## Smart lower limb prosthetic based on accelerometer and gyroscope sensor with arduino microcontroller
Reza Mahesa Paksi 1 , Ahmad Su’udi 2 , Martinus 2
1 Program Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung Jl. Profesor Dr.Soemantri Brojonegoro No.1 Bandar Lampung 35145 2 Staf Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung Jl. Professor Dr.Soemantri Brojonegoro No.1 Bandar Lampung 35145 Email korespondensi: rzmhspks@gmail.com

## Abstrak
Prosthetic  dalam  penggunaannya  secara  umum  sering  menyebabkan  masalah  bagi  penggunanya  terutama stump  yang  terluka  akibat  penggunaannya  yang  cukup  lama  dan  untuk  alasan  itu  penelitian  ini  dilakukan. Penelitian ini menggunakan resin dan fiberglass sebagai bahan pembuatan soket prosthetic, sensor accelerometer dan gyroscope sebagai sensor utama. Prosthetic  yang dibuat dilengkapi  dengan early warning  system sebagai peringatan  bahwa  pengguna  prosthetic  telah  mencapai  batas  aman  sehingga  pengguna  dapat  meminimalisir terjadinya luka pada stump. Hasil penelitiannya adalah berat hasil akhir prosthetic sebesar ± 1,2 kg dengan foot yang memiliki panjang ± 25 cm dan lebar ± 8,8 cm serta memiliki tinggi secara keseluruhan sebesar ± 53,4 cm. Nilai  sudut  yang  dijadikan  sebagai  batas  jumlah  langkah  pada  early  warning  system  yang  diperoleh  dari penelitian ini adalah 34,75 0 .
Kata kunci : prosthetic, accelerometer dan gyroscope, sudut, early warning system

## Abstract
Prosthetic in its use generally causes problems for its users especially stumps that were injured due to their long-standing use and for that reason the study was conducted. This research uses resin and fiberglass as material of prosthetic socket, accelerometer and gyroscope sensor as main sensor. Prosthetic is made equipped  with an early warning system as a warning that prosthetic users have reached a safe limit so that users can minimize the occurrence of injuries to the stump. The result of this research is the weight of prosthetic end result of ± 1.2 kg with foot which have length ± 25 cm and width ± 8,8 cm and have height as big as ± 53,4 cm. The angle value used as the limit of number of steps in the early warning system obtained from this research is 34,75 0
Keywords: prosthetic, accelerometer and gyroscope, angle, early warning system.

## 1. Pendahuluan
Prosthetic merupakan  sebuah  alat  buatan  pengganti anggota  tubuh  yang  hilang,  baik  karena  sebuah kecelakaan,  penyakit,  ataupun  kondisi  bawaan  lahir. Prosthetic secara  umum  terjadi  bagi  menjadi  dua yaitu upper limb prosthetic dan lower limb prosthetic . Upper  limb  prosthetic meliputi  seluruh  anggota bagian  tubuh  dari  pinggul  ke  atas,  termasuk  tangan dan  bahu. Lower  limb  prosthetic meliputi  seluruh bagian  dari  pinggul  ke  bawah  hingga  telapak  kaki. Dan  kaki  palsu  merupakan  salah  satu  contoh  dari lower limb prosthetic yang sering kita jumpai. Namun didalam penggunaan prosthetic pun, terdapat batasan waktu  yang  efeketif  dalam  pemakaiannya.  Seperti yang  penulis  alami,  bila  menggunakan prosthetic dalam waktu yang cukup lama, maka stump atau sisa bagian  kaki  yang  diamputasi  akan  mengalami  lecet. Penyebab  utamanya  adalah  gesekan stump dengan bagian  dalam  soket  akibat  gerakan  melangkah  serta suhu panas yang ada di dalamnya.
Dengan adanya kendala diatas, pada kesempatan ini, penulis  akan  membahas  tentang smart  lower  limb
prosthetic , dimana prosthetic ini bertujuan memberikan  peringatan  pada  penggunanya  ketika prosthetic yang digunakan sudah mencapai batas yang diizinkan demi  melindungi stump agar tidak terluka. Prosthetic ini  akan  dirancang  dengan  menggunakan beberapa sensor seperti accelerometer dan gyroscope , yang  nantinya  sensor-sensor  ini  berfungsi  untuk mendeteksi  pergerakan  dari  kaki,  membaca  jumlah langkah,  dll. Arduino  microncontroller digunakan sebagai controller utama  dimana  sistem  ini berlangsung.  Sebagai  orang  yang  kehidupan  sehari- harinya bergantung pada prosthetic , penulis merasakan  perlu  adanya  perkembangan  pada beberapa  bagian prosthetic demi  kenyamanan  dan kemudahan  penggunanya.  Penelitian  tentang smart lower  limb  prosthetic ini  diharapkan  dapat memberikan manfaat bagi berbagai pihak di luar sana.
Adapun  tujuan  dari  penelitian  ini  dilakukan  adalah merencanakan  dan membuat  prosthetic yang dilengkapi  early  warning  system,  mengetahui  nilai suhu  yang  didapat  sensor  LM  35,  dan  mengetahui nilai sudut pada sensor accelerometer dan gyroscope
MPU  6050  serta  menerapkannnya  sebagai  batas jumlah langkah pada prosthetic.
Berdasarkan  jurnal  penelitian  Samuel  K.  Au, disebutkan bahwa “A level-ground walking gait cycle is typically defined as beginning with the heel strike of one  foot and ending at the next  heel  strike of the same foot”, yang mengindikasikan pergerakan bagian tumit pada awal dari siklus gerak jalan manusia Pada prosthetic,  selain  tumit  atau  foot,  terbuat  2  bagian utama  penting  yang  lain  yaitu  shank  dan  socket. Dalam  proses  pembuatan  prosthetic,  material    untuk membuat bagian-bagian utamanya harus diperhitungkan.  Batasan  masalah  diberikan  agar pembahasan dari hasil yang didapatkan lebih terarah. Adapun  batasan  masalah  yang  diberikan  pada penelitian ini, yaitu :
1. Microcontroller yang digunakan adalah Arduino Nano V3.0.
2. Sensor  gyroscope  dan  accelerometer  yang digunakan adalah tipe MPU6050.
3. Bagian soket dari prosthetic menggunakan bahan dasar resin.
4. Bagian  foot  dari  prosthetic  menggunakan  leaf spring yang terbuat dari baja/besi.
5. Batas  nilai  utama  yang  dijadikan  sebagai  batas jumlah  langkah  dalam  early  warning  system pada  prosthetic  adalah  nilai  sudut  pada gyroscope.

## Below-Knee Prosthetic
Setiap  alat  bantu  buatan  yang  digunakan  sebagai pengganti  anggota  tubuh  yang  hilang  disebut prosthetic.  Sesuai  namanya,  below-knee  prosthetic merupakan  prosthetic  bawah  lutut  yang  bagiannya terdiri  meliputi  soket,  shank,  dan  foot.  Perbedaan utama  prosthetic  ini  dengan  above-knee  prosthetic terletak  pada  soketnya,  dimana  pada  above-knee prosthetic  terdapat  2  soket  untuk  bagian  paha  dan betis  yang  terhubung.  Sedangkan  pada  below-knee prosthetic,  bagian  paha  yang  asli  tetap  dihubungkan dengan soket untuk betis, hanya saja penghubungnya hanya  berperan  sebagai  pengerat.  Umumnya, penghubung  ini  hanya  berupa  sabuk  ataupun pelindung  khusus  (deker).  Ada  beberapa  komponen yang  terdapat  di  prosthetic  bawah  lutut  yaitu  bagian suspensi, soket, shank, dan foot.

## Biomechanic of Lower Limb
Berjalan  merupakan  fenomena  yang  sangat  penting dalam  ruang  dan  waktu  secara  fundamental,  karena merefleksikan  karakteristik  pergerakan  dari  tiap individu. Hal ini dikarakteristikkan oleh kontrol tubuh orthogonal,  lengkungan  tubuh,  kepala,  dan  anggota tubuh  bagian  atas  secara  bersamaan,  serta  cara menggunakan  anggota  tubuh  bagian  bawah.  Gait cycle  atau  siklus  gerak  jalan  biasanya  didefinisikan dengan dimulainya dengan tumit dari salah satu kaki yang  menyentuh  lantai  dan  diakhiri  dengan
penyentuhan tumit selanjutnya pada kaki yang sama. Stance  phase  dimulai  ketika  tumit  menyentuh  lantai dan diakhiri dengan pelepasan tumit ketika kaki yang sama  diangkat  dari  permukaan  lantai.  Pada  stance phase, terbagi lagi menjadi 3 urutan yaitu controlled plantar  flexion  (CP),  controlled  dorsiflexion  (CD), dan powered plantar flexion (PP).

## Accelerometer and Gyroscope Sensor
Accelerometer adalah sensor yang mengkonversikan sebuah  akselerasi  menjadi  sebuah  sinyal  elektrik. Baik  akselerasi  statik  maupun  dinamik  dapat  diukur menggunakan accelerometer dimana akselerasi static disebabkan oleh gaya gravitasi dan akselerasi dinamik adalah akselerasi yang disebabkan oleh gaya apapun kecuali  gaya  gravitasi  yang  diterapkan  pada  sebuah objek tersebut. Keluaran dari accelerometer ini dapat berupa analog ataupun digital. Sedangkan gyroscope merupakan  sensor  yang  digunakan  untuk  mengukur tingkat  sudut  seperti  seberapa  cepat  sebuah  objek berbelok. Rotasinya biasanya diukur dalam referensi pada satu hingga tiga sumbu (x,y,z), tergantung pada letak gyroscope itu sendiri. Salah satu poin utama dari pengguna  sensor  ini  yaitu  kemampuan  dari  alatnya yang dapat memberikan sinyal output dengan tingkat sudut  yang  akurat  bahkan  bila  terdapat  getaran maupun gangguan lain di sekitarnya

## 2. Metode

## Alat dan Bahan
Alat  yang  digunakan  yang    digunakan    selama penelitian    adalah  pengukur  panjang,  gergaji  besi, obeng,  wadah.  Dan  bahan  yang  digunakan  adalah arduino  nano microcontroller ,  sensor accelerometer dan gyroscope MPU6050, sensor suhu LM 35, resin, fiberglass , plester POP, busa hati, dan leaf spring .

## Diagram Alir
Adapun diagram alir dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 1.

## Prosedur Pengujian
Adapun  prosedur  pengujian  dalam  penelitian  ini adalah sebagai berikut :
1. Siapkan prosthetic yang sudah dibuat pada proses sebelumnya.
2. Pasangkan prosthetic pada  kaki  kiri  yang  akan digunakan  sebagai  objek  utama  penelitian. Gunakan kaos kaki dan busa tambahan pada stump agar  dapat  masuk  dengan  pas  dan  terasa  lebih nyaman.
3. Lakukan  gerakan  mengangkat  paha  terlebih dahulu.  Biarkan  sensor  membacanya  dan  ambil data yang terbaca pada laptop.
4. Lalulakukan  gerakan  menurunkan  paha  namun jangan terlebih dahulu memijakkan tumit ke lantai. Biarkan sensor membacanya dan ambil data yang terbaca pada laptop.
5. Setelah itu, lakukan stance phase dimulai dengan fase heel-strike, fase plantarflexion ,  hingga  fase
dorsiflexion .  Biarkan  sensor  membacanya  dan ambil data yang terbaca pada laptop.
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
6. Lalulakukan swing phase dimulai dari fase toe-off hingga  diakhiri  oleh  fase heel-strike kembali. Biarkan sensor membacanya dan ambil data yang terbaca pada laptop.
7. Lakukan pengulangan mulai dari langkah 4 hingga langkah 7 sebanyak yang diperlukan.
8. Bila data sudah cukup, maka buat sistem otomasi dengan  memasukkan  program  perintah  pada arduino dengan bantuan software yang ada.
9. Setelah  selesai  melakukan  input  program  yang diinginkan,  hubungkan  dengan early  warning actuator berupa buzzer . 10. Lakukan percobaan stance phase dan swing phase kembali.  Dan  lihat  amati  dan  rasakan  perubahan pada normal gait kita.
11. Bila sistem berfungsi dengan baik, maka selesailah proses  pengujian  penelitian.  Bila  sistem  masih belum berfungsi dengan baik, lakukan pengulangan mulai dari langkah 4 hingga selesai.

## Kriteria Keberhasilan Prosthetic
Sesuai  judul  dari  penelitian  ini, Smart  Lower  Limb Proshtetic ,  maka prosthetic yang  dibuat  pun  harus memiliki smart system sesuai dengan tujuan yang ada. Berikut  adalah  kriteria  keberhasilan  dari smart prosthetic ini :
1. Prosthetic harus  memiliki  tinggi  yang  serupa dengan kaki yang satunya.
2. Prosthetic dapat menghitung besar jumlah langkah yang  telah  dilakukan  serta  dapat  memberikan sinyal early warning pada pengguna.
3. Prosthetic dapat  menghitung  besar  suhu  pada bagian dalam soket.
4. Buzzer atau alarm yang digunakan dapat merespon sistem yang ada secara cepat tanpa adanya delay .

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Bentuk Akhir Smart Prosthetic
Rangkaian sensor  system diletakkan  pada  bagian belakang  dari prosthetic dimana  bagian  ujung  dari sensor  suhu  terhubung  dengan  bagian  dalam  soket. berat dari keseluruhan dari smart prosthetic ini adalah ±  1,2  kg  dengan  tinggi  ±  53,4  cm.  Berat  tersebut terbilang  cukup  ringan.  Seperti  yang  disebutkan sebelumnya, smart prosthetic ini menggunakan bahan berupa  resin  dan fiberglass sehingga  menghasilkan soket yang ringan. Faktor lainnya adalah pembuangan beberapa sisi pada bagian foot yang sudah dilakukan. Panjang dari foot ini adalah ± 25 cm dengan lebar ± 8,8 cm. Berat yang bahkan tidak melebihi 1,5 kg ini akan  meringankan  beban  pada  pengguna prosthetic itu sendiri. Gambar dibawah adalah bentuk akhir dari smart prosthetic pada penelitian ini.
Mulai
Persiapan alat dan bahan
Pembuatan soket dan foot pada
prosthetic

## Melakukan pemrogramman untuk membaca
nilai sensor pada arduino microcontroller
Melakukan gerakan melangkah dengan perlahan hingga melangkah dengan normal
Memasang kembali  rangkaian sensor pada prosthetic
Hasil dan pembahasan Kesimpulan dan saran Selesai Memasang rangkaian sensor accelerometer
dan gyroscope pada prosthetic Evaluasi sesuai? Ya Tidak Data Input kembali pemrogramman sistem pada
arduino microcontroller berdasarkan data dari sensor yang ada
Gambar 2 . Bentuk akhir Smart Prosthetic

## Hasil Pengujian Sensor Suhu LM 35
Berdasarkan pengujian, hasil dari nilai rata-rata yang diperoleh  adalah  30,45 o C.  Nilai  ini  lah  yang  akan dijadikan  sebagai  batas  pada  sistem  yang  akan dipasang  pada smart  prosthetic pada  penelitian  ini. Serta  nilai  ini  akan  menjadi  salah  satu input dalam program untuk mengaktifkan buzzer . Pengujian pada penilitian  ini  dilakukan  pada  suhu  ±  29 o C.  Berikut adalah grafik dari hasil pengujian sensor suhu LM 35.
Gambar 3. Grafik gabungan hasil pengujian sensor suhu LM 35
Walaupun  ada  kemungkinan  bahwa  ada  faktor  dari suhu  di  sekitar  pengguna  atau  di  mana  pengguna berada, namun pada penelitian ini kita abaikan faktor tersebut. Karena pada dasarnya, variasi suhu ruangan atau  sekitar  tidak  masuk  dalam  batasan  pada penelitian ini. Dan hal itu merupakan salah satu alasan yang  cukup  baik,  karena  bila  nilai input dari  sensor suhu  cukup  tinggi  atau  cukup  rendah,  hal  tersebut akan mengganggu sistem itu sendiri apabila pengguna prosthetic berada pada suatu lingkungan dengan suhu tertentu.
Hasil  Pengujian  Sensor Accelerometer  dan Gyroscope
Pengujian dengan sensor accelerometer dan gyroscope dilakukan  dengan  3  macam  pengambilan yaitu  pengujian  dengan  pengambilan  5  langkah, pengambilan  10  langkah,  dan  pengambilan  20 langkah.  Dimana  di  tiap  pengujian  dilakukan  3  kali percobaan. Berikut adalah  gabungan grafik sudut dari ketiga pengujian saat mengambil 5 langkah.
Gambar 4 . Gabungan grafik sudut pengujian pengambilan 5 langkah
Sudut rata-rata yang diperoleh adalah 31,84 o . Setelah melakukan  pengujian  pengambilan  5  langkah, berikutnya adalah pengujian pengambilan 10 langkah. Berikut adalah grafik gabungan dari ketiga pengujian pengambilan 10 langkah.
Gambar 5 . Gabungan grafik sudut pengujian pengambilan 10 langkah
Seperti  pengujian  pertama,  grafik  sudut  pengujian ketiga  pada  pengambilan  10  langkah  terlihat  stabil. Pada dasarnya pengujian kedua pun stabil, hanya saja terdapat  satu error seperti  yang  kita  bahas sebelumnya.  Sudut  rata-rata  yang  didapat  pada pengujian  kali  ini  adalah  36,76 o .  Setelah  dilakukan pengujian  dengan  pengambilan  5  langkah  dan pengambilan 10 langkah, selanjutnya adalah pengujian  terakhir  yaitu  pengambilan  20  langkah. Walaupun data yang didapat berdasarkan pengujian 5 langkah  dan  10  langkah  sudah  terbilang  cukup,  kita membutuhkan data lebih agar data yang dimiliki bisa lebih  valid.  Berikut  adalah  grafik  gabungan  dari ketiga pengujian pengambilan 20 langkah.
Gambar 6 . Gabungan grafik sudut pengujian pengambilan 20 langkah
Seperti  yang  kita  lihat  diatas,  pengujian  saat pengambilan  20  langkah  kali  ini  lebih  stabil  bila dibandingkan  dengan  dua  pengujian  sebelumnya. Sudut rata-rata yang diperoleh pada pengujian kali ini adalah 35,89 o . Untuk lebih jelasnya lagi mari kita lihat pada tabel dibawah berikut.
Tabel  1. Nilai  sudut  rata-rata  hasil  pengujian  sensor accelerometer dan gyroscope . 5-Step 10-Step 20-Step 31,22 o 32,78 o
31,84 o
36,76 o 37,93 o 36,76 o
33,75 o
35,86 o 35,89 o
Berdasarkan data diatas, sudut terkecil adalah 31,22 o , sudut terbesar adalah 37.93 o . Dan berdasarkan  rumus diatas, nilai sudut rata-rata secara keseluruhan adalah 34,75 o .

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian tentang smart prosthetic yang telah dilakukan dengan melakukan beberapa pengujian yang berdasarkan sensor suhu LM 35 serta sensor  accelerometer  dan  gyroscope  dengan  arduino microcontroller  sebagai  controller  nya,  diperoleh beberapa  simpulan  yaitu  berat  hasil  akhir  prosthetic cukup  ringan  yaitu  hanya  sebesar  ±  1,2  kg.  Foot memiliki panjang ± 25 cm  dan lebar ± 8,8 cm. Serta tinggi prosthetic secara keseluruhan adalah ± 53,4 cm. Lalu diperoleh batas suhu yang diperoleh dari sensor suhu LM 35 adalah 30,45 o C dan batas nilai data sudut yang didapat dari sensor accelerometer dan gyroscope MPU 6050 adalah 34,75 o

## Ucapan Terima Kasih
Berisi  ucapan  terima  kasih  kepada  pihak  yang  telah memberi  dukungan  dalam  penelitian,  baik  berupa sarana  maupun  dana  terhadap  penelitian  yang  telah dilakukan.

## Daftar Pustaka
[1] Agarwal,  A.  K.  2013. Essentials  of  Prosthetics and  Orthotics .  New  Delhi  :  Jaypee  Brothers Medical Publishers (P) LTD.
[2] Au,  Samuel  K.,  Jeff  Weber,  Hugh  Herr.  2010.
Biomechanical Design of  a Powered Ankle-Foot Proshtesis . Netherland : International Conference on Rehabilition Robotics.
[3] Luinge,  H.  J.,  P.  H.  Veltink.  2005. Measuring
Orientation  of  Human  Body  Segments  Using Miniature  Gyroscopes  and  Accelerometers . Netherlands : Department of Electrical Engineering.
[4] Naghshineh,  S.,  Golafsoun  Ameri,  Mazdak Zereshki.  2009. Human  Motion  Capture  Using Tri-Axial Accelerometers . Dr. Abdoli- Eramaki’s laboratory.
[5] Pitkin,  Mark  R.  2010. Biomechanics  of  Lower Limb  Prosthetic .  Germany  :  Springer  Verlag GmbH.
[6] Soloman,  Sabrie.  2010. Sensors  Handbook  2 nd Edition .  United  States  :  The  McGraw-Hill Companies Inc
[7] V., Rajt’ukova, Michalikova, M ., Bednarcikova, L., Balogova, A., Zivcak, J. 2014. Biomechanics of Lower Limb Prostheses . Slovakia : Modelling of  Mechanical  and  Mechatronic  Systems MmaMS.