Lengan Robot

1. Model lengan robot ( robotic arm)

Penulis membuat lengan robot menggunakan sistem kontrol gerak holomonic. Gerak holomonic merupakan sistem gerak yang serupa dengan gerak ujung pensil atau pulpen ke segala arah di permukaan kertas sesuai de ngan keinginan (Pitowarno, 2006). Penerapan sistem gerak holomonic memungkinkan lengan robot dapat menjangkau segala arah dengan mudah. Lengan robot yang dibuat oleh penulis lebih menitik beratkan pada jenis kontrol kinematika dengan memanfaatkan program pada mikrokontroler karena memiliki struktur dinamika yang rumit. Pitowarno (2006) menjelaskan bahwa untuk robot yang memiliki struktur dinamika yang rumit sering kali model matematika dinamiknya tidak mungkin dideskripsikan secara rinci dan ideal. Menu rut Pitowarno (2006) pada kenyataannya dalam aplikasi para enginer lebih suka menghindari analisis dinamik yang rumit dan lebih memfokuskan kajiannya dalam mempercanggih kontrol kinematik.

Bagian tangan robot dikenal sebagai manipulator tangan, yaitu sistem gerak yang berfungsi untuk memanipulasi (memegang, mengambil, mengangkat, memindah atau mengolah) obyek (Pitowarno, 2006). Untuk melakukan pengambilan obyek lengan robot ini dilengkapi dengan gripper (pemegang). Gripper jenis capit telah teruji pada robot Lynx5 dalam mencengkram obyek bulat yang ditampilkan pada Lampiran 1.

2.  Mikrokoprosesor.

Mikroprosesor merupakan chip dengan fungsi sebagai pemroses data dari

input yang diterima dari sebuah sistem digital (Budiharto, 2005). Winoto (2008) menjelaskan bahwa mikrokontroler adalah sebuah sistem mikroprosesor dimana di dalamnya sudah terdapat CPU, ROM, RAM, I/O, Clock dan peralatan internal lainya yang sudah saling terhubung dan terorganisasi (teralamati) dengan baik oleh pabrik pembuatnya dan dikemas dalam satu chip yang siap dipakai.

Winoto (2008) menjelaskan ALU adalah Processor yang bertugas mengeksekusi (eksekutor) kode program yang ditunjuk oleh program counter. Program counter (PC) merupakan komponen yang bertugas menu njukkan ke ALU alamat program memori yang harus diterjemahkan kode programnya dan dieksekusi (Winoto, 2008). Hampir semua pemrosesan data dilakukan di dalam ALU di dalam CPU.

3. Mikrokontroler ATMEL

ATMEL merupakan pemimpin global dalam desain dan manufaktur dari mikrokontroler, dan komplementer produk seperti capacitive touch sensing ICS, ASICs, nonvolatil memori dan komponen frekuensi radio. Ada beberapa vendor yang membuat mikrokontroler diantaranya Intel, Microchip, Winbond, Atmel, Philips, Xemics dan lain - lain. Beberapa vendor tersebut, yang paling populer digunakan adalah mikrokontroler buatan Atmel (RIZKALINDO, 2008).

Penggunaan mikrokontroler jenis ATMEL telah menyebar luas didunia sebab memiliki keunggulan dari segi kemampua n dan harga. Mikrokontroler ini memiliki kemampuan yang sama dengan mikrokontroler yang lain dengan perangkat pendukung yang tidak terlalu banyak, seperti kristal, resistor dan kapasitor (Budiharto, 2006).

Budiharto (2005) menjelaskan bahwa di dala m mikrokontroler terdapat bagian-bagian pendukung proses pengolahan data yang diterima, diantaranya:

1.     CPU (Central Processing Unit )

Tempat terjadinya proses pengolahan data yang diterima.

2.     RAM (Random Access Memory )

Tempat menyimpan data sementara sebelum di proses oleh CPU.

3.     EPROM (Eraseable Programmable Read Only Memory )

Tempat menyimpan program secara permanen yang dapat dirubah.

4.     I/O (Input/Output)

Tempat berkomunikasinya dengan perangkat keras yang terhubung diluar.

5.     Timer

Tempat unit pencacahan dan delay un tuk mengatur pewaktuan.

6.     Intrup Controler

Tempat mengatur dan menampung permintaan mendadak saat running.

4. Mikrokontroler ATMega8535

Mikrokontroler ATMega 8535 merupakan jenis mikrokontroler AVR produk Atmel yang memiliki banyak macam dan jenisn ya. Mikrokontroler AVR ( Alf and Vegard’s Risc prosesor ) memiliki arsitektur RISC 8 bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16 -bit (16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 (satu) siklus clock, berbeda dengan instruksi MCS 51 ya ng membutuhkan 12 siklus clock (RIZKALINDO, 2008).

Kedua jenis mikrokontroler ini memiliki arsitektur yang berbeda. Wardhana (2006) menjelaskan bahwa AVR berteknologi RISC ( Reduced Instruction Set Computing), sedangkan seri MCS 51 berteknologi CI SC (Complex Instruction Set

Computing). RIZKALINDO (2008) menjelaskan secara umum, AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu keluarga ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing - masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Bentuk ATMega8535 ditampilkan pada Lampiran 2.

Menurut Wardhana (2006) keunggulan pemakaian ATMega 8535 disebabkan karena memiliki fasilitasnya yang lengkap. Konfigurasi pin yang ada pada ATMega 8535 sebagai berik ut:

1.     VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan dari catu daya.

2.     GND adalah pin dari ground

3.     Port A (PA0..PA7) adalah pin I/O dua arah dan sebagai pin masukan ADC.

4.     Port B (PB0..PB7) adalah pin I/O dua arah dan sebagai pin dengan fungsi khusus yaitu timer/counter, komparator analog, dan SPI.

5.     Port C (PC0..PC7) adalah pin I/O dua arah dan pin dengan fungsi khusus berupa TWI, komparator analog, dan Timer Osilator.

6.     Port D (PD0..PD7) adalah pin I/O dua arah dan pin dengan fungsi khusus berupa komparator analog, interupsi eksternal, dan komunikasi serial.

7.     RESET merupakan pin yang berguna untuk menset ulang mikrokontroler.

8.     XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal.

9.     AVCC merupakan pin masukan tegangan untuk ADC.

10. AREF merupakan pin masukan tegangan refe rensi ADC.

Susunan kaki dan karakteristik ATMega8535 secara lengkap ditampilkan pada Lampiran 3.

5.  Board mikrokontroler ATMega8535

Board yang digunakan penulis adalah jenis DT-AVR Low Cost Micro System keluaran pabrikan Innovative Electronics ya ng berada di Surabaya, Indonesia. Fitur ADC pada mikrokontroler ATMega 8535 terdapat pada Port A (PA0 –PA7) (ATMEL, 2003). DT-AVR Low Cost Micro System juga memiliki ADC hingga 8 channel single -ended A/D converter dengan resolusi 10 bit (Innovative Electronics, 2007). Bentuk board DT-AVR Low Cost Micro System didominasi warna merah dengan dimensi panjang 8,6 cm, lebar 7,2 cm dan tinggi 1,8 cm (Innovative Electronics, 2007). Bentuk dan penempatan pin -pin dari board DT-AVR Low Cost Micro System ditampil kan pada Lampiran 4.

6. ADC

ADC adalah suatu prosedur yang dilakukan dalam memproses sinyal analog dengan alat digital dimana sinyal analog di konversi menjadi suatu deret angka yang mempunyai presisi terbatas (Proakis dan Manolakis, 1997). Pros es inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clok, tegangan referensi, format output data, dan metode pembacaan (Budiharto, 2008). Proakis dan Manolakis (1995) menyebutkan dalam memandang konversi Analog ke Digital (A/D) ada 3 proses yang terjadi (Gambar 1), yaitu:

1.     Pencuplikan. Ini merupakan konversi suatu sinyal waktu kontinu menjadi suatu sinyal waktu diskrit yang diperoleh dengan mengambil “cuplikan” sinyal waktu-kontinu pada saat waktu diskrit.

2.     Kuantisasi. Ini adalah konversi sinyal yang bernilai -kontinu waktu-diskrit menjadi sinyal (digital) bernilai -diskrit, waktu diskrit.

3.     Pengkodean. Dalam proses pengkodean setiap nilai diskrit digambarkan dengan barisan bilangan biner

Pencuplikan

Pengkuantisa

Sinyal waktu

^{Sinyal analog}                                                    diskrit _{Sinyal Pengkode} terkuantisasi

Bit

01011101..

Sinyal digital

Sumber : Proakis dan Manolakis (1995)

Gambar 1. Bagian dasar konver ter analog ke digital (Proakis dan Manolakis, 1995)

Input pada mikrokontroler dihubungkan dengan sebuah 8 channel analog multiplexer yang digunakan untuk singgle ended input channels (Budiharto,

2008). Menurut Wardhana (2006) masukan ana log ADC tegangan harus lebih besar dari 0 Volt dan lebih kecil daripada tegangan referansi yang dipakai. Pada penelitian ini digunakan tegangan tegangan referensi internal sebesar 2,56 Volt. Tegangan referensi ADC dapat dipilih antara lain pada pin AREF pin AVCC, atau menggunakan tegangan referensi internal sebesar 2,56 Volt (Budiharto, 2008).

Dalam penelitian ini penulis menggunakan 10 bit ADC untuk mencacah tegangan sebesar 2,56 Volt. Nilai bit tergantung dengan kemampuan mikrokontroler yang digunakan. Menurut Wardhana (2006) apabila

menggunakan 10 bit ADC maka rentang output yang dihasilkan adalah dari 0 sampai 1023.

Penggunaan ADC pada lengan robot ditentukan menggunakan channel mode single conversion melalui program yang ada pada mikro kontroler. Mode Single conversion adalah mode yang biasa digunakan apabila ingin menggunakan banyak kanal (Wardhana, 2006). Mode single conversion sama dengan penghubungan input ADC dengan dua buah input ADC. Menurut Budiharto (2008) jika menggunakan differensial channel hasil dari nilai 41 menjadi 40,96 yang apabila digenapkan bisa berkisar 39, 40, 41 karena ketelitian ATMega8535 sebesar +/- 2 LSB (Least Significant Bit ).

7. PWM (Pulse Width Modulation )

Pulse Width Modulation adalah suatu tehnik manipulasi dalam mengemudikan motor (alat perangkat elektronik berarus besar lainnya) yang menggunakan prisip cut-off dan saturasi (Pitowarno, 2006). Winoto (2008) menjelaskan bahwa PWM sendiri adalah bentuk gelombang digital (pulsa) yang bisa kita atur duty cycle-nya. Pulse With Modulation atau PWM adalah metode canggih untuk mengatur kecepatan motor dan menghindarkan rangkaian mengkonsumsi daya yang berlebih (Budiharto, 2006). Dengan pengaturan konsumsi daya akan membuat alat elektronik yang dibuat lebih efisien dan hemat energi dalam bekerja.

Saklar pada rangkaian PWM bukanlah saklar mekanik, tetapi biasanya berupa komponen MOSFET atau Power Transistor karena Rangkaian chopping pada PWM tidak dimungkinkan memakai relay yang memiliki reaksi y ang kurang cepat (Duclin, 2008). Duty Cycle adalah perbandingan antara lama waktu pada

saat kondisi on/ high (logika 1) dan lama periode satu gelombang pulsa (Winoto, 2008). Perbandingan dari perioda ON dan perioda T disebut dengan duty cycle (Duclin, 2008). Secara umum duty cycle merupakan lebar pulsa PWM. Gambar perbandingan perioda duty cycle dapat dilihat pada Lampiran 5. Dengan prinsip ini maka akan mudah mengatur lebar pulsa untuk mendapatkan kecepatan motor DC yang diinginkan. PWM bekerja denga n pembuatan gelombang kotak (persegi) yang merupakan variabel antara perbandingan on -off, dimana rata-rata lamanya waktu berkisar antara 0 sampai 100 persen (Cook, 1999).

8. Motor servo lengan robot ( robotic arm)

Motor servo merupakan sebuah motor DC kecil yang diberi sistem gear dan potensiometer sehingga dia dapat menempatkan “horn” servo pada

posisi yang dikehendaki (Malik, 2007). Motor servo ini jelas menggunakan

sistim “close loop” sehingga posisi “horn” yang dikehendaki bisa dipertahanka n. Menurut Budiharto (2006) motor servo adalah motor DC kualitas tinggi yang memenuhi syarat untuk digunakan pada aplikasi servo seperti close control loop, yaitu harus dapat menangani perubahan yang cepat pada posisi, kecepatan, dan percepatan.

Secara umum terdapat 2 jenis motor servo, yaitu motor servo standard dan

motor servo continous.  Motor servo standard dapat berputar hingga 180 ⁰

sedangkan motor servo continous dapat berputar hingga 360 ⁰ (Budiharto, 2006). Jika dibandingkan dengan motor DC dan motor stepper motor servo memiliki kecepatan putar yang rendah tapi memiliki kekuatan yang besar. Bentuk dari motor servo dapat dilihat pada Lampiran 6.

Dalam motor servo sistem kontrol untuk motor relatif sedikit (diperlukan hanya 1 jalur data saja), hal ini tentu berbeda misalnya jika menggunakan motor stepper yang memerlukan jalur kontrol lebih dari 1 jalur (Malik, 2007). Untuk dapat membelokkan motor servo kekanan atau kekiri maka harus diberikan lebar pulsa kepada motor servo secara berula ng-ulang. Ilustrasi pemberian lebar pulsa pada motor servo dapat dilihat pada Lampiran 7.

9. Bahasa program lengan robot ( robotic arm)

Program yang kita buat harus disesuaikan dengan mikrokontroler yang kita pakai atau sesuai dengan fasilitas y ang diberikan mikrokontroler. Wahyudi (2007) menuliskan beberapa dasar dari BASCOM 8051 diantaranya adalah karakter dalam BASCOM, tipe data, variable, alias, konstanta, array, operasi - operasi dalam BASCOM dan kontrol program.

10. Program lengan robot (robotic arm)

Pemrograman lengan robot menggunakan software BASCOM-AVR dengan bahasa tingkat tinggi BASIC. Wahyudi (2007) menjelaskan penggunaan bahasa tingkat tinggi BASIC lebih mudah dimengerti dan dipahami dibandingkan bahasa tingkat tinggi lainnya. Bahasa BASIC merupakan jalan keluar dari sulitnya memahami bahasa tingkat rendah assembly.

Alberts (2008) menjelaskan bahwa BASCOM AVR merupakan hasil dari pengembangan lebih lanjut dari kompiler BASCOM 8051 dengan kelebihan dapat mendukung penggunaan mikrokontroler jenis AVR yang dikeluarkan ATMEL.

11.  Perangkat penginderaan (sensor)

Dalam instrument ini digunakan beberapa alat elektronika yang berfungsi sebagai sensor pada persendian tangan manusia, yaitu potensio meter. Menurut Pitowarno (2006) potensio meter adalah sensor analog yang paling sederhana namun sangat berguna untuk mendeteksi posisi putaran, misalnya kedudukan sudut poros aktuator berdasarkan nilai resistansi pada putaran porosnya. Bentuk perangkat sensor lengan robot dapat dilihat pada Gambar 2.

Sumber : Pitowarno (2006)

Gambar 2. Potensio meter sebagai sensor posisi

Potensio meter poros merupakan hambatan variable yang dapat dirubah nilai hambatannya dengan cara memutar batang porosnya. Perputaran ini akan menggeser kedudukan hambatannya sehingga hambatan yang terbaca berbeda - beda. Potensio meter memiliki 3 kaki dan sebuah pemutar yang berguna untuk

merubah hambatan yang ada didalamnya. Bentuk dan bagian potensio met er poros dapat dilihat pada Gambar 3.

Sumber : Etisystems (2009)

Gambar 3. Penampang potensio meter bagian dalam

12. Sejarah perkembangan lengan robot (robotic arm)

Pengembangan robot di dunia ternyata telah ada pada jaman Le onardo da Vinci, hingga saat ini dengan robot yang paling maju bernama ASIMO buatan perusahaan raksasa mobil Honda negara Jepang. Ilustrasi perkembangan lengan robot ditampilkan pada Lampiran 8.

Secara singkat perkembangan teknologi lengan robot di dunia dapat dilihat pada Tabel 1 (Jaeger, 2007):

Tabel 1.  Perkembangan lengan robot di dunia.

Tahun	Penemu	Karya yang dibuat
250	Ctesibius	Membangun bagian tubuh dan jam air dengan
S.M	Alexandria	menggunakan papan yang dapat bergerak
	Leonardo da	Merancang gambar robot manusia yang pertama kali yang
1495		mampu duduk, memutar tangan, dan menggerakkan
	Vinci
		kepala dengan leluasa
1564	Pare Ambroise	Rancangan tangan robot mekanik dengan otot -otot mesin
		yang menggerakkan tangan
1865	John Brainerd	Membuat manusia mesin uap yang digunakan untuk
		mendorong benda apapun

1885	Frank Reade	Membuat manusia listrik yang merupakan pengembangan
	Jr	dari manusia mesin uap yang telah dibuat sebelumnya
		Membuat robot bernama ELEKTRO, ini merupakan ro bot
1937/38	Westinghouse	dengan bentuk menyerupai manusia yang dapat berbicara,
		berjalan dan merokok
	Willard Pollard	Merancang lengan mekanik untuk menyemprot cat secara
1942	dan Harold
		terprogram
	Roselund
1951	Raymond	Merancang lengan robot yang dapat dikendalikan me lalui
	Goertz	transmisi radio
	Perusahaan	Mengembangkan dan memakai teknologi lengan robot
1961	General
		bernama UNIMATE
	Motors
	Rumah sakit	Pembuatan lengan robot dengan nama Rancho Arm
1963	Rancho Los	dimana untuk pertama kalinya Robotic Arm dapat
	Amigos	dikendalikan melalui komputer
	Victor
1965	Scheinman	Membuat lengan robot yang menggunakan penggerak
	dan Larry	udara dinamakan Orm
	Leifer
1968	Marvin Minsky	Membuat lengan robot tentakel yang memiliki kemampuan
		untuk dapat mengangkat manusia
	Victor	Lengan robot Stanford yang sepenuhnya bergerak
1969		menggunakan listrik dan dapat dikendalikan melalui
	Scheinman
		computer
		Lengan robot Silver, robot ini dibuat dengan komponen
1974	David Silver	terkecil dan dilengkapi dengan sensor tekanan yang
		mampu merasakan sentuhan
1975	Victor	Membangun Programmable Universal Manipulation untuk
	Scheinman	lengan robot yang dapat digunakan pada industri robot
1996	Perusahaan	Robot manusia bernama P2 yang sudah memiliki kaki dan
	mobil Honda	lengan yang dapat bergerak dengan baik
	Perusahaan	Robot manusia P3 yang merupakan pengembangan kedua
1997		untuk mencapai tujuan pembuatan robot ASIMO yang
	mobil Honda
		pintar
1997	Ilmuan dari	SARCOS dengan pengendali robot secara manual
	Salt Lake City
	Tim film The	Pembuatan kerangka pengandali (Telemetri Suit) robot
1997		dimana kerangka ini menyerupai pergerakan lengan
	Lost World
		manusia
1998	Kedokteran	Membangun lengan robot bionik yang disebut dengan
	amerika	Edinburg Modular Arm System (EMAS)
	MD Robotics	Membangun lengan robot tercanggih untuk membantu
2001		pekerjaan menyiapkan stasiun ruang angkasa dengan
	of Canada
		nama Space Station Remote Manipulator System (SSRMS)
2003	Steven Ashley	Artificial Muscle dibuat dari bahan polymer khusus yang
		dapat berubah bentuk apabila dialiri listrik melal ui bahan ini
		Robot lengan dengan otot tiruan ( Artificial Muscle) generasi
2007	Steven Ashley	terbaru dengan penggerak serat polymer yang bentuknya
		telah mirip dengan anatomi tangan manusia