Sepeda Roda Tiga Pasca Stroke Dengan Mekanisme Penggerak Elektrik Untuk Memudahkan Mobilitas Penderita Stroke

febritasari, rosadila (2021) Sepeda Roda Tiga Pasca Stroke Dengan Mekanisme Penggerak Elektrik Untuk Memudahkan Mobilitas Penderita Stroke. Masters thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 02111950080005-Master_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2023. Download (6MB) | Request a copy

Abstract

Sejak tahun 2014 hingga 2019 telah dilakukan penelitian sepeda roda tiga di Laboratorium Perancangan dan Pengembangan Produk Teknik Mesin ITS. Sepeda roda tiga tersebut dirancang sebagai alat bantu rehabilitasi pasien pasca stroke. Pada awal 2014-2016, sepeda pasca stroke dibuat dengan konsep tadpole yang menggunakan mekanisme penggerak kayuhan kaki dan tangan. Selanjutnya tahun 2016-2019, sepeda pasca stroke dikembangkan dalam konsep delta dengan kayuhan kaki saja. Untuk mengetahui manfaat sepeda bagi penderita stroke maka dilakukan pengujian sepeda oleh pasien pasca stroke di Instalasi Rehab Medik RSU Haji Surabaya selama 30 hari. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sepeda pasca stroke dapat membantu penderita stroke melakukan terapi fisik. Artinya sepeda dapat membantu memulihkan pergerakan motorik pada kaki, memulihkan kesehatan tubuh, dan mengurangi tekanan hidupnya. Namun, jika penderita stroke tinggal di daerah permukiman dan harus melewati jalan menanjak maka mereka harus mengayuh sepeda dengan sekuat tenaga, padahal penderita stroke hanya mampu memberikan energi kayuh berkisar antara 3.4316 ± 0.4174 kkal/menit. Selain itu, penderita stroke juga masih memiliki kelemahan otot pada anggota gerak tubuhnya dan sangat tidak dianjurkan melakukan aktifitas fisik yang menguras tenaga. Hasil analisis menunjukkan energi kayuh untuk menjalankan sepeda di jalan menanjak 6° adalah 260.94 W≈3,73 kkal/menit pada kecepatan 6 km/jam. Artinya, energi kayuh yang diberikan oleh penderita stroke masih belum cukup dan memerlukan bantuan energi kayuh tambahan supaya sepeda tetap bisa melaju di jalan menanjak. Oleh karena itu, sepeda akan dilengkapi dengan penggerak bantu,
iv
yaitu motor listrik dan sumber tenaga baterai serta aksesorisnya, sehingga ketika penderita stroke ingin bersepeda dengan santai untuk menghibur diri dan bersenang-senang, mereka dapat mengayuh sepeda dengan bantuan motor listrik supaya kayuhan menjadi lebih ringan terlebih lagi di jalan menanjak selain mengayuh dengan kaki secara manual. Dengan kata lain, perlu direncanakan sebuah sepeda roda tiga yang memanfaatkan motor listrik, yang dilengkapi dengan baterai untuk membantu menggerakan sepeda, disamping dapat dikayuh secara manual.
Langkah awal dari penelitian ini adalah menganalisis kemampuan penderita stroke mengayuh sepeda roda tiga elektrik secara manual di jalan datar dan menanjak. Selanjutnya merancang dan menyeleksi konsep mekanisme gerak sepeda elektrik yang akan dikembangkan lebih lanjut kemudian direalisasikan menjadi sebuah prototipe sepeda roda tiga elektrik. Beberapa pengujian sepeda yang dilakukan diantaranya: pertama, pengujian performa sepeda secara statis dan dinamis sesuai standar uji yang berlaku. Kedua, uji jalan/test drive dengan mengatur sudut kemiringan jalan dan pengaturan Pedal Assistance Sensor (PAS). Ketiga, uji kayuh pada responden sedentary lifestyle menggunakan sepeda roda tiga elektrik untuk mengetahui sisi kebermanfaatan dari sepeda ini.
Hasil yang didapat dari penelitian ini berupa prototipe sepeda roda tiga elektrik dengan dimensi panjang sepeda 1.5 meter dari ujung roda depan ke ujung roda belakang, jarak antara roda belakang adalah 0.66 meter, dan tinggi sepeda 1.1 meter. Mekanisme penggerak sepeda roda tiga elektrik terdiri dari sebuah motor listrik 500W bertipe mid-drive dengan Pedal Assistance Sensor (PAS) dan baterai Lithium berkapasitas 48V-14Ah. Pedal Assistance Sensor (PAS) pada sepeda roda tiga elektrik ini berfungsi sebagai sensor yang mendeteksi putaran kayuhan kaki lalu sinyal dikirim ke kontroller untuk memutar motor secara otomatis sehingga kayuhan pengendara (penderita stroke) menjadi lebih ringan. PAS pada sepeda ini terdiri dari 5 tingkat kecepatan yang berbeda mulai dari kecepatan rendah pada PAS 1 hingga kecepatan paling tinggi pada PAS 5. Penggunaan PAS hanya disarankan bagi penderita stroke yang sekedar ingin bersepeda dengan santai di sekitar tempat tinggal dan bukan untuk keperluan terapi, sehingga untuk terapi stroke dianjurkan tidak menggunakan PAS atau PAS 0, yang artinya penderita stroke mengayuh
v
dengan usahanya sendiri tanpa bantuan motor listrik. Namun demikian, penderita stroke dapat menggunakan PAS 1-5, ketika mereka sudah lelah mengayuh dan ingin kembali pulang atau ketika melewati jalan menanjak, supaya kayuhan lebih ringan, jantung berdetak normal, dan tidak menguras tenaga.
Prototipe sepeda ini didesain dengan konsep delta, mampu menahan beban pengendara maksimal 100 kg, dan akan digunakan di jalan menanjak. Material yang digunakan adalah AISI Alumunium 6061 dengan tegangan yang diijinkan sebesar 277.6±8.3 Mpa. Hasil analisis kekuatan material menunjukkan tegangan kritis rangka sebesar 84.932 Mpa terjadi pada daerah pertemuan pipa seat stay dan sandaran. Tegangan kritis yang terjadi lebih kecil daripada tegangan yang diijinkan sehingga dinyatakan aman. Pengujian fungsi sepeda menunjukkan bahwa sepeda roda tiga elektrik dapat beroperasi dengan baik, motor listrik dapat dinyalakan dengan sistem on-off dan pengaturan PAS dapat dilakukan dengan mudah, sehingga berat ringan kayuhan dapat diatur sesuai kebutuhan.
Berdasarkan Badan Standard Nasional Indonesia (SNI) 7519: 2009 (Uji keselamatan sepeda roda tiga), SNI 1049:2008 (Syarat keselamatan sepeda) dan SNI 4404:2008 (Metode pengujian rem pada kendaraan bermotor), hasil pengujian performa sepeda menunjukkan: sepeda dapat berjalan lurus, belok, dan zig-zag di jalan datar; sepeda tidak terguling, terbalik, dan terjungkal ketika diposisikan uphill, downhill, dan menghadap sisi samping (kanan-kiri) pada bidang miring 10°; kondisi pengereman yang baik dan tidak melebihi batas jarak pengereman yang dianjurkan; serta masih mampu berjalan di jalan menanjak yang memiliki sudut kemiringan jalan sebesar 13° sejauh 7 meter dalam rata-rata waktu 1.974 detik dan rata-rata kecepatan 17.56 km/jam atau 229.14 rpm menggunakan PAS 5.
Hasil pengujian jalan (test drive) menunjukkan adanya pengaruh yang signifikan antara faktor sudut kemiringan jalan (jalan datar (0°) dan jalan menanjak (5°)) dan variasi kecepatan dari pengaturan PAS (PAS 0, PAS 1, dan PAS 5) terhadap respon waktu tempuh, detak jantung, VO2 max, dan energy expenditure. Baik di jalan datar maupun menanjak, waktu tempuh sepeda dengan pengaturan PAS 1-5 lebih singkat dibanding PAS 0. Selain itu, jantung pengendara berdetak
vi
lebih lambat dan VO2 max lebih kecil dibanding PAS 0. Begitu juga, energy expenditure lebih kecil dibanding PAS 0. Ketika pengendara bersepeda di jalan menanjak tanpa menggunakan PAS (PAS 0), detak jantung meningkat lebih cepat, VO2 max, dan energy expenditure meningkat. Hal ini mengindikasikan bahwa pengendara telah melakukan aktivitas fisik yang tergolong berat dan diperlukan durasi pemulihan yang cukup.
Hasil uji kayuh sepeda yang telah dilakukan oleh 9 responden (sedentary lifestyle) sebanyak 15 kali menunjukkan bahwa tidak ada pengaruh signifikan antara faktor (frekuensi uji kayuh) terhadap respon (detak jantung, VO2 max, dan energy expenditure) dengan tingkat kepercayaan 95%. Dikarenakan heart rate zone responden dibawah 57% dari maximum heart rate, responden melakukan uji kayuh dalam intensitas latihan pada tingkat ringan yang mana belum terjadi muscle hyperthrophy.
Di masa pemulihan, penderita stroke dianjurkan melakukan aktivitas fisik sehingga jantung dapat terlatih dan berfungsi dengan baik dalam memompa darah ke seluruh tubuh. Salah satu aktifitas fisik yang dianjurkan adalah bersepeda pada intensitas ringan (HR zone 50% HR max) dan intensitas moderate (HR zone 63% HR max). Penderita stroke dapat bersepeda sebanyak 5 kali pada intensitas ringan untuk melatih jantung supaya dapat beradaptasi hingga jantung mampu berdetak rata-rata 79.5 bpm. Sedangkan pada intensitas moderate, penderita stroke perlu bersepeda sebanyak 19 kali yang nantinya jantung dapat beradaptasi hingga dapat berdetak sebanyak 100.17 bpm. Setelah penderita stroke memenuhi frekuensi uji kayuh tersebut, diharapkan penderita stroke mampu mempertahankan fungsi kerja jantung sehingga vitalitas tubuh penderita stroke berangsur-angsur akan membaik
=====================================================================================================
From 2014 to 2019, tricycle research had been conducted by students at Product Design and Development Laboratory, Dept. Mechanical Engineering ITS. The tricycle was designed as a rehabilitation tool for post-stroke patients. In 2014-2016, post-stroke tricycles were created with a tadpole concept that use a foot and hand drive mechanism. Furthermore, in 2016-2019, post-stroke tricycles were developed in the delta concept with only foot pedalling. To find out the benefits of tricycles for stroke survivors, tricycle testing was conducted by post-stroke patients at RSU Haji Surabaya in Medical Rehabilitation Installation for 30 days. The test resulted that post-stroke tricycles can help stroke survivors do physical therapy. It meant that the tricycles can help to recovering motor function movement in the legs, recovering the body health, and reducing the stress of life. However, if stroke survivors live in residential areas and have to pass the uphill road then they must pedal the tricycle as hard as possible, even though stroke survivors are only able to pedal in 3.4316 ± 0.4174 kcal / minute of energy expenditure. In addition, stroke survivors also still have muscle weakness in their limbs and are prohibited to do hard physical activity. The analysis results showed the tricycle needs 260.94 W≈3.73 kcal / minute of paddle energy on the 6° uphill road with 6 km/h speed. It meant the energy that was provided by stroke survivors was still not enough and required additional paddle energy so that the tricycle can still drive on the uphill road. Therefore, the tricycle will be equipped with electric drive mechanisme, such as electric motor, battery power, and accessories, so that when stroke survivors want to cycle, they can pedal the tricycle with the help of an electric motor so that
viii
pedalling becomes lighter on the uphill road. In other words, it is necessary to design a electric tricycle, which is equipped with electric motor and battery to help move the bike, in addition to being able to ride manually.
The first step of the study was to analyzing the ability of stroke survivors to pedal the electric tricycle manually on flat and uphill roads. Further, designing and selecting the concept of electric drive mechanism on tricycle. Then realizing it into a electric tricycle prototype. The e-tricycle was tested on: first, static and dynamic test of performance using test standards. Second, test drive by adjusting the slope angle of road and setting the Pedal Assistance Sensor (PAS). Third, paddling/ cycling test on sedentary lifestyle respondents using an e-tricycle to find out the benefit of this e-tricycle.
The study results was an e-tricycle prototype with dimension 1.5 meters of length from the end of the front wheel to the end of the rear wheel, the distance between the two rear wheels is 0.66 meters, and 1.1 meters of height. The electric drive mechanism consisted of a brushless DC 500W mid-drive electric motor with Pedal Assistance Sensor (PAS) as electric support and a 48V-14Ah Lithium battery. Pedal Assistance Sensor (PAS) on this e-tricycle was as a sensor that detected the rotation of the pedal foot and then the signal was sent to the controller to turn on the motor automatically so that the rider's pedal energy (stroke survivores) becomes lighter. The PAS consisted of 5 different speed levels ranging from low speed at PAS 1 to the highest speed at PAS 5. The PAS was only recommended for stroke survivors who want to enjoy the cycling around the residence and not for therapeutic purposes, so it was recommended to not use PAS or PAS 0 for stroke therapy purpose, which means stroke survivors pedal the e-tricycle with their own efforts without the help of electric suport. However, stroke survivors can set PAS 1-5, when they are tired of pedaling and want to go home or when passing the uphill road, so that the pedal is lighter and effortless, and the heart beats normally,.
The e-tricycle prototype was designed in delta concept, for a maximum rider weight of 100 kg and will be used on uphill roads. The frame material was AISI Aluminum 6061 with an allowable stess of 277.6±8.3 Mpa. The critical stress of
ix
frame showed 84,932 Mpa occurred in the joining of seat stay and backrest pipe. The critical stress is smaller than the allowable stress so it was safe. The functional tests showed that the e-tricycle can operate properly, the electric motor can be powered with on-off system and the PAS setup can be set easily, so that the paddling load can be set as needed.
Based on the Indonesian National Standards (SNI) 7519:2009 (Tricycle safety test), SNI 1049:2008 (Bicycle safety requirements) and SNI 4404:2008 (Brake testing methods on vehicles), the results of performance tests showed: the e-tricycle can run straight, turn, and zigzag on flat roads; the e-tricycle does not roll, reverse, and upside down when positioned uphill, downhill, and facing the side (right-left) on a 10° inclined plane; well braking conditions and not exceeding the recommended braking distance limit; and still able to walk on an uphill road that has a road 13° of slope angle as far as 7 meters in an average time of 1,974 seconds and an average speed of 17.56 km/h or 229.14 rpm using PAS 5.
Test drive results showed a significant influence between the slope angle factor (flat road (0°) and uphill road (5°)) and speed variations from the PAS settings (PAS 0, PAS 1, and PAS 5) on respons (cycling time, heart rate, VO2 max, and energy expenditure). Both on flat and uphill roads, the cycling time with PAS 1-5 settings was shorter than PAS 0. In addition, the rider's heart beat slowly and VO2 max was smaller than PAS 0. And then, energy expenditure was smaller than PAS 0. When riders cycled on the road uphill without using PAS (PAS 0), the heart rate, VO2 max, and energy expenditure increased faster. This indicates that the rider had done hard physical activity and requires a sufficient recovery duration.
The results of paddle test that conducted by 9 respondents (sedentary lifestyle) in 15 times showed that there was no significant influence between factor (frequency of paddle test) to responses (heart rate, VO2 max, and energy expenditure) with a confidence level of 95%. Because the respondent's heart rate zone was below 57% of the maximum heart rate and in light exercise intensity so muscle hyperthrophy was not occured.
x
In the recovery period, stroke survivors are recommended to do physical activity so that the heart can be trained and works properly in pumping blood throughout the body. One of the recommended physical activities is cycling at light intensity (HR zone 50% HR max) and moderate intensity (HR zone 63% HR max). Stroke survivors can cycle as much as 5 times at a light intensity to train the heart so it is able to beat an average of 79.5 bpm. While at moderate intensity, stroke survivors need to cycle as much as 19 times so the heart can adapt to beat as much as 100.17 bpm. After stroke patients meet the frequency of cycling, it is expected that stroke survivors are able to maintain the heart function, so that the vitality of stroke survivors body will gradually improve.

Item Type:	Thesis (Masters)
Uncontrolled Keywords:	Post-stroke patients, rehabilitation, electric motor, battery, electric tricycle, Pasien pasca stroke, rehabilitasi, motor listrik, baterai, seped roda tiga elektrik
Subjects:	T Technology > TL Motor vehicles. Aeronautics. Astronautics > TL410 Bicycles and bicycling--Design and construction T Technology > TS Manufactures > TS171 Product design
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Mechanical Engineering > 21101-(S2) Master Thesis
Depositing User:	ROSADILA FEBRITASARI
Date Deposited:	24 Aug 2021 03:33
Last Modified:	24 Aug 2021 03:33
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/89096

Actions (login required)

View Item