INTRODUCTION

Pada makalah kali ini,akan membahas mengenai sistem wearable sensor for human

dynamics analysis (Sensor gerakan yang dipakai untuk menganalisa gerakan manusia).

Penggunaan sistem wearable sensor ini terutama untuk anggota gerak bawah yaitu kaki.

Pembatasan masalah dalam makalah ini antara lain adalah sebagai berikut :

1. Sistem Wearable Sensor

2. Wearable Motion Sensor

3. Perhitungan Momen Sendi

4. Hasil Eksperimen

Sensor yang digunakan antara lain adalah gyroscope dan accelerometer.Inti dari

makalah ini adalah aplikasi dan pengembangan sensor yang diwujudkan dalam hardware

yang digunakan untuk menghitung gaya apa saja yang bekerja pada sistem anggota gerak

bagian bawah manusia,perhitungan momen sendi serta bagaimana hasil eksperimen dari

penggunaan sistem wearable sensor ini.

Wearable GRF (Ground Reaction Force) Sensor

Desain Mekanis dan Optimalisasi Dimensi

Sistem sensor wearable gaya multi-aksial dengan mekanisme paralel untuk mengukur

gaya reaksi tanah dan momen dalam analisis dinamika manusia. Pertama, mekanisme paralel

untuk merasakan gaya triaksial dan momen gaya diperkenalkan. Seperti ditunjukkan dalam

Gambar 1,sensor terdiri dari bidang bawah x-,y-, dan z-sel beban aksial, dan empat bola.

Ketika gaya dan momen yang dikenakan terhadap bidang bawah, mereka dipindahkan ke

empat bola pendukung. Bola pendukung yang terhubung dengan tiga sel beban melalui

kontak titik.Oleh karena itu, hanya gaya translasi yang dapat dipindahkan ke sel-sel beban

yang sesuai dan diukur dengan menggunakan pengukur regangan yang melekat pada sel

beban.Sel beban x-aksial dapat mengukur FX1 dan FX2. Demikian pula, pengukuran sel

beban y-aksial FY1 dan FY2, sedangkan sel beban z-aksial mengukur FZ1, FZ2, FZ3 dan

FZ4. Berdasarkan nilai-nilai terukur, tiga-sumbu gaya dan momen dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut:

Perhitungan gaya dalam arah sumbu x:

F x=Fx 1+F x 2

Perhitungan gaya dalam arah sumbu y :

F y=F y1+F y 2

Perhitungan gaya dalam arah sumbu z :

F z=F z 1+F z 4+F z 2+F z 3

Perhitungan momen gaya masing-masing dalam arah sumbu x,y dan z :

M x= (F z 2+F z 3−F z 1−F z 4 ) L/2

M y=( F z 3+F z 4−F z 1−F z 2 ) L /2

M z=( Fx 2+F y 2−Fx 1−F y 1 ) L /2

Gambar. 1. Gambar skema untuk Sensor baru dengan mekanisme dukungan

paralel.Sel beban transversal terdiri dari dua sel beban x-aksial untuk mengukur FX1 dan

FX2 dan dua sel beban y-aksial untuk mengukur FY1 dan FY2 masing-masing. Sel-sel beban

z di bawah empat bola pendukung di empat penjuru (L = 100mm) dapat mengukur empat

gaya dalam arah z-directional termasuk FZ1, Fz2, FZ3 dan Fz4.

Gambar 2 menunjukkan detail dari sel beban. Dua pengukur regangan melekat pada

sel beban untuk merasakan gaya translasi uniaksial. Dalam rangka untuk mendapatkan

sensitivitas tinggi, pengukur regangan harus didistribusikan pada titik di mana regangan

maksimum terjadi.

Gambar 1

Gambar 2

Wearable Motion Sensor (Sensor Gerakan)

Sistem wearable motion sensor (sensor gerakan) mencakup delapan channel.Data

perekam, giroskop dan unit kombinasi accelerometer, dan giroskop dua unit. Dua unit

giroskop yang melekat pada kaki dan paha masing-masing, dan giroskop dan unit kombinasi

accelerometer adalah tetap pada betis, yang dekat dengan pergelangan kaki. Prinsip

pengoperasian giroskop adalah pengukuran percepatan Coriolis yang dihasilkan ketika sudut

rotasi kecepatan diterapkan pada bimorph piezoelektrik yang berosilasi.Sensor inersia dapat

bekerja di bawah konsumsi energi yang lebih rendah (4,6 mA pada 5V), sehingga sangat

tepat untuk pengukuran rawat jalan. Sinyal dari giroskop dan akselerometer diperkuat dan

disaring menggunakan LPF (lowpass filter) (frekuensi cutoff : 25Hz) untuk menghilangkan

noise elektrik. Frekuensi di luar pass-band yang disaring, karena mereka tidak termasuk

untuk studi kinetika/gerakan manusia. Tiga giroskop yang digunakan untuk mengukur

kecepatan sudut segmen kaki kaki, betis dan paha (ω1, ω2 dan ω3).Sumbu penginderaan

(sumbu y) dari giroskop adalah vertikal ke bidang medial-lateral sehingga kecepatan sudut

pada bidang sagital dapat dideteksi.Bioaxial accelerometer terpasang di sisi betis untuk

mengukur percepatan dua-arah sepanjang arah tangen dari sumbu x (a t) dan arah sagital

sumbu z (ar). dalam hal ini sistem data yang diperoleh dari accelerometer dijadikan satu

dengan data yang dikumpulkan dari giroskop untuk siklus re-kalibrasi, melalui perpindahan

sudut awal bagian yang terpasang di kaki .

Gambar. 8. Wearable sistem sensor gerak. Sebuah sistem tali dirancang untuk

mengikat sensor unit untuk anggota kaki bawah. Setiap unit sensor melekat pada tali. Selama

berjalan,tali yang diikatkan di anggota kaki untuk melindungi posisi unit sensor.

Gambar. 9. Posisi dan koordinat unit sensor. Dalam koordinat orientasi lokal unit

sensor (x, y-dan z-axis), sumbu y menunjukkan rocker sumbu masing-masing sendi, yang

sejajar sumbu sensitif giroskop, sementara sumbu-x dan sumbu z menunjukkan vektor

kesatuan dalam arah radial dan tangensial masing-masing.

Gambar 8

Gambar 9

Calculation of Joint Moment (Perhitungan Momen Sendi)

Berdasarkan pengukuran GRF dan segmen orientasi menggunakan dua sistem sensor

, kita dapat menghitung momen bersama anggota kaki bawah ini yang berguna untuk

mengevaluasi terhadap gaya vivo tubuh manusia selama berjalan. Untuk tujuan

perhitungan , seperti memperkirakan momen bersama dari engkel saat memuat respon dan

fase terminal sikap ( Parry , 1992 ) ,semua vektor termasuk vektor perpindahan bersama,

GRF vektor dan vektor gravitasi harus dinyatakan dalam sistem koordinat yang sama,menjadi

sistem koordinat global. Y - sumbu global sistem koordinat dipilih untuk mewakili arah

anterior - posterior gerakan manusia, dan sumbu z dibuat vertikal , sedangkan sumbu x

dipilih sedemikian rupa sehingga mengakibatkan sistem koordinat global akan menjadi

tangan kanan.Asal usul global sistem koordinat tetap ke sekitar titik anatomi pusat

pergelangan kaki ketika sensor gaya yang dipakai berada di bawah kaki . GRF (Ground

Reaction Force) dan momen saat diukur dengan menggunakan sensor gaya yang dapat

dipakai diekspresikan oleh vektor-vektor pada ( 23 ) , dan koordinat pusat tekanan ( CoP ) g X

CoP dalam bingkai global dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :

Persamaan untuk mencari gaya reaksi tanah,momen reaksi tanah dan koordinat pusat tekanan

dalam bingkai global menggunakan persamaan dalam bentuk matriks sebagai berikut :

Experiment Study

Experiment Method

Untuk memvalidasi kinerja sistem sensor kita telah membandingkan hasil kuantitatif

dari sistem sensor dengan pengukuran yang diperoleh dengan analisis gerak optik komersial

sistem Hi-DCAM (teknologi citra NAC. Jepang). Sistem analisis gerak komersial dapat

melacak dan mengukur lintasan tiga dimensi (3-D) penanda retro-reflektif ditempatkan pada

tubuh subjek. Kamera dengan frekuensi sampling 100 Hz digunakan untuk melacak posisi

penanda dengan akurasi sekitar 1 mm. Sebuah plat gaya stasioner EFP-S-2KNSA12 (Kyowa

co. Jepang) juga digunakan sebagai sensor referensi untuk memvalidasi pengukuran sensor

gaya yang dikembangkan. Dalam percobaan, sistem sensor simultan bekerja di pengukuran

gaya manusia dan gerak. Data dari sistem sensor referensi dan sistem sensor referensi yang

kami kembangkan diuji cobakan pada saat yang sama, dan dibandingkan

Akar rata-rata perbedaan square (RMS) digunakan untuk membandingkan kedekatan pada

amplitudo dari dua hasil pengukuran sensor. Persen error (PE) dihitung sebagai rasio antara

kesalahan RMS dengan rata-rata puncak-ke puncak amplitudo referensi pengukuran.Berikut

adalah persamaan akar rata-rata (RMS) antara dua hasil pengukuran sensor.

F disini adalah gaya yang diukur,sedangkan Fr adalah sebagai referensi,sebagai pembanding yang nanti akan dimasukkan ke dalam persen error.

Experiment Results : GRF and Segmental Orientations

Gambar. 13. Triaksial GRF diukur dengan sistem wearable sensor (garis utuh) dan

plat gaya (garis putus-putus). (a) Komponen vertikal: Fz. (b) komponen horizontal: Fy. (c)

Komponen horizontal: Fx. (d) Jumlah GRF. (e) Kesalahan dari GRF antara dua sistem

pengukuran.

Gambar. 14. Pusat tekanan (CoP) yang diukur dengan sistem wearable sensor (garis

utuh) dan plat gaya stasioner (garis putus-putus) dalam sistem koordinat global.

Gambar. 15. Perpindahan sudut segmental diukur dengan sistem wearable motion

sensor (garis utuh) dan sistem kamera Hi-DCAM (garis putus-putus). (a) perpindahan sudut

kaki. (b) perpindahan sudut betis. (c) sudut perpindahan paha

Gambar 13

Gambar 14

Gambar 15

Experiment Results : Joint Moments

Hasil perbandingan momen gabungan dari pergelangan kaki, lutut dan pinggul di

bidang sagittal antara dua sistem pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 16. RMS perbedaan

saat sendi pergelangan kaki dihitung dengan menggunakan dua sistem adalah 2 ± 0.34nm,

menjadi 5,4 ± 0,7% dari besarnya momen maksimal sendi pergelangan kaki selama siklus

pergerakan utuh. Perbedaan RMS momen sendi lutut dihitung dengan menggunakan dua

sistem adalah 7.2 ± 1.34Nm, menjadi 6 ± 0,32% dari besarnya momen maksimal sendi lutut.

Perbedaan RMS pinggul saat bersama dihitung dengan menggunakan dua sistem adalah 11,2

± 1.3Nm, menjadi 6,1 ± 0,25% dari besarnya momen maksimal sendi pinggul.

Gambar. 16. Momen sendi yang diestimasi oleh sistem wearable sensor (garis utuh),

dan plat gaya & sistem kamera Hi-DCAM (garis putus-putus), plantarflexor pergelangan

kaki, ekstensor lutut, dan fleksor pinggul positif, dan pergelangan kaki dorsofleksi, fleksor

lutut, dan ekstensor pinggul negatif. (a) momen sendi pergelangan kaki. (b) momen sendi

lutut. (c) momen sendi panggul.

Gambar 16

Kesimpulan

1. Sebuah sistem wearable sensor dikembangkan untuk mengukur gaya reaksi tanah tri-

directional (GRF) dan segmen orientasi.

2. Sistem wearable sensor diusulkan dalam bab ini dapat diterapkan untuk uji coba

berjalan berurutan di sejumlah non-laboratorium lingkungan, karena biaya yang lebih

rendah, ukuran yang kecil dan efek lebih rendah pada gerakan manusia.

3. hasil perbedaan RMS menunjukkan bahwa pengukuran gaya dan gerak yang

dihasilkan serta hasil estimasi momen sendi memiliki konsistensi yang tinggi antara

kedua sistem (wearable sensor & pelat gaya- sistem kamera optik)