commit to user
KAJIAN GAIT DYNAMIC PADA BIDANG MIRING
BAGI PENGGUNA PROSTHETIC ENDOSKELETAL SISTEM
ENERGY STORING KNEE MEKANISME 2 BAR
Skripsi
Sebagai Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
ISTI KHRISNA AMINASTI I0306006
JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
commit to user
vi
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, puji syukur penulis persembahkan kehadirat Allah SWT
atas rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini
dengan baik. Shalawat serta salam kepada Rasulullah Muhammad SAW, Al Amin
suri tauladan kita.
Dalam pelaksanaan maupun penyusunan skripsi ini, penulis telah banyak
mendapatkan bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis
mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Allah SWT yang selalu dan tidak henti-hentinya melimpahkan segala rahmat,
nikmat, anugerah, kesempatan serta ilmu yang berguna sehingga penulis bisa
menuntaskan pendidikan kesarjanaan ini dengan baik dan lancar.
2. Mama, papi dan seluruh keluarga atas kasih sayang dan doa yang selalu
mengiringi langkah penulis sampai sekarang dan tidak akan terhenti.
3. Ariesta Ardhy Buana, ST, yang tidak pernah bosan memberi semua dukungan,
kasih sayang dan waktu yang selalu selalu dan selalu ada untukku, trimakasihh
sayangku.
4. Ir. Lobes Herdiman, MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Industri UNS,
sekaligus dosen pembimbing atas segala bantuan, bimbingannya dan nasehat
yang selalu menguatkan penulis selama pelaksanaan skripsi.
5. Ilham Priadythama, ST, MT, selaku dosen pembimbing yang dengan sabar
dan selalu menyempatkan waktu untuk memberikan pengarahan selama
berjam-jam sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini dengan baik dan
lancar.
6. Dr. Cucuk Nur Rosyidi, ST, MT dan Retno Wulan Damayanti, ST, MT selaku
penguji yang berkenan memberikan banyak sekali saran dan kritik bagi
penulis pribadi dan penyusunan skripsi ini khususnya.
7. Ir. Munifah, MSIE, MT selaku Pembimbing Akademik atas kasih sayang,
nasehat dan bimbingan selama ini, trimakasih ibu..
8. Drs. Widarno selaku responden penelitian atas waktu dan kesediaannya
commit to user
vii
9. Segenap staf dan karyawan Jurusan Teknik Industri, atas segala kesabaran dan
pengertiannya dalam memberikan bantuan dan fasilitas demi kelancaran
penyelesaian skripsi dan selama kuliah di Teknik Industri.
10.Sahabat-sahabat tersayang Asti ndud, Kiki ndud, Indah, Acid, Hencay, Nanna
Jen. Terimakasihh terimakasihh buat waktu-waktu kebersamaan yang tak akan
ice lupakan, berbagi kebahagiaan canda tawa tangis. Luph uu..
11.Sahabat sahabat seperjuangan gudang dan tim 11, trimakasih buat candaan
yang gak pernah berhenti yang membuatku sadar bahwa hidup ini sangat
indah bersama kalian, trimakasihhh..
12.Teman-teman Teknik Industri angkatan ’06 yang telah bersama-sama berjuang
dalam menyelesaikan kuliah ini. Sesuai absen: Bebel, Ferli pinx, Gusti,
Hencay, Indah, iCe, Au, Aik, Angga, otd, Bonex, Adin, ItoolQ, Asmoot, Asti
ndud, Acitt, Bayu, Budd, Dinar, Samto, Sarah, Esha, Finis, Ginung, Helmi,
Indra, Joana, Maria, Iyem, Krisnatalia, Kiki Boy, Pak Dok, Tiw tiw, Prita,
rena, QQ ndud, Cobii, Ruth, Sigit, Aya, Nando, Yona, Zulpee, Ajeng, Aldi,
PP, Nanna Jen, Rinta, Umooo plus teman-teman TI Nonreg ’06 dan Transfer
’08. Semoga persahabatan yang indah ini terus terjaga, terkenang dan dikenang sepanjang masa. Terimakasih semuanya...
13.Seluruh pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, atas
segala bimbingan, bantuan, kritik dan saran dalam penyusunan skripsi ini.
14.At least, skripsi ini tidak akan terwujud tanpa tauladanku papa, simbah, mama
dan adik di surga.
Penulis menyadari bahwa laporan ini jauh dari sempurna, oleh karena itu
penulis sangat mengharapkan kritik, masukan dan saran yang membangun untuk
penyempurnaan laporan ini. Akhir kata, penulis mengucapkan terima kasih dan
semoga laporan ini bisa bermanfaat bagi kita semua.
Surakarta, Oktober 2010
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
ABSTRCT ... ix
DAFTAR ISI ... x
DAFTAR TABEL ... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xv
DAFTAR ISTILAH ... xix
DAFTAR LAMPIRAN ... xxiv
BAB I PENDAHULUAN ... I-1
1.1 Latar Belakang... I-1
1.2 Perumusan Masalah ... I-2
1.3 Tujuan Penelitian ... I-2
1.4 Manfaat Penelitian ... I-3
1.5 Batasan Masalah ... I-3
1.6 Asumsi Penelitian ... I-4
1.7 Sistematika Penulisan ... I-5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... II-1
2.1 Human Gait ... II-1
2.1.1 Gait cycle ... II-1
2.1.2 Fase gait cycle... II-2
2.1.3 Gait analysis... II-8
2.1.4 Gait training ... II-9
2.2 Analisis Gerak Biomekanika... II-10
commit to user
xi
2.4 Studi Gerak Biomekanika ... II-14
2.4.1 Keseimbangan, equilibrium dan stabilitas gerak ... II-14
2.4.2 Torsi ... II-15
2.4.3 Work ... II-16
2.4.4 Energi ... II-16
2.4.5 Persamaan gerak lagrange ... II-18
2.5 Prosthetic Atas Lutut ... II-20
2.5.1 Komponen prosthetic atas lutut ... II-20
2.5.2 Energy storing knee prosthetic ... II-24
2.6 Bidang Miring ... II-26
2.4.1 Ramp ... II-27
2.7 Penelitian Sebelumnya ... II-30
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... III-1
3.1 Identifikasi Permasalahan ... III-2
3.2 Pengumpulan Data... III-3
3.3 Penelitian Aktifitas Berjalan Amputee pada Bidang
Miring ... III-10
3.4 Formulasi Model Dinamis Gerakan Berjalan ... III-14
3.5 Pengolahan Data ... III-16
3.6 Analisis dan Intepretasi Hasil ... III-16
3.7 Kesimpulan dan Saran ... III-17
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA ... IV-1
4.1Pengumpulan Data ... IV-1
4.4.1 Data responden pengguna prosthetic ... IV-1
4.4.2 Prosthetic endoskeletal sistem energy storing
knee mekanisme 2 bar ... IV-3
4.4.3 Penentuan massa segmen, letak titik pusat massa
dan momen inersia tubuh amputee dengan
prosthetic endoskeletal sistem energy storing
knee mekanisme 2 bar ... IV-8
4.2Gait Cycle Amputee pada Bidang Miring ... IV-10
commit to user
xii
4.3.1 Gerakan berjalan naik permukaan bidang miring
(Fase 1: Initial contact) ... IV-21
4.3.2 Gerakan berjalan turun permukaan bidang miring
(Fase 1: Initial contact) ... IV-31
4.4Pengolahan Data... IV-42
4.4.1 Pengukuran data hasil penelitian aktifitas berjalan
amputee pada bidang miring ... IV-42
4.4.2 Pengukuran external work serta komponen force
dan torsi gerakan berjalan pada bidang miring ... IV-49
BAB V ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL ... V-1
5.1 Analisis Gerakan Berjalan Amputee ... V-1
5.1.1 Naik permukaan bidang miring ... V-1
5.1.2 Turun permukaan bidang miring ... V-21
5.2 Interpretasi Hasil ... V-40
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN ... VI-1
6.1Kesimpulan ... VI-1
6.2Saran ... VI-1
commit to user
xv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Step dan stride dalam gait cycle ... II-2
Gambar 2.2 Pembagian gait cycle... II-2
Gambar 2.3 Gerakan kaki pada fase initial contact ... II-3
Gambar 2.4 Gerakan kaki pada fase loading response ... II-4
Gambar 2.5 Gerakan kaki pada fase mid stance ... II-5
Gambar 2.6 Gerakan kaki pada fase terminal stance ... II-5
Gambar 2.7 Gerakan kaki pada fase pre swing ... II-6
Gambar 2.8 Gerakan kaki pada fase initial swing ... II-7
Gambar 2.9 Gerakan kaki pada fase mid swing ... II-7
Gambar 2.10 Gerakan kaki pada fase terminal swing ... II-8
Gambar 2.11 Posisi anatomi manusia ... II-10
Gambar 2.12 Tubuh sebagai sistem enam link dan joint ... II-12
Gambar 2.13 Permodelan titik-titik pusat massa dempster... II-13
Gambar 2.14 Sebuah torsi ... II-15
Gambar 2.15 Usaha oleh sebuah gaya ... II-16
Gambar 2.16 Prosthetic atas lutut ... II-20
Gambar 2.17 Komponen prosthetic atas lutut ... II-21
Gambar 2.18 Sistem suspensi ... II-21
Gambar 2.19 Socket ... II-22
Gambar 2.20 Shank (a) Eksoskeletal (b) Endoskeletal ... II-23
Gambar 2.21 Ankle joint pada SACH foot ... II-24
Gambar 2.22 XT9 energy storing knee ... II-25
Gambar 2.23 Kawamura energy storing knee ... II-26
Gambar 2.24 C-Leg energy storing knee ... II-26
Gambar 2.25 Amputee gait pada bidang miring ... II-27
Gambar 2.26 Ramp ... II-28
Gambar 2.27 Model ramp ... II-28
Gambar 2.28 Standar perancangan ramp ... II-29
Gambar 2.29 Pegangan (handraill) ramp ... II-30
commit to user
xvi
Gambar 3.2 Timbangan badan digital ... III-4
Gambar 3.3 Force gauge ... III-4
Gambar 3.4 Meteran ... III-5
Gambar 3.5 Jangka sorong ... III-5
Gambar 3.6 Elektrogoniometer RF ... III-6
Gambar 3.7 Contoh check sheet anthropometri pengguna prosthetic .... III-6
Gambar 3.8 Bidang miring ... III-7
Gambar 3.9 Sticker flourescent ... III-7
Gambar 3.10 Prosthetic endoskeletal sistem energy storing knee
mekanisme 2 bar ... III-8
Gambar 3.11 Video shooting ... III-8
Gambar 3.12 Setting tempat penelitian ... III-12
Gambar 3.13 Point pengukuran pada CV mob ... III-13
Gambar 4.1 Amputee dengan prosthetic endoskeletal sistem energy
Storing knee mekanisme 2 bar (a) Posisi berdiri
(b) Posisi duduk ... IV-4
Gambar 4.2 Komponen energy storing knee mekanisme 2 bar ... IV-4
Gambar 4.3 Prosthetic endoskeletal sistem energy storing knee
mekanisme 2 bar ... IV-5
Gambar 4.4 Segmentase prosthetic ... IV-6
Gambar 4.5 Persebaran titik pusat massa... IV-11
Gambar 4.6 Cycle gait naik bidang miring ... IV-15
Gambar 4.7 Cycle gait turun bidang miring ... IV-16
Gambar 4.8 Fase initial contact gerakan berjalan naik
bidang miring ... IV-20
Gambar 4.9 Link segment model kaki prosthetic fase initial contact ... IV-21
Gambar 4.10 Link segment model kaki normal fase initial contact ... IV-26
Gambar 4.11 Fase initial contact gerakan berjalan turun
bidang miring ... IV-31
Gambar 4.12 Link segment model kaki prosthetic fase initial contact ... IV-31
Gambar 4.13 Link segment model kaki normal fase initial contact ... IV-36
commit to user
xvii
Gambar 4.15 Torsi pada knee saat naik permukaan bidang miring ... IV-54
Gambar 4.16 Torsi pada hip saat naik permukaan bidang miring ... IV-54
Gambar 4.17 Force pada hip saat naik permukaan bidang miring... IV-55
Gambar 4.18 External work saat naik permukaan bidang miring... IV-56
Gambar 4.19 Torsi pada ankle saat turun permukaan bidang miring ... IV-58
Gambar 4.20 Torsi pada knee saat turun permukaan bidang miring ... IV-58
Gambar 4.21 Torsi pada hip saat turun permukaan bidang miring ... IV-58
Gambar 4.22 Force pada hip saat turun permukaan bidang miring ... IV-60
Gambar 4.23 External work saat turun permukaan bidang miring ... IV-61
Gambar 5.1 Gerakan kaki (a) Fase initial contact (b) Fase terminal
stance ... V-2
Gambar 5.2 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase initial contact
dan fase terminal stance ... V-3
Gambar 5.3 Komparasi nilai external work antara fase initial contact
dan fase terminal stance ... V-6
Gambar 5.4 Gerakan kaki (a) Fase loading response (b) Fase pre
swing ... V-7
Gambar 5.5 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase loading response
dan fase pre swing ... V-8
Gambar 5.6 Komparasi nilai external work antara fase loading response
dan fase pre swing ... V-10
Gambar 5.7 Gerakan kaki (a) Fase mid stance (b) Fase mid swing... V-11
Gambar 5.8 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase mid stance
dan fase mid swing ... V-13
Gambar 5.9 Komparasi nilai external work antara fase mid stance
dan fase mid swing ... V-15
Gambar 5.10 Gerakan kaki (a) Fase terminal stance (b) Fase terminal
swing ... V-16
Gambar 5.11 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase terminal stance
dan fase terminal swing ... V-18
Gambar 5.12 Komparasi nilai external work antara fase terminal stance
commit to user
xviii
Gambar 5.13 Gerakan kaki (a) Fase initial contact (b) Fase terminal
stance ... V-21
Gambar 5.14 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase initial contact
dan fase terminal stance ... V-22
Gambar 5.15 Komparasi nilai external work antara fase initial contact
dan fase terminal stance ... V-25
Gambar 5.16 Gerakan kaki (a) Fase loading response (b) Fase pre
swing ... V-26
Gambar 5.17 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase loading response
dan fase pre swing ... V-27
Gambar 5.18 Komparasi nilai external work antara fase loading response
dan fase pre swing ... V-30
Gambar 5.19 Gerakan kaki (a) Fase mid stance (b) Fase mid swing... V-31
Gambar 5.20 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase mid stance
dan fase mid swing ... V-32
Gambar 5.21 Komparasi nilai external work antara fase mid stance
dan fase mid swing ... V-35
Gambar 5.22 Gerakan kaki (a) Fase terminal stance (b) Fase terminal
swing ... V-36
Gambar 5.23 Komparasi nilai torsi dan gaya antara fase terminal stance
dan fase terminal swing ... V-37
Gambar 5.24 Komparasi nilai external work antara fase terminal stance
commit to user
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Permodelan distribusi berat badan ... II-13
Tabel 4.1 Data anthropometri amputee ... IV-2
Tabel 4.2 Dimensi prosthetic endoskeletal sistem energy storing knee
mekanisme 2 bar... IV-6
Tabel 4.3 Massa segmen tubuh amputee ... IV-9
Tabel 4.4 Proporsi massa individual segmen tubuh ... IV-10
Tabel 4.5 Panjang titik berat segmen tubuh amputee ... IV-13
Tabel 4.6 Momen inersia segmen tubuh amputee ... IV-14
Tabel 4.7 Data sudut tubuh amputee saat naik permukaan
bidang miring ... IV-41
Tabel 4.8 Data sudut tubuh amputee saat turun permukaan
bidang miring ... IV-42
Tabel 4.9 Perpindahan linear amputee saat naik permukaan
bidang miring ... IV-43
Tabel 4.10 Perpindahan linear amputee saat turun permukaan
bidang miring ... IV-43
Tabel 4.11 Kecepatan dan percepatan pada center of mass foot kaki
normal saat naik permukaan bidang miring ... IV-44
Tabel 4.12 Kecepatan dan percepatan pada ankle joint kaki normal
saat naik permukaan bidang miring ... IV-45
Tabel 4.13 Kecepatan linear segmen tubuh saat naik permukaan
bidang miring ... IV-46
Tabel 4.14 Kecepatan sudut segmen tubuh saat naik permukaan
bidang miring ... IV-47
Tabel 4.15 Variabel dan parameter pengukuran fase initial contact saat
naik permukaan bidang miring ... IV-48
Tabel 4.16 Variabel dan parameter pengukuran fase initial contact saat
turun permukaan bidang miring ... IV-50
Tabel 4.17 Rekapitulasi nilai torsi pada ankle, knee dan hip saat naik
commit to user
xiv
Tabel 4.18 Rekapitulasi nilai force pada hip saat naik permukaan
bidang miring ... IV-55
Tabel 4.19 External work saat amputee naik permukaan bidang miring ... IV-56
Tabel 4.20 Rekapitulasi nilai torsi pada ankle, knee dan hip saat turun
permukaan bidang miring... IV-57
Tabel 4.21 Rekapitulasi nilai force pada hip saat turun permukaan
bidang miring ... IV-59
Tabel 4.22 External work saat amputee turun permukaan bidang miring.. IV-60
Tabel 5.1 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase initial contact
dan terminal stance ... V-2
Tabel 5.2 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase loading response
dan pre swing ... V-7
Tabel 5.3 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase mid stance dan
mid swing ... V-12
Tabel 5.4 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase terminal stance
dan terminal swing ... V-17
Tabel 5.5 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase initial contact
dan terminal stance ... V-22
Tabel 5.6 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase loading response
dan pre swing ... V-26
Tabel 5.7 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase mid stance dan
mid swing ... V-31
Tabel 5.8 Variabel pengukuran gerakan kaki saat fase terminal stance
commit to user
viii
ABSTRAK
Isti Khrisna Aminasti, NIM: I0306006. KAJIAN GAIT DYNAMIC PADA BIDANG MIRING BAGI PENGGUNA PROSTHETIC ENDOSKELETAL SISTEM ENERGY STORING KNEE MEKANISME 2 BAR. Skripsi. Surakarta: Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, November 2010.
Perkembangan prosthetic atas lutut telah sampai pada pemanfaatan sistem
penyimpanan energi yang mampu mengakomodasi keseimbangan berjalan tidak hanya di bidang datar namun juga di bidang miring. Berjalan di bidang miring
merupakan hal yang tidak dapat dihindari oleh pejalan kaki termasuk amputee.
Obyek penelitian ini adalah sebuah prosthetic endoskeletal sistem energy storing
knee mekanisme 2 bar. Oleh karena itu, tujuan dalam penelitian ini diarahkan
untuk mengukur kemampuan prosthetic tersebut dalam menunjang aktifitas
berjalan amputee pada bidang miring.
Penelitian ini meliputi perumusan model matematis gait dynamic dan
observasi laboratorium. Parameter gerakan diperoleh melalui pengambilan
gambar dalam satu siklus berjalan amputee pada bidang miring dengan sudut
kemiringan 150. Parameter gerakan tersebut diolah melalui persamaan gerak
Lagrange untuk mendapatkan nilai external work serta komponen gaya dan torsi. Hasil dari penelitian ini adalah delapan model matematik beserta nilai-nilai
parameter dinamik gerakan berjalan pada bidang miring. Secara umum, prosthetic
endoskeletal sistem energy storing knee mekanisme 2 bar belum menunjukkan performansi yang baik terutama pada fase mengayun.
Kata kunci: bidang miring, prosthetic endoskeletal sistem energy storing knee
mekanisme 2 bar, gait dynamic.
xxiv + 159 hal; 89 gambar; 31 tabel; 5 lampiran
commit to user
ix
ABSTRACT
Isti Khrisna Aminasti, NIM: I0306006. GAIT DYNAMIC ANALYSIS ON INCLINE WALKWAY FOR AMPUTEE USING 2 BAR MECHANISM ENDOSKELETAL PROSTHETIC ENERGY STORING KNEE SYSTEM. Thesis. Surakarta: Industrial Engineering Department, Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, November 2010.
The latest improvement of above knee prosthetic is the use of energy
stored system that accommodate balance body’s walking not only on horizontal but also on incline walkway. Walking on incline walkway can not be evaded for pedestrian include for the amputee. An 2 bar mechanism endoskeletal prosthetic energy storing knee system was the obyek of this research. Therefore, the aim of this research was to identify the ability of that prosthetic to facilitate amputee to walk on incline walkway.
This research comprise both gait dynamic mathematical model formulation and laboratory observation. Motion parameters obtained by capturing amputee
gait cycle on 150 incline walkway. Those motion parameters processed through
Lagrange equation of motion to obtain external work with its components, force and torque.
The result from this research was the eight mathematical formulation with each gait dynamic parameters on incline walkway. Generally, endoskeletal
prosthetic with energy storing knee 2 bar mechanism hasn’t shown good
performance during swing phase of walking yet.
Key word: incline walkway, endoskeletal prosthetic with energy storing knee 2 bar mechanism, gait dynamic.
commit to user
I-1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Bidang miring merupakan medan berjalan yang lazim ditemukan pada
tempat umum. Bidang miring biasa disediakan sebagai fasilitas untuk
meningkatkan aksesbilitas berjalan bagi disabled, lansia dan kaum berkebutuhan
khusus (Vickers dkk, 2008). Selain itu, bidang miring juga merupakan salah satu
bidang yang digunakan sebagai sarana pelatihan berjalan (gait training) bagi
disabled khususnya amputee (May,1999). Pada manusia normal, anggota gerak
bagian bawah secara fungsional telah mengakomodasi tubuh untuk berjalan pada
tangga, doorway dan bidang miring (Perry, 1992). Pada penderita amputasi,
ketiadaan kaki digantikan prosthetic sebagai alat bantu untuk menggantikan
fungsi anggota gerak bawah. Sehingga secara fungsional, prosthetic harus mampu
digunakan di berbagai medan berjalan.
Desain prosthetic atas lutut konvensional pada dasarnya memiliki tingkat
kestabilan pada saat berdiri, namun pada mengayun kaki kurang leluasa
menggerakkan shank dan foot sehingga tidak mampu beradaptasi dengan
perubahan kecepatan dan level ketinggian (Murphy, 1964). Prosthetic
endoskeletal sistem energy storing knee mekanisme 2 bar merupakan jenis
prosthetic atas lutut yang dirancang dengan menambahkan komponen gas spring
pada sendi lutut untuk menggantikan mekanisme otot hamstring dan quadriceps
yang berada di sepanjang paha sampai lutut, dimana mekanisme pergerakan sendi
dibantu oleh 2 buah bar (penghubung). Gerakan meregang dan mengendur pada
gas spring akan mengurangi jumlah kerja yang harus dilakukan penderita
amputasi ketika beraktifitas. Rancangan prosthetic endoskeletal sistem energy
storing knee mekanisme 2 bar, diharapkan mampu memperbaiki mekanisme kerja
lutut dalam menghasilkan kendali untuk memperhalus ayunan langkah selama
fase mengayun pada bidang miring.
Menurut Vickers dkk (2008), gerak berjalan pada level kemiringan
tertentu akan berbeda dengan gerak berjalan pada bidang datar. Namun demikian,
penelitian gerak berjalan pada manusia normal dan disabled yang berkembang
commit to user
I-2
perhatian penelitian pada bidang miring (McIntosh dkk, 2005). Oleh karena itu,
penelitian ini diarahkan untuk menganalisis kemampuan prosthetic endoskeletal
sistem energy storing knee mekanisme 2 bar pada bidang miring melalui kajian
gait dynamic. Kajian gait dynamic merupakan analisis gerakan berjalan pada
manusia yang memperhitungkan variabel percepatan dan kecepatan serta berbagai
gaya yang menyebabkan perpindahan (Vaughan, 1999). Melalui kajian gait
dynamic ini kemampuan prosthetic endoskeletal sistem energy storing knee
mekanisme 2 bar dalam menunjang aktifitas berjalan amputee pada bidang miring
dapat diketahui dari karakteristik gait yang terbentuk. Karakteristik gait amputee
dilihat berdasarkan komparasi nilai kuantitatif external work, serta komponen
gaya dan torsi yang dihasilkan amputee pengguna prosthetic endoskeletal sistem
energy storing knee mekanisme 2 bar, antara kaki normal dengan kaki prosthetic,
saat berjalan pada bidang miring, melalui kajian gait dynamic.
Pola berjalan normal menunjukkan gerakan sendi dan besarnya gaya
kontak kaki dengan lantai yang relatif simetris antara anggota gerak bagian kanan
dan kiri (Barth dkk, 1999). Oleh karena itu prosthetic sebagai pengganti anggota
gerak bawah dikatakan baik apabila mampu mengkomodasi gerakan berjalan
menyerupai pola berjalan normal. Melalui kajian gait dynamic, dilakukan
pengujian untuk mengetahui kontribusi prosthetic endoskeletal sistem energy
storing knee mekanisme 2 barterhadap karakteristik gaitamputee yang dilakukan
sepanjang periode waktu dalam satu siklus berjalan pada bidang miring.
1.2 PERUMUSAN MASALAH
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, maka dapat
dirumuskan permasalahan dalam penelitian ini adalah bagaimana kemampuan
prosthetic endoskeletal sistem energy storing knee mekanisme 2 bar dalam
menunjang aktifitas berjalan amputee pada bidang miring melalui kajian gait
dynamic.
1.3 TUJUAN PENELITIAN
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah mengetahui
commit to user
I-3
dalam menunjang aktifitas berjalan amputee pada bidang miring melalui kajian
gait dynamic. Tahapan prosesnya, sebagai berikut:
1. Menentukan model matematis gait dynamic pengguna prosthetic endoskeletal
sistem energy storing knee mekanisme 2 bar pada bidang miring di setiap fase
gerakan dalam satu siklus berjalan.
2. Menentukan nilai external work, serta komponen gaya dan torsi, yang
dihasilkan oleh pengguna prosthetic endoskeletal sistem energy storing knee
mekanisme 2 bar pada bidang miring di setiap fase gerakan dalam satu siklus
berjalan.
3. Menentukan komparasi nilai external work di setiap fase gerakan, diantara
kaki normal dengan kaki prosthetic.
1.4 MANFAAT PENELITIAN
Manfaat yang didapat dari pelaksanaan penelitian ini yaitu memperoleh
informasi data ilmiah penggunaan prosthetic endoskeletal sistem energy storing
knee mekanisme 2 bar melalui kajian gait dynamic sebagai referensi analisis
karakteristik gait amputee pada bidang miring serta digunakan dalam
pengembangan rancangan dan teknologi prosthetic.
1.5 BATASAN MASALAH
Batasan masalah berfungsi untuk memperjelas obyek penelitian yang
diamati. Batasan masalah yang digunakan dalam penelitian, sebagai berikut:
1. Penelitian dilakukan kepada satu orang responden amputee atas lutut, berjenis
kelamin laki-laki dan berusia 49 tahun, dengan stump sepanjang 37 cm masih
dapat digerakkan.
2. Prosthetic yang digunakan dalam penelitian merupakan desain awal prosthetic
endoskeletal sistem energy storing knee mekanisme 2 bar.
3. Satu siklus gerakan berjalan di bidang miring, maksimal dibagi menjadi
delapan fase gerakan. Delapan fase gerakan ini mengacu pada siklus gerakan
berjalan pada bidang datar berdasarkan Whittle(2007).
4. Bidang miring yang digunakan dalam penelitian adalah bidang miring dengan
commit to user
I-4
dimana untuk bidang miring dengan kemiringan 200 tidak diujikan karena
spesifikasi kemiringan bidang disesuaikan dengan desain prosthetic yang
digunakan dalam penelitian dimana maksimal gerakan plantarflexion dan
dorsiflexion pada bagian ankle sebesar 170.
5. Penelitian gerak berjalan amputee, dilakukan dengan menggunakan bantuan
harness dan parallel bar (handraill) sebagai peralatan keselamatan ketika
berjalan pada bidang miring.
6. Pengukuran gerak berjalan amputee, dilakukan tanpa adanya beban tambahan.
7. Kajian gerakan jalan dilakukan pada bidang sagital dari bidang tubuh manusia.
8. Model perhitungan gait dynamic yang dikembangkan pada penelitian ini
adalah Lagrange.
9. Karakteristik gait yang diamati hanya berdasarkan data kuantitatif dari hasil
perhitungan model matematis yang dikembangkan dalam penelitian.
1.6 ASUMSI PENELITIAN
Asumsi-asumsi yang digunakan pada penelitian, sebagai berikut:
1. Gaya gesek antara kaki dengan landasan bidang miring mempunyai pengaruh
yang tidak signifikan terhadap aktivitas berjalan (tidak menimbulkan slip),
sehingga tidak diperhitungankan dalam pengukuran external work, komponen
gaya dan torsi.
2. Pegas pada komponen ankle joint prosthetic mempunyai dimensi dan massa
yang relatif kecil, sehingga gaya pegas pada ankle joint prosthetic dianggap
tidak mempengaruhi keseluruhan gaya yang dibutuhkan ketika berjalan.
3. Gaya berat segmen tubuh terjadi pada center of mass (COM).
4. Anggota upper body (kepala, leher, tangan, dan batang tubuh) pengguna
prosthetic dianggap sebagai satu kesatuan beban.
5. Sudut yang terbentuk pada bagian hip joint diasumsikan bernilai konstan 900
untuk semua fase gerakan, dalam memperoleh karakteristik gerakan berjalan
yang sesuai dengan gerakan pada manusia normal akibat penggunaan harness
dan parallel bar.
6. Capture gait yang terbentuk diasumsikan sebagai capture gait amputee yang
commit to user
I-5
1.7 SISTEMATIKA PENELITIAN
Penyusunan tugas akhir, disusun secara sistematis dan berisi uraian pada
setiap bab untuk mempermudah pembahasan penelitian. Adapun pokok-pokok
permasalahan dalam penelitian dapat dibagi menjadi enam bab, sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pengantar laporan penulisan tugas akhir yang
menguraikan latar belakang masalah diadakannya penelitian,
perumusan masalah bedasarkan latar belakang masalah penelitian yang
diangkat, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah,
asumsi-asumsi dan sistematika penelitian. Pengantar penelitian
dimaksudkan untuk memberikan wacana serta memperjelas fokus
penelitian sesuai tujuan, manfaat dan asumsi yang diajukan, untuk
menjawab permasalahan sehubungan dengan penelitian yang dilakukan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini menguraikan teori-teori yang digunakan sebagai dasar
pemikiran, wawasan serta sebagai landasan yang memberikan
penjelasan secara garis besar mengenai metode yang digunakan sebagai
kerangka pemecahan masalah. Tinjauan pustaka berasal dari berbagai
literatur tertulis, diantaranya buku, jurnal, karya ilmiah, maupun
berbagai sumber lainnya. Teori yang dikemukakan berupa penjelasan
mengenai gerakan berjalan, analisis gerak biomekanika, anthropometri
data biomekanika, keseimbangan gerak biomekanika, kajian work, gaya
dan torsi pada segmen tubuh, persamaan gerak Lagrange, energy
storing knee, serta kajian bidang miring sebagai tempat penelitian.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Metodologi penelitian merupakan gambaran terstruktur yang disusun
dalam flow chart dari alur pelaksanaan penelitian tugas akhir. Pada bab
ini diuraikan 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
commit to user
I-6
data, serta analisis karakteristik gait bagi pengguna prosthetic
endoskeletal sistem energy storing knee mekanisme 2 bar.
BAB IV PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA
Bab ini menjelaskan proses pengumpulan dan pengolahan data yang
diperoleh selama pelaksanaan penelitian, sesuai dengan usulan
permasalahan yang diangkat. Data yang dikumpulkan berupa data
antropometri amputee, data dimensi prosthetic endoskeletal sistem
energy storing knee mekanisme 2 bar, data pengukuran sudut gerakan
pada ankle, knee dan hip joint serta data pengukuran kecepatan dan
percepatan di setiap fase gerakan dalam satu siklus berjalan pada bidang
miring. Selanjutnya, data yang diperoleh diolah dengan menggunakan
pendekatan Lagrange motion untuk mengetahui kontribusi prosthetic
endoskeletal sistem energy storing knee mekanisme 2 bar dalam
mengakomodasi gerakan berjalan amputee pada bidang miring.
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 analisis
karakteristik gait pada pengguna prosthetic endoskeletal sistem energy
storing knee mekanisme 2 bar pada bidang miring.
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan dan saran merupakan tahap akhir penyusunan laporan
penelitian yang berisi uraian pencapaian tujuan penelitian yang
diperoleh dari analisis pemecahan masalah maupun hasil pengumpulan
commit to user
II-1
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pengetahuan mengenai konsep biomekanik dan gerakan manusia
digunakan 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 link dan
joint yang saling terhubung membentuk satu kesatuan. Perilaku dinamik dari
sebuah sistem dinyatakan dalam besaran kinematik dan kinetika. Besaran
kinematik meliputi posisi, kecepatan, dan percepatan, dari sistem, sedangkan
besaran kinetika melibatkan gaya yang menyebabkan sistem tersebut bergerak.
Tinjauan pustaka mengenai prinsip gerakan berjalan dan prinsip biomekanik
keseimbangan gerak berjalan manusia diperlukan untuk mengetahui keseluruhan
konsep pendukung kajian gait dynamic pada pengguna prosthetic endoskeletal
sistem energy storing knee mekanisme 2 bar di bidang miring.
2.1HUMAN GAIT
Berdasarkan Vaughan dkk (1999), dua hal mendasar yang diperlukan
untuk berjalan yaitu periodik gerakan setiap kaki dari satu posisi yang mendukung
langkah pada posisi berikutnya dan gaya reaksi tanah yang cukup pada kaki yang
memberi kestabilan pada tubuh saat berjalan. Pola gerakan yang menyebabkan
cedera dan berbagai bentuk penyesuaian untuk dapat bergerak secara lebih efisien,
dapat dipahami dengan mempelajari karakteristik berjalan manusia (Perry, 1992).
2.1.1 Gait Cycle
Perry (1992), mengartikan berjalan sebagai gerakan tubuh untuk berpindah
dari satu tempat ke tempat yang lain. Berjalan adalah rangkaian gait cycle, dimana
satu gait cycle dikenal dengan sebutan langkah (stride). Setiap langkah dalam gait
cycle terdiri dari dua step. Step dikatakan sebagai interval diantara dua kaki saat
melangkah. Gait cycle dengan step dan stide ini akan terus berulang ketika
commit to user
II-2
Gambar 2.1 Step dan stride dalam gait cycle
Sumber: Whittle, 2007
Menurut Perry (1992), pada dasarnya gait cycle terdiri dari 2 periode, yaitu
periode berdiri (stance) dimana kaki mengenai landasan dan periode mengayun
(swing) dimana kaki tidak mengenai landasan. Gait cycle dibagi kedalam delapan
fase yang memiliki tiga tugas fungsional anggota tubuh diantaranya, weight
acceptance, single support dan limb advancement (Perry, 1992). Pada gambar 2.2
di bawah ini menunjukkan pembagian gait cycle menurut Rose dan Gamble
(2006).
Gambar 2.2 Pembagian gait cycle
Sumber: Rose dan Gamble, 2006
2.1.2 Fase Gait Cycle
Setiap fase dalam gait cycle memiliki persentase waktu tertentu.
Vaughan (1999), menganalogikan gait cycle sebagai gerak putar roda. Siklus pola
commit to user
II-3
demi langkah menuju ke titik awal. Pada persentase waktu gait cycle, 60%
dilakukan pada periode berdiri (stance) dan 40% pada periode berayun (swing).
Berikut ini masing-masing fase gait cycle (Perry, 1992; Whittle, 2007), yaitu:
1. Initial contact (heel strike),
Initial contact merupakan koneksi awal dari gait cycle (initial contact/heel
strike), dimana menjadi periode pertama dari stance phase. Heal strike
(calcaneous) merupakan tulang pertama yang menyentuh landasan. Pada gambar
2.3, terlihat kaki kanan (grey) sebagai heel strike, sedangkan kaki kiri (biru)
berada pada fase terminal stance (heel off ).
Gambar 2.3 Gerakan kaki pada fase initial contact
Sumber: Whittle, 2007
Bagian anggota gerak bawah pada posisi ini menjaga stabilisasi awal
dalam periode berdiri. Sesaat setelah kaki mengenai landasan, bagian hip bergerak
flexion sebesar 250, ankle bergerak dorsiflexion sejauh 00-100 menuju posisi
normal, dan lutut dalam keadaan flexion di bawah center of mass sejauh 00-150.
Pada posisi initial contact bagian trunk berputar, bahu kiri dan sisi kanan
pelvis bergerak menjauh ke sisi depan meninggalkan lengan kiri yang berayun ke
belakang. Jumlah ayunan lengan bervariasi pada setiap orang dan meningkat
seiring bertambahnya kecepatan berjalan. Ketika posisi initial contact Murray
(1967) dalam Whittle (2007), menemukan rata-rata siku flexion sebesar 80 dan
bahu flexion sebesar 450.
2. Loading response (foot flat),
Fase loading response terjadi pada persentase waktu sekitar 10% dari gait
cycle (Perry, 1992). Selama fase loading response, kaki melakukan kontak
commit to user
II-4
(lihat kaki warna grey pada gambar 2.4). Berat badan secara penuh dipindahkan
ke kaki kanan (grey), sedangkan kaki lainnya berada pada fase pre swing.
Gambar 2.4 Gerakan kaki fase loading response
Sumber: Whittle, 2007
Pada posisi ini terjadi penyerapan goncangan saat berjalan dan stabilisasi
awal dalam periode berdiri. Menggunakan heel sebagai tumpuan ayunan, bagian
knee bergerak 150 flexion untuk menahan goncangan sekaligus menyerap energi
untuk mengayunkan kaki. Ankle bergerak 100 plantar flexion untuk membatasi
ayunan tumit dengan kaki depan yang melakukan kontak sepenuhnya dengan
landasan.
Bagian atas tubuh selama loading response, trunk berada pada posisi
terbawah sekitar 20 mm di bawah posisi normal. Bagian arms bergerak secara
maksimal ke posisi depan dan belakang, sedangkan bagian hip memanjang akibat
kontraksi otot ekstensor sejauh 250, saat fase loading response.
3. Mid stance,
Fase mid stance terjadi pada periode waktu gait cycle 10-30% (Perry,
1992). Fase ini dimulai sesaat sebelum heel meninggalkan landasan sehingga kaki
berada sejajar dengan kaki bawah bagian depan. Bersamaan pada fase ini, terjadi
perpindahan berat oleh kaki pada periode stance (kaki kanan, warna grey),
commit to user
II-5
Gambar 2.5 Gerakan kaki fase mid stance
Sumber: Whittle, 2007
Kestabilan trunk dan anggota gerak bawah menjadi penting dalam posisi
ini. Selam fase ini, knee mencapai puncak extension sampai pada sudut elevasi 00
dalam fase berdiri dan mulai untuk bergerak memanjang kembali. Pada posisi ini
trunk berada pada titik tertinggi 20 mm di atas posisi normal. Bagian arms
bergerak berlawanan arah gerakan leg. Sedangkan bagian trunk bergerak kembali
ke posisi normal, sebagai akibatnya bagian bahu dan pelvis juga berada dalam
posisi netral sebelum kembali berputar arah saat bergerak pada posisi berikutnya.
Bagian ankle bergerak dorsi flexion pada 50-100.
4. Terminal stance (heel off),
Fase terminal stance pada saat heel kaki kanan (grey) meninggi (mulai
meninggalkan landasan) dan dilanjutkan sampai dengan heel dari kaki biru mulai
mengenai landasan, seperti terlihat pada gambar 2.6. Fase terminal stance disebut
juga dengan fase heel off karena heel kaki pada periode stance tidak mengenai
landasan (Perry, 1992). Fase ini terjadi pada periode waktu gait cycle 30-50%
dimana berat badan dipindahkan dan bertumpu ke bagian bawah kaki depan (toe).
Gambar 2.6 Gerakan kaki pada fase terminal stance
Sumber: Whittle, 2007
Saat tubuh bergerak ke depan, beban tubuh berpindah dari bagian tumit ke
commit to user
II-6
flexion 00-400dan hipextension 200-00. Kenaikan bagian heel menyebabkan trunk
bergerak turun dari posisi tertingginya. Ankle dalam posisi peralihan dari dorsi
flexion sebesar 100 lalu bergerak 200 plantarflexion. 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 (biru), dan kaki kanan (grey) berada posisi meninggalkan landasan untuk
melakukan periode mengayun (toe-off), seperti ditunjukkan oleh gambar 2.7.
Periode waktu pre swing terjadi pada persentase waktu gait cycle 50-62%, dan
mulai terjadi pelepasan berat tubuh oleh kaki yang bersangkutan (Perry, 1992).
Gambar 2.7 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
ini, bagian hip tetap dalam kondisi flexion sedangkan knee flexion bergerak
menurun dari sudut elevasi sebesar 400 hingga 00. Ankle berada dalam puncak
plantar flexion dimana membentuk sudut sebesar 250.
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 62-75% dari
commit to user
II-7
telapak kaki kanan (grey) mulai diangkat dari posisi landasan (toe off), sedangkan
kaki kiri (biru) berada pada posisi midstance, seperti ditunjukkan oleh gambar 2.8.
Gambar 2.8 Gerakan kaki fase pada initial swing
Sumber: Whittle, 2007
Saat kaki diangkat, anggota badan naik dengan adanya 150 hip flexion and
peningkatan knee flexion sampai 600. Bagian ankle secara parsial berada dalam
posisi 100 plantar flexion. Pada posisi ini, bagian atas tubuh bergerak
menyesuaikan keseimbangan gerakan kaki.
Saat kaki dalam posisi berdampingan, trunk berada dalam posisi tertinggi
dan secara maksimal memindahkan posisi kaki untuk bergerak naik saat posisi
kaki yang lain dalam keadaan berdiri. Bagian arms berada pada posisi yang sama,
tangan yang satu bergerak maju dan yang lainnya bergerak mundur.
7. Mid swing,
Gambar 2.9 menunjukkan fase mid swing yang dimulai pada akhir initial
swing dan dilanjutkan sampai kaki kanan (grey) mengayun maju berada di depan
anggota badan sebelum mengenai landasan. Fase mid swing terjadi pada periode
waktu gait cycle 75-85%, dimana kaki kiri (biru) berada pada fase terminal stance
(Perry, 1992). Pada fase ini juga terjadi gerak perpanjangan tungkai kaki dalam
persiapan melakukan fase heel strike.
Gambar 2.9 Gerakan kaki pada fase mid-swing
commit to user
II-8
Pada posisi ini bagian trunk kehilangan posisi tertingginya dan bergerak
dari titik maksimalnya untuk menahan kaki kiri kembali ke posisi midline. Hal ini
juga disebabkan terjadinya hip flexion sebesar 250 dari fase sebelumnya yang
mendukung anggota tubuh ke arah anterior dari titik berat tubuh. Bagian knee
mengikuti respon gravitasi, dimana ankle pada posisi dorsi flexion menuju posisi
netral (00). Lengan kanan berada di posisi depan dan bagian kanan dari pelvis
pada posisi di sisi depan kiri.
8. Terminal swing (decceleration),
Fase terminal swing merupakan akhir dari gait cycle, terjadi pada periode
waktu gait cycle 85-100% (Perry, 1992). Fase terminal swing dimulai saat akhir
dari fase mid swing, dimana tungkai kaki mengalami perpanjangan maksimum
dan berhenti saat heel telapak kaki kanan (grey) mulai mengenai landasan. Pada
periode ini, posisi kaki kanan (grey) berada kembali berada depan anggota badan,
seperti pada posisi awal gait cycle, seperti ditunjukkan oleh gambar 2.10.
Gambar 2.10 Gerakan kaki pada fase terminal swing
Sumber: Whittle, 2007
Gerakan ke depan anggota badan disempurnakan oleh adanya ekstensi
lutut. Hip bertahan dalam posisi 250 flexion, dimana knee berada dalam posisi
flexion, begitu pula bagian ankle bergerak dorsi flexion menuju posisi netral (00).
Dengan gerakan demikian anggota tubuh siap untuk kembali dalam posisi berdiri.
2.1.3 Gait Analysis
Gait analysis merupakan studi sistematis tentang gerakan berjalan
manusia, dimana menggunakan berbagi peralatan yang digunakan dalam
mnegukur gerak tubuh, mekanika tubuh dan aktifitas yang terjadi pada otot ketika
bergerak (Whittle, 2007). Gait analysis mempunyai dua tujuan yaitu, pertama
commit to user
II-9
yang kedua digunakan untuk lebih memahami pola berjalan manusia melalui
suatu penelitian gerak berjalan.
2.1.4 Gait Training
Gait training atau disebut pelatihan berjalan memainkan peranan penting
dalam adaptasi penggunaan prosthtetic bagi amputee. Gait training mempunyai
beberapa tujuan diantaranya, untuk membantu amputee beradaptasi dengan
kondisi barunya, membantu amputee untuk memperoleh berat optimal dari
prosthetic yang dikenakan, membantu meningkatkan keseimbangan dan reaksi
terhadap gangguan ketika berjalan, membantu memperoleh pola berjalan optimal
amputee kembali, untuk mengurangi jumlah energi yang dibutuhkan ketika
berjalan dan membantu amputee untuk melakukan kegiatan sehari-hari seperti
duduk serta berjalan pada bidang miring. Semua proses ini diharapkan dapat
mengembalikan kepercayaan diri bagi amputee untuk hidup kembali dalam
masyarakat. Langkah-langkah gait training (International Committee of the Red
Cross USA, 2008), sebagai berikut:
1. Pelatihan berat dan keseimbangan.
Pada langkah ini dilakukan pelatihan keseimbangan saat amputee berdiri
dengan prosthetic menggunakan bantuan parallel bar.
2. Pelatihan berjalan.
Langkah kedua ini, amputee melakukan pelatihan berjalan menggunakan
prosthetic yang diawali dengan menumpukan kedua tangan pada parallel bar
dan secara bertahap amputee dilatih untuk berjalan tanpa bantuan parallel bar.
3. Pelatihan lanjutan
Pelatihan lanjutan merupakan bentuk pelatihan berjalan dimana amputee akan
dilatih mempertahankan keseimbangan saat melakukan aktifitas dengan
menggunakan prosthetic. Misalnya saja berjalan dengan mendribel bola basket,
berjalan pada area berbatu dan tidak rata serta berjalan menaiki dan menuruni
area bidang miring.
4. Pelatihan fungsional
Pada tahap akhir ini, amputee dilatih untuk dapat melakukan kegiatan
commit to user
II-10
dilakukan untuk dapat duduk dalam sebuah kursi, berjalan menaiki dan
menuruni tangga serta melatih untuk duduk kemudian berdiri kembali.
2.2ANALISIS GERAK BIOMEKANIKA
Menurut Hatze (1974) dalam Knudson (2007), biomekanika merupakan
ilmu mekanika teknik untuk menganalisa gerakan yang terjadi pada tubuh. Secara
umum biomekanika didefinisikan sebagai ilmu yang menggunakan konsep fisika
dan teknik untuk menjelaskan gerakan pada bermacam-macam bagian tubuh dan
gaya yang bekerja pada bagian tubuh pada aktivitas sehari-hari.
Gerak mengandung arti perubahan tempat atau posisi. Secara definitif
gerak diartikan sebagai perubahan posisi yang terjadi dalam suatu periode waktu
dan relatif terhadap suatu titik acuan dalam lingkungan (Hamill dan Knutzen,
2009). Gerakan-gerakan yang terjadi pada tubuh manusia bekerja pada garis-garis
imaginer yang membagi sumbu tubuh dalam satu titik pusat. Bidang yang
membagi kategori gerakan tubuh terdiri dari tiga bidang yaitu sagital plane yang
membelah tubuh menjadi bagian kanan dan kiri, frontal plane yang membelah
tubuh menjadi bagian depan dan belakang serta transverse plane yang membelah
tubuh menjadi bagian atas dan bawah. Referensi bidang ini penting digunakan
untuk menyediakan uraian spesifik dalam suatu gerakan (Hall, 1999).
Gambar 2.11 Posisi anatomi manusia
commit to user
II-11
Menurut Hamill dan Knutzen (2009), analisis biomekanik gerakan
manusia dapat dilakukan melaui dua perspektif pendekatan, kinematika dan
kinetika. Perpektif analisis kinematik menekankan pada pendeskripsian gerak
tanpa mempedulikan gaya penyebab gerakan. Studi 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. Contoh
analisis kinematik pada pelari misalnya, kecepatan pelari, panjang langkah dan
kecepatan angular saat hip extension. Kinetik merupakan area studi yang
menekankan gaya penyebab gerakan (Knudson, 2007). Analisis yang dilakukan
adalah dengan menguraikan gaya yang menyebabkan gerakan. 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.
2.3ANTROPOMETRI 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 dkk (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.
commit to user
II-12
Gambar 2.12 Tubuh sebagai sistem enam link dan joint
Sumber: Chaffin dkk, 1999
Menurut Chaffin dkk (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 dkk (1999) seperti
digambarkan pada gambar 2.13. Link tiap segmen berotasi di sekitar sambungan
dan secara mekanika terjadi mengikuti hukum Newton. Prinsip-prinsip ini
digunakan untuk menyatakan gaya mekanik pada tubuh dan gaya otot yang
commit to user
II-13
Gambar 2.13 Permodelan titik-titik pusat massa dempster
Sumber: Chaffin dkk, 1999
Pada penentuan massa tiap segmen, tubuh manusia digambarkan sebagai
stick diagram seperti pada pemodelan Dempters (1955) dalam Chaffin dkk
(1999). Persentase massa segmen tubuh ditentukan berdasarkan pemodelan
distribusi berat tubuh (Webb Associaties, 1978 dalam Chaffin dkk, 1999).
Tabel 2.1 Pemodelan distribusi berat badan
Sumber: Webb Associaties, 1978
Inersia merupakan kecenderungan suatu benda untuk mempertahankan
keadaanya (Winter, 1990). Pada tubuh manusia, segmen yang bergerak rotasi
terhadap sendi tubuh, mempunyai ukuran inersia yang selain ditentukan oleh
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 %
commit to user
II-14
massa benda juga dipengaruhi oleh pola distribusi massa terhadap sumbu rotasi
yang disebut momen inersia. Momen inersia merupakan hasil kali massa (m)
dengan kuadrat jarak benda terhadap pusat massa (ρo).
I = m. ρo2... (2.1)
dengan, I = Momen inersia (kg.m2)
m = Massa (kg)
ρo = Pusat massa/Radius gyration (m)
2.4STUDI GERAK BIOMEKANIKA
Pada pengguna prosthetic, analisis biomekanika digunakan untuk
mengetahui pola berjalan amputee apakah telah sesuai dengan pola berjalan
normalnya (Radcliffe dan Foort, 1961). Hal ini diketahui dengan keseimbangan
gaya, momen serta tingkat keluaran energi selama amputee berjalan dalam suatu
periode waktu.
2.4.1 Keseimbangan, Equilibrium dan Stabilitas Gerak
Keseimbangan, equilibrium dan stabilitas merupakan tiga hal yang
esensial dalam studi tentang gerak (Thompson, 1994). Ketiga hal tersebut
dipengaruhi oleh adanya gaya yang terjadi pada suatu obyek. Kemampuan untuk
menyeimbangkan massa tubuh dengan bidang tumpu akan membuat manusia
mampu untuk beraktivitas secara efektif dan efisien.
Keseimbangan adalah kemampuan untuk mempertahankan kesetimbangan
tubuh ketika ditempatkan diberbagai posisi. Keseimbangan juga diartikan sebagai
kemampuan untuk mengendalikan kondisi equilibrium baik statis maupun dinamis
(Thompson, 1994). Hall (1999) menyebutkan bahwa equilibrium merupakan
karakteristik keadaan dimana terjadi keseimbangan gaya dan torsi (momen gaya).
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.
commit to user
II-15
semua gaya yang bereaksi pada tubuh seimbang dengan gaya inersial yang
melawan gaya reaksi tubuh tersebut, sehingga tidak terjadi pertambahan
kecepatan ataupun perubahan arah gerak. Sedangkan stabilitas merupakan
kemampuan untuk menahan perubahan pada tubuh yang bergerak dengan
percepatan tertentu (Thompson, 1994).
2.4.2 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... (2.2)
Gambar 2.14 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 segmen
bergerak pada suatu persendian, terjadi perubahan torsi pada otot yang melintasi
persendian. Saat berjalan, secara signifikan akan lebih banyak gaya dibutuhkan
ketika torsi dibangkitkan oleh single support foot dimana hanya salah satu kaki
yang berfungsi sebagai tumpuan tubuh.
Young dan Freedman (1999) 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
commit to user
II-16
searah dengan putaran jarum jam, maka arah torsi bernilai negatif. Penentuan arah
torsi secara umum dilakukan dengan menggunakan kaidah aturan tangan kanan.
2.4.3 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 = Tx θ... (2.3)
Gambar 2.15 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 gaya internal 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 gaya eksternal dimana terjadi perubahan
energi relatif terhadap COM disebut sebagai external work.
2.4.4 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
commit to user
II-17
transfer energi selama berjalan pada persendian dan konsumsi energi secara
keseluruhan merupakan bagian penting dalam analisis cara berjalan ilmiah.
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 (KE) 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 2 1
mv KEtranslasi
2
2
1
I
KErotasi ... (2.4)
dengan, KE = 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:
EP = mgh... (2.5)
dengan, EP = 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 seringpula disebut
sebagai energi penyimpanan. Hal ini merupakan bentuk implikasi dari adanya
energi kinetik dalam tubuh ketika bergerak. Salah satu bentuk potensial energi
commit to user
II-18
2
2 1
kx
Epegas ... (2.6)
dengan k merupakan konstanta elastis yang menunjukkan keelastisan bahan atau
kemampuan untuk menyimpan energi dan berdeformasi. Sedangkan x
menunjukkan besarnya deformasi yang terjadi otot.
2.4.5 Persamaan Gerak 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 kajian gait dynamic dirumuskan melalui persamaan
Lagrange berdasarkan Winter (1990). Lagrange merupakan konsep matematik
dinamis yang menghubungkan konsep energi dengan displacement, kecepatan dan
usaha (work) 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... (2.7)
Bentuk umum teori Lagrange tentang gerak terdapat dalam persamaan 2.8.
i i i
Q q
L q
L dt
d
... (2.8)
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]... (2.9)
Langkah awal yang dilakukan untuk merumuskan Lagrange adalah
menyatakan semua variabel sesuai referensi sistem. Variabel-variabel ini meliputi,
referensi sistem gerak, point, segment, torsi dan gaya yang ada dalam sistem. Pada
commit to user
II-19
massa dari segmen, titik dimana gaya eksternal terjadi dan pusat joint. Bentuk
referensi gerak local reference system (LRS) diberikan jika titik asal dan orientasi
gerak relatif terhadap global reference system (GRS) telah dinyatakan.
Menggunakan notasi link (i, j), sebuah point (pt) yang bergerak relatif terhadap
referensi sistem digambarkan, sebagai berikut:
Pt(i) = [j, xi, yi] ... (2.10)
Dengan cara yang sama, gerak LRS(j) dengan titik asal pada pt (k) dinotasikan
berikut ini.
LRS(j) = [k, θj] ... (2.11) Segment (Seg) pada referensi sistem digunakan untuk menggambarkan letak pusat
massa dalam sistem, termasuk partikel dan rigid segment.
Seg(i) = [Pt, mi, Ii]
Seg(2) = [2, m2, I2] ... (2.12)
Sebagai bagian dari variabel model, gaya external (j) yang berlaku pada
point a yang memuat komponen-komponen gaya yang bekerja pada sistem,
digambarkan dalam persamaan 2.13 berikut ini.
Frc(j) = [Pt, Fx, Fy] ... (2.13)
Sama halnya dengan gaya external, torsi juga merupakan variabel yang
membangun model pada sistem. Besar torsi i yang berlaku pada segment dan point
j dan k, sebagai berikut:
Trq(i) = [j, k, t] ... (2.14)
Kontribusi besarnya gaya dan torsi eksternal yang berlaku pada sistem terhadap
generalized force dirumuskan dalam persamaan berikut ini.
i i
q W Q
... (2.15)
Dalam merumuskan persamaan Lagrange diperlukan vektor perpindahan
dan kecepatan yang memuat semua point dalam sistem. Rumusan vektor
perpindahan dan kecepatan terdapat dalam persamaan 2.16.
Disp(i) = [xi, yi, zi]
