## Karakterisasi Respon Sensor Flex pada Pergerakan Jari Berdasarkan Sudut kemiringan
1 Muhammad Arifin *) , 1 Ulfah Nadiya, 1 Artha Ivonita Simbolon 1 Novan Agung Mahardiono &
1 Irwan Purnama
1 UPT Balai Pengembangan Instrumentasi,
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
muha208@lipi.go.id *)

## Abstrak
Sensor  flex  sering  digunakan  sebagai  sensor  untuk  mendeteksi  perubahan  pergerakan  jari,  namun nilai  perubahan  sensor  tersebut  belum  tentu  berbanding  lurus  dengan  perubahan  pergerakan  jari. Dalam artikel ini akan membahas penggunaan dua sensor untuk mengetahui respon pergerakan jari, yaitu dengan sensor flex dan sensor IMU. Sensor flex diletakkan pada area metacarpal hingga distal phalange . Pada area proximal phalange dan distal phalange diletakkan sensor IMU untuk mendeteksi sudut  yang  dibentuk  pada  gerakan  jari.  Informasi  tersebut  digunakan  sebagai  acuan untuk melihat respon resistansi sensor flex pada titik sudut yang sama saat jari melakukan pergerakan menekuk. Hasil  percobaan  pada  pengujian  sensor  flex  didapatkan  bahwa  gerakan  untuk  membuka  dan menggenggam  pada  semua  jari  memberikan  respon  pola  yang  sama  namun  terdapat  perbedaan resistansi diperulangan dan didapatkan ∆R rata-rata sebesar 0.12%. Dengan melakukan pengamatan pada dan , dapat diketahui respon resistansi sensor flex  pada masing-masing sudut tekuk tiap  jari.  Dengan  pengamatan  pada , dan  sensor  flex,  maka  pendeteksian  pergerakan  jari akan menjadi lebih presisi.
Kata Kunci:  Deteksi Jari, Sensor Flex, Sensor IMU, metacarpal, proximal phalange , distal phalange ,

## 1 Pendahuluan
Deteksi perubahan dan tingkat akurasi menjadi informasi penting untuk mengontrol suatu objek.  Pergerakan  jari  memiliki  sudut  dan  derajat  kebebasan  yang  banyak,  sehingga memiliki  informasi  yang  luas  dan  dapat  diaplikasikan  pada  berbagai  bidang.  Apabila didapatkan informasi yang tidak  sesuai dengan pergerakan jari, maka akan menimbulkan permasalahan pada sistem yang akan dikontrol.
Berbagai  sistem  metode  dan  yang  dapat  digunakan  untuk  mendeteksi  suatu  perubahan pergerakan  pada  jari  dapat  menggunakan  sensor  citra  seperti  kamera  (RGB)  [1],  Sensor Kinect (RGB-D) [2], Leap Motion [3], dan sensor fisik seperti sensor flex [4-6], sensor EMG [7].  Pengembangan  pendeteksian  jari  menggunakan  kamera  dapat  menggunakan perbedaan  warna  objek.  Dengan  adanya  sensor  infra  merah  tambahan,  maka  akan didapatkan informasi kedalaman objek( Depth ) seperti pada sensor kinect dan leap motion.
Akan  tetapi  penggunaan  sensor citra  untuk mendeteksi gerakan  jari memiliki kekurangan pada  tingkat  kepresisian  sudut  pergerakan  jari.  Selain  itu,  objek  yang  akan  dijadikan informasi  memiliki  keterbatasan  gerak  pada  pengguna.  Pada  leap  motion  memiliki  sudut baca  tangkap  kamera  sebesar  140 o dan  daerah  interaksi  pembacaan  sensor  sebesar 147mm x 235 mm. Perubahan gerakan jari di luar daerah interaksi itu tidak akan terbaca oleh leap motion [3].
Penggunaan  sensor  fisik  memberikan  kebebasan  pada  pengguna  untuk  melakukan aktivitas tanpa harus memindahkan sensor, karena pada umumnya sensor akan terpasang pada  bagian  luar  dari  jari  atau  tangan.  Sensor  yang  sering  digunakan  untuk  mendeteksi perubahan  jari  menggunakan  sensor  flex.  Sensor  flex  menghasilkan  perubahan  nilai hambatan  listrik  (resistansi)  yang  sebanding  dengan  perubahan  kelengkungan  yang dialaminya  [4].  Dari  hal  ini  dapat  dimanfaatkan  untuk  mendeteksi  besar  perubahan pergerakan  jari.  Namun  perubahan  sudut  tekukan  dari  setiap  jari  yang  dihasilkan  belum tentu berbanding lurus dengan perubahan resistansi dari sensor flex. Dan hasil pembacaan sensor flex akan berbeda pada setiap orang bergantung dari panjang dan lebar dari setiap jari serta kondisi tekuk yang dihasilkan [5].
Dalam paper ini digunakan  sensor flex dan sensor IMU ( Inertial Measurement Unit )  untuk mendeteksi  perubahan  pergerakan  jari.  Sensor  IMU  digunakan  untuk  mengetahui  respon gerak jari secara alami sekaligus mengamati hasil resistansi dari sensor flex. Hasil tersebut nantinya  akan  digunakan  sebagai  acuan  oleh  sensor  flex  untuk  mengetahui  kondisi  jari berdasarkan respon resistansinya.

## 2 Sistem Arsitektur

## 2.1 Anatomi Jari
Diantara anatomi tubuh manusia, tangan manusia memiliki jumlah derajat kebebasan yang lebih  banyak  di  antara  yang  lain.  Model  struktur  kerangka  tangan  normalnya  memiliki  23 jumlah  derajat  kebebasan  yang  terbagi  dalam  lima  jari.  Ibu  jari  memiliki  lima  derajat kebebasan dengan dua diantaranya berada di daerah sendi Trapeziometacarpal (TM), dua derajat  kebebasan  di  sendi Metacarpophalangeal (MCP)  dan  satu  derajat  kebebasan berada di sendi Interphalangeal (IP). Sedangkan pada keempat jari lainnya memiliki empat jumlah  derajat  kebebasan  yang  sama.  Pada  bagian  sendi Metacarpophalangeal (MCP) memiliki dua jumlah derajat kebebasan dan masing-masing satu jumlah derajat kebebasan pada Proximal Interphalangeal dan Distal Interphalangeal . Gambar 1 menunjukkan struktur sendi penyusun pada jari dan telapak tangan.
Tiap antar sendi dihubungkan oleh kerangka yang memiliki ukuran panjang yang berbeda pada  setiap  jari.  Pada  telapak  tangan  hingga  bagian Metacarpophalangeal (MCP) dihubungkan oleh Metacarphal yang kemudian dilanjutkan dengan Proximal Phalange yang menghubungkan  sampai  pada Proximal Interphalange (PIP).  Dari Proximal Interphalange sampai  pada Distal Interphalange dihubungkan  oleh Middle Phalange yang  kemudian dilanjutkan pada Distal Phalange hingga ujung jari [6, 8].
Pergerakan  jari  untuk  menekuk,  menggenggam  dan  menengadah  merupakan  suatu pergerakan  alami  yang  secara  tidak  langsung  setiap  orang  memiliki  kemiripan  gerakan yang  sama  pada  setiap  sendinya.  Terdapat  dua  model  gerakan  jari  dalam  melakukan pergerakannya  yaitu  pergerakan  secara abduction - adduction dan  pergerakan  secara flexion - extension .
Gerakan flexion - extension merupakan  gerakan  yang  hampir  melibatkan  semua  sendi. Persamaan dalam menentukan suatu pergerakan jari secara flexion - extension berdasarkan posisi dari gambar 1 ada pada persamaan (1) [9].
(1)

## Gambar 1 struktur sendi penyusun pada jari
Gambar 2 sudut perubahan DIP, PIP dan MCP
Perubahan  pergerakan dipengaruhi  oleh  perubahan  dari
yang  ilustrasi perubahannya  dapat  dilihat  pada  gambar  2.  Perubahan
dipengaruhi  oleh yang merupakan sendi penghubung sebelumnya. Persamaan untuk mendapatkan ada pada persamaan (2).
(2)
Berbeda dengan model ibu jari yang hanya memiliki 2 sendi, persamaan untuk menentukan pergerakan ibu jari ada pada persamaan (3).
(3)

## 2.2 Desain Sistem
Desain  sistem  dalam  perancangan  untuk  pendeteksian  pergerakan  jari  terlihat  pada gambar  3  yang  terdiri  atas  sensor  flex  dan  sensor  IMU  menggunakan  sensor  MPU6050 dengan data pengolah informasi menggunakan mikrokontroller.

## Gambar 3 desain sistem perancangan deteksi gerakan
Dalam  sistem  ini  digunakan  sensor  flex  yang  diletakkan  pada  masing-masing  jari.  Setiap perubahan  yang  terjadi  pada  sensor  flex  di  masing-masing  jari  akan  dikirimkan  pada mikrokontroller.  Sensor  IMU  akan  membaca  perubahan  sudut  yang  terjadi  dan mengirimkan  informasi  perubahan  pada  mikrokontroller.  Informasi  data  sensor  IMU  dan sensor  flex  disimpan  pada  mikrokontroller  secara  bersamaan,  sehingga  akan  dapat diketahui perubahan sudut flex yang terjadi pada posisi sudut yang dihasilkan.

## 2.3 Data Glove
Untuk  memudahkan  dalam  pengambilan  data  pada  setiap  orang,  maka  perancangan sensor  flex  diletakkan  pada  sarung  tangan.  Sensor  flex  memberikan  respon  berupa perubahan  resistansi  yang  dapat  berubah-ubah  bergantung  dari  kondisi  tekukan.  Sensor flex  yang  digunakan  merupakan  produksi  dari  spectra  symbol  dengan  ukuran  4.5  inci dengan  rentang  ukur  resistansi  dari  60K  Ohm  sampai  110K  Ohm.  Sensor  flex  dengan ukuran  tersebut  mampu  membaca  pergerakan  sendi  jari  dan  strukturnya  sepanjang  dari metacarpal hingga distal phalange .  Untuk  mengetahui  pergerakan  perubahan  setiap  jari, maka diletakkan sensor flex pada masing-masing jari yang dapat dilihat pada gambar 4.

## 2.4 Multi Sensor IMU
Untuk mengetahui perubahan ,
, dan yang terjadi pada pergerakan jari dapat menggunakan  sensor Inertial  Measurement  Unit (IMU).  Sensor  IMU  yang  digunakan merupakan  sensor  MPU6050  yang  memiliki  3-axis  accelerometer  dan  3-axis  gyroscope. Untuk mendapatkan sudut yang akurat terhadap perubahan suatu kemiringan objek, maka dilakukan  penggabungan  antara  accelerometer  dan  gyroscope  yang  saling mengkompensasi satu sama lain hingga dapat menghasilkan nilai yaw , pitch dan roll .  Nilai pitch pada sensor IMU digunakan untuk mengetahui perubahan dari gerakan jari.
Gambar 4 sistem peletakan sensor flex
Gambar 5 perancangan sensor IMU pada jari
Gambar 6 sudut tekuk pada sensor IMU
Sensor  IMU  diletakkan  sejajar  diatas  sensor  flex  dengan  posisi  berada  di  dua  area,  yaitu area pada proximal phalange dan distal phalange seperti pada gambar 5. Frame koordinat yang  dibentuk  oleh  sensor  IMU1  [x 1 ,  y 1 ,  z 1 ]  dan  sensor  IMU2  [x 2 ,  y 2 ,  z 2 ]  berdasarkan referensi  dari  koordinat  sistem  awal  [x 0 ,  y 0 ,  z 0 ].  Sistem  pergerakan  sendi  yang  bergerak sejajar  terhadap  sumbu  y  pada  tiap  jari,  sehinggga  hanya  terdapat  perubahan  panjang lengan terhadap perubahan transformasi koordinat awal.
Dengan diletakkannya dua sensor IMU tersebut, maka akan dihasilkan dan dari hasil pergerakan  jari  yang  ada  pada  gambar  6. merepresentasikan  nilai  dari yang kemudian  nilai  dari dan dapat  dicari  dengan  menggunakan  persamaan  (1)  dan
(2). Namun dikarenakan pergerakan tiap orang berbeda pada kondisi menekuk, maka nilai dan dapat dilihat berdasarkan nilai dari dengan persamaan (4)
+ (4) Dengan  mentransformasikan  persamaan  (1)  pada  persamaan  (4),  maka  didapatkan  nilai pada persamaan (6) dan nilai pada persamaan (7)
+ (5)
(6)
(7)

## 3 Eksperimen dan Hasil
Dengan  ditempatkannya  sensor  flex  pada  setiap  jari,  maka  pergerakan  setiap  jari  dapat ditelusuri berdasarkan respon resistansinya. Respon yang diberikan oleh sensor flex akan berbeda  pada  tiap  jari,  sehingga  dilakukan  percobaan  untuk  mengetahui  perilaku  respon saat  posisi  tangan  membuka  dan  menggenggam  seperti  pada  gambar  7.  Percobaan tersebut  dilakukan  sebanyak  tiga  kali  perulangan  untuk  mengetahui  nilai  pengukuran terbesar  dan  terkecil  pada  masing-masing  sensor  flex  di  tiap  jari.  Dari  hasil  percobaan tersebut,  didapatkan  grafik  perubahan  resistansi  sensor  flex  berdasarkan  waktu  yang merupakan perubahan gerakan dari jari pada gambar 8.
Pada  grafik  tersebut  terlihat  perubahan  besar  pada  resistansi  secara  memuncak  dan menurun. Kondisi memuncak tersebut merupakan kondisi saat tangan menggenggam dan kondisi menurun saat tangan membuka.  Perubahan  yang dihasilkan secara keberulangan tiga  kali  memilki  perubahan  batas  nilai  yang  sama  di  tiap  masing-masing  sensor  flex. Terdapat perbedaan hasil pada sensor flex di ibu jari, hal ini dikarenakan posisi penekukan ibu jari tidak seperti pada jari yang lain. Dari hasil pengamatan tersebut, didapatkan delta resistansi rata-rata perubahan pada jari terhadap data resistansi maksimal sebesar 0.12%.
Gambar 7 pengujian sensor terhadap perubahan jari
Gambar 8 grafik respon resistansi sensor terhadap jari Gambar 9 pengujian dan menggunakan IMU
Untuk  mengetahui  perubahan  pada dan di  jari,  maka  diletakkan  sensor  IMU seperti  pada  gambar 9. Pengujian  dilakukan  pada  jari telunjuk secara berulang sebanyak tiga  kali  untuk  mengetahui  respon  perubahan  dan  kesalahan  nilai  pengukuran  pada  titik yang  sama.  Titik  sudut  yang  menjadi  acuan  adalah
dan  dilakukan  perhitungan dan
menggunakan persamaan 6 dan persamaan 7. Grafik respon perubahan
dan
dengan gerakan jari secara menggenggam terdapat pada gambar 10.
Dari hasil grafik tersebut, diketahui perubahan hasil
memiliki nilai yang berbeda pada percobaan  pertama  dan  berikutnya.  Hal  ini  dikarenakan  terdapat  perbedaan  pada  cara menekuk pada ujung jari, sehingga mempengaruhi perubahan di nilai . Namun dari hasil grafik  tersebut,  terdapat  kondisi  perubahan yang  stabil saat berada  di  sudut  22 o ke atas dan mengalami kenaikan drastis pada sudut awal di 2 o .
Respon kemudian  dibandingkan  dengan  hasil  perubahan  resistansi  sensor  flex  yang terdapat pada gambar 11. Pada grafik tersebut, didapatkan kenaikan secara drastis pada saat sudut awal di 2 o , lalu mengalami kondisi perubahan yang stabil di sudut tengah di 20 o sampai pada sudut 40 o .
Gambar 10 grafik hubungan antara dan di jari telunjuk secara berulang
Gambar 11 grafik hubungan antara perubahan resistansi sensor flex terhadap secara berulang
Terdapat hasil yang menyimpang pada  percobaan  pertama  dikarenakan  kondisi menekuk yang berbeda pada jari telunjuk.
Percobaan  selanjutnya  dilakukan  pengambilan  data  ulang  dengan  informasi  data menggunakan  respon dari tiap jari.   Grafik respon hubungan  yang dihasilkan  antara dengan di tiap jari terdapat pada gambar 12.
Pada  grafik  tersebut  didapatkan  respon
yang  berbeda  pada  setiap  jari  walaupun berada di yang sama. Walaupun memiliki arah gerakan menekuk yang sama, nilai dan yang dihasilkan oleh sensor IMU berbeda pada setiap jari. Sehingga dalam mencari persamaan  untuk  mengontrol  suatu  objek  menggunakan  jari,  persamaan  tersebut  tidak bisa diterapkan pada semua jari. Hal ini pun juga terlihat pada hasil respon yang diberikan pada  resistansi  sensor  flex  terhadap  perubahan
seperti  pada  grafik  gambar  13.
Namun perubahan resistansi sensor flex antar jari dengan yang lainnya memiliki kenaikan kemiripan yang sama dalam terhadap perubahan dari .
Gambar 12 grafik hubungan antara dengan di tiap jari
Gambar 13 grafik hubungan perubahan resistansi sensor flex terhadap di tiap jari

## 4 Kesimpulan
Penggunaan  sensor  flex  sering  digunakan  untuk  mendeteksi  perubahan  pergerakan  jari. Perubahan resistansi sensor flex tidak berbanding lurus dengan perubahan pergerakan jari. Dengan ditempatkannya sensor IMU, maka akan diketahui perubahan resistansi sensor flex pada titik yang telah ditentukan. Dari hasil percobaan tersebut, didapatkan bahwa respon resistansi  sensor  flex  yang  dihasilkan  memiliki  nilai  yang  berbeda  di  gerakan  yang  sama secara berulang. Dengan memperhatikan dengan pada jari, didapatkan informasi perubahan  model  sudut  penekukan  jari  yang  berbeda  di  tiap  jari.  Sehingga  respon resistansi  sensor  flex  yang  diberikan  akan  bergantung  pada  sudut  penekukan.  Namun terdapat  persamaan  pola  perubahan  resistansi  sensor  flex  di  setiap  jari.  Sehingga perubahan  respon  sensor  flex  bergantung  pada  pergerakan  sudut  jari.  Proses  deteksi perubahan  pergerakan  jari  tidak  cukup  hanya  dengan  menggunakan  sensor  flex,  akan tetapi dibutuhkan sensor IMU agar didapatkan deteksi gerakan jari secara presisi.

## 5 Daftar Pustaka
[1] S. Ganapathyraju. Hand Gesture Recognition Using Convexity Hull Defects to Control an Industrial  Robot ,  In  3 rd International  Conference  on  Instrumentation  Control  and Automation, pp. 63-67, 2013.
[2] T. Q. Vinh and N. T. Tri. Hand Gesture Recognition Based on Depth Image Using Kinect Sensor ,  2 nd National Foundation for Science and Technology Development Conference on Information and Computer Science, pp. 34-39
[3] Y. Pititeeraphab ; P. Choitkunnan ; N. Thongpance ; K. Kullathum ; C. Pintavirooj, Robot- arm  control  system  using  LEAP  motion  controller ,    International  Conference  on Biomedical Engineering, pp. 109-112
[4] G. Saggio, F. Rillio, L. Sbernini and L. R. Quitadarmo., Resistive flex sensors: a survey , Smart Materials and Structure, vol. 25, 2016.
[5] G. Saggio, Mechanical model of flex sensors used to sense finger movements , Sensors and Actuators A: Physical, 185 pp. 53-58, 2012.
[6] G. Ponraj and H. Ren. Sensor Fusion Of Leap Motion Controller And Flex Sensors Using Kalman  Filter  For  Human  Finger  Tracking ,    IEEE  Sensors  Journal,  Vol.  18  No.  5,  pp. 2042-2049
[7] H. Chen, Y. Zhang, Z. Zhang, Y. Fang, H. Liu and C. Yao. Exploring the Relation between EMG Sampling Frequency and Hand Motion Recognition Accuracy ,  IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, pp. 1139-1144, 2017.
[8] K. Li, I. Chen, S. H. Yeo, C. K. Lim. Development of finger-motion capturing device based on optical linear  encoder ,  Journal  of Rehabilitation Research  & Development,  vol.  48, No. I, pp. 69-82.
[9] S. Cobos, M. Ferre, M. A. Sánchez-Urán, and J. Ortego, Constraints for Realistic Hand Manipulation , Proc. 10th Annu. Int. Workshop Presence, Barcelona, Spain, Oct. pp.
369–370, 2007.