model optimisasi gas spring dengan kriteria …/model... · perpustakaan.uns.ac.id...

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

i

MODEL OPTIMISASI GAS SPRING DENGAN KRITERIA MAXIMUM ENERGY STORING

(Studi Kasus : Endoskeletal Prosthetic Leg Mekanisme 2-bar)

Skripsi

PUTRI FITRIAWATI I0308063

JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA 2012


commit to user

ii

LEMBAR PENGESAHAN

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

Mengesahkan,

Ketua Jurusan Teknik Industri Fakultas Teknik,

Dr. Cucuk Nur Rosyidi, ST, MT

NIP. 19711104 199903 1 001


commit to user

iii

SURAT PERNYATAAN

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: Endoskeletal Prosthetic 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

SURAT PERNYATAAN

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: Endoskeletal Prosthetic 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.




commit to user

v

KATA PENGANTAR

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

10. Adek- adek angkatan yang banyak memberi semangat.


commit to user

vi

11. Teman- teman sekolahku Firman, Febri, Tirta dan Meirinda yang banyak

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.


Penulis


commit to user

vii

ABSTRAK

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.

Kata kunci: gas spring, prosthetic bawah lutut, energy storing, optimisasi


commit to user

viii

ABSTRACT

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.

Keywords: gas spring, above knee prosthetics, energy storage, optimization


commit to user

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL……………………………………..…. .................... i

LEMBAR PENGESAHAN ...................................................................... ii

SURAT PERNYATAAN ORISINALITAS KARYA ILMIAH ............. iii

SURAT PERNYATAAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH .................... iv

KATA PENGANTAR .............................................................................. v

ABSTRAK ................................................................................................ vii

ABSTRACT ............................................................................................. viii

DAFTAR ISI ............................................................................................ ix

DAFTAR TABEL .................................................................................... xi

DAFTAR GAMBAR ............................................................................... xii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang.................................................................... I-1

1.2 Perumusan Masalah ............................................................ I-4

1.3 Tujuan Penelitian ................................................................ I-4

1.4 Manfaat Penelitian ............................................................. I-4

1.5 Batasan Masalah ................................................................. I-5

1.6 Asumsi ............................................................................... I-5

1.7 Sistematika Penulisan ......................................................... I-5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Knee Joint pada Endoskeletal Prosthetic Leg Mekanisme 2-

bar dengan Sistem Energy Storing ...................................... II-1

2.2 Gas Spring .......................................................................... II-7

2.3 Gaya dan Perpindahan pada Gas Spring .............................. II-8

2.4 Energi pada Gas Spring....................................................... II-9

2.5 Karakteristik Gas Spring ..................................................... II-10

2.6 Hukum Gas Ideal ................................................................ II-10

2.7 Cycle Gait ........................................................................... II-12


commit to user

x

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Tahap Studi Pendahuluan .................................................... III-2

3.2 Tahap Pengumpulan dan Pengolahan Data .......................... III-3

3.3 Analisis Model.................................................................... III-5

3.4 Kesimpulan dan Saran ........................................................ III-5

BAB IV PENGEMBANGAN MODEL

4.1 Fungsi Tujuan ................................................................... IV-1

4.2 Penentuan Batasan Model ................................................. IV-1

4.3 Validasi

4.3.1. Validasi Fungsi Tujuan ............................................ IV-7

4.3.2. Validasi Batasan Model............................................ IV-7

4.4 Aplikasi Model pada Studi Kasus

4.4.1 Penentuan Parameter Model ..................................... IV-10

4.4.2 Hasil Optimisasi ...................................................... IV-12

BAB V ANALISIS MODEL

5.1 Analisis Perbandingan Energi Storing ............................... V-1

5.2 Analisis Sensitivitas .......................................................... V-2

5.2.1. Analisis Perubahan Parameter-1 ............................... V-4



5.2.4. Analisis Perubahan Parameter-1 dan Parameter-2..... V-6




6.1 Kesimpulan ...................................................................... IV-1

6.2 Saran ............................................................................... IV-1

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................... xiii

LAMPIRAN


commit to user

xi

DAFTAR TABEL

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

Tabel 5.1 Skenario analisis sensitivitas ................................................... V-2


commit to user

xii

DAFTAR GAMBAR

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

Gambar 4.4 Knee joint mekanisme 2-bar ................................................. IV-10

Gambar 5.1 Pengaruh perubahan panjang silinder pada energy storing ..... V-4


commit to user

xiii

Gambar 5.2 Pengaruh perubahan panjang ekstensi dan panjang kompresi

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

rentang nilai diameter silinder pada energy storing………….. V-8


commit to user

xiv

DAFTAR PUSTAKA

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).

Lift Support Technologies. 2012. Gas Spring Principle. Tersedia di

http://www.lstechnologies.ca/principles.html. [24 April 2012]


commit to user

xv

Miller, Franklin. Jr. 1959. College Physics. Harcourt, Brace & World Inc: United

States of America.

Mosby's Medical Dictionary, 8th edition. Elsevier. 2009. Endoskeletal Prosthesis.

Tersedia di http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/endoskeletal-

+prosthesis. [14 April 2012].

Peredes. M, Sartor,M, Daidie, A. 2005. Advanced Assistance Tool for Optimal

Compression Spring Design. Springer- Verlag London, Vol. 21, pp. 140-

150.

Ruian Zhongya Import and Export Co., Ltd. 2008. Gas Spring. Tersedia di

www.china-zhongya.com. [19 April 2012].

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.

Wiggin, M. Bruce, Sawicki, Gregory S., Collins Steven H. An Exoskeleton Using

Controlled Energy Storage and Release to Aid Ankle Propulsion. IEEE

International Conference on Rehabilitation Robotics, ICORR (Zurich, 27

June- 1 July 2011).


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 sebaiknya didesain 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).

Symbiotech (2009) telah memproduksi ESPK yang dikenal dengan XT9

untuk aktifitas olahraga seperti rock climbing, ice climbing, ice skating dan

surfing. Pegas mekanik digunakan pada ESPK tersebut untuk menyimpan tenaga

pada saat kaki menekuk (flexion) yang diberikan oleh berat tubuh pengguna lalu

dilepaskan kembali agar knee joint dapat melakukan extension dengan mudah dan


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.

Beberapa penelitian telah dilakukan dalam perancangan pegas secara umum.

Peredes (2005) mengembangkan dimensional synthesis tool untuk perancangan

pegas ulir tekan. Penelitian tersebut dilakukan untuk membantu perancang dalam

menyediakan lembar spesifikasi data yang diperlukan dalam perancangan pegas

ulir tekan termasuk nilai interval optimisasi pegas. Analisis interval dan proses

optimisasi kemudian dijalankan untuk memberikan rancangan terbaik sebagai


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.

Sedangkan beberapa penelitian untuk menentukan variabel rancangan pegas

pada prosthetic dan orthosis antara lain dilakukan oleh Wiggin (2011) yang

mengembangkan exoskeleton pergelangan kaki portabel berdasarkan mekanisme

elastik pasif pada otot trisep manusia selama berjalan. Peneliti menggunakan

pegas parallel untuk memberikan bantuan mekanis pada kaki selama stance phase

tetapi juga memungkinkan rotasi bebas pada kali selama swing phase. Agar dapat

melakukan hal tersebut, peneliti mengembangkan suatu ‘smart-clutch’ yang dapat

menggerakkan dan mengunci pegas parallel hanya didasarkan pada kondisi

kinematik pergelangan kaki. Sedangkan Cherry (2006) mengembangkan model

variabel rancangan pegas pada ankle foot orthosis. Penelitian tersebut merancang

penggunaan torsion spring dan leaf spring untuk mengurangi aktifitas otot pada

knee extensors dan mengurangi kekakuan lutut. Penelitian lain mengenai

perancangan pegas dilakukan oleh Kalaidjieva (2009) yang digunakan untuk

menentukan karakteristik pegas pada ankle foot orthosis dalam kasus drop foot.

Penelitian tersebut menghitung parameter desain pegas ulir tekan dengan

mempertimbangkan perpanjangan pegas, gaya maksimum, perpindahan

maksimum, dan modulus geser maksimum. Parameter yang digunakan dalam


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

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat kepada perancang

prosthetic dalam menentukan nilai variabel rancangan gas spring yang

mempunyai fungsi maximum energy storing pada endoskeletal prosthetic leg

mekanisme 2-bar.


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

Bab ini menguraikan teori-teori yang akan dipakai untuk mendukung

penelitian antara lain teori yang berkaitan dengan endoskeletal

prosthetic leg mekanisme 2-bar, gas spring, pemodelan sistem, dan

fungsi energy storing. Tinjauan pustaka diambil dari berbagai sumber

yang berkaitan langsung dengan permasalahan yang dibahas dalam

penelitian.


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

Bab ini membahas kesimpulan dari hasil penelitian dengan

mempertimbangkan tujuan yang ingin dicapai dari penelitian dan

kemudian memberikan saran dan masukan untuk kelanjutan penelitian.


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

Endoskeletal prosthetic merupakan alat bantu yang digunakan untuk

mendukung anggota badan bawah yang terdiri dari internal pylon yang biasanya

ditutupi dengan bahan ringan seperti busa plastik (Mosby's Medical Dictionary,

2009). Desain prosthetic yang dirancang dalam penelitian Ultahar pada tahun

2011 yaitu desain prosthetic atas lutut endoskeletal dengan energy storing

prosthetic knee (ESPK) mekanisme 2-bar dan ankle joint yang memiliki sistem

double axis. Mekanisme 2-bar memiliki 2 buah link yang dihubungkan dengan 1

joint. Sistem double axis mempunyai kemampuan untuk menggerakkan foot dorsi

flexion dan plantar flexion. Sistem ini memperbaiki sistem single axis dimana foot

tidak leluasa bergerak layaknya kaki normal (Faiz, 2010). Pegas mekanik

digunakan sebagai reaksi extension pada knee joint (Ultahar, 2011). Desain knee

joint terdapat pada gambar 2.1.


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) 12 Body (kiri) 13 Adapter bawah 14 B18.3.5M - 8 x 1.25 x 12 Socket FCHS --161N 35 Steel dowel pin 16 B27.7M - 3XM1-11 27 B18.3.5M - 6 x 1.25 x 12 Socket FCHS --12N 28 Pin energy storing 29 Energy storing 1

10 Patella 111 Adapter atas 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


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


c. Socket countersunk head screw.

Socket countersunk head screw (B18.3.5M-8x1.25x16Socket FCHS --16N)

merupakan komponen baut berkepala countersunk dengan diameter M8 dan

panjang 16 mm dengan panjang ulir 16 mm. Komponen ini sebagai

penghubung antara komponen body dengan komponen adapter bawah.


commit to user

II-4

Gambar 2.4 Komponen socket countersunk head screw


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


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


f. Socket countersunk head screw.

Socket countersunk head screw (B18.3.5M - 8x1.25x12 Socket FCHS --

12N) merupakan komponen baut berkepala countersunk dengan diameter


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


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


h. Energy storing device.

Komponen energy storing device dianalogikan sebagai otot quadriceps yang

digunakan sebagai extensor dan otot hamstring yang digunakan sebagai

flexor pada knee joint kaki normal yang berada di sepanjang thigh (paha)

sampai ke daerah bidang knee (lutut). Energy storing device dapat

menyimpan tenaga yang diperoleh ketika fase pre-swing dan dilepaskan

pada fase initial-swing sampai fase terminal swing. Gerakan dari fungsi gas


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


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


2.2 Gas Spring

Above knee prosthetic dengan energy storing di desain dengan

menambahkan komponen gas spring. Gas spring merupakan salah satu tipe pegas.

Pegas ini menyimpan energi pada gas yang ditekan. Gas tersebut terdapat pada

tabung yang ditekan dengan piston. Gas spring sering digunakan pada konstruksi

kendaraan seperti pada pintu bagasi mobil. Gas spring menyimpan energi dengan

cara mengkompresi gas nitrogen yang terdapat pada gas spring. Semakin

mendapat tekanan maka ruang udara dalam gas spring semakin berkurang yang

menyebabkan tekanan gas semakin terakumulasi dan semakin menyimpan banyak

energi. Kelebihan gas spring dibandingkan dengan pegas mekanik terdapat pada

kecepatan respon, gas spring cenderung lebih lembut (smooth) dibandingkan

dengan pegas mekanik (Herdiman, 2010).


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

Energi potensial tersimpan selama gas spring mengalami kompresi sebagai

gaya pegas seperti ketika mengangkat muatan atau beban (Stabilus, 1995).

Kompresi adiabatik (tidak ada panas yang ditransfer melalui dinding silinder gas

spring) menghasilkan kurva perpindahan gaya yang semakin besar (Cortesi,

2003). Kompresi adiabatik pada gas spring dapat dilihat pada persamaan 2.1

berikut ini.


commit to user

II-9

퐹(퐴,푥) = 퐴푃 − 1 …………………………………………………........................(2.1)

dimana:

퐹 = 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:

퐴 = …………………………………………………......................................................................(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.

퐸 푥 = ∫ 퐴푃 − 1 푑푥…………………………………………………..............(2.3)

dimana:

퐸 = energi (J)

A = luas area piston (mm2)

Pi = tekanan (atm)


푥 = perpindahan piston (mm)

γ = rasio kapasitas panas


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:

푥 = = ………………………………………………….............................................................(2.4)

dimana:

푥 = karakteristik gas spring

F = gaya (N)

V = volume (mm3)

2.6 Hukum Gas Ideal

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

(Tipler, 1998).

푃푉 = konstan, dengan 푇 konstan …………………………………...………..............(2.5)

dimana:

푃 = tekanan (atm)

푉 = volume (mm3)

푇 = volume akhir (°K)

Hukum ini berlaku untuk hampir semua gas dengan kerapatan rendah. Namun

temperatur absolut gas dengan kerapatan rendah sebanding dengan tekanan pada

volume konstan. Demikian pula temperatur absolut sebanding dengan volume gas


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:

푃 푉 = 푃 푉 …………………………………...………………………………………….................(2.6)

dimana:

푃 = tekanan (atm)

푉 = volume (mm3)

2. Adiabatik (isentropik)

Asumsi ini menghendaki bahwa tidak ada panas yang bertambah ataupun

berkurang dari sistem. Kompresi adiabatik mengikuti persamaan sebagai berikut:

푃 푉 = 푃 푉 …………………………………...………………………………………….................(2.7)

dimana:

푃 = tekanan (atm)

푉 = volume (mm3)

푘 = 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:

푃 푉 = 푃 푉 …………………………………...………………………………………….................(2.8)


commit to user

II-12

dimana:

푃 = tekanan (atm)

푉 = 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

Sumber: Vaughan, 1999


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

Fase midstance terjadi pada periode persentase waktu gait cycle pada 10-30%.

Fase ini dimulai pada saat kaki yang melakukan gerakan swing meninggalkan

kaki yang berada pada posisi stance. Bersamaan pada fase ini, terjadi

perpindahan berat oleh kaki pada periode stance (kaki kanan), sedangkan kaki

lainnya (kaki kiri) berada fase mid-swing.


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)

Fase terminal swing merupakan akhir dari gait cycle, terjadi pada periode

waktu gait cycle 85-100%. Fase terminal swing dimulai pada saat akhir dari


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 Sumber: Vaughan, 1999


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

Penetapan Tujuan

Identifikasi Masalah

Pengumpulan dan Pengolahan Data

Analisis Model

Kesimpulan dan Saran

Perumusan Masalah

Mulai

Selesai

Tahap Kesimpulan dan Saran

Pemodelan

Studi Pustaka

Tahap Analisis

Tahap Pengumpulan dan Pengolahan Data

Tahap Studi Pendahuluan

Validasi

Model Valid ?

Ya

Tidak

Aplikasi Model pada Studi Kasus

Gambar 3.1 Diagram alir metodologi 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

Perumusan terhadap permasalahan bertujuan agar masalah yang dibahas

dapat lebih fokus, sehingga tidak terjadi penyimpangan dari tujuan yang

ditetapkan dalam penelitian ini. Rumusan masalah dari hasil observasi adalah

bagaimana model gas spring yang memiliki energy storing yang tinggi.


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:

a) Panjang ekstensi (La)

b) Panjang kompresi (Le)


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

Langkah terakhir dalam pengembangan model adalah pengaplikasian model

pada studi kasus. Studi kasus bertujuan untuk menjelaskan bagaimana model

bekerja bila diterapkan pada sistem nyata. Pada tahap ini model yang dihasilkan

akan diaplikasikan pada studi kasus gas spring pada endoskeletal prosthetic leg

mekanisme 2-bar. Dimensi gas spring pada endoskeletal prosthetic leg

mekanisme 2-bar diukur dan digunakan sebagai nilai parameter input pada fungsi


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

Bagian ini berisi tentang kesimpulan untuk menjawab tujuan penelitian

berdasarkan hasil pengembangan model dan analisis perancangan gas spring.

Saran berisi masukan untuk penelitian-penelitian lanjutan dalam pengembangan

desain coil spring dengan kriteria maksimum energy storing pada endoskeletal

prosthetic knee. Saran yang diberikan mengacu pada hasil analisis dan ditujukan

sebagai masukan untuk pengembangan penelitian selanjutnya.


commit to user

IV-1


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:

퐸 푥 = −0.785퐷 푃 ( ) ( ) ………….........(4.1) dimana:

퐸 = energi (J)

D = diameter silinder (mm)

P = tekanan (atm)



γ = rasio kapasitas panas

4.2 Penentuan Batasan Model

Batasan model dalam penelitian ini adalah panjang ekstensi, panjang

kompresi, panjang silinder dan stroke, perpindahan piston di dalam silinder,

diameter silinder, dan karakteristik gas spring, yang akan dijelaskan sebagai

berikut:


commit to user

IV-2

1. Panjang ekstensi (La)

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:

퐿푎 = cos 6°.ℎ ………………………………………………………......………………..................(4.2)

dimana:

퐿푎 = 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

adapter atas (h2).


commit to user

IV-3

Gambar 4.2 Posisi gas spring pada saat kompresi

퐿푒 = ℎ − ℎ …………………………………………………….……………………................(4.3)

dimana:

퐿푒 = panjang kompresi (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:

퐿 + 푠 = 퐿푎 ………………...................................................................................................................(4.4)

퐿 + 푠 = 퐿푒 ………………...................................................................................................................(4.5) dimana:


푠 = stroke pada saat ekstensi (mm)

푠 = stroke pada saat kompresi (mm)



h1

h2


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).

퐿푒 + ℎ = ℎ

퐿 + 푠 + ℎ = ℎ ……………….......................................................................................................(4.6) dimana:





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).

퐿 ≤ 퐿 ≤ 퐿 ……………….....................................................................................................(4.7) dimana:

퐿 = panjang silinder minimal (mm)


퐿 = panjang silinder maksimal (mm)


commit to user

IV-5

Seperti pada panjang silinder gas spring, panjang stroke juga ditentukan

berada pada rentang tertentu. Panjang stroke harus lebih dari sama dengan smin dan

kurang dari atau sama dengan smax (persamaan 4.8).

푠 ≤ 푠 ≤ 푠 ……………….....................................................................................................(4.8)

dimana:

푠 = panjang stroke minimal (mm)

s = panjang stroke (mm)

푠 = panjang stroke maksimal (mm)

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:

푥 ≤ 0.6 퐿푎 ……………….....................................................................................................................(4.9) dimana:

xf = perpindahan piston (mm)


Pergeseran piston di dalam silinder gas spring secara langsung akan

mempengaruhi stroke saat kompresi (s2). Perpindahan piston di dalam silinder

merupakan pengurangan antara stroke pada saat ekstensi dan stroke pada saat

kompresi.

푥 = 푠 − 푠 ………………..............................................................................................................(4.10) dimana:




Dengan melakukan substitusi pada persamaan (4.4), (4.5) ke persamaan

(4.10) maka dapat diperoleh persamaan (4.11) sebagai berikut:


commit to user

IV-6

퐿 = 퐿푒 − 푠 + 푥 ………………...................................................................................................(4.11) dimana:





5. Diameter silinder (D)

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).

퐷 ≤ 퐷 ≤ 퐷 ………………..................................................................................................(4.12)

dimana:

퐷 = diameter silinder minimal (mm)

퐷 = diameter silinder (mm)

퐷 = diameter silinder maksimal (mm)

6. Karakteristik gas spring (x)

Karakteristik gas spring diperoleh dari katalog Stabilus (1995) seperti pada

persamaan (4.13).

1,01 < 푥 < 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

Validasi dilakukan untuk mengetahui apakah model yang dikembangkan

valid atau tidak. Validasi yang dilakukan menggunakan validasi internal yang


commit to user

IV-7

dilakukan dengan cara memeriksa apakah persamaan matematika konsisten secara

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).

퐸 푥 = −0.785퐷 푃 ( ) ( ) ……….........(4.14) dimana:

퐸 = energi (J)

D = diameter silinder (mm)

P = tekanan (atm)



γ = rasio panas tertentu

Validasi:

퐸[푁.푚] = 퐷 [ 푚 ].푃푁푚 . 퐿[푚] − 퐿 [푚]. 퐿 − 푥

1푚

+ 퐿 [푚]. 퐿 − 푥1푚 .푥 [푚] + 푥 훾[푚] − 푥 [푚]

[푁.푚] = [푁.푚] (Valid)

4.3.2. Validasi Batasan Model

Validasi dilakukan pada batasan model sebagai berikut:


퐿푎 = cos 6°.ℎ …..…………………………………………......………………...............(4.15)

dimana:




commit to user

IV-8

Validasi:

퐿푎 [푚푚] = ℎ [푚푚]

[푚푚] = [푚푚] (Valid)


퐿푒 = ℎ − ℎ …………………………………………………….……………………...............(4.16)

dimana:




Validasi:

퐿푒[푚푚] = ℎ [푚푚]− ℎ [푚푚]



Validasi pada persamaan panjang ekstensi dan panjang kompresi adalah

sebagai berikut:

퐿 + 푠 = 퐿푎 ………………................................................................................................................(4.17)

퐿 + 푠 = 퐿푒 ……………….................................................................................................................(4.18)

dimana:






Validasi:

퐿[푚푚] + 푠 [푚푚] = 퐿푎[푚푚]

푚푚 = 푚푚 (Valid)

퐿[푚푚] + 푠 [푚푚] = 퐿푒[푚푚]

푚푚 = 푚푚 (Valid)


commit to user

IV-9

Validasi pada persamaan panjang body knee joint adalah sebagai berikut:

퐿 + 푠 + ℎ = ℎ ………………....................................................................................................(4.19) dimana:




ℎ = adapter atas (mm)

Validasi:

퐿[푚푚] + 푠 [푚푚] + ℎ [푚푚] = ℎ [푚푚]


Validasi pada rentangan nilai panjang silinder gas spring adalah sebagai

berikut:

퐿 ≤ 퐿 ≤ 퐿 ……………….....................................................................................................(4.20) dimana:

퐿 = panjang silinder minimal (mm)


퐿 = panjang silinder maksimal (mm)

Validasi:

퐿 [푚푚] = 퐿 [푚푚] = 퐿 [푚푚] (Valid)

Validasi pada rentangan nilai stroke gas spring adalah sebagai berikut:

푠 ≤ 푠 ≤ 푠 ……………….....................................................................................................(4.21)

dimana:

푠 = panjang silinder minimal (mm)

s = panjang silinder (mm)

푠 = panjang silinder maksimal (mm)

Validasi:

푠 [푚푚] = 푠[푚푚] = 푠 [푚푚] (Valid)


commit to user

IV-10


푥 ≤ 0.6 퐿푎 ………………...................................................................................................................(4.22) dimana:



Validasi:

푥 [푚푚] = 퐿푎[푚푚] (Valid)

Validasi pada perpindahan piston gas spring adalah sebagai berikut:

푥 = 푠 − 푠 ………………............................................................................................................(4.23) dimana:




Validasi:

푥 [푚푚] = 푠 [푚푚] − 푠 [푚푚]



퐷 ≤ 퐷 ≤ 퐷 ……………….................................................................................................(4.24)

dimana:

퐷 = diameter silinder minimal (mm)

퐷 = diameter silinder (mm)

퐷 = diameter silinder maksimal (mm)

Validasi:

퐷 [푚푚] = 퐷[푚푚] = 퐷 [푚푚] (Valid)

4.4 Aplikasi Model pada Studi Kasus

4.4.1. Penentuan Parameter Model

Studi kasus pada penelitian ini menggunakan knee joint endoskeletal

proshtetic leg mekanisme 2-bar pada peneltian Ultahar (2011).


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 1 Diameter silinder D 15,1 mm 2 Diameter piston d 6,0 mm 3 Panjang silinder L 118,1 mm 4 Panjang ekstensi La 160,59 mm 5 Panjang kompresi Le 141,47 mm 6 Stroke pada saat ekstensi s1 71,7 mm 7 Stroke pada saat kompresi s2 51,8 mm

Tabel 4.2 Nilai batasan model

No Parameter Notasi Nilai Satuan Sumber

1 Panjang ekstensi La 160,59 mm Panjang body knee joint (Ultahar, 2011)

2 Panjang kompresi Le 141,47 mm Panjang body knee joint

(Ultahar, 2011)

3 Panjang silinder Lmin 32 mm Dictator, 2012 Lmax 100 mm Dictator, 2012

4 Stroke pada saat ekstensi

smin 0.6 L mm Lift support technologies, 2012 smax 1000 mm Dictator, 2012

5 Stroke pada saat kompresi

smin 10 mm Dictator, 2012 smax 100 mm Dictator, 2012

6 Diameter silinder

Dmin 10 mm Dictator, 2012

Dmax 43 mm Jarak body knee joint (Ultahar, 2011)

7 Karakteristik gas spring

Xmin 1,01 - Stabilus, 1995 Xmax 1,6 - Stabilus, 1995

8 Gaya Fmin 10 N Dictator, 2012 Fmax 1000 N Dictator, 2012


commit to user

IV-12

4.4.2. Hasil Optimisasi

Berdasarkan persamaan (4.1) fungsi objektif gas spring untuk knee joint

pada endoskeletal prosthetic leg mekanisme 2-bar adalah sebagai berikut:

Fungsi objektif:

Memaksimumkan

퐸 푥푓 = −퐷 푃퐿 − 퐿 (퐿 − 푥푓) + 퐿 (퐿 − 푥푓) 푥푓 + 푥푓훾 − 푥푓

훾 − 1

Batasan Model:


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,

퐿푎 = cos 6°푥 161,473

퐿푎 = 160, 59 푚푚


Substitusi nilai h1 dan h2 ke persamaan (4.3) maka diperoleh,

퐿푒 = 161,473 푚푚− 20 푚푚

퐿푒 = 141, 473 푚푚


(Dictator, 2012) merancang gas spring dengan panjang silinder lebih besar

atau sama dengan 32 mm dan lebih kecil atau sama dengan 100 mm, sehingga

persamaan (4.7) dapat ditulis:

퐿 ≥ 32 푚푚

퐿 ≤ 100 푚푚

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:

푠 ≥ 0.6 퐿


commit to user

IV-13

푠 ≤ 1000 푚푚

푠 ≥ 10 푚푚

푠 ≤ 100 푚푚


Substitusi nilai La ke persamaan (4.9) maka diperoleh,

푥 ≤ 0.6 (160, 59 푚푚)


(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:

퐷 ≥ 10 푚푚

퐷 ≤ 43 푚푚

6. Karakteristik gas spring (x)

Substitusikan persamaan (2.1) kedalam (2.4) dan (4.13) maka diperoleh:

1,01 <퐴푃 퐿

퐿 − 푥 − 1

퐴푃 퐿퐿 − 푥 − 1

< 1,6

Rasio kapsitas panas (γ) untuk tipe gas diatomik (N2) adalah 1,4 (Miler, 1959)

sehingga diperoleh,

1,01 <퐴푃 퐿

퐿 − 푥,− 1

퐴푃 퐿퐿 − 푥

,− 1

< 1,6

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 Stroke pada saat kompresi s2 47.32


commit to user

IV-14

Tabel 4.4 Perbandingan Energi Storing

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 Rancangan 29.57 80.15 33.12 9957.40


commit to user

V-1

BAB V 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.

Hasil optimasi energy storing dalam penelitian ini belum dapat divalidasi

apakah sudah sesuai dengan energi yang dibutuhkan pengguna prosthetic leg

untuk melakukan aktifitas berjalan secara normal sehingga belum dapat dipastikan

apakah nilai energy storing yang dibutuhkan pengguna lebih kecil, lebih besar

atau sama dengan 9957, 11 J. Dalam penelitian ini yang dapat dilakukan adalah

memaksimumkan energy storing karena dengan energy storing yang maksimum

diharapkan gas spring dapat menopang tubuh penggunanya dan dapat membantu

pengguna prosthetic leg untuk melakukan fase swing. Jika energy storing pada

prosthetic leg terlalu kecil maka tidak mampu menahan tubuh penggunanya dan

akan memiliki respon yang lambat untuk melakukan ekstensi sehingga pengguna

akan kesulitan dalam fase swing. Apabila energy storing dalam penelitian ini


commit to user

V-2

terlalu besar dari yang dibutuhkan penggunanya, maka respon gas spring akan

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 21.50Lmin 16.00 Le 70.74 Dmin 5.00Lmax 55.00 La 88.32 Dmax 23.65Lmin 17.60 Le 77.81 Dmin 5.50Lmax 60.00 La 96.35 Dmax 25.80Lmin 19.20 Le 84.88 Dmin 6.00Lmax 65.00 La 104.38 Dmax 27.95Lmin 20.80 Le 91.96 Dmin 6.50Lmax 70.00 La 112.41 Dmax 30.10Lmin 22.40 Le 99.03 Dmin 7.00

Presentase(%)

-50

Parameter(1)

-45

-40

-35

-30

NilaiParameter

Parameter(2)

NilaiParameter

Parameter(3)

NilaiParameter


commit to user

V-3

Tabel 5.1 Skenario analisis sensitivitas (lanjutan)

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 32.25Lmin 24.00 Le 106.10 Dmin 7.50Lmax 80.00 La 128.47 Dmax 34.40Lmin 25.60 Le 113.18 Dmin 8.00Lmax 85.00 La 136.50 Dmax 36.55Lmin 27.20 Le 120.25 Dmin 8.50Lmax 90.00 La 144.53 Dmax 38.70Lmin 28.80 Le 127.32 Dmin 9.00Lmax 95.00 La 152.56 Dmax 40.85Lmin 30.40 Le 134.40 Dmin 9.50Lmax 100.00 La 160.59 Dmax 43.00Lmin 32.00 Le 141.47 Dmin 10.00Lmax 105.00 La 168.62 Dmax 45.15Lmin 33.60 Le 148.54 Dmin 10.50Lmax 110.00 La 176.65 Dmax 47.30Lmin 35.20 Le 155.62 Dmin 11.00Lmax 115.00 La 184.68 Dmax 49.45Lmin 36.80 Le 162.69 Dmin 11.50Lmax 120.00 La 192.71 Dmax 51.60Lmin 38.40 Le 169.76 Dmin 12.00Lmax 125.00 La 200.74 Dmax 53.75Lmin 40.00 Le 176.84 Dmin 12.50Lmax 130.00 La 208.77 Dmax 55.90Lmin 41.60 Le 183.91 Dmin 13.00Lmax 135.00 La 216.80 Dmax 58.05Lmin 43.20 Le 190.98 Dmin 13.50Lmax 140.00 La 224.83 Dmax 60.20Lmin 44.80 Le 198.06 Dmin 14.00Lmax 145.00 La 232.86 Dmax 62.35Lmin 46.40 Le 205.13 Dmin 14.50Lmax 150.00 La 240.89 Dmax 64.50Lmin 48.00 Le 212.21 Dmin 15.00

50

45

Presentase(%)

Parameter(1)

-25

-20

40

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

NilaiParameter

Parameter(2)

NilaiParameter

Parameter(3)

NilaiParameter


commit to user

V-4

5.2.1. Analisis Perubahan Parameter-1

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


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

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-5

Gambar 5.2 Pengaruh perubahan panjang ekstensi dan panjang kompresi pada

energy storing


Parameter yang diubah adalah rentang nilai diameter silinder gas spring.

Pengaruh perubahan panjang silinder pada energy storing dapat dilihat pada Gambar


rentang nilai diameter silinder gas spring dinaikkan dan pada akhirnya nilai

energy storing akan tetap pada kisaran nilai 9957, 40 J walaupun rentang nilai

diameter silinder gas spring dinaikkan. Hal ini disebabkan karena pada saat

tertentu nilai variabel keputusan menghasilkan nilai yang tetap walaupun rentang

nilai diameter silinder gas spring terus dilonggarkan. Berdasarkan grafik tersebut

maka dapat dikatakan bahwa penurunan rentang diameter silinder gas spring lebih

dari 30% dari nilai optimalnya akan mengurangi nilai energy storing. sehingga

dalam perancangannya, diameter silinder gas spring tidak boleh kurang dari 80,15

mm.


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.

Gambar 5.4 Pengaruh perubahan rentang nilai panjang silinder, panjang ekstensi

dan panjang kompresi pada energy storing


commit to user

V-7

5.2.5. Analisis Perubahan Parameter-2 dan Parameter-3

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

Parameter yang diubah adalah rentang nilai panjang silinder dan rentang

nilai diameter silinder gas spring. Pengaruh perubahan rentang nilai panjang

silinder dan rentang nilai diameter pada energy storing dapat dilihat pada Gambar


rentang nilai panjang silinder dan rentang nilai diameter silinder gas spring

dinaikkan dan pada akhirnya nilai energy storing akan tetap pada kisaran nilai

9957, 40 J walaupun rentang nilai panjang silinder dan rentang nilai diameter

silinder gas spring dinaikkan. Hal ini disebabkan karena pada saat tertentu nilai

variabel keputusan menghasilkan nilai yang tetap walaupun rentang nilai panjang

silinder dan rentang nilai diameter silinder gas spring terus dilonggarkan.


commit to user

V-8

Berdasarkan grafik tersebut maka dapat dikatakan bahwa penurunan rentang

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

diameter silinder pada energy storing


commit to user

VI-1

BAB VI 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

dan maximum reliability sehingga dapat menggunakan metode Multi Objective

Optimization.

model optimisasi gas spring dengan kriteria …/model... · perpustakaan.uns.ac.id...

Documents