampak samping (Bagus dkk., 2015)
3.6 Desain dan Proses Manufaktur Setelah dihasilkan konsep yang terpilih dari opsi-opsi konsep, maka konsep yang dipilih dan dikembangkan tersebut dipersiapkan untuk memasuki proses manufaktur supaya dapat diproduksi.
3.6.1 Analisa Pembebanan Analisa Pembebanan dilakukan pada bagian poros utama produk dengan pembebanan ekstrim sebesar 100 N sesuai dengan batasan produk yang telah disepakati sebelumnya, dihasilkan analisa seperti gambar 3.6.
29
Gambar 3.6 Analisa Pembebanan (Bagus dkk., 2015) Berdasarkan simulasi pembebanan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa dengan material dan desain yang dibuat, mampu menahan beban maksimal pasien yaitu 10 kg.
3.6.2 Bill of Material Adapun bahan material yang digunakan pada komponen-komponen dari desain produk yang sudah terpilih adalah seperti pada tabel 3.3
30
Tabel 3.3 Bill of Materials
31
3.6.3 Estimasi Harga Dalam manufaktur clubfoot orthitic ini, kami mengestimasukan harga sebesar Rp 1.000.000,00 dengan prosentase yang dapat dilihat pada tabel 3.4 Tabel 3.4 Persentase pembagian estimasi biaya
3.7
Produk-produk yang Ada di Pasar
Kasus clubfoot banyak terjadi pada anak kecil, maka masih memungkinkan untuk melakukan proses operasi untuk penyembuhan. Namun pengobatan pasca operasi masih membutuhkan alat orthosis agar penyembuhan maksimal. Seperti pada gambar 3.7 dapat dilihat seorang anak yang menggunakan Dennis-Browne orthosis untuk berjalan. Dan untuk anak yang berumur lebih dari 3 tahun, digunakan sepatu orthosis kombinasi yang memiliki material plastik dikombinasi dengan batang Dennis-Browne. Alat bantu ini digunakan minimum selama 2 tahun terhitung setelah operasi.
32
Gambar 3.7 Pengguna Clubfoot Orthosis Pasca Operasi
33
Referensi Adillani, M. (2014) . Penatalaksanaan Fisioterapi pada Kasus Conginetal Talipes Equino Varus (CTEV) Bilateral di RSUP Dr. Sardjito Yogyakarta. Naskah Publikasi. Universitas Muhammadiyah Surakarta. Angganugraha, I. (2016). Congenital Talipes Equino Varus (CTEV). Sari Pustaka. Program Pendidikan Dokter Spesialis Ilmu Bedah FK UNUD Denpasar. Derzsi, Z, dkk. (2013). Congenital Clubfoot in Children After Walking Age: Management and Evaluation of 41 Feet with the Dimeglio Score. Journal of Clinical and Diagnostic Research ISSN-0973-709X Volume 7 December 2013. Ismiarto, Y.D. (2015). Congenital Talipes Equinovarus (CLUB FOOT). Handbook. Fakultas Kedokteran Universitas Padjajaran. Jani Orthoprost. (2013). Club Foot (Kaki Bengkok pada Bayi). http://janiorthoprost.com/club-foot-kaki-bengkok-pada-bayi.html (diakses pada 25 Maret 2017) Miedzybrodzka C.D,. dkk . (2008).Genetic Basis of Idiopathic Talipes Equinovarus . Inggris : J. Hum. Genet
34
35
Hip Abduction Splint
4.1
4
Pendahuluan
Pada awalnya sebelum teknologi berkembang manusia yang mengalami cacat sejak lahir tidak bisa berbuat apa apa dengan kekurangannya tersebut, dengan mengunakan pengobatan tradisional penyakit dysplasia sulit untuk disembuhkan. Sampai pada ahirnya para peneliti mengambangkan alat untuk menyanggah bagian tubuh yang mengalami dysplasia tersebut dengan menggunakan alat hip abduction splint. Alat ini menahan beban bayi pada bagian pinggul sampai ke paha agar bagian tersebut memiliki kekuatan untuk menumpu beban dari bayi tersebut sehingga bayi dapat melakukan gerakan seperti duduk dan merangkak. Hip abduction splint memiliki bagian untuk menahan pinggul dengan melingkarkan sebuat ikat pada perut yang dibelakang nya menggunakan plat logam sebagai penumpu, dan di bagian kedua paha terdapat selongsong dengan ikat pada bagian depannya dan pada bagian belakang terdapat plat logam untuk menumpu bagian paha, pada kedua bagian paha terdapat sebuah pengunci dari plat logam untuk menahan pergerakan kaki bayi (Bashir, dkk., 2014). Hip abduction splint adalah sebagai alat untuk membantu terapidysplasia pangkal paha agar perkembangan dari persendian pangkal paha dengan tulang paha kembali normal. Menurut Bashir dkk. (2014) diperlukan adanya
36
pengembangan alat hip abduction splint, oleh karena itu pada bab ini membahas tentang perancangan produk pada alat hip abduction splint. Batasan masalah perancangan produk ini sebagai berikut: 1. Hip abduction splint diperuntukan bayi usia < 1 tahun 2. 3.
Kenyamanan pengguna diperhatikan Analisa material hanya mencakup berat dan kuat menahan beban
Gambar 4.1 Pasien hip abduction splint (http://www.ortopedialopez.com/)
4.2
Produk Hip Abduction Splint
Produk hip abduction splint yang berada di pasaran seperti Gambar 4.2 yang diproduksi oleh PT. Kuspito Ortotik Prostetik. Spesifikasi produk, dipakai sebagai night splint (dipakai pada posisi tidur), menggunakan material polyethylene dan stainless steel.
37
Gambar 4.2 Produk hib abduction splint PT. Kuspito Ostetik Prostetik (http://transtibialprostesis.com)
4.3
Proses Perancangan Produk
Menurut Bashir dkk. (2014), dalam perancangan produkhip abduction splint ini terdiri dari beberapa fasa, yaitu:
4.3.1 Fasa 1 1. a. b. c. d. e.
Identifikasi Kebutuhan Hip abduction splint dapat menahan beban. Hip abduction splint nyaman saat digunakan. Hip abduction splint memiliki bobot yang ringan. Hip abduction splint adjustsable. Hip abduction splint nilai estetika yang menarik.
a. b. c. d.
Spesifikasi Teknis Hip abduction splint adjustsable. Hip abduction splint memiliki sudut hip flexion 90o . Hip abduction splint memiliki sudut abduction 45o . Hip abduction splint untuk bayi berumur < 1 tahun.
2.
38
4.3.2 Fasa 2 Pada fasa 2 dilakukan perancangan konsep, dengan diagram fungsi dijelaskan pada gambar 4.1 – 4.3. Kemudian dibuat tabel matriks kombinasi konsep sesuai tabel 4.1 - 4.4.
Gambar 4.3 Diagram fungsi I (Bashir dkk., 2014)
Gambar 4.4 Diagram fungsi II (Bashir dkk., 2014)
Gambar 4.5 Pohon klasifikasi (Bashir dkk., 2014)
39
Tabel 4.1 Matriks kombinasi konsep I (Bashir dkk., 2014)
Tabel 4.2 Matriks kombinasi konsep II (Bashir dkk., 2014)
Tabel 4.3 Matriks kombinasi konsep III (Bashir dkk., 2014)
Tabel 4.4 Matriks kombinasi konsep IV (Bashir dkk., 2014)
40
5.3.3 Fasa 3 Pada fasa ini langkah yang dilakukan adalah perancangan produk, yang menghasilkan beberapa konsep produk yang ditampilkan pada gambar 4.4 – 4.7.
Gambar 4.6 Konsep I (Bashir dkk., 2014)
Gambar 4.7 Konsep II (Bashir dkk., 2014)
41
Gambar 4.8 Konsep III (Bashir dkk., 2014)
Gambar 4.9 Konsep IV (Bashir dkk., 2014)
4.3
Pengambilan Keputusan
Dalam penentuan pengambilan keputusan diperlukan perbandingan harga produksi dan matriks keputusan, yang disajikan pada tabel 4.5 dan 4.6.
42
Tabel 4.5 Perbandingan harga tiap konsep (Bashir dkk., 2014) Konsep
Harga Produksi
1 2
Rp. 1.300.000,00 Rp. 1.500.000,00
3
Rp. 1.700.000,00
4
Rp. 1.250.000,00
Tabel 4.6 Matriks keputusan (Bashir dkk., 2014)
Dari ke-empat alternatif konsep produk telah ditentukan satu produk yang sesuai kriteria yaitu konsep IV.
43
Referensi Bashir, Iqbal. Nana Supriatna, Riyan Nur Ramadhan. Arif Rahman Hakim. Suryo Handrajati. 2014. Perancangan Produk Pengembangan Hip Splint Abduction. Teknik Mesin Universitas Diponegoro: Semarang. http://transtibialprostesis.com/. 2010. Hip Abduction Orthosis. http://transtibialprostesis.com/produk/120110/pediatric_orthosis/12039 6/hip_abduction_orthosis. Diakses pada pukul 20:11 tanggal 26 April 2017. http://www.ortopedialopez.com/. Ortesis para Perthes. http://www.ortopedialopez.com/tienda/ortesis-cadera/ortesis-paraperthes/. Diakses pada pukul 20:23 tanggal 26 April 2017
44
45
Knee Brace
5.1
5
Pendahuluan
5.1.1 Ide Produk Alat penyangga lutut yang ada saat ini untuk penyandangOsteo Arthritis masih memiliki kekurangan yaitu masih terlalu terbatas dalam gerakannya. Sedangkan bagi penyandangOsteo Arthritis sendiri padahal tidak boleh dibatasi pergerakan pada sendi lututnya. Knee brace yang kami ciptakan membuat penyandang dapat bergerak bebas pada sendi lutut dan juga dapat dikunci pergerakannya jika penyandang menginginkannya, selain itu alat ini dapat mengurangi beban berat badan yang sepenuhnya di sangga oleh sendi lutut.
5.1.2 Definisi Knee Brace merupakan alat bantu bagi penyandang Arthritis pada sendi lutut. Alat ini berfungsi untuk membuat penyandang lebih nyaman dengan mengurangi nyeri sendi yang terjadi pada sendi lutut. Arthritis sendiri banyak jenisnya, sedangkan alat yang kami buat berfungsi untuk membantu penyandang Osteo Arthritis dimana ini merupakan penyakit degeneratif progresif lambat di mana tulang rawan sendi secara perlahan menipis.
46
5.2
Fungsi Produk
5.2.1 Blok Fungsi
5.2.2 Diagram Blok Perancangan Alat
47
5.3
KONSEP DESAIN PRODUK
5.3.1 Pengembangan Konsep Produk 5.3.1.1 Konsep 1
Gambar 5.1 Konsep Knee Brace ke 1 ( Lukman dkk, 2015 ).
5.3.1.2 Konsep 2
Gambar 5.2 Konsep Knee Brace ke 2 ( Lukman dkk, 2015 )
48
5.3.1.3 Konsep 3
Gambar 5.3 Konsep Knee Brace ke 3 ( Lukman dkk, 2015 )
5.3.1.4 Konsep 4
Gambar 5.4 Konsep Knee Brace ke 4 ( Lukman dkk, 2015 )
49
5.3.1.5 Konsep 5
Gambar 5.5 Konsep Knee Brace ke 5 ( Lukman dkk, 2015 )
5.4 Matrik Pengambilan Keputusan Langkah – langkah: a.
Menyusun kriteria untuk membandingkan
b.
Memilih konsep-konsep yang dibandingkan
c.
Pemberian skor
d.
Menjumlahkan skor
50
Tabel 5.1 Matrik Pengambilan untuk 5 Konsep
51
5.5
Bentuk Produk Terpilih
Berdasarkan matrik keputusan, maka konsep yang terpilih adalah konsep ke-5, dimana memiliki nilai tertinggi dibanding konsep yang lainnya.
Gambar 5.6 Konsep Knee Brace ke 5 ( Lukman dkk, 2015 )
Spesifikasi Material
Batang Penyangga Pengikat Pengubung penyangga
Pelindung kenyamanan Mekanisme pergerakan sendi Hasil pergerakan sendi
5.6
: Carbon : Strap : Polymer : Spandek : Angle Lock : Flexible
Inovasi Produk Knee Brace
Dalam perkembangan nya, knee brace dinilai cukup efektif dalam menangani cidera pada lutut maupun kelainan pada tulang sejak lahir. Hal ini membuat orang berlomba – lomba untuk berinovasi guna mengembangkan produk ini.
52
5.6.1 C-Brace High-Tech Leg Brace C- Brace ini di desain untuk membantu para penyandang disabilitas pada kakinya, yang disebabkan cidera parah, ataupun bawaan sejak lahir. Dengan teknologi tinggi pada knee brace ini, akan menggunakan sensor pada alat yang jika merasakan gerakan, alat ini akan dengan sendirinya bergerak sehingga penggunanya hampir tidak perlu menggunakan tenaga tambahan. Berjalan akan terasa seperti kaki normal.
Gambar 5.7 High Tech Knee Brace.
Kelebihan knee brace berteknologi tinggi ini bukan hanya terasa secara fisik namun secara mental, semangat hidup penggunanya semakin naik, dapat bersenang-senang dengan kaluarga kemana saja, tidak bergantung pada kursi roda, dan sebagainya.
5.6.2 E-MAG Active Electronically Controlled Knee Joint System E-MAG adalah inovasi baru yaitu knee brace yang akan aktif dan bergerak secara normal dan dapat menyeimbangkan gerak gerik tubuh khusus pemiliknya. Ini sangat efektif karena penggunanya dapat sampai lupa jika ia sedang menggunakan knee brace dan mental, semangat hidup akan berkembang secara positif.
53
Gambar 5.8 E-MAG Active Electronically ControlledKnee Joint System
5.6.3 Knee Brace Dalam Negri Produk knee brace buatan dalam negeri yang ada di pasaran saat ini didominasi oleh dua perusahaan pembuat alat – alat ortotik dan prostetik, yaitu CV Japro Medika dan PT. Kuspito Prosthetic & Orthotic.
Gambar 5.9 Knee Brace buatan PT. Kuspito Prosthetic & Orthotic (www.kuspito.org, 2015)
54
Gambar 5.10 Knee Brace buatan CV Japro Medika (www.japromedika.com, 2015)
Selain produk dalam negeri, terdapat jugaknee brace yang diproduksi oleh perusahaan asing seperti DonJoy dari Amerika, dan Mueller dari Jerman. Kedua produk asing tersebut unggul jauh dari produk dalam negeri, baik dari segi kenyamanan dan kekuatan. Harga knee brace dari kedua produk luar negeri tersebut juga lebih mahal dari harga produk buatan dalam negeri.
Gambar 5.11 Knee Brace produksi DonJoy (www.djoglobal.com, 2015)
55
Gambar 5.12 Knee Brace produksi Mueller (www.muellersportsmed.com, 2015) Tabel 2.1 Perbandingan harga produkKnee Brace
Produsen PT. Kuspito Prosthetic & Orthotic CV Japro Medika DonJoy Mueller
5.7
Harga (dalam rupiah) 3.000.000,00 2.000.000,00 9.000.000,00 3.500.000,00
Kelemahan Knee Brace Dalam Negeri
Produk knee brace dalam negeri masih tertinggal jauh dari produkknee brace buatan perusahaan asing. Masih banyak kekurangan dari produk buatan dalam negeri, salah satunya adalah produk knee brace buatan PT. Kuspito Prosthetic & Orthotic yang memilikikekurangan pada elastisnya. Kegunaan elastis pada knee brace ini adalah untuk menahan pengnci swiss lock agar tidak terbuka saat pengguna sedang berdiri. Kekurangannya adalah elastis ini ada jangka waktu dimana elastis ini harus diganti, karena sudah tidak lagi elastis dan tidak kuat lagi menahan beban.
56
Elastis
Gambar 5.13 Elastis pada knee brace buatan PT. Kuspito Prosthetic & Orthotic
5.7
Paten – paten Knee Brace
Berbagai macam knee brace sudah diproduksi, dan berbagai macam paten mengenai knee brace juga sudah banyak tercipta. Ada beberapa paten yang menjadi dasar memulai perancangan ini. Adapun paten yang menjadi dasar itu adalah: a.
Paten US 5,063,916
Penggagas paten ini adalah E. Paul France,Richard L. Ellingson, dan E. Paulos. Ketiganya mendapatkan hak paten untuk rancangannya pada tanggal 1 Juni 1990.
57
Gambar 5.14 Paten US 5,063,916
Bentuk knee brace dari rancangan paten ini adalah terdapat duacuff atas bawah yang terpasang padaknee joint. Pengunci pada rancangan ini menggunakan engsel pengunci freecentric. Sebagai mekanisme kunci pada rancangan ini, terdapat pin di bagaian atas engsel pengunci freecentric, guna pin ini adalah untuk membatasi gerakan rotasiknee brace dan mengunci posisi knee brace saat digunakan. b. Paten US 7,150,721 B2 Guy M. Houser mendapatkan hak paten untuk rancangannya pada tanggal 29 Juni 2004. Desain knee brace pada rancangan ini berbeda dengan rancanganknee brace pada umumnya, denga desain berbentuk huruf S. Mekanisme kunci pada rancangan ini bisa dilihat pada gambar dibawah.
58
Gambar 5.15 Paten US 7,150,721 B2
Gambar 5.16 Bagian – bagian system pengunci
59
Gambar 5.17 Mekanisme pengunci
c. Paten US 7,201,728 B2 Paten ini digagas oleh Shane Sterling, beliau mendapatkan hak paten untuk rancangannya pada tanggal 26 Juni 2003. Rancangan desain ini pada umumnya sama dengan rancangan knee brace kebanyakan. Namun, yang jadi kelebihan dari rancangan ini ada pada knee joint-nya, dimana tekanan pada knee joint bisa diatur sesuai dengan keadaan penggunanya.
60
Gambar 2.10 Paten US 7,201,728 B2
Gambar 2.11 Sistem knee joint
61
Referensi Lukman, M dkk. (2015 ). Knee Brace untuk Penyandang Osteo Arthritis. Laporan Perancangan Produk. Teknik Mesin Universitas Diponegoro Ottobock. (2016). E-MAG Active Electronically Controlled Knee Joint System. http://www.ottobockus.com/orthotics/solution-overview/stance-controlknee-brace-e-mag-active/ (diakses pada 5 April 2017)
62
63
Wearable Exoskeleton Robotic Finger dan Supernumerary Thumb
6.1
6
Latar Belakang
Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini berkembang dengan pesat seiring dengan permasalah-permasalahan yang ada. Perkembangan akan menjadi lebih inovatif dengan adanya penggabungan lebih dari satu bidang keilmuan, sebagai contohnya biomedical engineering. Biomedical engineeringadalah disiplin ilmu baru yang mencakup bidang ilmu keteknikan (engineering), ilmu komputer (computer science), dan ilmu kedokteran (medical science). Dalam melakukan penelitian di bidang biomedical engineering, para peneliti dari berbagai bidang tersebut melakukan penelitian bersama untuk memecahkan persoalan yang ada terutama pada bidang kesehatan. Salah satu masalah yang ada di Indonesia adalah minimnya penelitian tentangwearable robotic yang aktif dan responsif bagi penyandang disabilitas untuk mendukung aktifitas sehari-hari. Saat ini di Indonesia, orang-orang masih menggunakan alat bantu manual khusus tangan yang masih belum menggunakan sistem kontrol otomatis yang dapat digunakan mengikuti keinginan dari penggunanya. Berbeda dengan penelitian di luar negeri seperti di Amerika dan China yang sudah mengembangkan wearable robotic hand yang menggunakan electroencephalograph (EEG) sensor dan electromyograph (EMG) sensor sebagai data input untuk menggerakan wearable robotic hand yang dapat mengikuti keinginan dari pengguna.
64
Tapi karena harga alat tersebut cukup mahal, penderita disabilitas tangan di Indonesia yang berasal dari kalangan kurang mampu tidak membeli alat tersebut, sehingga penyandang disabilitas tangan pada akhirnya memilih alat bantu yang manual atau tidak menggunakan alat bantu sama sekali. Disisi lainwearable robotic
hand yang ada di luar negeri kurang sesuai dengan karakterstik tangan dari penyandang disabilitas tangan di Indonesia. Hal ini dikarenakan dimensi atau ukuran tangan di luar negeri berbeda dengan penyandang disabilitas di Indonesia. Untuk itu dibutuhkan adanya penelitian khusus dan pengembangan keilmuan untuk wearable robotic hand berbentuk exoskeleton untuk penyandang disabilitas tangan di Indonesia.
6.2
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah: a. Merancang desain Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary b.
c.
6.3
Thumb yang dapat digunakan untuk aktivitas sehari - hari. Menghitung nilai tegangan von Mises pada Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb saat dikenai pembebanan dengan simulasi menggunakan metode elemen hingga dengan variasi geometri dan ketebalan untuk memilih desain geometri terbaik. Membuat prototipe guna mengetahui bentuk nyata dari desain yang dibuat dari desain Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb.
Produk
Produk didefinisikan sebagai keluaran o( utput) yang didapat dari suatu proses produksi (transformasi) dan merupakan pertambahan nilai dari bahan baku (material input) dan merupakan komoditi yang dijual perusahaan kepada konsumen. Proses transformasi akan menyebabkan perubahan bentuk dan dimensi fisik dari material input serta sifat- sifat material lainnya sesuai dengan rancangannya. Proses transformasi ini baru akan berarti positif apabila diikuti dengan adanya pertambahan nilai a( dded value) dari output yang dihasilkan baik berupa pertambahan nilai fungsional maupun ekonomi (Widjojo, 2005). 6.3.1 Siklus Kehidupan Produk Siklus hidup produk adalah suatu konsep penting yang memberikan pemahaman tentang dinamika kompetitif suatu produk. Siklus hidup produkproduct ( life cycle )
65
menggambarkan riwayat produk sejak diperkenalkan ke pasar sampai dengan ditarik dari pasar. Gambar 6.1 menunjukan siklus kehidupan produk. Ada berbagai pendapat mengenai tahap- tahap yang ada dalam siklus hidup produk suatu produk. Ada yang menggolongkannya menjadi introduction, growth,
maturity, decline, dan termination. Sementara itu ada pula yang menyatakan bahwa keseluruhan tahap- tahap siklus hidup produk terdiri dariintroduction (pioneering), rapid growth (market acceptance), slow growth (turbulance), maturity (saturation), dan decline (obsolescene). Meskipun demikian pada umumnya yang digunakan adalah penggolongan ke dalam empat tahap, yaitu introduction, growth, maturity, dan decline (Pahl dan Beitz, 2013).
Gambar 6.1 Siklus kehidupan produk (Pahl dan Beitz, 2013).
66
6.3.2 Originalitas Produk Setiap produk mengandung srcinalitasnya sendiri, kandungan srcinalitas produk yang satu berbeda dari kandungan srcinalitas produk lainnya. Dari segi srcinalitas produk dibedakan sebagai berikut (Harsokoesoemo, 2004):
a.
Produk srcinal Produk srcinal adalah produk yang dapat dikatakan sama sekali baru yang merupakan hasil kreatifitas penemunya. Produk srcinal tersebut adalah produk yang belum pernah ada sebelumnya. Produk srcinal dapat terealisasi karena: (1) terjadinya penemuan baru hasil daya kreatifitas penemu produk, (2) timbulnya teknologi baru sebagai hasil kreatifitas seseorang atau sebuah tim, (3) kombinasi dari prinsip- prinsip kerja atau teknologi yang telah dikenal sebelumnya yang dikombinasikan secara kreatif sedemikian rupa sehingga menghasilkan produk baru. b.
Produk hasil inovasi Produk inovasi adalah produk lama (produk yang sudah ada) yang mengalami perubahan- perubahan baik perubahan dalam bentuk dan ukurannya tetapi terutama perubahan dalam fungsinya sebagai hasil dari inovasi perancang, sehingga menjadi produk baru dengan fungsi baru. c.
Produk varian Produk varian adalah produk yang hanya berbeda dimensinya dari produk yang sudah ada. Tidak diperlukan kreatifitas maupun daya inovasi untuk merancang produk varian. Dalam praktek orang agak sukar membedakan dengan tegas antara produk varian dan produk hasil inovasi, sebab pada produk varian, misalnya dapat terjadi seorang perancang masih harus merubah hal- hal lain diluar dimensi agar produk dapat berfungsi dengan sempurna. Padahal produk sebagai hasil perubahan diluar perubahan dimensi sebenarnya adalah produk hasil inovasi, dan bukan produk varian. Ketiga macam produk tersebut diatas memerlukan tiga buah nama merancang yaitu: Perancangan srcinal atau srcinal design Perancangan adaptif atau adaptive design untuk merancang produk- produk yang inovasi Perancangan varian atauvarian design
67
6.3.3 Ciri Produk Berhasil Produk akan mengalami perubahan dari waktu ke waktu, baik perubahan dari dalam atau masukan dari luar yang merupakan tuntutan kebutuhan konsumen. Untuk mendesain suatu produk baru, terlebih dahulu harus memahami konsep
dalam pengembangan suatu produk. Dalam pandangan perusahaan yang berorientasi pada keuntungan (profit oriented enterprise), kesuksesan perancangan dan pengembangan produk disesuaikan oleh (Ulrich dan Eppinger, 2001): a. Kualitas produk Produk harus dapat memuaskan keinginan konsumen,reliable dan robust. b. Biaya Produk Produk harus dapat diproduksi dengan biaya yang murah. Biaya produksi yang dimaksud sudah termasuk biaya produksi, biaya pemasaran, dan peralatan. c. Waktu pengembangan produk Waktu yang dibutuhkan pengembang dalam mengembangkan suatu produk yang menunjukan daya tanggap perusahaan terhadap perubahan teknologi. d. Biaya pengembangan Besarnya biaya yang diperlukan untuk mengembangkan produk e. Kapabilitas perancangan produk Merupakan kemampuan mengembangkan produk dengan lebih efektif dan ekonomis dimasa yang akan datang.
6.4
Perancangan dan Pengembangan Produk
Perancangan produk pada dasarnya merupakan sebuah langkah strategis untuk bisa menghasilkan produk- produk industri yang secara komersial harus mampu dicapai, guna menghasilkan laju pengembalian modal rate ( of investment). Ukuran sebuah perancangan produk tidak hanya dilihat dari aspek teknis semata, melainkan harus memenuhi kriteria sukses dalam hal nilai tambah ekonomisnya. Untuk memberikan jaminan agar sebuah rancangan produk mampu memenuhi harapan diperlukan analisa dan evaluasi yang didasarkan pada metode pendekatan tekno- ekonomi. Tiga fungsi yang paling penting bagi proses pengembangan produk yaitu: 1. Pemasaran Pemasaran berfungsi menjembatani interaksi antara perusahaan dengan pelanggan, peranan lainnya adalah memfasilitasi proses identifikasi kebutuhan
68
pelanggan, menetapkan target harga, merancang peluncuran serta promosi produk. 2.
Perancangan
Perancangan berfungsi dalam mendefinisikan bentuk fisik produk agar dapat memenuhi kebutuhan pelanggan, mencakup design engineering (mekanik, ergonomi, dan lain- lain) 3. Manufaktur Proses manufaktur bertanggung jawab untuk merancang dan mengoperasikan sistem produksi pada proses produksi produk. Pengembangan produk merupakan keharusan bagi perusahaan untuk dapat mempertahankan kelangsungan hidupnya karena tidak ada satupun produk yang dapat bertahan selamanya. Hal yang membuat usaha pengembangan produk cukup menantang adalah:
Trade- off Aspek pengembangan produk adalah mengetahui, memahami, dan mengendalikan pertentangan (trade- off) dalam rangka memaksimalkan kesuksesan produk. b. Dinamika Merupakan teknologi pengembangan produk baru dari pesaing lingkungan makro ekonomi yang selalu berubah. c. Detail Mencakup pemilihan komponen yang tepat pada suatu produk sehingga menghemat biaya yang cukup besar atau meningkatkan profit. d. Tekanan waktu (time pressure) Kesulitan dapat diatasi dengan mudah jika tersedia waktu yang cukup a.
dalam proses pengembangan produk harus diambil dengan cepat tanpa informasi yang kurang lengkap. Terdapat aktivitas produksi lain selain perancangan dan pengembangan suatu produk yang akan melibatkan penanganan pengendalian kualitas, mulai dari pengawasan bahan baku, bahan produksi, sampai barang jadi. Pengendalian kualitas sebagai pengendalian inspeksi atas karakteristik kualitas produksi yang akhirnya didapat kualitas produksi yang tinggi. Data- data yang diperoleh dari tanggapan responden akan mendasari suatu proses perancangan dan pengembangan suatu produk atau alat, sehingga didapatkan suatu perkiraan
69
tentang sebuah hasil karya yang diinginkan pemakai guna meningkatkan produktivitas dan efektivitas kerjanya. Yang mana nantinya alat yang kita ciptakan tersebut memiliki berbagai macam keunggulan dari pada produk yang telah ada dipasaran dan sesuai dengan apa yang selama ini diharapkan pemakai. Dapat disimpulkan dibutuhkan kerjasama dari pihak lain dalam perancangan dan pengembangan produk untuk meningkatkan suatu barang atau jasa tidak dapat dilakukan sendiri, untuk mengatur dan mengkombinasikan sehingga diperoleh suatu produk yang diinginkan, seperti halnya mesin, bahan, manusia, dan lain- lain (Ulrich dan Eppinger, 2001).
6.5 Identifikasi Kebutuhan Pelanggan Mengumpulkan data mentah dari pelanggan untuk mengahasilkan produk yang benar-benar diinginkan pelanggan, menciptakan jalur informasi yang berkualitas dari pelanggan, maka proses pengumpulan data yang dipaparkan di bawah ini akan mencakup kontak dengan pelanggan dan rnengumpulkan pengalaman dari lingkungan pengguna produk. Tiga metode yang biasa digunakan adalah (Ulrich dan Eppinger, 2001): a. b.
c.
Wawancara: Wawancara biasanya dilakukan pada lingkungan pelanggan dan berlangsung sekitar 1 sampai 2 jam. Kelompok fokus: Moderator memfasilitasi suatu diskusi kelompok yang disebut kelompok fokus selama 2 jam. Kelompok ini terdiri dari 8 sampai 12 orang pelanggan. Kelompok ini ditempatkan pada suatu ruangan yang dilengkapi cermin pada dua sisi yang membantu anggota tim pengembang mengamati proses yang sedang berlangsung. Observasi produk pada saat digunakan: Mengamati pelanggan menggunakan produk atau melakukan pekerjaan yang sesuai dengan tujuan produk tersebut diciptakan, dapat memberikan informasi yang penting mengenai kebutuhan pelanggan.
6.6 Metode Pencarian Konsep Produk Selama fase pertama proses perancangan produk berlangsung, yaitu ketika dirumuskan proyek dan penyusunan spesifikasi teknis produk dan seterusnya, para anggota tim perancangan yang terlibat sudah dapat memperoleh beberapa
70
ide tentang solusi yang dapat dikembangkan lebih lanjut menjadi beberapa konsep produk dan akhirnya dikembangkan menjadi produk. Konsep produk yang diperoleh selama fase perancangan pertama tersebut dapat dikumpulkan dalam suatu daftar konsep produk. Pencarian solusi konsep produk lebih lanjut dapat dilakukan dengan cara yang lebih baik dan lebih sistematik. Metode dasar pencarian konsep produk, yang terdiri dari (Harsokoesoemo, 2004): a. Metode brainstorming b. Metode 6 - 3 - 5 (brain writing) c. Metode analogi d. Memakai paten e. Buku-buku referensi dan jurnal teknik f. Melakukan konsultasi dengan pakar g. Metode morfologi Metode morfologi dapat menemukan alternatif konsep produk terbanyak dibandingkan dengan metode-metode lainnya, untuk keperluan pembahasan metode morfologi diperlukan pengertian dan definisi fungsi, sistem fungsi dan struktur fungsi produk, disamping metode morfologi yang banyak digunakan dan yang menghasilkan banyak alternatif konsep produk, maka ada beberapa metode lain yang dikelompokkan dalam metode dasar pencarian konsep produk. Metode lain adalah metode logis, yang antara lain meliputi metode TRIZ dari Rusia dan metode perancangan aksiomatik yang dikembangkan di MIT, dalam kelompok metode dasar, maka pencariaan konsep produk adalah: 1) metode brain-storming, 2) metode brain-writing (metode 6-3-5), 3) metode analogi, 4) mencari informasi dari penerbitan-penerbitan teknik dan 5) meminta bantuan konsultan atau pakar untuk mencarikan ide konsep produk.
6.6.1 Metode Brain Stroming Pada sub-sub bab ini akan dibahas metode brainstorming saja. Brainstorming adalah aktivitas yang didasarkan pada dinamika grup yang mula-mula digagas oleh Osborn. Proses brainstorming dilakukan oleh grup yang secara singkat, dapat dijelaskan sebagai berikut: a.
Komposisi grup 1. Grup harus mempunyai seorang pemimpin. Grup terdiri dari sedikitnya lima orang dan maksimum 15 orang.
71
2.
3.
Anggota grup jangan dibatasi pada para pakar saja, tetapi juga anggota yang datang dari berbagai kalangan, termasuk kalangan non-teknis, untuk menambah dimensi baru ide konsep produk. Grup disusun tanpa hirarki, kecuali pemimpin grup. Semua anggota grup mempunyai kedudukan yang sama.
b.
Pemimpin Grup 1. Pada prinsipnya, pemimpin grup hanya mempunyai kewenangan organisasi, seperti mengatur komposisi grup, mengundang ke pertemuan, menentukan lama pertemuan, dan melakukan evaluasi. 2. Pada permulaan pertemuan, pemimpin grup menjelaskan soal yang dihadapi. Pemimpin grup hatus berusaha agar semua peraturan ditaati. 3. Pemimpin grup berupaya agar pertemuan berlangsung santai dan betas dan tidak ada satu kritikpun yang dilontarkan atas idea yang diajukan oleh para anggota grup.
c.
Prosedur 1. Semua anggota harus membebaskan diri dari semua prasangka intelektual, para anggota tidak mencemoohkan ide yang diajukan oleh anggota lain, tidak boleh mengkritik. 2. Setiap anggota harus mengusulkan ide sebanyak-banyaknya tanpa kendala. 3. Ide dapat dalam bentuk kata-kata atau sketsa. 4. Ide sebaiknya cukup nyata untuk memungkinkan terbentuknya ide yang merupakan solusi problem. 5. Kemungkinan apakah ide dapat direalisasikan atau tidak, tidak perlu dipikirkan terlebih dulu. 6.
d.
Lama pertemuan brainstorming sebaiknya tidak melebihi 45 menit. Lebih baik menyelenggarakan pertemuan pada lain kesempatan daripada memperlama pertemuan.
Evaluasi Semua ide yang terkumpul pada pertemuanbrainstorming dicatat dan dikaji oleh para pakar untuk memperoleh ide yang mempunyai potensi untuk menjadi solusi problem. Hasil evaluasi tersebut diurutkan dengan urutan teratas d i e yang paling baik dan layak untuk dikembangkan lebih lanjut.
72
Hasil akhir diputuskan oleh pertemuan dimana semua anggota grup hadir. Dalam pertemuan ini, masih mungkin muncul ide-ide baru atau dalam pertemuan ini ide-ide terdahulu dimatangkan (Harsokoesoemo, 2004).
6.6.2 Metode Brain Writing Salah satu kelemahan metode brainstroming adalah adanya kemungkinan pertemuan didominasi oleh satu atau beberapa anggota saja. Metodebrainwriting memaksa agar semua anggota tim berpartisipasi dengan kedudukan yang sama. Pertukaran ide solusi tidak dilakukan secara lisan melainkan secara tertulis. Ide disampaikan dengan deskripsi kata-kata atau deskripsi sketsa. Jumlah anggota team yang optimal adalah 6, karena itu nama metode ini dimulai dengan bilangan 6-3-5. Dalam praktek, jumlah peserta dapat berkisar antara 3 dan 8. Setiap peserta mengambil secarik kertas, membaginya menjadi 3 kolom, pada masing-masing kolom dituliskan/digambarkan ide solusi dan fungsi konsep produk yang sedang dibahas. Bilangan 3, yaitu jumlah kolom, termasuk dalam nama metode ini, 6-3-5. Setiap peserta diberi waktu 5 menit untuk menuliskan/menggambarkan ketiga ide solusi dari fungsi konsep produk. Angka 5 termasuk dalam nama metode ini 6-3-5. Setelah selesai maka kertas yang sudah berisi dengan 3 ide solusi, diedarkan kepada peserta yang ada disebelah kanannya. Kemudian semua peserta diberi waktu 5 menit lagi untuk menuliskan/menggambarkan 3 ide solusi lagi pada kertas yang ada dihadapannya. Peserta sebaiknya mempelajari terlebih dahulu ide solusi peserta yang ada disebelah kirinya, sebelum dia menambah 3 ide solusi lagi. Setelah 5 menit kedua ini selesai, kertas diedarkan lagi pada peserta yang ada disebelah kanannya. Demikian seterusnya sampai setiap kertas selesai diedarkan pada semua peserta. Akhirnya peserta dapat berdiskusi untuk mencari ide solusi terbaik. Selama proses pencarian konsep produk berlangsung, tidak boleh terjadi komunikasi lisan, kecuali pada akhir proses (Harsokoesoemo, 2004). 6.6.3 Metode Analogi Dengan mengamati bagaimana binatang, alam atau benda lain dapat melaksanakan suatu fungsi, maka hal tersebut dapat memicu datangnya ide solusi pada pengamat yang sedang mencoba mencari solusi fungsi suatu produk/ konsep produk yang sedang dihadapinya, yang sama atau mirip dengan fungsi yang dilakukan oleh binatang, alam atau benda.
73
Metode analogi dapat menghasilkan ide solusi yang baik ataupun yang buruk. Mencoba ide solusi untuk terbang dengan meniru burung terbang dengan mengepakkan sayapnya, ternyata merupakan pencarian ide solusi yang buruk. Dalam hal ini metode analogi tidak memberikan hasil. Dalam proses pencarian suatu ide tidak jarang ditemui kasus ide tersebut bukan ide baru atau ide srcinal, tetapi ide yang sudah ditemukan orang sebelumnya. Hal tersebut dapat terjadi karena memang belum dibuat daftar dari semua ide solusi yang dapat memenuhi suatu fungsi dan karena banyak ide dan konsep produk yang tidak dituliskan atau dicatat terutama sebelum dan pada awal abad ke-20. Untuk menghindari menciptakan ide yang sudah dibuat orang sebelumnya, maka selama proses pencarian ide untuk konsep produk, perancang sebaiknya juga membuka-buka dokumen, seperti dokumen paten dan jurnal-jurnal profesi (Harsokoesoemo, 2004). 6.6.4 Memakai Paten Sebagai Sumber Ide Jumlah penemuan yang dipatenkan di Indonesia tidak terlalu banyak, sehingga daftar paten di Indonesia bukan merupakan sumber ide yang subur. Lain halnya dengan di Amerika Serikat, dimana tercatat lebih dari lima juta buah paten. Disana, mencari paten yang dapat dipakai sebagai sumber ide bahkan menjadi problem tersendiri. Untuk mengatasi hal tersebut haruslah dipakai jasa konsultan yang pakar dalam mencari paten-paten yang diperlukan (Harsokoesoemo, 2004). 6.6.5 Buku, Jurnal, dan Katalog Sebagai Ide Buku dan jurnal profesi, termasuk buku dan jurnal lama, merupakan sumber ide solusi untuk suatu konsep produk. Sekali lagi, keadaan di Indonesia tidak menunjang hal ini. Perpustakaan- perpustakaan di Indonesia tidak mempunyai koleksi buku- buku teknik yang cukup Iengkap dan jurnal profesi
yang dapat dipakai sebagai sumber ide solusi untuk konsep produk. Sumber ide untuk konsep produk yang sangat menolong adalah katalog yang dikeluarkan oleh pembuat/pabrik atau manufacturer berbagai produk dan perwakilan manufacturer yang dalam usaha memasarkan produk-produknya akan terbuka untuk memberi informasi tentang produk-produknya tersebut (Harsokoesoemo, 2004). 6.6.6 Menyewa Konsultan untuk Mengembangkan Konsep Produk Dalam hal perancangan produk srcinal di bidang yang tidak dikuasai oleh seorang perancang pun di perusahaan, maka dapat disewa jasa konsultan yang
74
ahli dalam bidang produk yang sedang dirancang, jika dapat ditemukan konsultan tersebut. Perusahaan mempunyai pilihan lain untuk merancang sendiri produk baru tersebut dengan resiko menghabiskan waktu yang agak panjang dan tekanan berat yang akan dialami para anggota tim perancang. Tetapi akhirnya perusahaan akan memperoleh keahlian yang sangat berharga, terutama untuk perancangan produk yang akan datang karena sudah menemukan metode merancang produk baru (Harsokoesoemo, 2004). 6.6.7 Metode Morfologi Metode morfologi menggunakan struktur fungsi untuk menemukan alternatif-alternatif konsep produk. Metode morfologi merupakan metode yang dapat menemukan banyak alternatif konsep produk, metode yang sistematik dan menggunakan prosedur yang mudah diikuti. Metode morfologi terdiri dari dua langkah yaitu: 1) untuk setiap sub-fungsi yang tak teruraikan dan sub- sub- fungsi dicari solusinya, bahkan diusahakan dicari sebanyak mungkin solusinya. Solusisolusi tersebut berupa mekanisme yang dapat melaksanakan sub- fungsi tak teruraikan dan sub- sub- fungsi- sub- sub- fungsi. 2) untuk menemukan alternatifalternatif konsep produk, maka dibentuklah kombinasi- kombinasi solusi, yaitu setiap kombinasi terdiri dari satu solusi dari setiap sub- fungsi yang tak teruraikan dan sub- sub- fungsi. Jumlah kombinasi solusi yang dapat dibentuk merupakan jumlah yang sangat banyak, mungkin terlalu banyak. Tetapi banyak pula diantara kombinasi solusi tersebut yang tidak dapat disambung atau dihubungkan. Dapat ditambahkan disini, bahwa gambar sketsa dapat dibuat pada setiap pembentukan atau penyusunan kombinasi solusi, suatu hal yang sangat menjelaskan apakah penyambungan mekanisme dapat dibuat. Metode morfologi banyak digunakan dalam praktek perancangan. Salah satu aspek yang menarik dari metode
morfologi adalah kemampuannya menyimpan sejarah tentang cara pemenuhan banyak macam fungsi, yang pasti akan sangat berguna untuk pemecahan solusi berbagai produk baru pada waktu yang akan datang (Harsokoesoemo, 2004).
6.7
Penyusunan Spesifikasi Teknis dengan Metode Quality
Function Deployment (QFD) Dalam menyusun spesifikasi teknis suatu produk, dianjurkan untuk nmenggunakan metode QFD. Di samping untuk menyusun spesifikasi teknis produk, metode QFD diorganisasikan untuk menghasilkan informasi- informasi
75
yang penting untuk dapat mengerti secara mendalam tentang masalah produk. Metode QFD dapat digunakan untuk produk maupun sub-produk. Diagram QFD dapat dilihat pada Gambar 6.2. Metode QFD dikembangkan di Jepang pada pertengahan tahun 1970 dan kemudian masuk ke Amerika Serikat pada tahun 1980-an. Kini banyak sekali perusahaan di Amerika yang menggunakan metode QFD dalam perancangan dan pengembangan produk. Dari hasi survei ditemukan bahwa mayoritas (83%) perusahaan menyatakan bahwa metode QFD berhasil rnenambah kepuasan pengguna dan 76% perusahaan menyatakan bahwa hasil metode QFD menyebabkan terbentuknya keputusan- keputusan yang rasional (Harsokoesoemo, 2004).
Bagaimana vs Bagaimana Siapa
Siapa vs Apa
Apa
Bagaimana
Sekarang
Apa vs Bagaimana
Sekarang vs Apa
Berapa Banyak
Gambar 6.2 Rumah kualitas atau diagram QFD (Quality Function Deployment) (Harsokoesoemo, 2004)
6.8 Antropometri Istilah antropometri berasal dari “anthro” yang berarti manusia dan “metri” yang berarti ukuran. Antropometri adalah pengetahuan yang menyangkut pengukuran tubuh manusia khususnya dimensi tubuh. Antropometri secara luas akan digunakan sebagai pertimbangan- pertimbangan ergonomis dalam proses perancangan (design) produk maupun sistem kerja yang akan memerlukan
76
interaksi manusia. Manusia pada umumnya berbeda- beda dalam hal bentuk dan dimensi ukuran tubuhnya. Beberapa faktor yang mempengaruhi ukuran tubuh manusia, yaitu (Suhadri, 2008): a. Umur Ukuran tubuh manusia akan berkembang dari saat lahir sampai sekitar 20 tahun untuk pria dan 17 tahun untuk wanita. Setelah itu, tidak lagi akan terjadi pertumbuhan bahkan justru akan cenderung berubah menjadi pertumbuhan menurun atau penyusutan yang dimulai sekitar umur 40 tahunan. b. Jenis kelamin Jenis kelamin pria umumnya memiliki dimensi tubuh yang lebih besar dibandingkan dengan wanita kecuali dada dan pinggul. c. Suku bangsa Setiap suku bangsa ataupun kelompok etnik tertentu akan memiliki karakteristik fisik yang berbeda satu dengan yang lainnya. d. Sosio ekonomi Tingkat sosio ekonomi sangat mempengaruhi dimensi tubuh manusia. Pada negara- negara maju dengan tingkat sosio ekonomi tinggi, penduduknya mempunyai dimensi tubuh yang lebih besar dibandingkan dengan negara- negara berkembang. e. Posisi tubuh (posture) Sikap atau posisi tubuh akan berpengaruh terhadap ukuran tubuh oleh karena itu posisi tubuh standar harus diterapkan untuk survei pengukuran.
6.9 Data Antropometri Dimensi tubuh manusia untuk perancangan produk terdiri dari dua jenis, yaitu struktural dan fungsional. Dimensi tubuh struktural yaitu pengukuran tubuh manusia dalam keadaan tidak bergerak. Sedangkan dimensi tubuh fungsional adalah pengukuran tubuh manusia dalam keadaan bergerak. Data antropometri yang telah diperoleh dapat diaplikasikan dalam hal perancangan, antara lain (Suhadri, 2008): a. Perancangan area kerja (work station, interior mobil, dan lain- lain). b. Perancangan peralatan kerja (mesin, perkakas, perlengkapan, dan sebagainya). c. Perancangan produk- produk konsumtif seperti pakaian, kursi dan meja, dan sejenisnya.
77
d.
Perancangan lingkungan fisik.
Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa data antropometri akan menemukan bentuk, ukuran, dan dimensi yang tepat yang berkaitan dengan produk yang dirancang dan manusia yang akan mengoperasikan produk tersebut. 6.9.1 Antropometri Struktural Pengukuran manusia pada saat posisi diam dan linier pada permukaan tubuh. Ada beberapa metode pengukuran tertentu agar hasilnya representative. Disebut juga pengukuran dimensi struktur tubuh dimana tubuh diukur dalam berbagai posisi standar dan tidak bergerak. Dimensi tubuh yang diukur dengan posisi tetap antara lain meliputi berat badan, tinggi tubuh dalam posisi berdiri maupun duduk, ukuran kepala, tinggi atau panjang lutut pada saat berdiri atau duduk, panjang lengan dan sebagainya.
Gambar 6.3 Ukuran manusia yang sering digunakan untuk merancang produk (Suhadri, 2008).
78
Pada Gambar 6.3 memperlihatkan antropometri struktural. Antropometri struktural ini diantaranya: tinggi selangkang, tinggi siku, tinggi mata, rentang bahu, tinggi pertengahan pundak pada posisi duduk, jarak pantat- ibu jari kaki, dan tinggi mata pada posisi duduk.
Gambar 6.4 Antropometri struktural posisi berdiri dan duduk (Suhadri, 2008).
Gambar 6.4 menggambarkan antropometri struktural untuk dimensi kepala, wajah, tangan dan kaki. Penerapan data ini untuk merancang teralis untuk keamanan, jeruji, panel visual dan pencapaian panel, peralatan rekreasi, pengaturan dan peralatan tempat penyimpanan sepatu di rumah, dan sebagainya. 6.9.2 Antropometri Fungsional Antropometri fungsional adalah keadaan dan ciri- ciri fisik manusia dalam keadaan bergerak atau memperhatikan gerakan- gerakan yang mungkin terjadi saat manusia melakukan kegiatannya. Hasil yang diperoleh merupakan ukuran tubuh yang nantinya akan berkaitan dengan gerakan- gerakan nyata yang diperlukan tubuh untuk melaksanakan kegiatan- kegiatan tertentu. Antropometri dalam posisi tubuh melaksanakan fungsinya yang dinamis akan banyak diaplikasikan dalam proses perancangan fasilitas ataupun ruang kerja.
79
(a)
(b) Gambar 6.5 Antropometri fungsional/ dinamis (a) pengukuran dalam keadaan bergerak, (b) antropometri posisi tubuh dalam melakukan kegiatan (Suhadri, 2008).
80
Gambar 6.6 berikut menggambarkan antropometri fungsional untuk posisi kerja. Data ini berfungsi untuk merancang ruang mekanik dan utilitas, ruang latihan fisik, antropometri ruang terapi fisik, dan area sejenis lainnya.
Gambar 6.6 Antropometri fungsional posisi kerja (Suhadri, 2008).
6.10 Perkembangan Wearable Exoskeleton Robotic Hand Subbabyang ini mendeskripsikan beberapa pengembangan Wearable Exoskeleton Robotic ada di dunia. Pendeskripsian pengembangan Hand Wearable Exoskeleton Robotic Hand dilakukan untuk memperoleh informasi sebagai acuan dalam pembuatan desain dan protipe Wearable Exoskeleton Robotic Hand pada penelitian ini. Pengembangan Wearable Exoskeleton Robotic Hand mempunyai tujuan yang berbeda – beda, diantaranya dapat diterapkan pada orang penyakit stroke, sebagai alat bantu gerak penderita disabilitas fungsi tangan, dan alat bantu di bidang industri. Wearable exoskeleton robotic hand adalah suatu robot bantu yang dapat digunakan ke tangan manusia yang dapat bergerak dengan kestablian grasping
81
(stable grasping) dan skill manipulator yang baik dan dapat digunakan untuk mengambil, memegang dan menaruh objek. Saat iniWearable Exoskeleton Robotic Hand yang berkembang untuk rehabilitasi adalahHandSOME, HandEXOS, Wege dkk., dan Ueki dkk (Heo dkk., 2012) .
Gambar 6.7 (a) HandSOME ,(b) HandEXOS, (c) Wegedkk., (d) Ueki dkk. (Heo dkk., 2012)
Pada Gambar 6.7 diatas (a) menjelaskan bentukHandSOME yang dibuat oleh research engineer di National Rehabilitation Hospital Washington DC pada tahun 2010 dengan mengunakaan design 1 DOF. Force transmission HandSOME menggunakan linkage (Heo dkk., 2012). Gambar (b) menjelaskan wearable exoskeleton robotic hand yang bernama HandEXOS dari ARTS Lab Scuola SuperioreSant’Anna Italy pada tahun 2009 yang memiliki 5 active DOF dan force transmission berupa kabel dan crank slider yang digerakkan dengan motor DC (Heo dkk., 2012). Gambar (c) menjelaskan Wege dkk. dari Technische Universität Berlin pada tahun 2006 menggunakan design 20 DOF digerakkan aktuator motor DC dengan transmission gears (Heo dkk., 2012). Gambar (d) menjelaskanUeki dkk. dari Gifu University Japan pada tahun 2010 dengan menggunakan design 18 DOF.Ueki dkk. ini menggunakan aktuator motor DC dan menggunakanlinkage sebagai force transmission (Heo dkk., 2012).
82
Sedangkan wearable exoskeleton robotic hand yang berkembang sebagai alat bantu adalah Hasegawa dkk., In dkk., Shields dkk., dan Dicicco dkk.. Empat contoh wearable exoskeleton robotic hand yang berkembang sebagai alat bantu seperti pada gambar berikut ini :
Gambar 6.8 (a) Hasegawa dkk., (b) In dkk., (c) Shields dkk., (d) Dicicco dkk. (Heo dkk., 2012)
Pada Gambar 6.8 diatas (a) menjelaskan Hasegawa dkk. dari University of Tsukuba Jepang. Hasegawa dkk. menggunakan design 11 DOF dengan motor DC sebagai penggeraknya dan EMG sensor sebagai input dari sistem kontrolnya (Heo dkk., 2012). Gambar (b) menjelaskan In dkk. yang di produksi Seoul National University desain tangan ini menggunakan 1 DOF dan menggunakanCompactRIO system (NI cRio-9014) dengan LabVIEW 9.0 software. Untuk sensor input data menggunakan EMG sensor dan menggunakan kabel yang dihubungkan dengan sarung tangan sebagai force transmission (Heo dkk., 2012). Gambar (c) menjelaskan tentang Shields dkk. yang di produksi untuk membantu gerakan tangan astronaut di luar angkasa dengan desain 3 DOF, menggunakancable linkage sebagai force transmission dan memakai force sensors sebagai sensor input dari sistem tersebut (Heo dkk., 2012). Gambar (d) menjelaskan tentang Dicicco dkk. yang di desain dengan 2 DOF, menggunakan cable dan linkage. Untuk sensor masukannya menggunakan EMG (Heo dkk., 2012).
83
Sementara itu di Departemen Teknik Mesin Universitas Dipenogoro,telah mengembangkan Wearable Robot yaitu Robotic Hand yang berbentuk prostetik yang dapat dikontrol menggunakan speech control sebagai input dan sistem kontrol menggunakan artificial neural network (Ismail dkk., 2016). Robotic Hand ini menggunakan bahan acrylic, linear actuator berupa microservo, dan menggunakan Arduino Mega sebagai mikrokontroler. Setelah itu ada jugaRobotic Hand yang telah dibuat menggunakan EMG sebagai input dan telah dibuat animasi dari gerakan tangan tersebut di software 3D SimMechanics (Ismail dkk., 2016).Robotic Hand ini menggunakan bahan acrylic, linear actuator berupa microservo, dan digerakkan menggunakan seperti cara kerja sistem tendon pada tangan manusia.
6.11 Teori Dasar Metode Elemen Hingga (MEH) Metode analisa elemen hingga pertama kali diperkenalkan oleh Turner dkk. Saat ini, metode dan analisa desain telah banyak menggunakan perhitungan metematis yang rumit dalam penggunaan sehari-hari. Metode elemen hingga (MEH) banyak memberikan andil dalam melahirkan penemuan-penemuan bidang riset dan industri, hal ini dikarenakan dapat berperan sebagairesearch tool pada pengujian secara numerik. Finite element method (FEM), atau metode elemen hingga (MEH) adalah suatu metode analisa perhitungan yang didasarkan pada gagasan dalam membangun suatu obyek yang sangat kompleks dengan beberapa bagian blocks ( ) yang sederhana, atau dengan membagi objek yang sangat kompleks menjadi kecil dan pengaturan kepingan-kepingan. Aplikasi dari gagasan ini dapat kita temui dalam kehidupan sehari-hari yang sama baiknya dalam keteknikan, seperti permainan bongkar pasang, bangunan, perkiraan area lingkaran dan lain sebagainya, seperti terlihat pada Gambar 6.9 (Madenci dan Guven, 2006).
84
Gambar 6.9 Aplikasi penggunaan FEM pada masalah teknik (Madenci dan Guven, 2006).
85
6.12 Flow Chart Penelitian Mulai
Studi Literatur
Studi Lapangan
Identifikasi Kebutuhan Konsumen
Perencanaan dan Penyusunan Spesifikasi Teknis Produk
Perancangan Desain
Pemodelan Menggunakan Software Solidworks 2015
Simulasi Pembebanan Desain Geometri dengan Beban 50 N Menggunakan Software ANSYS Workbench 15.0
Tegangan von Mises Kurang dari Tegangan Maksimal dan Safety FactorMaterial >1
Pembuatan Prototipe
Selesai
Gambar 6.10 Flow chart penelitian
86
6.13 Objek Penelitian Dalam penelitian ini, objek pengamatan dan penelitiannya adalahexoskeleton hand, yaitu dengan inovasi Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb yang kuat, ringan, nyaman, serta sesuai dengan antropometri dari fuad selaku calon pengguna, serta harganya lebih terjangkau dibandingkan dengan produk buatan luar negeri dengan menggunakan Software ANSYS dalam analisis pengujian produknya.
6.14 Identifikasi Pengguna Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb Identifikasi pengguna Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb merupakan langkah awal dalam penelitian, yang bertujuan untuk menentukan siapa yang menjadi responden guna keperluan pengambilan data melalui diskusi dengan pengguna dan para ahli. Dan itu dari awal kita sudah menentukan bahwa yang akan menjadi responden dalam penelitian ini adalah pemakai Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb.
6.15 Mendesain Konsep Alat Memberikan uraian yang tepat mengenai bagaimana alat tersebut bekerja dan merupakan bentuk yang didasari pada terjemahan dari kebutuhan pengguna melalui diskusi dengan pengguna dan para ahli, antara lain: a. Tingkat ergonomi Memberikan uraian mengenai kenyamanan dari produk tersebut yang menyebabkan kepuasan dalam penggunaan. b. Tingkat ekonomis Memberikan uraian mengenai biaya ekonomi dengan membandingkan biaya yang dimiliki dari produk yang sudah ada. c. Respon pasar Melakukan pendesaian konsep dengan didasari pada kemungkinan respon pasar, apakah akan memakai atau tidak.
87
6.16 Perancangan atau Desain Melakukan perancangan atau desain dengan mempertimbangkan segi ergonomis yang diketahui dari pengolahan data antropometri dan menentukan bagianbagian yang perlu ditambah atau diganti, serta dengan melihat syarat- syarat perancangan produk yang baik.
6.17 Pengujian Kekuatan Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb Bawah Dari perancangan atau desain yang telah dilakukan selanjutnya untuk menguji kekuatan dari desain yang telah dibuat dilakukan simulasi dengan kondisi bataskondisi batas tertentu.
6.18 Pembuatan Prototipe Pembuatan prototipe dilakukan setelah didapat hasil simulasi terbaik dari beberapa konsep desain yang telah dibuat agar dapat mengetahui bentuk nyata dari produk yang dibuat dan ketepatan dalam pemilihan proses produksi.
6.19 Batasan Perancangan Produk Batasan perancangan yang digunakan sebagai persyaratan pengguna ditetapkan sebagai berikut: a. Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb didesain untuk pengguna dengan usia 16 tahun ke atas. b. c. d. e.
Aman dengan beban maksimal 5 Kg. Ringan dengan berat 1- 2 kg. Material yang digunakan adalahPLA. Dimensi disesuaikan dengan tangan pengguna, dalam kasus ini adalah saudara Fuad.
6.20 Pernyataan Misi Dalam menciptakan suatu produk, perancang harus mampu mengetahui keinginan dari konsumen atau pelanggan. Hal ini dilakukan agar nantinya produk
88
yang dibuat sesuai dengan yang dibutuhkan oleh konsumen. Sebelum membuat rancangan produk perancang harus mengetahui tentang produk itu sendiri, segmen pasar yang akan dituju, dan pihak- pihak yang terkait. Untuk diskripsi pernyataan misinya dapat dilihat pada Tabel 6.1. Tabel 6.1 Pernyataan misi. Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb 1. Deskripsi produk
2.
Segmen pasar
3.
Asumsi- asumsi
Penderita kelumpuhan pada bagian tangan a. Material dari komposit PLA b. Praktis digunakan
4.
Pihak terkait
a. Pengguna produk b. Perancang c. Tenaga ahli
6.21 Perancangan Produk Kaki Tiruan Bawah Lutut untuk Berlari 6.21.1 Ide Produk Berawal dari kerja sama antara CBIOM3S dengan salah satu dokter spesialis orthopedi yang bekerja di rumah sakit dokter Kariadi semarang, kami dipertemukan dengan seorang pasien yang bernama fuad yang berasal dari daerah batang. Fuad dahulu bekerja sebagai salah satu teknisi dari PLN, namun karena ketidak sengajaan, terjadi insiden yang menyebabkan fuad kehilangan bagian bawah siku pada tangan kirinya serta mederita kelumpuhan pada tangan kanan akibat tendon yang terbakar. Karena insiden tersebut, fuad harus menjalani kehidupan dengan kedua tangan yang sudah tidak lagi sempurna. Fuad kesulitan dalam melakukan kegiatan sehari – hari, baik seperti menggenggam, memegang kunci, membawa barang, dan beberapa kegiatan lainnya. Dari hal tersebut, kami mencoba untuk mengembalikan fungsi dari tangan fuad yang lumpuh agar bisa digunakan lagi seperti sedia kala, sehingga tercetus sebuah ide untuk membuat sebuah eksoskeleton yang berguna untuk menggerakan tangan dari fuad. Namun dari pemerikasaan yang berlanjut, diketahui bahwa kelumpuhan tangan dari fuad tidak seperti kelumpuhan yang dialami oleh orang kebanyakan. Terdapat luka
89
bakar pada bagian jempolnya yang menyebabkan kulit pada sela bagian jempol menempel satu sama lain. Hal ini berdampak pada bagian jempol fuad menjadi tidak bisa digerakan untuk gerakanabductive ataupun deductive. Tentu keberadaan jempol cukup berpengaruh dalam kegiatan menggengam atau yang lainnya, karena jempol berfungsi untuk menjepit benda sehingga benda dapat digenggam sempurna. Dari masalah tersebut, dibuatlah sebuah keputusan untuk membuat sebuah supernumerary yang berfungsi untuk menggantikan peran dari jempol milik fuad yang sudah tidak dapat lagi digunakan. 6.21.2 Definisi Merancang dan membuat prototipeWearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb yang dapat memenuhi kebutuhan untuk beraktivitas sehari – hari serta mudah baik dalam penggunaan maupun perawatan. 6.21.3 Kriteria Perancangan Dalam perancangan dan pembuatan prototipe kaki tiruan bawah lutut untuk berlari, kriteria perancangan yang harus dipenuhi ada dua macam, yaitu kriteria must dan want. Adapun kriteria- kriteria tersebut adalah: a. Kriteria must adalah: 1. Kuat, mampu menahan berat benda hingga 5 Kg. 2. Aman digunakan dengan bobot maksimal hingga 80 kg. 3. Ringan dengan berat kaki tiruan 1-2 kg. 4. Fleksibel. 5. Nyaman saat digunakan. b. Kriteria want adalah: 1. Harga terjangkau. 2. Mudah perawatannya.
3. 4.
Tahan lama. Mudah dalam pemasangan dan penggunaannya.
6.21.4 Fungsi Pada Wearable Exoskeleton Robotic Fingers dan Supernumerary Thumb yang dirancang, pengendalian motor akan berdasarkan pada kontraksi oto yang terletak pada lengan. Untuk menangkap sinyal dari kontraksi otot lengan, dipasang sebuah myo sensor, lalu dari sensor EMG akan diproses ke Arduino nano dan nantinya akan diteruskan menuju motor yang akan mendoronglink yang telah terhubung dengan socket jari sehingga mampu menggerakkan jari tersebut.
90
6.21.5 Pemilihan Desain Geometri Pengujian yang dilakukan adalah pengujian pembebanan statis menggunakan Software Anys Workbench 15.0 dengan sifat mekanis materialPLA
Berdasarkan dari kriteria perancangan yang telah disebutkan sebelumnya dimana kaki tiruan ini harus mampu menahan beban hingga 5 Kg, maka: 1. Asumsi berat beban maksimum 5 kg 2. Gaya (F)= beban statis = m x g = 5 kg x 9,81 m/s2 = 50 N. 3. Gaya di distribusikan merata ke seluruh bagian jari.
6.22 Dokumentasi Dokumentasi berisi dokumen untuk pembuatan prototipe dan hasil pembuatan prototipe produk setelah proses pemberian bentuk.
Gambar 6.10 Proses pembuatan prototipe.
91
Gambar 6.11 Prototipe kaki tiruan yang telah dibuat.
Gambar 6.12
Prototipe kaki tiruan saat dipasang pada pasien.
92
93
Alat Terapi Robotik Berbasis
Flex Sensor
7.1
7
Pendahuluan
Tangan adalah salah satu bagian tubuh yang krusial bagi manusia dalam menjalankan aktivitas sehari-hari. Namun, hand injuries atau kecelakaan pada tangan adalah hal yang paling sering terjadi. Akibat dari kecelakaan ini adalah berkurangnya kemampuan motorik tangan sehingga dibutuhkan terapi untuk memulihkan fungsi motorik tangan pada seseorang. Selain kecelakaan, cacat pada tangan dapat disebabkan oleh penyakit tertentu, salah satunya adalah penyakit stroke. Stroke menduduki urutan kedua penyebab utama kematian setelah penyakit jantung (World Health Organization, 2012). Data perbandingan penyakit stroke dengan penyakit yang lain dapat dilihat lebih rinci pada Gambar 7.1. Berdasarkan data WHO pada tahun 2012 terdapat 6,7 juta orang di seluruh dunia menderita stroke.
94
Gambar 7.1 Penyakit Penyebab Kematian Tahun 2012 (WHO, 2012)
Hasil Riset Kesehatan Dasar (Riskesdas) Kemenkes RI tahun 2013 menunjukkan telah terjadi peningkatan prevalensi stroke di Indonesia dari 8,3 per mil (tahun 2007) menjadi 12,1 per mil (tahun 2013). Prevalensi penyakit Stroke tertinggi di Sulawesi Utara yaitu 10,8 per mil, Yogyakarta 10,3 per mi), Bangka Belitung 9,7 per mil dan DKI Jakarta 9,7 per mil (Kesehatan 2013). Penderita stroke yang semakin meningkat di Indonesia membuat dokter spesialis rehabilitasi medik dan tenaga terapis yang melakukan terapi konvesional untuk pemulihan pasien paska stroke membutuhkan metode alternatif lain. Alat terapi robotik merupakan alat yang dibutuhkan dalam bidang rehabilitasi medis pada pasien yang menderita kelumpuhan pada tangan akibat stroke ringan. Alat terapi robotik diharapkan dapat menjadi alat terapi pendamping dari metode terapi konvensional yang bertujuan untuk dapat mempercepat pemulihan pasien dengan prinsip re-edukasi danmotor learning. Alat terapi robotik yang akan dikembangkan dalam penelitian ini akan digunakan untuk penderita paska stroke dimana salah satu tangan penderita masih berfungsi secara normal. Sistem kontrol pada alat terapi robotik menggunakan program Arduino IDE serta Arduino mikrokontroler. Pada
95
pengembangan alat terapi robotik ini menggunakan flex sensor atau sensor tekuk. Arduino mikrokontroler berfungsi untuk menghubungkan flex sensor dengan motor linear. Mekanisme kerja umum dari alat ini adalah melatih gerak motorik salah satu tangan yang mengalami kelumpuhan dengan bantuan terapi dari tangan yang sehat. Alat terapi robotik ini bisa digunakan secara mandiri dirumah pasien atau dengan bantuan dari keluarga pasien. Harapannya adalah agar pasien bisa menggunakannya sesering mungkin dengan suasana yang nyaman.
7.2
Tinjauan Pustaka
Stroke (cerebrovascular desease) adalah kondisi yang terjadi ketika suplai darah ke otak terputus akibat penyumbatan atau pecahnya pembuluh darah, sehingga terjadi kematian sel-sel pada sebagian area di otak (Ockenfeld et al., 2013). Stroke mengganggu kemampuan otak untuk mengirim pesan ke saraf pada otot. Stroke terdiri dari 2 jenis yaitu stroke hemoragik dan stroke iskemik. Stroke hemoragik merupakan hasil dari pecahnya pembuluh-pembuluh darah di otak atau pecahnya aneurisma. Hal ini bisa disebabkan karena hipertensi. Stroke iskemik adalah stroke yang terjadi karena pendarahan spontan. Pendarahan terjadi pada permukaan otak atau biasanya disebut intracerebral hemorraghe, sehingga suplai darah tidak sampai ke otak. Karena suplai darah tidak sampai ke otak, hal ini akan menyebabkan otak kekurangan oksigen dan serangan stroke iskemik terjadi. Penderita stroke iskemik mendapat sindrom iskemik berupa kelumpuhan pada tangan baik sebelah kiri ataupun sebelah kanan karena stroke iskemik menyerang serebri posterior. Oleh sebab itu penderita stroke membutuhkan program terapi sesegera mungkin agar stroke tidak sampai akut atau menyebabkan kelumpuhan total (Sidhartha et al., 2015). Dalam penelitian Silivas (2016) menyatakan bahwa terapi untuk penderita kelumpuhan tangan di Indonesia masih bersifat konvensional. Terapi konvensional ini membutuhkan bantuan tenaga klinis dan terapis yang ada di Rumah Sakit atau di klinik. Kelemahan utama dari terapi konvensional adalah tidak konsistennya metode terapi yang diberikan oleh tenaga klinis dan terapis karena faktor kelelahan, semakin banyak pasien yang diterapi dalam satu hari menyebabkan kelelahan pada tenaga klinis dan terapis. Kelemahan yang lain yang dapat dicermati adalah tidak adanya ukuran kuantitatif tentang perkembangan tahap pemulihan dari pasien yang diterapi. Ukuran perkembangan hanya berdasarkan observasi dan bukan dari suatu pengukuran yang bersifat kuantitatif.
96
Tujuan dari rehabilitasi pada pasien paska stroke salah satunya adalah memaksimalkan kemandirian fungsional. Tangan memegang peranan fungsional yang penting dalam aktivitas kehidupan sehari-hari seperti makan, minum, mandi, berpakaian dan lain sebagainya. Rehabilitasi tangan yang saat ini dilakukan berupa latihan gerakan pada tangan yang berfungsi untuk meredukasi otot dan juga terapi okupasi. Latihan-latihan gerakan yang bisa dilakukan dirumah atau dibantu tenaga klinis dan terapis pada dasarnya adalah gerakan fungsi tangan, gerakan yang diberikan antara lain gerakan menekuk kebelakang pada pergelangan tangan, menekuk kedepan pada sendi antara punggungtangan, menekuk dan meluruskan sendi pada jari-jari. Contoh latihan terapi konvensional dapat dilihat pada Gambar 7.2.
Gambar 7.2 Latihan jari-jari tangan pada terapi okupasi konvensional (Silivas,
2016) Terapi okupasi merupakan latihan yang menggunakan alat bantu permainan atau peralatan sehari-hari yang didampingi oleh tenaga klinis dan terapis. Beberapa contoh alat yang digunakan adalahtictactoe board yang berfungsi melatih kekuatan otot jari-jari. Latihantictatoe board dapat dilihat pada Gambar 7.3 (a). Terapi konvensional lain yaitu dengan menggunakan jepit jemuran yang tujuannya untuk melatih kekuatanpinch yang diperlihatkan pada Gambar 7.3 (b).
97
(a) Tictactoe board (b) Jepit jemuran Gambar 7.3 Terapi okupasi konvensional di RSUP Dr. Kariadi Semarang (Silivas, 2016) Latihan yang secara rutin dilakukan serta dibantu dengan latihan mandiri dirumah dapat meningkatkan kemampuan fungsional tangan kendala. pasien stroke. Namun keterbatasan tenaga klinis dan terapis masih menjadi Terapi robotik diharapkan dapat meningkatkan repetisi latihan sehingga dapat mempercepat kesembuhan fungsional pasien lebih cepat. Terapi robotika atau biasa dikenal denganrehabilitation robotic adalah bidang penelitian yang melakukan penerapan perangkat robot untuk rehabilitasi atau terapi. Terapi robotik dapat dikategorikan dalam bidang teknik biomedis (biomedical engineering) dan bagian dari interaksi manusia-robot. Dalam bidang ini, dokter, terapis, dan engineer, berkolaborasi untuk membantu terapi pasien. Tujuan yang ingin dicapai dari terapi robotik ini adalah meningkatkan efek terapi dan membantu mempercepat pemulihan pasien. Rehabilitation robotic berfokus kepada proses desain dan pembuatan mesin atau alat bantu kesehatan yang akan digunakan untuk membantu pemulihan penderita kelumpuhan, pada umumnya adalah kelumpuhan tangan. Bidang ini mengaplikasikan ilmu engineering atau keteknikan untuk mencapai tujuannya. Aspek engineering yang digunakan adalah dengan mengaplikasikan bidang ilmu robotika. Keuntungan terapi robotik jika dibandingkan dengan terapi konvensional, terletak pada peningkatan repetisi latihan, seiring dengan meningkatnya motivasi serta kesempatan dalam kemandirian latihan, sehingga memungkinkan tercapainya paradigma terapi berupa intensifitas, keteraturan dan pengulangan (repetitif) sesuai prinsip motor learning sehingga diharapkan kesembuhan pasien
98
lebih cepat tercapai dan dapat kembali menjalankan fungsinya sebagai seorang manusia yang mandiri dalam aktivitas sehari- hari (Silivas, 2016).
7.3
Pengaturan Sensor P enggerak Eksoskeleton
Langkah-langkah penelitian yang dilakukan Silivas (2016) dijelaskan pada diagram alir penelitian pada Gambar 7.4. Penelitian terbagi menjadi 2 bagian, yaitu desain eksoskeleton dan pemrograman flex sensor sebagai input menggunakan pemrograman bahasa C untuk mengontrol eksoskeleton yang digerakan oleh servo linear. Tugas akhir ini berfokus pada pembuatan sistem kontrol untuk menggerakkan eksoskeleton. Langkah awal yang dilakukan adalah pembuatan wiring diagram dan assembly flex sensor pada sarung tangan, kemudian dilakukan kalibrasi nilai flex sensor, dimana nilai hasil kalibrasi akan digunakan sebagai nilai yang akan dimasukkan ke mikrokontroler untuk menggerakan servo linear. Setelah itu dilakukan penyatuan antara eksokeleton dan sarung tangan. Pada bab ini dijelaskan mengenai pengaturan sistem sensor mulai dari pembuatanwiring diagram, pemasangan sensor pada sarung tangan, kalibrasi nilai ADC sensor, serta software yang digunakan untuk pemrograman dan pengolahan data.
99
Mulai
Studi Literatur dan Survey
Sketsadesaineksoskeleton
Pembuatan
Wiring Diagram
Desain dengan Solidworks
Assembly flex sensor dengan sarung tangan
Manufaktur prototipe 3D Print
Kalibrasi nilai ADC flex sensor
Assembly part 3D dengan servo linear
Membuat pemrograman dengan nilai ADC flex sebagai input untuk menggerakan servo linear
Pengintegrasian gerakan sarung tangan dan prototipe eksoskeleton
Hasil pengujian dan kesimpulan
Selesai
Gambar 7.4 Diagram alir penelitian (Silivas, 2016)
100
7.3.1 Pembuatan Wiring Diagram Dalam pembuatan sistem kontrol pada alat terapi robotik, salah satu hal yang diperlukan adalah komponen elektronika yang terdiri dari sensor, aktuator serta komponen tambahan seperti resistor. Susunan komponen elektronika ini
berperan penting dalam integrasihardware dan software karena pembuatan sistem kontrol juga bergantung pada letak komponen yang digunakan.Wiring diagram adalah representasi visual sederhana dari koneksi dan tata letak dari sistem kelistrikan atau sirkuit. Wiring diagram menunjukkan bagaimana komponen dan kabel dihubungkan untuk membangun suatu sistem. Dalam tugas akhir ini, untuk membantu proses pembuatan wiring diagram digunakan software Fritzing. Software ini juga dapat menampilkan skema untukprint circuit board dan membantu proses pencetakan PCB (Silivas, 2016).
Gambar 7.5 Wiring diagram alat terapi robotik (Silivas, 2016)
101
Tabel. 7.1 Konfigurasi pin input dan output (Silivas, 2016) Analog Input Pin Digital Output Pin A0 D2 A1 D4 A2 D6 A3 D8 A4 D10
Keterangan Ibu Jari Telunjuk Jari tengah Jari manis Kelingking
Konfigurasi diatas digunakan dalam pembuatan pemrograman mikrokontroler. Dengan adanya wiring diagram ini dapat membantu proses pemrograman agar terhindar dari eror. Hasil dariwiring diagram ini adalah PCB yang terlihat seperti pada Gambar 7.6. PCB berfungsi sebagai penyangga komponen secara mekanis. Dengan menggunakan PCB, komponen akan lebih aman dalam pemasangannya dibandingkan dengan menggunakan breadboard, selain itu memperkecil penggunaan dimensi ruang serta kesalahan dalam menghubungkan komponen.
Gambar 7.6 PCB alat terapi robotika (Silivas, 2016)
7.3.2 Pemasangan Sensor pada Sarung Tangan Proses yang selanjutnya adalah merangkai flex sensor yang akan digunakan untuk menggerakkan alat terapi robotik. Flex sensor tersebut diletakkan pada sarung tangan dengan tujuan menyelaraskan besar lekukan sensor dengan
102
gerakan alat terapi yang dibuat. Flex sensor sangat sensitif terhadap besarnya lekukan yang diberikan, maka dari itu perihal peletakan flex sensor yang benar akan memberikan hasil pengukuran yang bagus. Besarnya sudut lekukan flex sensor dijelaskan pada Gambar 7.7 dimana flex sensor dapat ditekuk sampai dengan 180 derajat.
Gambar 7.7 Sudut lekukan flex sensor (https://www.sparkfun.com 2014)
Setiap lekukan flex sensor mempunyai nilai resistensi yang berbeda. Semakin besar sudut lekukan flex sensor akan semakin besar pula resistensinya. Maka dari itu, ujung dari flex sensor yang diletakkan pada sarung tangan harus dalam kondisi tidak bebas bergerak. Ujung flex sensor dilekatkan dengan sarung tangan menggunakan lem dan kemudian bagian lainnya dijahit pada sarung tangan agar tidak bergerak seperti pada Gambar 7.8.
103
Gambar 7.8 Sarung tangan dengan flex sensor (Silivas, 2016) 7.3.3 Kalibrasi Flex Sensor Kalibrasi flex sensor dilakukan dengan membaca nilai ADC yang dihasilkan pada saat sensor dalam keadaan normal dan pada saat ditekuk. Tujuan dari kalibrasi ini adalah untuk menyelaraskan gerak flex sensor dan servo linear yang menggerakan eksoskeleton. Mikrokontroler yang digunakan yaitu Arduino Mega karena mempunyai kemampuan siklus pembacaan sistem yang lebih banyak dan lebih stabil. Kakikaki flex sensor ada dua bagian, positif dan negatif. Kaki-kaki flex sensor dihubungkan pada board PCB yang dihubungkan oleh kabel jumper. Power yang
digunakan berasal dari baterai. Bagian flex sensor yang positif dihubungkan dengan channel 5V pada arduino sedangkan yang negatif dihubungkan dengan resistor. Resistor juga mempunyai dua kaki yang diletakkan pada board PCB, kaki yang satu dihubungkan dengan flex sensor dan yang satunya dihubungkan padachannel A0 atau sinyal analog seperti terlihat pada Gambar 7.9.
104
Gambar 7.9 Pemasangan perangkat sensor dan mikrokontroler (Silivas, 2016)
Arduino memiliki pin analog yang terhubung denganconverter yang dikenal dengan istilah analog-to-digital converter (disingkat ADC atau A/D). Converter ini mengubah nilai analog berbentuk sinyal voltase ke dalam bentuk digital supaya nilai analog ini dapat digunakan dengan lebih mudah dan aplikatif. Pada Arduino, converter ini memiliki resolusi 10 bit, artinya nilai hasil konversi berkisar dari 0 hingga 1023. Pada tegangan 5 volt (maksimum), Arduino akan membaca nilai sebesar 1023, dan saat tegangan 0 volt (minimum), nilai yang dibaca adalah 0. Setelah flex sensor dapat beradaptasi dengan mendapatkan nilai maksimum dan minimum, nilai tersebut dipetakan menjadi nilai sebesar 0-180. Perubahan resistansi dapat diukur melalui pemrograman Arduino analog ( pin reading) dengan meletakkan resistor sebesar 22Kohm, yang berfungsi sebagai pembagi tegangan yang membagi tegangan 5 volt antara flex sensor dan resistor. Dengan meletakkan resistor 22Kohm, kita akan mendapatkan persamaan yang berkaitan dengan resistansi (sebagian akibat flex) dari flex sensor terhadap pembacaan tegangan yang melaluinya. Resistansi ini akan didapatkan dengan menggunakan pembagi tegangan dengan persamaan 7.1 :
Vout
nilai terbaca
1023
5volt
Keterangan : Vout = Tegangan output flex
(7.1)
105
Nilai Vout didapatkan dari nilai yang tertera pada serial monitor Arduino yang menunjukan nilai tegangan dari port analog input. Karena Arduino menggunakan analog input 10 bit maka untuk mencari nilai Vout menggunakan persamaan 7.2 :
Vout
Vin
R2 R1 R2
(7.2) Keterangan : Vin = Tegangan input dari Arduino (volt) R1 = Hambatan Resistor 22k (kOhm) R2 = Hambatan Flex sensor (kohm) 7.3.4 Pemrograman Mikrokontroler Pemrograman mikrokontroler dimulai dengan membaca nilai analog yang dihasilkan oleh lekukan flex sensor. Nilai tersebut kemudian dikonversikan ke nilai digital dengan resolusi 10 bit (0-1023) dan dipetakan menjadi nilai dengan range 0-180 lalu dikirim untuk mengatur posisi stroke aktuator. Flowchart pemrograman terdapat pada Gambar 7.10.
106
Gambar 7.10 Flowchart pemrograman mikrokontroler (Silivas, 2016) 7.3.5 Servo Linear Firgelli L12-R adalah salah satu jenis servo mikro linear yang memiliki rangkaian control electronic dan internal gear yang mengendalikan pergerakannya sehingga memiliki torsi yang cukup besar serta pengaplikasian yang serupa dengan servo dc biasa. Berikut ini spesifikasi dari Firgelli L12-R dijelaskan pada Tabel 7.2.
107
Tabel 7.2 Spesifikasi Firgelli L12-R (Actuonix n.d.) Gearing option 50:1
Peak Power Point Peak Efficiency Point ax Speed (no load) ax Force (lifted) Back Drive Force (static) Stroke option ass Repeatability ( I, R, P&LAC)
ax Side Load (extended) Closed Length (hole to hole) Potentiometer ( I, R, P) Voltage Option ax Input Voltage Stall Current Standby Current ( I/ R)
100:1
210:1
12N @ 11mm/s 23N @ 6mm/s 6N @ 16mm/s 12N @ 8mm/s 23mm/s 12mm/s 12N 23N 20N 40N 30 mm 50 mm
45N @ 2.5mm/s 18N @ 4mm/s 5mm/s 45N 80N 100 mm
34 g
40 g
56 g
±0.2 mm
±0.3 mm
±0.5 mm
40N 82mm 3k ±50% 6 VDC 7.5V 550mA 7.2mA
30N 102mm 6k ±50% 12 VDC 13.5V 220mA 3.3mA
15N 152mm 11k ±50%
Firgelli L12-R hanya memiliki 3 kabel, masing-masing kabel terdiri dari positif (vcc), negatif (ground) dan kontrol (signal). Kabel berwarna putih untuk kontrol (signal), warna merah untuk vcc, dan warna hitam untuk ground. Bentuk dari konfigurasi pin pada Firgelli L12-R dapat dilihat pada Gambar 7.11.
Gambar 7.11 Konfigurasi pin pada Firgelli L12-R (Actuonix n.d.)
Firgelli L12-R dapat dikendalikan dengan memberikan sinyal modulasi lebar pulsa (Pulse Width Modulation atau PWM) melalui kabel kontrol. Lebar
108
pulsa sinyal kontrol yang diberikan akan menentukan posisi sudut putaran dari poros servo. Nilai PWM sebesar 1,0 ms memerintahkan servo untuk menarik stroke aktuator, dan pulsa sinyal sebesar 2,0 ms untuk memanjangkan stroke aktuator. 7.3.6 Software Alat Terapi Robotik Bantuan pemrogaman berupa software dalam proses pembuatan desain kontrol sangatlah penting. Dengan adanyasoftware, desain sistem atau plant dapat disimulasikan terlebih dahulu tanpa harus membuang banyak waktu dan biaya untuk melakukan proses eksperimental guna memperoleh desain dengan parameter terbaik. Pada penelitian ini, proses pembuatan sistem kontrol dilakukan menggunakan software Arduino IDE dan Microsoft Visual Studio. Penjelasan secara garis besar penggunaan software tersebut terhadap kaitannya dalam pembuatan desain kontroler dibahas pada sub-sub bab dibawah ini (Silivas, 2016).
A.
Arduino IDE Arduino Integrated Development atau Arduino Software (IDE) adalah software yang memiliki teks editor untuk menuliskan kode ataucoding , bagian penampil pesan, serta toolbar untuk menu dan fungsi-fungsi umum. Software ini menghubungkan Arduino (hardware) untuk mengunggah program dan berkomunikasi dengan hardware. Program yang dibuat menggunakan Arduino IDE disebut sketsa. Sketsa-sketsa ini ditulis pada teks editor dan disimpanfile ekstensi dengan format .ino. Arduino IDE memilikiserial monitor yang berfungsi menampilkan data yang dikirim dari board Arduino. Untuk mengirim data ke board, kita hanya perlu menekan tombolsend setelah memilih baud rate yang sesuai dengan serial begin pada sketsa (http://www.arduino.cc). Tampilan software Arduino IDE ditunjukan pada gambar 7.12.
109
Gambar 7.12 Tampilan Software Arduino IDE (Silivas, 2016)
Bagian pojok kanan bawah menampilkan konfigurasi board dan serial port. Menu toolbar memiliki tombol-tombol yang dapat membantu dalam pembuatan, penyimpanan, dan verifikasi program. Bagian penampil pesan akan memberikan informasi ketika kita menyimpan dan mengekspor file serta memberi pemberitahuan apabila terdapat eror pada program yang kita buat. Berikut ini tombol yang terdapat pada toolbar Arduino IDE (Silivas, 2016). Tabel 7.3 Tombol pada toolbar beserta fungsi
Verify Memeriksa kode apakah terdapat error atau tidak sebelum mengunggah. Upload Mengunggah kode pada mikrokontroler. New Membuat sketsa baru.
110
Open Membuka sketsa-sketsa yang telah tersimpan. Save Menyimpan sketsa yang telah dibuat dengan format .ino SerialMonitor Menampilkan serial monitor Bahasa pemrograman arduino yang memiliki kemiripan syntax dengan bahasa pemrograman C. Bahasa pemrograman Arduino memiliki fungsi serta variable yang memiliki arti masing-masing. Function (fungsi) adalah blok pemrograman yang mempunyai nama dan mempunyai statement yang akan dieksekusi ketika function di panggil. Struktur fungsi dasar dari bahasa pemrograman arduino terdiri dari dua bagian yaitu: 1. Digital I/O(input/output) Papan Arduino pada umumnya memiliki sekitar 54 pin yang dapat digunakan sebagai input atau output dengan fungsi pinMode() , digitalWrite() , dan digitalRead(). Contoh dari pemrogramannya adalah : pinMode (pin, OUTPUT); // mengatur pin sebagai output digitalWrite(pin, HIGH); // pin sebagai source voltage Value = digitalRead(pin); // membaca nilai dari pin
Void Setup ( ) Void setup() hanya di panggil satu kali ketika program pertama kali di jalankan dan digunakan untuk pendefinisian mode pin atau memulai komunikasi serial. Fungsi setup() harus di ikut sertakan dalam program walaupun tidak ada statement yang di jalankan. Contoh pemakaian fungsi void setup() : void setup() { pinMode(13,OUTPUT); // menjadikan pin 13 sebagai output } 2.
Void Loop ( ) Void loop() digunakan untuk mengeksekusi bagian program yang akan dijalankan berulang-ulang. Semua kode program yang ada di void loop akan dibaca setelah void setup dan akan dibaca terus menerus oleh Arduino. Contoh pemakaian fungsi void loop() adalah : 3.
111
void loop() { digitalWrite(13, HIGH); // memberikan 5v kepada pin 13 delay(1000); // pause selama 1 detik digitalWrite(13, LOW); // memberikan 0v kepada pin 13 delay(1000); /// pause selama 1 detik }
Serial Begin (rate) Statement ini di gunakan untuk mengaktifkan komunikasi serial dan mengset baudrate. Contoh : void setup() { Serial.begin(9600);//membuka serial port dan mengatur kecepatan transfer data sebesar 9600 bps } 4.
5.
Serial prinln (data) Mengirimkan data ke serial port. Serial.println(100); // mengirimkan 100 data
Variabel adalah kode program yang digunakan untuk menyimpan suatu nilai pada sebuah nama. Berikut ini variabel yang biasanya digunakan dalam pemrograman : 1. int (integer) Variabel yang sering digunakan dan menyimpan data sebesar 2bytes (16 bits). long (long) Biasa digunakan jika nilai datanya lebih besar dari integer dan menggunakan 4 bytes (32 bits). 3. boolean (boolean) Variabel yang hanya menyimpan nilai TRUE dan FALSE saja dan hanya menggunakan 1 bit. 4. float (float) Digunakan untuk floating point pada nilai desimal. Memory yang digunakan 4 bytes (32 bits). 2.
112
char (character) Menyimpan character Menggunakan 1 byte (8 bits). 5.
berdasarkan
ASCII
kode
(contoh:
'A'=65).
B.
MATLAB MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan bahasa pemrograman komputer generasi keempat. Dikembangkan oleh The MathWorks, MATLAB memungkinkan manipulasi matriks, pem-plot-an fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka pengguna, dan peng-antarmuka-an dengan program dalam bahasa lainnya. MATLAB juga bersifat extensible, dalam arti bahwa seorang pengguna dapat menulis fungsi baru untuk menambahkan pada library, ketika fungsi-fungsi built-in yang tersedia tidak dapat melakukan tugas tertentu. Kemampuan pemrograman yang dibutuhkan tidak terlalu sulit bila kita telah memiliki pengalaman dalam pemrograman bahasa lain seperti C, PASCAL, atau FORTRAN (http://www.mathworks.com). Secara umum lingkungan kerja Matlab terdiri dari tiga bagian yang penting yaitu:
Command Windows Windows ini muncul pertama kali ketika kita menjalankan program Matlab seperti terlihat pada Gambar 7.13. Command windows digunakan untuk menjalankan perintah-perintah, memanggiltool seperti editor, fasilitas help, model simulink, dan lain-lain. Padacommand windows terdapat 2 bagian yaitu : Workspace: Menampilkan semua variable yang pernah dibuat meliputi nama variable, ukuran, jumlah byte dan class. Command History : Menampilkan perintah-perintah yang telah diketikkan pada command Window. 1.
113
Gambar 7.13 Tampilan Command Windows
2.
Editor Windows Windows ini merupakan tool yang berfungsi sebagai editor script (listing
perintah-perintah yang harus dilakukan oleh Matlab). Berikut ini tampilan dari editor windows.
Gambar 7.14 Tampilan Editor
Figure Windows Windows ini merupakan hasil visualisasi dari script. Ini memberikan kemudahan bagi programmer untuk mengedit windows ini sekaligus memberikan program khusus untuk itu, sehingga selain berfungsi sebagai visualisasi output yang berupa grafik juga sekaligus menjadi media input yang interaktif. Gambar 7.15 menunjukan figure windows pada MATLAB. 3.
114
Gambar 7.15 Tampilan Figure Windows
7.4
Hasil dan Pembahasan
7.4.1 Interface Hardware dan Software Interfacing atau dalam istilah bahasa Indonesia disebut dengan antarmuka merupakan suatu istilah yang seringkali digunakan untuk menghubungkan dari satu alat atau software dengan alat atau software lainnya yang mana dapat digunakan untuk memperoleh hasil yang diinginkan. Dalam penelitian ini, hardware yang dikembangkan adalah eksoskeleton tangan berbasis flex sensor,
dimana flex sensor diletakkan pada sarung tangan yang akan dikenakan pada tangan yang sehat sedangkan eksoskeleton dikenakan pada tangan yang mengalami kelumpuhan. Penyatu antara kedua perangkat ini adalah mikrokontroler yaitu Arduino Mega 2560.
115
Gambar 7.16 Interface antara hardware dengan hardware, software dengan hardware, dan hardware dengan user (Silivas, 2016)
Interface antara hardware dengan hardware terjadi antara papan mikrokontroler dengan eksoskeleton dan sarung tangan.Interface antara hardware dengan software terjadi antara mikrokontroler dengan software Arduino IDE, dimana pemrograman dibuat dan diupload ke dalam mikrokontroler. Interface antara hardware dengan user terjadi antara eksoskeleton, sarung tangan dan pasien. Eksoskeleton dan sarung tangan flex diintegrasikan oleh mikrokontroler, dimana gerakan sarung tangan yang memiliki flex sensor mengendalikan gerakan eksoskeleton. 7.4.2 Pengujian Flex Sensor Pengujian flex sensor dilakukan dengan mengamati nilai resistansi yang
dihasilkan ketika terdapat kelengkungan pada sensor itu sendiri. Pengujian dilakukan pada 5 buah sensor dengan beberapa sudut lengkungan. Hasil pengujian flex sensor ditunjukkan oleh Tabel 7.4. Hasil pengukuran ini merupakan hasil yang ditampilkan padaserial monitor pada Arduino IDE.
116
Tabel 7.4 Hasil Pengujian Flex Sensor (Silivas, 2016)
Posisi sensor
flex
Ibu Jari
Telunjuk
Jari Tengah
Jari Manis
Sudut Flex(derajat)
Nilai Terbaca
0 45
460
2.48 1.65
26.91 44.40
26.93 44.59
1.21
68.55
68.39
90
339 250
0 45
506 371
2.47 1.81
22.36 38.53
22.30 38.50
90 0
271 496
1.32 2.42
61.00 23.27
60.74 23.19
45
352
1.72
41.70
41.76
90 0
233 490
1.14 2.39
74.11 23.84
74.18 23.93
45 90
348 254
1.7 1.24
42.45 66.35
42.49 66.26
2.47 1.74
22.36 40.97
22.39 41.04
1.16
72.45
72.17
0 45
Kelingking
Vout (volt)
Hambatan Flex Sensor (kOhm) Perhitungan Pengukuran
90
505 356 237
Berdasarkan pengujian flex sensor yang telah dilakukan, dibuat grafik hubungan resistansi dengan sudut dan grafik hubungan resistansi dengan tegangan output pada Gambar 7.17 dan 7.18. 100 80 60 40
Ibu Jari
20
Telunjuk
0 22.39
41.04
72.17
Resistansi (kOhm)
Gambar 7.17 Grafik resistansi vs sudut flex sensor ibu jari dan telunjuk (Silivas, 2016)
117
3 2.5 2 1.5 Ibu Jari 1 Telunjuk
0.5 0 22.39
41.04
72.17
Resistansi (kOhm)
Gambar 7.18 Grafik resistansi vs tegangan output ibu jari dan telunjuk (Silivas, 2016)
Gambar 7.17 menunjukkan bahwa nilai resistansi yang didapat berbanding lurus dengan sudut kelengkungan. Semakin besar sudut lekukan flex sensor akan semakin besar pula resistensinya. Sedangkan nilai tegangan berbanding terbalik dengan resistansi dimana semakin besar resistansi, semakin kecil nilai tegangan yang keluar dari flex sensor seperti ditunjukan Gambar 7.18. Nilai pada saat perhitungan dan pengukuran berbeda hal ini dikarenakan pada saat tegangan masuk ke Arduino tegangan tersebut tidak murni dari flex sensor dan juga nilai Vin tidak selalu tepat 5V. 7.4.3 Prototipe Eksoskeleton Komponen yang dikenakan oleh tangan pasien yang lumpuh atau layu berupa sebuah eksoskeleton yang digerakan oleh aktuator linear pada setiap jari dengan sinyal input berasal dari sarung tangan yang diassembly dengan flex sensor. Eksoskeleton yang didesain memiliki total 9 derajat kebebasan; 2 derajat kebebasan untuk 4 jari dan 1 derajat kebebasan untuk ibu jari.
118
Gambar 7.19 Eksoskeleton tampak asimetri (Silivas, 2016)
Gambar 7.20 Eksoskeleton tampak atas (Silivas, 2016)
119
Gambar 7.21 Simulasi Gerakan Menggenggam (Silivas, 2016)
Komponen eksoskeleton yang menggerakan jari tangan didukung oleh 2 sambungan dan 1 sambungan untuk ibu jari. Gambar 7.22 menunjukan sambungan-sambungan jari eksoskeleton. Panjang sambungan 4 jari eksoskeleton memiliki panjang yang sama.
Gambar 7.22 Sambungan jari eksoskeleton (Silivas, 2016)
Untuk 4 jari, panjang sambungan pertama adalah 102 mm dan sambungan kedua 49.50 mm. Untuk ibu jari, panjang sambungan adalah 50 mm.
120
7.4.4 Analisa Gerakan Jari Tangan Dalam menganalisa pergerakan dinamik pada jari tangan, dibutuhkan percepatan untuk melakukan simulasi pada MATLAB. Simulasi yang dilakukan tidak memperhatikan gaya-gaya eksternal pada jari tangan.
Gambar 7.23 memperlihatkan letak jari eksoskeleton apabila dikenakan pada tangan. Sambungan pertama sejajar dengan MCP dan PIP jari, sedangkan sambungan kedua sejajar dengan DIP.
Gambar 7.23 Letak Jari Eksoskeleton pada Jari Tangan (Silivas, 2016)
Berdasarkan Gambar 7.23 dibuatlah sebuah gambar kinematika untuk jari tangan yang mengenakan eksoskeleton. Pemodelan kinematika jari tangan terlihat pada Gambar 7.22.
Gambar 7.24 Kinematika jari tangan saat fleksi (Silivas, 2016)
121
Pemodelan kinematika jari tangan pada Gambar 7.24 menghasilkan persamaan sebagai berikut.
x1 l1 cos 1
y1
l1 sin
1
(7.3)
x 2 x1 l 2 cos 2 y 2 y1 l 2 sin 2
(7.4)
Dimana : l1 = panjang middle phalange (cm) l2 = panjang proximal phalange (cm) m1 = berat middle phalange (kg) m2 = berat middle dan distal phalange (kg) θ1= sudut MCP θ2 = sudut PIP Turunan dari persamaan (7.3) dan (7.4) akan menghasilkan persamaan kecepatan dan percepatan yaitu :
x1 l11 sin 1 y 1 l11 x 2 x 1 l 2
cos 1
2
y 2 y 1 l 22
(7.5)
sin 2 cos 2
(7.6)
Untuk mencari persamaan diferensial gerak sebuah benda persamaan Lagrangian yang digunakan adalah: Fi m i x i
(7.7)
122
Gambar 7.25 (a) DBB massa 1, (b) DBB massa 2
Untuk Gambar 7.25 (a) diperoleh persamaan :
F m1l11 m1 g cos 1 T2 cos 1 2 90
m l
1 1 1
(7.8)
Untuk Gambar 7.25(b) diperoleh persamaan :
T2 m 2 cos 2 90
m2 g sin 2 90
m l 1 1
m 2 l 22
1
(7.9)
Dengan mensubstitusikan persamaan (7.8) dan (7.9) persamaan percepatan massa 1 menjadi :
m1 g cos 1 m 2 cos 2 90 cos 1 2 90 m1l11 g 1 m2 cos 1 cos 2 90 cos 1 2 90 1 l1 l1 m1
123
Dan untuk percepatan massa 2 pada Gambar 4.8(b) adalah :
m 2 g sin 2 90
m2 l 2 2 m1 g cos 1 m2 cos2 90 2
m1 g cos 1 T2 cos 1 2 90
m1 g
m2 l 2
cos 1
1
l2
cos 2 90
1
m 2 l 22
cos 1 2 90
cos 1 2 90
m2 g sin 2 90
g sin l2
2
90
Penyelesaian persamaan di atas memerlukan bantuan dari MATLAB untuk mensimulasikan gerakan jari tangan dan menghasilkan grafik kecepatan dan percepatan pada Gambar 4.13 dan 4.14. Besar parameter yang digunakan diasumsikan sebagai berikut : m1 = m2 = 0.001 (kg) l1 = 0.03 m l2 = 0.02 m Dengan menggunakan parameter di atas, dilakukan simulasi dengan software MATLAB dan memodelkan jari tangan seperti pendulum seperti pada Gambar 7.26 dan 7.27.
Gambar 7.26
Posisi awal (Silivas, 2016)
124
Gambar 7.27 Posisi akhir (Silivas, 2016)
Gambar 7. 28 Kecepatan vs waktu (Silivas, 2016)
Gambar 7.29 Percepatan vs waktu (Silivas, 2016)
125
REFERENSI Silivas, Agnes. 2016. Laporan Tugas Akhir: “Pengembangan Alat Terapi Robotik Berbasis Flex Sensor untuk Pasien Paska Stroke”. Teknik Mesin Universitas Diponegoro: Semarang Riset Kesehatan Dasar (Riskesdas). 2013. Badan Penelitian dan Pengembangan Kesehatan Kementerian Kesehatan RI. World Health Organization (WHO). 2012. The 10 Leading Causes of Death. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs310/en/index.html [Accessed August 3, 2016]. Sidhartha, J.M. et al., 2015. Risk factors for medical complications of acute hemorrhagic stroke. Journal of Acute Disease , 4(3), pp.222–225. Ockenfeld, C. et al., 2013. Fine finger motor skill training with exoskeleton robotic hand in chronic stroke: Stroke rehabilitation. 2013 IEEE 13th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), pp.1–4. https://www.sparkfun.com, 2014. Flex Sensor SparkFun Electronics. Available at: https://www.sparkfun.com/products/10264 [Accessed August 30, 2016].
