BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Landasan Teori

Bab ini menjelaskan mengenai landasan teori yang digunakan sebagai pendukung dalam penelitian, bab ini menjelaskan tentang kerangka berpikir.

Tinjauan pustaka diambil dari berbagai sumber yang berkaitan dengan permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian.

1. Tangan Manusia

Tangan manusia merupakan salah satu anggota gerak tubuh manusia yang penting dalam melakukan aktivitas sehari-hari. Tangan manusia berfungsi sebagai alat penyeimbang dan pendukung tubuh (Sanjaya, 2010). Tangan merupakan bagian penting dari repertoar gerakan manusia dan sangat penting dalam kegiatan sehari-hari yang menuntut terkoordinasi tubuh manusia dalam suatu kegiatan (Svensson, 2009).

2. Terminologi Anggota Gerak Bagian Atas

Pada tangan manusia terdapat otot-otot yang memiliki fungsi masing- masing untuk tiap gerakan tertentu. Berdasarkan gerakan otot pada tangan manusia terbagi menjadi dua yaitu fleksi (flesor) dan ekstensi (ekstensor). Fleksi adalah gerakan tangan untuk mendekatkan tangan ke tubuh sedangkan ekstensi merupakan gerakan menjauhkan tangan dari tubuh. Terdapat otot yang berfungsi untuk melakukan gerakan fleksi dan ada otot yang berfungsi melakukan gerakan ekstensi.

Otot yang bertugas menggerakkan tangan secara fleksi terdiri dari Superficialis layer merupakan lapisan pertama tangan dalam pembagian otot dan terdiri dari empat otot antara lain pronator teres, flexor carpi radialis, palmaris longus, dan flexor carpi ulnaris seperti yang dapat dijelaskan pada Gambar 2.1.

(2)

8

Gambar 2.1 Kontraksi otot bagian bawah pada lengan manusia Sumber: Encyclopedia Britannica inc., 2008

Lapisan kedua pembagian otot pada lengan tangan adalah intermediate layer. Lapisan ini terdiri dari dua otot yang bertugas menggerakkan tangan secara fleksi yaitu otot flexor digitorum superficialis (Gambar 2.1). Otot ini bertugas menggerakkan jari-jari tangan lapisan terdalam otot pada lengan tangan adalah deep layer dan untuk gerakan fleksi hanya terdapat satu otot yaitu pollicis longus. Otot ini bertugas untuk melakukan gerakan khusus pada ibu jari. Otot pada lengan tangan berikutnya adalah otot yang bertugas untuk melakukan gerakan extensor (ekstensi).

Ekstensi merupakan gerakan untuk menjauh tangan dari pusat tubuh. Lengan tangan terbagi dalam dua lapisan yaitu superficialis layer dan deep layer. Jumlah otot pada setiap lapisan berbeda dari otot yang menyusun lengan tangan untuk gerakan fleksi. Lapisan superficial layer tersusun dari otot brachioradialis, extensor carpi radialis longus, extensor carpi radialis brevis, extensor digitorum, dan extensor carpi ulnaris dapat dijelaskan pada Gambar 2.2.

(3)

9

Gambar 2.2 Kontraksi otot gerakan extensor Sumber: Encyclopedia Britannica inc., 2008

Lapisan otot lengan tangan berikutnya untuk gerakan ekstensi adalah deep layer.

Lapisan deep layer terdiri dari lima otot antara lain supinator muscle, abductor pollicis longus, extensor pollicis brevis. Otot berikutnya merupakan dua otot yang terdapat pada deep layer yaitu extensor pollicis brevis. Otot berikutnya merupakan dua otot yang terdapat pada deep layer yaitu extensor pollicis longus, dan extensor indicis. Gambar skematik tiap otot lengan tangan manusia akan ditunjukan untuk

Gambar 2.3 Schematic drawing superficialis layer (flexor)

Sumber: Rohen., 2011

Gambar 2.4 Schematic drawing deep layer (flexor)

Sumber: Rohen., 2011

(4)

10

mempermudah pembacaan otot pada gambar, superficialis layer Gambar 2.3 dan Gambar 2.4 deep layer. Schematic drawing superficialis layer dan Schematic drawing deep layer menunjukkan bagian-bagian berikut ini :

Gambar skematis otot untuk gerakan ekstensi pada lengan tangan manusia ditampilkan untuk mempermudah pembacaan otot dapat dijelaskan pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Posisi otot ekstensor pada lengan tangan (schematic drawing) Sumber: Rohen., 2011

Schematic drawing posisi otot ekstensor pada lengan tangan menjelaskan bagian-bagian berikut ini :

Bagian A :

1. Flexor pollicis longus muscle (blue)

2. Flexor digitorium profondus muscle (red)

Bagian B :

3. Pronator teres muscle (red) 4. Flexor carpi radialis muscle (red) 5. Flexor carpi ulnaris muscle (red) 6. Flexor digitorium superficialis

(blue)

Bagian A :

1. Abductor pollicis longus muscle (red)

2. Ex tensor pollicis brevis muscle (blue)

3. Extensor pollicis longus muscle (red)

4. Extensor indicis muscle (blue)

Bagian B :

5. Extensor carpi ulnaris muscle (blue)

6. Extensor digitorium muscle (red)

7. Extensor carpi radialis brevis muscle (blue)

8. Extensor carpi radialis longus (blue)

(5)

11 3. Prosthetic Hand

Prosthetic hand adalah bentuk tiruan dari tangan manusia yang bertujuan untuk mengganti peran tangan asli bagi orang mengalami amputasi. Prosthetic hand terutama yang anthropomorphic, diharapkan dapat menyerupai dengan manusia asli dan mampu melakukan aktivitas seperti tangan manusia asli. Perkembangan zaman, ada beberapa jenis prosthetic hand yang telah dirancang selama ini. Martin (2011) membagi prosthetic hand menjadi empat jenis berdasarkan bentuknya, yaitu passive prosthetic, body-powered prosthetic, externally-powered prosthetic (berupa electric/myoelectric system atau pneumatic system), dan system-hybrid prosthetic.

1. Passive Prosthetic

Passive Prosthetic merupakan jenis pertama dari prosthetic hand yang dibuat oleh Marcus Sergius pada perang punik tahun 218-201 SM. Jenis prosthetic ini tidak mempunyai komponen yang dapat bergerak, umumnya digunakan untuk tujuan cosmetic. Passive prosthetic atau cosmetic prosthetic terbuat dari urethane foam yang diselimuti dengan glove yang dicetak menyerupai bentuk tangan manusia. Bahan yang digunakan dalam pembuatan glove adalah polyvinyl chloride (PVC) dan silikon. Keuntungan penggunaan jenis prosthetic ini adalah passive prosthetic memiliki nilai kosmetik yang tinggi, relatif ringan dan murah, serta pemeliharaan yang mudah. Walaupun sudah mempresentasikan tangan buatan manusia yang bagus, namun rancangan jenis prosthetic ini relatif kaku sehingga tidak dapat digerakan secara layaknya tangan manusia (Raka, 2018).

Gambar 2.6 Passive prosthetic hand Sumber: Ottobock., 2018

(6)

12 2. Body-Powered Prosthetic

Body-powered prosthetic ditemukan pada tahun 1812 oleh Peter Baliff seorang dokter gigi asal Berlin, menemukan sebuah terminal device yang dioperasikan dengan mengikat prosthetic hand dengan tubuh pasien. Jenis prosthetic ini dapat digerakan dengan tenaga yang berasal dari biscapular abduction dan atau glenohumeral flexion. Prosthetic ini juga dapat digerakkan dengan tenaga yang berasal dari gerak flexion dan extension pada wrist. Body- powered prosthetic menggunakan harness dan cable system untuk memanipulasi fungsi siku dan tangan. Keuntungan prosthetic jenis ini adalah memiliki tingkat reliabilitas yang tinggi, ringan, murah dan mudah diperbaiki. Namun, penampilan body-powered prosthetic tidak cukup menarik karena terlalu menonjolkan aspek mekanik. Selain itu, penggunaan prosthetic ini cukup sulit dan harness tidak nyaman. Sistem kabel pada body-powered prosthetic ada dua macam, yaitu voluntary open dan voluntary closing. Pada sistem voluntary open, kondisi awal jari prosthetic ini dalam keadaan menutup, kemudian kabel pada sistem prosthetic hand ditarik sehingga jari tangan membuka. Sedangkan pada sistem voluntary closing, kondisi awal jari tangan dalam keadaan membuka, kemudian kabel pada sistem prosthetic ini ditarik sehingga jari tangan menutup (Raka, 2018).

Gambar 2.7 Body-powered prosthetic Sumber: West Coast Brace and Limb., 2018 3. Myoelectric Prosthetic

Myoelectric Prosthetic ditemukan pada tahun 1948 oleh Rehold Reiner.

Jenis prosthetic ini menggunakan aktivitas otot sebagai kontrol gerakannya. Sinyal electromyography (EMG) dideteksi menggunakan elektrode yang dipasang pada permukaan kulit untuk kemudian membangkitkan motor yang menggerakkan hand,

(7)

13

wrist, atau elbow. Keuntungan menggunakan myoelectric prosthetic adalah tidak diperlukan harness atau kabel sehingga rancangan prosthetic ini dapat dibangun dengan bentuk fisik dan fungsi yang menyerupai tangan manusia. Namun, selain lebih berat, harga dan biaya perbaikan prosthetic ini cukup mahal (Raka, 2018).

4. System-hybrid prosthetic

System-hybrid prosthetic merupakan prosthetic hasil kolaborasi dari body- powered prosthetic dan komponen myoelectric prosthetic. Prosthetic ini cenderung digunakan untuk jenis amputasi level tinggi (amputasi pada bagian siku ke atas).

Sistem hybrid yang ada memungkinkan dua joint terdapat pada body-powered dan myoelectric dapat dikontrol sekaligus. Sistem-hybrid prosthetic lebih ringan dan lebih murah daripada myoelectric prosthetic (Raka, 2018).

4. Sinyal Myoelectric

Electromyography merupakan teknik eksperimental yang berkaitan dengan pengembangan, pencatatan, dan analisis sinyal mioelektrik (Konrad, 2005). Sinyal myoelectric dibentuk pada bagian membran serat otot. Electromyography merupakan studi tentang fungsi otot melalui penyelidikan sinyal listrik yang berasal dari otot (Basmajian & Deluca, 1986). Sinyal-sinyal ini akan ditangkap untuk dideteksi dan dikendalikan untuk menggerakan prosthetic hand.

Fisiologi dasar Surface Electromyography (SEMG) merupakan serat otot mempersarafi sinyal elektrik dari sistem saraf pusat untuk mencapai neuron motorik. Neuron ini bertanggungjawab menginisiasi kontraksi otot. Kontraksi sinyal menyebar dari neuron motorik alfa melintasi serat otot, elektrofisiologi dan proses elektrokimia terjadi. Hal ini menghasilkan depolarisasi dan polarisasi sebagai action potential. SEMG mencari action potential sinyal dari saraf serat otot yang terletak dekat elektroda. Intensitas kontraksi mengendalikan seberapa sering impuls saraf datang dan mempersarafi serat otot. Setiap action potential menghasilkan sejumlah energy. Semakin sering action potential muncul, otot berkontraksi lebih keras dan sinyal SEMG meningkat (Rahman, 2018).

Klasifikasi dan pengenalan terhadap sinyal myoelectric yang diambil dari elektroda permukaan (surface electrode) dapat berjalan dengan baik jika melalui tiga tahapan (Pinyomark et al, 2012), yakni penangkapan sinyal dan preprocessing

(8)

14

sinyal (signal acquisition and preprocessing), pengekstrasian sinyal (feature extraction) dan pemilihan metode klasifikasi (classification method).

Pada tahapan signal acquisition and preprocessing hal-hal yang perlu diperhatikan adalah menyiapkan subjek penelitian, mempersiapkan daerah kontak antara subjek penelitian dan elektroda, penyiapan alat penangkap sinyal myoelectric, mereduksi noise yang mungkin timbul, melakukan pemilihan elektroda, serta melakukan pemilihan area kontak kulit subjek penelitian dengan elektroda (Zecca, Micera, Carrozza, & Dario, 2002).

Memilih metode pengekstrak sinyal yang baik akan meningkatkan akurasi dari klasifikasi (Chowdhury, et al., 2013), ekstrak dari sinyal myoelectric dapat dibagi kedalam tiga group yakni berbasis waktu, berbasis frekuensi dan berbasis waktu-frekuensi. Ekstrak sinyal myoelectric berbasis waktu bersifat mudah dan cepat pengaplikasiannya, karena ekstrak dari sinyal ini tidak memerlukan transformasi tetapi kelemahan dari parameter dari ekstrak berbasis domain adalah data yang dihasilkan tidak stasioner dan pada pengaplikasiannya dianggap stasioner. Beberapa contoh dari parameter dari hasil ekstrak berbasis waktu adalah integrated EMG dan mean absolute value, variance of EMG. Ekstrak sinyal myoelectric berbasis frekuensi telah banyak digunakan pada berbagai studi mengenai otot termasuk kelelahan otot, parameter yang termasuk didalam ekstrak berbasis frekuensi akan dijelaskan pada sub bab berikutnya. Pada ekstrak berbasis waktu-frekuensi membutuhkan perhitungan yang lebih kompleks, parameter yang dihasilkan tidak dapat digunakan secara langsung (Phinyomark, Phukpattaranont,

& Limsakul, 2012).

5. Myoelectric Prosthetic Hand

Menurut Scott (1985) myoelectric prosthetic hand adalah tangan buatan yang dikontrol oleh sinyal elektrik yang sangat kecil dan dihasilkan dari otot.

Tangan buatan ini menggunakan baterai sebagai sumber tenaganya yang dapat diisi ulang jika telah habis. Myoelectric prosthetic hand dipasangkan pada sisa tangan yang tidak terkena amputasi dan tidak membutuhkan operasi medis apapun untuk memasangkannya (Scott, Caldwll, Sanderson, & Wedderburn, 1984). Dua elemen penting pada myoelectric prosthetic hand yakni elemen elektrik (Gambar 2.8) dan

(9)

15

elemen mekanik (Gambar 2.9). Elemen yang ada pada myoelectric prosthetic hand sebagai berikut:

1. Socket yang digunakan untuk dibungkuskan pada tangan sisa yang tidak teramputasi. Soket juga berfungsi sebagai penyeimbang kedudukan myoelectric prosthetic hand.

2. Prosthetic forearm yang digunakan untuk membungkus komponen elektronik dan sebagai kedudukan dari terminal device.

3. Baterai yang menyediakan sumber tenaga bagi rangkaian elektronik dan myoelectric prosthetic hand secara keseluruhan.

4. Control unit, digunakan untuk menangkap dan merasakan aktivitas elektrik dari otot dan mengontrol aliran tenaga ke terminal device.

5. Terminal device, digunakan untuk menggantikan tangan normal.

Gambar 2.8 Elemen elektrik myoelectric prosthetic hand Sumber: Scott., 1985

Kebanyakan myoelectric prosthetic hand menggunakan tangan elektrik sebagai terminal device. Terminal device tersebut tersedia dalam interval ukuran yang besar dan dapat dicocokan untuk setiap pengguna dari umur dua tahun ke atas.

Pemilihan terminal device tergantung pada individu pengguna prosthetic hand.

Fokus utama kontrol dari myoelectric prosthetic hand adalah dari segi kesederhanaannya. Kesederhanaan yang dimaksud yaitu kontrol tersebut dapat

Gambar 2.9 Elemen mekanik myoelectric prosthetic hand Sumber: Scott., 1985

(10)

16

menggerakan terminal device ketika otot berkontraksi dan tidak menggerakan terminal device ketika otot dalam keadaan relaksasi. Kontrol yang lebih kompleks menggunakan myoelectric signal sebagai parameternya. Gaya dan kecepatan untuk menggenggam pada terminal device berbanding lurus dengan banyak atau sedikitnya jumlah myoelectric signal yang diterima oleh kontrol.

6. Electromyography (EMG)

Electromyography (EMG) adalah Teknik yang digunakan untuk mengevaluasi fungsi saraf dan otot dengan cara merekam aktivitas listrik yang dihasilkan oleh otot skeletal (Gleneagles, 2021). EMG dengan instrumen bernama electromyography, untuk menghasilkan rekaman bernama electromyogram.

Elektromiografi mendeteksi potensi listrik yang dihasilkan oleh sel otot ketika otot ini aktif dan ketika sedang beristirahat. Pemeriksaan EMG adalah pemeriksaan untuk mengevaluasi kondisi dari saraf tepi (motoris maupun sensoris) dari otak, melalui pemeriksaan ini dapat terdeteksi tingkat kelainan otak maupun saraf yang diperiksa sehingga sangat membantu menegakkan diagnosa. Namun diagnosa yang benar baru bisa ditegakkan melalui pembacaan dari interpretasi perekaman EMG yang akurat. Alat deteksi dini digital kelainan otot-otot, pemeriksaan saraf tepi, tulang belakang, pendengaran dan penglihatan. Teknik mengukur EMG yaitu:

1. Pengukuran sel otot tunggal biasanya tidak dikerjakan oleh karena sulit mengisolasi serat otot tunggal.

2. EMG pada beberapa serat otot.

Electromyography (EMG) adalah suatu teknik untuk mengevaluasi dan merekam isyarat pengaktifan otot. EMG dilakukan dengan menggunakan suatu instrumen suatu electromyograph, untuk menghasilkan suatu electromyogram.

Suatu electromyograph mendeteksi potensi yang elektrik yang dihasilkan oleh sel otot ketika kontrak sel ini, dan juga ketika sel pada posisi diam (Multajam, Sanjaya, Sambas, Subkhi, & Muttaqien, 2016). Sumber yang elektrik adalah potensi selaput otot sekitar - 70mV. EMG yang diukur cakupan potensial antara kurang dari 50 µ V dan atas 20-30 mV, tergantung pada otot yang diamati.

(11)

17 7. Gerakan Penggenggaman Tangan Manusia

Tangan manusia digunakan untuk beberapa tugas atau kegunaan tidak hanya dalam hal penggenggaman. Tidak ada konsensus literatur yang secara mutlak mendefinisikan apa yang dimaksud dengan penggenggaman. Tetapi tetap diperlukan pendefinisian yang relevan mengenai penggenggaman. Schlesinger adalah peneliti pertama yang membuat klasifikasi gerakan penggenggaman tangan manusia. Klasifikasi yang dilakukan Schlesinger pada tahun 1919 membagi gerakan penggenggaman tangan manusia menjadi enam kategori besar, yakni cylindrical grasp, tip, hook or snap, palmar, spherical grasp dan lateral (Feix, Schmiedmayer, & Kragic, 2011). Klasifikasi ini didasari pada objek yang berinteraksi dengan tangan.

Kamakura juga melakukan klasifikasi gerakan penggenggaman tangan manusia berdasarkan objek yang dipegang oleh tangan, selain itu Kamakura juga menambahkan pertimbangan lain seperti area kontak antara objek dan tangan.

Secara keseluruhan terdapat 14 tipe penggenggaman berbeda yang masuk dalam empat kategori besar berdasarkan klasifikasi Kamakura (Feix, Schmiedmayer, &

Kragic, 2011), empat kategori besar tersebut adalah: Grip Involving No Tumb objek di pegang hanya di antara dua jari.

Power grip pada kategori ini sebagian besar area pada tangan bersentuhan atau melakukan kontak terhadap objek yang digenggam. Area tangan yang berkontak dengan objek adalah telapak tangan dan sisi volar dari jari. Intermediate grip adalah kategori yang memiliki posisi diantara Power grib dan Precision grip.

Pada kategori ini telapak tangan tidak bersentuhan dengan objek dan gerakan fleksi dari jari tergolong moderate. Precision grip objek yang dipegang berada diantara sisi volar jari dan pulp ibu jari serta gerakan fleksi pada jari berada pada kategori kecil. Namun gerakan penggenggaman tangan manusia yang berbeda-beda tidak hanya dikaitkan dengan bentuk maupun ukuran benda yang berinteraksi dengan tangan, tetapi juga berkaitan dengan tugas yang dikerjakan. Penelitian mengenai gerakan penggenggaman yang berkaitan dengan tugas-tugas di sektor manufaktur, cutkosky pada tahun 1989 menyajikan klasifikasi gerakan penggenggaman tangan manusia yang lebih komprehensif (Dollar, 2014).

(12)

18

Gambar 2.10 Klasifikasi penggenggaman berdasarkan Schlesinger Sumber: Feix, Schmiedmayer dan Kragic., 2011

Taksonomi Cutkosky didasari pada penelitian yang melakukan survey terhadap mekanis dan pekerjaan esensial yang dikerjakan. Pohon taksonomi dimulai dengan membagi gerakan penggenggaman kedalam dua kategori besar dari kiri ke kanan yakni power grasp atau precision grasp. Lalu pohon taksonomi yang dibangun membedakan tipe penggenggaman dari atas ke bawah menurut tugas/pekerjaan serta detail geometri dari objek.

Taksonomi yang paling baru dan yang paling lengkap menurut dollar dkk., (2014) Taksonomi yang dibuat oleh Feix dkk., (2019) perbedaan gerakan penggenggaman tangan didasari pada power grip, precision grip, dan intermediate dengan pembagian sub kategori berdasarkan posisi ibu jari (abduksi dan adduksi) dan tipe kontak pada jari atau telapak tangan. Pada taksonomi ini terdapat 33 jenis penggenggaman yang berbeda dimana 16 jenis penggenggaman Cutkosky ada didalamnya.

8. Hand Grip Dynamometer

Grip Strength atau kekuatan genggaman adalah gaya yang diterapkan oleh tangan untuk mendorong atau tegangan dari objek dan grip strength adalah bagian khusus dari kekuatan tangan. Gerakan menggenggam tersebut, terbantu oleh susunan otot trisep dan bisep yang bekerja secara berlawanan, otot-otot tersebut dapat mengalami kerja kontraksi. Begitu pula apabila kelelahan tersebut (fatigue) melebihi ketahanan tubuh manusia, dapat menyebabkan cedera otot. Tujuan dari tes untuk mengukur kekuatan isometrik maksimum dari otot-otot tangan dan lengan (Rakasena, 2019).

(13)

19 9. Perangkat Keras Sistem Kendali Otomatis

Pada bab ini menjelaskan tentang perangkat keras yang digunakan dalam perancangan sistem efisien daya pada prosthetic hand.

1. Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer yang seluruh atau sebagian besar elemennya dikemas dalam satu chip IC, sehingga sering disebut single chip microcomputer (Chamim, 2010). Proses mikrokontroler ini memiliki elemen yang sama dengan komputer yang menghasilkan output sesuai dengan yang diinginkan pengguna melalui program yang dikerjakan. Mikrokontroler merupakan alat yang mengerjakan perintah dan instruksi yang diberikan. Hal ini menunjukkan bagian terpenting dan utama dari sistem terkomputerisasi adalah program itu sendiri.

Perkembangan mikrokontroler sudah melalui berbagai macam jenis, bentuk, dan fungsi yang beragam macam. Sistem pada mikrokontroler umumnya menggunakan piranti input yang jauh lebih kecil seperti saklar atau joystick. Hampir semua mikrokontroler hanya memproses sinyal digital. Mikrokontroler yang akan digunakan pada penelitian ini adalah ATMega168/328 yang terdapat pada Arduino Nano.

Gambar 2.11 Mikrokontroler ATMega168/328 pin mapping Sumber: www.arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168

(14)

20 2. Arduino Nano ATMega168/328

Arduino adalah mikrokontroler yang bersifat open source berbasis rangkaian input/output sederhana (I/O) dan pengembangan yang mengimplementasikan bahas processing (Sokop, Mamahit, & Sompie, 2016).

Arduino yang akan digunakan adalah Arduino Nano. Bahasa pemrograman yang digunakan oleh Arduino adalah Bahasa C. Perangkat lunak dalam bahasa pemrograman yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah Arduino Integrated development environment (IDE).

Arduino dikembangkan oleh Massimo Banzi dan David Cusartailles.

Software Arduino IDE, berfungsi sebagai software yang membantu untuk menginput bahasa Pemrograman C pada chip ATMega328 (Rakasena, 2019).

Gambar 2.12 Arduino nano 328

Sumber: https://store.arduino.cc/usa/arduino-nano Spesifikasi Arduino Nano 328 :

a. Mikrokontroler : Atmega328

b. Arsitektur : AVR

c. Tegangan Operasi : 5 V

d. Flash Memory : 32 KB dimana 2 KB digunakan oleh bootloader

e. SRAM : 2 KB

f. Kecepatan Clock : 16 MHz g. Analog IN Pin : 8

h. Arus DC per Pin : 40 mA (I/O Pin) i. Input Voltage : 7-12 V

j. Ukuran PCB : 18 x 45 mm k. Konsumsi Daya : 19 mA

l. Berat : 7 g

(15)

21

Arduino Nano dapat diberi daya dengan melalui koneksi USB Mini-B, melalui catu daya eksternal dengan tegangan belum teregulasi antara 6-20 volt yang dihubungkan melalui pin 30 atau pin VIN, melalui catu daya eksternal dengan tegangan teregulasi 5 volt melalui pin 27 atau pin 5 volt. Sumber daya dapat secara otomatis dapat dipilih dari sumber tegangan yang lebih tinggi. Chip FTDI FT232L pada Arduino Nano diberikan daya dari luar (Non-USB) maka Chip FTDI tidak akan aktif dan pin 3.3V pun tidak tersedia (tidak mengeluarkan tegangan), sedangkan LED TX dan RX pun berkedip apabila pin digital 0 dan 1 berada pada posisi HIGH (arduino.cc, 2021).

10. SHIELD-EKG-EMG Olimex

SHIELD-EKG-EMG Olimex adalah modul pendukung rangkaian Arduino untuk menangkap sinyal Elektrokardiografi dan sinyal Elektromiografi. Modul ini dapat memantau detak jantung, mencatat denyut nadi dan mengenali gerakan aktivitas otot. SHIELD-EKG-EMG mengubah sinyal diferensial analog (potensi bio ECG/EMG yang dihasilkan oleh otot) dilampirkan ke input CH1_IN +/CH1_IN menjadi aliran data tunggal sebagai output. Sinyal keluarannya adalah analog dan harus diolah lebih lanjut dengan tujuan untuk memberikan pilihan pemrosesan digital. Biasanya ini dilakukan melalui ADC khusus yang tertanam di MCU seperti OLIMEXINO-328, OLIMEXINO-32U4 dan OLIMEXINO-STM32 (OLIMEX, 2021). Berikut merupakan gambar dari SHIELD-EKG-EMG Olimex:

Gambar 2.13 SHIELD-EKG-EMG Olimex

Sumber: https://www.olimex.com/Products/Duino/Shields/SHIELD-EKG- EMG/open-source-hardware

(16)

22

Konektor SHIELD-EKG-EMG Olimex mengikuti spesifikasi Arduino dan disolder langsung sehingga bisa dipasang pada arduino. Konektor 6-pin dan 8-pin dipasang pada CON1, CON2, CON3 dan CON4. Gambar 6-pin dan 8-pin pada SHIELD-EKG-EMG Olimex dapat dilihat pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Konektor 6-pin dan 8-pin Sumber: www.olimex.com 11. Sensor Elektroda pada SHIELD-EKG-EMG Olimex

Sensor elektroda pada kulit merupakan sensor yang dapat digunakan untuk membantu mendeteksi sinyal biolistrik yang dikeluarkan tubuh manusia melalui kulit. Sensor tersebut dibuat dari bahan Ag | AgCl. Untuk mendapatkan kontak listrik dalam penggunaannya pada sensor ini terdapat pasta elektrolit yang terletak diantara elektroda dengan kulit (Rizki Multazam, 2016). Sambungan jack kabel elektroda dengan SHIELD-EKG-EMG Olimex dapat dijelaskan pada Gambar 2.13.

Gambar 2.15 Sambungan jack kabel elektroda Sumber: www.olimex.com

12. Motor Servo

Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem closed feedback di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada didalam motor servo. Motor ini terdiri dari sebuah motor, rangkaian gear, potensiometer dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut dari putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur

(17)

23

berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor. Karena motor servo DC merupakan alat untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik, maka magnet permanen motor DC servo lah yang mengubah energi listrik ke dalam energi mekanik melalui interaksi dari dua medan magnet. Salah satu medan dihasilkan oleh arus yang mengalir dalam kumparan motor (Prayogo, 2013).

Resultan dari dua medan magnet tersebut menghasilkan torsi yang membangkitkan putaran motor tersebut. Saat motor servo berputar, arus pada kumparan motor menghasilkan torsi yang nilainya konstan. Adapun motor servo yang digunakan pada penelitian ini adalah Motor Servo Standar yang hanya mampu berputar 180 derajat (Servo Database, 2021). Tampilan motor servo yang digunakan pada penelitian ini dapat dijelaskan pada Gambar 2.14.

Gambar 2.16 Servo Feetech FS5109M Sumber: www.jogjarobotika.com Spesifikasi Servo Feetech FS5109M :

a. Daya : 4.8V – 6V

b. Kecepatan : 0.18sec/60degree – 0.16sec/60degree

c. Torsi : 9.0kg.cm/125.21oz.in – 10.2kg.cm/141.9oz.in

d. Berat : 56g

e. Ukuran : 40.8x20.1x38.0mm f. Panjang Kabel : 30cm

g. Rotasi : 180⁰

h. Lebar Pulsa : 500-2500 µs

(18)

24 13. Tegangan Listrik

Tegangan listrik adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk memindahkan unit muatan listrik dari satu tempat ke tempat lainnya. Tegangan listrik yang dinyatakan dengan satuan volt ini juga sering disebut dengan beda potensial listrik karena pada dasarnya tegangan listrik adalah ukuran perbedaan potensial antara dua titik dalam rangkaian listrik. Suatu benda dikatakan memiliki potensial listrik lebih tinggi dari pada benda lain, karena benda tersebut memiliki jumlah muatan positif yang lebih banyak jika dibandingkan dengan jumlah muatan positif pada benda lainnya. Sedangkan yang dimaksud dengan potensial listrik itu sendiri adalah banyaknya muatan yang terdapat dalam suatu benda.

Tegangan listrik dapat juga dianggap sebagai gaya yang mendorong perpindahan elektron melalui konduktor dan semakin tinggi tegangannya semakin besar pula kemampuannya untuk mendorong elektron melalui rangkaian yang diberikan. Muatan listrik dapat kita analogikan sebagai air di dalam sebuah tangki air, sedangkan tegangan listrik dapat kita analogikan sebagai tekanan air pada sebuah tangki air, semakin tinggi tangki air di atas outlet semakin besar tekanan air karena lebih banyak energi yang dilepaskan. Demikian juga dengan tegangan listrik, semakin tinggi tegangan listriknya maka semakin besar energi potensial yang dikarenakan semakin banyak elektron yang dilepaskan.

Sebuah sumber tegangan listrik yang konstan biasanya disebut dengan tegangan DC (tegangan searah) sedangkan sumber tegangan listrik yang bervariasi secara berkala dengan waktu disebut dengan tegangan AC (tegangan bolak balik).

Tegangan listrik diukur dengan satuan Volt yang dilambangkan dengan simbol huruf V.

Baterai dan pencatu daya (power supply) merupakan contoh sumber yang menghasilkan tegangan DC (tegangan searah) yang stabil seperti menghasilkan tegangan DC 1,5V, 3V, 5V, 9V, 12V dan 24V. Sementara sumber tegangan AC (tegangan bolak-balik) tersedia untuk keperluan peralatan rumah tangga dan industri. Tegangan AC standar yang digunakan di Indonesia adalah 220V, sedangkan di negara lain ada yang menggunakan 100V, 110V ataupun 240V.

Rangkaian-rangkaian elektronik pada umumnya beroperasi dengan menggunakan tegangan DC yang rendah seperti 1,5V hingga 24V DC. Simbol

(19)

25

sumber tegangan DC pada rangkaian-rangkaian elektronik biasanya adalah simbol baterai dengan tanda positif (+) dan tanda negatif (-) yang menunjukan arah polaritasnya. Simbol tegangan AC pada rangkaian listrik atau rangkaian elektronik adalah sebuah lingkaran bulat dengan gelombang Sinus didalamnya (Kho, 2021).

Gambar 2.17 merupakan simbol tegangan DC dan simbol tegangan AC.

Gambar 2.17 Simbol tegangan DC dan simbol tegangan AC Sumber: teknikelektronika.com

14. Arus Listrik

Arus listrik adalah muatan listrik yang mengalir melalui media konduktor dalam tiap satuan waktu. Muatan listrik pada dasarnya dibawa oleh elektron dan proton di dalam sebuah atom. Proton memiliki muatan positif, sedangkan elektron memiliki muatan negatif. Namun, proton sebagian besar hanya bergerak di dalam inti atom. Jadi, tugas untuk membawa muatan dari satu tempat ke tempat lainnya ini ditangani oleh elektron. Hal ini dikarenakan elektron dalam bahan konduktor seperti logam sebagian besar bebas bergerak dari satu atom ke atom lainnya.

Atom dalam bahan konduktor memiliki banyak elektron bebas yang bergerak dari satu atom ke atom lainnya dengan arah yang acak (random atau tidak teratur) sehingga tidak mengalir ke satu arah tertentu. Namun ketika diberikan tegangan pada konduktor tersebut, semua elektron bebas akan bergerak ke arah yang sama sehingga menciptakan aliran arus listrik. Arus listrik atau electric current biasanya dilambangkan dengan huruf I yang artinya intensity (intensitas).

Sedangkan satuan arus listrik adalah ampere yang biasa disingkat dengan huruf A.

(20)

26

1 ampere arus listrik dapat didefinisikan sebagai jumlah elektron atau muatan (Q atau Coulombs) yang melewati titik tertentu dalam 1 detik (I = Q/t).

Sedangkan dalam hukum Ohm menyatakan bahwa besarnya arus listrik (I) yang mengalir melalui sebuah penghantar atau konduktor adalah berbanding lurus dengan beda potensial atau tegangan (V) dan berbanding terbalik dengan hambatannya (R). Rumus Hukum Ohm adalah I = V/R.

Pada aliran arus listrik, ada dua aliran arus listrik yaitu aliran arus listrik konvensional (conventional current flow) dan aliran elektron (electron flow).

1. Aliran arus listrik konvensional 2. Aliran elektron

Gambar 2.18 Aliran arus listrik konvensional dan aliran elektron Sumber: teknikelektronika.com

1. Aliran Arus Listrik Konvensional (Conventional Current Flow)

Secara konvensional kita sering menyebutkan bahwa aliran listrik dalam suatu rangkaian elektronika adalah mengalir dari arah positif ke arah negatif. Arah aliran arus konvensional ini adalah aliran arus yang menggunakan prinsip muatan, dimana arus listrik atau current sering didefinisikan sebagai aliran muatan listrik positif pada suatu penghantar dari potensial tinggi ke potensial rendah. Namun arah aliran arus listrik ini berlawanan dengan prinsip aliran elektron pada suatu penghantar. Konsep rangkaian dengan aliran arus listrik konvensional ini digunakan untuk mempermudahkan pemahaman terhadap arah aliran muatan listrik yaitu dari positif ke negatif.

2. Aliran Elektron (Electron Flow)

Arah aliran Elektron ini berlawanan dengan arah aliran arus listrik konvensional. Karena pada dasarnya elektron adalah partikel yang bermuatan negatif dan bergerak bebas yang ditarik ke terminal positif. Dengan demikian, arah aliran listrik pada suatu rangkaian adalah aliran elektron dari kutub negatif baterai

(21)

27

(katoda) dan kembali lagi ke kutub positif baterai (anoda). Jadi arah aliran elektron adalah dari arah negatif ke arah positif.

Ada dua jenis arus listrik berdasarkan arah aliran listriknya. Arus listrik yang mengalir satu arah atau pada arah yang sama disebut dengan Arus Searah atau dalam bahasa Inggris disebut dengan direct current yang disingkat dengan DC.

Contoh sumber arus searah adalah seperti baterai, aki, sel surya dan pencatu daya (Power Supply).

Sedangkan arus listrik yang mengalir dengan arah arus yang selalu berubah- ubah disebut dengan arus bolak-balik atau dalam bahasa Inggris disebut dengan Alternating Current yang disingkat dengan AC. Bentuk gelombang AC pada umumnya adalah gelombang sinus. Namun pada aplikasi tertentu juga terdapat bentuk gelombang segitiga dan bentuk gelombang persegi. Contoh sumber arus bolak-balik adalah listrik PLN dan listrik yang dibangkitkan oleh generator listrik.

Selain itu, gelombang audio dan gelombang radio juga merupakan bentuk gelombang AC (Kho, 2021).

15. Daya Listrik

Daya listrik adalah jumlah energi yang diserap atau dihasilkan dalam sebuah sirkuit atau rangkaian. Sumber energi seperti tegangan listrik akan menghasilkan daya listrik sedangkan beban yang terhubung dengannya akan menyerap daya listrik tersebut. Dengan kata lain, daya listrik adalah tingkat konsumsi energi dalam sebuah sirkuit atau rangkaian listrik. Kita mengambil contoh lampu pijar dan heater (Pemanas), lampu pijar menyerap daya listrik yang diterimanya dan mengubahnya menjadi cahaya sedangkan heater mengubah serapan daya listrik tersebut menjadi panas. Semakin tinggi nilai watt-nya semakin tinggi pula daya listrik yang dikonsumsinya (Kho, 2021).

Dalam rumus perhitungan, daya listrik biasanya dilambangkan dengan huruf P yang merupakan singkatan dari power. Sedangkan satuan internasional (SI) daya listrik adalah watt yang disingkat dengan W. Watt adalah sama dengan satu joule per detik (Watt = Joule/detik).

Rumus umum yang digunakan untuk menghitung daya listrik dalam sebuah rangkaian listrik adalah:

P = V x I (2.1)

(22)

28

P = I2R (2.2)

P = V2/R (2.3)

di mana;

P : Daya listrik dengan satuan watt (W) V : Tegangan listrik dengan satuan volt (V) I : Arus listrik dengan satuan ampere (A) R : Hambatan dengan satuan ohm (Ω) 16. Catu Daya (Power Supply)

Catu daya adalah sebuah peralatan penyedia tegangan atau sumber daya untuk peralatan elektronik dengan prinsip mengubah tegangan listrik yang tersedia dari jaringan distribusi transmisi listrik menuju level yang diinginkan sehingga berimplikasi pada perubahan daya listrik (Sitohang, Mamahit, & Tulung, 2018).

Jika suatu catu daya bekerja dengan beban maka terdapat keluaran tertentu dan jika beban tersebut dilepas maka tegangan keluar akan naik. Persentase kenaikan tegangan dianggap sebagai regulasi dari catu daya tersebut. Regulasi adalah perbandingan perbedaan tegangan yang terdapat pada tegangan beban penuh (Cahyadi, Nasrullah, & Trisanto, 2016)

Rangkaian catu daya agar lebih stabil, dapat digunakan suatu komponen yaitu IC regulator, misalnya IC regulator 7812 atau 7805. Hal ini memungkinkan keluaran DC catu daya dapat dibentuk sesuai kebutuhan. Berikut gambar rangkaian sederhana catu daya dengan menggunakan IC regulator:

Gambar 2.19 Rangkaian sederhana catu daya (Power Supply) Sumber: teknikelektronika.com

(23)

29

17. UBEC (Universal Battery Elimination Circuit)

UBEC merupakan rangkaian mengubah tegangan tinggi ke rendah atau sebaliknya, memerlukan rangkaian yang tepat agar daya yang dikirim dengan tingkat efisiensi setinggi mungkin (Tjahyadi, 2021). Memenuhi kebutuhan daya pada motor servo dan rangkaian yang bekerja pada tingkat tegangan 5V-6V, maka memerlukan UBEC. UBEC adalah rangkaian elektronik yang mengambil daya dari baterai atau sumber DC lainnya, dan menurunkannya ke level tegangan 5V-6V.

Pada penelitian ini, motor servo yang digunakan berjumlah 5 motor servo dengan dengan tegangan sebesar 4.8V-6V. Sehingga UBEC yang diperlukan memerlukan spesifikasi yang memenuhi semua kebutuhan daya rangkaian dan motor servo.

Berikut gambar dan spesifikasi UBEC yang digunakan pada penelitian.

Gambar 2.20 UBEC Sumber: buaya-instrument.com Spesifikasi:

a. Tegangan Output : 5V-6V b. Arus Keluaran Kontinu : 8A c. Lonjakan Arus Keluar : 15A

d. Tegangan Input : 6V-12.6V (2-3 sel baterai Lipo)

e. Arus Diam : 60mA

f. Ukuran : 42mm x 39mm x 9mm

g. Berat : 36g

18. Baterai LiPo

Baterai Lithium Polimer atau biasa disebut dengan LiPo adalah salah satu jenis baterai yang sering digunakan dalam dunia RC. Baterai ini merupakan baterai

(24)

30

tercanggih dan paling maju dalam dunia baterai saat ini. Keunggulan utamanya adalah ratio power to weight nya yang memungkinkan baterai dicetak sesuai dengan keinginan. Baterai Lipo didasarkan pada Lithium Polymer kimia yang memungkinkan baterai ini memiliki kepadatan energi yang sangat tinggi dibandingkan dengan jenis lain dari baterai. Sebuah baterai dengan kepadatan energi yang lebih tinggi akan mampu menahan lebih banyak energi dibandingkan dengan baterai lain dari berat yang sama, itu sebabnya baterai Lipo biasanya digunakan untuk RC pesawat dan drone (Angga, 2021).

Baterai LiPo tidak menggunakan cairan sebagai elektrolit melainkan menggunakan elektrolit polimer kering yang berbentuk seperti lapisan plastik film tipis. Lapisan film ini disusun berlapis-lapis di antara anoda dan katoda yang mengakibatkan pertukaran ion. Metode ini baterai LiPo dapat dibuat dalam berbagai bentuk dan ukuran. Diluar dari kelebihan arsitektur baterai LiPo, terdapat juga kekurangannya, yaitu lemahnya aliran pertukaran ion yang terjadi melalui elektrolit polimer kering. Hal ini menyebabkan penurunan pada charging dan discharging rate. Ada jenis lain dari baterai seperti Nickel Cadmium (NiCad) atau Nickel-Metal Hydride (Nimh), namun ini dilihat sebagai teknologi baterai yang lebih tua dan tidak benar-benar digunakan lagi karena mereka sangat berat dan tidak mampu menampung banyak energi dibandingkan dengan LiPo.

Pada baterai jenis NiCd atau NiMH tiap sel memiliki 1,2 volt sedangkan pada baterai LiPo memiliki 3,7 volt per sel. Keuntungannya adalah tegangan baterai yang tinggi dapat dicapai dengan menggunakan jumlah sel yang lebih sedikit. Pada setiap paket baterai LiPo selain tegangan ada label yang disimbolkan dengan S.

Simbol S berarti sel yang dimiliki sebuah paket baterai. Sedangkan bilangan yang berada di depan simbol menandakan jumlah sel dan biasanya berkisar antara 2-6S (terkadang ada yang mencapai 10S). Beberapa contoh notasi baterai LiPo yaitu : a. 3.7 volt battery = 1 cell x 3.7 volt

b. 7.4 volt battery = 2 cell x 3.7 volt (2S) c. 11.1 volt battery = 1 cell x 3.7 volt (3S) d. 14.8 volt battery = 1 cell x 3.7 volt (4S) e. 18.5 volt battery = 1 cell x 3.7 volt (5S) f. 22.2 volt battery = 1 cell x 3.7 volt (6S)

(25)

31

Notasi baterai Lipo, menunjukkan bahwa jumlah sel adalah yang menentukan tegangan baterai. Memiliki tegangan yang lebih tinggi berarti baterai dapat memberikan lebih banyak kekuatan untuk menggerakkan motor lebih besar, akan tetapi daya lebih besar tidak berarti bahwa baterai akan menyediakan energi lebih lama, yang ditentukan oleh kapasitas baterai.

19. Butterworth Low Pass Filter

Butterworth Low Pass Filter merupakan filter yang memiliki respon frekuensi maksimum datar (tidak ada ripple) dari frekuensi 0 Hz hingga akhir daerah passband yaitu frekuensi cut off yang mengalami pelemahan -3dB

a. Low Pass Filter Pasif Orde 2

Gambar 2.21 menunjukan dasar rangkaian low pass filter orde 2 menggunakan komponen dasar resistor dan kapasitor.

Gambar 2.21 Rangkaian dasar low pass filter pasif orde 2 Sumber: belajarelektro.com

Rangkaian dasar low pass filter pasif orde 2 pada Gambar 2 memiliki beberapa persamaan sebagai berikut :

(2.4)

(2.5)

Jika nilai komponen dibuat sama yaitu C1 = C2 = C dan R1 = R2 = R maka persamaan di atas dapat ditulis sebagai berikut:

(26)

32

(2.6)

(2.7)

Jika membandingkan persamaan di atas dengan transfer function low pass filter orde 2 memiliki bentuk yang mirip. Berikut adalah transfer function umum dari low pass filter orde 2.

(2.8)

Perbandingan bentuk transfer function low pass filter dengan persamaan filter orde 2 di atas dapat dicari nilai ω0 sebagai berikut:

(2.9)

(2.10)

ω0 merupakan frekuensi sudut saat frekuensi cut-off sehingga ω0 = ωc = 2.π.fC.C maka:

(2.11) Karena nilai komponen dibuat sama yaitu C1 = C2 = C dan R1 = R2 = R sehingga masing-masing blok memiliki frekuensi cut off sama sehingga persamaan untuk mencari frekuensi cut off menjadi:

(2.12)

(27)

33

Menggunakan nilai C sama dan R sama maka transfer function untuk low pass filter orde 2 rangkaian LPF Gambar 2 dapat ditulis menjadi:

(2.13)

di mana :

k = gain atau penguatan ωC = frekuensi sudut cut off

Untuk mencari nilai faktor Q filter dapat menggunakan transfer function dan persamaan yang dibahas sebelumnya sebagai berikut:

(2.14) Nilai Q menggambarkan nilai puncak (peak) pada titik frekuensi cut off.

Dalam mendesain filter butterworth memiliki nilai Q maksimum 0,707 yang menyebabkan respon frekuensi tanpa ripple. Saat kita meng-cascade rangkaian filter orde 1 menjadi orde 2 seperti ditunjukan Gambar 2, maka frekuensi cut off bergeser sehingga tidak memungkinkan mendesain filter pasif dengan orde lebih dari 1. Untuk membuat filter orde tinggi (lebih dari 1) maka perlu menggunakan komponen aktif atau mendesain aktif filter. Untuk mendesain filter butterworth diperlukan Q hingga 0,707, untuk mencapai hal ini diperlukan paling tidak ada 1 positif feedback atau umpan balik dan hal ini hanya dimungkinkan jika kita menggunakan komponen aktif (aktif filter) (belajarelektro.com, 2021).

(28)

34 B. Kerangka Berpikir

• Efisien daya

• Waktu penggunaan prosthetic hand lebih lama

• 6 orang normal dan 2 orang difabel amputee

• Umur 20-30 tahun

• Memiliki berat badan dan tinggi badan dengan nilai IMT rentangnya 18,5-25 kg/

• Difabel amputee tanganm²

Efisien daya pada baterai

• Prosthrtic hand

• Sensor

• Baterai