commit to user
i
MAXIMUM
ENERGY STORING
(Studi Kasus :
Endoskeletal
Prosthetic Leg
Mekanisme 2-bar)
Skripsi
PUTRI FITRIAWATI
I0308063
JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
commit to user
ii
MODEL OPTIMISASI
GAS SPRING
DENGAN KRITERIA
MAXIMUM
ENERGY STORING
(Studi Kasus:
Endoskeletal
Prosthetic Leg
Mekanisme 2-bar)
SKRIPSI
Oleh:
Putri Fitriawati I 0308063
Telah disidangkan di Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret dan diterima guna memenuhi persyaratan untuk mendapat gelar Sarjana Teknik.
Pada hari : Senin
Tanggal : 17 September 2012 Tim Penguji:
1. Dr. Cucuk Nur Rosyidi, ST, MT (………) NIP. 19711104 199903 1 001
2. Rahmaniyah Dwi Astuti, ST, MT (………)
NIP. 19760122 199903 2 001
3. Ilham Priadythama, ST, MT (………)
NIP. 19801124 200812 1 002
4. Dr. Ir. Susy Susmartini, MSIE (………)
NIP. 19530101 198601 2 001
commit to user
iii
ORISINALITAS KARYA ILMIAH
Saya mahasiswa Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik UNS yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Putri Fitriawati
NIM : I 0308063
Judul Tugas Akhir : Model Optimisasi Gas Spring dengan Kriteria Maximum Energy Storing (Studi Kasus: EndoskeletalProsthetic Leg Mekanisme 2-bar)
Dengan ini saya menyatakan bahwa Tugas Akhir atau Skripsi yang saya susun tidak mencontoh atau melakukan plagiat dari karya tulis orang lain. Jika terbukti Tugas Akhir yang saya susun tersebut merupakan hasil plagiat dari karya orang lain maka Tugas Akhir yang saya susun tersebut dinyatakan batal dan gelar sarjana yang saya peroleh dengan sendirinya dibatalkan atau dicabut.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya dan apabila di kemudian hari terbukti melakukan kebohongan maka saya sanggup menanggung segala konsekuensinya.
Surakarta, 27 September 2012
commit to user
iv
PUBLIKASI KARYA ILMIAH
Saya mahasiswa Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik UNS yang bertanda tangan di bawah ini :
Nama : Putri Fitriawati
NIM : I 0308063
Judul Tugas Akhir : Model Optimisasi Gas Spring Dengan Kriteria Maximum Energy Storing (Studi Kasus: EndoskeletalProsthetic Leg Mekanisme 2-Bar)
Menyatakan bahwa Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun sebagai syarat lulus Sarjana S1 disusun secara bersama-sama dengan Pembimbing I dan Pembimbing II. Bersamaan dengan syarat pernyataan ini bahwa hasil penelitian dari Tugas Akhir (TA) atau Skripsi yang saya susun bersedia digunakan untuk publikasi dari proceeding, jurnal, atau media penerbit lainnya baik di tingkat nasional maupun internasional sebagaimana mestinya yang merupakan bagian dari publikasi karya ilmiah.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya.
Surakarta, 27 September 2012
commit to user
v
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan ridho-Nya sehingga penulis dapat mengerjakan skripsi dan dapat menyelesaikan laporan skripsi dengan judul ” Model Optimisasi Gas Spring dengan Kriteria Maximum Energy Storing (Studi Kasus: Endoskeletal Prosthetic Leg Mekanisme 2-Bar) dengan baik.
Penulis sangat menyadari bahwa penyusunan laporan skripsi ini tidak akan berjalan dengan baik tanpa dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Dr. Cucuk Nur Rosyidi, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Industri dan dosen pembimbing I Tugas Akhir yang telah memberikan bimbingan, arahan dan dan nasihat.
2. Rahmaniyah Dwi Astuti, ST, MT selaku pembimbing akademik, ketua Laboratorium Sistem Kerja dan Ergonomi (LPSKE) dan dosen pembimbing II Tugas Akhir yang telah membimbing dan memberi dukungan.
3. Ilham Priadythama, ST, MT selaku penguji I yang telah memberikan kritik dan saran terhadap penelitian ini.
4. Dr. Ir. Susy Susmartini, MSIE selaku penguji II yang telah memberikan kritik dan saran terhadap penelitian ini.
5. Orang tua yang senantiasa memberikan semangat, dukungan dan doa restu untuk penulis.
6. Mas Ivan, Mas Adit dan Mas Very yang telah banyak membantu dan memberi motivasi.
7. Teman- teman seperjuangan Tugas Akhir, dike, raga, nuski, didi, reza, anggun, wulan, nydia, ani, mbak bita, yang banyak memberi bantuan dan dukungan seta kebersamaan.
8. Sahabat-sahabatku Cha-cha, dian, ririn, yanu yang membri semangat, dukungan dan kebersamaannya.
9. Teman-teman Teknik Industri angkatan 2008
commit to user
vi
berusaha untuk membantu dan memberi dukungan.
12.Semua pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu, terima kasih atas segala bantuan dan pertolongan yang telah diberikan.
Penulis menyadari bahwa laporan ini jauh dari sempurna dan banyak memiliki kekurangan. Penulis mengharapkan saran, kritik dan pengembangan lanjutan yang membangun atas tulisan ini. Semoga laporan ini dapat memberikan manfaat bagi bidang keilmuan Teknik Industri pada khususnya dan dunia industri pada umumnya.
Surakarta, 27 September 2012
commit to user
vii
Penderita amputasi transfemoral memrlukan prosthetic bawah lutut. Salah satu komponen yang penting pada prosthetic adalah gas spring. Komponen ini digunakan untuk menyimpan dan melepaskan energi selama manusia berjalan. Pegas ini digunakan pada knee joint (sendi lutut) dengan tujuan untuk menyimpan energi selama pegas melakukan fleksi dan mengembalikan energi tersebut ketika melakukan ekstensi. Gas spring pada prosthetic di bawah lutut sangat memerlukan kriteria maximum energy storing. Energi tersebut akan membantu penderita amputasi kaki untuk bergerak dari satu posisi ke posisi yang lain. Oleh karena itu, penderita amputasi kaki tidak harus mengeluarkan banyak energi dalam aktifitas mereka. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan model optimisasi gas spring dengan kriteria maximum energy storing. Pada endoskeletal prostheti leg mekanisme 2-bar. Batasan yang dipertimbangkan dalam penelitian ini adalah diameter silinder, panjang silinder, stroke, gaya pada gas spring, panjang ekstensi, panjang kompresi dan karakteristik gas spring. Variabel desain gas spring yang dipertimbangkan dalam penelitian ini adalah pajang silinder (L), diameter silinder (D), stroke pada saat ekstensi (s1), dan stroke pada
saat kompresi (s2). Variabel tersebut digunakan untuk menentukan geometri gas
spring pada endoskeletal prosthetic leg mechanisme 2-bar.
commit to user
viii
People with transfemoral amputation need above knee prosthetics. One of the important components in the prosthetics is the gas spring. This component is used to store and release energy during human locomotion. The spring is applied to the knee-joint with a purpose to store the energy during flexion and release it during the extension. For the above knee prosthetics, it is important for the gas spring to have maximum energy storage. The energy will help the amputee in moving from one position to another. Hence the amputee must not spend much energy in their activity. The aim of this research is to develop a gas spring optimization model with maximum energy storage criteria in a two bar mechanism of endoskeletal prosthetic leg. The constraints considered in this research are range of cylinder diameter, range of cylinder length, range of stroke, gas spring force rating, extended length, compressed length and gas spring's characteristic. The design variables of the gas spring considered in this research are cylinder length (L), cylinder diameter (D), extension stroke (s1) and compression stroke (s2). These
variables were used to define the geometry of the gas spring in the two bar mechanism of endoskeletal prosthetic leg.
commit to user
ix
HALAMAN JUDUL………..…. ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
SURAT PERNYATAAN ORISINALITAS KARYA ILMIAH ... iii
SURAT PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH ... iv
KATA PENGANTAR ... v 1.7Sistematika Penulisan ... I-5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
commit to user
x
3.1Tahap Studi Pendahuluan ... III-2 3.2Tahap Pengumpulan dan Pengolahan Data ... III-3 3.3Analisis Model... III-5 3.4Kesimpulan dan Saran ... III-5
BAB IV PENGEMBANGAN MODEL
4.1Fungsi Tujuan ... IV-1 4.2Penentuan Batasan Model ... IV-1 4.3Validasi
4.3.1.Validasi Fungsi Tujuan ... IV-7 4.3.2.Validasi Batasan Model... IV-7 4.4Aplikasi Model pada Studi Kasus
4.4.1 Penentuan Parameter Model ... IV-10 4.4.2 Hasil Optimisasi ... IV-12
BAB V ANALISIS MODEL
5.1Analisis Perbandingan Energi Storing ... V-1 5.2Analisis Sensitivitas ... V-2 5.2.1.Analisis Perubahan Parameter-1 ... V-4 5.2.2.Analisis Perubahan Parameter-2 ... V-4 5.2.3.Analisis Perubahan Parameter-3 ... V-5 5.2.4.Analisis Perubahan Parameter-1 dan Parameter-2... V-6 5.2.5.Analisis Perubahan Parameter-2 dan Parameter-3... V-7 5.2.6.Analisis Perubahan Parameter-1 dan Parameter-3... V-7
BAB IV PENGEMBANGAN MODEL
6.1 Kesimpulan ... IV-1 6.2 Saran ... IV-1
DAFTAR PUSTAKA ... xiii
commit to user
xi
Tabel 2.1 Bill of material knee joint mekanisme 2-bar ... II-2 Tabel 4.1 Data pengukuran dimensi gas spring ... IV-11
Tabel 4.2 Nilai batasan model ... IV-11
Tabel 4.3 Hasil optimisasi ... IV-13 Tabel 4.4 Perbandingan Energi Storing ... IV-14
commit to user
xii
Gambar 2.1 Desain knee joint mekanisme 2-bar ... II-2 Gambar 2.2 Komponen Body ... II-3 Gambar 2.3 Komponen adapter bawah ... II-3
Gambar 2.4 Komponen socket countersunk head screw ... II-4
Gambar 2.5 Komponen steel dowel pin ... II-4 Gambar 2.6 Komponen e-ring external retaining ring ... II-4
Gambar 2.7 Komponen socket countersunk head screw ... II-5
Gambar 2.8 Komponen pin energy storing ... II-5 Gambar 2.9 Komponen energy storing ... II-6
Gambar 2.10 Komponen patella ... II-6
Gambar 2.11 Komponen adapter atas ... II-7 Gambar 2.12 Gas spring ... II-8
Gambar 2.13 Dimensi gas spring ... II-8
Gambar 2.14 Gait cycle ... II-12 Gambar 2.15 Delapan gerakan dalam gait cycle ... II-15
Gambar 3.1 Diagram alir metodologi penelitian ... III-1 Gambar 4.1 Posisi gas spring pada saat ekstensi ... IV-2
Gambar 4.2 Posisi gas spring pada saat kompresi ... IV-3
Gambar 4.3 (a) Gas spring pada saat ekstensi ... IV-4
Gambar 4.3 (b) Gas spring pada saat kompresi ……….…………. IV-4
commit to user
xiii
pada energy storing ... V-5 Gambar 5.3 Pengaruh perubahan rentang nilai diameter silinder pada
energy storing ... V-6 Gambar 5.4 Pengaruh perubahan rentang nilai panjang silinder, panjang
ekstensi dan panjang kompresi pada energy storing ... V-6
Gambar 5.5 Pengaruh perubahan panjang ekstensi, panjang kompresi
dan rentang nilai diameter silinder pada energy storing ... V-7
Gambar 5.6 Pengaruh perubahan rentang nilai panjang silinder dan
commit to user
xiv
Bonem, Joseph M. 2011. Problem Solving for Process Operators and Specialists. John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jearsy, Canada.
Cherry, Michel S., Choi, Dave J., Deng, Kevin J. Kota, Shidar., Ferris, Daniel P. Design and Fabrication of an Elastic Knee Orthosis Preliminary Results. Proceedings of International Design Engineering Techinical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference: ASME, pp.1-9 (Philadelphia, USA, 10-13 September 2006).
Cortesi, Roger. 2011. Gas Cylinder Spring. Tersedia di http://roger-cortesi.com/ideas/public/gasspring.html. [ 12 Maret 2012].
Daellenbach, H.,G., dan Mc. Nickle, D.,C. 2005. Management Science: Decision Making Through Systems Thinking. Palgrave MacMillan. Hamshire.
Dictactor. Push Type Gas Springs. 2012. Dictactor Technik GMBH: Germany. Enidine. 2009. Industrial Gas Spring and Dampers. Tersedia di
http://www.enidine.com/EBDS/514-76.pdf. [29 Maret 2012].
Faiz, Zulfa Miftakhul. 2010. Kajian Dynamic Cycle Gait pada Pengguna Prosthetic atas Lutut Endoskeletal dengan Sistem Energy Storing Mekanisme 2-bar pada Aktivitas Berjalan Cepat. Universitas Sebelas Maret Surakarta. Skripsi.
Guden. 2012. Guden Gas Spring Technical Guide. Tersedia di http://pdf.directindustry.com/pdf/arvinmeritor/gas-spring-technical-guide/-11628-6121-_8.html. [20 April 2012].
Herdiman, Lobes dan Damayanti, Retno Wulan. 2010. Pengembangan Prosthetic Kaki Dengan Sistem Energy Storing Prosthetic Knee (ESPK) Bagi Penyandang Cacat Amputasi Atas Lutut. Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat. Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Kalaidjieva, M., Milusheva, S., Karastanev, S. Calculation and Desing of Spring Elements for Ankle-foot Orthosis. 11th Nation Congress on Theoretical and Applied Mechanics (Borovets, Bulgaria, 2-5 Sept 2009).
commit to user
xv States of America.
Mosby's Medical Dictionary, 8th edition. Elsevier. 2009. Endoskeletal Prosthesis. Tersedia di
http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/endoskeletal-Savic, Dragan. Single-objective vs. Multiobjective Optimization for Integrated Decision Support, In: Integrated Assessment and Decision. Proceedings of the First Biennial Meeting of the International Environmental Modelling and Sofware Society: IEMSS. pp.7-12 (Lugano, Swizerland, June 24-27 2002).
Stabilus. 1995. Gas Spring Technical Information. Stabilus GmbH: Koblenz. Tipler, Paul.A. 1998. Fisika Untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid Satu.
Erlangga: Jakarta.
Ultahar, Ardian. 2011. Verifikasi Rancangan Prosthetic Knee Joint dengan Sistem Energy Storing bagi Penyandang Cacat Amputasi Trasfemoral. Skripsi S1 Jurusan Teknik Industri Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Vaughan CL, Davis BL, O’Connor JC. 1999. Dynamics of Human Gait 2nd Edition. Cape Town, South Africa: Kiboho Publishers.
commit to user
I-1
BAB I
PENDAHULUAN
Pada bab ini diuraikan beberapa hal pokok mengenai penelitian ini, yaitu latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, asumsi penelitian dan sistematika penulisan.
1.1 Latar Belakang
Penderita amputasi kaki khususnya amputasi di atas lutut (above-knee amputee) dapat terbantu dengan adanya kaki palsu (prosthetic leg) yang memiliki sendi lutut (knee joint). Sebagaimana fungsi otot quadriceps yang digunakan sebagai extensor dan otot hamstring yang digunakan sebagai flexor pada knee joint kaki normal, above-knee prosthetic leg sebaiknyadidesain dengan peralatan yang dapat menyimpan energi (energy storing device) sebagai pengganti otot quadriceps dan hamstring. Energy storing tersebut berupa pegas mekanik pada bagian knee joint atau sering disebut energy storing prosthetic knee (ESPK) (Symbiotech, 2009).
Penempatan pegas secara paralel dengan lutut (knee) akan mengurangi gerakan otot dari knee extentors dan mengurangi kekakuan lutut (Cherry, 2006). Sistem yang diterapkan pada bagian knee joint digunakan untuk mengubah tekanan dari beban tubuh menjadi energi yang disimpan (energy storing) pada saat kaki menapak pada permukaan lantai dan mengembalikan energi yang tersimpan pada saat kaki melakukan swing phase (Herdiman, 2010). Energy storing merupakan salah satu teknologi yang dianalogikan sebagai sebuah pegas yang ketika meregang dan mengendur dapat menyimpan dan kemudian melepaskan energi potensial elastik (Faiz, 2010).
commit to user
I-2
cepat. Kelemahan dari desain tersebut yaitu knee joint akan memberikan respon yang terlalu cepat untuk melakukan extension karena XT-9 didesain untuk aktivitas olahraga dan tidak digunakan dalam aktivitas normal keseharian (Symbiotech, 2009). Respon yang terlalu cepat pada knee joint XT9 terjadi karena gaya pada pegas mekanik terlalu besar sehingga mengakibatkan gaya ekstra ketika melakukan extension (Ultahar, 2011). Agar dapat melakukan aktivitas berjalan secara normal sebaiknya pegas knee joint memiliki respon yang lebih halus yaitu dengan menggunakan gas spring yang memiliki kemampuan untuk mengontrol kecepatan ekstensi (mengontrol pelepasan energi yang tersimpan). Kemampuan tersebut tidak dimiliki oleh pegas mekanik (Guden, 2012).
Ultahar (2011) melakukan penelitian mengenai verifikasi rancangan prosthetic knee joint dengan sistem energy storing bagi penyandang cacat amputasi transfemoral agar penyandang cacat amputasi dapat menggunakan prosthetic leg dalam aktivitas normal keseharian dengan nyaman. Hasil rancangan tersebut terdiri atas endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar dan endoskeletal prosthetic leg mekanisme 6 bar. Komponen energy storing yang digunakan dalam prosthetic knee joint tersebut adalah gas spring dan helical spring. Namun dalam penelitian tersebut belum dilakukan penentuan variabel perancangan pegas yang optimal. Penggunaan pegas pada prosthetic leg dengan variabel rancangan yang optimal akan memberikan kinerja yang baik. Prosthetic leg dengan pegas yang memiliki kriteria maximum energy storing akan memudahkan penggunanya dalam aktivitas berjalan khususnya pada saat melakukan swing phase sehingga perlu pengembangan model optimisasi perancangan pegas dengan kriteria maximum energy storing pada prosthetic knee joint hasil rancangan tersebut.
commit to user
I-3
outputnya. Software tersebut memungkinkan perancang melakukan analisis sensitivitas untuk mengetahui pengaruh yang terjadi akibat modifikasi input data dan dapat digunakan secara interaktif untuk menguraikan batas- batas parameter pegas yang diijinkan dengan gambaran atau peninjauan secara luas kepada perancang.
Penelitian mengenai pengembangan model air spring dilakukan oleh Lee (2009) untuk kendaraan dengan mempertimbangkan kekakuan dan hysteresis yang dapat dihubungkan pada model sistem pneumatik yang didesain untuk mengontrol ketinggian air spring. Model matematika dalam penelitian tersebut dibangun berdasarkan termodinamika dengan asumsi bahwa parameter prinsip termodinamika tidak berubah-ubah di dalam air spring, udara memiliki sifat gas ideal, dan energi kinetik dan potensial di dalam udara diabaikan.
commit to user
I-4
penelitian tersebut meliputi panjang geometri, diameter kawat pegas, diameter pegas, modulus elastisitas, poisson’s ratio, densitas dan tipe lilitan akhir.
Gas spring digunakan sebagai counterbalance dan force assistance pada semua aplikasi yang membutuhkan fungsi kenyamanan dan keandalan. Kelebihan gas spring dibandingkan dengan pegas mekanik adalah tidak membutuhkan elemen tambahan sebagai peredam, memiliki perilaku sebagai pegas atau kaku pada saat posisi terkunci dan memiliki kecepatan ekstensi yang terkontrol (Stabilus, 1995). Variabel yang harus dipertimbangkan dalam perancangan gas spring yaitu diameter piston rod, diameter silinder gas spring, panjang stroke, tipe pembebanan, gas spring force rating, panjang terkompresi, panjang ekstensi dan cylinder end fitting (Dictator, 2012).
1.2 Perumusan Masalah
Masalah yang akan dipecahkan dalam penelitian ini dapat dirumuskan sebagai berikut: “Bagaimana model optimisasi gas spring dengan kriteria maximum energy storing pada endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar hasil rancangan Ultahar (2011)?”
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Menghasilkan model yang dapat digunakan untuk merancang gas spring pada
endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar rancangan Ultahar (2011).
2. Menghasilkan nilai variabel rancangan gas spring yang optimal dengan kriteria maximum energy storing.
1.4 Manfaat Penelitian
commit to user
I-5
1.5 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Rancangan gas spring digunakan untuk endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar hasil rancangan Ardian Ultahar pada tahun 2011.
2. Jenis gas yang ada di dalam gas spring adalah nitrogen (N2).
3. Gas spring bekerja dalam kondisi adiabatik.
4. Gas pring yang digunakan menggunakan end fittings jenis threaded end.
1.6 Asumsi- Asumsi
Asumsi-asumsi dalam penelitian ini adalah: 1. Tekanan awal gas spring adalah 1 atm.
2. Gaya gesek antara piston dan silinder gas spring diabaikan karena memiliki nilai yang relatif kecil.
3. Tipe pembebanan pada gas spring adalah tipe statis.
1.7 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dibuat agar dapat memudahkan pembahasan penyelesaian masalah dalam penelitian ini. Penjelasan mengenai sistematika penulisan, sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan berbagai hal mengenai latar belakang penelitian, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, asumsi-asumsi dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
commit to user
I-6
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini berisi tahapan yang dilalui dalam penyelesaian masalah secara umum yang berupa gambaran terstruktur dalam bentuk flowchart sesuai dengan permasalahan yang ada mulai dari identifikasi masalah, pengumpulan dan pengolahan data, analisis model, kesimpulan dan saran.
BAB IV : PENGEMBANGAN MODEL
Bab ini berisi data-data yang diperlukan dan dikumpulkan untuk menyelesaikan pemodelan gas spring berdasarkan energy storing yang maksimum, meliputi nilai untuk setiap parameter, variabel keputusan, penentuan fungsi objektif dan batasan.
BAB V : ANALISIS DAN INTERPRETASI HASIL
Bab ini memuat uraian analisis dan intepretasi dari hasil pemodelan gas spring pada endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2 yang telah dilakukan.
BAB VI : KESIMPULAN DAN SARAN
commit to user
II-1
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini berisi dasar-dasar teori yang menjadi landasan bagi penelitian, baik dari buku, jurnal, maupun berbagai sumber literatur lainnya. Bab ini menjelaskan tentang endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar dengan sistem energy storing, gas spring, gaya dan perpindahan gas spring, energi pada gas spring, karakteristik gas spring dan hukum gas ideal.
2.1 Knee Joint pada Endoskeletal Prosthetic Leg Mekanisme 2-bar dengan
Sistem Energy Storing
commit to user
II-2
Gambar 2.1 Desain knee joint mekanisme 2-bar
Sumber: Ultahar, 2011
Pada knee joint mekanisme 2-bar terdiri dari 11 komponen. Tabel 2.1 merupakan bill of material (BOM) berdasarkan nomor komponen.
Tabel 2.1 Bill of material knee joint mekanisme 2-bar
Komponen penyusun endoskeletal prosthetic leg dengan menggunakan mekanisme 2-bar yaitu:
a. Body (kanan) dan body (kiri).
Komponen body berfungsi sebagai penyangga pada knee joint. Komponen ini menggantikan tulang fibula dan tibia pada kaki normal. Lubang 10 mm pada bagian atas komponen digunakan untuk meletakkan steel dowel pin
ITEM NO. PART NUMBER QTY.
1 Body (kanan) 1
2 Body (kiri) 1
3 Adapter bawah 1
4 B18.3.5M - 8 x 1.25 x 12 Socket FCHS --161N 3
5 Steel dowel pin 1
6 B27.7M - 3XM1-11 2
7 B18.3.5M - 6 x 1.25 x 12 Socket FCHS --12N 2
8 Pin energy storing 2
9 Energy storing 1
10 Patella 1
commit to user
II-3
yang menghubungkan adapter atas supaya membentuk mekanisme 2-bar yang memungkinkan knee joint melakukan flexion dan extension.
Gambar 2.2 Komponen Body
Sumber: Ultahar, 2011
b. Adapter bawah.
Adapter bawah menghubungkan bagian body dengan bagian pylon shank yang kemudian dihubungkan pada bagian ankle. Komponen memiliki 3 lubang berukuran 8 mm, 2 lubang tap sejajar sebagai lubang baut yang menghubungkan bagian body, dan 1 lubang tanpa tap sebagai tempat pemasangan pin penyangga energy storing.
Gambar 2.3 Komponen adapter bawah
Sumber: Ultahar, 2011
c. Socket countersunk head screw.
commit to user
II-4
Gambar 2.4 Komponen socket countersunk head screw
Sumber: Ultahar, 2011
d. Steel dowel pin.
Komponen steel dowel pin merupakan joint yang menghubungkan adapter atas dengan komponen body, supaya tidak bergeser pada ujungnya dipasang e-ring. Komponen ini digunakan sebagai sumbu putar pada knee joint sehingga knee joint dapat melakukan flexion dan extension.
Gambar 2.5 Komponen steel dowel pin
Sumber: Ultahar, 2011
e. E-Ring external retaining ring.
E-Ring external retaining ring (B27.7M - 3CM1-11) berfungsi sebagai penahan steel dowel pin agar tidak bergeser dan lepas. Komponen ini dipasang setelah komponen body, adapter atas, dan steel dowel pin dirakit.
Gambar 2.6 Komponen e-ring external retaining ring Sumber: Ultahar, 2011
f. Socket countersunk head screw.
commit to user
II-5
M8 dan panjang 12 mm dengan panjang ulir 12 mm. Komponen ini berfungsi sebagai penghubung antara komponen patella dengan komponen adapter atas.
Gambar 2.7 Komponen socket countersunk head screw
Sumber: Ultahar, 2011
g. Pin energy storing.
Pin energy storing berfungsi sebagai joint yang menghubungkan energy storing dengan adapter atas dan adapter bawah, selain itu komponen ini berfungsi untuk menyesuaikan sudut energy storing terhadap komponen body ketika knee joint flexion dan extension.
Gambar 2.8 Komponen pin energy storing
Sumber: Ultahar, 2011
h. Energy storing device.
commit to user
II-6
spring yang terdapat pada knee prosthetic ini mengurangi jumlah kerja yang dilakukan otot kaki amputee akibat gaya ayun ketika melakukan gerakan berjalan (Herdiman, 2010). Dengan kata lain fungsi energy storing sebagai actuator untuk melakukan extension secara otomatis.
Gambar 2.9 Komponen energy storing
Sumber: Ultahar, 2011
Energy storing yang digunakan adalah gas spring dan coil spring. Gas spring menyimpan energi dalam bentuk gas yang diberi tekanan dalam ruang volume tertentu. Coil spring menyimpan tenaga dalam bentuk puntiran pada material. Namun dalam penelitian ini hanya membahas energy storing pada gas spring.
i. Patella
Komponen patella berfungsi sebagai stopper pada saat knee melakukan extension supaya tidak terjadi hyperextension. Komponen ini dianalogikan sebagai tulang patella pada kaki normal. Komponen ini dipasang pada bagian adapter atas.
Gambar 2.10 Komponen patella
commit to user
II-7 j. Adapter atas
Komponen adapter atas merupakan fungsi gerak flexion dari knee joint. Komponen ini dianalogikan sebagai tulang femur pada kaki normal. Komponen ini menghubungkan antara rotary joint pada socket dengan komponen body.
Gambar 2.11 Komponen adapter atas
Sumber: Ultahar, 2011
2.2 Gas Spring
commit to user
II-8
Gambar 2.12 Gas spring
Sumber: www.china-zhongya.com, 2008
Dimensi pada gas spring:
Gambar 2.13 Dimensi gas spring
Sumber: www. enidine.com, 2009 dimana:
A = diameter piston rod (mm) B = diamaeter silinder (mm) C = stroke (mm)
D = panjang silinder (mm) E = panjang ekstensi (mm)
2.3 Gaya dan Perpindahan pada Gas Spring
commit to user
II-9
( , ) = −1 ………...(2.1)
dimana:
= gaya (N)
A = luas area piston (mm2) Pi = tekanan (atm)
L = panjang silinder (mm) x = perpindahan piston (mm)
γ = rasio kapasitas panas. Rasio kapsitas panas untuk tipe gas diatomik (N2)
adalah 1,4 (Miler, 1959)
Luas area piston dapat dinyatakan dalam fungsi berikut:
=
………...(2.2)
Pada persamaan tersebut, D merupakan diameter silinder (mm).
2.4 Energi pada Gas Spring
Persamaan energi gas spring yang terjadi pada kondisi kompresi adiabatik (Cortesi, 2003) dapat dilihat pada persamaan 2.3.
= ∫ −1 ………...(2.3)
dimana:
= energi (J)
A = luas area piston (mm2) Pi = tekanan (atm)
L = panjang silinder (mm) = perpindahan piston (mm)
commit to user
II-10
2.5 Karakteristik Gas Spring
Karakteristik gas spring (x) merupakan rasio gaya pada gas spring pada saat kondisi terkompresi sampai gaya pada saat gas spring mengalami ekstensi (Stabilus, 1995). Persamaan untuk karakteristik gas spring adalah sebagai berikut:
=
=
………...Bila kita menekan gas sambil menjaga temperaturnya konstan maka tekanannya akan bertambah bila volume berkurang. Demikian pula bila kita menyebabkan gas memuai pada temperatur konstan, tekanannya akan berkurang bila volumenya bertambah sehingga dapat dikatan bahwa tekanan gas berubah secara terbalik dengan volumenya. Ini berarti bahwa, pada temperatur konstan hasilkali tekanan dan volume gas adalah konstan. Hasil kali ini ditemukan secara eksperimen oleh Robert Boyle (1627- 1692) dan dikenal dengan Hukum Boyle
commit to user
II-11
jika tekanan dijaga. Ketika menggunakan hubungan untuk kompresi, dapat menggunkan tiga asumsi thermodinamika (Bonem, 2011). Assumsi tersebut yaitu: 1. Isothermal
Kompresi isotermal terjadi ketika suhu dipertahankan konstan. Dengan meningkatnya tekanan, memerlukan penghapusan panas yang dihasilkan selama kompresi secara terus menerus. Namun, dalam praktiknya tidak pernah mungkin untuk menghapus panas kompresi secepat seperti yang dihasilkan.Kompresi mengikuti persamaan sebgai berikut:
= ………...………...(2.6) dimana:
= tekanan (atm) = volume (mm3)
2. Adiabatik (isentropik)
Asumsi ini menghendaki bahwa tidak ada panas yang bertambah ataupun berkurang dari sistem. Kompresi adiabatik mengikuti persamaan sebagai berikut:
= ………...………...(2.7) dimana:
= tekanan (atm) = volume (mm3)
= rasio kapasitas panas spesifik
3. Politropik
Kompresi politropik adalah perpaduan antara dua proses dasar, adiabatik dan isotermal. Hal ini terutama berlaku untuk aliran mesin dinamis seperti kompresor sentrifugal atau aksial. Kompresi mengikuti persamaan sebagai berikut:
commit to user
II-12 dimana:
= tekanan (atm) = volume (mm3)
Eksponen n ditentukan secara eksperimen untuk jenis mesin tertentu. Nilainya mungkin lebih rendah atau lebih tinggi dari eksponen k yang digunakan dalam perhitungan siklus adiabatik.
2.7 Gait Cycle
Vaughan (1999), menganalogikan siklus berjalan dengan gerak roda yang berputar. Ketika seseorang berjalan, pola gerakannya akan berputar berulang-ulang, langkah demi langkah. Dalam persentase waktu gait cycle, 60% dilakukan pada periode berdiri (stance) dan 40% pada periode berayun (swing). Selama stance phase, kaki berada di atas permukaan tanah. Pada saat swing phase, kaki hanya sesaat bersentuhan dengan tanah dan mengayun untuk persiapan menuju langkah selanjutnya. Gambar 2.14 mengilustrasikan single gait cycle dimana siklus dimulai ketika salah satu kaki (dalam gambar ini merupakan kaki kanan) bersentuhan dengan tanah.
Gambar 2.14 Gait cycle
commit to user
II-13
Seperti pada gambar 2.14, stance phase dibagi menjadi tiga fase, yaitu: 1. First double support, merupakan keadaan ketika kedua kaki menyentuh tanah. 2. Single limb stance, merupakan keadaan ketika kaki kiri melakukan swing dan
hanya kaki kanan yang menyentuh tanah.
3. Second double support, merupakan keadaan ketika kedua kaki menyentuh tanah lagi.
Secara umum gait cycle terbagi menjadi delapan periode, lima diantaranya masuk ke dalam stance phase dan tiga diantaranya masuk ke dalam swing phase. Berikut ini adalah masing-masing fase gait cycle:
1. Initial contact/heel strike
Initial contact merupakan koneksi awal dari gait cycle, dimana menjadi periode pertama dari stance phase. Pada fase ini merepresentasikan gaya berat pada titik tengah tubuh berada pada posisi terendah.
2. Loading response (foot flat)
Fase loading response terjadi pada persentase waktu sekitar 10% dari gait cycle. Selama periode ini kaki melakukan kontak sepenuhnya dengan landasan dan dalam keadaan rata (foot flat/FF) dengan landasan. Berat badan secara penuh dipindahkan kepada kaki kanan, sedangkan kaki lainnya berada pada fase pre-swing.
3. Midstance
commit to user
II-14 4. Terminal Stance (Heel Off)
Fase terminal stance pada saat tumit (heel) kaki kanan meninggi (mulai meniggalkan landasan) dan dilanjutkan sampai dengan heel dari kaki kiri mulai mengenai landasan. Fase ini terjadi pada periode waktu gait cycle 30-50%, berat badan dipindahkan dan bertumpu ke bagian bawah kaki depan (toe). 5. Pre-Swing (Toe-Off)
Fase pre-swing dimulai dengan fase initial contact (heel strike) oleh kaki kiri, dan kaki kanan berada posisi meninggalkan landasan untuk melakukan periode mengayun (toe-off). Periode waktu pre-swing terjadi pada persentase waktu gait cycle 50-62%, dan mulai terjadi pelepasan berat tubuh oleh kaki yang bersangkutan.
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 initial swing merupakan keadaan dimana kaki mulai melakukan ayunan, persentase initial swing adalah 62-75% dari periode waktu gait cycle.
7. Mid-Swing
Fase mid-swing yang dimulai pada akhir initial swing dan dilanjutkan sampai kaki kanan mengayun maju berada di depan anggota badan sebelum mengenai landasan. Fase mid-swing terjadi pada periode waktu gait cycle 75-85%, dimana kaki kiri berada pada fase terminal stance. Pada fase ini juga terjadi gerak perpanjangan tungkai kaki dalam persiapan melakukan fase heel strike. 8. Terminal Swing (decceleration)
commit to user
II-15
fase mid-swing, dimana tungkai kaki mengalami perpanjangan maksimum dan berhenti pada saat heel telapak kaki kanan mulai mengenai landasan. Pada periode ini, posisi kaki kanan berada kembali berada depan anggota badan, seperti pada posisi awal gait cycle.
Gambar 2.15 Delapan gerakan dalam gait cycle
commit to user
III-1
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini membahas secara sistematis mengenai langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian. Adapun langkah-langkah yang dilakukan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar. 3.1.
Manfaat Penelitian
commit to user
III-2
Diagram alir metodologi penelitian pada Gambar 3.1 dapat diuraikan sebagai berikut:
3.1 Tahap Studi Pendahuluan
Tahap studi pendahuluan merupakan langkah awal dari proses penelitian. Langkah-langkah yang ada pada tahap studi pendahuluan akan dijelaskan sebagai berikut:
1. Identifikasi masalah
Identifikasi masalah bertujuan untuk memperoleh gambaran permasalahan yang ada sehingga hasil penelitian dapat menjadi solusi permasalahan. Dari hasil observasi diketahui bahwa fungsi energy storing pada gas spring menjadi pertimbangan yang sangat penting sehingga diperlukan suatu model untuk memperoleh nilai variabel yang optimal pada desain tersebut.
2. Studi pustaka
Studi pustaka dilakukan untuk menggali informasi terkait dengan penelitian yang dilakukan berupa referensi yang berhubungan dengan perancangan gas spring agar mendapatkan gambaran mengenai teori-teori, konsep-konsep dan penelitian-penelitian terkini yang akan digunakan dalam menyelesaikan permasalahan yang diteliti.
3. Perumusan masalah
commit to user
III-3 4. Penetapan tujuan
Tujuan dari penelitian ini adalah menentukan model gas spring dengan kriteria maximum energy storing. Untuk menentukan model yang tepat, sebelumnya perlu diketahui faktor-faktor yang perlu diperhatikan perancang dalam merancang gas spring.
5. Manfaat penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat kepada perancang gas spring dalam menentukan nilai variabel rancangan gas spring yang mempunyai fungsi maximum energy storing.
3.2 Tahap Pengumpulan dan Pengolahan Data
Pada tahap ini dilakukan untuk memperoleh nilai variabel keputusan yang optimal dalam perancangan gas spring. Langkah-langkah yang ada pada tahap pengembangan model akan dijelaskan sebagai berikut:
1. Pengumpulan data
Pengumpulan data dilakukan dalam bentuk pengukuran dimensi gas spring dan dimensi endoskeletal prosthetic knee mekanisme 2-bar hasil rancangan Ardian Ultahar yang akan digunakan dalam pengolahan data.
2. Pemodelan
Pada tahap pemodelan dilakukan penentuan fungsi tujuan dan penentuan batasan model (constraint) untuk mendapatkan variabel rancangan yang optimal. Pada tahap ini dilakukan formulasi matematis untuk ktiteria energy storing yang maksimal pada endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar. Sedangkan batasan model dalam penelitian ini yaitu:
commit to user
III-4 c) Panjang silinder (L) dan stroke (s) d) Perpindahan piston di dalam silinder (xf) e) Diameter silinder (D)
f) Karakteristik gas spring (x)
3. Validasi
Validasi merupakan penetapan apakah model yang dibangun telah mendekati kenyataan yang ada atau mendekati nilai yang direncanakan sehingga mampu memberikan hasil yang tepat dan bermanfaat (Daellenbach, 2005).
Validasi dapat dilakukan menggunakan dua cara yaitu validasi internal dan validasi eksternal. Validasi internal digunakan untuk memeriksa bahwa model tersebut benar secara logis dan matematis serta memeriksa apakah data yang digunakan benar. sedangkan validasi eksternal digunakan untuk memastikan bahwa model tersebut cukup mampu mempresentasikan kenyataan (Daellenbach, 2005). Validasi yang dilakukan dalam penelitian ini menggunakan validasi internal yang dilakukan dengan cara memeriksa apakah persamaan matematika konsisten secara dimensional (persamaan pada ruas kanan sebanding dengan persamaan pada ruas kiri). Apabila hasil validasi diperoleh bahwa model belum valid maka akan kembali ke proses pemodelan.
4. Aplikasi Model pada Studi Kasus
commit to user
III-5
objektif dan batasan model. Selanjutnya dilakukan perbandingan energy storing hasil rancangan dengan energy storing awal.
3.3 Analisis Model
Pada tahap ini dilakukan analisis terhadap model yang dikembangkan. Analisis yang dilakukan adalah analisis sensitivitas yaitu untuk mengetahui akibat dari perubahan parameter dalam model terhadap perubahan performansi sistem. Tujuannya adalah untuk menunjukkan seberapa sensitif model tersebut terhadap faktor yang terkait di dalam model.
3.4 Kesimpulan dan Saran
commit to user
IV-1
PENGEMBANGAN MODEL
Bab ini berisi tentang pengembangan model yang dilakukan dalam penelitian. Tahapan pengembangan model tersebut terdiri dari penetapan fungsi tujuan, penentuan batasan model, dan aplikasi model pada studi kasus. Pembahasan lebih rinci akan dijelaskan pada sub bab berikut.
4.1 Fungsi Tujuan
Pemodelan yang dikembangkan dalam penelitian ini adalah pemodelan gas spring dengan kriteria maximum energy storing. Pengembangan model gas spring berdasarkan pada endoskeletal prosthehic leg hasil penelitian (Ultahar, 2011). Fungsi tujuan dalam pemodelan ini diperoleh dengan mengintegralkan persamaan energy storing pada persamaan 2.3. Hasil pengintengralan tersebut adalah sebagai berikut:
= −0.785 ( ) ( ) …………...(4.1)
dimana:
= energi (J)
D = diameter silinder (mm) P = tekanan (atm)
L = panjang silinder (mm) = perpindahan piston (mm)
γ = rasio kapasitas panas
4.2 Penentuan Batasan Model
commit to user
IV-2
Panjang ekstensi merupakan panjang gas spring ketika kaki berada pada posisi lurus. Pada saat tersebut gas spring dan body pada knee joint endoskeletal prosthetic leg membentuk sudut 6° (Ultahar, 2011).
Gambar 4.1 Posisi gas spring pada saat ekstensi
Panjang ekstensi harus disesuaikan dengan panjang body knee joint ketika kaki berada pada posisi lurus sehingga panjang ekstensi harus dibatasi. Panjang ekstensi gas spring merupakan resultan dari body knee joint (h1) dengan panjang
adapter atas (h2), sehingga diperoleh persamaan:
= cos 6°.ℎ ………...………...(4.2)
dimana:
= panjang ekstensi (mm)
ℎ = panjang body knee joint (mm)
2. Panjang kompresi (Le)
Sama dengan panjang ekstensi, panjang kompresi juga mengikuti ruang yang ada pada body knee joint ketika kaki mengalami fleksi secara maksimum sehingga sehingga gas spring dan adapter atas membentuk garis lurus di dalam body pada knee joint endoskeletal prosthetic leg, oleh karena itu panjang kompresi gas spring merupakan pengurangan panjang body knee joint (h1) dengan panjang
commit to user
IV-3
Gambar 4.2 Posisi gas spring pada saat kompresi
= ℎ − ℎ ……….………...(4.3) dimana:
= panjang kompresi (mm)
ℎ = panjang body knee joint (mm)
ℎ = panjang adapter atas (mm)
3. Panjang silinder (L) dan stroke (s)
Panjang silinder dan stroke merupakan faktor yang mempengaruhi panjang ekstensi dan kompresi gas spring, oleh karena itu panjang silinder dan stroke memiliki persamaan tertentu yang disesuaikan dengan panjang ekstensi dan panjang kompresi gas spring. Stroke pada saat gas spring dalam keadaan ekstensi (s1) jauh lebih panjang dari pada stroke pada saat gas spring dalam keadaan
kompresi (s2). Panjang ekstensi merupakan penjumlahan panjang silinder (L) dan
stroke (s1) sedangkan panjang kompresi merupakan penjumlahan panjang silinder
(L) dan stroke (s2) yang dapat dilihat pada persamaan:
+ = ………...(4.4) + = ………...(4.5)
dimana:
L = panjang silinder (mm)
= stroke pada saat ekstensi (mm) = stroke pada saat kompresi (mm) = panjang ekstensi (mm)
= panjang kompresi (mm)
h1
commit to user
IV-4
Gambar 4.3 (a)Gas spring pada saat ekstensi, (b) Gas spring pada saat kompresi
Panjang kompresi gas spring pada endoskeletal prosthetic leg akan menyesuaikan dengan panjang body yang merupakan penyangga utama pada knee joint karena gas spring dan adapter atas membentuk garis lurus di dalam body knee joint. Oleh karena itu stroke, panjang silinder dan adapter atas harus sama dengan panjang body knee joint (persamaan 4.6).
+ ℎ = ℎ
+ + ℎ = ℎ ………...(4.6) dimana:
= stroke pada saat kompresi (mm) L = panjang silinder (mm)
ℎ = panjang body knee joint (mm)
ℎ = panjang adapter atas (mm)
Dalam penelitian ini panjang silinder gas spring ditentukan berada pada rentang nilai tertentu. Panjang silinder gas spring harus lebih dari sama dengan Lmin dan kurang dari atau sama dengan Lmax (persamaan 4.7).
≤ ≤ ………...
(4.7)
dimana:
= panjang silinder minimal (mm) L = panjang silinder (mm)
commit to user
IV-5
berada pada rentang tertentu. Panjang stroke harus lebih dari sama dengan smin dan
kurang dari atau sama dengan smax (persamaan 4.8).
≤ ≤ ………...
4. Perpindahan piston di dalam silinder (xf)
Piston pada gas spring akan bergeser pada posisi tertentu ketika gas spring mengalami kompresi. Kebanyakan gas spring dapat mengalami kompresi 60% dari panjang ekstensinya (Lift support technologies, 2012) oleh karena itu perpindahan piston di dalam silinder dibatasi kurang dari sama dengan 60% dari panjang ekstensinya, sehingga diperoleh persamaan:
commit to user
Diameter silinder harus disesuaikan dengan jarak antara kedua body knee joint karena penempatan gas spring berada diantara body knee joint tersebut. Diameter silinder gas spring harus lebih dari sama dengan Dmin dan kurang dari
atau sama dengan Dmax (persamaan 4.10).
≤ ≤ ………...
Karakteristik gas spring diperoleh dari katalog Stabilus (1995) seperti pada persamaan (4.13).
1,01 < < 1,6 ………...(4.13) Pada persamaan tersebut, karakteristik gas spring dinyatakan dengan x. Batas bawah diperoleh dari geometri pada persamaan (2.4), batas maksimum tergantung pada stabilitas komponen yang digunakan dengan mempertimbangkan faktor keselamatan yang diperlukan (Stabilus, 1995).
4.3 Validasi
commit to user
IV-7
dimensional (persamaan ruas kanan sebanding dengan persamaan ruas kiri). Apabila model sudah dinyatakan valid, maka dilanjutkan ke tahap aplikasi model pada studi kasus. Apabila belum valid, maka dilakukan pemeriksaan kembali terhadap pemodelan.
4.3.1.Validasi Fungsi Tujuan
Fungsi tujuan dari model ini seperti terlihat pada Persamaan (4.14).
= −0.785 ( ) ( ) ………...(4.14)
dimana:
= energi (J)
D = diameter silinder (mm) P = tekanan (atm)
L = panjang silinder (mm) = perpindahan piston (mm)
γ = rasio panas tertentu
Validasi:
[ . ] = [ ]. . [ ] − [ ] . − 1
+ [ ] . − 1 . [ ] + [ ] − [ ]
[ . ] = [ . ] (Valid)
4.3.2.Validasi Batasan Model
Validasi dilakukan pada batasan model sebagai berikut:
1. Panjang ekstensi (La)
= cos 6°.ℎ …..………...………...(4.15)
dimana:
= panjang ekstensi (mm)
commit to user
commit to user
Validasi pada rentangan nilai panjang silinder gas spring adalah sebagai berikut:
Validasi pada rentangan nilai strokegas spring adalah sebagai berikut:
commit to user
Validasi pada perpindahan piston gas spring adalah sebagai berikut:
= − ………...(4.23)
4.4 Aplikasi Model pada Studi Kasus
4.4.1.Penentuan Parameter Model
commit to user
IV-11
Gambar 4.4 Knee joint mekanisme 2-bar
Sumber: Ultahar, 2011
Hasil pengukuran pada dimensi gas spring pada knee joint mekanisme 2-bar diperoleh data sebagai berikut:
Tabel 4.1 Data pengukuran dimensi gas spring
No Variabel Notasi Nilai Satuan
Tabel 4.2 Nilai batasan model
No Parameter Notasi Nilai Satuan Sumber
smin 0.6 L mm Lift support technologies, 2012
smax 1000 mm Dictator, 2012
commit to user
IV-12
Berdasarkan persamaan (4.1) fungsi objektif gas spring untuk knee joint pada endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar adalah sebagai berikut:
Fungsi objektif:
Berdasarkan penelitian (Ultahar, 2011) diketahui panjang body knee joint (h1)
adalah 161, 473 mm dan panjang adapter atas (h2) adalah 20 mm. Substitusi nilai
h1 dan h2 ke persamaan (4.2) maka diperoleh,
Stroke pada saat ekstensi harus lebih besar atau sama dengan 0.6 L agar tidak masuk ke dalam silinder ketika mengalami kompresi secara maksimum. Katalog Dictator (2012) merancang gas spring dengan stroke pada saat ekstensi lebih kecil atau sama dengan 1000 mm dan stroke pada saat kompresi lebih besar atau sama dengan 10 mm dan lebih kecil atau sama dengan 100 mm, sehingga persamaan (4.8) dapat ditulis:
commit to user
IV-13
≥10
≤100
4. Perpindahan piston di dalam silinder (xf)
Substitusi nilai La ke persamaan (4.9) maka diperoleh,
≤0.6 ( 160, 59 ) 5. Diameter silinder (D)
(Dictactor, 2012) merancang gas spring dengan diameter silinder lebih besar atau sama dengan 10 mm. Dengan mempertimbangkan jarak antara kedua body knee joint maka diameter silinder harus lebih kecil atau sama dengan 43 mm, sehingga persamaan (4.12) dapat ditulis:
≥10
≤43
6. Karakteristik gas spring (x)
Substitusikan persamaan (2.1) kedalam (2.4) dan (4.13) maka diperoleh:
1,01 < −
Penyelesaian masalah dengan menggunakan software LINGO 9.0 sebagai solver. Penyelesaian untuk masalah pada contoh numerik diatas adalah sebgai berikut:
Tabel 4.3 Hasil optimisasi
Variabel Keputusan Notasi Nilai Optimal
Diameter silinder D 29.57
Panjang silinder L 80.15
Stroke pada saat ekstensi s1 80.44
commit to user
IV-14
Sumber
Diameter (D)
Panjang silinder
(L)
Perpindahan piston
(xf)
Energi storing
(E)
mm mm mm J
Ultahar (2011) 15.10 118.10 19.90 486.29
commit to user
V-1
ANALISIS MODEL
Pada tahap ini dilakukan analisis perbandingan energy storing dan analisis sensitivitas terhadap model yang telah dikembangkan.
5.1 Analisis Perbandingan Energi Storing
Hasil optimisasi menggunakan software LINGO 9.0 menghasilkan dimenesi rancangan gas spring yang berbeda dengan rancangan Ultahar (2011). Panjang silinder gas spring (L) memiliki nilai lebih rendah 32,13 % dari nilai awal, diameter silinder (D) memiliki nilai 95,83% lebih tinggi dari nilai awal, stroke pada saat ekstensi (s1) memiliki nilai 12,19% lebih tinggi dari nilai awal dan
stroke pada saat kompresi (s2) memiliki nilai 8,65% lebih rendah dari nilai
awalnya. Nilai energy storing gas spring dalam penelitian ini memiliki nilai yang jauh lebih besar dengan selisih 9471,11 J. Nilai energy storing hasil optimisasi yang semakin tinggi tersebut dipengaruhi oleh nilai perpindahan piston (xf) yang
juga semakin tinggi. Nilai xf rancangan Ultahar (2011) hanya sebesar 19.9 mm
sedangkan nilai xf pada penelitian ini adalah 33.12 mm (166,32% lebih tinggi dari
nilai awal). Nilai xf merupakan pengurangan s1 dan s2. Karena pada rancangan ini
nilai s1 memiliki nilai yang lebih besar dari nilai awal dan s2 memiliki nilai yang
lebih kecil dari nilai awal, maka selisihnya akan menjadi lebih tinggi dari nilai awalnya.
commit to user
V-2
lebih cepat sehingga fase ekstensi pada prosthetic leg akan mendahului fase swing. Namun permasalahan ini dapat diakomodasi dengan menambahkan peredam pada prosthetic leg untuk mengatur kecepatan respon gas spring.
Selain kriteria maximum energy storing, gas spring pada endoskeletal prosthetic knee rancangan Ultahar (2011) juga dapat dikembangkan ke arah maximum reliabillity. Kriteria ini berkaitan dengan kemampuan gas spring dalam mencegah kegagalan yang dapat menyebabkan gangguan pada kinerja prosthetic leg. Kriteria lain yang dapat dikembangkan pada gas spring adalah minimum weight, dengan bahan yang lebih ringan maka energi yang digunakan pengguna prosthetic leg untuk berjalan juga akan berkurang. Semakin berkurang energi yang digunakan untuk berjalan mengunakan prosthetic leg maka kelelahan juga akan semakin berkurang.
5.2 Analisis Sensitivitas
Analisis sensitivitas dilakukan dengan mengubah parameter model dan melihat pengaruhnya terhadap variabel keputusan. Parameter model yang diubah yaitu rentang nilai panjang silinder gas spring (parameter-1), panjang ekstensi (parameter-2), panjang kompresi (parameter-3) dan rentang nilai diameter silinder gas spring (parameter-4). Perubahan nilai parameter tersebut ditunjukkan pada Tabel 5.1.
Tabel 5.1 Skenario analisis sensitivitas
Lmax 50.00 La 80.30 Dmax 21.50
Lmin 16.00 Le 70.74 Dmin 5.00
Lmax 55.00 La 88.32 Dmax 23.65
Lmin 17.60 Le 77.81 Dmin 5.50
Lmax 60.00 La 96.35 Dmax 25.80
Lmin 19.20 Le 84.88 Dmin 6.00
Lmax 65.00 La 104.38 Dmax 27.95
Lmin 20.80 Le 91.96 Dmin 6.50
Lmax 70.00 La 112.41 Dmax 30.10
Lmin 22.40 Le 99.03 Dmin 7.00
commit to user
V-3
Nilai parameter pada skenario analisis sensitivitas diubah dengan menambahkan 5% dan mengurangkan 5% nilai dari kondisi semula. Skenario analisis sensitivitas tidak hanya dilakukan untuk satu parameter tetapi kombinasi dari dua parameter yang berbeda seperti kombinasi parameter-1 dan parameter-2, parameter-2dan parameter-3 serta parameter-1 dan parameter-3. Nilai variabel keputusan dan hasil optimisasi energy storing untuk kombinasi skenario perubahan parameter pada Tabel 5.1 ditunjukkan pada bagian lampiran penelitian ini.
Lmax 75.00 La 120.44 Dmax 32.25
Lmin 24.00 Le 106.10 Dmin 7.50
Lmax 80.00 La 128.47 Dmax 34.40
Lmin 25.60 Le 113.18 Dmin 8.00
Lmax 85.00 La 136.50 Dmax 36.55
Lmin 27.20 Le 120.25 Dmin 8.50
Lmax 90.00 La 144.53 Dmax 38.70
Lmin 28.80 Le 127.32 Dmin 9.00
Lmax 95.00 La 152.56 Dmax 40.85
Lmin 30.40 Le 134.40 Dmin 9.50
Lmax 100.00 La 160.59 Dmax 43.00
Lmin 32.00 Le 141.47 Dmin 10.00
Lmax 105.00 La 168.62 Dmax 45.15
Lmin 33.60 Le 148.54 Dmin 10.50
Lmax 110.00 La 176.65 Dmax 47.30
Lmin 35.20 Le 155.62 Dmin 11.00
Lmax 115.00 La 184.68 Dmax 49.45
Lmin 36.80 Le 162.69 Dmin 11.50
Lmax 120.00 La 192.71 Dmax 51.60
Lmin 38.40 Le 169.76 Dmin 12.00
Lmax 125.00 La 200.74 Dmax 53.75
Lmin 40.00 Le 176.84 Dmin 12.50
Lmax 130.00 La 208.77 Dmax 55.90
Lmin 41.60 Le 183.91 Dmin 13.00
Lmax 135.00 La 216.80 Dmax 58.05
Lmin 43.20 Le 190.98 Dmin 13.50
Lmax 140.00 La 224.83 Dmax 60.20
Lmin 44.80 Le 198.06 Dmin 14.00
Lmax 145.00 La 232.86 Dmax 62.35
Lmin 46.40 Le 205.13 Dmin 14.50
Lmax 150.00 La 240.89 Dmax 64.50
Lmin 48.00 Le 212.21 Dmin 15.00
commit to user
V-4
Parameter yang diubah adalah rentang nilai panjang silinder gas spring. Pengaruh perubahan panjang silinder pada energy storing dapat dilihat pada Gambar 5.1. Pada gambar tersebut nilai energy storing akan mengalami peningkatan setiap rentang nilai panjang silinder gas spring dinaikkan dan pada akhirnya nilai energy storing akan tetap pada kisaran nilai 9957, 40 J walaupun rentang nilai panjang silinder gas spring dinaikkan. Hal ini disebabkan karena pada saat tertentu nilai variabel keputusan menghasilkan nilai yang tetap walaupun rentang nilai panjang silinder gas spring terus dilonggarkan. Berdasarkan grafik tersebut maka dapat dikatakan bahwa penurunan rentang panjang silinder gas spring lebih dari 20% dari nilai optimalnya akan mengurangi nilai energy storing sehingga dalam perancangannya, panjang silinder gas spring tidak boleh kurang dari 80,00 mm.
Gambar 5.1 Pengaruh perubahan panjang silinder pada energy storing
5.2.2.Analisis Perubahan Parameter-2
Parameter yang diubah adalah panjang ekstensi dan panjang kompresi gas spring. Pengaruh perubahan panjang ekstensi dan panjang kompresi gas spring pada energy storing dapat dilihat pada Gambar 5.2. Pada gambar tersebut nilai energy
storing akan mengalami peningkatan setiap rentang nilai panjang ekstensi dan
commit to user
V-5
Gambar 5.2 Pengaruh perubahan panjang ekstensi dan panjang kompresi pada
energy storing
5.2.3.Analisis Perubahan Parameter-3
Parameter yang diubah adalah rentang nilai diameter silinder gas spring. Pengaruh perubahan panjang silinder pada energy storing dapat dilihat pada Gambar 5.3. Pada gambar tersebut nilai energy storing akan mengalami peningkatan setiap rentang nilai diameter silinder gas spring dinaikkan dan pada akhirnya nilai
commit to user
V-6
Gambar 5.3 Pengaruh perubahan rentang nilai diameter silinder pada energy storing
5.2.4.Analisis Perubahan Parameter 1-dan Parameter-2
Parameter yang diubah adalah rentang nilai panjang silinder, panjang ekstensi dan panjang kompresi gas spring. Pengaruh perubahan rentang nilai panjang silinder, panjang ekstensi dan panjang kompresi gas spring pada energy storing dapat dilihat pada Gambar 5.4. Pada gambar tersebut nilai energy storing
akan mengalami peningkatan setiap rentang nilai panjang silinder, panjang ekstensi dan panjang kompresi gas spring dinaikkan. Hal ini disebabkan panjang silinder gas spring juga mengalami kenaikan sehingga akan menaikkan panjang stroke dan nilai perpindahan piston dalam silinder gas spring.
commit to user
V-7
Parameter yang diubah adalah panjang ekstensi, panjang kompresi dan rentang nilai diameter silinder gas spring. Pengaruh perubahan panjang ekstensi, panjang kompresi dan rentang nilai diameter silinder gas spring pada energy storing
dapat dilihat pada Gambar 5.5. Pada gambar tersebut nilai energy storing akan mengalami peningkatan setiap panjang ekstensi, panjang kompresi dan rentang nilai diameter silinder gas spring dinaikkan. Hal ini disebabkan panjang silinder gas spring juga mengalami kenaikan sehingga akan menaikkan panjang stroke dan nilai perpindahan piston dalam silinder gas spring.
Gambar 5.5 Pengaruh perubahan panjang ekstensi, panjang kompresi dan rentang nilai diameter silinder pada energy storing
5.2.6.Analisis Perubahan Parameter-1 dan Parameter-3
commit to user
V-8
panjang silinder dan diameter silinder gas spring lebih dari 20% dari nilai optimalnya akan mengurangi nilai energy storing.
Gambar 5.6 Pengaruh perubahan rentang nilai panjang silinder dan rentang nilai
commit to user
VI-1
KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisi tentang kesimpulan yang menjawab tujuan penelitian serta saran mengenai pengembangan penelitian yang dapt dilakukan mendatang.
6.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil analisis terhadap model dapat disimpulkan, sebagai berikut:
1. Penelitian menghasilkan model optimasi untuk merancang gas spring pada endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar rancangan Ultahar (2011).
2. Nilai variabel rancangan gas spring yang optimal dengan kriteria maximum energy storing yaitu panjang silinder (L) sebesar 80,15 mm, diameter silinder (D) sebesar 29,57 mm, stroke pasa saat ekstensi (s1) sebesar 80,44 mm dan
stroke pada saat kompresi (s2) sebesar 47,31 mm dengan jumlah energy troring
sebesar 9.957,40 J.
6.2 Saran
Saran yang dapat diberikan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Penelitian berikutnya diarahkan dengan pertimbangan kriteria minimum weight
