Desain Dan Evaluasi Performansi Dari Embedded Fuzzy Functional Electrical Stimulation Metode Cycle-To-Cycle Control Untuk Restorasi Gerakan Repetitif Sendi Lutut

DESAIN DAN EVALUASI PERFORMANSI DARI

EMBEDDED FUZZY FUNCTIONAL ELECTRICAL

STIMULATION

METODE

CYCLE-TO-CYCLE

CONTROL

UNTUK RESTORASI GERAKAN

REPETITIF SENDI LUTUT

Aidatunisadina Linazizah Basith 2213204204

Program Magister

Jurusan Teknik Elektro - Bidang Keahlian Elektronika Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya

Dosen Pembimbing:

OUTLINE

Pendahuluan

Dasar Teori dan Kajian Pustaka

Metode Penelitian

Pengujian dan Evaluasi Performansi

Kesimpulan dan Saran

LATAR BELAKANG (1)

LATAR BELAKANG (2)

• Hampir 15 juta penderita • Indonesia: 8 dari 1000 orang mengalami disabilitas (2003)

Stroke

• Setiap tahun: 250.000-500.000 orang

SCI

LATAR BELAKANG (4)

LATAR BELAKANG (5)

Kebutuhan

perangkat FES

untuk rehabilitasi

lower limb

Nyaman

Tahan lama

Handal

Closed-loop

Perangkat FES

wearable

untuk

lower

limb

1. Bagaimana perancangan dan penerapan kontroler untuk stimulator Functional Electrical Stimulation pada embedded system.

2. Bagaimana performansi stimulator FES untuk knee-joint movement dalam menghasilkan burst duration secara otomatis.

3. Bagaimana performansi stimulator FES untuk knee-joint movement dalam mengatasi muscle fatigue.

1. Membuat perancangan dan penerapan kontroler untuk

stimulator Functional Electrical Stimulation pada embedded system.

2. Mengetahui performansi stimulator FES untuk knee-joint movement dalam menghasilkan burst duration secata otomatis.

3. Mengetahui performansi stimulator FES untuk knee-joint movement dalam dalam mengatasi muscle fatigue.

1. Membantu proses rehabilitasi pasien dengan kelumpuhan anggota gerak.

2. Memudahkan pasien melakukan rehabilitasi dalam kehidupan sehari-hari.

DASAR TEORI DAN

KAJIAN PUSTAKA

L

OWER LIMB MOVEMENT

(1)

• Bersifat cyclic (berulang dengan siklus tertentu).

• Digerakkan oleh otot fleksor dan ekstensor.

F

UNCTIONAL

E

LECTRICAL

S

TIMULATION

• Pemberian arus listrik pada neuron tertentu untuk menghasilkan kontraksi otot.

• Mengurangi kekakuan otot, meningkatkan fungsi bagian tubuh yang distimulasi.

• Komponen sistem FES closed-loop

1. Stimulator

Fungsi: menghasilkan serangkaian pulsa pendek yang disalurkan melalui elektroda.

2. Sensor

F

UZZY

L

OGIC

C

ONTROLLER

• Pendekatan linguistik, tidak bernilai biner.

• Tidak terikat pada model matematika.

• Sesuai untuk sistem yang bersifat nonlinier .

M

ETODE

C

YCLE

-

TO

-

CYCLE

• Mengatur durasi stimulation burst pulsa stimulasi suatu siklus berdasarkan hasil siklus sebelumnya.

• Lebar pulsa, amplitudo, danfrekuensi stimulasi bernilai tetap  menghasilkan gaya otot yang stabil.

• Sudut sendi target dicapai dengan mengatur durasi

stimulation burst.

• Durasi burst:

TB[n-1] = besar durasi burst pada siklus sebelumnya

T

AHAP

P

ENELITIAN

Studi pustaka dan referensi

Perancangan dan penerapan sistem kontroler

Pengujian sistem

Pengambilan dan pengolahan data

Analisa data

P

ERANCANGAN

S

ISTEM

Sistem FES

Wearable

Prototipe

Perangkat

P

ERANCANGAN

P

ROTOTIPE

K

ONTROLER

F

UZZY

(1)

• Penerapan kontroler Fuzzy pada embedded system.

• Menguji struktur dan efektivitas kontroler.

• STM32F429.

• Kontroler Single Input Single Output (SISO).

P

ERANCANGAN

P

ROTOTIPE

K

ONTROLER

F

UZZY

(2)

Fuzzifikasi Inference Defuzzifikasi

Input Membership

Function

Fuzzy rules Output Membership Function -θtarget _Error[n-1] ΔTB*[n] ΔTB[n] Kontroler Fuzzy θtercapai

F

UZZY

S

ET

Z PS PM PL NS NM NL 1 μ(error) Error (°) 0 -3 -6 -9 3 6 9 Z PS PM PL NS NM NL 1 μ(ΔTB) ΔTB (ms) 0 -100 -200 -300 100 200 300

Input Membership Function

F

UZZY

R

ULES

S

ET

error NL NM NS Z PS PM PL ΔTB PL PM PS Z NS NM NL θtarget Region error positif Region error negatif

P

ERANCANGAN

P

ROTOKOL

D

ATA

Start bit Data Stop bit

Konversi data PC/laptop Transfer data Konversi data Transfer data Embedded system Buffering Buffering Paket Data

P

ERANCANGAN

A

NTARMUKA

LCD TFT

Pengguna _{Memilih Menu OMF} Graphic Memilih Menu IMF

Graphic Memilih Menu Home

T

AMPILAN

A

NTARMUKA

T

AMPILAN

A

NTARMUKA

LCD TFT (2)

P

ERANCANGAN

A

NTARMUKA

PC/L

APTOP

Pengguna Memilih Menu Masukan Random Memilih Menu Setting Comport Memilih Segmen dan

Otot

Memilih Menu Open Port

Memilih Menu Kirim Data

T

AMPILAN

A

NTARMUKA

I

MPLEMENTASI

P

ADA

E

MBEDDED

S

YSTEM

Graphic LCD ARM Microcontroller Button PC/LAPTOP Serial Port USART Embedded System

P

ENGUJIAN

P

ERFORMANSI

P

ROTOTIPE

K

ONTROLER

• Tujuan: prediksi alokasi memori, ketepatan rancangan, waktu pemrosesan.

• Memori: 8208 byte/256 KB RAM dan 177188 byte/2 MB memori flash.

• Waktu pemrosesan: enam siklus.

Kondisi Waktu Pemrosesan Rata-rata (μs)

Rutin FLC 218

P

ERANCANGAN

S

ISTEM

K

ONTROLER

FES

W

EARABLE

• Kontroler Fuzzy:

1. Single Input Single Output (SISO),

2. Multi Input Single Output (MISO).

• Kontroler MISO

Masukan: error dan desired range.

θtarget Desired _range

θtercapai di awal siklus

S

TRUKTUR

K

ONTROLLER

F

UZZY

Fuzzifikasi Inference Defuzzifikasi

Input Membership Function Fuzzy rules Output Membership Function Σ θtarget _Error[n-1] ΔTB*[n] Σ ΔTB[n] TB[n-1] TB[n] Kontroler Fuzzy Musculo Skeletal System θmax[n] θmax[n-1] +

-S

UDUT

A

CUAN

Gerakan Sudut Referensi Range of Motion Range of Error Desired Range Pinggang Fleksi maks 32.4o ₀o _{s.d. 130}o _32.4o _{s.d. -97.6}o -Ekstensi maks -11.9o ₀o _{s.d. -30}o _-11.9o _{s.d. 18.1}o -Lutut Ekstensi maks 15o ₀o _{s.d. 150}o ₆₉o _{s.d. -81}o _-15o _{s.d. 135}o Fleksi maks 69o ₀o _{s.d. 15}o _3.6o _{s.d. -11.4}o -Engkel Dorsifleksi maks 4.9o ₀o _{s.d. -50}o _-16.4o _{s.d. 34.6}o _-15.1o _{s.d. 4.9}o Plantarfleksi maks -16.4o ₀o _{s.d. 20}o _4.9o _{s.d. -15.1}o

-F

UZZY

R

ULES

S

ET

Error NL NM NS Z PS PM PL Desired Rang e NL PL PM PS Z NS NM NL NM PL PM PS Z NS NM NL NS PL PM PS Z NS NM NL Z PL PM PS Z NS NM NL PS PL PM PS Z NS NM NL PM PL PM PS Z NS NM NL PL PL PM PS Z NS NM NL

I

MPLEMENTASI

P

ERANGKAT

Transfer data

Akuisisi data Kontroler fuzzy Stimulasi

PC/laptop Embedded system

Sudut sendi TB[n] Pengaturan stimulasi Transfer data Monitoring

PENGUJIAN DAN EVALUASI

PERFORMANSI

P

ENGUJIAN

G

ERAKAN

P

ENGUJIAN

G

ERAKAN

F

LEKSI

L

UTUT

M

AKSIMUM

0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 S u d u t ( °) Jumlah Siklus Sudut Target Sudut Tercapai

P

ENGUJIAN

G

ERAKAN

E

KSTENSI

L

UTUT

M

AKSIMUM

0 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 S u d u t ( °) Jumlah Siklus Sudut Target Sudut Tercapai

O

SILASI

0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 S u d u t ( °) Jumlah Siklus Sudut Target Sudut Tercapai

M

USCLE

F

ATIGUE

0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 S u d u t ( °) Jumlah Siklus Sudut Target Sudut Tercapai

T

IDAK

T

ERCAPAI

0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 S u d u t ( °) Jumlah Siklus Sudut Target Sudut Tercapai

T

IDAK

T

ERCAPAI

0 10 20 30 40 50 60 70 80 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 S u d u t ( °) Jumlah Siklus Sudut Target Sudut Tercapai

K

ESIMPULAN

1. Knee flexion: • SI : 3-5 siklus. • RMSE < 5o 2. Knee extension: • SI : 2-10 siklus. • RMSE < 7o

S

ARAN

1. Menambahkan fitur perubahan parameter Fuzzy. 2. Menggunakan masukan EMG.

3. Penggunaan dan pengumpulan data dari subyek dengan gangguan fungsi gerak.