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 commit 2011 to user i
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 Dosen Pembimbing II Retno Wulan Damayanti, ST, MT NIP. 19800306 200501 2 002 Ir. Lobes Herdiman, MT NIP. 19641007 199702 1 001 Pembantu Dekan I Fakultas Teknik Ketua Jurusan Teknik Industri Ir. Noegroho Djarwanti, MT NIP. 19561112 195403 2 007 Ir. Lobes Herdiman, MT NIP. 19641007 199702 1 001 ii
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 iii
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 iv
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 v
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 commit bagi to user penulis -Ardini,Afri, Ajeng, Aldi, vi
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 vii
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) viii
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) ix
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... 2.3.2 Fase Gait Cycle... II-7 II-9 x
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 xi
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 Midswing... 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 xii
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 midswing...... 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 commit to kaki user normal... L2-7 xiii
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 xiv
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 commit prosthetic to user knee... II-31 xv
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 T 1 kaki prosthetic dan kaki normal... IV-33 Gambar 4.10 Grafik T 2 kaki prosthetic dan kaki normal... IV-33 Gambar 4.11 Grafik T 3 kaki prosthetic dan kaki normal...... IV-34 Gambar 4.12 Grafik F x kaki prosthetic dan kaki normal... IV-34 Gambar 4.13 Grafik F y 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 preswing...... V-10 Gambar 5.7 Komparasi nilai gaya fase loading respons dan fase preswing...... V-11 Gambar 5.8 Komparasi nilai external work fase loading respons dan fase pre-swing...... V-12 xvi
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 midswing... 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 xvii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Lampiran 2 Pemodelan external work dan komponennya pada fase 2 sampai fase 8... L-1 Perhitungan external work dan komponennya pada fase 2 sampai fase 8... L-2 xviii
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. commit Hal ini to user didukung oleh penelitian Umemura I - 1
(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. I - 2
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 batasanbatasan, 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). I - 3
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. I - 4
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. I - 5
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 commit dalam to user satu titik pusat. Tiga bidang kardinal II - 1
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 commit mempedulikan to user gaya penyebab gerakan. Studi II - 2
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 II - 3
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 abduksiaduksi toes dapat dilakukan atas peran sendi pergelangan kaki dan otot adductor hallucts. II - 4
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 II - 5
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). II - 6
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 II - 7
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 commit fase to tersebut user anggota badan melakukan II - 8
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 II - 9
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 II - 10
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. II - 11
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 masingmasing 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). II - 12
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 II - 13
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, midswing, 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). II - 14
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 II - 15
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. II - 16
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. II - 17
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 Group Segment (%) of Total Body Weight Head and 8,4 % Neck Torso Total Arm Total Leg 50,0 % 5,10 % 15,70 % Sumber: Webb Associaties, 1978 Individual Segment (%) of Group Segment Weight 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 % II - 18