RANCANG BANGUN PROTOTYPE EXOSKELETON BERBASIS SINYAL MYOELEKTRIK Anggrian Riska Amelia Shabrine 1, Drs.Pujiyanto MS 2, Akif Rahmatillah S.T,M.T 3 1,2,3 Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya angghie@gmail.com Abstract Difabel is incompleteness or abnormality that accompanied by the effect of specific function. The method that was used is tapping in on the hamstring muscles and quadriceps muscles to know the voltage is generated. Tapping the muscle signals use Electromyograph (EMG) and Ag-AgCl electrode. The average of voltage during contraction and relaxation is used as threshold to power the servo motor. The result of this research indicates the voltage during contraction is 4 volt while relaxation is 0,4 volt. The conclusion is the voltage during contraction greater than relaxation. The differences of contraction and relaxation voltage on normal volunteer was able to actuate the exoskeleton prototype. Keywords : Electromyograph, Exoskeleton, Myoelectric Signal, Difabel Abstrak Difabel adalah ketidaklengkapan atau ketidaknormalan yang disertai akibatnya terhadap fungsi tertentu. Metode yang digunakan adalah penyadapan pada otot hamstring dan otot quadriceps untuk mengetahui tegangan yang dihasilkan. Penyadapan sinyal otot menggunakan Electromyograph (EMG) dan elektrode Ag-AgCl. Rerata tegangan saat kontraksi dan relaksasi digunakan sebagai nilai ambang untuk menggerakkan motor servo. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa tegangan saat otot melakukan kontraksi berkisar 4 volt sedangkan saat relaksasi yakni 0,4 volt. Maka didapatkan kesimpulan bahwa tegangan saat otot kontraksi lebih besar dibandingkan saat relaksasi. Dengan menggunakan perbedaan tegangan saat kontraksi dan relaksasi pada naracoba normal menunjukkan bahwa perbedaan tegangan dapat menggerakkan prototype exoskeleton. Keywords : Electromyograph, Exoskeleton, Sinyal Myoelektrik, Difabel
I. PENDAHULUAN Menurut data Survey Sosial Ekonomi Nasional (SUSENAS) tahun 2004, jumlah penyandang tuna daksa di Indonesia mencapai 1,6 juta jiwa. Berdasarkan data dari Kementrian Kesehatan Nasional Indonesia (Kemenkes) pada tahun 2011, penderita difabel berada di angka 6,7 juta jiwa atau sekitar 3,11%. Sedangkan menurut World Health Organization (WHO), penderita difabel di Indonesia mencapai lebih dari 10 juta. Perkembangan teknologi mengharuskan seseorang memiliki mobilitas yang cukup tinggi. Dengan tuntutan ini, kondisi fisik yang baik sangat penting agar pelaksanaan pekerjaan dapat dilakukan dengan maksimal. Kaki merupakan salah satu anggota terpenting dalam tubuh yang memiliki fungsi sebagai pendukung mobilitas. Dengan kaki yang sempurna, seseorang dapat melakukan segala aktivitas sesuai dengan keinginan mereka. Tunadaksa berarti suatu keadaan rusak atau terganggu, sebagai akibat gangguan bentuk atau hambatan pada tulang, otot dan sendi dalam fungsinya yang normal. Kondisi ini dapat disebabkan oleh penyakit, kecelakaan atau dapat juga disebabkan oleh pembawaan sifat lahir (Soemantri,2006). Difabel disebabkan oleh berbagai faktor diantaranya faktor keturunan, infeksi, trauma, tumor, kecelakaan serta kondisi-kondisi lainnya (Nasirin,2010). Untuk mengetahui apakah otot pada penderita difabel tersebut masih memiliki fungsi yang sama seperti sebelumnya, dapat menggunakan Electromyograph (EMG) untuk menganalisis. Electromyograph (EMG) adalah sebuah peralatan medis yang berfungsi untuk merekam dan mengevaluasi potensial listrik ekstrasel yang dihasilkan oleh otot (Fougner, 2007). Sinyal Electromyogram (EMG) yang diukur dapat digunakan untuk menentukan bagian otot mana yang mengalami kontraksi dan bagian otot mana yang mengalami relaksasi. Dengan adanya pola dari sinyal Electromyogram (EMG) maka dapat digunakan sebagai kendali dari sebuah alat bantu jalan. Exoskeleton adalah alat bantu mobilitas yang dirancang untuk berbagai keadaan. Exoskeleton inilah yang membantu para penderita kelumpuhan sehingga mereka dapat berjalan kembali seperti sedia kala. Penelitian ini merancang dan membuat prototype exoskeleton dengan menggunakan bahan yang mudah didapat agar dalam jangka panjang dapat diimplementasikan. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh Verlinden,et.al pada tahun 2011, dimana menghasilkan kontrol algoritma untuk orthosis anggota gerak bagian bawah, protesa serta exoskeleton khususnya bagian pergelangan kaki. Pada penelitian tersebut membahas logaritma yang digunakan untuk menggerakkan exoskeleton. Tidak hanya itu pada penelitian tersebut membahas mekanik dan kontrol yang digunakan untuk menggerakkan exoskeleton.
Penelitian ini menghasilkan prototype exoskeleton yang berbahan dasar akrilik dimana penyadapan sinyal Electromyogram (EMG) dengan mengunakan surface electrode. Electromyograph (EMG) digunakan untuk menganalisis tegangan yang dihasilkan oleh otot. Penelitian yang telah dilakukan oleh penulis menggunakan anggota badan bagian bawah khususnya bagian paha. Sebelumnya elektroda dipasangkan pada kedua otot yakni otot hamstring dan quadriceps. Dari sinyal otot tersebut maka dapat menggerakkan prototype kaki buatan. Prototype tersebut dipasang sebuah motor servo sehingga prototype dapat bergerak secara fleksi maupun ekstensi. II. METODE Aktifitas otot manusia disadap menggunakan surface electrode. Hasil dari aktifitas otot tersebut berupa sinyal yang memiliki range berkisar milivolt sampai mikrovolt. Kemudian sinyal tersebut akan dikuatkan hingga menjadi volt oleh rangkaian penguat instrumentasi. Pada sinyal tersebut masih terdapat noise yang berasal dari sumber listrik yakni 50 Hz. Maka dari itu ditambahkan rangkaian Notch Filter sehingga dapat menghilangkan frekuensi tersebut.rangkaian Notch Filter dapat ditunjukan pada Gambar 1. Gambar 1. Rangkaian Notch Filter Selanjutnya melakukan filter lainnya yakni dengan menggunakan rangkaian High Pass Filter orde satu yang dapat ditunjukkan pada Gambar 2. Gambar 2. Rangkaian High Pass Filter
Kemudian dilanjutkan dengan menambahkan rangkaian rectify sehingga sinyal yang didapatkan dapat bernilai positif semua. Setelah itu sinyal yang sudah bernilai positif dimasukkan ke rangkaian smoothing sehingga sinyal dapat lebih baik. Keseluruhan rangkaian hardware telah selesai, maka didapatkan sinyal otot yang mulanya bernilai mikrovolt menjadi volt. Kemudian menghubungkan dengan arduino yang telah terhubung dengan PC dengan bantuan kabel data. Nilai tegangan tersebut dapat terbaca pada PC sehingga dapat dihubungkan dengan software LabVIEW. Nilai yang diberikan oleh arduino ditampilkan dalam bentuk grafik dengan bantuan software LabVIEW. Setelah grafik muncul maka didapatkan nilai threshold dari setiap gerakan otot. Dengan adanya nilai threshold tersebut maka ditentukan besarnya sudut yang dikeluarkan oleh LabVIEW ke motor. Batas threshold tersebut sebagai acuan terhadap pergerakan motor yang mempengaruhi gerakan akrilik yang telah dibuat. Ketika sebuah otot harmstring memiliki sinyal diatas batas threshold dan otot quadriceps memiliki nilai dibawah batas threshold maka motor bergerak secara fleksi dan sebaliknya. III. HASIL DAN PEMBAHASAN Electromyograph (EMG) yang dibuat ada dua macam dengan rangkaian dan komponen yang sama, dikarenakan tiap masing-masing Electromyograph (EMG) dapat mengukur hanya satu otot. Masukan dari rangkaian tersebut didapatkan dari dari otot quadriceps dan otot hamstring. Gerakan kedua otot yang bertolak belakang menyebabkan sebuah gerakan pada kaki. Ketika otot quadriceps berkontraksi dan otot hamstring relaksasi maka menyebabkan gerakan secara ekstensi. Sebaliknya ketika otot quadriceps relaksasi dan otot hamstring melakukan kontraksi, maka kaki bergerak secara fleksi. Desain Electromyograph (EMG) ditampilkan pada Gambar 3. Gambar 3. Desain Electromyograph (EMG)
Magnitude (db) Magnitude (db) Tegangan Keluaran (Volt) Hasil pengujian rangkaian penguat instrumentasi yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 4. Regresi Linier Penguat Instrumentasi 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 y = 6,8999x + 0,0696 R² = 0,994 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tegangan Masukan (Volt) Series1 Linear (Series1) Gambar 4. Hasil regresi linier penguat instrumentasi Hasil pengujian High Pass Filter (HPF) ditunjukkan pada grafik bode diagram pada Gambar 5. Bode Diagram High Pass Filter 5 4 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 120 Frekuensi (Hz) Series1 Gambar 5. Bode diagram pengujian High Pass Filter Hasil pengujian rangkaian Notch Filter dapat dilihat pada Gambar 6. Bode Diagram Notch Filter 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 Frekuensi (Hz) Series1 Gambar 6. Bode diagram pengujian Notch Filter
Hasil akhir dari Electromyograph (EMG) dihubungkan dengan LabVIEW sehingga dapat ditampilkan pada layar Personal Computer (PC) seperti Gambar 7. Hasil rata-rata pengujian pada otot hamstring dan otot quadriceps 3 orang naracoba perempuan dipaparkan pada Tabel 1. Gambar 7. Tampilan hasil akhir Electromyograph (EMG) pada LabVIEW Tabel 1. Hasil rata-rata pengujian otot hamstring dan otot quadriceps Rerata tegangan Rerata tegangan Rerata tegangan Rerata tegangan Naracoba pada otot pada otot pada otot pada otot quadriceps saat quadriceps saat hamstring saat hamstring saat relaksasi (volt) kontraksi (volt) relaksasi (volt) kontraksi (volt) Rata-rata 0,45 ± 0,059 4,73 ± 1,16 0,42 ± 0,13 4,55 ± 0,82 Setelah didapatkan tegangan pada masing-masing otot kemudian menentukan treshold yang digunakan sebagai indikator agar motor servo dapat bergerak. Penentuan treshold ini dilakukan secara manual yakni dengan mencari rata-rata dari tegangan otot hamstring dan otot quadriceps. Rata-rata dari keduanya kemudian dicari nilai tengah sehingga pada nilai itulah treshold didapatkan. Fungsi dari treshold adalah sebagai ambang batas dimana motor melakukan perubahan dalam gerak. Desain akuisisi data dengan menggunakan LabVIEW dan menghubungkan Electromyograph dapat dilihat pada Gambar 8. Prototype exoskeleton yang dibuat hanya dapat bergerak secara fleksi (90 o ) dan ekstensi (0 o ). Gerakan secara fleksi didapatkan ketika otot hamstring melakukan kontraksi dan otot quadriceps relaksasi yang dapat ditunjukkan pada Gambar 9a. Gerakan ekstensi muncul saat otot hamstring relaksasi dan otot quadriceps kontraksi yang ditampilkan pada Gambar 9b.
Gambar 8. Desain data akuisisi Electromyograph (EMG) dengan motor servo (a) (b) Gambar 9 (a). Gerakan fleksi prototype exoskeleton (b). Gerakan ekstensi prototype exskeleton Terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi perbedaan sudut yang dihasilkan setiap orang salah satunya yakni peletakan elektrode pada masing-masing otot (Akay.M,et.al,2004). Selain itu faktor-faktor yang mempengaruhi daya tahan otot adalah usia, jenis kelamin, aktifitas fisik, asupan zat gizi dan status gizi (Depkes,1996). Karena aktifitas fisik dari naracoba berbeda-beda yang menyebabkan kekuatan otot dari masing-masing naracoba pun berbeda. Aktifitas fisik tersebut seperti jalan cepat, berlari, bersepeda, berenang dan aktifitas fisik yang berhubungan dengan kekuatan otot (Hapsari,2011).
IV. KESIMPULAN 1. Terdapat perbedaan sinyal myoelektrik saat otot kontraksi dan relaksasi. Saat otot quadriceps mengalami relaksasi, tegangan yang dihasilkan sebesar 0,45 volt namun saat kontraksi menunjukkan 4,73 volt. Sama halnya dengan otot hamstring, saat relaksasi tegangannya 0,42 volt dan saat kontraksi mencapai 4,55 volt. 2. Perbedaan sinyal myoelektrik pada otot hamstring dan quadriceps dapat menggerakkan prototype exoskeleton. DAFTAR PUSTAKA Artanto,Dian, 2012, Interaksi Arduino dan LabVIEW, Jakarta: PT Elex Media Komputindo Crecraft. David and Gergely. Stephen, 2002, Analog Electronics Circuits, Systems and Signal Processing, UK : Elsevier Science Fougner.Anders Lyngvi, 2007, Proportional Myoelectric Control of a Multifunction Upper- Limb Prosthesis, Canada: Norwegian University of Science and Technology, Department of Engineering Cybernetics Iryani.Detty, 2013, Fisiologis Otot, Padang : Kuliah Pengantar, Kedokteran UNAND Nasirin, 2010, Kebermaknaan Hidup Difabel, Yogyakarta: Fakultas Dakwah, Universitas Islam Negeri Sunan Kalijaga Nomiyasari, 2011, Perancangan dan Pembuatan Modul ECG dan EMG dalam Satu Unit PC, Surabaya: Jurnal Jurusan Teknik Elektro. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Kampus PENS-ITS Pack.Phillip, 2007, Anatomi dan Fisiologi, Bandung : Pakar Raya Rizzoni.Giorgio, 2005, Principles And Applications Of Electrical Engineering, Fifth Edition, USA: McGraw-Hill Science Verlinden.O,et.al, 2011, Review of Control Algorithms for Robotic Ankle System in Lower- Limb Orthose, Prostheses, and Exoskeletons. Belgium : Service de Mecanique Rationnelle, Dynamique et Vibrations, Faculte Polytechnique, Universite de Mons Webster.John G, 1999, The Measurement, Instrumentation and Sensors, CRC Press