Kursi Roda dengan Kontrol Sinyal EMG dilengkapi dengan Rangkaian Safety (Parameter EMG) Aulia Sofura Putri, Dr. Endro Yulianto ST., MT., Dr. I Dewa Gede Hari W.,ST., MT. Jurusan Teknik Elektromedik POLITEKNIK KESEHATAN KEMENTRIAN KESEHATAN SURABAYA Abstrak
Kursi roda merupakan sebuah alat bantu yang digunakan oleh orang yang mengalami kesulitan beraktifitas menggunakan kaki,. Alat ini dapat digerakan dengan didorong oleh orang lain, digerakan dengan menggunakan tangan, atau dengan menggunakan mesin otomatis. Pada perkembangan zaman modern seperti ini telah banyak dikembangkan kursi roda ini dengan berbagai macam kendali, mulai dari yang awalnya masih manual yaitu dengan cara didorong oleh orang lain atau menggunakan tangan untuk memutar roda hingga yang otomatis seperti menggunakan joystick dan kendali Electromyograph. Pada kenyataannya kursi roda ini masih terbatas dalam penggunaannya, karena kursi roda hanya bisa digunakan oleh penyandang cacat kaki yang masih bisa menggerakkan tangannya untuk menggerakkan roda atau mengendalikan joystick menggerakkan gerakan kursi roda tersebut. Sedangkan untuk penyandang cacat tangan dan kaki akan lebih dimudahkan apabila kontrol kursi roda tersebut menggunakan sinyal EMG. Sinyal EMG yang digunakan merupakan sadapan dari otototot yang masih bisa digerakkan ketika otot bagian tangan dan kaki bermasalah. Dari hasil pengukuran tingkat eror pada alat “Kursi Roda dengan Kontrol Sinyal Otot”. (Parameter EMG) di dapatkan tingkat eror sebesar 0,6% pada rangkaian sadapan EMG.. Kata kunci : Kursi roda, Electromyograph
PENDAHULUAN Kecacatan merupakan kondisi biologis individual seseorang berkaitan dengan keterbatasan fungsi organ yang disebabkan adanya kerusakan secara psikis, mental, dan sensorik. Sedangkan disabilitas, melihat keterbatasan atau hilangnya kesempatan individu untuk berpartisipasi dalam kehidupan seharihari di masyarakat, bukan saja semata-mata karena gangguan fisik atau psikis, melainkan juga akibat adanya halangan-halangan sosial yang turut berkontribusi. Disabilitas juga dipandang memiliki relasi berkesinambungan antara gangguan fisik individual dengan lingkungan sosialnya. Pada suatu saat tertentu individu akan menjadi “disable”, tetapi pada situasi lain, orang dengan disabilitas dapat berfungsi sebagaimana biasanya. Oleh karena itu, ketika halangan-halangan fisik dan lingkungan dapat dihilangkan, maka seseorang sudah tidak dapat dikatakan disable, karena sudah mampu melaksanakan fungsinya. (Buletin Jendela Data dan Informasi Kesehatan Kemenkes RI, 2014) Terminologi “handicapped” dipahami sebagai kondisi orang dengan disabilitas yang mengalami hambatan untuk melakukan aktivitas yang penting baginya. Hambatan tersebut harus merupakan kombinasi antara kondisi internal (impairment) dan faktor eksternal (seperti kondisi moda transportasi yang
tidak dapat dilalui oleh kursi roda). Kedua persyaratan tersebut harus terpenuhi untuk menyatakan orang dengan disabilitas berada dalam kondisi “handicapped”. Dengan demikian, penggunaan kata “disabilitas” didalam peraturan perundang-undangan Indonesia, memiliki spektrum yang lebih luas, bukan semata-mata penghalusan dari frase penyandang cacat atau kecacatan. Penggunaan terminologi disabilitas bertujuan untuk mengajak seluruh pemangku menyelami isu disabilitas dengan mengidentifikasi dan menganalisis kausalitas antara faktor internal (gangguan fungsional) dan eksternal (hambatan sosial) orang dengan disabilitas. Menurut hasil Survey Sosial Ekonomi Nasional (Susenas) yang dilaksanakan Biro Pusat Statistik (BPS) tahun 2012, jumlah penyandang disabilitas di Indonesia sebanyak 6.008.661 orang. Dari jumlah tersebut sekitar 1.780.200 orang adalah penyandang disabilitas netra, 472.855 orang penyandang disabilitas rungu wicara,402.817 orang penyandang disabilitas grahita/intelektual, 616.387 orang penyandang disabilitas tubuh, 170.120 orang penyandang disabilitas yang sulit mengurus diri sendiri, dan sekitar 2.401.592 orang mengalami disabilitas ganda.
1
Pemerintah sendiri mempunyai program agar orang yang menyandang disabilitas atau cacat dapat mandiri mengurus hidupnya. Hal ini menjadikan suatu peluang bagi peneliti untuk membantu program tersebut. Orang cacat yang lumpuh serta tidak mempunyai lengan akan bergantung kepada orang lain untuk mobilitasnya sehingga mereka membutuhkan kursi roda yang digerakkan oleh sesuatu di dalam tubunya. Salah satunya yaitu dengan memanfaatkan biosinyal khususnya sinyal bioelektrik. Sinyal bioelektrik adalah sinyal elektrik yang dihasilkan oleh tubuh. Dengan adanya gerakan tubuh baik secara periodik maupun non periodik, yang membangkitkan sinyal elektrik dapat dimanfaatkan dalam bidang medis/kesehatan. Beberapa macam sinyal bioelektrik yaitu EEG, EOG dan EMG. Ketiga sinyal tersebut selaa ini hanya dimanfaatkan untuk keperluan diagnostik, padahal sinyal tersebut dapat diaplikasikan untuk mengerakkan kursi roda. EOG jika digunakan untuk mengerakkan kursi roda terdapat kesulitan yaitu pengguna harus mengerakkan bola mata ke arah kanan jika dia ingin berbelok ke kanan. Hal ini menyulitkan pengguna untuk tetap fokus ke arah depan. Pada EEG juga terdapa kesulitan, pengguna harus tetap fokus untuk mengontrol kursi roda agar bergerak sesuai dengan keinginan. Dalam EEG akan ada banyak gangguan sinyal jika pengguna tidak benarbenar fokus. Peneliti akan mencoba menggunakan sinyal EMG untuk menggerakkan kursi roda. Dengan EMG maka kontrol kursi roda akan lebih praktis sebab sinyal ini tidak mudah terganggu oleh sinyal-sinyal lain. Untuk kontrol kursi roda sendiri terdapat 4 sadapan yang bisa diletakkan dimanapun dengan syarat otot tersebut masih dapat digerakkan, ini berfungsi untuk pergerakkan maju, mundur, kanan dan kiri. Kursi roda sebelumnya telah dikembangkan oleh Prayuda Ali 2013 dengan judul “Kursi Roda dengan Kontrol Sinyal Otot”. Pada alat tersebut dikhususkan untuk penyandang cacat kaki dan juga cacat telapak tangan. Jika digunakan oleh seseorang yang cacat kaki dan tangan akan mengalami kesulitan dalam penyadapan sinyal EMG. Pada tahun 2014 alat ini dikembangkan oleh Tri Waluyo Jati dengan judul “Kursi Roda dengan Kontrol Sinyal Otot Berbasis Mikrokontroller ATmega16”. Alat tersebut sudah menggunakan sadapan pada lengan atas tetapi masih tidak bisa digunakan untuk orang yang otot lengannya mengalami cacat. Berdasarkan hasil identifikasi masalah di atas, maka penulis akan membuat alat Kursi Roda Dengan Kontrol Sinyal EMG dilengkapi Rangkaian Safety yang merupakan penyempurnaan dari alat yang telah dibuat sebelumnya.
BATASAN MASALAH 1) Ruang gerak kursi roda pada daerah datar 2) Sadapan sinyal EMG pada otot yang masih bisa digerakkan 3) Alat dapat melakukan gerakan belok kanan, belok kiri, mundur dan maju 4) Menggunakan mikrokontroller AVR ATMega 8535 5) Tidak membahas mekanik kursi roda 6) Berat badan pasien maksimal 100kg RUMUSAN MASALAH Dapatkah dibuat Kursi Roda Dengan Kontrol Sinyal EMG dilengkapi Rangkaian Safety (Parameter EMG)?
TUJUAN PENELITIAN 1) Tujuan Umum Dibuatnya Kursi Roda Dengan Kontrol Sinyal EMG dilengkapi Rangkaian Safety (Parameter EMG)
2) Tujuan Khusus a) Membuat rangkaian instrument amplifier b) Membuar rangkaian minimum system ATMega8535 c) Membuat program kontrol d) Membuat mekanik motor e) Membuat kontrol motor f) Membuat driver motor MANFAAT PENELITIAN 1) Manfaat Teoritis Untuk menambah pengetahuan mahasiswa Teknik Elektromedik mengenai alat life support terutama Kursi roda dengan kontrol sinyal EMG. 2) Manfaat Praktis Membantu individu dengan keterbatasan gerakan (khususnya bagi mereka yang tidak mempunyai telapak tangan dan kaki) sehingga tidak mengalami kesulitan dalam mengoperasikan kursi roda standar. TINJAUAN PUSTAKA Electromyograph Surface EMG merupakan pengambilan sinyal otot dari permukaan kulit, sistem EMG elektronik menggunakan teknik umpan balik untuk membatalkan perubahan frekuensi yang sangat rendah (dc ke pecahannya dari Hz) dalam memperoleh sinyal fisiologis (Instrumentasi Medis, 2012). Signal ini
2
rentan frekuensinya sangat rendah dapat timbul sebagai akibat dari gerakan artifact fenomena. Sinyal yang sungguh bebas dari kebisingan karena kulit atau kabel bergerak dan menawarkan dasar yang sangat stabil. Dalam Noraxon paten dari sistem informasi dilakukan oleh keseluruhan sinyal secara efektif menjadi sebuah "emg hanya" komponen dan frekuensi rendah "motion artifact" komponen. Artifact komponen gerakan yang secara harfiah adalah subtracted dari keseluruhan sinyal yang memungkinkan hanya emg sinyal yang akan dioutputkan.
Blok Diagram
Permukaan electromyography (EMG) adalah rekaman dari otot tindakan dengan potensi permukaan kulit electrode, digunakan sebagai indikator otot rekrutmen. sEMG digunakan oleh therapists fisik pada gerakan fungsi otot serta digunakan untuk distribusi probabilitas amplitudo pada waktu otot dibebani dan menganalisis gap pada waktu otot istirahat. Salah satu contoh fungsi dari EMG adalah dalam bidang ergonomi. Electromiography (EMG) adalah teknik untuk memeriksa dan merekam aktivitas sinyal otot. EMG dilakukan dengan instrumen bernama elektromiograf, untuk menghasilkan rekaman bernama elektromiogram. Elektromiograf mendetekasi potensi listrik yang dihasilkan oleh sel otot ketika otot ini aktif dan ketika sedang beristirahat. Karakteristik Sinyal EMG Amplitudo dari sinyal EMG stokastik (acak) di alam dan dapat cukup diwakili oleh fungsi distribusi Gausian. Amplitudo sinyal berkisar 0-10 mV (puncak ke puncak) atau 0-1,5 mV (rms). Energi yang dapat dimanfaatkan sinyal terbatas 0 hingga 500 Hz frekuensi kisaran, dengan energi yang dominan berada di kisaran 50-150 Hz. (Wikipedia, 2011). METODOLOI Blok Diagram Mekanis
Gambar 3 Blok Diagram Rangkaian
Cara Kerja Blok Diagram Sensor ultrasonic merupakan komponen yang digunakan untuk mendeteksi jarak antara kursi roda dengan halangan. Alat ini menggunakan dua buah sensor ultrasonic yaitu pada bagian depan kursi roda dan bagian belakang kursi roda. Sensor ultrasonic dalam alat ini digunakan sebagai safety agar kursi roda tidak mengalami tabrakan dengan halangan saat sedang dioperasikan. Rangkaian minimum sistem merupakan rangkaian pengolah data dari sensor ultrasonic, dan sebagai pengatur putaran motor servo. Motor servo merupakan komponen yang digunakan untuk mencari halangan dengan cara berputar pada sudut 45, 90, dan 135 derajat. Driver motor (L) digunakan untuk menggerakan Motor (L) setelah driver motor mendapat logika hight dari minimum system. Sedangkan driver motor (R) digunakan untuk menggerakkan Motor (R) setelah driver motor mendapat logika hight dari minimum system. Rem digunakan untuk menghentikan motor ketika sensor ultrasonic telah mendeteksi halangan.
Gambar 2 Blok Diagram Mekanis
3
Saat pertama alat dihidupkan atau dioperasikan, alat akan menginisialisasikan semua sistem kerja dari input dan output kontroller. Dalam selang waktu beberapa detik, alat mulai mendeteksi sinyal denyut aliran darah pada daun telinga. Untuk memulai perhitungan, kemudian ditekan tombol start dan alat akan memulai perhitungan BPM. Jika sudah terdeteksi 10 pulse, maka nilai BPM mulai dihitung kemudian akan ditampilkan dan diproses untuk siap dikirim melalui Port Tx. Port Tx telah terhubung dengan modul bluetooth untuk bisa mengirim data jarak jauh, maksimal 10 meter. Jika data/nilai BPM tidak dikirim atau proses pengiriman dihentikan, akan kembali pada proses awal yaitu proses pendeteksian sinyal denyut aliran darah.
Diagram Alir
HASIL DAN ANALISA DATA Hasil 1) Hasil Pengukuran BPM Modul dan BPM Pembanding (Patient Monitor)
Tabel 4.1 Data Pengukuran Output Leher Kanan Saat Relaksasi Data
Data Amplitudo (V)
Rata -
Leher
Kanan Gambar 4 Diagram Alir Saat modul dinyalakan maka arus listrik mengalir ke semua rangkaian. Kemudian 4 sadapan EMG yang akan diolah komparator. Jika dalam komparator terdeteksi sinyal EMG kanan yang lebih besar maka kursi akan menyalakan motor kiri dan motor kan mati seingga kursi roda berbelok ke kanan. Jika komparator mendeteksi sinyal EMG kiri yang lebih besar maka akan menyalakan motor kanan dan motor kiri mati sehingga kursi roda berbelok ke arah kiri. Jika sinyal EMG depan yang lebih besar maka kursi roda akan bergerak maju, ketika EMG belakang yang lebih besar maka kursi roda akan bergerak mundur. Seluruh sistem akan dibatasi oleh rangkaian safety yang akan mendeteksi adanya halangan.
1
2
3
4
5
Rata
2
2
2
2
2
2
Tabel 4.2 Data Pengukuran Output Leher Kanan Saat Kontraksi
Data
Data Amplitudo (V)
Rata-
Leher
1
2
3
4
5
Rata
Kanan
4,5
4,4
4,5
4,4
4,4
4,4
Offset
2
2
2
2
2
2
Tabel 4.3 Data Pengukuran Output Leher Kiri Saat Relaksasi
Data
Data Amplitudo (V)
RataRata
Leher
1
2
3
4
5
Kiri
2
2
2
2
2
2
4
Tabel 4.8 Data Pengukuran Output Leher Belakang Saat Kontraksi Data Data Amplitudo (V) RataLengan
1
2
3
4
5
Rata
Belakang
3,2
3,4
3,5
3,4
3,4
3,38
Offset
2
2
2
2
2
2
Tabel 4.4 Data Pengukuran Leher Kiri Saat Kontraksi
Data
Data Amplitudo (Vpp)
Rata-
Leher
1
2
3
4
5
Rata
Kiri
4,4
4,2
4,4
4,4
4,5
4,3
Offset
2
2
2
2
2
2
PEMBAHASAN Rangkaian Minimun Sistem +5v U2 LCD Alphanum eric
2 1 GND VCC VEE RS RW EN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LED+ LED-
LCD ALPHANUMERIC PS
C2
SW1
22pF
Rata-
POT U1
13 12
Rata
R 5 220 R 6 220 SW2 sw1
2
2
2
2
2
40 39 38 37 36 35 34 33
e1 e2 e3 e4
LED LED
SW3
2
sw2 sw1 sw2 sw3
SW4
1 2 3 4 5 6 7 8
PC0/SC L PC 1/SD A PC2/TC K PC3/TMS PC 4/TDO PC5/ TDI PC 6/TOSC 1 PC 7/TOSC 2
XTAL1 XTAL2 PA0/ ADC 0 PA1/ ADC 1 PA2/ ADC 2 PA3/ ADC 3 PA4/ ADC 4 PA5/ ADC 5 PA6/ ADC 6 PA7/ ADC 7
14 15 16 17 18 19 20 21
PD 0/RXD PD1/ TXD PD2/ I NT0 PD3/ I NT1 PD 4/ OC 1B PD 5/ OC 1A PD6/ IC P1 PD 7/OC 2
PB0/ T0/SC K PB1/ T1 PB2/ AI N0/I NT2 PB3/ AI N1/OC0 PB4/ SS PB5/ MOSI PB6/ MI SO PB7/ SCK
1 J2 2 GAS1 1 J7 2
+5v
MAJU MUN DUR 1 1 J9 2
+5v
30 32 31
AVCC AREF AGND
GAS2 1 J10 2 R3 20K
11
sw3
R ESET
Tabel 4.6 Data Pengukuran Output Leher Depan Saat Kontraksi
5 4 3 2 1
J3
J6 2 1
Downloader
e1
E1
e2
E2
2
3
4
5
Rata
Depan
3,4
4
3,8
4
4
3,84
Offset
2
2
2
2
2
2
e4
E4
Gambar 17 Rangkaian Minimum Sistem
Rangkaian Sadapan EMG J1 BI 1 2
+5V
1 2 3
2
3
+
2
-
R3
U1
7 8
J10
1
R13 RG
1
C11 6
CONN J ACK PWR
3
10K
R6 POT +5V
1 nF 4 1 5
1 2
8
3
U4A
3 + -5 V
C1
C2
1
3
+5V J3 HPF2 C5
11
TL084
1 00nF
100nF
+
13
-
R4 22 .5k
R12 5K -5V
12
220K
-5V
220K
C8 C1 0
10 nF
+5V 10nF
J4 LPF1
27k
9
Rata
+
R26
R27
8
-
27 k
27k
TL0 84
11
10nF
+5V
U2C 1 2
R2 5
27k
4
R2 4
5
+
6
-
10nF C9
U2B 7 TL084
-5V -5V
1
3 R16 54k
2
3
C12 100n f C3
C6
10
+
9
-
U5C
J7 cla mper
R18
TL0 84 5 6
47nf +5V
1 0k
+
100k
+5V J12 out
U5B R3 6
3
+
2
-
7
-
1K TL0 84
+5V
U5A 1 TL084
J14
R17 R3 7 R
1 2
R33 -5V
R30 10k R3 4
D3 D4
-5V
1k
bat rey 1
33K
R32
3 10 0k +5V J6 CON2
-5V 47nf
R31
1 R29 10k
8
1 2
68k
4
R15
11
68k
1 2
R7
2
+5V J 90 CON2
4
2
3,6V
1K
LED 3
2
11
2
1 2
2
4
2
11
2
1 R20 54k
1 2
Belakang
TL084
R1 1
5K
1 2 3 PS
U2D 14
R21 5K
R9
2
5
2
CA3240
4
4
R1 220k
C4
1
2
3
12k
U2 A
+
+5V
C7
2
R23
10 0k
R10
10
1
10 0nF
R8
J8
Leher
R5
J2 HPF1
-5V
-5V
Rata-
12k
2 -
Tabel 4.7 Data Pengukuran Output Leher Belakang Saat Relaksasi Data Amplitudo (V)
R22
100k
+5 V
100 nF
Data
R2
J9 CON2
AD620
4
1
2 1
J8 2 1
Rata-
Leher
e3
2
Data Amplitudo (V)
2 1 E3
J5
Data
MAJU MUN DUR 2
J11
1 2
Depan
D10 D11
4
5
11
4
22 23 24 25 26 27 28 29
1 2
3
VCC
+5v
2
GND
9
1
R4
XTAL
22pF
Leher
+5v
+5v
4
Data Amplitudo (V)
+5v Y1
C3
10
Data
+5v
Reset
11
C1100nF
+5v
J1
R1 1K
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tabel 4.5 Data Pengukuran Output Leher Depan Saat Relaksasi
Gambar 18 Rangkaian Sadapan EMG Rangkaian sadapan EMG terdiri dari instrument IC AD620 kemudian sinyal akan dikuatkan pada penuatan non inverting, sinyal kemudian masuk pada
5
5K
filter HPF 20Hz, LPF 500Hz dan notch filter 50Hz sehinggga sinyal lain selain sinyal otot akan diredam.
Saran Karena berbagai faktor alat yang penulis buat ini masih jauh dari sempurna, baik dari segi perencanaan bentuk fisik ataupun kinerjanya. Adapun analisa kekurangan dari alat yang penulis buat ini adalah:
Rangkaian Driver Motor +5v J6
2 1
+5v R
VCC RANGKAIAN
0
R5
J14 2 1
+5v POT
R1 R2
M GAS
LS2
0
J15 2 1
J4 GAS
5 Q1 NPN BCE
3 1 2
R R
M Maju Mundur
+5v
J12 Maju Mundur
5 +5v R J8
1. Dikembangkan menggunakan sensor ultrasonik yang lebih sensitif. 2. Ditambahkan elektroda tanpa kabel, agar instalasi EMG lebih sederhana.
1 2
4
Q2 NPN BCE
2 1
3
1 2
4 1 2
VCC RELAY LS1
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 20 Driver Motor
Rangkaian Driver Rem
+5v
J1
LS1 2 1
5 R1 1K
M Rem
Q1
0
NPN BCE
4
1 2
1 2
+5v Co J3
J2 Rem
3
RELAY SPDT
2 1
Coughlin, Robert F. Penguat Operasional dan rangkaian terpadu linier. Erlangga
+5v Co
VCC CONT
Adrienne L. Perlman (2006).Firing pattern from a collection of MUAPs from the medial thyroarytenoid muscle, diakses 16 Oktober 2014 http://www.nature.com/gimo/contents/pt1/fig_ tab/gimo32_F3.html
0
R2
J4 2 1
+5v POT
LS2
J5 GAS
5 M GAS
R3
J6
1k R4 1k
Q2 NPN BCE
0
4
1 2
1 2
2 1 M Maju Mundur
3
+5v
J7 Maju Mundur
5 +5v J8
2 1
Q3 NPN BCE
3 4
Detecting Muscles With Electromyography
1 2
http://hackaday.com/2011/06/29/detectingmuscles-with-electromyography/,
1 2
VCC RANGAKIAN LS3
diakses 14Oktober2014.
Gambar 21 Rangkaian Driver Rem
EMG Signal Analysis Kesimpulan Setelah melakukan proses pembuatan dan study literatur serta perencanaan, pengujian alat dan pendataan, maka penulis dapat menyimpulkan sebagai berikut : 1. Rangkaian sadapan EMG sudah dapat berfungsi dengan baik dan sensitif terhadap gerakan otot. 2. IC ATMega 8535 dapat mengontrol sistem dengan baik sehingga alat dapat bekerja sesuai keinginan. 3. Dapat dibuatnya program kontrol sesuai diagram alir alat sehingga modul dapat bekerja sesuai perintah. 4. Mekanik motor dapat difungsikan dengan lancar sesuai perintah sehingga modul dapat bergerak maju dan belok serta mundur dengan baik..
http://www.delsys.com/educationalresources/knowledge-center/technical-notes/, diakses 14 Oktober 2014.
EMG Sensor Placement http://www.delsys.com/educationalresources/knowledge-center/technical-notes/, diakses 14 Oktober 2014.
Iksal . Perancangan dan Implementasi Kursi Roda Elektrik Ekonomis Sebagai Sarana Rehabilitasi Medik. ST-INTEN
6
Kursi Roda Elektrik http://www.kursiroda.net/Kursi-RodaElektrik-Listrik-Baterai-AdventureLX.htm, diakses 16 Oktober 2014.
Konrad, Peter. 2005 . The ABC of EMG. USA. Noraxon INC.
--,--,http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/211622/UTC/60N06.html/ , diakses pada tangga 11 November 2014.
--,--,http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/211622/UTC/LM324.html/ , diakses pada tangga 11 November 2014. --,--,http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/211622/UTC/ATMega16.html/ , diakses pada tangga 11 November 2014.
--,--,http://pdf1.alldatasheet.com/datasheetpdf/view/211622/UTC/NE555.html/ , diakses pada tangga 11 November 2014. Informatika
7
8
