Abstrak — Persendian  anggota  gerak  atau  fungsi  motorik seorang pasien pasca stroke dan Spinal Cord Injury (SCI) melalui penelitian  yang  dilakukan  menggunakan  EMG  dan  pengukuran secara  mekanis,  menunjukan  bahwa  pergerakan  persendian tersebut  lebih  kaku  di  bandingkan  dengan  persendian  anggota gerak orang normal. Hal ini di akibatkan karena penyakit stroke yang menyerang otak seseorang, sehingga pergerakan persendian akan menjadi terbatas dalam jangka waktu tertentu. Oleh karena itu,  persendian  yang  jarang  digerakkan  akan  menyebabkan melemahnya sistem saraf dan otot untuk melakukan pergerakan pada  persendian.  Salah  satu  cara  rehabilitasi  pergerakan persendian  tersebut  adalah  menggunakan Functional  Electrical Stimulation (FES).  Alat  tersebut  akan  memberikan  stimulus elektrik  kepada  otot  melalui  kulit,  sehingga  otot  akan berkontraksi  dan  menimbulkan  gerakan. Electrical  stimulator dirancang  untuk  menghasilkan  output  berupa  gelombang  kotak untuk menggerakan persendian, dimana sinyal tersebut memiliki karakteristik  lebar  pulsa  200µS,  frekuensi  20Hz  dan  amplitudo maksimal  100  V.  Penempatan  dari elektroda pada  tangan,  akan mempengaruhi pergerakan yang akan di bentuk oleh sendi siku. Selain  itu  besar  tegangan  yang  digunakan  akan  mempengaruhi besar  sudut  yang  di  hasilkan.  Melalui  pengujian  didapatkan tegangan minimum untuk menggerakkan otot biceps sebesar 31 V dan tegangan maksimum untuk mencapai sudut yang di inginkan sebesar 56.66 V melalui percobaan terhadap 3 subyek.
Kata kunci — functional electrical stimulator , spinal cord injury, stroke

## I. PENDAHULUAN
UNCTIONAL  electrical  stimulation adalah  salah  satu metode  untuk  restorasi  dari  fungsi  motorik  manusia khususnya pada bagian persendian karena penyakit stroke atau spinal cord injury . Metode ini memanfaatkan karakter dari otot yang  berkontraksi  ketika  diberi  stimulus  listrik  tertentu  dan menghasilkan  pergerakan  pada  persendian  yang  di  beri stimulus. Pada keadaan normal, pasien yang terkena stroke atau spinal  cord  injury memiliki  otot  yang  dapat  bekerja  secara normal,  hanya  saja  karena  penyakit  ini  menyerang  sistem motorik pada otak maka sinyal  stimulus dari otak tidak dapat ter  sampaikan  pada  otot.  Dengan  menggunakan  metode  ini, persendian kaku akibat stroke atau spinal cord injury dapat di rehabilitasi. Stimulus secara open loop dapat di terapkan kepada pasien,  tetapi  dengan  menggunakan  sistem  kontrol  tersebut hasil  gerakan  persendian  menjadi  tidak  terarah  dan  memiliki tingkat  efektifitas  yang  rendah.  Selain  itu,  sistem  ini  juga mudah terpengaruh banyak hal seperti berat obyek, kelemahan otot,  besar-kecilnya  otot  dan  lain-lain.  Oleh  karena  itu, FES
dengan  sistem closed  loop di  terapkan  untuk  menanggulangi masalah tersebut [1].
Sistem closed loop yang digunakan adalah kontrol PID yang berbasis arah 1 gerakan obyek. Dengan  memanfaatkan sistem ini,  pergerakan  obyek  dapat  lebih  terkontrol  sesuai  dengan target  yang  di  inginkan.  Pada  praktiknya  sistem  kontrol  PID pada setiap subyek akan berbeda-beda, sesuai dengan keadaan otot  dari  subyek.  Sehingga  untuk  mencapai  efektifitas  yang tinggi perlu dilakukan karakterisasi terlebih dahulu, seperti nilai konstanta  PID, Kp , Ki dan Kd .  Nilai  tersebut  akan  digunakan untuk  perhitungan  dari  hasil  yang  akan  dikeluarkan  pada perhitungan.  Selain  itu  juga,  pada  penelitian  ini  untuk pergerakan dari persendian tangan  di gunakan stimulus hanya pada satu otot yang paling berpengaruh dalam pergerakannya.

## II. METODE PENELITIAN

## A. Kontrol PID
Pada gambar 1 di tunjukkan diagram blok dari sistem kontrol PID,  dari  sudut  awal  subyek  hingga  menghasilkan  perubahan sudut pada subyek. Ɵ 𝑑 merupakan sudut awal dari obyek, Ɵ 𝑝 merupakan  nilai  yang  dihasilkan  dari  pembacaan  sensor  atau hasil perubahan sudut oleh subyek, e(k) merupakan nilai error yang  didapatkan  melalui  pengurangan  sudut  yang  diperoleh dengan target yang seharusnya dicapai oleh subyek. Persamaan umum dari perhitungan kontrol PID pada (1),
𝑢(𝑡) = 𝑢 𝑚𝑖𝑛 +  𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝑑 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 𝑡 0 (1)

## Sistem Restorasi Gerak Sendi Siku Menggunakan Functional Electrical Stimulation
Erwin Setiawan Widjaja, Achmad Arifin, Fauzan Arrofiqi dan Mohammad Nuh Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail : arifin@ee.its.ac.id
F Perubahan Sudut Control PID Stimulus Muscle Contraction + - e(k) Ɵ 𝑑 (𝑘) Ɵ 𝑝 (k) ∑ Sensor
Gambar 1. Diagram blok kontrol PID
Gambar 2. Pergerakan biceps sendi siku terhadap dan perhitungan error
Dimana  nilai u(t) adalah  hasil  output  dari  perhitungan, 𝑢 min adalah  stimulus  minimal  sebelum  hasil u(t) memberikan pergerakan  terhadap  realisasi control , 𝑒(𝑡) adalah  nilai error yang  didapatkan  antara target yang  di  inginkan  dengan  hasil pengukuran sensor. Melalui gambar 2 ditunjukkan sudut-sudut yang dihasilkan terhadap arahnya masing-masing. Pada gambar 2 merupakan pergerakan otot biceps flexion dengan pemberian stimulus  pada  otot biceps . Dari  pergerakan  tersebut,  akan  di hasilkan error terhadap  sudut  target  yang  di  inginkan  dengan sudut  hasil  pembacaan  sensor.  Nilai error tersebut  akan digunakan pada perhitungan feedback PID . Pembacaan sensor ini  digunakan  perhitungan  lebih  lanjut  berupa kalman  filter dengan  menggabungkan  sensor accelerometer dan gyroscope untuk mendapatkan hasil yang lebih halus.
B. Penempatan Master, Slave1, sensor dan channel
Penempatan  dari master,  slave1,  slave2 dan sensor pada tangan  sangat  menentukan  untuk  menhasilkan  sudut  yang  di inginkan Pada gambar 3, digambarkan channel negative dengan garis  berwarna  merah  dan channel  positive dengan  garis berwarna  merah.  Untuk  penempatan channel selanjutnya  di letakkan  pada  otot-otot  yang  akan  menghasilkan  pergerakan yang  spesifik,  dengan  pemberian  stimulus  yang  sesuai  maka akan  menghasilkan  pergerakan  yang  linear  dengan  kenaikan tegangan yang digunakan.
Gambar 3. Peletakan sensor, master, slave1 dan channel electroda [2]

## III. HASIL DAN ANALISA
A. Pengujian Rangkaian Pembangkit Pulsa 200µS dan 20 Hz Pada  pengujian  ini,  dilakukan  dengan  mengukur  sinyal output PG  pada  gambar  4.  Pengukuran  pulsa  dilakukan  tanpa diberi beban. Untuk mendapatkan pulsa 200 µS, 20 Hz, 100 V diperlukan PWM dengan lebar pulsa 200 µS dan frekuensi 20 Hz yang diperoleh dari mikrokontroler STM32.
Gambar 4. Pulsa 200 µS dan frekuensi 20 Hz, input PWM_PG
Pulsa tersebut akan digunakan untuk masukan pada PWM_PG atau sebagai proses switching pada transistor.

## B. Pengujian Open Loop pada Sendi Siku
Tabel 1 Hasil pengukuran tegangan minimum dan tegangan maksimum elbow joint pada subyek Subyek Minimal Stimulus (V) Maksimal Stimulus (V) Efek setelah stimulus A 25 45
Fatigue B 40 75 Fatigue C 28 50 Fatigue
Pengujian  ini dilakukan dengan cara  menerapkan electrical stimulator pada  otot-otot  pergelangan  tangan  dan  otot  pada sendi  siku  yang  menyebabkan  pergerakan  sesuai  dengan penelitian.  Subyek  diminta  untuk  duduk  rileks  dengan menggantungkan  tangan  searah  dengan  gaya  gravitasi  bumi. Untuk  perubahan  tegangan  yang  digunakan  adalah  tegangan minimum sebelum terjadinya pergerakan dari sendi yang diberi stimulus  dan  tegangan  maksimum  ketika  terjadi  pergerakan sendi  maksimal  yang  dapat  dicapai.  Selain  itu,  terdapat  efek yang ditimbulkan setelah otot mendapat stimulus dari electrical stimulator yaitu fatigue (rasa  lelah  pada  otot).  Untuk  hasil perubahan tegangan tersebut ditunjukkan pada tabel berikut.
C. Pengujian Sensor Accelerometer dan Gyroscope
Pengujian  sensor  ini  dilakukan  dengan  mengambil  data tilt sensor dan gyroscope secara bersamaan. Pada saat pertama kali, digunakan posisi 0 0 sebagai posisi awal dari sensor.
Gambar  5.  Respon accelerometer dan gyroscope dalam  keadaan  00,  hijau adalah Gyroscope dan Merah adalah Accelerometer
Gambar 6. Respon accelerometer dan gyroscope dalam keadaan bergerak, hijau adalah Gyroscope dan Hijau adalah Accelerometer .
Didapatkanlah  data  bahwa  pengukuran accelerometer dan gyroscope dimana  data tilt  accelerometer cenderung  konstan dan  mendekati  nilai  0 0 dan  nilai gyroscope yang  cenderung konstan tetapi tidak stabil  menuju ke atas. Hal  ini  disebabkan oleh bias  error yang  merupakan  sifat  dari gyroscope .Untuk hasil pada pengujian pertama ini, ditunjukkan pada gambar 5. Untuk pengujian kedua digerakkan kedua sensor tersebut secara bersamaan, lalu dihitung sudut tilt sensor tersebut. Terlihat jelas dari gambar 6 bahwa pengukuran accelerometer akan semakin tidak stabil ketika kondisi dinamis sedangkan hasil pengukuran dari gyroscope akan memberikan nilai yang lebih halus ketika kondisi  dinamis  meskipun  terdapat bias  drift .  Melalui  hasil pengujian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa accelerometer akan lebih  akurat  ketika  pengukuran  statis  sedangkan gyroscope akan lebih bagus ketika pengukuran dinamis. Jika bias drift ini dapat  dihindari,  maka  pengukuran  yang  lebih  akurat  dapat tercapai.

## D. Pengujian  Sudut  Lengan  Atas,  Lengan  Bawah  dan Pergelangan Tangan Menggunakan butterworth LPF
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  tingkat  akurasi dari hasil pengukuran sudut persendian tanpa LPF dan dengan LPF.  Dimana  didapatkan  bahwa  penggunaan  LPF  akan memberikan  hasil  yang  lebih  baik.  Selain  memberikan  hasil yang  lebih  baik,  penggunaan  sensor  LPF  ini  berguna  untuk mengurangi noise akibat  pergerakan tangan  yang  tidak  stabil. Filter  ini  diterapkan  pada  seluruh  keluaran  sensor,  berikut gambar 7 adalah contoh hasil keluaran accelerometer LPF dan gyroscope LPF.
Gambar  7.  Respon  sensor accelerometer dan gyroscope kondisi  diam  dan kondisi bergerak dalam LPF
Gambar  8.  Respon  sensor accelerometer dan gyroscope kondisi  diam  dan kondisi bergerak
E. Perbandingan Hasil Output PID dengan Output yang di Inginkan
Pada pengujian ini dilakukan pengukuran untuk membandingkan hasil output PID ketika kondisi diam dengan kondisi  sensor  mengikuti  target.  Pada  gambar  9  merupakan contoh  hasil output dari boost  voltage terhadap  target biceps yang diinginkan. Dapat terlihat pada gambar tersebut, tegangan output akan  terus  meningkat  seiring  dengan  meningkatnya target pada kondisi 1, dan pada kondisi 2 target akan memiliki nilai  konstan  sebesar  40 0 dengan  nilai  tegangan output yang tetap yaitu 50 V.
Gambar  9.  Respon output pergerakan  radial  PID  terhadap  target  yang  di inginkan
Perubahan  tegangan  pada  kondisi  1  ini  disebabkan  oleh perubahan  target  yang  harus  dicapai,  sehingga  tegangan  akan terus meningkat karena semakin besatnya error yang ada. Error ini  didapatkan  dari  selisih  antara  target  yang  harus  dicapai dengan  sudut  yang  dibentuk  oleh  pergelangan  tangan.  Pada kondisi  2,  tegangan  yang  dihasilkan  akan  menghasilkan tegangan  yang  konstan  yaitu  50V.  Pemberian  stimulus maksimal pada pergelangan tangan adalah 50V, karena melalui data pengambilan data open loop sudah terbilang cukup untuk menghasilkan  pergerakan  sudut  yang  diinginkan.  Oleh  sebab itu  bila  otot  subyek  diberi  stimulus  lebih  dari  50V,  di khawatirkan  subyek  akan  merasa  kesakitan  sehingga  ketika dalam perhitungan output PID hasil perhitungan melebihi nilai 50 maka tegangan yang akan dikeluarkan akan sebesar 50V.
error 1 2

## F. Pengujian Stimulator dengan Feedback PID pada Subyek Normal untuk Pergerakan Elbow Joint
Percobaan  pengukuran elbowjoint ditunjukkan  gambar  di bawah,  dengan  menggunakan  nilai  konstanta  yang  di  rubah masing-masing antara Kp, Ki dan Kd . Pada periode pertama 0 0 hingga  90 0 ,  didapatkan  pergerakan  sudut elbowjoint dari  0 0 hingga  90 0 yang  digambarkan  dengan  warna  biru  dan  target yang harus dicapai pada garis berwarna merah. Melalui gambar di atas, didapatkan bahwa dengan berubahnya nilai Kp dari nilai yang  kecil  hingga  besar,  maka  perubahan error pada  kondisi sekarang  akan  lebih  terlihat  dibandingkan  dengan  nilai konstanta Kp yang kecil.
Gambar 10. Sudut elbow joint terhadap tegangan output stimulator oleh subyek A dengan nilai Kp 0.25, Ki 0.25 dan Kd 8
Gambar 11. Sudut elbow joint terhadap tegangan output stimulator oleh subyek A dengan nilai Kp 1.75, Ki 0.25 dan Kd 8
Gambar 12. Sudut elbow joint terhadap tegangan output stimulator oleh subyek A dengan nilai Kp 1.75, Ki 0.5 dan Kd 8
Gambar 13. Sudut elbow joint terhadap tegangan output stimulator oleh subyek A dengan nilai Kp 1.75, Ki 0.75 dan Kd 8
Dapat  terlihat  pula  dengan  nilai Kp 0.25,  tegangan  yang dihasilkan oleh stimulator akan tidak terlalu memberikan hasil yang  signifikan  yang  mengakibatkan  perubahan  sudut  yang kecil.  Tetapi  sebaliknya  ketika  nilai Kp sebesar  1.75,  maka perubahan  sudut  akan  lebih  terlihat.  Percobaan  yang berikutnya, mengganti nilai konstanta Ki dengan nilai Ki kecil hingga besar. Didapatkan bahwa dengan menggunakan nilai Ki yang  lebih  kecil,  maka  perubahan  sudut  tidak  akan  terlalu berosilasi.  Hal  ini  didapatkan  dengan  melihat  gambar  dengan kondisi Ki 0.25  dengan  perbandingan  nilai  kondisi Ki 0.75. Dimana ketika nilai Ki yang lebih besar, akumulasi error dari sistem  akan  semakin  besar  pula  sehingga  osilasi  pada  sistem akan semakin besar. Hal ini terjadi karena akselerasi dari sistem akan semakin besar, sehingga perubahan sistem terhadap sudut yang  akan  dicapai  semakin  besar.  Pada  hasil  percobaan  yang terakhir adalah pergantian nilai konstanta
Gambar 14. Sudut elbow joint terhadap tegangan output stimulator oleh subyek A dengan nilai Kp 1.75, Ki 0.75 dan Kd 3
Gambar 15. Sudut elbow joint terhadap tegangan output stimulator oleh subyek A dengan nilai Kp 1.75, Ki 0.75 dan Kd 7.

## IV. KESIMPULAN
Peletakkan posisi elektroda berpengaruh terhadap intensitas kontraksi  otot  yang  mempengaruhi  sudut  pergerakan  yang dibentuk.  Berdasarkan  hasil  pengujian, electrical  stimulator mampu  menghasilkan output tegangan  sesuai  dengan spesifikasi  yang  di  inginkan  dan  rata-rata  stimulasi  minimal pada otot biceps sebesar 31V dan maksimal sebesar 56.6V dari 3  subyek  normal.  Kondisi fatigue atau  kelelahan  otot  akan mempengaruhi  hasil  dari  kontraksi  otot.  Sehingga  dengan adanya keadaan ini, kekuatan otot berkontraksi akan turun dan menyebabkan  kesalahan  dalam  akuisisi  data.  Melalui keseluruhan pengujian sistem dengan mengganti nilai konstanta Kp , Ki dan Kd untuk  pergerakan  sendi  siku,  dapat mempengaruhi  hasil  perubahan  sudut  subyek.  Nilai  konstanta Kp , Ki dan Kd dari setiap pergerakan subyek berbeda-beda dan memerlukan  percobaan  terlebih  dahulu  untuk  mendapatkan konstanta tersebut.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. Watanabe, T., Futami, R., Hoshimiya, N. “An Approach to a Muscle Model with  a  Stimulus  Frequency-Force  Relationship  for  FES  Applications”. IEEE  Transactions  on  Rehabilitation  Engineering, Vol.  7,  No.  1,  Maret, 1999 [2]. P Taylor.. “Upper Limb Electrical Stimulation Exercises”, Salisbury FES,
Janurai 2002