kajian dynamic cycle gait pada pengguna … · judul tugas akhir : kajian dynamic gait pada...
Post on 06-Mar-2019
223 Views
Preview:
TRANSCRIPT
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
i
KAJIAN DYNAMIC CYCLE GAIT PADA PENGGUNA PROSTHETIC ATAS LUTUT
ENDOSKELETAL DENGAN SISTEM ENERGI STORING MEKANISME 2 BAR PADA AKTIVITAS BERJALAN CEPAT
Skripsi Sebagai Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ZULFA MIFTAKHUL FAIZ I0306064
JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA 2011
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ii
LEMBAR PENGESAHAN
Judul Tugas Akhir :
KAJIAN DYNAMIC CYCLE GAIT PADA PENGGUNA PROSTHETIC ATAS LUTUT
ENDOSKELETAL DENGAN SISTEM ENERGI STORING MEKANISME 2 BAR PADA AKTIVITAS BERJALAN CEPAT
Ditulis oleh:
Zulfa Miftakhul Faiz I 0306064
Mengetahui,
Dosen Pembimbing 1
Retno Wulan Damayanti, ST, MT
NIP. 19800306 200501 2 002
Pembantu Dekan I
Fakultas Teknik
Ir. Noegroho Djarwanti, MT
NIP. 19561112 195403 2 007
Dosen Pembimbing II
Ir. Lobes Herdiman, MT
NIP. 19641007 199702 1 001
Ketua Jurusan
Teknik Industri
Ir. Lobes Herdiman, MT
NIP. 19641007 199702 1 001
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iii
LEMBAR VALIDASI
Judul Tugas Akhir :
KAJIAN DYNAMIC CYCLE GAIT PADA PENGGUNA PROSTHETIC ATAS LUTUT
ENDOSKELETAL DENGAN SISTEM ENERGI STORING MEKANISME 2 BAR PADA AKTIVITAS BERJALAN CEPAT
Ditulis oleh:
Zulfa Miftakhul Faiz I 0306064
Telah disidangkan pada hari Jumat tanggal 06 Desember 2010 Di Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, dengan Dosen Penguji
1. Ilham Priadythama, ST, MT
NIP. 19801124 200812 1 002
1. Taufiq Rohman, STP, MT
NIP. 19701030 199802 1 001
Dosen Pembimbing
1. Retno Wulan Damayanti, ST, MT
NIP. 19800306 200501 2 002
2. Ir. Lobes Herdiman, MT
NIP. 19641007 199702 1 001
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
iv
SURAT PERNYATAAN
ORISINALITAS KARYA ILMIAH
Saya mahasiswa Jurusan Teknik Industri UNS yang bertanda tangan di bawah ini,
Nama : Zulfa Miftakhul Faiz
Nim : I 0306064
Judul tugas akhir : Kajian Dynamic Gait pada Pengguna Prosthetic Atas
Lutut Endoskeletal dengan Sistem Energy Storing
Mekanisme 2 Bar pada Aktivitas Berjalan Cepat.
Menyatakan bahwa Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun tidak
mencontoh atau melakukan plagiat dari karya tulis orang lain. Jika terbukti bahwa
Tugas Akhir yang saya susun mencontoh atau melakukan plagiat dapat dinyatakan
batal atau gelar Sarjana yang saya peroleh dengan sendirinya dibatalkan atau
dicabut.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya dan apabila
dikemudian hari terbukti melakukan kebohongan maka saya sanggup
menanggung segala konsekuensinya.
Surakarta, 06 Desember 2010
Zulfa Miftakhul Faiz
I 0306064
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
v
SURAT PERNYATAAN
PUBLIKASI KARYA ILMIAH
Saya mahasiswa Jurusan Teknik Industri UNS yang bertanda tangan di bawah ini,
Nama : Zulfa Miftakhul Faiz
Nim : I 0306064
Judul tugas akhir : Kajian Dynamic Gait pada Pengguna Prosthetic Atas
Lutut Endoskeletal dengan Sistem Energy Storing
Mekanisme 2 Bar pada Aktivitas Berjalan Cepat.
Menyatakan bahwa Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun sebagai syarat
lulus Sarjana S1 disusun secara bersama-sama dengan Pembimbing 1 dan
Pembimbing 2. Bersamaan dengan syarat pernyataan ini bahwa hasil penelitian
dari Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun bersedia digunakan untuk
publikasi dari proceeding, jurnal, atau media penerbit lainnya baik di tingkat
nasional maupun internasional sebagaimana mestinya yang merupakan bagian
dari publikasi karya ilmiah.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Surakarta, 06 Desember 2010
Zulfa Miftakhul Faiz
I 0306064
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vi
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan pada Tuhan Yang Maha Esa atas karunia-
Nya sehingga penulis berhasil menyelesaikan Laporan Tugas Akhir dengan judul
“Kajian Dynamic Gait bagi Pengguna Prosthetic Atas Lutut Endoskeletal Sistem
Energy Storing dengan Mekanisme 2 Bar saat Aktivitas Berjalan Cepat” ini
dengan baik.
Dengan segenap ketulusan hati penulis menyampaikan ucapan terima
kasih atas segala bantuan dari berbagai pihak sehingga dapat menyelasaikan
Laporan Tugas Akhir ini. Penulis menyampaikan terima kasih kepada:
1. Bapak dan ibuku yang selalu memberi dukungan dan doa yang tak pernah
putus sehingga penulis berhasil menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini.
Tuhan selalu memberkati kalian.
2. Bapak Ir. Lobes Herdiman, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Industri dan
selaku Dosen Pembimbing II atas segala bimbingan, bantuan dan juga
kesabaran yang telah diberikan kepada penulis selama penyelesaian Laporan
Tugas Akhir dan selama penulis menjadi mahasiswa di Teknik Industri UNS.
3. Ibu Retno Wulan Damayanti, ST, MT selaku Dosen Pembimbing I dan
Pembimbing Akademik, terima kasih atas segala bantuan dan bimbingan ibu
selama penyelesaian Laporan Tugas Akhir ini.
4. Bapak Ilham Priadythama, ST, MT dan Bapak Taufik Rohman STP, MT
selaku Dosen Penguji, terima kasih atas masukan dan perbaikan untuk
Laporan Skripsi ini.
5. Seluruh dosen Teknik Industri yang telah mewariskan segala ilmu Teknik
Industri kepada penulis.
6. Mbak Yayuk, Mbak Tutik, Mbak Rina & seluruh Admin TI atas segala
bantuan administrasinya.
7. Teman-teman seperjuangan pembuatan Tugas Akhir –Tim Kesebelasan
(Ardian, Ariesta, Nugroho, Ferli, Isti, Dinar, Ginung, Kiki, Esha dan Samto) –.
Thanks atas segala support kalian kepadaku. Semangat dan Sukses selalu.
8. Teman-teman angkatan 2006 jurusan Teknik Industri UNS atas kerjasama dan
kebersamaan yang sangat berarti bagi penulis -Ardini,Afri, Ajeng, Aldi,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
vii
Angga, Anita, Ardian, Arista, Asma, Asti, Astrid, Aya, Ayu, Bayu, Bellinda,
Budi, Dinar, Esha, Finishia, Ferli, Ginung, Gusti, Helmi, Hendri, Heni, Indah,
Indra, Isti, Joanna, Maria, Maryani, Nando, Natalia, Novarini, Nugroho,
Nurjanah, Prita, Rena, Rezki, Rinta, Rufaida, Ruth, Samto, Sarah, Sigit,
Sukma, Tiwi, Yona,-, bahagia dan beruntung memiliki sahabat seperti kalian
semua, semoga kesuksesan selalu menyertai kita semua. Amin.
9. Semua pihak yang belum tertulis di atas, terima kasih atas segala bantuan dan
dukungannya.
Sebagai akhir dari kata pengantar ini, penulis menyampaikan bahwa
laporan ini masih jauh dari sempurna dikarenakan keterbatasan kemampuan yang
penulis miliki. Saran dan kritik diharapkan untuk perbaikan. Semoga laporan ini
bermanfaat dan dapat memberikan inspirasi bagi semua.
Surakarta, 06 Desember 2010
Penulis
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
viii
ABSTRAK
Zulfa Miftakhul Faiz, NIM: I 0306064. KAJIAN DYNAMIC CYCLE GAIT PADA PENGGUNA PROSTHETIC ATAS LUTUT ENDOSKELETAL DENGAN SISTEM ENERGI STORING MEKANISME 2 BAR PADA AKTIVITAS BERJALAN CEPAT. Skripsi. Surakarta: Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Desember 2010.
Prosthetic telah berkembang sampai pada pemanfaatan sistem energy storing dalam mengurangi konsumsi energi tidak hanya pada aktivitas berjalan normal namun juga pada berjalan cepat. Berjalan cepat merupakan salah satu parameter yang penting untuk mengukur performansi prosthetic. Prosthetic atas lutut endoskeletal sistem energy storing dengan mekanisme 2 bar telah dilengkapi dengan sistem energy storing menggunakan gas spring pada knee joint. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui kemampuan prosthetic atas lutut endoskeletal sistem energy storing dengan mekanisme 2 bar pada aktivitas berjalan cepat.
Penelitian ini meliputi pengamatan dan pemodelan dynamic cycle gait gerakan berjalan cepat amputee pengguna prosthetic endoskeletal sistem energy storing dengan mekanisme 2 bar. Pemodelan dynamic cycle gait menggunakan persamaan gerak Lagrange untuk menghitung external work dan komponennya (torsi dan gaya). Parameter perhitungan diperoleh dari video gerakan berjalan amputee pada bidang datar saat aktivitas berjalan cepat.
Hasil dari penelian ini adalah model delapan fase berjalan amputee dengan nilai parameter dinamis. Berdasarkan pengolahan data dapat disimpulkan bahwa prosthetic atas lutut endoskeletal sistem energy storing dengan mekanisme 2 bar dapat mengakomodasi semua fase gerakan berjalan kecuali fase ke tujuh yaitu fase mid swing karena respon pegas pada prosthetic ini belum bisa dikendalikan dengan baik. Kata kunci: berjalan cepat, prosthetic atas lutut endoskeletal sistem energy
storing dengan mekanisme 2 bar, kajian dynamic cycle gait. xviii + 107 halaman.; 81 gambar; 47 tabel; 2 lampiran Daftar pustaka: 37 (1961 - 2010)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
ix
ABSTRACT
Zulfa Miftakhul Faiz, NIM: I0306064. DYNAMIC CYCLE GAIT ANALYSIS OF AN AMPUTEE WITH A TWO BAR MECHANISM ENDOSKELETAL ABOVE KNEE PROSTHETIC WITH ENERGY STORING SYSTEM ON FAST WALKING ACTIVITY. Final Assignment. Surakarta: Industrial Engineering Department, Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, December 2010. Prosthetic has been developed through the utilization of energy storing system in reducing energy consumption not only in normal walking but also in fast walking. Fast walking is one of parameter to measure the performance of prosthetic. A two bar mechanism endoskeletal above knee prosthetic with energy storing system is already equipped with energy storing system which used a gas spring installed in its knee joint. This research objectives is to observe and calculate the ability of this prosthetic.
This study has include both laboratory observation and mathematically model of dynamic cycle gait. Modelling dynamic cycle gait using the lagrangian equation of motion to determine the external work and its components, the torque and the exerted force. The parameter was gained from the capture of amputee walking cycle on fast walking activity
The result of this research is eight phase mathematical model of dynamic gait with their value of dynamic parameter. Based on data processing can be conclude that the new developed prosthetic design can accommodate all the phases except the seventh phase (mid swing phase) which was caused by inappropriate spring response. Key word: fast walking, a two bar mechanism endoskeletal above knee prosthetic
with energy storing system, dynamic cycle gait, external work and its components (the torque and the exerted force).
xviii + 107 p.; 81 pictures; 47 tables; 2 attachments Reference: 37 (1961 - 2010)
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
x
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...................................................................................... i
LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................... ii
LEMBAR VALIDASI .................................................................................. iii
SURAT PERNYATAAN ORISINALITAS KARYA ILMIAH ................ iv
SURAT PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ....................... v
KATA PENGANTAR .................................................................................... vi
ABSTRAK ..................................................................................................... viii
ABSTRACT ................................................................................................... ix
DAFTAR ISI................................................................................................... x
DAFTAR TABEL .......................................................................................... xiii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... xv
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. xviii
BAB I PENDAHULUAN ......................................................................... I-1
1.1 Latar Belakang ......................................................................... I-1
1.2 Perumusan Masalah .................................................................. I-3
1.3 Tujuan Penelitian ...................................................................... I-3
1.4 Manfaat Penelitian .................................................................... I-3
1.5 Batasan Masalah ....................................................................... I-3
1.6 Asumsi Penelitian ..................................................................... I-3
1.7 Sistematika Penulisan ............................................................... I-4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................... II-1
2.1 Human Motion ......................................................................... II-1
2.1.1 Perspektif Gerakan Manusia ........................................ II-2
2.1.2 Gerakan Dasar Anggota Gerak Bawah Manusia ......... II-3
2.2 Berjalan Cepat .......................................................................... II-6
2.3 Human Locomotion .................................................................. II-7
2.3.1 Human Locomotion ...................................................... II-7
2.3.2 Fase Gait Cycle ............................................................ II-9
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xi
2.4 Analisis Gerak Biomekanika .................................................... II-16
2.5 Anthropometri Data Biomekanika ........................................... II-16
2.6 Keseimbangan Gerak Biomekanika ......................................... II-19
2.6.1 Keseimbangan Gerakan Manusia ................................. II-19
2.6.2 Torsi .............................................................................. II-20
2.6.3 Work ............................................................................. II-21
2.6.4 Energi ........................................................................... II-21
2.6.5 Persamaan Gerak Dinamis Lagrange ........................... II-23
2.7 Human Amputee Gait ............................................................... II-24
2.8 Above Knee Prosthetic ............................................................. II-25
2.8.1 Komponen Prosthetic Atas Lutut ................................. II-26
2.9 Energy Storing Knee Prosthetic ............................................... II-30
2.10 Penelitian Sebelumnya ............................................................. II-33
BAB III METODE PENELITIAN ............................................................ III-1
3.1 Identifikasi Masalah ................................................................. III-2
3.2 Pengumpulan Data ................................................................... III-4
3.3 Pengolahan Data ....................................................................... III-7
3.4 Analisis dan Interpretasi Hasil ................................................. III-9
3.5 Kesimpulan dan Saran .............................................................. III-9
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA ..................... IV-1
4.1 Pengumpulan Data ................................................................... IV-1
4.1.1 Data Responden Pengguna Prosthetic Atas Lutut ........ IV-1
4.1.2 Model Prosthetic Atas Lutut dengan Energy Storing
Knee Prosthetic ............................................................. IV-2
4.1.3 Siklus Berjalan Cepat Amputee pada Permukaan
Datar ............................................................................. IV-6
4.2 Pemodelan Siklus Berjalan Cepat Amputee ............................. IV-8
4.3 Pengolahan Data ....................................................................... IV-20
4.3.1 Menentukan Besarnya Massa tiap Segmen Tubuh,
Titik Berat Segmen Kaki, Dan Momen Inersia
Pengguna Prosthetic Atas Lutut ................................... IV-20
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xii
4.3.2 Perhitungan External Work, Komponen External
Work, dan Energi dalam 1 Siklus Berjalan .................. IV-25
BAB V ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL ............................... V-1
5.1 Analisis Komparasi Kaki Prosthetic dan Kaki Normal pada
Gerakan Berjalan Amputee ...................................................... V-1
5.1.1 Komparasi Fase 1 Initial Contact dengan Fase 4
Terminal Stance ............................................................ V-1
5.1.2 Komparasi Fase 2 Loading Respons dengan Fase 5
Pre-Swing ..................................................................... V-8
5.1.3 Komparasi Fase 3 Mid-stance dengan Fase 7 Mid-
swing............................................................................. V-13
5.2 Interpretasi Hasil ...................................................................... V-20
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN .................................................... VI-1
1.1 Kesimpulan ............................................................................... VI-1
1.2 Saran ......................................................................................... VI-1
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Pemodelan distribusi berat badan ............................................. II-18
Tabel 4.1 Anthropometri pengguna prosthetic kaki atas lutut ................. IV-2
Tabel 4.2 Komponen-komponen energy storing knee prosthetic ............. IV-4
Tabel 4.3 Dimensi prosthetic per komponen kaki atas lutut ESPK ......... IV-6
Tabel 4.4 Dimensi prosthetic per segmen kaki atas lutut ESPK .............. IV-6
Tabel 4.5 Massa segmen tubuh ................................................................ IV-21
Tabel 4.6 Massa prosthetic ....................................................................... IV-22
Tabel 4.7 Panjang titik berat segmen tubuh ............................................. IV-24
Tabel 4.8 Momen inersia segmen kaki ..................................................... IV-25
Tabel 4.9 Data parameter ......................................................................... IV-26
Tabel 4.10 Kecepatan linear dan angular fase initial contact ..................... IV-27
Tabel 4.11 Percepatan linear dan angular fase initial contact .................... IV-27
Tabel 4.12 Data input fase initial contact kaki prosthetic .......................... IV-28
Tabel 4.13 Data input fase initial contact kaki normal ............................... IV-30
Tabel 4.14 Besarnya external work dan komponen kaki prosthetic ........... IV-32
Tabel 4.15 Besarnya external work dan komponen kaki normal ............... IV-32
Tabel 5.1 Parameter pengukuran gerakan kaki fase intial contact dan
terminal stance .......................................................................... V-3
Tabel 5.2 Parameter pengukuran gerakan kaki fase loading respons dan
pre-swing .................................................................................. V-9
Tabel 5.3 Parameter pengukuran gerakan kaki fase mid-stance dan mid-
swing...................... ................................................................. V-14
Tabel L2.1 Kecepatan linear dan angular fase loading respons ................. L2-1
Tabel L2.2 Percepatan linear dan angular fase loading respons ................. L2-1
Tabel L2.3 Data input fase loading respons kaki prosthetic ....................... L2-2
Tabel L2.4 Data input fase loading respons kaki normal ........................... L2-4
Tabel L2.5 Kecepatan linear dan angular fase mid-stance ......................... L2-5
Tabel L2.6 Percepatan linear dan angular fase mid-stance ........................ L2-5
Tabel L2.7 Data input fase mid-stance kaki prosthetic .............................. L2-6
Tabel L2.8 Data input fase mid-stance kaki normal ................................... L2-7
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xiv
Tabel L2.9 Kecepatan linear dan angular fase terminal stance .................. L2-9
Tabel L2.10 Percepatan linear dan angular fase terminal stance .................. L2-10
Tabel L2.11 Data input fase terminal stance kaki prosthetic ........................ L2-10
Tabel L2.12 Data input fase terminal stance kaki normal ............................ L2-12
Tabel L2.13 Kecepatan linear dan angular fase pre-swing ........................... L2-14
Tabel L2.14 Percepatan linear dan angular fase pre-swing .......................... L2-14
Tabel L2.15 Data input fase pre-swing kaki prosthetic ................................ L2-15
Tabel L2.16 Data input fase pre-swing kaki normal .................................... L2-16
Tabel L2.17 Kecepatan linear dan angular fase initial swing ....................... L2-18
Tabel L2.18 Percepatan linear dan angular fase initial swing ...................... L2-18
Tabel L2.19 Data input fase initial swing kaki prosthetic ............................ L2-19
Tabel L2.20 Data input fase initial swing kaki normal ................................. L2-20
Tabel L2.21 Kecepatan linear dan angular fase mid-swing .......................... L2-21
Tabel L2.22 Percepatan linear dan angular fase mid-swing ......................... L2-22
Tabel L2.23 Data input fase mid-swing kaki prosthetic ............................... L2-22
Tabel L2.24 Data input fase mid-swing kaki normal ................................... L2-24
Tabel L2.25 Kecepatan linear dan angular fase terminal swing ................... L2-27
Tabel L2.26 Percepatan linear dan angular fase terminal swing .................. L2-27
Tabel L2.27 Data input fase terminal swing kaki prosthetic ........................ L2-27
Tabel L2.28 Data input fase terminal swing kaki normal ............................. L2-29
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Tipe analisis gerakan ................................................................ II-1
Gambar 2.2 Posisi anatomi manusia ............................................................ II-2
Gambar 2.3 Tulang dan sambungan anggota gerak bawah .......................... II-3
Gambar 2.4 Flexion dan extension ............................................................... II-4
Gambar 2.5 Abduksi dan adduksi ................................................................ II-5
Gambar 2.6 Rotasi persendian lutut ............................................................. II-5
Gambar 2.7 Teknik berjalan cepat ............................................................... II-6
Gambar 2.8 Siklus pola jalan ....................................................................... II-8
Gambar 2.9 Diagram waktu gait .................................................................. II-9
Gambar 2.10 Persentase gait cycle ................................................................. II-10
Gambar 2.11 Gerakan kaki pada fase initial contact ...................................... II-10
Gambar 2.12 Gerakan kaki pada fase loading respons .................................. II-11
Gambar 2.13 Gerakan kaki pada fase mid-stance .......................................... II-12
Gambar 2.14 Gerakan kaki pada fase terminal stance ................................... II-13
Gambar 2.15 Gerakan kaki pada fase pre-swing ........................................... II-13
Gambar 2.16 Gerakan kaki pada fase initial swing ........................................ II-14
Gambar 2.17 Gerakan kaki pada fase mid-swing .......................................... II-15
Gambar 2.18 Gerakan kaki pada fase teminal swing ..................................... II-15
Gambar 2.19 Tubuh sebagai sistem enam link dan joint ............................... II-17
Gambar 2.20 Pemodelan titik – titik pusat massa Dempster ......................... II-18
Gambar 2.21 Sebuah torsi .............................................................................. II-20
Gambar 2.22 Usaha oleh sebuah gaya ........................................................... II-21
Gambar 2.23 Amputee gait ............................................................................ II-24
Gambar 2.24 Prosthetic kaki atas lutut .......................................................... II-25
Gambar 2.25 Komponen prosthetic atas lutut ................................................ II-26
Gambar 2.26 Sistem suspensi ........................................................................ II-27
Gambar 2.27 Eksoskeletal shank ................................................................... II-28
Gambar 2.28 Endoskeletal shank ................................................................... II-28
Gambar 2.29 SACH foot ................................................................................ II-30
Gambar 2.30 XT9 energy storing prosthetic knee ......................................... II-31
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvi
Gambar 2.31 Energy storing knee prosthetic ................................................. II-31
Gambar 3.1 Metodologi penelitian .............................................................. III-1
Gambar 3.2 Alat ukur ................................................................................... III-4
Gambar 3.3 Force gauge .............................................................................. III-5
Gambar 3.4 Electrogoniometer Rf ............................................................... III-6
Gambar 4.1 Energy storing knee prosthetic knee dengan mekanisme 2 bar IV-3
Gambar 4.2 Gas Spring ................................................................................ IV-4
Gambar 4.3 Amputee menggunakan prosthetic energy storing ................... IV-5
Gambar 4.4 Ankle joint sistem double axis ................................................. IV-5
Gambar 4.5 Fase berjalan pengguna prosthetic atas lutut ............................ IV-7
Gambar 4.6 Fase initial contact .................................................................... IV-10
Gambar 4.7 Stick diagram kaki prosthetic fase initial contact ..................... IV-11
Gambar 4.8 Stick diagram kaki normal fase initial contact ......................... IV-16
Gambar 4.9 Grafik T1 kaki prosthetic dan kaki normal ............................... IV-33
Gambar 4.10 Grafik T2 kaki prosthetic dan kaki normal ............................... IV-33
Gambar 4.11 Grafik T3 kaki prosthetic dan kaki normal............... ................ IV-34
Gambar 4.12 Grafik Fx kaki prosthetic dan kaki normal ................................ IV-34
Gambar 4.13 Grafik Fy kaki prosthetic dan kaki normal ................................ IV-35
Gambar 4.14 Grafik w kaki prosthetic dan kaki normal ................................ IV-35
Gambar 5.1 Gerakan kaki fase initial contact-fase terminal stance ............. V-2
Gambar 5.2 Komparasi nilai torsi fase initial contact-terminal stance ....... V-4
Gambar 5.3 Komparasi nilai gaya fase initial contact dan fase terminal
stance ........................................................................................ V-6
Gambar 5.4 Komparasi nilai external work fase initial contact
dan fase terminal stance ........................................................... V-7
Gambar 5.5 Gerakan kaki fase loading respons-fase pre-swing .................. V-8
Gambar 5.6 Komparasi nilai torsi fase loading respons dan fase pre-
swing..................................................... ................................... V-10
Gambar 5.7 Komparasi nilai gaya fase loading respons dan fase pre-
swing..................................................... ................................... V-11
Gambar 5.8 Komparasi nilai external work fase loading respons dan fase
pre-swing..................................................... ............................. V-12
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xvii
Gambar 5.9 Gerakan kaki fase mid-stance-fase mid-swing ......................... V-13
Gambar 5.10 Komparasi nilai torsi fase mid-stance dan fase mid-swing .... V-15
Gambar 5.11 Komparasi nilai gaya fase mid-stance dan fase mid-swing ... V-16
Gambar 5.12 Komparasi nilai external work fase mid-stance dan fase mid-
swing ........................................................................................ V-17
Gambar L1.1 Fase loading respons............................................ .................... L1-1
Gambar L1.2 Stick diagram kaki prosthetic fase loading respons ................. L1-1
Gambar L1.3 Stick diagram kaki normal fase loading respons ...................... L1-4
Gambar L1.4 Fase mid-stance ........................................................................ L1-8
Gambar L1.5 Stick diagram kaki prosthetic fase mid-stance ......................... L1-8
Gambar L1.5 Stick diagram kaki normal fase mid-stance ............................. L1-11
Gambar L1.6 Fase terminal stance ................................................................. L1-13
Gambar L1.7 Stick diagram kaki prosthetic fase terminal stance .................. L1-14
Gambar L1.8 Stick diagram kaki normal fase terminal stance ....................... L1-17
Gambar L1.9 Fase pre-swing .......................................................................... L1-19
Gambar L1.10 Stick diagram kaki prosthetic fase pre-swing .......................... L1-20
Gambar L1.11 Stick diagram kaki normal fase pre-swing ............................... L1-23
Gambar L1.12 Fase initial swing ...................................................................... L1-25
Gambar L1.13 Stick diagram kaki prosthetic fase initial swing ....................... L1-26
Gambar L1.14 Stick diagram kaki normal fase initial swing ........................... L1-29
Gambar L1.15 Fase mid-swing ........................................................................ L1-31
Gambar L1.16 Stick diagram kaki prosthetic fase mid-swing ......................... L1-32
Gambar L1.17 Stick diagram kaki normal fase mid-swing .............................. L1-35
Gambar L1.18 Fase terminal swing .................................................................. L1-37
Gambar L1.19 Stick diagram kaki prosthetic fase terminal swing ................... L1-38
Gambar L1.20 Stick diagram kaki normal fase terminal swing ....................... L1-42
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
xviii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Pemodelan external work dan komponennya pada fase 2 sampai fase 8..................................................... L-1
Lampiran 2 Perhitungan external work dan komponennya pada fase 2 sampai fase 8..................................................... L-2
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
I - 1
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini membahas hal-hal yang menjadi dasar permasalahan penelitian
yang diambil, meliputi latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan yang
ingin dicapai, manfaat penelitian, pembatasan masalah, asumsi-asumsi yang
digunakan, dan sistematika penulisan dalam penelitian ini.
1.1 LATAR BELAKANG
Berjalan (gait) merupakan kegiatan yang kompleks hampir melibatkan
seluruh sistem muskuloskeletal dan menuntut koordinasi yang sangat baik pada
gerakan di bawah sadar seorang (Farber, 1995). Oleh karena itu berjalan
mengeluarkan banyak energi, semakin cepat orang berjalan maka semakin banyak
energi yang dikeluarkan (Rose, 2006). Kemampuan untuk berjalan cepat adalah
kebutuhan dasar untuk aktivitas rekreasi secara fisik. Berjalan cepat juga penting
untuk kesehatan fisik dan mental dan sebagai pencegah dari cedera seperti terjatuh
dan menghindari situasi lingkungan yang mengancam (Burgess, 1985). Namun
apabila salah satu kaki mengalami amputasi maka akan mengurangi sebagian
fungsi anggota gerak bawah (Wilken, 2009).
Dalam banyak kasus, bagian anggota gerak bawah ini digantikan suatu alat
mekanik yang umum dikenal dengan nama kaki palsu atau prosthetic (Hansen,
2010). Salah satu teknologi yang sedang dikembangkan adalah prosthetic dengan
sistem energy storing mekanisme 2 bar. Energy storing merupakan salah satu
teknologi yang dianalogikan sebagai sebuah pegas yang ketika meregang dan
mengendur dapat menyimpan dan kemudian melepaskan energi potensial elastik.
Mekanisme 2 bar memiliki 2 link dan 1 joint seperti pada engsel dimana joint
berfungsi menghubungkan 2 link dan sebagai sumbu putar lutut yang
mengakibatkan knee joint dapat melakukan flexion dan extension. Menurut Farber
(1995), konsumsi energi menurun 35% dan koefisien energi pembalik meningkat
30% dibandingkan prosthetic konvensional saat amputee berjalan menggunakan
prosthetic sistem energy storing. Hal ini didukung oleh penelitian Umemura
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
I - 2
(1998) yang menguji prosthetic sistem energy storing pada kecepatan 0.7 m/s –
1.4 m/s. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa pada jarak tertentu,
semakin cepat amputee berjalan maka jumlah konsumsi energi menurun dan
menjadi stabil pada kecepatan 0.7 m/s – 1.4 m/s dengan rata-rata konsumsi energi
1.2 cal/kg/m. Berdasarkan hal tersebut maka dapat dinyatakan bahwa sistem
energy storing pada prosthetic semakin dibutuhkan untuk kecepatan berjalan yang
semakin tinggi.
Penyelesaian penentuan energi pada pengguna prosthetic sistem energy
storing saat aktivitas berjalan cepat menggunakan kajian dynamic cycle gait yang
dimodelkan dengan persamaan lagrange. Kajian dynamic cycle gait merupakan
kajian gerakan berjalan manusia secara kontinu dengan memperhitungkan waktu
sedangkan kajian static cycle gait merupakan kajian gerakan berjalan manusia
secara diskrit tanpa memperhitungkan waktu (Vaughan,1999). Kajian static cycle
gait tidak cocok digunakan dalam mengukur kemampuan energy storing pada
aktivitas berjalan cepat karena aktivitas berjalan cepat dipengaruhi adanya
parameter kecepatan. Menurut David A. Winter (1990) lagrange dari suatu sistem
dikatakan sebagai perbedaan antara jumlah energi kinetik yang terjadi dalam
sistem dan jumlah energi potensial dalam sistem. Salah satu bentuk energi
potensial adalah energi potensial pegas atau spring potensial energy. Energi
potensial pegas ini diterapkan pada prosthetic dalam bentuk sistem energy storing
sehingga formulasi model fase berjalan cepat amputee yang menggunakan
prosthetic sistem energy storing lebih mudah karena persamaan lagrange
mengakomodasi adanya energy storing dalam memformulasikan model.
Berdasarkan hal tersebut maka digunakan kajian dynamic cycle gait yang
diformulasikan dengan persamaan lagrange dalam mengukur kemampuan
prosthetic sistem energy storing pada aktivitas berjalan cepat. Penelitian ini
diharapkan mampu mengukur kemampuan prosthetic atas lutut model
endoskeletal dengan energy storing mekanisme 2 bar dalam menunjang amputee
atas lutut ketika melakukan aktivitas berjalan cepat.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
I - 3
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Perumusan masalah dalam penelitian ini adalah bagaimana kemampuan
prosthetic atas lutut model endoskeletal dengan sistem energy storing mekanisme
2 bar untuk membantu aktivitas berjalan cepat pada bidang datar dengan dynamic
cycle gait.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan yang dicapai dalam penelitian ini yaitu mengetahui kemampuan
prosthetic atas lutut model endoskeletal dengan energy storing mekanisme 2 bar
dalam menunjang amputee atas lutut ketika melakukan aktivitas berjalan cepat
pada bidang datar dengan dynamic cycle gait.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini yaitu memberikan
rekomendasi dalam pengembangan penelitian prosthetic atas lutut model
endoskeletal dengan sistem energy storing.
1.5 BATASAN MASALAH
Agar sasaran dalam penelitian ini tercapai, maka diperlukan batasan-
batasan, sebagai berikut:
1. Pengambilan data dilakukan terhadap satu pasien laki-laki usia 49 tahun
pengguna prosthetic kaki atas lutut saat berjalan cepat pada bidang datar.
2. Formulasi model fase berjalan cepat pada analisis dynamic cycle gait
menggunakan persamaan lagrange of motion.
1.6 ASUMSI PENELITIAN
Asumsi-asumsi yang digunakan dalam penelitian ini, sebagai berikut:
1. Anggota gerak atas dan tubuh (kepala, leher, tangan, dan batang tubuh)
pengguna prosthetic dianggap sebagai beban.
2. Satu siklus gerakan berjalan cepat secara lengkap dibagi menjadi delapan fase
gerakan.
3. Gaya dianggap terjadi pada center of mass (COM).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
I - 4
4. Kajian gerakan berjalan cepat pada penelitian ini tidak memperhitungkan gaya
gesek yang terjadi saat aktivitas berjalan cepat.
1.7 SISTEMATIKA PENULISAN
Penyusunan tugas akhir ini terbagi menjadi beberapa bab yang berisi
uraian penjelasan dan dibagi kembali dalam beberapa topik subbab. Secara garis
besar, uraian pada bab-bab dalam sistematika penulisan, dijelaskan di bawah ini.
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan berbagai hal mengenai latar belakang perlunya
diadakan penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat
penelitian, batasan masalah, asumsi-asumsi dan sistematika penulisan.
Uraian bab ini dimaksudkan untuk menjelaskan latar belakang penelitian
sehingga dapat memberikan manfaat sesuai dengan tujuan penelitian
dengan batasan-batasan dan asumsi yang digunakan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi dasar-dasar teori yang menjadi landasan bagi penelitian, baik
dari buku, jurnal, maupun berbagai sumber literatur lainnya. Bab ini
menjelaskan tentang human motion, human locomotion, keseimbangan
gerak, human amputee locomotion, prosthetic atas lutut dan energy
storing.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Merupakan gambaran terstruktur yang disusun dalam flow chart dari alur
pelaksanaan penelitian tugas akhir. Metodologi menguraikan materi
penelitian, alat, tata cara penelitian, variabel dan data yang dikaji serta cara
analisis yang dipakai untuk menarik kesimpulan. Kerangka metodologi
penelitian disusun mulai dari tahap identifikasi permasalahan awal, tahap
pengumpulan dan pengolahan data, penentuan usaha (work) dan energi
serta nilai torsi pada setiap joint pengguna prosthetic atas lutut
endoskeletal dengan memperhatikan fungsi energy storing.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
I - 5
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA
Menjelaskan proses pengumpulan dan pengolahan data yang diperoleh
selama pelaksanaan penelitian, sesuai dengan usulan permasalahan yang
diangkat. Data yang dikumpulkan berupa data anthropometri amputee,
data dimensi prosthetic endoskeletal dengan energy storing, serta data
pengukuran sudut (θ) gerakan pada ankle, knee dan hip joint saat fase
berjalan cepat dalam satu siklus gerakan. Selanjutnya, data yang diperoleh
diolah dengan menggunakan pendekatan teori yang relevan dengan pokok
permasalahan yang dibahas dalam penelitian.
BAB V ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL
Tahap analisis dan interpretasi hasil berisi pembahasan permasalahan yang
ada berdasarkan hasil pengumpulan dan pengolahan data yang telah
dilakukan pada bab sebelumnya. Bab ini menguraikan hasil pengukuran
besarnya usaha (work) dan energi serta nilai torsi pada setiap joint dalam
satu siklus gerakan berjalan cepat pada pengguna prosthetic atas lutut tipe
endoskeletal.
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
Merupakan tahap akhir penyusunan laporan penelitian yang berisi uraian
pencapaian tujuan penelitian yang diperoleh dari analisis pemecahan
masalah maupun hasil pengumpulan data serta saran perbaikan bagi
teknologi prosthetic.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Penelitian ini menggunakan konsep biomekanik dan gerakan manusia
sebagai landasan teori yang memberikan acuan dalam mengevaluasi masalah yang
dibahas dalam penelitian ini. Konsep biomekanik digunakan untuk memodelkan
manusia dalam suatu sistem benda jamak yang tersusun dari stick diagram pada
setiap joint yang saling terhubung membentuk satu kesatuan. Tinjauan pustaka
mengenai gerak anggota tubuh bagian bawah (kaki) manusia, prinsip gerakan
berjalan dan prinsip biomekanik anggota gerak bagian bawah (kaki) manusia
diperlukan untuk mengetahui keseluruhan konsep kajian pendukung penelitian
prosthetic endoskeletal atas lutut.
2.1 HUMAN MOTION
Gerak adalah suatu perubahan tempat kedudukan pada suatu benda dari
titik keseimbangan awal. Sebuah benda dikatakan bergerak jika benda itu
berpindah kedudukan terhadap benda lainnya baik perubahan kedudukan yang
menjauhi maupun yang mendekati (www.organisasi.org, 2006).
Gambar 2.1 Tipe analisis gerakan Sumber: Hamill dan Knutzen , 2009
Gerakan-gerakan yang terjadi pada tubuh manusia bekerja pada garis-garis
imaginer yang membagi sumbu tubuh dalam satu titik pusat. Tiga bidang kardinal
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 2
yang berasal di pusat gravitasi adalah bidang sagital, yang membagi tubuh ke
kanan dan kiri; bidang frontal, membagi tubuh ke depan dan belakang, dan bidang
melintang, membagi tubuh ke atas dan bawah. Gerakan terjadi di atau sejajar
dengan bidang pada sumbu mediolateral (bidang sagital), sumbu anteroposterior
(bidang frontal), atau sumbu longitudinal (bidang melintang). Referensi bidang
ini penting digunakan untuk menyediakan uraian spesifik dalam suatu gerakan.
Gambar 2.2 Posisi anatomi manusia Sumber: Hamill dan Knutzen, 2009
2.1.1 Perspektif Analisis Gerakan Manusia
Perspektif analisis gerakan manusia dapat dibagi dalam dua perspektif
yaitu kinetik dan kinematik. Kinematik adalah pengukuran gerakan atau lebih
spesifiknya adalah deskripsi geometrik gerakan dalam hal perpindahan, kecepatan
dan percepatan. Sistem kinematik digunakan dalam analisis gait untuk mencatat
posisi dan orientasi segmen tubuh, sudut pada joint dan kesesuaian linear dan
angular kecepatan dan percepatan (Whittle, 2007). Menurut Joseph Hamill dan
Kathleen M. Knutzen tahun 2009, perspektif analisis kinematik menekankan pada
karakteristik gerakan dari sudut pandang spasial dan digunakan dalam waktu yang
bersifat sementara (temporal) tanpa mempedulikan gaya penyebab gerakan. Studi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 3
kinematika terdiri atas penguraian gerakan yang menyebabkan seberapa cepat
benda bergerak, seberapa tinggi benda bergerak dan berapa jauh perpindahannya.
Sehingga posisi, kecepatan dan gerakan adalah perhatian utama pada analisa
kinematik.
Kinetik adalah area studi yang meneliti gaya yang terjadi pada sistem.
Analisis yang dilakukan adalah dengan menguraikan gaya yang menyebabkan
gerakan. Hal ini lebih sulit dilakukan dan dipahami karena gaya tidak dapat
dilihat, hanya efek dari gaya yang dapat diamati. Evaluasi terhadap gaya yang
dihasilkan pada tubuh sangat penting dilakukan, karena bertanggungjawab pada
terbentuknya seluruh gerakan dan untuk mempertahankan posisi atau postur tubuh
saat kita tidak bergerak.
2.1.2 Gerakan Dasar Anggota Gerak Bawah Manusia
Anggota gerak adalah bagian tubuh yang dipergunakan untuk bergerak dan
berpindah tempat. Anggota gerak ini dibagi menjadi anggota gerak atas (lengan
dan tangan, upperlimb) dan anggota gerak bawah (tungkai dan kaki, lower limb).
Tulang-tulang yang membentuk anggota gerak bawah meliputi tulang panggul
(oscoxae),tulang tungkai atas (femur),tulang kering (tibia), tulang betis (fibula),
tulang pergelangan kaki (tarsal bones), tulang telapak kaki (metatarsal),dan
tulang jari kaki (Wibowo, 2005).
Gambar 2.3 Tulang dan sambungan anggota gerak bawah Sumber: Whittle, 2007
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 4
Menurut Joseph Hamill dan Kathleen M. Knutzen tahun 2009, enam
pergerakan dasar terjadi pada berbagai kombinasi di dalam persendian tubuh
anggota gerak bawah. Dua pergerakan pertama yaitu flexion dan extension yang
terjadi pada mata kaki, ankle, pinggul dan jari kaki. Flexion adalah suatu
pergerakan membengkok yang mengurangi sudut relatif persendian antara dua
segmen bersebelahan. Sedangkan extension adalah suatu gerakan meluruskan
yang menambah sudut relatif persendian antara dua segmen bersebelahan seperti
memposisikan persendian kembali ke titik nol atau titik acuan.
Gambar 2.4 Flexion dan extension Sumber: Hamill dan Knutzen, 2009
Abduksi adalah suatu pergerakan menjauh dari sumbu tengah badan atau
ruas tubuh. Memindahkan lengan tangan atau kaki ke luar sisi atau merentangkan
jari tangan atau jari kaki adalah contoh abduksi. Sedangkan, aduksi adalah
pergerakan kembali segmen tubuh ke arah sumbu tengah badan. Gerakan abduksi-
aduksi toes dapat dilakukan atas peran sendi pergelangan kaki dan otot adductor
hallucts.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 5
Gambar 2.5 Abduksi dan aduksi Sumber: Hamill dan Knutzen, 2009
Dua pergerakan dasar yang terakhir melibatkan perputaran (rotasi). Rotasi
dapat berupa medial (internal) atau lateral (eksternal). Rotasi hanya berputar
kearah kanan dan kiri pada kepala dan batang tubuh. Pada saat posisi dasar awal,
perputaran internal atau medial mengacu pada pergerakan suatu segmen dari suatu
sumbu vertikal melalui segmen sedemikian hingga permukaan anterior segmen
bergerak ke arah sumbu tengah badan selagi permukaan posterior bergerak
menjauhi sumbu tengah. Perputaran eksternal atau lateral adalah pergerakan
kebalikan dimana permukaan anterior bergerak menjauhi sumbu tengah dan
permukaan posterior segmen bergerak ke arah sumbu tengah. Otot yang berperan
dalam pergerakan rotasi kaki diantaranya, otot tibialis posterior dimana
menggerakkan toes ke sisi medial, sedangkan otot peroneus longus menggerakkan
bagian toes ke arah lateral. Pergerakan ini sangat bergantung pada persendian
ankle dan subtalar joint.
Gambar 2.6 Rotasi persendian lutut Sumber: Hamill dan Knutzen, 2009
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 6
2.2 BERJALAN CEPAT
Jalan cepat adalah gerak maju dengan melangkah tanpa adanya hubungan
terputus dengan tanah. Setiap kali melangkah kaki depan harus menyentuh tanah
sebelum kaki belakang meninggalkan tanah. Saat melangkah satu kaki harus
berada di tanah, maka kaki tersebut harus lurus atau lutut tidak bengkok dan
tumpuan kaki dalam keadaan posisi tegak lurus (www.moccasport.com, 2009).
Gambar 2.7 Teknik jalan cepat Sumber: www.moccasport.com, 2009
Gambar 2.7 menunjukkan teknik berjalan cepat dimana posisi badan saat
bergerak maju cenderung lebih condong ke depan. Posisi kaki saat melangkah
lurus ke depan satu garis dengan garis khayal dari badan atau garis khayal di
antara kedua ujung kaki (jari-jari) segaris, tidak ke luar atau ke dalam. pada saat
menumpu tumit harus mendarat lebih dahulu terus bergerak ke arah depan secara
teratur.
Menurut Boonstra (1993), pengukuran berjalan cepat sebagai alat dalam
melakukan gait analysis berdasarkan pada asumsi bahwa kecepatan berjalan
adalah parameter dasar yang jika diukur secara objektif dapat menunjukkan
kemampuan berjalan seseorang. Pada umumnya orang normal berjalan lebih cepat
daripada amputee. Kecepatan berjalan amputee dipengaruhi oleh stride length
(jarak perpindahan) dan stride and swing times (waktu perpindahan).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 7
Menurut Taylor, (1996) kecepatan berjalan diklasifikasikan menjadi 3
jenis yaitu lambat, normal dan cepat dengan masing-masing kecepatan secara
berurutan sebesar 4,4 km/jam, 5,1km/jam dan 5,5 km/jam.
2.3 HUMAN LOCOMOTION
Locomotion atau daya penggerak merupakan karakteristik dari manusia,
adalah proses dimana manusia itu bergerak sendiri dari satu posisi geografis ke
posisi yang lain. Locomotion termasuk mulai, berhenti, perubahan kecepatan,
perubahan arah, dan modifikasi untuk perubahan di lereng. Kejadian-kejadian ini,
bagaimanapun, adalah kegiatan sementara yang ditumpangkan pada suatu pola
dasar. Dalam berjalan dan berlari manusia, pola ini dapat didefinisikan sebagai
perpindahan berirama bagian tubuh yang menjaga manusia berjalan maju secara
konstan (Rose, 2006).
2.3.1 Human Locomotion
Jika berjalan adalah kegiatan belajar, tidak mengherankan bahwa tiap
masing-masing individu menampilkan keunikan pribadi tertentu pada pola dasar
gerak bipedal. antropolog fisik telah mempelajari perbedaan antara ras dan
mengukur variasi di bagian rangka. Ahli anatomi menyadari adanya variasi
individu. Semua dari kita menyadari bahwa tiap orang mempunyai cara berjalan
yang berbeda, seseorang dapat mengenali seorang kenalan dengan sikapnya
berjalan bahkan ketika dilihat dari kejauhan. Orang-orang mengubah cara mereka
berjalan ketika memakai sepatu dengan tumit tinggi yang berbeda. Seseorang
berjalan berbeda bila gembira daripada saat mental tertekan (Rose, 2006).
Berjalan merupakan suatu rangkaian dari gait cycle, dimana satu gait cycle
dikenal dengan sebutan langkah (stride). Stride length merupakan jarak linear
antara point saat telapak kaki dari salah satu kaki menapak dengan point
selanjutnya saat telapak kaki yang sama menapak pada lantai. Step length adalah
jarak linear antara point saat salah satu kaki menapak dengan saat kaki yang lain
menapak pada lantai.
Jacquelin Perry (1992) mendifinisikan single gait cycle sebagai suatu
periode dimana salah satu kaki mengenai landasan (ground), mengayun, dan kaki
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 8
tersebut kembali mengenai landasan. Gambar 2.7 menunjukkan pembagian gait
cycle.
Gait cycle terdiri dari 2 periode yaitu periode berdiri (stance) dimana
anggota badan (kaki) mengenai landasan, dan periode mengayun (swing) dimana
anggota badan tidak mengenai landasan. Gait cycle dibagi delapan fase yang
memiliki tiga tugas fungsional anggota tubuh diantaranya, weight acceptance
(WA), single limb support (SLS), dan limb advancement (LA).
Gambar 2.8 Siklus pola jalan (gait cycle) Sumber: Vaughan, 1999
Weight acceptance merupakan tugas fungsional anggota badan dalam
menerima beban badan keseluruhan pada saat berjalan, melakukan penyerapan
goncangan saat berjalan dari gaya jatuh bebas tubuh, stabilisasi awal dalam
periode berdiri dan memelihara momentum forward progression. Tugas tersebut
terdiri dari 2 fase pada gait cycle yaitu initial contact/heel strike (HS) dan loading
respons/foot flat (FF). Periode berdiri diikuti dengan pendukung anggota tubuh
tunggal (single limb support/SLS) terdiri dari fase mid-stance, dan fase terminal
stance. Selama melakukan tugas weight acceptance, anggota badan berdiri dengan
tanggung-jawab untuk menahan berat tubuh sementara anggota tubuh lainnya
berada pada periode mengayun. Tugas fungsional ketiga yaitu limb advancement
(LA), dimana terdapat empat fase yang berperan diantaranya, terminal stance,
pre-swing, initial swing, mid-swing, dan terminal swing. LA dimulai pada akhir
periode berdiri, dimana selama fase tersebut anggota badan melakukan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 9
advancement untuk mempersiapkan fase berikutnya. Fase pre-swing melakukan
sekaligus dua tugas yaitu tugas fungsional single limb support dan limb
advancement (Perry, 1992).
2.3.2 Fase Gait Cycle
Berkaitan dengan waktu, gait cycle pada setiap fase memiliki persentase
waktu tertentu. Christopher L Vaughan (1999) menganalogikan siklus cara orang
berjalan dengan gerak putar roda. Dengan menggambar siklus pola gerakan roda
tersebut, maka titik awal roda akan berputar berulan-ulang, langkah demi langkah.
Dalam persentase waktu gait cycle, 60% dilakukan pada periode berdiri (stance)
dan 40% pada periode berayun (swing).
Gambar 2.9 Diagram waktu gait Sumber: Whittle, 2007
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 10
Gambar 2.10 Persentase gait cycle Sumber: Whittle, 2007
Berikut ini adalah masing-masing fase gait cycle (Whittle, 2007), yaitu :
1. Initial Contact/Heel Strike (HO).
Initial contact adalah awal dari loading respon, yang merupakan periode
pertama dari stance phase. Initial contact sering disebut “ heel strike”, karena
pada individu normal sering kali ada dampak berbeda antara tumit dan tanah, yang
dikenal sebagai “heelstrike transient”. Nama lain untuk kejadian ini adalah “heel
contact, “footstrike” atau “foot contact”.
Gambar 2.11 Gerakan kaki pada fase initial contact Sumber: Whittle, 2007
Bagian trunk berada sekitar setengah panjang langkah di belakang kaki
depan. Pada posisi initial contact bagian trunk berputar, bahu kiri dan sisi kanan
pelvis bergerak menjauh ke sisi depan meninggalkan lengan kiri yang berayun ke
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 11
belakang. Fleksi maksimum pinggul (umumnya sekitar 30°) tercapai sekitar
pertengahan fase ayunan dan berubah sedikit sampai initial contact. Lutut agak
lurus sesaat sebelum terjadi initial contact kemudian fleksi setelah terjadi initial
contact. Jumlah ayunan lengan bervariasi pada setiap orang dan meningkat seiring
bertambahnya kecepatan berjalan. Ketika posisi initial contact Murray (1967)
menemukan rata-rata siku flexion sebesar 8° dan bahu flexion sebesar 45°. Bagian
ankle menuju posisi netral atau datar.
2. Loading Respons (Foot Flat).
Fase loading respons adalah periode double support antara fase initial
contact dan fase mid- stance. Fase loading respons terjadi pada persentase waktu
sekitar 7% dari gait cycle. Bagian atas tubuh selama loading respons, trunk berada
pada posisi terbawahnya sekitar 20 mm di bawah posisi normal, seperti
ditunjukkan pada gambar 2.11.
Gambar 2.12 Gerakan kaki fase loading respons Sumber: Whittle, 2007
Saat fase loading respons, bagian arms bergerak secara maksimal ke
posisi depan dan belakang, sedangkan bagian hip memanjang akibat kontraksi otot
ekstensor sejauh 25°. Lutut kaki kiri (warna terang) mulai flexi menuju puncak
flexi stance phase dan posisi ankle kaki kanan (warna gelap) mendekati datar
penuh.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 12
3. Mid-stance.
Fase mid-stance adalah akhir dari periode double support dan awal dari
periode single support. Fase mid-stance terjadi pada periode persentase waktu gait
cycle pada 7-32% dan mewakili 18% dari gait cycle. Hip mengalami fleksi
sebesar 25%. Bersamaan pada fase ini, terjadi perpindahan berat oleh kaki pada
periode stance (kaki kanan, warna gelap), sedangkan kaki lainnya (kaki kiri,
warna terang) berada fase mid-swing (lihat gambar 2.13).
Gambar 2.13 Gerakan kaki fase mid-stance Sumber: Whittle, 2007
Pada posisi mid-stance, energi kinetik berubah menjadi energi potensial.
Trunk naik ke posisi tertinggi sekitar 20 mm di atas level rata-rata dan perputaran
trunk sudah tidak ada. Gerakan sisi ke sisi trunk mencapai puncaknya pada posisi
mid-stance dan berubah posisi sekitar 20 mm dari posisi tengah. Seperti kaki,
lengan melewati satu sama lain selama mid-stance karena mengikuti masing-
masing kaki yang berbeda.
4. Terminal Stance (Heel Off).
Fase terminal stance disebut juga opposite initial contact karena posisi
kaki kanan dan kiri berlawanan dengan posisi initial contact. Fase terminal
stance terjadi pada periode 50% dari waktu gait cycle, seperti diperlihatkan oleh
gambar 2.14. Berat badan dipindahkan dan bertumpu ke bagian bawah kaki depan
(toe).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 13
Gambar 2.14 Gerakan kaki pada fase terminal stance Sumber: Whittle, 2007
Saat tubuh bergerak ke depan, beban tubuh berpindah dari bagian tumit ke
bagian jari kaki. Saat fase ini, bagian heel meninggi yang diikuti kenaikan knee
flexion 0°-40° dan hip extension 20°-0°. Kenaikan bagian heel menyebabkan trunk
bergerak turun dari posisi tertingginya. Ankle dalam posisi peralihan dari dorsi
flexion sebesar 10° lalu bergerak 20° plantar flexion. Posisi tubuh mulai jatuh ke
depan dengan salah satu kaki berayun untuk mencapai tanah. Dalam posisi ini
berat tubuh mulai berpindah dari belakang menuju left leg.
5. Pre-Swing (Toe-Off).
Fase pre-swing dimulai dengan fase initial contact (heel strike) oleh kaki
kiri (warna terang), dan kaki kanan (warna gelap) berada posisi meninggalkan
landasan untuk melakukan periode mengayun (toe-off), seperti ditunjukkan oleh
gambar 2.15. Periode waktu pre-swing terjadi pada persentase waktu gait cycle
50-57%, dan mulai terjadi pelepasan berat tubuh oleh kaki yang bersangkutan.
Gambar 2.15 Gerakan kaki pada fase pre-swing Sumber: Whittle, 2007
Posisi ini menyebakan terjadi rotasi yang extreme pada tubuh bagian atas,
dimana bagian trunk, arms, dan trunk berotasi dari titik normalnya. Dalam posisi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 14
ini, bagian hip tetap dalam kondisi flexion sedangkan knee flexion bergerak
menurun dari sudut elevasi sebesar 40° hingga 0°. Ankle berada dalam puncak
plantar flexion dimana membentuk sudut sebesar 25°.
6. Initial Swing (Acceleration).
Fase swing merupakan fase dimana kaki tidak berada di landasan atau
pada posisi berayun. Fase swing terdiri dari tiga fase yaitu: Initial swing, mid-
swing, dan terminal swing. Fase keenam merupakan fase initial swing, dimana
kaki mulai melakukan ayunan, persentase initial swing adalah 60%-73% dari
periode waktu gait cycle. Fase initial swing dimulai pada saat telapak kaki kanan
(warna gelap) mulai diangkat dari posisi landasan (toe off), sedangkan kaki kiri
(warna terang) berada pada posisi mid-stance, seperti ditunjukkan oleh gambar
2.16 (Perry, 1992).
Gambar 2.16 Gerakan kaki fase pada initial swing Sumber: Perry, 1992
7. Mid-Swing.
Fase kedua dari periode swing adalah fase mid-swing yang ditunjukkan
pada gambar 2.17. Fase mid-swing yang dimulai dengan ayunan kaki kanan dan
dilanjutkan sampai kaki kanan (warna gelap) mengayun maju berada di depan
anggota badan sebelum mengenai landasan dan kaki kiri lurus (hip dan knee
sejajar). Fase mid-swing terjadi pada periode waktu gait cycle 73%-87%, dimana
kaki kiri (warna terang) berada pada fase mid-stance (Perry, Jacquelin, 1992).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 15
Gambar 2.17 Gerakan kaki pada fase mid-swing Sumber: Perry, 1992
8. Terminal Swing (Decceleration).
Fase terminal swing merupakan akhir dari gait cycle, terjadi pada periode
waktu gait cycle 87%-100%. Fase ini berfungsi untuk perlambatan limb dan
persiapan perpindahan berat. Fase terminal swing dimulai pada saat akhir dari fase
mid-swing, dimana tungkai kaki mengalami perpanjangan maksimum dan
berhenti pada saat heel telapak kaki kanan (warna gelap) mulai mengenai
landasan. Pada periode ini, posisi kaki kanan (warna gelap) berada kembali berada
depan anggota badan, seperti pada posisi awal gait cycle, seperti ditunjukkan oleh
gambar 2.18.
Gambar 2.18 Gerakan kaki pada fase terminal swing Sumber: Whittle, 2007
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 16
2.4 ANALISIS GERAK BIOMEKANIKA
Menurut Michael W. Whittle (2007) biomekanika adalah disiplin ilmu
yang mempelajari sistem biologi, seperti tubuh manusia, dengan metode teknik
mesin. Bagian terpenting pada gerakan berjalan dari pengguna prosthetic adalah
keseimbangan beban tubuh amputee. Sehingga prosthetic yang baik harus
mampu memberikan keseimbangan beban. Gerakan berjalan pada orang normal,
memperlihatkan bagaimana kedua kaki saling menyeimbangkan beban tubuh
dalam pergerakan berpindah. Pada saat berjalan dan kaki menyentuh lantai, beban
tubuh yang dihasilkan dari efek tekanan gravitasi bumi akan menimbulkan gaya
reaksi ke atas. Pada amputee, pemindahan gaya pada prosthetic dan kaki yang lain
dikatakan baik apabila selama proses berjalan pengguna prosthetic melangkah
secara normal yaitu tidak terjadi gap dengan kaki yang sehat (Wibowo, 2009).
2.5 ANTHROPOMETRI DATA BIOMEKANIKA
Anatomi tubuh manusia terdiri dari segmen tubuh yang dihubungkan oleh
persendian. Analisis biomekanika digunakan untuk memodelkan manusia dalam
suatu sistem benda jamak yang tersusun dari link (penghubung) dan joint
(sambungan). Link mewakili segmen tubuh dan joint menggambarkan sendi yang
ada. Menurut Chaffin (1999), tubuh manusia terdiri dari enam link, sebagai
berikut:
1. Link lengan bawah yang dibatasi oleh joint telapak tangan dan siku.
2. Link lengan atas yang dibatasi oleh joint siku dan bahu.
3. Link punggung yang dibatasi oleh joint bahu dan pinggul.
4. Link paha yang dibatasi oleh joint pinggul dan lutut.
5. Link betis yang dibatasi oleh joint lutut dan mata kaki.
6. Link kaki yang dibatasi oleh joint mata kaki dan telapak kaki.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 17
Gambar 2.19 Tubuh sebagai sistem enam link dan joint Sumber: Chaffin, 1999
Menurut Chaffin (1999), anthropometri merupakan ilmu yang
berhubungan dengan pengukuran massa, bentuk, ukuran dan inersial tubuh
manusia. Hasil dari pengukuran ini berupa data statistik yang menggambarkan
ukuran, massa dan bentuk tubuh manusia. Data anthropometri merupakan
fundamen dasar biomekanika yang digunakan untuk membangun model
biomekanika yang mengkaji kekuatan dan gaya pada tubuh manusia.
Pengukuran anthropometri segmen tubuh manusia disetarakan dengan
model benda jamak. Panjang setiap link diukur berdasarkan persentase tertentu
dari tinggi badan, sedangkan beratnya diukur berdasarkan persentase dari berat
badan. Penentuan center of mass tiap link didasarkan pada persentase standar yang
diadaptasi dari penelitian Dempster (1955) dalam Chaffin (1999) seperti
digambarkan pada gambar 2.20. Link tiap segmen berotasi di sekitar sambungan
dan secara mekanika terjadi mengikuti hukum Newton. Prinsip ini digunakan
untuk menyatakan gaya mekanik pada tubuh dan gaya otot yang diperlukan untuk
mengimbangi gaya-gaya yang terjadi.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 18
Gambar 2.20 Permodelan titik-titik pusat massa dempster Sumber: Chaffin, 1999
Pada penentuan massa tiap segmen, tubuh manusia digambarkan sebagai
stick diagram seperti pada pemodelan Dempters (1955) dalam Chaffin, (1999).
Persentase massa segmen tubuh ditentukan berdasarkan pemodelan distribusi
berat tubuh (Webb Associaties, 1978 dalam Chaffin, 1999).
Tabel 2.1 Pemodelan distribusi berat badan
a. Head 73,80 %b. Neck 26,80 %a. Thorax 43,80 %b. Lumbar 29,40 %c. Pelvis 26,80 %a. Upperarm 54,90 %b. Forearm 33,30 %c. Hand 11,80 %a. Tight 63,70 %b. Shank 27,40 %c. Foot 8,90 %
15,70 %
Group Segment (%) of Total Body Weight
Individual Segment (%) of Group Segment Weight
Head and Neck
Torso
Total Arm
Total Leg
8,4 %
50,0 %
5,10 %
Sumber: Webb Associaties, 1978
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 19
2.6 KESEIMBANGAN GERAK BIOMEKANIKA
Pada pengguna prosthetic, analisis biomekanika digunakan untuk
mengetahui pola berjalan amputee apakah telah sesuai dengan pola berjalan
normalnya (Radcliffe dan Foort, 1991). Hal ini diketahui dengan keseimbangan
gaya dan torsi serta tingkat keluaran energi selama amputee berjalan dalam suatu
periode waktu.
2.6.1 Keseimbangan Gerakan Manusia
Keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan kesetimbangan
tubuh ketika ditempatkan diberbagai posisi. Definisi menurut O’Sullivan (2008),
keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan pusat gravitasi pada
bidang tumpu terutama ketika saat posisi tegak. Selain itu menurut Thomson
(2008), keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan tubuh dalam
posisi kesetimbangan maupun dalam keadaan statis atau dinamis, serta
menggunakan aktivitas otot yang minimal. Keseimbangan juga bisa diartikan
sebagai kemampuan relatif untuk mengontrol pusat massa tubuh (center of mass)
atau pusat gravitasi (center of gravity) terhadap bidang tumpu (base of support).
Keseimbangan melibatkan berbagai gerakan di setiap segmen tubuh dengan di
dukung oleh sistem muskuloskleletal dan bidang tumpu. Kemampuan untuk
menyeimbangkan massa tubuh dengan bidang tumpu akan membuat manusia
mampu untuk beraktivitas secara efektif dan efisien.
Hall (1999) menyebutkan bahwa equilibrium merupakan karakteristik
keadaan dimana terjadi keseimbangan gaya dan torsi (momen gaya). Berdasarkan
hukum Newton pertama, tubuh dalam kondisi equilibrium ketika dalam keadaan
diam (motionless) atau bergerak dengan kecepatan konstan. Ketika tubuh dalam
keadaan diam, misalnya keseimbangan saat berdiri dengan satu kaki, kondisi ini
disebut sebagai static equilibrium. Dynamic equilibrium merupakan kondisi
dimana terjadi keseimbangan antara gaya luar dan gaya inersial pada obyek yang
bergerak. Tubuh yang bergerak dikatakan dalam kondisi dynamic equilibrium,
apabila semua gaya yang bereaksi pada tubuh seimbang dengan gaya inersial yang
melawan gaya reaksi tubuh tersebut.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 20
2.6.2 Torsi
Menurut Hall (1999), selain bergerak sesuai arah bekerjanya, benda
cenderung untuk memutar dalam suatu sumbu. Perputaran benda tersebut
dikarenakan adanya gaya yang menyebabkan perpindahan, atau disebut torsi.
Torsi (T) yang juga dikenal sebagai puntiran (momen gaya) merupakan hasil kali
antara gaya (F) dan lengan gaya (d).
T = F x d.................................................................................persamaan 2.2
Gambar 2.21 Sebuah torsi
Sumber: Lohat, 2010
Pada tubuh manusia, torsi dibangkitkan oleh otot dalam suatu pusat
persendian yang merupakan hasil dari gaya yang bereaksi terhadap jarak antara
garis gaya otot dengan pusat persendian tersebut (Hall, 1999). Saat joint bergerak
pada suatu jarak, terjadi perubahan momen gaya pada otot yang melintasi
persendian. Perubahan pada momen secara langsung menyebabkan joint torque
yang dibangkitkan oleh otot. Saat berjalan, secara signifikan akan lebih banyak
gaya diperlukan ketika torsi dibangkitkan oleh single support foot dimana momen
akan mengurangi jarak antara tulang metatarsal dengan calcaneus.
Young dan Freedman (1999) dalam Fisika Universitas menyatakan bahwa
torsi merupakan besaran vektor, sehingga selain mempunyai besar, torsi juga
mempunyai arah. Suatu vektor T mempunyai arah tegak lurus terhadap bidang
benda. Arah T adalah tergantung pada arah berputarnya benda akibat gaya F dan d
yang merupakan jarak gaya dari titik acuan (sumbu 0). Apabila arah rotasi
berlawanan dengan putaran jarum jam, maka torsi bernilai positif. Sebaliknya,
apabila arah rotasi searah dengan putaran jarum jam, maka arah torsi bernilai
negatif. Penentuan arah torsi secara umum dilakukan dengan menggunakan
kaidah aturan tangan kanan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 21
2.6.3 Work
Work merupakan kombinasi lain dari analisis kinematika dan kinetika
(Karduna, 2004). Secara ilmiah work terjadi ketika gaya bekerja pada suatu objek
sehingga objek bergerak dalam jarak tertentu. Sebuah gaya melakukan work
apabila benda yang dikenai gaya mengalami perpindahan. Work merupakan
besaran skalar, dimana satuan dalam Sistem Internasional (SI) adalah Joule.
Secara matematis, usaha yang dilakukan oleh gaya didefinisikan sebagai hasil kali
perpindahan (s, θ) dengan gaya (F, T) yang searah dengan perpindahan.
Wtranslasi = F x s
Wrotasi = T x θ..........................................................................persamaan 2.3
Gambar 2.22 Usaha oleh sebuah gaya
Sumber: Lohat, 2010
Analisis perubahan kerja mekanik dalam center of mass (COM) pada
gerakan berjalan manusia dibedakan menjadi dua macam perspektif (Willems,
1994). Perspektif pertama adalah internal work dimana merupakan perubahan
energi mekanik relatif terhadap COM akibat internal force yang menyebabkan
terjadinya pergerakan pada tubuh. Perspektif kedua adalah external work dimana
berkebalikan dengan konsep internal work. Pergerakan segmen tubuh relatif
terhadap COM yang diakibatkan adanya external force dimana terjadi perubahan
energi relatif terhadap COM disebut sebagai external work.
2.6.4 Energi
Whittle (2007) mengemukakan, keistimewaan dari normal gait adalah
bagaimana energi disimpan dalam jumlah yang optimal saat berjalan. Salah satu
bentuk pola abnormal gait adalah hilangnya kestabilan yang menyebabkan
pengeluaran energi yang berlebihan sehingga tubuh mudah lelah. Pengukuran
transfer energi selama berjalan pada persendian dan konsumsi energi secara
keseluruhan merupakan bagian penting dalam analisis cara berjalan ilmiah.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 22
Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja
(Winter,1990). Usaha dilakukan ketika energi dipindahkan dari satu benda ke
benda lain. Jumlah total energi pada sistem dan lingkungan bersifat kekal (Young
dan Freedman, 1999). Energi tidak pernah hilang, tetapi hanya dapat berubah
bentuk dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain. Secara garis besar,
energi terbagi dalam dua macam, energi potensial dan energi kinetik.
Energi kinetik (EK) merupakan energi gerak. Tubuh memproses energi
kinetik hanya saat tubuh dalam keadaan bergerak. Jika tubuh tidak bergerak maka
v = 0 besarnya energi kinetik juga nol. Berikut persamaan matematis energi
kinetik dalam gerak translasi dan gerak rotasi (angular).
2
21
mvEK translasi =…………………………………………persamaan 2.4
2
21 wIEK rotasi = ....................................................................persamaan 2.5
Dengan; EK = Energi kinetik (J)
m = Massa (kg)
v = Kecepatan (m/s)
Bentuk yang lain dari energi adalah energi potensial, dimana merupakan
energi yang menyatakan posisi suatu objek. Persamaan matematis energi
potensial, sebagai berikut:
PE = mgh..............................................................................persamaan 2.6
Dengan; PE = Energi potensial (J)
m = Massa (kg)
g = Gaya gravitasi (m/s2)
h = Tinggi pusat massa (m)
Pada aplikasi biomekanik perubahan energi potensial disebabkan oleh
adanya perubahan tinggi dari pusat massa, karena biasanya massa tubuh manusia
cenderung tetap. Hall (1999) menyatakan, energi potensial disebut sebagai energi
penyimpanan. Hal ini merupakan bentuk implikasi dari adanya energi kinetik
dalam tubuh ketika bergerak. Salah satu bentuk potensial energi adalah spring
potensial energy (PEs) atau energi potensial elastis.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 23
2
21
kxPEs = ............................................................................persamaan 2.7
dengan k merupakan konstanta elastis yang menunjukkan keelastisan bahan atau
kemampuan untuk menyimpan energi dan berdeformasi. Sedangkan x
menunjukkan besarnya deformasi yang terjadi otot.
2.6.5 Persamaan Gerak Dinamis Lagrange
Model matematika digunakan dalam menemukan solusi optimal gerakan
manusia yang dianalogikan dalam suatu sistem benda jamak yang tersusun dari
stick diagrams pada setiap joint yang saling terhubung membentuk satu kesatuan.
Perilaku dinamik dari sebuah sistem dinyatakan dalam besaran kinematik dan
kinetika. Pada penelitian ini perilaku dinamik dirumuskan melalui persamaan
lagrange berdasarkan sintesis pergerakan manusia oleh Winter (1990), Lagrange
merupakan konsep matematik dinamis yang menggabungkan displacement, usaha
(work) dan energi yang bekerja pada sistem, sebagai fungsi dari generalized
coordinates, untuk memperoleh turunan kedua dari persamaan gerak.
Lagrangian (L) dari suatu sistem dikatakan sebagai perbedaan antara
jumlah energi kinetik yang terjadi dalam sistem dan jumlah energi potensial dalam
sistem.
L = KE - PE............................................................................persamaan 2.8
Bentuk umum teori lagrange tentang gerak terdapat dalam persamaan 2.7.
iii
QqL
qL
dtd
=¶¶
-¶¶
×&
..................................................................persamaan 2.9
dengan t menunjukkan waktu, q menunjukkan generalized coordinat dan Q
menunjukkan generalized force. Adapun generalized coordinates (q)
digambarkan sebagai parameter yang merepresentasikan sistem konfigurasi secara
jelas dalam sistem koordinat.
[q]t = [q1, q2, ...., qn]........................................................... ..persamaan 2.10
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 24
2.7 HUMAN AMPUTEE GAIT
Munculnya gaya berjalan normal manusia (normal gait) ditentukan oleh
berbagai karakteristik gerak manusia. Begitu pula gerak berjalan pada amputee,
akan tergantung pada kondisi penentu, misalnya saja sisa bagian tubuh setelah
diamputasi (sendi, rangka, joint dan otot), sejauhmana penggunaan prosthetic
mampu menggantikan bagian tubuh yang hilang sesuai fungsional kaki serta
interface yang dibangun antara tubuh dan prosthetic.
Perbedaan yang nyata terjadi pada amputee gait adalah durasi waktu
selama siklus berjalan (gait cycle). Permasalahan pada fase berdiri seringkali
muncul pada amputee pengguna prosthetic. Ketidaksesuaian knee flexion pada
awal fase berdiri terjadi karena ketidakstabilan pada bagian knee. Beberapa
masalah juga muncul pada penempatan posterior foot, socket flexion dan
hyperdorsiflexion yang terjadi pada ankle.
Modiolateral knee dapat pula diamati pada fase berdiri. Penempatan foot
yang tidak tepat, kelebihan tekukan pada socket dan dimensi socket yang terlalu
melebar sehingga mengurangi kontrol di bagian knee, menjadi salah satu
penyebabnya. Seringpula amputee mudah terjatuh saat berjalan, sebab kurang
sempurnanya penyesuaian foot terutama pada bagian ankle sehingga terjadi
hyperdorsiflexion.
Rotasi external terjadi pada fase heel strike dalam amputee gait cycle.
Penyebabnya adalah kontruksi pada bagian foot (ankle dan SACH) pada kaki
prosthetic. Kontruksi foot terlalu keras dan penempatan yang kurang pas,
sehingga terjadi gerakan yang tidak tepat pada bagian ankle.
Gambar 2.23 Amputee gait Sumber: www.life.com, 2008
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 25
Kenaikan yang terlalu cepat pada heel saat melangkah juga menjadi salah
satu titik perhatian dalam amputee gait. Proses fitting prosthetic yang tidak tepat
pada setiap amputee menjadi salah satu penyebabnya. Hal ini menjadi penting
karena setiap amputee mempunyai karakteristik berbeda pada tipe amputasi dan
kondisi stump yang tersisa dari hasil amputasi.
Beberapa masalah dalam amputee gait juga terjadi dalam fase mengayun
(swing phase). Hal terpenting dalam fase mengayun adalah kemampuan untuk
menahan berat dan mengayunkan kaki dengan ringan. Ketika kemampuan itu
tidak dimiliki oleh prosthetic maka akan terjadi ketidakseimbangan cara berjalan
amputee. Sistem suspensi yang buruk, fitting prosthetic yang tidak tepat (terlalu
panjang dari kaki normal) dan ketidaksesuaian knee flexion, menjadi salah satu
penyebabnya. Dalam mengkoordinir, fase mengayun yang lebih lembut, sebuah
prosthetic harus difasilitasi dengan energy-efficient joint yang mampu
menyediakan transfer energi yang cukup dari tubuh ke dalam prosthetic dimana
gerakan pada hip dan knee akan tersinkronisasi secara merata.
2.8 ABOVE KNEE PROSTHETIC
Prosthetic kaki adalah alat ganti anggota gerak tubuh bagian bawah yang
hilang. Ketiadaan kaki bagian atas lutut (above-knee) menyebabkan amputee
kehilangan sebagian paha, knee, shank, dan bagian foot. Penggunaan prosthetic
membantu amputee dalam melakukan aktivitas sehari-hari.
Gambar 2.24 Prosthetic kaki atas lutut Sumber: www.ortotikprostetik.blogspot.com, 2010
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 26
2.8.1 Komponen prosthetic atas lutut
Pemakai prosthetic atas lutut adalah seseorang yang kehilangan anggota
gerak bawah dari bagian paha. Komponen dasar dari prosthetic atas lutut (above-
knee) terdiri dari sabuk atau sistem suspensi, socket, bagian paha (hip), bagian
lutut (knee), bagian betis (shank), bagian telapak kaki (foot dan ankle). Bentuk
prosthetic atas lutut ditunjukkan pada gambar 2.26 di bawah ini.
Gambar 2.25 Komponen prosthetic atas lutut Sumber: www.scipolicy.net, 2009
Berdasarkan penelitian Staff Prosthetics and Orthotics (1990) dalam
Lower Limb Prosthetics, berikut penjelasan komponen penyusun prosthetic atas
lutut yaitu:
1. Sistem Suspensi.
Sistem suspensi merupakan bagian yang berfungsi untuk mengaitkan
keseluruhan prosthetic pada bagian dari tubuh. Tujuannya agar prosthetic
terpasang sempurna pada tungkai kaki. Secara garis besar terdapat tiga macam
sistem suspensi yaitu, cuff suspension dimana manset diikatkan pada bagian paha,
waist belt dimana manset diikatkan mengelilingi pinggang serta thigh corset
dimana menggunakan sistem waist belt yang dililitkan pada pinggang dan
terdapat tambahan yaitu paha dipasang korset yang berfungsi untuk lebih
memperkuat penggantung.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 27
Gambar 2.26 Sistem Suspensi Sumber: Staff Prosthetics and Orthotics, 1990
2. Socket.
Socket adalah bagian prosthetic sebagai tempat puntung kaki (stump) yang
masih tersisa. Socket merupakan alat yang dibentuk dan disatukan dengan shank.
Bagian ini menyambung atau berhubungan langsung dengan stump, bahkan tidak
jarang socket menempel tepat pada bagian stump. Socket harus mampu
menyokong bobot tubuh dan mendukung stump secara kuat dan nyaman untuk
semua aktivitas pengguna. Socket dibuat menempel pada stump secara kuat untuk
mengurangi gerakan atau gesekan antara socket dan kulit. Gesekan antara socket
dan kulit akan menyebabkan pengguna merasa kurang nyaman selama
beraktivitas, dan mengakibatkan resiko yang lebih besar pada abrasi kulit.
3. Knee.
Bagian lutut (knee) merupakan joint untuk menggantikan sendi lutut yang
menghubungkan bagian paha dengan bagian betis. Knee prosthetic dibuat
berdasarkan data lebar, dan tinggi lutut saat duduk. Adapun 3 fungsi utama knee
prosthetic, sebagai berikut:
a. Mendukung gerak berjalan amputee saat stance phase (berdiri).
b. Menghasilkan kontrol untuk memperhalus ayunan langkah selama swing
phase.
c. Mengatur keleluasaan gerak saatt duduk dan berlutut.
4. Shank.
Shank merupakan bagian penghubung antara foot, ankle dan socket. Shank
berfungsi untuk memindahkan dan membagi beban dari socket ke bagian foot.
Cuff Suspension
Waist Belt
Tight Corset
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 28
Terdapat dua jenis shank yaitu eksoskeletal dan endoskeletal. Eksoskeletal shank
pada umumnya dibuat dari bahan yang ringan namun kuat dan kokoh. Bahan yang
sering dipakai misalnya plastik, aluminium dan kayu. Pada eksoskeletal shank,
ruang bagian bawah socket dan blok ankle dilubangi untuk mengurangi berat.
Pada endoskeletal shank, terdapat tambahan tumpuan yang berupa tonggak untuk
lebih memperkokoh dan memudahkan pemindahan beban dari socket ke bagian
foot. Tonggak pada endoskeletal shank biasanya terbuat dari metal pylon. Bagian
luar juga dilapisi dengan bahan yang lembut agar penampilan menyerupai kaki
yang sebenarnya. Bentuk kedua jenis shank dapat dilihat pada gambar 2.28 dan
gambar 2.29.
Gambar 2.27 Eksoskeletal shank, Sumber: catalog.orthoremedy.com,2010
Gambar 2.28 Endoskeletal shank Sumber:www.ottobockus.com,2010
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 29
Keuntungan eksoskeletal shank yaitu selain murah, pembuatannya mudah,
pelapisan bagian luar lebih berdaya tahan. Kekurangan dari shank ini yaitu
kemampuan menopang tubuh lebih kecil dibanding endoskeletal shank.
Keuntungan endoskeletal shank yaitu lebih modern, mampu menopang beban
tubuh, dan lebih kuat. Kekurangan shank ini yaitu mahal, pembuatan sulit dan
rumit.
5. Foot – Ankle.
Foot (kaki dasar) dan ankle merupakan komponen yang menjadi tumpuan
pergerakan, memberi dukungan selama posisi setengah berdiri tegak, dan
menyesuaikan ayunan untuk membuat tubuh tegak dan bergerak ke depan pada
tahap selanjutnya.
SACH foot prosthetic merupakan salah satu bagian pada kaki prosthetic.
SACH (Solid Ankle Cushion Heel) foot terdiri dari heel kayu, material yang
dimampatkan di sekitar heel, sabuk yang dipasangkan dibawah heel sampai ke
bagian jari kaki, palang atau baut yang menjaga kaki ke tulang kering, dan
cushion heel.
Terdapat empat macam tipe ankle joint pada prosthetic, yaitu ankle joint
single axis, ankle joint double axis, ankle joint multiple axis dan ankle joint sistem
energy recovery. Setiap karakteristik ankle joint ini mempunyai fungsi yang
berbeda-beda sesuai sistem yang ditanamkan pada masing-masing ankle. Ankle
joint sistem double axis mempunyai kemampunan untuk menggerakkan foot dorsi
flexion dan plantar flexion. Sistem ini memperbaiki sistem single axis dimana foot
tidak leluasa bergerak layaknya kaki normal. Perkembangan ankle joint multiple
axis memungkinkan kaki untuk bergerak dengan mudah secara plantarflexion,
dorsiflexion, pronation atau supination maupun rotasi. energy recovery ankle joint
memberikan kemampuan pada kaki untuk menyimpan dan melepaskan energi saat
melakukan pergerakan sehingga amputee dapat berjalan dengan lebih nyaman.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 30
Gambar 2.29 SACH foot Sumber: www.medexinternational.com, 2009
2.9 ENERGY STORING KNEE PROSTHETIC
Permasalahan prosthetic pada dasarnya lebih banyak menekankan pada
komponen joint dan link sesuai fungsi tubuh. Dalam menghasilkan prosthetic
yang baik agar mampu mengakomodir kondisi lapangan yang di lingkungan
sekitar, hal ini tergantung pada kemampuan dalam perancangan pada knee joint
yang menghubungkan antara tubular shank dan socket. Semakin baik perancangan
knee joint semakin baik juga performasi prosthetic yang dihasilkan untuk mampu
menjawab kondisi lingkungan sekitar. Adapun prosthetic atau kaki palsu yang
memiliki knee joint atau sendi lutut umumnya digunakan oleh para penderita
amputasi atas lutut (above-knee amputee).
Desain above-knee prosthetic konvensional memiliki tingkat kestabilan
yang cukup pada saat stance phase. Tetapi pada saat swing phase, kaki hanya
mengayun seperti pendulum yang mengayunkan bagian shank dan foot.
Kelemahan dari desain ini adalah kecepatan ayunnya sangat rendah, dan tidak
dapat beradaptasi dengan perubahan kecepatan, selain itu konsumsi energi yang
diperlukan akan bertambah, bilamana pengguna ingin menambah kecepatan
langkahnya.
Energy storing prosthetic merupakan salah satu bentuk perkembangan dari
teknologi prosthetic. Teknologi ini memperbaiki cara berjalan amputee dari sisi
fleksibilitas, kenyamanan dan kemampuan mekanis dalam melakukan aktifitas
sehari-hari. Secara dinamis, energy storing prosthetic mengakomodasi
kemampuan untuk melintasi daerah permukaan yang tidak rata, berbeda
ketinggian dan kenyamanan serta stabilitas untuk berjalan di berbagai permukaan
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 31
bidang. Selain itu, teknologi ini memberikan stabilitas dalam berbagi kegiatan
olahraga.
Cara kerja energy storing prosthetic berbeda degan cara kerja jenis
prosthetic lain. Konsep energy storing menganalogikan sebagai sebuah peer yang
menggantikan fungsi otot hamstring dan quadriceps yang berada di sepanjang
thigh (paha) sampai knee (lutut). Ketika meregang dan mengendur tendon ini
menyimpan dan kemudian melepaskan energi potensial elastis. Gerakan peer yang
terdapat pada knee prosthetic inilah yang akan mengurangi jumlah kerja yang
harus dilakukan otot kaki amputee akibat gaya ayun ketika beraktifitas.
Above-knee prosthetic dengan energy storing didesain dengan
menambahkan komponen mechanical spring pada bagian knee joint atau sering
juga disebut Energy Storing Prosthetic Knee (ESPK). Mechanical spring
digunakan untuk menyimpan tenaga pada saat kaki menekuk (flexion) yang
diberikan oleh berat tubuh pengguna lalu dilepaskan kembali agar knee joint dapat
melakukan extension dengan mudah dan cepat. Desain prosthetic dengan energy
storing ini memberikan respon untuk melakukan extension dengan cepat sehingga
sangat cocok digunakan pada amputee untuk melakukan aktifitas-aktifitas
olahraga ekstrem, misalnya panjat tebing dan bermain ski. Salah satu prosthetic
energy storing yang mempunyai desain dengan mechanical spring (coil-over
spring) ini yaitu XT9 energy storing prosthetic knee yang diproduksi Symbiotechs
USA.
Gambar 2.30 XT9 Energy storing prosthetic knee Sumber: Symbiotechs USA, 2006
Desain lain dari energy storing prosthetic adalah dengan mengganti
komponen mechanical spring dengan komponen gas spring. Gas spring atau juga
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 32
bisa disebut gas struts adalah salah satu perangkat energy storing, dimana prinsip
kerjanya sama dengan prinsip kerja mechanical spring. Mechanical spring
menyimpan energi dengan memberi tekanan pada material penyusunnya. Gas
spring menyimpan energi dengan cara mengkompresi gas nitrogen yang terdapat
pada gas spring. Semakin ditekan maka ruang udara dalam gas spring akan
semakin berkurang yang menyebabkan tekanan gas semakin meningkat dan
semakin menyimpan banyak energi.
.
Gambar 2.31 Energy storing prosthetic knee Sumber: Ardian U., 2010
Kelebihan gas spring dibandingkan dengan mechanical spring terdapat
pada kecepatan respon, gas spring cenderung lebih smooth dibandingkan dengan
mechanical spring. Dengan mengganti penggunaan mechanical spring dengan gas
spring pada ESPK memungkinkan pengguna above-knee prosthetic leg dapat
menggunakan ESPK untuk aktivitas keseharian dengan berkurangnya respon
untuk melakukan extension yang membuat amputee lebih nyaman saat berjalan.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 33
2.10 PENELITIAN SEBELUMNYA
Boris S . Farber, DSc, PhD dan Jacob S . Jacobson, PhD pada tahun 1995
melakukan kajian mengenai prostetik atas lutut dengan system energy recovery.
Penelitian ini dilakukan pada 32 pasien yang berumur 17-82 tahun. Sebelumnya,
pasien mayoritas menggunakan prosthetic dengan uniaxial knee, tiga pasien
menggunakan 4-bar linkage, dan enam pasien dipakaikan prosthetic baru dengan
mekanisme 4-bar linkage. Hasil penelitian ini didapatkan koefisien energy
recovery meningkat 30% dibandingkan dengan AK prosthetic konvensional.
Konsumsi energi menurun 35% selama berjalan dengan prosthetic baru.
F. Farahmand, T. Rezaeian, R. Narimani and P. Hejazi Dinan pada tahun
2006 melakukan kajian mengenai kinematik dan analisis dinamik gait cycle pada
amputee atas lutut. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengukur dan
menganalisis variabel dinamik dan kinematik. Karakteristik gait dari lima
transfemoral amputee dan lima subjek normal diukur dengan menggunakan
videografi dan force platform. Tubuh subjek dimodelkan pada bidang sagital 2D
dibagi menjadi 8 segmen dan dianalisis dengan pendekatan kinematik dan
dinamik. Hasilnya, terdapat perbedaan yang signifikan antara subjek amputee dan
subjek normal, tetapi perbedaan antara kaki yang utuh dan kaki yang teramputasi
tidak terlalu signifikan. Kinematik kaki utuh amputee dan kaki orang normal
hampir sama tetapi kaki yang teramputasi mempunyai lebih banyak keterbatasan
gerak angular. Momen hip kaki amputee yang utuh lebih besar dari momen kaki
normal ( 2,08 Nm/kg dibanding 1,68 Nm/kg) dan momen lututnya juga
(1,84Nm/kg dibanding 1,14 Nm/kg). Sedangkan momen hip kaki teramputasi
lebih rendah dari kaki normal ( 0,97 Nm/kg dibanding 1,67 Nm/kg)
Yulie Khrisna pada tahun 2006 melakukan kajian mengenai usulan
perbaikan pada prosthetic anggota gerak bawah jenis socket quardrilateral
berdasarkan pendekatan biomekanika. Penelitian ini dilakukan terhadap pengguna
prothese kaki atas lutut jenis soket quardilateral. Hal yang dikaji dalam penelitian
ini adalah gaya dan momen pada tiap persendian anggota gerak bawah serta
energi expenditure pengguna prothese kaki atas lutut saat melakukan aktivitas
jalan. Dari pengolahan data yang dilakukan dapat diketahui bahwa energi
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 34
expenditure yang dikeluarkan pengguna untuk gerakan jalan santai masih sangat
besar yaitu sebesar 6,559 Kkal/jam/kg atau 129 % lebih besar dari energi
expenditure orang normal 2,86 Kkal/jam/kg. Untuk itu dilakukan penyesuaian
gaya dan momen antara segmen kaki normal dengan segmen prosthetic yang
sehingga dihasilkan massa ideal untuk prosthetic kaki atas lutut sebesar 3,1187 kg
untuk segmen paha, 2,154 Kg untuk segmen betis, dan 0,699 kg untuk segmen
telapak kaki.
Putu Primawati dan Agus Susanto pada tahun 2009 melakukan penelitian
mengenai kajian biomekanika dan fisiologi pada pengguna prosthetic bawah lutut
dengan memperhatikan fungsi ankle joint. Kedua penelitian ini bertujuan untuk
mengetahui desain prosthetic bawah lutut endoskeletal terbaik dengan
menggunakan hasil pengukuran dari dua perspektif yang berbeda yakni
biomekanik dan fisiologis. Desain prosthetic bawah lutut yang dibahas pada
kedua penelitian ini ada tiga jenis yaitu prosthetic eksoskeletal, endoskeletal
impor dan endoskeletal model pengembangan, dimana focus perbedaan ketiga
prosthetic tersebut terletak pada bagian ankle joint. Penelitian Putu Primawati
menitik beratkan pada aspek fisiologis. Penelitian dilakukan dengan cara
mengukur % CVL, energi ekspenditur, kebutuhan kalori, dan VO2 max. Amputee
berjalan normal sejauh 12 meter dan berjalan pada treadmill sejauh 100 meter
menggunakan 3 desain prosthetic bergantian dengan tiga kecepatan berbeda
(1,2km/jam; 1,6 km/jam; dan 2 km/jam). Sedangkan Agus susanto
menitikberatkan pada kajian biomekanika dalam menganalisis jenis prosthetic
yang mampu memeberikan keseimbangan terbaik saat berjalan. Perhitungan gaya
dan momen dilakukan berdasarkan data yang telah dikumpulkan pada masing-
masing fase gerakan pada waktu pengguna prosthetic bawah lutut menggunakan
masing-masing model prosthetic secara bergantian. Perhitungan meliputi gaya dan
momen yang bekerja pada persendian hip, knee, dan ankle baik kaki normal
maupun kaki prosthetic. Berdasarkan kedua penelitian ini diperoleh hasil bahwa
desain prosthetic endoskeletal model pengembangan memiliki keseimbangan gaya
dan momen serta tingkat keluaran energi fisiologis yang lebih baik dari prosthetic
eksoskeletal maupun prosthetic endoskeletal import.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
II - 35
Mamoru Umemura dan Nobuya Yamasaki pada tahun 1998 melakukan
penelitian mengenai pengaruh prosthetic atas lutut pada tingkat konsumsi energi.
Dalam penelitian tersebut subjeknya adalah 4 orang amputee yang telah
menggunakan prosthetic atas lutut. Keempat amputee dipasang 3 jenis prosthetic
secara bergantian yaitu spring knee, pneumatic knee, dan hydraulic knee. Metode
penelitian yang digunakan adalah dengan pengukuran three dimensional
coordinate yang dilengkapi dengan alat force plate. Pengolahan data yang
dilakukan dimulai dengan menghitung sudut pada joint kemudian menghitung
momen inersia. Semua nilai momen kemudian disubstitusikan dengan 0 untuk
menghitung torsi pada lutut dan kaki. Strength dan power dihitung dari model
fisika. Daya kemudian diintegralkan sehingga didapat jumlah konsumsi energi.
Hasilnya, konsumsi energi semakin menurun saat kecepatan semakin dipercepat
dan mencapai keadaan yang stabil pada kecepatan 0.7 m/s – 1.4 m/s. Kemampuan
berjalan tidak disebabkan oleh perbedaan knee joints baik pada spring knee,
pneumatic knee maupun hydraulic knee.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 1
BAB III METODE PENELITIAN
Metode penelitian berisi tentang tahapan penelitian yang dimulai dari latar
belakang sampai dengan kesimpulan. Tahapan yang dilakukan dalam penelitian
ini akan dijelaskan pada gambar 3.1.
Gambar 3.1 Metodologi penelitian
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 2
Tahapan yang dijelaskan pada gambar 3.1 digunakan untuk mengukur
kemampuan prosthetic endoskeletal dengan energy storing mekanisme 2 bar pada
aktivitas berjalan cepat pada bidang datar. Penjelasan lebih rinci mengenai metode
penelitian di atas dijelaskan dalam sub bab di berikut ini.
3.1 IDENTIFIKASI PERMASALAHAN
Tahapan awal yang dilakukan dalam penyusuan tugas akhir ini adalah
identifikasi terhadap amputee atas lutut endoskeletal dengan energy storing.
Tahapan identifikasi permasalahan dapat dijelaskan, sebagai berikut:
1. Latar belakang,
Kaki termasuk alat gerak bawah yang digunakan dalam aktivitas berjalan,
berjalan cepat, berlari, dan melompat. Berjalan cepat biasa dilakukan untuk
tujuan rekreasi fisik maupun untuk menghindari situasi lingkungan yang
mengancam. Untuk mengakomodasi hal tersebut amputee memerlukan
prosthetic yang mampu merespon kebutuhan amputee terhadap aktivitas jalan
cepat. Atas dasar permasalahan tersebut, maka dikembangkan prosthetic
model endoskeletal dengan sistem energy storing mekanisme 2 bar. Penelitian
dilakukan guna mengukur kemampuan prosthetic dengan mengetahui
pengaruh energy storing saat amputee melakukan aktivitas berjalan cepat
pada bidang datar dengan kajian dynamic cycle gait.
2. Perumusan masalah,
Berdasarkan uraian yang ada pada latar belakang di atas, perumusan masalah
yang dapat dimunculkan dalam penelitian ini ialah bagaimana kajian dynamic
cycle gait dalam mengukur kemampuan prosthetic endoskeletal dengan
sistem energy storing mekanisme 2 bar saat aktivitas berjalan cepat.
3. Tujuan dan manfaat penelitian,
Penelitian ini bertujuan untuk mengukur kemampuan prosthetic endoskeletal
dengan energy storing mekanisme 2 bar pada aktivitas berjalan cepat dengan
dynamic cycle gait. Manfaat yang dapat diambil dalam penelitian ini adalah
mengetahui nilai usaha (work) dan energi serta nilai torsi pada setiap joint,
melalui kajian dynamic cycle gait sepanjang periode waktu berjalan cepat,
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 3
dalam memberikan rekomendasi dalam pengembangan penelitian prosthetic
atas lutut model endoskeletal dengan sistem energy storing mekanisme 2 bar
4. Studi literatur,
Studi literatur dimaksudkan untuk memperoleh informasi-informasi yang
menunjang jalannya penelitian ini. Studi literatur menguraikan tentang teori-
teori yang digunakan sebagai dasar pemikiran, wawasan dan acuan dalam
perencanaan awal penelitian, pengumpulan data, pengolahan data dan bahan
analisis hasil penelitian. Studi literatur yang digunakan diantaranya penjelasan
mengenai gerak tubuh (human motion), gerakan berjalan manusia (human
locomotion), anthropometri data biomekanika, keseimbangan gerak
biomekanika, kajian usaha (work), energi dan torsi pada segmentasi tubuh
manusia, prosthetic above knee endoskeletal, serta kajian berjalan cepat.
5. Studi Observasi
Studi observasi digunakan untuk mengamati gerakan berjalan manusia normal
pada aktivitas berjalan cepat. Identifikasi pola cycle gait gerak berjalan cepat
manusia normal menjadi salah satu dasar pendukung dalam menentukan fase
gerakan berjalan cepat amputee. Satu siklus gerakan yang digunakan sebagai
acuan dalam penelitian ini dibagi menjadi delapan fase yaitu initial contact,
loading respons, mid-stance, terminal stance, pre-swing, initial swing, mid-
swing, dan terminal swing. Fase ini sama dengan fase gerakan berjalan normal
yang dibagi menjadi 8 fase juga karena masih dalam kategori berjalan.
Berbeda dengan berlari walaupun pengertiannya mirip dengan berjalan cepat
tetapi fasenya berbeda dimana saat berlari terdapat fase kedua kaki melayang
di udara. Berdasarkan penelitian yang dilakukan Umemura tahun 1998 dimana
hasil penelitiannya menyatakan bahwa peningkatan dalam kecepatan berjalan
dari lambat menjadi cepat mempengaruhi stride length dan walking cadence.
Dari kecepatan lambat menjadi cepat terdapat keadaan yang kontras dimana
stride length semakin panjang dan walking cadence semakin pendek.
Berdasarkan pernyataan tersebut perbedaaan kecepatan berjalan tidak
mempengaruhi jumlah fase gerakan berjalan antara berjalan normal maupun
cepat karena masih dalam kategori berjalan dalam bidang rata.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 4
3.2 PENGUMPULAN DATA
Pengumpulan data dilakukan sebagai penunjang dan bahan analisis
terhadap permasalahan yang diangkat. Dalam hal ini pengumpulan data diperoleh
melalui dokumentasi penelitian terkait dengan kajian prosthetic atas lutut
endoskeletal dengan energy storing mekanisme 2 bar. Penelitian dilakukan di
Laboratorium Perencanaan dan Perancangan Produk Teknik Industri UNS dan
Laboratorium Perancangan Sistem Kerja dan Ergonomi Teknik Industri UNS.
Data yang diambil dalam penelitian terdiri dari data awal dan data utama.
Data awal meliputi usia, tinggi, berat badan, riwayat amputasi, jenis amputasi dan
pengukuran anthropometri responden. Data awal digunakan dalam mendukung
penelitian untuk mengetahui karakteristik pengguna prosthetic berdasarkan
kondisi amputee yang menjadi responden dalam penelitian. Data utama yaitu data
pengukuran sudut (θ) pada ankle, knee, dan hip joint saat fase gerakan dalam satu
siklus berjalan cepat. Data utama merupakan data yang secara langsung akan
menjadi input dari analisis biomekanika melalui pengembangan formulasi
matematik yang akan dilakukan dalam kajian penelitian. Formulasi model
dibangun secara dinamik sepanjang periode waktu berjalan dengan menggunakan
pendekatan persamaan lagrange euler. Metode Euler-Lagrange merupakan
gabungan dari dua pembahasan yaitu metode Euler yang dikenakan dengan
pengali Lagrange. Metode Euler-Lagrange mengakomodasi bahwa penyelesaian
yang diperoleh bersifat kontinu. Penjelasan lebih lanjut mengenai data yang
diperlukan dalam pengukuran pada pengguna prosthetic atas lutut endoskeletal
dengan memperhatikan aspek energy storing prosthetic knee, sebagai berikut:
1. Penentuan responden amputee.
Pemilihan amputee yang digunakan sebagai responden dalam penelitian
didasarkan pada kondisi anatomi tubuh amputee. Karakteristik ini ditinjau
dari tipe amputasi, riwayat amputasi dan kondisi stump, sehubungan dengan
penelitian mengenai penggunaan prosthetic atas lutut endoskeletal dengan
energy storing mekanisme 2 bar yang diuji cobakan dalam tugas akhir.
Adapun dalam penelitian ini responden amputee berjumlah satu orang,
berjenis kelamin laki-laki dan berusia 49 tahun.
2. Pengukuran anthropometri pengguna prosthetic kaki atas lutut.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 5
Pengambilan data anthropometri amputee pengguna prosthetic digunakan
untuk menghitung panjang segmen titik berat dan momen inersia segmen
tubuh pengguna prosthetic. Pertama-tama diukur tinggi badan dan berat badan
pengguna prosthetic, kemudian dilakukan pengambilan data anthropometri
amputee. Data anthropometri tubuh yang diambil, merupakan data yang
berhubungan langsung dengan pengukuran panjang segmen kaki yang
meliputi panjang stump, panjang betis dan panjang telapak kaki. Panjang
segmen telapak kaki diukur dari ujung jari terpanjang pada kaki hingga bagian
belakang dari kaki. Panjang segmen betis diukur dari mata kaki hingga lutut.
(a) (b)
Gambar 3.2 Alat ukur, (a) Timbangan badan, (b) Meteran Sumber :Jurusan Teknik Industri Universitas Sebelas Maret, 2010 3. Pengukuran dimensi prosthetic atas lutut endoskeletal dengan energy storing.
Pengukuran dilakukan untuk mengetahui karakteristik prosthetic atas lutut
endoskeletal dengan energy storing mekanisme 2 bar yang ditinjau dari
ukuran berat dan panjang prosthetic. Pengukuran dimensi prosthetic
dilakukan dengan menggunakan meteran, dan berat prosthetic diukur dengan
menggunakan force gauge.
Gambar 3.3 Force Gauge
Sumber :Jurusan Teknik Industri Universitas Sebelas Maret Surakarta, 2010
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 6
4. Pengamatan gerakan berjalan cepat amputee pada bidang datar.
Objek penelitian yang diamati adalah gerakan berjalan cepat amputee dengan
menggunakan prosthetic atas lutut model endoskeletal system energy storing
mekanisme 2 bar. Spesifikasi cara berjalan cepat amputee, sebagai berikut:
a. Panjang langkah (stride length) pendek.
b. Kecepatan berjalan ± 1.7 m/s.
c. Amputee berjalan sepanjang 12 m.
d. Tumpuan pertama saat melangkah pada bagian tumit.
5. Penentuan fase berjalan dalam satu siklus gerakan gait cycle saat aktivitas
berjalan cepat.
Satu siklus gerakan yang digunakan sebagai acuan dalam penelitian ini dibagi
menjadi delapan fase yaitu initial contact, loading respons, mid-stance,
terminal stance, pre-swing, initial swing, mid-swing, dan terminal swing.
6. Penentuan capture pada tiap fase dalam satu siklus gait cycle saat aktivitas
berjalan cepat.
Capture digunakan dalam membantu memodelkan manusia dalam suatu
sistem benda jamak yang tersusun dari stick diagram pada setiap joint yang
saling terhubung membentuk satu kesatuan. Capture dibuat pada setiap fase
dalam satu siklus gerakan amputee pengguna prosthetic atas lutut
endoskeletal dengan energy storing saat berjalan cepat.
7. Pengukuran sudut gerakan (θ) pada segmen tubuh di setiap fase gerakan.
Pengukuran ini bertujuan untuk mengetahui sudut yang terbentuk pada ankle,
knee, dan hip joint baik kaki normal maupun kaki prosthetic saat berjalan
cepat menggunakan prosthetic kaki atas lutut endoskeletal dengan energy
storing mekanisme 2 bar. Pengukuran sudut diukur dengan menggunakan alat
electrogoniometer RF. Secara umum, prosedur pelaksanaan dari pengukuran
sudut, yaitu:
a. Pengguna prosthetic memakai prosthetic kaki atas lutut endoskeletal
dengan energy storing mekanisme 2 bar yang digunakan dalam
eksperimen.
b. Pemasangan electrogoniometer Rf di tubuh pengguna prosthetic dilakukan
pada bagian ankle, knee, dan hip joint. Alat electrogoniometer Rf
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 7
tersambung pada sebuah komputer untuk menampilkan hasil pengukuran
sudut ankle, knee, dan hip joint pada kaki normal maupun prosthetic.
c. Pengguna prosthetic atas lutut endoskeletal dengan energy storing
melakukan aktivitas berjalan cepat. Data pengukuran akan ditampilkan
dalam komputer.
d. Pengukuran dilanjutkan sampai mendapatkan data yang cukup untuk
dilakukan pengolahan data lanjutan.
Gambar 3.4 Electrogoniometer Rf Sumber : Jurusan Teknik Industri Universitas Sebelas
Maret Surakarta, 2010 3.3 PENGOLAHAN DATA
Pengolahan data dalam penelitian ini dilakukan untuk menentukan nilai
external work dan komponen external work. Penjelasan mengenai pengolahan
data secara lebih lanjut, sebagai berikut:
1. Pemodelan dynamic cycle gait fase berjalan cepat dalam satu siklus gerakan.
Pemodelan fase berjalan cepat meliputi 8 fase gerakan. Pemodelan dilakukan
melalui pendekatan lagrange tentang gerak dengan menggunakan persamaan
2.8. Bentuk umum persamaan lagrang of motion yang terdapat dalam
persamaan 2.9 digunakan untuk mengetahui nilai external work dan komponen
external work pada setiap fase dalam satu periode waktu berjalan. Besarnya
usaha keseluruhan dihitung dengan menggunakan rumusan usaha baik pada
gerak translasi maupun rotasi dengan menggunakan persamaan 2.4 dan
persamaan 2.5.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 8
2. Menentukan besarnya massa tiap segmen tubuh, titik berat segmen kaki, dan
momen inersia pengguna prosthetic atas lutut.
Data anthropometri pada pengumpulan data digunakan dalam pengolahan
data untuk menentukan besar massa tiap segmen tubuh, titik berat segmen kaki
dan momen inersia. Perhitungan besar massa tiap segmen tubuh menggunakan
tabel 2.1. Sedangkan dalam mencari dimensi panjang titik berat setiap segmen
dapat digunakan permodelan titik-titik berat (Dempster, 1955) yang terdapat pada
gambar 2.21. Setelah massa tiap segmen tubuh dan sebaran titik berat pada
segmen kaki diketahui, maka dilakukan perhitungan momen inersia (persamaan
2.1) dari tiap segmen kaki tersebut. Perhitungan momen inersia digunakan untuk
perhitungan energi kinetik pada saat aktifitas berjalan cepat.
3. Menghitung nilai usaha (work), energi dan torsi, yang dihasilkan oleh
pengguna prosthetic endoskeletal atas lutut dengan energy storing dengan
menggunakan dynamic gait cycle.
Perhitungan nilai usaha (work), energi dan torsi dilakukan berdasarkan
data yang telah dikumpulkan pada masing-masing fase gerakan saat amputee
berjalan cepat menggunakan prosthetic atas atas lutut endoskeletal dengan energy
storing di bidang datar. Secara umum, keseluruhan perhitungan dilakukan dengan
menggunakan model dinamis pergerakan manusia melalui bentuk umum
persamaan lagrange of motion (persamaan 2.9). Perhitungan torsi dilakukan pada
persendian hip, knee, dan ankle baik kaki normal maupun kaki prosthetic.
Perhitungan energi dilakukan dengan menggunakan persamaan lagrange of
motion dalam persamaan 2.8, untuk mengetahui perbedaan antara jumlah energi
kinetik (persamaan 2.4 dan persamaan 2.5) dan energi potensial (persamaan 2.6)
dalam sistem. Melalui persamaan lagrange of motion ini pula dihitung besarnya
energi penyimpanan gas spring pada bagian knee joint prosthetic, dengan
menambahkan rumusan persamaan 2.7. Besarnya usaha keseluruhan dihitung
dengan menggunakan rumusan usaha baik pada gerak translasi maupun rotasi
dengan menggunakan persamaan 2.4 dan persamaan 2.5.
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
III - 9
3.4 ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL PENELITIAN
Pada tahap analisis dan interpretasi hasil penelitian dilakukan analisis
perbandingan antara nilai usaha (work), energi dan torsi yang muncul pada
gerakan berjalan cepat pengguna prosthetic endoskeletal dengan energy storing
mekanisme 2 bar. Analisis dilakukan apakah nilai usaha (work), energi dan torsi
yang muncul mendekati nilai usaha (work), energi dan torsi yang bekerja pada
manusia normal.
3.5 KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan dan saran merupakan langkah akhir yang dilakukan dalam
penelitian tugas akhir ini. Kesimpulan berdasarkan hasil pengolahan dan analisis
data yang telah dilakukan pada tahap sebelumnya dimana menjawab dari tujuan
yang diharapkan dalam penelitian. Saran diberikan sebagai rekomendasi guna
peningkatan dan perkembangan kaki prosthetic yang diharapkan mampu
menggantikan fungsi bagian tubuh yang hilang.
top related