PENGEMBANGAN SIMULATOR FES-INDUCED PARAPLEGIC STANDING DENGAN KONTROL PID

Oleh:

Dosen PembimbingDr.Achmad Arifin, M. Eng.Ir. Tasripan, MT.

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi IndustriInstitut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012

Tugas Akhir – TE091399

Kevin Nyoman Putra 2207.100.066

LATAR BELAKANG

Penderita Paraplegic dapat melakukan aktivitas berdiri.

TUJUAN PENELITIAN

Mengaplikasikan simulasi ke FES (Functiononal Electrical Stimulation) untuk menghasilkan kontrol feedback yang optimal.

Mendapatkan pemahaman dasar tentang pengendalian lower limb segment.

BATASAN MASALAH

Model tubuh bagian atas yang dimasukkan kedalam simulasi hanya trunk.

Gaya dari luar, selain dari lower limb segment dan trunk ditiadakan. External disturbance Ground Reaction force

Muscle fatigue ditiadakan.

DIAGRAM BLOK SISTEM

ActivationDynamics X F to Ʈ

f(v)

f(l)

to v

to l

u a Fact

Fmax

PID Control

Error

Error

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

Elast.Torque

DampTorqueRecruitment

Curves

PERENCANAAN SISTEM

Disain SimulasiModel skeletal dynamics.Model otot.Animasi.Kontrol PID.

Perencanaan Sistem

MODEL SKELETAL DYNAMICS

Blok Diagram model skeletal dynamic dan penghasil torsi pasif

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

ElasticTorque

DampTorque

Model skeletal dynamics

LAGRANGE

Dimana,m = massa (kg)v = kecepatan (m/s)I = momen inersia (kg.m2)

= kecepatan sudut (rad/s)g = gravitasi; 9.87 (m/s)h = ketinggian benda terhadap tanah (m)

Model skeletal dynamics

MOTION EQUATION

SkeletalDynamics ∫ ∫

Lower limb segment

Model skeletal dynamics

JOINT STIFFNESS

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

ElasticTorque

DampTorque

Model skeletal dynamics

RUNGE-KUTTA

Dimana

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

Elast.Torque

DampTorque

ActivationDynamics X F to Ʈ

f(v)

f(l)

to v

to l

u a Fact

Fmax

RecruitmentCurve

s

Perencanaan Sistem

MODEL OTOT

Blok Diagram model otot

MODEL OTOT

RECRUITMENT CURVE

u = 0.5*tanh(5*(s(t)-0.5))+0.5

ActivationDynamics

uRecruitmentCurve

s

00.20.40.60.8

1

hn hn+1

MODEL OTOT

ACTIVATION DYNAMICS

ActivationDynamics

u a

Recruitment motor unit[1]

[1] Arifin, Achmad, ”Handout Kuliah Pemrosesan Sinyal Instrumentasi dan Biomedik”, ITS, 2011.

MODEL OTOT

ACTIVATION DYNAMICSFmax

X F to Ʈ

f(v)

f(l)

to v

to l

a Fact

MODEL OTOT

MUSCLE STIFFNESS

MODEL OTOT

MONOARTICULAR

Model Musculoskeletal[2]

[2] Aoi et al, “Evaluating functional roles of phase resetting in generation of adaptive human bipedal walking with a physiologically-based model of the spinal pattern generator”, Kyoto Universtiy, Kyoto, 2008.

Fmax

X F to Ʈ

f(v)

f(l)

a Fact

ANIMASI

GLSCENE

Simulasi dengan tampilan OpenGL

PENGUJIAN SISTEM I

MODEL SKELETAL DYNAMIC

Simulasi torsi pasif

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

ElasticTorque

DampTorque

PENGUJIAN SISTEM II

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL TORSI AKTIF

PID Control

Error

Error

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

Elast.Torque

DampTorque

PENGUJIAN SISTEM II

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL TORSI AKTIF

KP[1] = 55.5KP_v[1] = 55.5KP[2] = 55.5KP_v[2] = 55.5KP[3] = 55.5KP_v[3] = 55.5

KP[1] = 105.5KP_v[1] = 255.5KP[2] = 105.5KP_v[2] = 255.5KP[3] = 105.5KP_v[3] = 255.5

Kontrol PID dengan input eror posisi sudut dan kecepatan sudut

Kontrol PID dengan penyesuaian gain posisi dan kecepetan sudut

PENGUJIAN SISTEM II

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL TORSI AKTIF

Simulasi trajectory dari posisi berdiri menuju duduk

Simulasi trajectory dari posisi duduk menuju berdiri

PENGUJIAN SISTEM III

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL TORSI AKTIF FLEKSOR DAN EKSTENSOR

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

Elast.Torque

DampTorque

PID Control

Error

PID Control

Torsi Flexor

Torsi Extensor

Error

KP[3] = 25.5KP1[3] = 5.5KP_v[3] = 255.5KP_v1[3] = 255.5

KP[1] = 285.5KP1[1] = 285.5KP_v[1] = 255.5KP_v1[1] = 255.5

KP[2] = 155.5KP1[2] = 155.5KP_v[2] = 255.5KP_v1[2] = 255.5

PENGUJIAN SISTEM IV

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL AKTIVASI MOTORIK OTOT

ActivationDynamics X F to Ʈ

f(v)

f(l)

to v

to l

u a Fact

Fmax

PID Control

Error

Error

SkeletalDynamics ∫ ∫Σ

Elast.Torque

DampTorqueRecruitment

Curves

Posisi sudut fleksor, Kecepatan sudut fleksor

Posisi sudut ekstensor, Kecepatan sudut ekstensor

Simulasi tuning ankle

Kc[1] = 60.5 Kc1[1] = 150.5Kc_v[1] = 65.5Kc_v1[1] = 150.5

Pc[1] = 0.01Pc1[1] = 0.008 Pc_v[1] = 0.011 Pc_v1[1 = 0.009

PENGUJIAN SISTEM IV

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL AKTIVASI MOTORIK OTOT

Kc[2] = 30.5Kc1[2] = 95.5Kc_v[2] = 45.5Kc_v1[2] = 65.5

Pc[2] = 0.007Pc1[2] = 0.008Pc_v[2] = 0.01Pc_v1[2] = 0.08

Simulasi tuning knee Simulasi tuning hip

Kc[3] = 55.5Kc1[3] = 60.5Kc_v[3] = 60.5Kc_v1[3] = 100.5

Pc[3] = 0.01Pc1[3] = 0.011Pc_v[3] = 0.011Pc_v1[3] = 0.007

PENGUJIAN SISTEM IV

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL AKTIVASI MOTORIK OTOT

Error = 0.2° Error = 2°

Simulasi trajectory berdiri menuju duduk Simulasi trajectory berdiri menuju duduk

PENGUJIAN SISTEM IV

KONTROLER SEBAGAI PENGHASIL AKTIVASI MOTORIK OTOTfmax[3] (Iliopsoas/hip flexor) =1100*6fmax2[3] (Gluteus Maximus/hip extensor) =1100*5fmax[2] (Vastus/knee flexor) =7300*4fmax2[2] (Biceps Femoris Short/knee extensor) =1000*30fmax[1] (Tibia/ankle flexor) =1650*70fmax2[1] (soleus/ankle extensor) =2150*20

Kc[2] = 1.5Kc_v1[2] = 150.5Kc[3] = 15.5Kc1[3] = 40.5Kc_v[3] = 10.5Kc_v1[3] = 150.5

fmax[3] (Iliopsoas/hip flexor) =1100fmax2[3] (Gluteus Maximus/hip extensor) =1100*4fmax[2] (Vastus/knee flexor) =7300*3.5fmax2[2](Biceps Femoris Short/knee extensor) =1000*23fmax[1] (Tibia/ankle flexor) =1650*70fmax2[1] (soleus/ankle extensor) =2150*40

KESIMPULAN

Metode kontrol closed loop PID dapat diterapkan pada FES untuk sistem aktivasi motorik otot.

Untuk mendapatkan output yang optimal, kontrol PID membutuhkan dua input, yaitu posisi dan kecepatan sudut. Kecepatan sudut mengatur osilasi output, dan posisi sudut dikendalikan untuk menentukan jalur output.

Pengujian simulasi kontrol torsi aktif menghasilkan output sempurna dibandingkan pengujian simulasi kontrol aktivasi motorik otot, karena adanya penambahan model otot.

Model otot yang digunakan hanya monoarticular. Gaya yang dihasilkan otot biarticular dapat terkompensasi dengan mengatur Fmax, nilai gaya maksimum otot.

Set point maksimum hip dan knee untuk transisi posisi berdiri menuju duduk adalah 60° dan 75°, dimana set point sudah mewakilkan posisi duduk.

SARAN

Pengembangan kontrol feedback dengan menambahkan faktor gaya eksternal pada model tubuh manusia, yaitu ground reaction force dan gaya gangguan dari tubuh bagian atas (gerakan tangan).

Pengembangan kontrol feedback dengan menambahkan otot biarticular dan faktor muscle fatigue pada model otot.

TERIMA KASIH