Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya 3045
Pengembangan Aplikasi Kontrol Kendali Kemudi Kursi Roda Berbasis Pergerakan Kepala HEMOCS (Head Movement Control System)
Muhammad Ridho Kurniawan Pratama1, Herman Tolle2, Mahardeka Tri Ananta3 Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya
Email: 1[email protected], 2[email protected], 3[email protected]
Abstrak
Head Movement Control System (HEMOCS) merupakan sebuah metode kontrol terhadap sistem yang menggunakan pergerakan kepala, terutama pada interaksi kepada perangkat bergerak. Aplikasi Kontrol Kendali Kursi Roda Berbasis HEMOCS dikembangkan supaya pergerakan kursi roda dapat dikendalikan secara mandiri oleh penyandang disabilitas pada anggota gerak tangan dengan bantuan konektivitas Bluetooth Low Energy untuk media komunikasi data antara aplikasi dan mikrokontroler kendali kursi roda. Gerakan kepala seperti gerakan mendongak ke atas, menunduk ke bawah, menoleh ke kanan, menoleh ke kiri, miring ke kanan, dan miring ke kiri telah dikenali dengan baik oleh aplikasi ini. Pergerakan kursi roda juga akan dikontrol menggunakan bantuan gerakan kepala tersebut.
Pergerakan kepala yang telah dilakukan pada pengujian akurasi dengan durasi antara 0,4 hingga 0,6 detik, dan dengan rata-rata sudut 22,63 derajat, serta dalam durasi pergerakan kepala antara 0,7 hingga 0,9 detik, dan dengan rata-rata sudut 27,21 derajat dapat dikenali secara akurat dengan prosentase 100%.
Kata kunci: HEMOCS, kontrol kendali pergerakan, Bluetooth Low Energy, kursi roda Abstract
Head Movement Control System (HEMOCS) is a control method which utilizing head movement, especially for mobile device interaction. Wheelchair Control Application Based On HEMOCS developed so the wheelchair movement can be controlled independently by someone who can’t use their hands with help from Bluetooth Low Energy connectivity as data communication media between application and wheelchair. Head movement such as up, down, left, right, tilt left, and tilt right head movement can be recognized appropriately. Wheelchair movement will be controlled using those head movements. Head movement that has been conducted during accuracy testing with duration 0,4 until 0,6 seconds, with average angle 22,63 degrees, and with duration 0,7 until 0,9 seconds, with average angle 27,21 degrees can be recognized accurately with 100% procentage.
Keywords: HEMOCS, movement control, Bluetooth Low Energy, wheelchair
1. PENDAHULUAN
Dalam beberapa tahun terakhir ini, human- computer intelligent interaction (HCII) mendapatkan atensi yang besar (Neto et al., 2013). Tujuan riset dalam lingkup human- computer intelligent interaction ini adalah untuk mengetahui pola-pola dalam komunikasi antara manusia dengan komputer, dan mendapatkan popularitas dikarenakan interaksi saat ini telah sangat intuitif pada berbagai perangkat seperti halnya tablet PC, ponsel pintar maupun sistem smart home.
Interaksi manusia dengan komputer dengan menggunakan pergerakan kepala juga
mendapatkan perhatian yang signifikan dalam dunia riset saat ini. Salah satu tujuan spesifik dari pendeteksian pergerakan kepala untuk memungkinkan pengguna untuk berinteraksi dengan komputer maupu perangkat bergerak.
Pengaplikasian pergerakan kepala beberapa diantaranya adalah digunakan pada aplikasi assistive technology, virtual reality, dan augmented reality, yang mana mengalami peningkatan jumlah riset yang bertujuan untuk menyediakan teknik pendeteksian pergerakan kepala secara real time yang handal dan efektif (Al-Rahayfeh & Faezipour, 2013).
Berdasarkan pengamatan di lapangan, kursi roda yang ada dipasaran saat ini masih memiliki
Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya
kontrol manual dengan mendorong roda secara manual oleh pengguna, maupun mengendalikan joystick pada kursi roda elektrik. Sehingga, pengguna kursi roda yang memiliki disabilitas anggota gerak tangan tidak bisa menggerakkan kursi rodanya secara mandiri.
Oleh karena permasalahan diatas, diperlukan pengembangan sebuah sistem yang dapat mendeteksi pergerakan kepala pengemudi dan mengirimkan data pergerakan kepala tersebut ke alat penggerak kemudi yang dipasang di kursi roda secara wireless, dengan memanfaatkan data dari sensor pada perangkat bergerak yang dipasang pada kepala pengguna nantinya diolah untuk mengenali pergerakan kepala pengemudi kursi roda. Hasil akhir dari penelitian ini diharapkan dapat membantu para disabilitas pada anggota gerak tangan dan dapat dikembangkan lebih lanjut dan dapat dimanfaatkan untuk mengemudikan kendaraan yang lebih kompleks.
Berdasarkan penjelasan latar belakang diatas, dirumuskan beberapa rumusan masalah, yaitu, bagaimana rancangan aplikasi kendali kursi roda dengan berbasis pergerakan kepala head movement control system, bagaimana penerapan algoritme yang digunakan untuk mengenali pergerakan kepala dalam aplikasi kendali kursi roda berbasis head movement control system, dan seberapa besar tingkat akurasi pada aplikasi kendali kursi roda berbasis pergerakan kepala.
Adapun tujuan dari penelitian ini sebagai berikut: mengembangkan aplikasi kendali kursi roda berbasis pergerakan kepala untuk membantu disabilitas pada anggota gerak tangan untuk mengendalikan kursi roda, menerapkan algoritme yang digunakan untuk mendeteksi pergerakan kepala, serta mengetahui seberapa besar tingkat akurasi dari aplikasi kendali kursi roda berbasis pergerakan kepala.
Manfaat yang didapat dari penelitian ini sebagai berikut: memperdalam pengetahuan dalam pengembangan aplikasi yang menggunakan sensor gerak di perangkat bergerak, serta dapat mengimplementasikan pada kasus yang lain serta dapat membantu disabilitas pada tangan untuk dapat mengontrol pergerakan kursi roda, serta sebagai referensi penelitian selanjutnya untuk bisa dikembangkan lebih lanjut.
Pada penelitian ini pula ada beberapa batasan, lingkup penelitian ini hanya sampai pada pengembangan aplikasi kontrolnya saja, tanpa turut serta terlibat dalam pengembangan
hardware kendali kursi roda, pengujian aplikasi masih dilakukan oleh orang yang masih normal, serta robot Arduino masih digunakan untuk melakukan pengujian transfer data melalui wireless.
Penelitian ini didasari pada penelitian sebelumnya dengan judul “Design of Head Movement Controller System (HEMOCS) for Control Mobile Application through Head Pose Movement Detection” yang membahas tentang pemanfaatan framework Core Motion dalam pengembangan metode pendeteksian pergerakan kepala dengan sensor internal pada perangkat iOS. Pendeteksian gerakan kepala memanfaatkan pola data dari sensor gerak yang direpresentasikan melalui 3 sumbu, yaitu sumbu pitch, sumbu roll, dan sumbu yaw (Tolle & Arai, 2016). Sumbu yaw digunakan sebagai acuan dalam mengenali pergerakan kepala secara horizontal ke kiri maupun ke kanan. Sumbu roll digunakan sebagai acuan dalam mengenali pergerakan kepala secara vertikal ke atas maupun ke bawah, sedangkan sumbu pitch digunakan sebagai acuan dalam mengenali pergerakan kepala secara miring ke kiri maupun ke kanan (Safii, Tolle, & Kharisma, 2016).
Algoritme pada HEMOCS diawali dengan pengambilan data dari sensor gerak, lalu kemudian dilakukan pengecekan threshold sudut maupun durasi, lalu kemudian memetakan gerakan kepala berdasarkan sumbu yang terlibat lalu melakukan aksi yang diinginkan.
2. METODOLOGI PENELITIAN
Penelitian ini akan menggunakan model Software Development Life Cycle (SDLC) Waterfall. Model ini mencakup tahap-tahap diantaranya studi literatur, analisis kebutuhan perangkat lunak, perancangan, implementasi, pengujian, dan terakhir adalah pengambilan kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan.
Tahap-tahap inilah yang akan dijalankan secara sekuensial. Adapun diagram alir dari metodologi penelitian ditunjukkan oleh Gambar 1.
Gambar 1. Diagram Alir Metodologi Penelitian Penjelasan dari diagram alir penelitian adalah sebagai berikut:
Studi literatur, menjelaskan dasar-dasar teori yang bersumber dari penelitian sebelumnya, paper, halaman web, jurnal, buku, dokumentasi framework, library, serta bahasa pemrograman maupun sumber penelitian lain yang terkait yang digunakan sebagai acuan untuk melakukan penelitian ini.
Analisis Kebutuhan, menjelaskan tentang analisis kebutuhan sistem yang akan dibangun.
Kebutuhan sistem yang akan dijadikan acuan untuk mengembangkan aplikasi kendali kursi roda berbasis pergerakan kepala didapatkan setelah melakukan tahapan ini.
Perancangan, tahap ini akan dilakukan setelah tahap analisis kebutuhan, perancangan yang ada pada penelitian ini meliputi perancangan arsitektur aplikasi maupun antar muka pengguna, perancangan interaksi dan pengalaman pengguna, perancangan metode pengiriman data perintah ke hardware pengendali kemudi kursi roda, dan melakukan pemodelan sistem dengan menggunakan UML.
Implementasi, menjabarkan detail implementasi algoritme pendeteksian pergerakan kepala juga implementasi metode pengiriman data perintah pergerakan kepala ke hardware pengendali kemudi kursi roda.
Pengujian, dilakukan untuk mengetahui apakah aplikasi yang telah dibangun telah sesuai dengan kebutuhan perangkat lunak yang telah didapatkan pada fase analisis kebutuhan.
Pengujian yang digunakan dalam penelitian ini adalah pengujian akurasi, yang digunakan untuk mengetahui seberapa akurat pendeteksian gerakan kepalanya. Hasil yang didapat akan
dianalisis untuk mendapatkan informasi untuk menarik kesimpulan pasca penelitian.
Penarikan kesimpulan dan saran, Tahap ini berisikan kesimpulan akhir pasca penelitian yang menjawab rumusan masalah yang telah dijabarkan sebelumnya, lalu dilanjutkan dengan pemberian saran untuk pengembangan selanjutnya supaya dapat terus dikembangkan di waktu yang akan datang.
3. ANALISIS KEBUTUHAN SISTEM 3.1. Gambaran Umum Aplikasi
Aplikasi kontrol kendali kursi roda berbasis HEMOCS merupakan aplikasi yang digunakan untuk mengenali pergerakan kepala pengemudi kursi roda sebagai pengganti kontrol joystick pada kursi roda, yang dikhususkan bagi pengguna kursi roda yang tidak bisa menggunakan anggota gerak tangan. Embedded device yang dapat menerima instruksi yang dikirimkan dari perangkat bergerak akan dipasang pada kursi roda yang nantinya akan memerintahkan kursi roda untuk dapat berjalan sesuai dengan input pergerakan kepala yang didapatkan dari data sensor pada perangkat bergerak.
Aplikasi harus disambungkan terlebih dahulu secara wireless dengan embedded device yang berfungsi untuk mengontrol pergerakan kursi roda sebelum digunakan untuk mengendalikan kursi roda. Setelah tersambung, aplikasi bisa digunakan untuk bisa mengontrol pergerakan kursi rodanya dengan melalui pergerakan kepala pengguna, seperti pergerakan maju, mundur, berhenti, belok kanan maupun belok kiri. Ilustrasi pengunaan aplikasi ini beserta perangkat bergeraknya ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2. Gambaran Penggunaan Sistem
Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya
3.2. Identifikasi Aktor
Seseorang maupun sistem lain yang berinteraksi dengan sistem bisa disebut sebagai aktor sistem. Adapun aktor pada sistem ini ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Aktor Sistem
Nama Aktor Deskripsi
Pengemudi
Merupakan orang yang memiliki keterbatasan fisik pada anggota gerak tangan yang ingin
mengemudikan kursi roda dengan pergerakan kepalanya.
3.3. Kebutuhan Fungsional Sistem
Kebutuhan fungsional sistem merupakan layanan dari sebuah sistem yang harus tersedia, bagaimana sistem seharusnya merespon pada masukan tertentu dan bagaimana sistem harus melakukan apa pada situasi tertentu. Kebutuhan fungsional harus mencakup apa saja yang harus diselesaikan oleh sistem untuk dapat menyelesaikan masalah yang telah ditentukan sebelumnya. Adapun kebutuhan fungsional sistem serta spesifikasinya ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2. Kebutuhan Fungsional Sistem
No.
Kode Kebutuhan
Sistem
Deskripsi Kebutuhan
1 SRS-HSC-1
Sistem menyediakan mekanisme pendeteksian kepala pengemudi kursi roda.
2 SRS-HSC-2
Sistem menyediakan mekanisme untuk mengirimkan perintah kendal ke perangkat embedded kursi roda setelah mendeteksi pergerakan kepala pengemudi.
3 SRS-HSC-3
Sistem menyediakan mekanisme untuk memutar feedback berupa audio setelah mengirimkan perintah ke perangkat embedded kursi roda.
4. PERANCANGAN
4.1. Perancangan Arsitektur Sistem
Dalam sistem kendali kemudi kursi roda ini, terdapat 3 sub sistem yang terlibat, yaitu aplikasi
perangkat bergerak yang mengenali pergerakan kepala pengemudi, embedded device yang mengontrol pergerakan kursi roda, dan motor driver yang telah terpasang pada bawaan pabrik kursi rodanya.
Input dari aplikasi perangkat bergerak nantinya akan diolah dan diproses oleh embedded device yang dikembangkan nantinya, serta motor driver kursi roda akan diperintah oleh embedded device untuk dapat bergerak sesuai dengan keinginan pengemudi.
Gambar 3. Arsitektur Sistem Keseluruhan Sedangkan pola arsitektur yang digunakan dalam pengembangan aplikasi perangkat bergeraknya sendiri adalah arsitektur Model- View-Controller. Arsitektur ini merupakan arsitektur default yang digunakan dalam pengembangan aplikasi iOS, yang terdiri dari 3 bagian, yaitu model yang merepresentasikan data yang berasal dari data source baik dari database, web service atau data source lain yang dibutuhkan dalam aplikasi. Sedangkan view merepresentasikan sebuah antar muka pengguna grafis yang digunakan untuk menampilkan data ataupun komponen UI lainnya, serta sebagai media untuk pengguna untuk dapat berinteraksi dengan aplikasi, dan controller merupakan bagian penengah antara view dan controller, yang berfungsi untuk mengolah data mentah yang didapatkan dari model hingga siap digunakan maupun di tampilkan pada UI pada aplikasi.
4.2. Perancangan Interaksi
Jenis interaksi yang digunakan dalam mengendalikan kursi roda dengan pergerakan kepala adalah jenis interaksi tidak langsung, karena memerlukan perangkat bergerak yang
dipasang pada helm pengemudi maupun perangkat HMD. Pergerakan kepala yang terdeteksi nantinya akan dipetakan sesuai dengan aksi yang diinginkan untuk mengendalikan kursi roda, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Pemetaan Pergerakan Kepala
No Kode Gerakan Kepala
Jenis Gerakan Kepala
Aksi yang dilakukan aplikasi
1 H1 Axial Left
Mengirimkan perintah gerakan ke
kursi roda untuk belok ke
kiri
2 H2 Axial Right
Mengirimkan perintah gerakan ke
kursi roda untuk belok ke
kanan
3 H3 Extension
Mengirimkan perintah gerakan kursi
roda untuk maju ke depan
4 H4A Flexion - Short
Mengirimkan perintah gerakan kursi
roda untuk mundur ke belakang
5 H4B Flexion – Long
Mengirimkan perintah gerakan kursi
roda untuk berhenti bergerak
6 H5 Tilt left
Mengirimkan perintah ke
kursi roda untuk mengurangi
kecepatan
7 H6 Tilt right
Mengirimkan perintah ke
kursi roda untuk menambah
kecepatan
8 H6S Tilt right
Mengaktifkan deteksi gerakan
kepala yang digunakan
untuk mengontrol
kursi roda
4.3. Perancangan Antar Muka Pengguna Pada aplikasi kontrol kendali kemudi kursi roda ini, terdapat satu screen yang digunakan untuk menampilkan informasi kepada pengguna.
Screen ini berisikan 3 buah komponen, yang pertama adalah komponen yang berfungsi sebagai camera viewfinder, yang ditunjukkan oleh bagian yang bernomor 1, yang kedua adalah komponen label yang berfungsi untuk menunjukkan tujuan dari pergerakan kepala, yang ditunjukkan oleh bagian yang bernomor 2, lalu yang terakhir adalah komponen yang berfungsi untuk menunjukkan level kecepatan kursi roda, yang ditunjukkan oleh bagian yang bernomor 3.
Gambar 4. UI Mockup Screen Kontrol Kursi Roda
4.4. Diagram Use Case
Aksi maupun interaksi yang terjadi antara aktor dan sistem untuk dapat mencapai tujuan tertentu dimuat dalam diagram use case.
Manusia maupun sistem eksternal yang dapat berinteraksi dengan sistem bisa disebut sebagai aktor dalam diagram use case. Diagram use case dari sistem ditunjukkan dalam Gambar 5.
Gambar 5. Diagram Use Case
1
2 3
Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya
5. IMPLEMENTASI
5.1. Implementasi Kode Program
Implementasi kode program terkait dengan kebutuhan fungsional sistem akan dilakukan di sebuah klas turunan UIViewController yang berfungsi sebagai layar controller kursi roda, menggunakan framework UIKit, dan tiga buah klas helper. Klas helper yang pertama berfungsi untuk memutar feedback berupa audio (text to speech) menggunakan framework AVFoundation, sedangkan klas helper yang kedua berfungsi sebagai wrapper untuk fungsionalitas pendeteksian pergerakan kepala menggunakan framework CoreMotion, sedangkan klas helper ketiga berfungsi sebagai wrapper untuk konektivitas bluetooth low energi dengan menggunakan framework CoreBluetooth.
5.2. Implementasi Antar Muka Pengguna Implementasi antar muka pengguna menampilkan antar muka dari aplikasi kontrol kendali kursi roda. Aplikasi ini hanya memiliki satu layar yang memiliki informasi tentang aksi yang diinginkan pengguna terhadap kursi roda, dan level kecepatan kursi roda yang memiliki latar belakang berupa tampilan hasil tangkapan kamera belakang perangkat bergerak.
Gambar 6. Antar Muka Pengguna Aplikasi Kontrol Kendali Kursi Roda
Terlihat pada Gambar 6 diatas, hanya ada 3 elemen yang ditampilkan kepada pengguna, yaitu:
1. Latar belakang kamera sebagai view finder yang bisa dilihat oleh pengguna ketika smartphone diletakkan di perangkat VR seperti Google Cardboard.
2. Teks yang berisi tentang aksi dari yang diinginkan pengguna ketika telah melakukan pergerakan kepala.
3. Progress view yang menyatakan level kecepatan dari kursi roda.
6. PENGUJIAN 6.1. Pengujian Akurasi
Pengujian akurasi dilakukan untuk mengetahui seberapa akurat hasil rancangan dan pengembangan dari aplikasi kontrol kendali kursi roda dengan pergerakan kepala yang memanfaatkan sensor gerak yang ada pada smartphone. Pengujian ini merupakan tolak ukur keberhasilan dari hasil perancangan dan pengembangan aplikasi kontrol kendali kursi roda ini.
Adapun skenario pengujiannya ialah melakukan pergerakan kepala sebanyak 20 kali per gerakan kepala dan untuk memastikan bahwa telah menjalankan aksi sesuai dengan yang telah diprogram.
Tabel 4. Hasil Akurasi Pendeteksian Pergerakan Kepala
Durasi (detik)
Rata-rata Sudut
(derajat) Akurasi
0,1 - 0,3 16,32 76%
0,4 - 0,6 22,63 100%
0,7 - 0,9 27,21 100%
1,0 - 1,2 32,39 50%
Tabel 4 menampilkan data akurasi berdasarkan durasi pergerakan kepala serta rata- rata sudut dalam melakukan pergerakan kepala.
Dengan demikian, bisa disimpulkan bahwa pergerakan kepala dengan durasi antara 0,4 hingga 0,6 detik dengan rata-rata sudut 22,63 derajat, serta dalam durasi pergerakan kepala antara 0,7 hingga 0,9 detik, dengan rata-rata sudut 27,21 derajat dapat dikenali secara akurat dengan prosentase 100%.
7. KESIMPULAN
Aplikasi Kontrol Kendali Kursi Roda berbasis HEMOCS adalah aplikasi yang memanfaatkan gerakan kepala yang dibaca dengan bantuan sensor gerak pada perangkat bergerak, yang diolah dan hasil olahan data pergerakan kepala tersebut dikirimkan ke kursi roda melalui konektivitas Bluetooth Low Energy. Pergerakan kepala dalam aplikasi ini digunakan untuk mengontrol pergerakan kursi roda, seperti maju, mundur, belok kanan, belok kiri, berhenti maupun mengatur kecepatan. Hasil pengujian akurasi dapat diambil kesimpulan bahwa pergerakan kepala dengan antara 0,4 hingga 0,6 detik dengan rata-rata sudut 22,63 derajat, serta dalam durasi pergerakan kepala
antara 0,7 hingga 0,9 detik, dengan rata-rata sudut 27,21 derajat dapat dikenali secara akurat dengan prosentase 100%.
DAFTAR PUSTAKA
Al-Rahayfeh, A., & Faezipour, M. (2013). Eye Tracking and Head Movement Detection: A State-of-Art Survey. IEEE Journal of Translational Engineering in Health and Medicine, 1, 2100212–2100212.
https://doi.org/10.1109/JTEHM.2013.2289 879
Neto, E., Duarte, R. M., Barreto, R. M., Magalhaes, J. P., Bastos, C. C. M., Ren, T.
I., & Cavalcanti, G. C. M. (2013). Real- Time Head Pose Estimation for Mobile
Devices, 8206(May 2016).
https://doi.org/10.1007/978-3-642-41278-3 Safii, I., Tolle, E. H., & Kharisma, A. P. (2016).
Pengembangan Metode Pendeteksian Pergerakan Kepala Berbasis Sensor Internal Pada Perangkat Bergerak Berbasis iOS.
Doro Jurnal.
Tolle, H., & Arai, K. (2016). Design of Head Movement Controller System (HEMOCS) for Control Mobile Application through Head Pose Movement Detection.
International Journal of Interactive Mobile Technologies (iJIM), 10(3), 24.
https://doi.org/10.3991/ijim.v10i3.5552 Apple. 2015. “Model View Controller”. Diakses
4 Agustus 2017.
https://developer.apple.com/library/content /documentation/General/Conceptual/DevP edia-CocoaCore/MVC.html
