Tugas Akhir – TE091399 PENGEMBANGAN SIMULATOR FES...
Transcript of Tugas Akhir – TE091399 PENGEMBANGAN SIMULATOR FES...
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