Analisis Pembebanan Kaki Tiruan Monocentric Produk Undip Atas Lutut Menggunakan Ground Reaction Force
*Rifky Ismail, Dimas Satria, M. Ariyanto, Ojo Kurdi, Sugiyanto Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto Kampus UNDIP Tembalang Semarang 50275
*E-mail: rifky_ismail@ft.undip.ac.id

## Abstract
One  of  the  limbs  that  plays  an  important  role  for  mobility  is  the  leg.  However,  some  persons  with disabilities, especially losing legs, have physical limitations that cause reduced mobility. Therefore, the development  of  artificial  legs  is  very  helpful  for  persons  with  disabilities  in  carrying  out  their  daily activities.  One  of  the  above  knee  prosthetic  products  that  has  been  developed  by  Diponegoro University  is  an  above  knee  prosthetic  with  a  mechanical  joint.  However,  in  the  loading  analysis process,  only  100  kg  load  is  used.  So  that  in  this  study,  a  loading  analysis  was  carried  out  using  a ground  reaction  force.  The  results  of  the  analysis  of  ground  reaction  force  loading  at  the  gait  cycle 17% resulted in a maximum von Mises stress of 18.47 MPa, a maximum deformation of 0.11 mm and a safety factor of 14.94. While the gait cycle 47% produces a maximum von Mises stress of 20.88 MPa, a maximum deformation of 0.14 mm and a safety factor of 13.21. It can be concluded that the above knee prosthetic can receive the greatest load on the gait cycle 47% which is greater than the gait cycle 17%.
Keyword : Above Knee Prosthetic , Ground Reaction Force , Loading Analysis , FEM

## Abstrak
Salah  satu  anggota  gerak  tubuh  yang  berperan  penting  untuk  mobilitas  adalah  kaki.  Akan  tetapi, beberapa  penyandang  disabilitas  terutama  kehilangan  kaki  memiliki  keterbatasan  fisik  yang menyebabkan  mobilitas  berkurang.  Oleh  karena  itu,  perkembangan  kaki  tiruan  sangat  membantu penyandang disabilitas dalam melakukan aktivitas sehari-hari. Salah satu produk kaki tiruan atas lutut yang  telah  dikembangkan  oleh  Universitas  Diponegoro  yaitu  kaki  tiruan  atas  lutut  dengan  sendi mekanik.  Akan  tetapi  dalam  proses  analisis  pembebanan,  hanya  menggunakan  pembebanan  100kg. Sehingga  dalam  penelitian  ini,  dilakukan  analisis  pembebanan  menggunakan ground  reaction  force . Hasil  analisis  pembebanan ground  reaction  force pada gait  cycle 17%  menghasilkan  tegangan  von Mises  maksimal  sebesar  18,47  MPa,  deformasi maksimal  sebesar  0,11 mm  dan safety  factor sebesar 14,94.  Sedangkan  pada gait  cycle 47%  menghasilkan  tegangan  von  Mises  maksimal  sebesar  20,88 MPa, deformasi maksimal sebesar 0,14 mm dan safety factor sebesar 13,21. Hal ini dapat disimpulkan bahwa  kaki tiruan  atas lutut  tersebut  dapat menerima  beban  terbesar  pada gait  cycle 47%  yang lebih besar daripada gait cycle 17%.
Kata kunci: Kaki Tiruan Atas Lutut, G round Reaction Force , Analisis Pembebanan, FEM

## 1. Pendahuluan
Salah  satu  anggota  gerak  tubuh  yang  berperan  penting  untuk  mobilitas  adalah  kaki.  Akan  tetapi,  beberapa penyandang disabilitas terutama  kehilangan  kaki memiliki keterbatasan  fisik  yang  menyebabkan mobilitas  berkurang. Oleh karena itu, perkembangan kaki tiruan sangat membantu penyandang disabilitas dalam melakukan aktivitas sehari- hari. Ada lebih dari 1000 juta orang di dunia yang menyandang disabilitas, yaitu sekitar 15% dari populasi dunia atau satu  dari  tujuh  orang  [1].  Di  Indonesia,  sekitar  3,5%  dari  populasi  Indonesia  merupakan  penyandang  disabilitas  atau sekitar 7,7 juta jiwa [2].
Pada pasien  penyandang  disabilitas  dengan  permasalahan  fungsi  gerak  di  atas mata  kaki,  terdapat  3  jenis  kaki tiruan yang ditawarkan kepada pasien sesuai dengan kondisi amputasi yang dialami, yaitu: kaki tiruan bawah lutut, kaki tiruan  tepat  lutut  dan  kaki  tiruan  atas  lutut  [3].  Produk  kaki  tiruan  atas  lutut  atau  sering  disebut  sebagai  above  knee prosthesis  (AKP)  yang  memiliki  sendi  lutut  tiruan  berbasis  kinerja  mekanis  yang  memiliki  fleksibilitas  pengaturan tinggi  masih  didominasi  oleh  produk  impor.  Produk  AKP  domestik  masih  berkonsentrasi  pada  sistem  sendi konvensional [4]. Kaki tiruan yang telah dikembangkan oleh Universitas Diponegoro merupakan kaki tiruan atas lutut yang memiliki sendi mekanik untuk memenuhi gerakan kaki pada umumnya.
Salah satu produk kaki tiruan atas lutut tersebut, telah dikembangkan oleh Jamari dan Ismawan [5] menghasilkan produk above  knee  prosthetic bertipe monocentric menggunakan  hidrolis  yang  dinilai  akan  lebih  smooth  dalam melakukan  fase-fase gait  cycle .  Sebenarnya  penggunaan  hidrolis  ini  yaitu  sebagai  pengganti  otot quadriceps dan hamstring .  Sudut  gerak  yang  dicapai  prostesis  ini  hanya  mampu  sebesar  55  derajat  sehingga  perlu  disempurnakan
produknya.  Pada  pengguna  AKP  fleksibilitas  menjadi  faktor  krusial.  Kurangnya  fleksibilitas  pada  level  rendah  akan mengurangi  kenyamanan  saat  pengguna  menggunakan  kaki  tiruan  dan  pada  level  tinggi  akan  membatasi  gerakan pengguna.  Misalnya  saja  pengguna  tidak  dapat  duduk  atau  jongkok  dengan  sempurna  karena  kaki  tiruan  memiliki keterbatasan gerak [6].
Selain penyempurnaan fungsional gerak, penyempurnaan juga dibutuhkan dalam kajian kemampuan kaki tiruan dalam  menahan  beban.  Salah  satu metode  simulasi pembebanan  adalah menggunakan analisis  metode  elemen hingga dengan  beban  statis  menggunakan  referensi  beban  yang  jelas.  Finite  element  method  (FEM),  atau  metode  elemen hingga  adalah  suatu  metode  analisa  perhitungan  yang  didasarkan  pada  gagasan  dalam  membangun  suatu  obyek  yang sangat kompleks dengan beberapa bagian (blocks) yang sederhana, atau dengan membagi objek yang sangat kompleks menjadi  kecil  dan  pengaturan kepingan-kepingan [7].  Pada proses  pengembangan kaki  tiruan atas  lutut tersebut, telah dilakukan  analisis  menggunakan FEM dan  menghasilkan  nilai  tegangan  maksimal,  deformasi  maksimal  dan safety factor .  Akan  tetapi  analisis FEM tersebut  menggunakan  pembebanan  dengan  asumsi  berat  badan  pengguna  100  kg. Kemudian  penelitian  yang  telah  dilakukan  oleh  Farahmand,  dkk  [8]  menghasilkan  data ground  reaction  force yang dapat digunakan pada analisis FEM . Sehingga hasil analisis yang didapatkan dapat lebih baik, karena data tersebut telah disesuaikan dengan gait cycle . Gait  cycle terdiri  dari  dua  periode,  yaitu  periode  berdiri  ( stance )  dimana  anggota  badan  (kaki)  mengenai landasan, dan periode mengayun ( swing ) dimana anggota badan tidak mengenai landasan [9]. Gait cycle dibagi menjadi delapan  fase  yang  memiliki  tiga  tugas  fungsional  anggota  tubuh  diantaranya weight  acceptance  (WA), single  limb support (SLS), limb advancement (LA) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 [10].
Gambar 1. Siklus pola jalan [10]

## 2. Metode Penelitian
2.1. Desain
Produk kaki tiruan atas lutut yang telah dikembangkan memiliki desain yang dapat dilihat pada Gambar 2. Pada bagian frame menggunakan plat Almunium dengan ketebalan 1mm.
Gambar 2. Produk kaki tiruan atas lutut [5]

## 2.2. Material yang Digunakan
Dalam penelitian ini, material yang digunakan menggunakan material Al 6061. Material jenis aluminium paduan 6061 dipilih karena strength to mass ratio yang cukup besar sehingga material yang ringan mampu menahan beban yang cukup besar. Material ini memiliki mechanical properties yang dapat dilihat pada Tabel 1.

## Plat 1 mm
Tabel 1. Mechanical properties Al 6061 [11].
Mechanical Properties Nilai Density 2700 kg/m 3 Tensile Strength, Ultimate 310 MPa Tensile Strength, Yield 276 MPa Modulus of Elasticity 68900 MPa Poisson's Ratio 0,33 Shear Modulus 26000 MPa

## 2.3. Pembebanan
Pada  penelitian  sebelumnya,  simulasi  beban  statis  yang  dilakukan  hanya  berdasarkan  asumsi  berat  pengguna tanpa  mempertimbangkan  analisis  beban  yang  lebih  nyata  berdasarkan  hasil  perhitungan.  Pada  penelitian  ini,  data pembebanan ground reaction force dapat dilihat pada Gambar 3. Pengambilan data yang digunakan untuk analisis FEM didasarkan pada gaya-gaya terbesar yang berdasarkan penelitian Farahmand [8]. Pada grafik tersebut dapat disimpulkan bahwa  gaya  yang  dapat  diambil  yaitu  pada  dua  punca gait  cycle di  Gambar 3.  Untuk  keterangan  dari  setiap  kasus pembebanan  dapat  dilihat  pada  Tabel  2.  Dan  pada  Gambar  4  merupakan  tahap  pembebanan  pada  simulasi menggunakan software. Adanya  beban  yang  lebih  nyata  pada  simulasi  kaki  tiruan  ini  dapat  memastikan  kemampuan kaki tiruan dalam menahan beban saat orang berjalan normal pada puncak beban tertinggi yang terlihat pada Gambar 3 (a).
Pada  simulasi  2  jenis  pembebanan  yang  diberikan,  2  simulasi  dilakukan  dengan  menggunakan  analisis  beban puncak yang dialami oleh kaki yang sedang berjalan sesuai gait cycle orang berjalan normal. Pada kasus yang pertama, diambil data beban saat gait cycle mencapai 17 %, dengan beban vertikal Fy sebesar 10,4 N/kg dan tekukan sudut lutut saat knee  flexion pada  arah  23º.  Pada  kasus  yang  kedua,  diambil  data  beban  saat  gait  cycle  mencapai  47%,  dengan beban  vertikal  Fy  sebesar  10,7  N/kg  dan  tekukan  sudut  lutut  saat knee  flexion pada  arah  7º.  Pengguna  diasumsikan memiliki  massa  sebesar  100  kg  sehingga  beban  yang  diberikan  pada  kasus  pertama  sebesar  1040  N  dan  pada  kasus kedua  sebesar  1070  N.  Jumlah  beban  dan arah  knee  flexion diperlihatkan  pada  diagram  benda  bebas  pada  Gambar  4 dimana gaya diberikan dari arah bawah ke atas.
(a) (b)
Gambar 3. (a) Grafik ground reaction force (b) Grafik knee angle [8]
Tabel 2 . Keterangan pada setiap kasus pembebanan
Variasi Pembebanan Keterangan Kasus 1 Gait Cycle = 17 % Fy = 10,4 N/kg Knee Flexion = 23º Kasus 2 Gait Cycle = 47 % Fy = 10,7 N/kg Knee Flexion = 7º Kasus 1 Kasus 2
(a)                                                                                           (b) Gambar 4. Variasi pembebanan ground reaction force (a) kasus 1 dan (b) kasus 2
Meshing yang digunakan menggunakan body sizing dengan element size 5mm. Pemilihan element size ini agar hasil meshing tidak  terlalu  besar  dan  terlalu  kecil  untuk  dilakukan  simulasi  tahap  selanjutnya,  yaitu  menggunakan convergence tools.
Ketika  struktur  dirancang  oleh  seorang  insinyur,  insinyur  mempertimbangkan  faktor  keamanan  ketika menentukan  hubungan  tegangan-regangan  struktur.  Faktor  keamanan  ini  umumnya  dalam  kisaran  3  hingga  10  kali tekanan  yang  biasanya  diletakkan  pada  struktur.  Artinya,  gaya  yang  diterapkan  untuk  mencapai  titik  leleh  secara signifikan lebih besar daripada gaya  yang umumnya diterapkan dalam aktivitas sehari-hari. Jelas dan telah disarankan bahwa bahan biologis dan struktur biologis harus memiliki faktor keamanan yang sangat besar. Tidak perlu dikatakan, tekanan  yang  ditempatkan  pada  struktur  biologis  dalam  kegiatan  sehari-hari  jauh  lebih  sedikit  daripada  yang  bisa ditangani oleh struktur itu [12].
Setelah  proses meshing dan  proses running tercapai  maka  diperoleh  hasil  untuk  dilihat  berupa  tegangan (von Mises stress ) , deformasi ( displacement ) , dan faktor keamanan ( safety factor ). Akan tetapi untuk dapat dikatakan hasil simulasi  tersebut valid maka  dilakukan  proses  tambahan  yaitu  menggunakan convergence  tool .  Pada  simulasi convergence tools ini, dapat dikatakan konvergen ketika perubahan pada hasil simulasi tidak lebih dari 3% seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4(a) untuk kasus 1 dan Gambar 4(b) untuk kasus 2.
(a)                                                                                                     (b)
Gambar 5. Variasi pembebanan ground reaction force (a) kasus 1 dan (b) kasus 2
3. Hasil Dan Pembahasan
3.1. Hasil Simulasi FEM (a) (b)
Gambar 6. Hasil tegangan maksimal (a) kasus 1 dan (b) kasus 2
Gambar 5 merupakan hasil dari analisis pembebanan menggunakan metode elemen hingga dimana tegangan von Mises maksimal pada kasus 1 sebesar 18,47 MPa dan pada kasus 2 sebesar 20,88 MPa.
(a) (b)
Gambar 7. Hasil deformasi maksimal (a) kasus 1 dan (b) kasus 2
Gambar  6  merupakan  hasil  dari  analisis  pembebanan  menggunakan  metode  elemen  hingga  dimana  deformasi maksimal pada kasus 1 sebesar 0,11 mm dan pada kasus 2 sebesar 0,14 mm.
(a) (b)
Gambar 8. Hasil safety factor (a) kasus 1 dan (b) kasus 2
Gambar 7 merupakan hasil dari analisis pembebanan menggunakan metode elemen hingga dimana safety factor pada kasus 1 sebesar 14,94 dan pada kasus 2 sebesar 13,21.
Pada  Tabel  3  menunjukkan  tegangan  von  Mises,  deformasi  dan safety  factor yang  terjadi  pada  prostesis berdasarkan  dari hasil  simulasi  yang telah  dilakukan.  Mencermati hasil  yang  didapatkan  pada  simulasi tegangan  pada Tabel  3,  diperlihatkan  bahwa  desain  yang  digunakan  pada  kaki  tiruan monocentric produk  Undip  ini  telah  mampu menahan beban dengan baik saat siklus berjalan dengan distribusi tegangan yang berkisar antara 18-20 MPa. Angka ini masih  jauh  di  bawah  kemampuan  material  menahan  beban  berdasarakan  data yield  strength Al  6061  yang  dapat mencapai lebih dari 200 MPa. Hal ini juga didukung dengan tingginya angka keamanan atau safety factor produk yang mencapai 13-15. Hasil simulasi ini menunjukkan bahwa pemilihan material, desain geometri dan distribusi pembebanan pada  produk  kaki  tiruan monocentric produk  Undip  ini  telah  tepat  dan  dapat  dilanjutkan  untuk  penyempurnaan kemampuan fleksion sehingga dapat mencapai angka fleksi lebih dari 125°.
Tabel 3. Hasil tegangan von Mises, deformasi dan safety factor. Kasus Tegangan von Mises (MPa) Displacement (mm) Safety factor Kasus 1 18,47 0,11 14,94 Kasus 2 20,88 0,14 13,21

## 4. Kesimpulan
Hasil  analisis  pembebanan ground  reaction  force pada gait  cycle 17%  menghasilkan  tegangan  von  Mises maksimal sebesar 18,47 MPa, deformasi maksimal sebesar 0,11 mm dan safety factor sebesar 14,94. Sedangkan pada gait cycle 47% menghasilkan tegangan von Mises maksimal sebesar 20,88 MPa, deformasi maksimal sebesar 0,14 mm dan safety factor sebesar 13,21. Hal ini dapat disimpulkan bahwa kaki tiruan atas lutut tersebut dapat menerima beban terbesar  pada gait  cycle 47%  yang  lebih  besar  daripada gait  cycle 17%.  Akan  tetapi  perlu  dilakukan  optimasi  desain agar  nilai safety  factor lebih  kecil  atau  mendekati  5-10,  agar  dalam  proses  produksi  prostesis  tidak  boros  atau menghasilkan  produk  yang  optimal.  Selain  itu  juga  perlu  ditingkatkan  dalam  sudut  gerak  prostesis  ini  agar  dapat mencapai 135 derajat.

## Referensi
[1]   World Health Organization, 2015. World Global Disability Action Plan 2014-2021. Department for Management of NCDs, Disability, Violence and Injury Prevention (NVI), Switzerland.
[2]   World Health Organization, 2010. Disability and Rehabilitation . Diakses di : www.searo.who.int/indonesia/topics/ disability/en/ pada 17/03/2019.
[3]  Lestari,  H.,  Izzhati,  D.N.,  Rachmat,  N.,  Setyawan,  D.  Saputra,  E.,dan  Ismail,  R.,  2015.  Pengukuran  Jangkauan Gerak Pada Lutut Orang Indonesia Sebagai Awal Perancangan Kaki Tiruan Atas Lutut. Prosiding SNST ke-6.
[4]  Sugiyanto, S., Biyan, B.P., Alhakim, B.P., Setyawan, D.,  Setiana, B., Rachmat, N., dan Ismail, R., 2015. Analisis Tegangan pada Transfemoral Prosthetic Tipe Four-Bar Linkage dalam Fase Awal Siklus Gait Cycle. Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM) XIV.
[5]  Jamari,  J.  dan  Ismawan,  A.R.,  2015.  Perancangan  Above  Knee  Prosthetic  untuk  Pasien  Amputasi  Kaki  Di  Atas Lutut. ROTASI , 17(2), pp.93-97.
[6]  Sugianto, S., Biyan, B.P., Alhakim, B.P., Setyawan, D., Ismail, R., 2017. Analisis Kinematis untuk Menentukan Dimensi Tranfemoral Prosthetic Tipe Four-Bar Linkage dalam Fase Awal Siklus Gait Cycle. Rotasi , 19(2), pp.61- 67.
[7]  Dzulfikar, M., Jamari, Ismail, R., Sugiyanto, S., Yopi, H.A., Setyawan, D., 2015. Analisa Gait Cycle Beban Statis Produk  Kaki  Tiruan  Atas  Lutut  (Above  Knee  Prosthesis)  Menggunakan  Metode  Elemen  Hingga. Momentum , 11(2), pp.55-60.
[8] Farahmand, F., Rezaeian, T., Narimani, R., dan Dinan, P.H., 2006. Kinematic and Dynamic Analysis of the Gait Cycle of Above-Knee Amputees . Scientia Iranian , Vol. 13, No. 3, pp 261-271.
[9] Perry,  J.  and  Davids,  J.R.  1992.  Gait  Analysis:  Normal  and  Pathological  Function. Journal  of  Pediatric Orthopaedics , 12(6), p.815.
[10] Whittle, M.W., 2014. Gait analysis: an Introduction . Butterworth-Heinemann.
[11] ASM Handbook Volume 2 : Properties and Selection : Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. 10 th ed. 1990. ASM International.
[12] Hamill,  J.,  Knutzen,  K.M.,  Derrick,  T.R.,  2015. Biomechanical  Basis  of  Human  Movement,  Fourth  Edition . Wolters Kluwer.