JURNAL FLYWHEEL, September 2022, Vol 13 (2), 71-78 E-ISSN: 2745-7435 P-ISSN: 1979-5858

## Perancangan Sepeda Roda Tiga Pasca Stroke Dengan Mekanisme Penggerak Elektrik
Rosadila Febritasari 1 *, Gerald Adityo Pohan 1 , Febi Rahmadianto 1 , Tito Arif Sutrisno 1 , Ajiman Budi Mardika 1 , Achamd Alphafill Ibrahimy Yusuf 1 , Agung Rusdi Wibowo 1 , Subur Sujatmiko 1 , Mohammad Rahma Dhani 1
1 Program Studi Teknik Mesin S-1 Institut Teknologi Nasional Malang Email: rosadila@lecturer.itn.ac.id

## A BSTRACT
Konstruksi sepeda roda tiga memiliki keseimbangan yang baik dan dapat meminimalisir resiko terguling sehingga aman menjadi  media rehabilitasi  fisik  bagi  penderita  stroke  dan  sangat  berguna  dalam  memulihkan pergerakan motorik  pada kaki  dan  mengurangi  tekanan  hidup  penderita  stroke.  Namun,  pada  kondisi  tertentu  seperti  di  tanjakan  dan  kelelahan, penderita stroke tidak memiliki cukup tenaga untuk mengayuh sepeda ke rumah mereka. Oleh karena itu, perlu dirancang sebuah  mekanisme  penggerak  elektrik  ( electric  support )  dengan  motor  listrik  pada  sepeda  roda  tiga  konvensional  dan dilengkapi  dengan  baterai  untuk  menyimpan  sumber  listrik,  disamping  dapat  dikayuh  secara  manual.  Dengan  tujuan, penderita  stroke  dapat  kembali  pulang  dengan  menyalakan  motor  listrik  yang  membuat  kayuhan  menjadi  lebih  ringan terlebih  lagi  di  jalan  menanjak.  Penelitian  ini  dilakukan  dengan  cara  menentukan  tenaga  dorong  yang  diperlukan, merancang  dan  menyeleksi  konsep  mekanisme  gerak  sepeda  elektrik,  kemudian  menganalisa  kekuatan  material  pada rangka dan keergonomisan berkendara. Hasil yang didapat dari penelitian ini berupa rancangan sepeda roda tiga elektrik model delta dengan dimensi panjang sepeda 1.5 meter, jarak antara roda belakang adalah 0.66 meter, dan tinggi sepeda 1.1  meter.  Mekanisme  penggerak  elektrik  terdiri  dari  motor  listrik  500W  bertipe mid-drive dengan Pedal  Assistance Sensor (PAS)  dan  baterai  Lithium  berkapasitas  48V-14Ah.  Rancangan  sepeda  ini  mampu  menahan  beban  pengendara maksimal  100  kg,  dan  akan  digunakan  di  jalan  menanjak.  Material  rangka  adalah  AISI  Alumunium  6061  dengan tegangan  yang  diijinkan  sebesar  277.6±8.3  MPa.  Hasil  analisis  kekuatan  material  menunjukkan  tegangan  kritis  rangka sebesar 84.932 MPa terjadi pada daerah pertemuan pipa seat stay dan sandaran. Tegangan kritis yang terjadi lebih kecil daripada tegangan yang diijinkan sehingga dinyatakan aman.
Kata Kunci: pasca stroke, sepeda roda tiga listrik, sensor bantuan pedal, frame

## PENDAHULUAN
Di dunia kesehatan dan rehabilitasi, sepeda roda tiga dapat digunakan sebagai media terapi pasca stroke di rumah sakit, membantu anggota gerak tubuh bawah (lower extremity) bergerak lebih sering dan secara tidak langsung otot-otot pada anggota gerak tubuh bawah ikut berfungsi semua (compound movement) baik otot yang lemah maupun otot yang kuat [1], [2].
Namun demikian, dalam kenyataan beberapa masalah muncul pada penderita stroke yang melakukan rehabilitasi fisik di luar Rumah Sakit, misalnya di jalan umum, ketika penderita kelelahan mengayuh, maka mereka harus berhenti beberapa saat,  menunggu  tenaga  pulih  kembali,  kemudian  baru  melanjutkan  kayuhan  lagi.  Jika  kita  melihat  kondisi  jalan  di Indonesia yang cenderung tidak selalu datar/ rata, khususnya jalan di daerah permukiman, akan menjadi sebuah kendala bagi  penderita  stroke  yang  ingin  bersepeda.  Disamping  itu,  jika  tempat  tinggal  penderita  stroke  berada  di  atas  dataran yang cukup tinggi dan mengharuskan mereka melewati beberapa tanjakan, maka mereka harus mengayuh sepeda dengan sekuat tenaga, padahal penderita stroke memiliki kelemahan otot pada anggota gerak tubuh yang menyebabkan penderita tidak mampu menggerakkan otot dengan baik [3]–[6]. Hal ini menyebabkan penderita stroke tidak bisa bersepeda terlalu lama terlebih lagi di medan jalan yang menanjak, karena penderita stroke kesulitan dalam mengatur irama kayuhan dan menguras tenaga.
Untuk  mengatasi  permasalahan  yang  diuraikan  di  atas, dirancang dan  dibuat  mekanisme penggerak motor  listrik  untuk melengkapi  kayuhan  manual  sepeda  selama  ini  [7],  [8].  Mekanisme  akan  dilengkapi  dengan  motor  listrik,  baterai penyimpan arus, layar LCD, magnetic brake cut-off sensor , pedal assistance sensor (PAS), dan speed detecting sensor . Tujuan  penambahan  pedal  assistance  sensor  (PAS)  pada  sepeda  roda  tiga  ini,  bukan  untuk  keperluan  terapi  fisik, melainkan untuk mempermudah penderita stroke melakukan mobilitas dengan sepeda, misalnya ketika penderita stroke ingin bersepeda keliling tempat tinggal dan mulai lelah mengayuh atau ketika bersepeda harus melewati beberapa jalan menanjak, maka PAS dapat dinyalakan, sehingga motor akan berputar dan membantu kayuhan kaki terasa lebih ringan [9]–[13]. Disamping membantu kayuhan, penambahan PAS juga sangat perlu untuk mencegah terjadinya serangan stroke susulan  akibat  jantung  berdetak  terlalu  cepat,  karena  penderita  bersepeda  terlalu  keras.  Oleh  karena  itu,  perancangan sepeda roda tiga elektrik dapat disesuaikan berdasarkan kebutuhan terapi dan kebutuhan mobilitas.

## METODE PENELITIAN
Perancangan sepeda roda tiga dengan mekanisme penggerak elektrik diantaranya, pertama, daftar kebutuhan akan sebuah produk  diobservasi  berdasarkan  kebutuhan  penderita  stroke.  Kedua,  perhitungan  tenaga  dorong  yang  diperlukan  untuk menjalankan  sepeda.  Ketiga,  perancangan  dan  penyeleksian  konsep  sepeda.  Keempat,  kekuatan  material  pada  rangka dianalisa  untuk  mengetahui  keamaan  rangka  [14],  [15].  Dan  terakhir,  dilakukan  analisa  ergonomis  pada  pengendara. Kedua analisa ini dilakukan menggunakan CAD Software Opensource.

## Massa komponen sepeda
Massa seluruh komponen sepeda yang perlu dipertimbangkan dalam perhitungan tenaga dorong dapat dilihat pada tabel 1.
T ABEL 1. D
AFTAR MASSA KOMPONEN YANG DIPERTIMBANGKAN

## K
OMPONEN M ASSA ( KG ) K ETERANGAN P ENGENDARA / PASIEN 100 B ERAT MAKSIMAL PENGENDARA UNTUK MENAIKI SEPEDA
R ANGKA  DAN  AKSESORIS ( A SSEMBLY SERAITS) 24 B OBOT SEPEDA TIDAK LEBIH DARI 25 KG M OTOR DAN GEAR 6 B ERAT MOTOR DAN GEAR PADA UMUMNYA DI PASARAN B ATERAI 6 B ERAT BATERAI PADA UMUMNYA DI PASARAN P OWER CONTROLLER 1 B ERAT POWER CONTROLLER PADA UMUMNYA DI
PASARAN T

## OTAL MASS
137

## Perhitungan Tenaga Dorong
Di  jalan  menanjak,  sepeda  akan  mengalami  pengaruh  yang  ekstrim  seperti  pengaruh  aerodinamik/ aerodynamic  drag resistance , gelinding/ rolling resistance , dan sudut kemiringan jalan yang mana dapat dilihat pada Gambar 1.
Fig. 1. Free body diagram sepeda roda tiga pada jalan menanjak
Gambar 1 menunjukkan free body diagram sepeda roda tiga yang dipengaruhi oleh perubahan sudut kemiringan jalan.
(1) Dimana adalah propulsion force , adalah rolling resistance , adalah slope resistance , and adalah aerodynamic drag resistance that can be ignored . Persamaan percepatan ( ) diperoleh dari standar kecepatan yang diijinkan terhadap range waktu terapi terapi 30 menit, sebagai berikut.
……….... .………… ….. (2)
Persamaan tenaga dorong dituliskan sebagai berikut.
(3)
Maka nilai tenaga dorong dapat dilihat pada tabel 2.
TABLE I. H ASIL PERHITUNGAN GAYA DORONG DAN TENAGA DORONG Rolling resistance Slope resistance Propulsion force Tenaga dorong Kecepatan 4 km/jam  Kecepatan 6 km/jam 1 16.13 N 23.46 N 39.6229 N 44.03 W 66.04 W 2 16.12 N 46.90 N 63.0638 N 70.07 W 105.11 W 3 16.11 N 70.34 N 86.4855 N 96.10 W 144.14 W 4 16.09 N 93.75 N 109.8809 N 122.09 W 183.13 W 5 16.07 N 117.13 N 133.2428 N 148.05 W 222.07 W 6 16.04 N 140.48 N 156.5642 N 173.96 W 260.94 W 7 16.01 N 163.79 N 179.8378 N 199.82 W 299.73 W 8 15.97 N 187.04 N 203.0567 N 225.62 W 338.43 W 9 15.93 N 210.24 N 226.2138 N 251.35 W 377.02 W 10 15.88 N 233.38 N 249.3020 N 277.00 W 415.50 W
Jadi, gambar detail rancangan 2D sepeda elektrik dapat dilihat pada gambar 2.
Selanjutnya  rangka  sepeda  roda  tiga  elektrik  dianalisis  kekuatan  material  untuk mengetahui  berapa  besar  tegangan  dan displacement yang terjadi pada material sehingga dapat dianalisis apakah material gagal atau tidak dalam menahan beban desain. Rancangan sepeda ini didesain untuk dapat menahan beban hingga 100 kg.

## Pemodelan Rangka Sepeda
Rangka  sepeda  didesain  menggunakan  software  CAD.  Dimensi  dari  rancangan  rangka  sepeda  roda  tiga  elektrik  dapat dilihat pada gambar 3.
Fig. 3. Dimensi Rancangan Rangka sepeda roda tiga elektrik

## Meshing
Selanjutnya,  meshing  pada  rangka  sepeda  dilakukan  dengan  memperhatikan  ukuran  meshing  ( meshing  size ).  Semakin kecil meshing  size yang  diberikan  maka  model  akan  semakin  representatif  dalam  menggambarkan  simulasi,  namun meshing size yang kecil membutuhkan perangkat keras yang memadai dan juga waktu yang lama untuk simulasi. Metode meshing yang digunakan untuk rigid body adalah automatic mesh dengan sizing sebesar 10 mm seperti gambar 4.
Detail mesh Nilai Jenis mesh Quadhedron mesh Jumlah nodes 66274 Jumlah elements 20742 Ukuran mesh 10 mm Fig. 4. Hasil meshing di ANSYS

## Penetapan boundary condition
Rangka  sepeda  menggunakan  material  Alumunium  6061-T6  dengan  dengan tensile  yield  strength 277.6±8.3  Mpa. Simulasi static structural dilakukan dengan ANSYS workbench dan menetapkan boundary condition yaitu fixed support pada bagian head tube dan rear end , seperti dapat dilihat pada gambar 5.

## Pemberian beban/load
Pemberian beban/ load berdasarkan distribusi pembebanan dari ergonomi tubuh pengendara sendiri dari head , neck , torso , arm dan  lain-lain  [16]–[18]. Pembebanan/load  yang  diberikan  pada  rangka  dalam  simulasi static  structural ada  4  gaya dan berat pengendara sebesar W=100 kg, sebagai berikut.
• Gaya F 1 terdapat gaya total arm (0.0505W + 0.01) ditambah berat power controller (1 kg) :
• Gaya F 2 terdapat gaya total leg (0.1582W + 0.05) ditambah berat motor listrik dan crank set (6 kg):
• Gaya  F 3 terdapat  gaya  head,  neck  and  torso  (0.5940W  -  2.20)  ditambah  dengan  upper  arm  (0.0274W  -  0.01) ditambah berat baterai (6 kg) :
• Gaya F 4 terdapat gaya neck and torso (0.5582W – 4.26) :
Pembebanan/load yang diberikan pada rangka dapat dilihat pada gambar 5.
Fig. 5. Free Body Diagram Rangka Sepeda Roda Tiga Elektrik
Keterangan :

## Simbol  Keterangan
: Gaya berat pengendara pada head tube
: Gaya berat pengendara pada bottom bracket
: Gaya berat pengendara pada seat post
: Gaya berat pengendara pada pipa sandaran

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil simulasi
Dengan menggunakan ukuran mesh 1.5 mm, pemodelan dijalankan sesuai dengan pemodelan yang telah diatur. Respon yang  ditinjau  adalah total  deformation , maximum  tensile  strength ,  dan safety  factor .  Hasil  simulasi  ditunjukkan  pada gambar 6, 7, dan 8.
Fig. 6. Hasil simulasi: total deformation
Fig. 7. Hasil simulasi: maximum tensile strength Fig. 8. Hasil simulasi: safety factor
Gambar  6  menunjukkan total  deformation yang  terjadi  akibat  pembebanan  yang  diberikan  pada  rangka  adalah  4  mm yang terjadi pada daerah sandaran. Gambar 7 menunjukkan maximum tensile strength sebesar 84.932 MPa yang terjadi pada daerah pertemuan pipa seat stay dan sedangkan gambar 8 menunjukkan safety factor sebesar 3.29.

## Mekanisme gerak sepeda elektrik
Sepeda roda tiga elektrik ini bertipe delta yaitu 1 roda di depan  dan 2 roda di belakang, semua roda berukuran 16 inch seperti dapat dilihat pada gambar 9.
Fig. 9. Mekanisme penggerak roda belakang sepeda elektrik

## TABLE II.
K OMPONEN PADA PENGGERAK RODA BELAKANG Nomor  Nama komponen Nomor  Nama komponen 1 Motor Listrik 5 Baterai dan kabel 2 Pedal dan crank set 6 Sprocket 6 speeds 3 Roda belakang 7 Poros belakang 4 Bearing 8
Rantai sepeda
Fig. 10. Dimensi Poros
Gambar  9  menunjukkan  sepeda  elektrik  tersusun  atas  1  roda  depan  berfungsi  sebagai dead  wheel sedangkan  2  roda belakang  berfungsi  sebagai drive  wheel .  Mekanisme  penggerak  utama  sepeda  berada  di  motor  listrik  dan  pedal  maka selanjutnya  dapat  disebut  sebagai pedelec singkatan  dari  ‘ pedal ’ dan ‘ electric ’ yang menunjukkan bahwa  motor listrik akan  menyala  jika  pengendara  mengayuh  sepeda  dan  secara  bertahap  mengurangi  tenaga  kayuh  pengendara  sebelum mencapai kecepatan tertentu. Sepeda roda tiga elektrik menggunakan motor  listrik standar tipe mid-drive dengan tenaga 500W  48V.  Di  dalam  motor,  terdapat  sensor  kayuh  ( pedal  assistance  sensor /  PAS)  yang  berfungsi  untuk  mendeteksi gerakan  kayuhan  pedal  ( cadence ).  Ketika  gerakan  kayuhan  pedal  terdeteksi  maka  motor  listrik  akan  menyala  dan memberikan torsi motor mencapai kecepatan yang telah diatur pengendara. Torsi motor ditransmisikan melalui rantai ke sprocket yang  terhubung  ke  poros  belakang  sehingga  roda  belakang  dapat  berputar  mendorong  sepeda.  Adapun  sensor Brake  Cutoff / Magnetic  Sensor dan speed  detecting  sensor .  Poros  pada  roda  belakang  terbuat  dari  Steel  AISI  1040 dengan panjang 660 mm dan diameter 25 mm dan 20 mm, seperti gambar 10. Poros ini akan dipasangkan dengan 2 roda belakang,  2 hub ,  4 bearing , sprocket ,  dan  rem.  Bateri  yang  digunakan  adalah  baterai  Litium  dengan  kapasitas  luaran voltase ( output voltage ) sebesar 48 V yang menjadi kebutuhan input voltage dari motor, sedangkan arus listrik sebesar 14 Ah dengan dimensi 125×76×265 mm 3 . Baterai diletakkan di pipa penghubung seatpost dan sandaran.

## K ESIMPULAN
Mekanisme penggerak utama sepeda roda tiga elektrik berada di motor listrik dan pedal dapat disebut sebagai pedelec singkatan dari  ‘ pedal ’  dan ‘ electric ’  yang  menunjukkan  bahwa  motor  listrik  akan  menyala  jika  pengendara  mengayuh sepeda dan secara bertahap mengurangi tenaga kayuh pengendara sebelum mencapai kecepatan tertentu. Di dalam motor, terdapat  sensor  kayuh  ( pedal  assist  sensor )  yang  berfungsi  untuk  mendeteksi  gerakan crank pedal  ( cadence ).  Ketika gerakan crank pedal terdeteksi maka motor listrik akan menyala dan memberikan torsi motor mencapai kecepatan yang telah diatur pengendara. Komponen pada mekanisme penggerak di sepeda roda tiga elektrik adalah sebagai berikut.
Komponen Keterangan Motor listrik : Tipe mid-drive, tenaga 500W 48V Sensor pendukung : Pedal Assistance Speed sensor, Brake Cutoff/ Magnetic sensor, dan speed detecting sensor Baterai Litium : Tegangan 48V, Kuat arus 14 A Poros : Steel AISI 1040, panjang 660 mm dan diameter 25 mm dan 20 mm Roda : 16 inch Sprocket : 6 speeds

## R EFERENCES
[1] T. Fujiwara, M. Liu, and N. Chino, “Effect of Pedaling Exercise on the Hemiplegic Lower Limb,” Am. J. Phys. Med. Rehabil. , vol. 82, no. 5, pp. 357 – 363, 2003, doi: 10.1097/01.phm.0000064722.01940.e4.
[2] S. Ferrante et al. , “A biofeedback cycling training to improve locomotion: A case series study based on gait  pattern  classification  of  153  chronic  stroke  patients,” J.  Neuroeng.  Rehabil. ,  vol.  8,  no.  1,  2011, doi: 10.1186/1743-0003-8-47.
[3] L.  Ada,  C.  G.  Canning,  and  S.  L. Low,  “Stroke  patients  have  selective  muscle  weakness  in  shortened range,” Brain , vol. 126, no. 3, pp. 724 – 731, 2003, doi: 10.1093/brain/awg066.
[4] I. M. L. Batan, D. A. K. Wardani, and H. L uthfiyanto, “Use procedures tricycle for physical rehabilitation of stroke patients,” AIP Conf. Proc. , vol. 1778, no. October, 2016, doi: 10.1063/1.4965804.
[5] I.  M.  Londen  Batan,  T.  N.  A.  Sukma  Lutiawan,  and  L.  A.  Salim,  “Tricycle  Applications  for  Physic al Therapy  Sufferers,” IOP  Conf.  Ser.  Mater.  Sci.  Eng. ,  vol.  588,  no.  1,  2019,  doi:  10.1088/1757- 899X/588/1/012034.
[6] R. Febritasari and I. M. L. Batan, “Implementation Fugl Meyer Assessment of Lower Extremity Method to Develop a Post-stroke Rehabilitati on Procedure Using ITS Tricycle,” IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. , vol. 598, no. 1, 2019, doi: 10.1088/1757-899X/598/1/012092.
[7] O. Greenhalgh et al. , An exploration of stroke survivors’ perspectives on cycling and the use of electric bikes , vol. 40, no. 2. 2019. doi: 10.3233/PPR-190133.
[8] B.  Gojanovic,  J.  Welker,  K .  Iglesias,  C.  Daucourt,  and  G.  Gremion,  “Electric  bicycles  as  a  new  active transportation modality to promote health,” Med. Sci. Sports Exerc. , vol. 43, no. 11, pp. 2204 – 2210,
2011, doi: 10.1249/MSS.0b013e31821cbdc8.
[9] B.  Sperlich,  C.  Zinner,  K.  Hebert- Losier,  D.  P.  Born,  and  H.  C.  Holmberg,  “Biomechanical, cardiorespiratory,  metabolic  and  perceived  responses  to  electrically  assisted  cycling,” Eur.  J.  Appl. Physiol. , vol. 112, no. 12, pp. 4015 – 4025, 2012, doi: 10.1007/s00421-012-2382-0.
[10] T. W. Janssen et al. , “Effects of Electric Stimulation -Assisted Cycling Training in People With Chronic Stroke,” Arch. Phys. Med. Rehabil. , vol. 89, no. 3, pp. 463 – 469, 2008, doi: 10.1016/j.apmr.2007.09.028.
[11] M. Chavarrias, J. Carlos-Vivas, and J. Pérez- Gómez, “Health benefits of zumba: A systematic review,” J. Sport Heal. Res. , vol. 10, no. 3, pp. 327 – 337, 2018.
[12] B. de  Geus, F. Kempenaers, P. Lataire, and R. Meeusen, “Influence  of electrically as sisted cycling on physiological parameters  in untrained subjects,” Eur. J. Sport Sci. , vol. 13, no. 3, pp. 290 – 294, 2013, doi: 10.1080/17461391.2011.606845.
[13] R. Bulthuis, M. Tabak, L. Schaake, and H. Hermens, “Outdoor E -trike cycling: A low intensity physical activity,” Assist. Technol. , vol. 00, no. 00, pp. 1 – 8, 2021, doi: 10.1080/10400435.2020.1858995.
[14] R.  Kosasih,  M.  Y.  R.  Siahaan,  R.  A.  Siregar,  P.  Studi,  T.  Mesin,  and  U.  M.  Area,  “Analisis  Ketahanan Impak Bahan Lembaran Polimer yang Berpotensi Digunakan untuk Penutup Spidometer Motor Impact Resistance Analysis of Polymer Sheet Materials Potentially Used For Motorcycle Speedometer Cover Perkembangan  dunia  usaha  pada  bidang  otomotif  ,”  vol.  6,  no.  01,  pp.  94– 103,  2022,  doi: 10.31289/jmemme.v6i1.6210.
[15] F. Rahmadianto and G. A. Pohan, “Analisa Pengaruh Variasi Displacement Shock Absorber Kendaraan Bermotor Terhadap Respon Getaran,” J. Mech. Manuf. Technol. , vol. 1, no. 1, pp. 18 – 23, 2020.
[16] B. C. Langford, C. R. Cherry, D. R. Bassett, E. C. Fi tzhugh, and N. Dhakal, “Compari ng physical activity of pedal- assist electric bikes with walking and conventional bicycles,” J. Transp. Heal. , vol. 6, no. May, pp.
463 – 473, 2017, doi: 10.1016/j.jth.2017.06.002.
[17] J. Junaidi, “Pemodelan Dan Simulasi Sistem Roda Gigi Menggunakan Pendeka tan Multi Body Dynamic Dengan  Metode  Menghitung  Parameter  Roda  Gigi  Dengan  Roda  Senyawa,” J.  Mech.  Eng.  Manuf. Mater. Energy , vol. 4, no. 1, pp. 40 – 49, 2020, doi: 10.31289/jmemme.v4i1.3751.
[18] F.  B.  Sihombing,  M.  Y.  R.  Siahaan,  and  R.  A.  Siregar,  “Analis is  Kekuatan  Mekanik  Material  Komposit yang  Berpeluang  Diaplikasikan  pada  Handle  Rem  Sepeda  Motor  Analysis  of  Mechanical  Strength  of Composite  Materials  that  Possibly  Applicable  on  Motorcycle  Brake  Handle  Program  Studi  Teknik Mesin , Universitas Meda,” vol. 6, no. 01, pp. 86 – 93, 2022, doi: 10.31289/jmemme.v6i1.6209.