Analisa Gaya dalam Keadaan Statis pada Sistem - HFI DIY

Danil Ilham, dkk / Analisa Gaya dalam Keadaan Statis pada Sistem Muskuloskeletal Tangan-Lengan Manusia
73
Analisa Gaya dalam Keadaan Statis pada Sistem Muskuloskeletal
Tangan-Lengan Manusia
Danil Ilham dan Yusril Yusuf
Laboratoruim Fisika Material Jurusan Fisika FMIPA UGM
Sekip Utara Bulaksumur, Yogyakarta-55281
email: [email protected]
Abstrak – Sistem muskuloskeletal pada tangan-lengan manusia merupakan suatu sistem mekanik dimana otot
berfungsi sebagai penggerak tulang pada sendinya. Dalam keadaan statis terdapat gaya internal dan gaya eksternal
yang bekerja pada sistem tersebut. Gaya internal adalah gaya yang bekerja di dalam segmen antara lain gaya berat
segmen, gaya otot, dan gaya reaksi sendi. Sedangkan, gaya eksternal adalah gaya yang berasal dari luar segmen
seperti gaya berat beban yang diberikan ke dalam sistem. Pada penelitian ini akan dianalisa gaya otot dan gaya reaksi
sendi dalam keadaan statis dengan menggunakan prinsip biomekanika dan Hukum Newton. Hasil analisis gaya yang
berupa persamaan matematis ditransformasikan dalam bentuk grafik dengan menggunakan program MATLAB.
Kata kunci: Sistem muskuloskeletal, statis, biomekanika, Hukum Newton, MATLAB
Abstract – Musculoskeletal system of the human hand-arm is a mechanical system in which muscles function as an
activator of bone at the joint. In the static state there are internal and external forces acting on the system. Internal
forces are the forces acting on the segment between the other segments of gravity, muscle force and joint reaction
force. External forces are the forces that comes from outer segments such as gravity loads applied to the system.
Muscle Force and joint reaction force in a static state will be analyzed by using the principles of biomechanics and
Newton's Laws. The results of the force’s analysis in the form of mathematical equations are transformed to the graph
by using MATLAB program.
Key words: System musculoskeletal, static, biomechanics, Newton's law, MATLAB
I. PENDAHULUAN
Dunia robotika telah berkembang sangat pesat
terutama perkembangannya pada robot humanoid-form.
Robot humanoid-form dapat berlaku seperti manusia,
baik lewat interaksi fisik maupun pergerakan [1].
Penelitian-penelitian mengenai robot humanoid-form
yang telah dilakukan oleh para ilmuwan umumnya
menggunakan sistem motor pada setiap sendi
pergerakannya yang mempunyai kelemahan pada sifat
fleksibilitas dalam gerakan [1]. Kelemahan tersebut
dapat diatasi dengan mengadopsi sistem muskuloskeletal
(otot-tulang) pada manusia dengan menggunakan otot
buatan yang fleksibilitasnya menyerupai otot manusia
[2]. Salah satu penelitian mengenai otot buatan telah
dikembangkan oleh Yusril Yusuf dengan teknologi
biomimetik yang berbasis pada liquid crystal elastomers
(LECs), yaitu satu jenis bahan lunak (soft matters) yang
merupakan kombinasi antara polimer dan kristal cair
yang bersifat fleksibel [3].
Pada penelitian ini akan dianalisa gaya-gaya dalam
keadaan statis pada sistem muskuloskeletal organ gerak
tangan-lengan manusia. Hasil dari analisa gaya berupa
gaya otot dan gaya reaksi sendi yang selanjutnya
menjadi acuan untuk membuat divais aktuator dan
produk biomimetik yang berbasis pada LCEs atau bahan
polimer lainnya seperti polimer aktif, polimer ionik gel,
polimer feroelektrik, polimer konduktif.
II. LANDASAN TEORI (JIKA DIPERLUKAN)
Ilmu biomekanika menurut Hatze (1974) adalah ilmu
yang mempelajari gerakan dari makhluk hidup dengan
menggunakan ilmu mekanika. Sedangkan menurut Hay
(1985) adalah ilmu yang mempelajari gaya internal dan
gaya eksternal yang bekerja pada tubuh manusia serta
efek dari gaya tersebut [4]. Gaya-gaya yang bekerja pada
sistem organ gerak manusia dalam ilmu biomekanika
antara lain gaya gravitasi, gaya reaksi, dan gaya otot [4].
Segmen tangan-lengan manusia tersebut menahan
beban dalam keadaan statis mengikuti Hukum
Kesetimbangan benda tegar [2]. Statik adalah suatu
kondisi benda tegar dalam keadaan setimbang atau tidak
ada percepatan yang bekerja pada benda tegar tersebut
yang berarti [5], (a) gaya eksternal yang bekerja pada
benda tersebut harus nol.
0
(1)
(b) momen gaya atau torsi eksternal neto terhadap semua
titik harus nol.
0
(2)
Gaya dan momen gaya merupakan besaran skalar yang
memiliki nilai dan arah, dimana momen gaya
adalah
hasil kali antara gaya
yang disebabkan oleh beban
dengan lengan gaya [2].
(3)
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
744
Danil Ilham,
I
dkk / An
nalisa Gaya dalam
m Keadaan Stattis pada Sistem Muskuloskeletal
M
Tangan-Lengan
n Manusia
Huukum II New
wton menjelasskan bahwa gaya
g
suatuu
bennda berbandinng lurus dengaan percepatann dan massaa
b
benda
tersebuut.
(4)
A
Anatomi
adalaah ilmu yang mempelajari struktur tubuhh
maanusia [6]. Ilm
mu anatomi yang akan diguunakan dalam
m
pennelitian ini fookus pada seggmen tangan––lengan tubuhh
maanusia [7]. Ottot-otot yang terdapat di setiap
s
segmenn
dijeelaskan pada Tabel
T
1.
IV. HA
ASIL DAN PE
EMBAHASA
AN
Dataa antropometri lengan-tanngan yang digunakan
d
pada penelitian inni menggunnakan data National
Aerona
autics and Sppace Adminisstration (NAS
SA) untuk
rata-ratta ukuran priaa Amerika (500th percentile)) umur 40
tahun dengan
d
tinggii badan 179,99 cm dan berat badan
82,2 kg
g [9].
Gaya In
nternal pada Tangan-Lenga
T
an Manusia
Hasil analisa gayaa internal dalaam keadaan statis
s
pada
bidang sagittal manuusia diperlihattkan pada Gam
mbar 2, 3,
dan 4.
Tab
bel 1. Otot-otott pada segmen tangan-lengan
t
m
manusia.
Jangkauan
S
Segmen
Gerak [5]
Otot [3]
t
tubuh
[7]
Eksstensi Fleksi
T
Tangan
Lengan
L
b
bawah
Lengan
L
a
atas
Fleksor carpi
c
radialis
Fleksor carpi
c
ulnaris
Palmariss longus
Biceps brrachii
Brachialis
Brachiraadialis
Deltoid anterior
a
Pectoraliis major
D
Dalam
peneliitian ini diguunakan prograam MATLAB
B
sebbagai kompuutasi persamaaan matematis dari hasil
anaalisa gaya padda segmen tanggan-lengan manusia
m
[8].
P
N/EKSPERIMEN
IIII. METODE PENELITIA
M
Metodologi
daalam penelitiaan ini meliputii beberapa
tahhap, yaitu :
1. Diagram
D
kerjja untuk sim
mulasi gaya pada segmenn
t
tangan-lengan
n manusia,
2. Analisa
A
gayaa internal daan gaya ekssternal setiapp
s
segmen
tangaan, lengan baw
wah dan lengaan atas dengann
m
menggunakan
n hukum kesetimbangan benda tegarr
d
dalam
keadaan statis berdasarkan fuungsi anatom
mi
t
tubuh
manusiaa.
3. Hasil
H
analisaa gaya beruupa persamaaan matematiss
s
selanjutnya
dii-plotting denggan menggunnakan program
m
M
MATLAB
verrsi 7.10.
Gaambar 1. Diaagram kerja analisa gaya-gaya pada tanganlenngan manusia.
Ga
ambar 2. Grafikk gaya otot inteernal tangan maanusia.
Gambar 3. Grafik gayya otot internal llengan bawah manusia.
m
Gambar 4. Grafik gayya otot internal llengan atas man
nusia.
Prosiiding Pertemuan
n Ilmiah XXVI HFI
H Jateng & DIIY, Purworejo 14
1 April 2012
ISSN
N : 0853-0823
Danil Ilham, dkk / Analisa Gaya dalam Keadaan Statis pada Sistem Muskuloskeletal Tangan-Lengan Manusia
Otot yang bersifat dominan adalah otot palmaris
longus ( ) pada tangan dengan gaya maksimum
sebesar 54,33 N (Gb. 2), otot brachialis ( ) pada
lengan bawah dengan gaya maksimum sebesar 391,6 N
) pada lengan atas
(Gb. 3), otot deltoid anterior (
dengan gaya maksimum sebesar 1,103 10 N (Gb. 4).
Gambar-gambar tersebut juga menunjukkan bahwa gaya
otot sebanding dengan cosinus sudut tangan (
).
cos
Gaya Eksternal (Varisai Sudut) pada Tangan-Lengan
Manusia
Gaya eksternal dalam penelitian ini berupa sebuah
benda dengan massa ( ) 10 kg dengan jarak titik pusat
) pada sendi
massa benda dari pusat rotasi (
pergelangan tangan adalah 5,6 cm.
Grafik gaya otot yang dominan pada penelitian ini
sama dengan grafik pada penelitian untuk gaya internal.
Nilai dari gaya otot maksimum pada setiap segmen
) sebesar
antara lain : otot palmaris longus (
) sebesar 7474 N; dan otot
1079 N; otot brachialis (
deltoid anterior (
) sebesar 2,086 10 N.
75
dengan sudut 149,8 . Dari kedua data tersebut dapat
disimpulkan bahwa otot fleksor lengan bawah dapat
menahan beban eksternal lebih dari 20 Kg
Gambar 6.
Grafik sudut lengan bawah terhadap beban
eksternal.
Gaya Eksternal (Varisai Massa) pada
Tangan-Lengan Manusia
Variasi massa benda sebagai gaya eksternal diberikan
setiap 1 Kg dari massa beban 1 Kg sampai dengan
20 Kg, dimana jarak titik pusat massa benda dari pusat
) adalah 5,6 cm.
rotasi sendi pergelangan tangan (
Hasil analisa gaya eksternal pada setiap segmen
diperlihatkan pada Gambar 5, 6 dan 7.
Gambar 7. Grafik sudut lengan atas terhadap beban eksternal.
Gambar 7 menunjukkan bahwa segmen lengan bawah
membentuk sudut 0 pada beban eksternal 1 Kg sampai
dengan 7 Kg dan sudut 32,08 pada beban eksternal
20 Kg. Data referensi [9] menunjukkan lengan atas dapat
ber-fleksi sampai dengan sudut 187,6 . Dari kedua data
tersebut dapat disimpulkan bahwa otot fleksor lengan
atas dapat menahan beban eksternal lebih dari 20 Kg.
Gambar 5. Grafik sudut tangan terhadap beban eksternal.
Pada Gambar 5, tangan membentuk sudut 77,91
pada beban eksternal 2 Kg dan sudut 81,36 pada beban
eksternal 3 Kg. Data referensi [9] menunjukkan tangan
dapat ber-fleksi sampai dengan sudut 78,15 . Dari kedua
data tersebut dapat disimpulkan bahwa otot fleksor
tangan dapat menahan beban eksternal maksimal sebesar
2 Kg.
Berdasarkan Gambar 6, lengan bawah membentuk
sudut 21,01 pada beban eksternal 1 Kg dan sudut
66,65 pada beban eksternal 20 Kg. Data referensi [9]
menunjukkan lengan bawah dapat ber-fleksi sampai
V. KESIMPULAN
Dari penelitian yang telah dilakukan dapat
disimpulkan bahwa prinsip biomekanika dan Hukum
Newton dapat digunakan dalam analisa gaya pada sistem
muskuloskeletal tangan-lengan manusia dalam keadaan
statis. Hasil analisa gaya pada setiap segmen sistem
antara lain :
1. Pada segmen tangan, gaya otot bernilai maksimum
0 dimana tanpa beban
saat
32,6 N,
32,6 N dan setelah
54,33 N,
1079 N,
647,6 N,
diberikan beban
647,6 N.
2. Pada segmen lengan bawah, gaya otot bernilai
maksimum saat
1 dimana tanpa beban
391,6 N,
275,5 N,
240,9 N dan
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823
76
Danil Ilham, dkk / Analisa Gaya dalam Keadaan Statis pada Sistem Muskuloskeletal Tangan-Lengan Manusia
setelah diberikan beban
7474 N,
4601 N.
5258 N,
3. Pada segmen lengan atas, gaya otot bernilai
maksimum tanpa beban saat
4 sebesar
1,103 10 N,
9191 N dan setelah
3 yaitu
diberikan beban saat
1,739 10 N.
2,086 10 N,
UCAPAN TERIMA KASIH
Terimakasih kepada Ibu Rini Darmastiti atas
bantuannya mengenai pengetahuan dalam bidang
ergonomi, sehingga diperoleh gambaran lengkap
mengenai antropometri tubuh manusia.
PUSTAKA
[1] Y. P. Cohen, Biomimetics-biologically inspired
technologies, CRC Press, California, 2006.
[2] M. Nordin, dan V. H. Frankel, Basic biomechanics of the
musculoskeletal system, Lippincot Williams and Wilkins,
New York, 2007.
[3] Y. Yusuf, Swelling dynamics and electromechanical
effects of liquid crystal elastomers as artificial muscles,
Dr. thesis, Kyushu University, Fukuoka, 2005.
[4] D. A. Winter, Biomechanic and motorcontrol of human
movement, Wiley, New York, 1990.
[5] P. A. Tipler, Physics for science and engineer, Worth
Publisher Inc., California, 1991.
[6] C. G. Young, dan J. D. Barber, Medical terminology-step
by step, W. B. Saunders Co., Philadelphia, 1962.
[7] D. Ilham, Analisa gaya dalam keadaan statis dan simulasi
gerak pada tangan-lengan manusia, S.Si. skripsi,
Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika FMIPAUGM, Yogyakarta, 2011.
[8] K. Peranginangun, Pengenalan MATLAB, Penerbit Andi,
Yogyakarta, 2006.
[9] W. Thornton, dan J. Jackson, Anthropometric study of
astronaut candidates, NASA-JSC, 1979 to 1980, Figure 3,
pp. 711-713.
TANYA JAWAB
Kamsul Abraha, FMIPA UGM
? Apakah pemodalan sudah diperhitungkan sifat
mekanik elestik ketiga bagian tangan lengan
manusianya?
Danil Ilham, FMIPA UGM
√ Belum, karena pemodalan dari ketiga bagian tangan
lengan manusia terjadi dalam keadaan statis sehingga
sifat mekanik hanya dapat dilihat pada perubahan gaya
masing-masing otot setiap perubahan posisi segmen
tubuh. Diperlukan lagi penelitian selanjutnya untuk
gerakan dinamis agar gerak mekanik elastik dapat
diamatai lebih rinci.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVI HFI Jateng & DIY, Purworejo 14 April 2012
ISSN : 0853-0823