1 1.1. Latar Belakang
Perkembangan dunia yang cepat dan semakin maju membutuhkan suatu aplikasi sistem yang mampu bergerak cepat, konsisten, dan efisien. Robot merupakan salah satu sistem yang mampu memenuhi tuntutan tersebut. Robot sudah mulai banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang. Bidang kesehatan memiliki tuntutan aplikasi yang mampu dilakukan oleh sebuah robot, yaitu konsistensi dan kerumitan gerakan. Salah satu aplikasi robot dalam dunia kesehatan adalah untuk melakukan rehabilitasi medis.
Rehabilitasi merupakan upaya pemulihan terhadap suatu kondisi agar kembali seperti semula. Dalam dunia kedokteran, rehabilitasi biasanya dilakukan setelah seseorang mengalami perubahan kondisi tubuh, salah satu contoh misalnya rehabilitasi setelah mengalami serangan stroke. Rehabilitasi stroke merupakan program pemulihan pada kondisi stroke yang bertujuan untuk mengoptimalkan kapasitas fisik dan kemampuan fungsional pasien pasca stroke. Dengan proses rehabilitasi, pasien pasca stroke diharapkan mampu mandiri dalam melakukan aktivitas sehari-hari.
Pada awalnya, rehabilitasi stroke dilakukan oleh seorang fisioterapist yang menggerakkan bagian tubuh tertentu pada pasien yang menderita efek serangan stroke. Namun dalam perkembangannya, dibutuhkan alat bantu untuk memudahkan terapi rehabilitasi. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa rehabilitasi menggunakan alat bantu memiliki lebih banyak keuntungan dibandingkan dengan metode-metode terapi klasik (Lum dkk., 2002; Hariandja, 2013). Salah satu jenis alat rehabilitasi tersebut diantaranya adalah sebuah robot rehabilitasi.
Kebutuhan akan robot rehabilitasi meningkat seiring dengan peningkatan jumlah penderita stroke di Indonesia. Prevalensi stroke di Indonesia mencapai 8,3 per 1000 populasi pada tahun 2007, dan mengalami peningkatan pada tahun 2013
sebanyak 12,1 per 1000 populasi (Riskesdas 2007 dan Riskesdas 2013). Namun, lebih dari 90% alat bantu rehabilitasi yang dijual di Indonesia adalah produk impor. Untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri akan robot rehabilitasi tersebut, maka dibutuhkan penelitian tentang sistem kendali robot rehabilitasi.
Dalam mengendalikan robot rehabilitasi dibutuhkan adanya sebuah sistem kendali. Widhi (2014) melakukan penelitian untuk sebuah robot rehabilitasi anggota gerak bawah dengan menggunakan sistem kendali PID. Pengendalian robot rehabilitasi anggota gerak bawah tersebut menunjukkan kinerja posisi yang baik. Namun secara umum, pengendali posisi dengan menggunakan sistem kendali PID cenderung rumit dan memerlukan pengetahuan yang mendalam tentang teori sistem kendali dan rancang bangun. Hal ini terjadi karena dalam sistem kendali PID, model yang digunakan dibangun secara matematis. Selain itu, model yang tepat dan parameter identifikasi umumnya merepotkan dan membutuhkan waktu yang lebih banyak.
Untuk mengatasi masalah ini, perlu dikembangkan sebuah sistem kendali yang praktis yang mampu mengatasi kekurangan-kekurangan yang ada pada sistem kendali yang berbasis model matematis, seperti sistem kendali PID. Sistem kendali yang praktis harus mampu mempermudah desainer dalam membuat model, mempercepat proses pembuatan model, dan memiliki respon sistem yang tidak jauh berbeda dibanding sistem kendali berbasis model matematis. Dengan melihat kriteria tersebut, maka sistem kendali nominal characteristic trajectory
following (NCTF) merupakan sistem kendali yang mampu memenuhi kriteria
sebagai sistem kendali yang praktis.
Sistem kendali NCTF telah dikembangkan sebagai pengontrol praktis untuk sistem kendali posisi (Wahyudi, 2002). Model pada sistem kendali NCTF tidak dibangun berdasarkan perhitungan matematis, namun berdasarkan pada mekanisme eksperimen open-loop sederhana. Sistem kendali NCTF mirip dengan sistem kendali yang berbasis model matematis, akan tetapi dalam proses desainnya sistem kendali NCTF tidak memerlukan model yang sempurna beserta identifikasi parameter obyek yang dikendalikan secara pasti. Model pada sistem kendali NCTF dibuat dengan eksperimen sederhana, sehingga lebih mudah dan lebih cepat.
Sistem kendali NCTF memiliki kinerja posisi dan ketahanan yang baik (Wahyudi dkk., 2003). Sistem kendali NCTF juga efektif untuk mengimbangi efek gesekan yang merupakan sumber utama ketidaktepatan posisi (Wahyudi dkk., 2005).
Dengan kemudahan dan kelebihannya inilah maka muncul banyak peluang bagi seorang desainer mekanik untuk menciptakan sebuah mekanisme mekanik terlebih dahulu, dan memikirkan sistem pengendalinya dengan lebih mudah setelah mekanisme mekaniknya dibuat. Hal ini juga membuka peluang lain bagi seorang desainer mekanik untuk melakukan proses reverse engineering dari peralatan yang sudah ada, misalnya menciptakan sebuah sistem kendali tank buatan negara lain, sehingga dapat menciptakan tank baru yang sama tanpa harus melakukan perhitungan yang mendalam.
Sistem kendali NCTF terdiri dari dua bagian utama, yaitu Nominal
Characteristic Trajectory (NCT) dan sebuah kompensator. Kompensator yang
paling sederhana untuk digunakan berbasis Proportional-Integral (PI). Berbagai cara dan metode untuk menemukan kompensator yang berbasis PI yang paling optimal telah dilakukan oleh beberapa peneliti, diantaranya metode Jury’s test (Wahyudi dkk., 2003), metode eksperimen (Maeda dan Sato, 2008), metode logika Fuzzy (Wahyudi dkk., 2007), dan metode EMRAN (Fitri dan Andika, 2011). Hal ini menunjukkan bahwa sistem kendali NCTF masih terus dikembangkan untuk bisa semakin disederhanakan.
Sistem kendali NCTF umumnya diaplikasikan pada sistem kendali posisi pada gerak linear maupun gerak berputar, baik secara Point to Point (PTP) maupun secara Continous Path (CP). Namun sampai saat ini, keseluruhan penelitian sistem pengendali NCTF dengan kompensator berbasis PI untuk mekanisme PTP dan CP tersebut hanya diaplikasikan untuk kendali posisi putar secara horisontal dengan massa yang seimbang (Fitri dan Rini, 2011). Sistem kendali NCTF untuk mengendalikan posisi putar secara vertikal (berdiri) dengan massa tidak seimbang belum pernah dilaporkan. Aplikasi sistem dengan massa yang tidak seimbang dan vertikal diantaranya ada pada lengan robot rehabilitasi, meriam anti pesawat, jembatan angkat, lengan crane dan berbagai mekanisme putar yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Untuk itu dibutuhkan penelitian terkait
sistem kendali NCTF untuk posisi PTP dan CP secara vertikal dengan massa yang tidak seimbang.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut maka perlu dilakukan penelitian tentang sistem kendali NCTF untuk posisi putar secara vertikal untuk massa yang tidak seimbang, baik secara PTP maupun CP. Diperkirakan akan muncul karakteristik NCT yang berbeda apabila dibandingkan dengan sistem kendali NCTF yang horisontal dan sistem kendali NCTF yang seimbang. Pada sistem ini tidak hanya gaya gesekan dan inersia yang mempengaruhi kinerja sistem, namun faktor gaya gravitasi juga akan mempengaruhi. Dalam penelitian ini akan dilihat kemampuan sistem untuk merespon perintah dan mengkompensasi gaya gravitasi yang ada.
1.3. Batasan Masalah
Untuk lebih memfokuskan penelitian yang akan dilakukan, maka dalam penelitian ini diambil sejumlah batasan masalah sebagai berikut:
1. Penelitian ini difokuskan pada sistem kendali NCTF posisi putar vertikal. 2. Penelitian ini menggunakan bilah/lengan yang memiliki massa tertentu,
dan terpasang eksentris.
3. Pengujian sistem dilakukan secara eksperimen dan simulasi.
1.4. Keaslian
Penelitian ini merupakan penelitian pengembangan sistem kendali NCTF untuk posisi putar dengan massa yang seimbang. Penelitian ini juga merupakan pengembangan sistem kendali NCTF untuk posisi putar dengan mekanisme putaran secara horisontal tanpa memperhitungkan efek gravitasi. Pada penelitian sebelumnya, penelitian lebih banyak dikembangkan untuk meningkatkan kualitas respon dan kepraktisan metode penentuan kompensatornya, namun obyek kendali yang digunakan masih menggunakan mekanisme horisontal. Sehingga perlu
dilakukan penelitian dengan obyek yang memiliki mekanisme putaran vertikal dengan massa yang tidak seimbang.
1.5. Tujuan Penelitian
Tujuan dilakukannya penelitian ini adalah:
1. Untuk merumuskan struktur baru sistem kendali NCTF dengan kompensator PI untuk kendali posisi putar dengan massa yang tidak seimbang.
2. Untuk merumuskan struktur baru sistem kendali NCTF dengan kompensator PI untuk kendali posisi putar dengan mekanisme putaran secara vertikal.
3. Untuk melihat respon sistem terhadap perintah yang diberikan agar dapat dilihat kemampuan sistem untuk mengkompensasi gaya gravitasi yang ada. 4. Untuk mengetahui performa sistem kendali NCTF dengan kompensator PI
secara eksperimen, dan memvalidasi NCT terbaik dengan hasil simulasi.
1.6. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Mengembangkan riset di bidang kendali, khususnya kendali posisi untuk
lengan eksentris vertikal seperti lengan robot rehabilitasi, lengan crane, lengan meriam tank dan sebagainya.
2. Mengembangkan metode reverse engineering pada aplikasi sistem kendali untuk mengejar ketertinggalan teknologi sistem kendali di negara berkembang.
