1

Perbaikan Koneksi Aktuator Pada Sistem Penggerak Mekanisme Hi-Low Hospital Bed

Family Classic di PT Mega Andalan Kalasan Yogyakarta

Oleh : Susanto

PT Mak Yogyakarta

Abstrak Pada umumnya untuk menghasilkan gerakan naik turun pada hospital bed digunakan

mekanisme 4 batang yang dihubungkan dengan platform matras dimana kasur ditempatkan dan pasien dapat terbaring dengan nyaman. Mekanisme 4 batang tersebut terdiri dari sebuah

link tetap, dua buah link rotasi dengan gerak putar, dan sebuah link apung. Bila kedua link rotasi tersebut panjangnya sama maka link apung akan bergerak vertical dengan tetap

mempertahankan posisi horisontalnya, dan mekanisme ini memungkinkan hospital bed diatur posisi ketinggian matrasnya untuk kenyamanan pasien. Untuk mengerakan bed maka

mekanisme hi-low tersebut dihubungkan dengan aktuator untuk membangkitkan gaya

dorong/torsi agar mekanisme gerakan hi-low dapat berfungsi.

Aktuator untuk membangkitkan gerakan naik turun pada hospital bed secara manual yang

paling sederhana adalah dengan menggunakan sistem ulir. Sistem ulir ini terdiri dari poros

panjang berulir dan pasangannya berupa nut yang terpasang pada sebuah tabung sepanjang

poros ulirnya. Bila poros diputar maka nut dan tabung akan terdorong melakukan gerak lurus

searah dengan sumbu poros. Sistem penggerak bed yang saat ini digunakan adalah

menggunakan sistem ulir yang dikopel langsung ke mekanisme hi-low dengan joint

ditempatkan pada link rotasi. Pada sistem ini aktuator pada satu sisi ditumpu dengan tumpuan

jepit yang ditempatkan pada platform matras dengan gerak translasi vertikal, sedangkan

diujung aktuator dihubungkan dengan link rotasi mekanisme gerak hi-low akibatnya aktuator

akan mengalami defleksi. Aktuator mendapat pembebanan ganda yaitu lenturan akibat sistem

koneksinya dan beban aksial untuk membangkitkan gaya dorong. Akibat pembebanan ganda tersebut maka sistem aktuator sering mengalami failure. Dengan menambahkan sebuah

elemen penghubung antara aktuator dengan mekanisme gerak hi-low maka dimungkinkan fungsi utama aktuator dalam membangkitgan gaya dapat dipenuhi tanpa ada gangguan

lenturan, aktuator dapat melakukan gerak translasi murni. Dengan menggunakan sistem ini permasalahan sistem penggerak bed secara manual di PT Mak Yogyakarta diharapkan dapat

diatasi.

1. Pendahuluan

Dalam penanganan pasien dirumah sakit dibutuhkan tempat tidur rumah sakit yang mudah

dioperasikan agar kesembuhan pasien dapat didukung melalui penggunaan tempat tidur yang

tepat. Untuk itu disyaratkan tempat tidur dapat diatur ketinggiannya, pada saat pasien akan

ditempatkan ditempat tidur maka tempat tidur dapat direndahkan, kemudian untuk

kenyamanan pasien tempat tidur dapat ditinggikan posisinya sedemikian rupa dan pasien

diharap dapat terbuai nyaman sehingga mempercepat proses kesembuhannya.

Untuk dapat diatur sesuai kebutuhan pasien maka dalam desain kontruksinya pada setiap

tempat tidur rumah sakit dilengkapi dengan mekanisme gerakan hi-low dan actuator untuk

membangkitkan gaya dorong agar mekanisme hi-low tersebut dapat berfungsi.

PT Mak Yogyakarta sebagai produsen penghasil alat kesehatan telah memproduksi berbagai

jenis tempat tidur rumah sakit. Untuk memberikan jaminan bagi keamanan produk-produk

2

yang dihasilkannya maka secara konsisten PT MAK melakukan kajian terhadap produk-

produknya sebagai ujud komitmen Customer Satisfaction. Salah satu kegiatan yang dilakukan

adalah kegiatan bedah produk terhadap produk dari aspek desain dan manufaktur, hasilnya

diterapkan pada program Continous Improvement untuk mencapai Customer Satisfaction

yang telah ditetapkan. Khusus untuk kajian pada produk bed mekanikal adalah kajian pada

mekanisme hi-low dan aktuatornya. Hal ini dipicu dari respon pelanggan yang dipantau

melalui komplain yang masuk ke Unit Quality Assurance bahwa ada permasalahan pada mekanisme hi-low dan aktuatornya. Melalui kajian ini diharapkan didapat solusi untuk

mengatasi permasalahan pada mekanisme hi-low dan aktuator tempat tidur mekanik produk PT MAK.

2. Analisis gerak mekanisme hi-low bed

Gerak naik turun bed dilakukan untuk mengatur posisi matras terhadap pengguna. Matras

diatur pada posisi rendah untuk kemudahan pengguna menempatkan diri di bed, sedangkan

untuk kenyamanan setelah pengguna terbaring di bed , matras diatur pada posisi tinggi. Gerak

naik turun dilakukan dengan menaikan matras platform melalui gerak vertical, sementara

matras platform tetap pada posisi horizontal.

Prinsip dasar untuk gerak naik turun adalah menggunakan mekanisme 4 batang (four bar linkage), sebagaimana ditunjukan pada gambar dibawah ini.

Gambar 1. Mekanisme 4 batang

Gerak naik turun dimaksud adalah gerak vertikal yang dilakukan link apung(floating link) 3,

dimana link tersebut gerakannya haruslah gerak vertikal tanpa rotasi, untuk memungkinkan hal ini maka panjang link 2 dan link 4 haruslah sama.

Untuk membangkitkan gerakan tersebut perlu ditempatkan sebuak aktuator sebagai

pembangkit gaya atau torsi agar mekanisme tersebut dapat berfungsi. Skema mekanisme dan aktuatornya ditunjukan pada gambar 2 dibawah ini. Dalam hal ini pada link 2 dtitik C

ditempatkan sebuah aktuator yang memberikan gaya tangensial untuk membangkitkan torsi

pada link 2 sehingga link 2 berotasi, dan mekanisme bekerja, link 3 melakukan gerakan naik

atau turun.

3

4

1

2

3

Gambar 2 : Mekanisme 4 batang dengan aktuator

Untuk mengangkat pasien diperlukan sebuah platform matras dimana disitu akan ditempatkan kasur dan pasien dapat berbaring nyaman.. Dalam bentuk skematik platform matras

digambarkan pada gambar 3, platform matras ini ditempatkan pada mekanisme hi-low bed, dan platform tersebut haruslah dapat dinaik turunkan juga, dimana gerakan dari platform

matras harus sepenuhnya translasi tanpa ada gerak rotasi. Untuk dapat memenuhi persyaratan

ini mekanisme naik-turun tidaklah langsung dapat di hubungkan begitu saja tetapi diperlukan

tambahan 2 buah link lagi, sehingga secara keseluruhan system ini membentuk link 7 batang

sebagaimana ditunjukan pada gambar 4.

Gambar 3: Platform matras

Untuk melengkapi fungsi gerakan hi-low maka pada platform matras dan mekanisme gerakan

hi-low perlu ditambahkan elemen aktuatornya, skema lengkapnya ditunjukan pada gambar 5.

Dari skema mekanisme hi-low + aktuator (gambar 5), titik I dan titik K adalah titik koneksi

aktuator, titik I berupa tumpuan sendi sedangkan titik K adalah berupa titik jepitan dimana

disini ditempatkan tumpuan untuk memungkinkan dibangkitkan gaya dorong dari gerak rotasi

engkol yang diubah menjadi gerak lurus oleh sistem ulir. Permasalahannya adalah titik I melakukan gerak rotasi sedangkan titik K adalah merupakan gerak translasi, yang akibatnya

untuk berbagai posisi platform matras ketinggian titik I dan titik K tidaklah selalu sama, berarti aktuator tidak dapat selalu dalam kondisi lurus.

Pada gambar 6 ditunjukan skema link rotasi 2 dengan titik I adalah titik kontak dengan

aktuator sedangkan titik K’ mewakili titik K pada platform matras. Dengan mengambil

Actuator

C D

4

1

3

2

A B

4

referensi titik A sebagai titik referensi maka gerak titik I dan K dapat ditentukan . Hasil

simulasi beda posisi tersebut ditunjukan pada tabel 1 dan gambar 7 dibawah ini. Sebagai

akibatnya aktuator mengalami bending dan transformasi gaya tidak berjalan secara baik,

sistem aktuator sangat potensial mengalami kegagalan.

3

6

5

2

3

4

7

Gambar 4 . Skema platform matras dan linkage mekanisme gerakan hi-low bed

Aktuator (Lead Screw)K'

F

EC

A

H

G D

B

K

JI

Gambar 5. Mekanisme hi-low hospital bed dan aktuator

Dilihat dari kontruksinya, titik K memang bukanlah dukungan jepit murni akan tetapi

dimungkinkan adanya gerakan rotasi IK terhadap sumbu tegak lurus bidang gambar. Kontruksi dimaksud adalah pada tumpuan K ditempatkan sebuah tumpuan berbentuk

mangkuk sehingga IK dapat berayun, artinya dimungkinkan titik I dan titik K tidak pada ketinggian yang sama, tetapi beda ketinggian ini hanya diijinkan secara terbatas. Kalau

batasan ini terlampaui maka garis IK yang seharusnya selalu membentuk sebuah garis lurus

akan berubah menjadi lengkungan. Aktuator IK yang seharusnya hanya melakukan satu

fungsi saja yaitu membangkitkan gaya aksial untuk memberi gaya dorong dan torsi bagi gerak

mekanisme hi-low mendapat fungsi tambahan menerima bending saat membangkitkan gaya

5

dorong. Dari sisi desain ini adalah merupakan kesalahan yang sangat prinsipil, dimana sesuai

aturan desain menurut G.Pahl fungsi elemen haruslah tidak bias, tidak terjadi fungsi ganda

yang dibebankan pada sebuah elemen.

Dari gambar 7, terlihat jelas bahwa beda ketinggian titik I dan K berubah dari positiv kenegativ secara ekstrim yaitu dari lurus pada tinggi angkat 0 mm, mencapai postiv 22.35

pada tinggi angkat 61.28 mm, kembali ke 0 pada tinggi angkat 143.83 mm dan mencapai

maksimum negativ 92.172 mm pada tinggi angkat 201.34 mm. Bila ketidak lurusan diijinkan

hanya 20 mm, berarti terjadi ketidak lurusan ekstrim, actuator beserta elemen-elemennya

antara lain ulir penggerak dan tbung ulirnya mengalami bengkokan secara ekstrim.

Untuk mengatasi permasalahan ini maka haruslah diusahakan agar aktuator hanya melakukan

satu fungsi saja yaitu membangkitkan gaya dorong dengan melalui gerakan axial dari translasi

ulir, aktuator tidak boleh mengalami bending, untuk itu dikembangkan satu mekanisme

pengganti dengan menambah sebuah linkage tambahan yang menghubungkan actuator dan

mekanisme hi-low. Mekanisme pengganti ini ditunjukan pada gambar 8. Aktuatornya tetap

berupa mekanisme ulir(lead screw), akan tetapi ulir penggerak ini hanya dapat bergerak

translasi saja dengan cara mengisolasi geraknya dengan gerakan sliding pada platform matras,

selanjutnya ditambahkan sebuah linkage pengubung yang menghubungkan ulir pendorong dengan linkage mekanisme hi-low. Linkage tersebut adalah linkage IK yang menghubungkan

aktuator di titik K (gerak translasi) dengan mekanisme hi-low di titik I. Gerakan linkage ini adalah gerakan rotasi.

α

β

K'I

F

E

A

Boomerang

Dilas di sini

Pipa

a. b.

xA = 0 ; yA = 0.

yIyKAktuatorKelurusan

yKyKKKxKxK

EKyEyKxExK

AEyEAExE

AIyIAIxI

−=−

=+=

+==

==

−=−=

';''

'';'

sin;cos

)sin();cos(

αα

βαβα

Gambar 6. Skema link rotasi mekanisme hi-low dan link eqivalentnya

a. link rotasi + platform matras

b. equivalent link rotasi dengan elemen fisik

β α

X

Y

6

Tabel 1. Hubungan tinggi angkat platform matras dengan kelurusan ulir pendorong

Tinggiangkat (mm) beda tinggi/Kelurusan Ulir

Pendorong (mm)

0 0

11.69 6.63

23.75 12.47

36.1 17.054

48.64 20.36

61.28 22.35

86.46 22.34

110.87 17.04

133.78 6.6

143.83 0

154.48 -8.66

172 -28.27

186.85 -51.65

197.53 -78.07

201.34 -92.174

Gambar 7. Chart hubungan tinggi angkat bed dengan kelurusan ulir aktuator

3. Perbandingan performa desain lama dengan desain baru. Ide desain baru untuk sebagai pengganti desain lama telah dibuat prototipenya sebagaimana

ditunjukan pada gambar 9. Untuk mengetahui performa bed dengan desain baru ini dilakukan pengujian dengan menggunakan beban aman sebesar 1700 N disimulasikan sebagai beban

gaya berat pasien. Pengujian dilakukan dengan mengoperasikan aktuator untuk mendapatkan

fungsi hi-low dari tempat tidur. Hasil pengujian untuk bed dengan mekanisme hi-low baru

dan lama ditunjukan pada table 2.

Tinggi Angkat Bed VS kelurusan Ulir

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

0 50 100 150 200 250

Tinggi Angkat Bed (mm)

Ke

luru

sa

n U

lir

Pe

nd

oro

ng

(mm

)

Series1

7

Aktuator (Translasi)K

F

EC

A

H

G D

B

JI

Tambahan Imkage

Matras Platform

Gambar 8. Desain baru koneksi actuator dengan mekanisme hi-low

Tabel 2. Hasil pengujian gerak hi-low pada bed dengan beban matras 1700 N Jenis desain mekanisme Siklus Gerak Hi-low Keterangan

Desain lama Siklus ke 59 Siklus ke 80

Siklus ke 240

Siklus ke 335

Engkol penggerak berat untuk digerakan Plastik sambungan handel rusak

Bearing rusak

Ulir rusak actuator tak dapat

difungsikan

Desain baru Siklus ke 50

Siklus ke 450

Plastik sambungan handel rusak

Sampai siklus ke 450 sistem ulir masih

menunjukan performa baik, mudah

digerakan dan tidak terjadi kerusakan

pada actuator(ulirnya) maupun bearing

Dari tabel 2 terlihat bahwa desain yang lama performanya buruk, mulai dengan engkol berat

digerakan, plastik sambungan handel rusak, bearing rusak hingga akhirnya aktuator tidak

dapat berfungsi lagi karena nut ulirnya mengalami keausan yang ekstrim dan poros ulir lepas

dari ikatan nutnya. Dengan kondisi uji yang sama(beban kerja yang sama) untuk koneksi

dengan desain baru antara aktuator dengan mekanisme hi-low tidak terlihat terjadinya

kegagalan pada system ini, kecuali pada konektor handel penggerak yang menghubungkan

handel penggerak dengan poros actuator mengalami kerusakan. Kerusakan yang sama juga terjadi pada desain yang lama. Dalam hal ini memang handel ini merupakan titik lemah

karena material plastik yang digunakan dari jenis ABS yang relative lunak. Secara keseluruhan dengan pengecualian pada konektor handel penggerak, desain baru menunjukan

performa yang jauh lebih baik, dibandingkan desain lama.

8

Gambar 9 : Prototipe Bed

4. Kesimpulan • Desain lama dengan menghubungkan aktuator langsung ke mekanisme hi-low

mengakibatkan bending terjadi pada aktuator dan aktuator sangat potensial mengalami

kegagalan fungsi.

• Dengan memberikan tambahan sebuah link penghubung antara aktuator dan

mekanisme hi-low gerak aktuator dapat dijamin merupakan gerak lurus murni.

• Hasil pengujian menunjukan performa desain koneksi actuator dengan mekanisme hi-

low yang baru lebih baik dari desain lama

5. Saran • Dari hasil analisis dan pengujian yang dilakukan disarankan desain baru koneksi

aktuator dengan mekanisme hi-low dapat diterapkan untuk pengganti desain lama.

• Perlu dievaluasi kembali desain konektor handel penggerak agar mampu berfungsi

dengan lebih baik

Kepustakaan : IEC 601-2-38:1996 Medical Electrical Equipment – Part 2:Particular requirements for the

safety of electrically operated hospital beds

Pahl,G., and Beitz,W. 1991. Engineering Design : A systematic approach. London:

Springer – Verlag

Susanto 2004. Injury risk assesment of cm bed use failure mode and effect analysis for system

and design of the bed, UII Procedding.