Download - Analisis Gerak Mekanisme Hi Low
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.