## Gait Analysis Study of Runner Using Force Plate

## Flaviana*, Risti Suryantari
Program Studi Fisika, Fakultas Teknologi Informasi dan Sains, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung
* Email: flaviana@unpar.ac.id
DOI: http://dx.doi.org/10.13057/ijap.v6i02.2394

## ABSTRACT
Humans  do  regular  physical  activities  such  as  running. Gait  is  forward  propulsion  of  the human body using lower extremities as a thrust. Humans gait pattern is characterized by their limbs  movement  in  terms  of  velocity,  ground  reaction  force,  work,  kinetic  energy  and potential  energy  cycle.  Human  gait  analysis  is  used  to  assess,  to  plan,  and  to deliver  the treatment  for  individuals  based  on  the  conditions  that  affect  their  ability  to  move. Gait analysis is commonly used in running sport to improve the efficiency of athletes in running and to identify problems related to their posture or movement. The aim of this research is to do running gait analysis study of human, using force plate which equipped by track board. The benefit of this study is to provide information, ideas and new perspectives about running and  its  prevention  over  an  injury.  The  main  method  that  will  be  discussed  in  this  study  is system design of gait analysis with specific setting, hardware and software, in order to acquire data(s).
Keyword: force, gait analysis, gait, force plate, running.

## ABSTRAK
Manusia  melakukan  aktivitas  sehari-hari  seperti  berlari.  Gerakan  maju  tubuh  yang  tegak, dengan menggunakan tulang gerak bawah tenaga penggeraknya disebut dengan istilah gait . Pola gait pada setiap manusia ditandai oleh gerak tungkai yang berbeda dari segi kecepatan, gaya reaksi tanah, kerja, siklus energi kinetik dan energi potensialnya. Analisis terhadap gait manusia  digunakan  untuk  menilai,  merencanakan  dan  memberikan  perlakuan  terhadap individu  berdasarkan  kondisi  yang  mempengaruhi  kemampuan  mereka  untuk  bergerak. Analisis gait sering digunakan dalam olahraga lari untuk membantu atlet berlari lebih efisien dan untuk mengidentifikasi masalah yang berkaitan dengan postur atau gerakan atlet tersebut. Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melakukan  studi  analisis gait orang,  yaitu  saat  berlari menggunakan intrumentasi force plate yang dilengkapi papan jalur lari. Manfaat penelitian ini  adalah  memberikan  informasi,  gagasan  dan  perspektif  baru  terkait  dengan  peningkatan efisiensi saat berlari serta pencegahan faktor risiko cedera. Metode penelitian yang digunakan adalah  perancangan  sistem  analisis gait dengan  spesifikasi  perangkat  keras  dan  perangkat lunak tertentu untuk pengambilan data.
Kata kunci: gaya, analisis gait , gait , force plate , berlari .

## PENDAHULUAN
Analisis  terhadap gait manusia  digunakan  untuk  menilai,  merencanakan  dan  memberikan perlakuan  terhadap  individu  atas  kondisi  yang  mempengaruhi  kemampuan  mereka  untuk bergerak.  Sebagai  salah  satu  contoh,  cabang  olahraga  atletik  melakukan  analisis gait untuk membantu  atlet  berlari  lebih  efisien  dan  untuk  mengidentifikasi  masalah  yang  berkaitan dengan  postur  atau  gerakan  atlet  tersebut.  Pada  umumnya  analisis gait dilakukan  dengan melacak  pergerakan  manusia  melalui  sistem  analisis  berbasis  kinetika  (dinamika)  maupun kinematikanya [1] .
Siklus gait adalah aktivitas yang terjadi antara satu kaki menyentuh tanah dan kaki pada sisi yang  sama  kembali  menyentuh  tanah.  Satu  siklus gait terdiri  dari  dua  buah  fase  yaitu,  fase stance (pada saat salah satu kaki menyentuh tanah) dan fase swing (pada saat salah satu kaki
mengayun  atau  tidak  mengalami  kontak  dengan  tanah).  Umumnya  bagian  kaki  yang menyentuh tanah terlebih dulu adalah tumit [2] .
Perkembangan teknologi kesehatan saat ini memungkinkan  analisis terhadap gait digunakan pada  hampir  semua  bidang  yang  mencakup  rehabilitasi  medis,  ortopedi,  kinesiologi,  ilmu pengetahuan  olahraga,  dan  bidang  lainnya  yang  terkait [3] .  Teknik  analisis gait yang  terus berkembang,  diperlukan  dalam  penanganan  masalah  yang  berkaitan  dengan  postur  atau gerakan pada orang berlari khususnya yang berisiko mengalami cedera. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan studi melalui pengambilan data orang berlari guna memberikan informasi, gagasan dan perspektif baru terkait dengan peningkatan efisiensi saat berlari serta pencegahan faktor risiko cedera.
Penelitian-penelitian  sebelumnya  telah  dilakukan  terkait  dengan  analisis gait .  Parikesit,  E. pada tahun 2012 mengembangkan sistem instrumentasi analisis gait menggunakan sensor IMU ( Inertial  Measurement  Unit )  dan  sensor  tekanan  dengan  beberapa  keunggulan  yaitu, pemasangan peralatan yang relatif mudah, tidak memerlukan ruangan khusus, serta harga yang terjangkau [4] .  Penelitian  serupa  dikembangkan yang  melakukan review keterkaitan  antara cedera  berupa  fraktur  tungkai  bawah  yang  dialami  pelari  dengan  gaya  reaksi  tanah  yang dialami kaki pelari [5] .
Gambar 1 . Grafik gaya reaksi tanah terhadap waktu lari [5]
Tahun 1999, Cross, R. melakukan penelitian menggunakan force plate untuk mengukur gaya reaksi tanah yang terlibat saat pergerakan tubuh manusia. Pengukuran tersebut dilakukan pada tiga jenis aktivitas, berdiri, berjalan, dan lompat [6] . Gambar 1 menunjukkan grafik gaya reaksi tanah  (GRF)  terhadap  waktu  yang  dialami  pelari,  diukur  menggunakan Force  Plate . Berdasarkan ketiga penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, sebuah penelitian analisis gait dilakukan untuk mengukur GRF menggunakan force plate .
Salah  satu  intrumentasi  berbasis  kinetika  yang  sering  digunakan  dalam  analisis gait adalah force  plate (Gambar  2).  Cara  kerja  instrumentasi  yang  menggunakan  sensor piezoelectric tersebut adalah berdasarkan prinsip fisika dalam mengukur gaya dan momen gaya. Sensor ini bersifat  sebagai  transduser,  yaitu  mengubah  energi  mekanik  menjadi  energi  listrik.  Melalui force plate , dapat dilakukan pengukuran, pemrosesan, dan interpretasi gaya total yang timbul akibat kontak antara tubuh dengan tanah selama proses bergerak [7] .
Gambar 2 . Force Plate 0364BT [8]
Saat  seseorang  sedang  berjalan,  kakinya  yang  mengalami  kontak  dengan  tanah  akan memberikan sejumlah gaya tertentu secara vertikal ke bawah menuju tanah. Menurut Hukum Newton III, sejumlah gaya yang sama namun arahnya berlawanan diberikan oleh tanah ke kaki orang tersebut, yang disebut sebagai gaya reaksi tanah (GRF).
Besar  GRF  yang  dialami  seseorang  saat  berlari  dapat  diukur  menggunakan  alat force  plate . Output yang dihasilkan oleh force plate yaitu grafik GRF terhadap waktu. Dengan merancang suatu  jalur  lari  yang  dilengkapi force  plate ,  aktivitas  berlari  antara  satu  individu  dengan individu  yang  lain  dapat  dikarakterisasi.  Salah  satunya  yaitu  melalui  besaran  GRF  tertentu dalam fase stance maupun swing saat berlari.
Selain itu diketahui bahwa posisi telapak kaki saat fase stance , memiliki risiko tertentu untuk mengalami  cedera  akibat  mengalami  akumulasi  GRF.  Dalam  studi  ini,  penelitian  dilakukan untuk melihat seberapa besar pengaruh alas kaki yang digunakan orang saat berlari. Model sol sepatu  dilihat  dari  tingkat  kekerasannya,  menjadi  salah  satu  variabel  yang  diamati  dalam penelitian ini, yaitu untuk mengukur efek kekerasan sol sepatu terhadap kekakuan yang dialami sendi tumit dan kaitannya dengan GRF [9] .

## METODE
Proses perekaman data dilakukan di area rooftop Gedung 10, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung dengan melakukan penarikan sampel sejumlah empat subjek pelari. Cara melakukan penarikan sampel dalam penelitian ini, yaitu dengan membuat sistem analisis gait (Gambar 3) yang  terdiri  dari  peralatan  utama  berupa  dua  buah force  plate.  Force  plate tipe  0364BT berukuran  (28  x  32  x  5)  cm 3 dengan  gaya  kompresi  maksimum  4500  N.  Coach  Lab  II + digunakan  sebagai  perangkat  antar  muka  yang  menghubungkan  kedua force  plate dengan Laptop. Force plate 1 dan force plate 2 terhubung dengan Coach Lab II + melalui BT ( British Telecom ) plug .
Sebagai papan jalur lari, dibuat dua buah papan kayu yang masing-masing memiliki panjang 2 meter, lebar 60 cm, dan tebal 5 cm. Kedua force plate diletakkan secara mendatar dan tingginya sejajar dengan papan jalur, di kedua tempat yang berbeda dan terpisah oleh papan jalur sejauh 2 meter, yaitu di tengah antara kedua papan jalur, dan di ujung papan jalur lari (Gambar 3). Subjek mengambil posisi lari dimulai dari titik awal, kemudian berlari di sepanjang jalur lari yang telah disediakan, termasuk mengalami kontak dengan kedua force plate .
Gambar 3. (Colour Online) Sistem gait lari menggunakan force plate
Perangkat lunak yang digunakan dalam penelitian ini yaitu CMA CoachLab II Data masukan yang terekam oleh perangkat ini dapat menghasilkan data keluaran berupa tabel serta grafik gaya terhadap waktu. Data keluaran tersebut kemudian dianalisis untuk mengamati besar GRF serta impuls yang dialami kaki pelari selama fase stance .
Selanjutnya pengambilan data berlari terhadap empat subjek dilakukan dengan menggunakan tiga jenis alas kaki, yaitu:
1. Sepatu lari menggunakan sol sepatu reguler (R) bermerk Adidas Adizero.
2. Sepatu lari menggunakan sol sepatu tebal (M) namun memiliki fleksibilitas tinggi bermerk Nike air max .
3. Tanpa menggunakan alas kaki, barefoot (B).
Masing-masing subyek berlari sebanyak 9 set, yaitu 3 set menggunakan alas kaki R (set R1, R2, R3), 3 set  alas kaki M (set M1, M2, M3), dan 3 set alas kaki B (B1, B2, B3). Satu set lari berdurasi 30 detik. Data yang telah direkam oleh perangkat lunak CMA CoachLab, disimpan untuk  selanjutnya  diolah  menggunakan  Microsoft  Excel.  Pengolahan  data  dilakukan  untuk menghasilkan variasi gaya reaksi tanah (GRF) terhadap waktu pada fase stance dengan tiga set alas  kaki  R,  M,  B.  Data  GRF  yang  telah  diperoleh,  digunakan  untuk  menganalisis  ada  atau tidaknya  kaitan  antara  alas  kaki  yang  digunakan  pelari  terhadap  keefektifan  berlari  maupun risiko cedera kaki saat berlari.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Data GRF terhadap waktu lari untuk tiga set alas kaki R, M, dan B menunjukkan hasil yang cukup beragam selama fase stance . Gambar 4 menunjukkan grafik GRF terhadap waktu lari subjek ke-3 untuk set R1, M1, dan B1. Masing-masing set lari memiliki durasi waktu 30 detik. Dari Gambar 4 (a) terlihat bahwa gaya reaksi tanah yang diterima subjek, sewaktu memakai sepatu bersol R, meningkat secara signifikan dengan gaya GRF paling besar 1532,4 N. Ketika menggunakan  sepatu  bersol  M,  subjek  mengalami  gaya  paling  besar  akibat  kontak  dengan tanah sebesar 1211,2 N (Gambar 4 (b)). Saat tidak menggunakan alas kaki saat berlari (Gambar 4  (c)),  subjek  mengalami  GRF  maksimum  hanya  sedikit  lebih  besar  nilainya  dibandingkan menggunakan sol sepatu M, yaitu 1271,1 N.
Gambar 4. (Colour Online) Grafik GRF terhadap waktu, t selama 30 detik (a) set R1, (b) set M1, dan (c) set B1 subjek ke-3
Jika diamati dari diagram batang nilai GRF maksimum terhadap waktu keempat subjek dengan menggunakan  masing-masing  sol  sepatu  R,  M,  dan  B  (Gambar  5),  terlihat  kecenderungan bahwa saat keempat subjek menggunakan alas kaki dengan sol sepatu R, subjek mengalami gaya  paling  maksimum  dibandingkan  ketika  menggunakan  sol  sepatu  M,  atau  tidak menggunakan alas kaki (B). Sedangkan ketika subjek tidak menggunakan alas kaki (B), gaya yang dialaminya tidak mengalami perbedaan yang cukup signifikan jika dibandingkan dengan subjek memakai alas kaki menggunakan sol sepatu M.
2.72, 868.1 14.88, 1291.8 27.2, 1294.3 3.6, 1269.8 15.64, 1532.4 28.16, 898.7 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 G RF (N) t(s) a Force Plate 1 Force Plate 2
2.84, 1061.1 15.08, 1180.7 27.84, 1211.2 3.76, 1062.3
16.04, 946.3 28.84, 892.6 0 500 1000 1500 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 F(N) t(s) b Force Plate 1 Force Plate 2
3.04, 1117.2 16.32, 1271.1 27.72, 1160 4.16, 1041.5
17.36, 1090.4 28.84, 1140.4 0 500 1000 1500 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 F(N) t(s) c Force Plate 1 Force Plate 2
Gambar 5 (Colour Online) Grafik GRF terhadap waktu set R1, set M1, dan set B1 pada keempat subjek
Hal lain yang cukup penting diamati adalah rasio kenaikan gaya  yang dialami subjek ketika berlari dibandingkan ketika berdiri. Ketika subjek ke-1 berdiri diam di atas alat force plate , alat tersebut menghasilkan keluaran gaya sebesar gaya berat atau berat badan subjek tersebut (BB rata-rata subjek ke-1 590,4 N). Rasio kenaikan gaya yang dialami kaki subjek ke-1 saat fase stance adalah dapat mencapai hingga 2,9 kali lipat dibandingkan ketika subjek tersebut berdiri diam.

## KESIMPULAN
Dalam  penelitian  ini  telah  diamati  kaitan  antara  jenis  sol  sepatu  lari  yang  digunakan  pelari dengan  gaya  reaksi  tanah  (GRF)  saat  fase stance yang  dialaminya.  Dari  analisis  dan pembahasan pertama, terlihat kecenderungan bahwa subjek mengalami GRF paling maksimum ketika  menggunakan  sepatu  olahraga  yang  memiliki  sol  sepatu  reguler  (R),  dibandingkan ketika berlari menggunakan sepatu bersol tebal namun memiliki fleksibilitas tinggi (M), atau tidak menggunakan alas kaki sama sekali (B). Ketika subjek tidak menggunakan alas kaki (B), gaya  yang  dialaminya  tidak  mengalami  perbedaan  yang  cukup  signifikan  jika  dibandingkan saat subjek memakai alas kaki menggunakan sepatu bersol tebal (M) tersebut. Besar GRF yang dialami  kaki  seorang  pelari  memang  berperan  penting  sebagai  daya  dorong  tungkai  bawah dalam berlari. Namun  akumulasi  GRF secara kontinu dapat  memberikan risiko cedera  yang lebih besar pada kaki, terutama jika alas kaki yang digunakan memiliki sifat yang cukup kaku.
Agar dapat memperoleh basis data yang lebih menyeluruh mengenai analisis gait pelari, maka penelitian sebaiknya dilakukan terhadap grup umur dan grup aktivitas tertentu (misalnya, grup pelari dan non pelari). Kendala lain yang ditemui saat melakukan penelitian ini adalah adanya keterbatasan dana untuk membeli peralatan sepatu dengan beberapa variasi nomor sepatu. Hal ini mengakibatkan sampel penelitian terbatas untuk beberapa subjek saja dengan nomor sepatu yang  relatif  sama.  Selain  itu,  ukuran  alat force  plate yang  tersedia  memang  cukup  kecil. Dimensi  panjang  x  lebar  sebesar  32  cm  x  28  cm  hanya  baik  untuk  pengambilan  data  statis seperti berdiri atau meloncat di tempat saja. Ketika digunakan untuk pengambilan data berlari, subjek perlu mengatur langkah larinya agar fase stance tertentu jatuh tepat di atas force plate .
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 1 2 3 4 Sol sepatu R 1356.5 1678.9 1532.4 1229.5 Sol sepatu M 1247.9 1591 1211.2 1222.2 Barefoot (B) 1234.4 1488.4
1271.1 1168.5 G RF m ak s (N) Subyek ke- Sol sepatu R Sol sepatu M Barefoot (B)

## DAFTAR PUSTAKA
1 Vaughan,  Cristopher  L.,  Brian  L.  Davis,  Jeremy  C.  O’Connor  (1999). Dynamics  of Human Gait . 2 nd ed. Kiboho Publishers.
2 Knudson, Duane (2007). Fundamentals of Biomechanics 2 nd . Springer.
3 Winter, David A (2009). Biomechanics and Motor Control of Human Movement 4 th ed . John Wiley and Sons.
4 Parikesit, Elang (2012). Master Tesis: Pengembangan Modul Wearable Gait Analysis Berbasis Sensor IMU dan Sensor Tekanan. Institut Teknologi Bandung.
5 Zadpoor A., Nikooyan A. (2010). The Relationship between Lower-extremity Stress Fractures and the Ground Reaction Force: A Systematic Review . Elsevier, Clinical Biomechanics Journal 26 (2011) p 23-28.
6 Cross,  Rod  (1999). Standing,  Walking,  Running,  and  Jumping  on  a  Force  Plate . American Association of Physics Teachers, Vol 67 (4).
7 Medved, Vladimir (2001). Measurement of Human Locomotion. CRC Press.
8 Centre  for  Microcomputer  Applications.  Force  Plate  0364BT  User’s  Guide. http://www.cma-science.nl.
9 Bramble,  Dennis  M.,  Daniel  E.  Lieberman  (2004). Endurance  of  Running  and  the Evolution of Homo . Nature 432, 345:352