BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Robot
Robot merupakan kecerdasan buatan (Artificial Intelligence) yang dapat di manipulasi dan di program ulang untuk memindahkan tool, material atau peralatan tertentu dengan berbagai pergerakan dan juga mengendalikan suatu perlatan. Istilah robot berawal dari bahasa Cheko “robota” yang berarti pekerja atau kuli yang tidak mengenal lelah atau bosan. Robot adalah sebuah alat mekanik yang dapat melakukan kegiatan fisik, baik menggunakan pengawasan dan kontrol manusia, ataupun menggunakan program yang telah didefinisikan terlebih dahulu Salah satu komponen penggunaan dari robot dapat berupa mobile robot yaitu navigasi. Dalam navigasi robot ini menerapkan sensor bluetooth yang prinsip kerjanya berdasarkan gelombang yang diberikan. Robotika adalah satu cabang teknologi yang berhubungan dengan desain, konstruksi, operasi, disposisi struktural, pembuatan, dan aplikasi dari robot. Robotika terkait dengan ilmu pengetahuan bidang elektronika, mesin, mekanika, dan perangkat lunak komputer6.
2.1.1
Sejarah perkembangan robot
Sejarah Perkembangan sistem komputer telah berperan dalam perkembangan robot juga. Robot adalah computer sebagai berikut sejarahnya : 1. Pada tahun 1921: Penulis Ceko Karel Kapeck menulis sebuah drama berjudul RUR ( Rossum's Universal Robots ). "Robot" berasal dari kata Ceko "robota" yang berarti "buruh
5
6
2. membosankan" dan itu menjadi sinonim dengan konsep makhluk robot. 3. Pada tahun 1926: Pembuat film Fritz Lang merilis film Metropolis , itu adalah robot pertama kali muncul di film. Robot ini dibangun dalam bentuk istri penciptanya itu. 4. Pada tahun 1927: pertama di dunia ini "robot," suara humanoid disebut Televox , dioperasikan melalui sistem telepon. 5. Pada tahun 1928: Jepang memproduksi robot pertama, Gakutensoku. Namanya berarti "belajar dari hukum alam. emas" robot itu dicat, berdiri 7'8 "dan bisa membuka dan menutup mata, membusungkan pipi dan tersenyum. 6. Pada tahun 1936: Konsep untuk komputer pertama kali diperkenalkan
oleh
Alan
Turning,
yang
menyebutnya
mengubah mesin. 7. Pada tahun 1939: di dunia pertama diprogram mesin spray cat diciptakan oleh William Pollard dan Harold Roselund. Tidak ada lagi adalah seorang manusia yang dibutuhkan ketika seseorang masuk untuk memiliki mobil mereka dicat, hal itu dilakukan secara otomatis, dengan lengan robot. 8. Pada tahun 1939: Robot elektro mengunjungi's Fair 1939 Dunia dan menjadi hit besar. Robot itu mirip manusia dengan kepala, lengan, dan kaki. 9. Pada tahun1942: Isaac Asimov menghasilkan serangkaian cerita tentang robot untuk majalah fiksi ilmiah. Serial ini berputar di sekitar robot dan kasih sayang untuk anak itu dibangun untuk melindungi. Ia akhirnya dikompilasi ke dalam sebuah buku yang disebut " I, Robot "pada 1950. Serial ini juga memperkenalkan " Tiga Hukum Robot , "sebuah konsep yang telah dimasukkan dalam hampir setiap cerita robot lain, acara TV, dan film-to-date. Dia juga memperkenalkan hukum "0".
7
10. Pada tahun 1948: MIT Profesor Norbert Wiener menerbitkan sebuah buku berjudul Sibernetika, yang rincian konsep kontrol dan komunikasi dari sebuah sistem mekanik (seperti robot.) 11. Pada tahun 1951: Raymond Goertz desain lengan mekanik untuk Automic Komisi Energi yang dapat dikendalikan oleh seseorang yang agak jauh. 12. Pada tahun 1954: George Devol menciptakan istilah Universal Otomatisasi dan desain robot diprogram pertama. 13. Pada
tahun
1956:
Seorang
insinyur
bernama
Joseph
Engelberger Devol bergabung dalam membentuk robot pertama perusahaan dunia. Mereka menyebutnya Unimation. 14. Pada tahun 1959: Di MIT, para peneliti memamerkan sistem manufaktur yang dibantu oleh komputer. 15. Pada tahun 1959: Sebuah perusahaan bernama Planet Corporation diproduksi robot pertama kali dijual secara komersial. 16. Pada tahun 1960: John Hopkins menciptakan "binatang itu sendiri." Ini bisa menemukan outlet pengisian daya pada saat baterai yang punya rendah dan dikontrol oleh ratusan transistor. 17. Pada tahun 1960: Sebuah mesin yang dikenal sebagai General Electric Berjalan The Truck ini diciptakan oleh Ralph Moser. Itu bisa bergerak dengan kecepatan empat mil per jam, memiliki empat kaki dan beratnya sekitar 30.000 pon. 18. Pada tahun 1960: Corporation Condec pembelian Unimation dan perusahaan mulai mengembangkan Sistem Unimate Robot. 19. Pada tahun 1960: Sebuah robot bernama Versatran , dibangun oleh American Mesin dan Foundry, dibangun. 20. Pada tahun 1961: Robot industri pertama berjalan online di pabrik General Motors di New Jersey.Robot, Devol dan
8
Engelberger's UNIMATE , dirancang untuk pengelasan spot dan ekstraksi. 21. Pada tahun 1963: Sebuah lengan robot yang dikenal sebagai Rancho Arm dirancang. Itu adalah lengan robot pertama yang dikontrol oleh manusia tetapi sepenuhnya oleh komputer dan dibangun untuk membantu orang cacat. 22. Pada tahun 1964: MIT, Stanford Research Institute dan University of Edinburgh semua penelitian laboratorium kecerdasan buatan terbuka. 23. Pada tahun 1965: DENDRAL diluncurkan. Itu adalah proyek dalam kecerdasan buatan yang dihasilkan program pertama yang "dieksekusi akumulasi pengetahuan" yang berarti ia tahu apa yang digunakan untuk membuat keputusan. 24. Pada tahun 1968: Marvin Minsky mengembangkan sebuah robot gurita seperti disebut Arm Tentakel. 25. Pada tahun 1970: Shakey , robot pertama yang dikendalikan oleh kecerdasan buatan, diciptakan.Pada dasarnya sebuah kotak di atas roda, itu digunakan untuk menavigasi program memori dan untuk memecahkan masalah. 26. Pada tahun 1970: Di Stanford University, sebuah lengan robot dikembangkan.
Menjadi
standar
untuk
semua
proyek
penelitian dan yang dinamakan Lengan Stanford 27. Pada tahun 1970: Freddy robot diciptakan di Universitas Edinburgh. 28. Pada tahun 1974: The Arm Silver , sebuah lengan robot yang dirancang untuk melakukan perakitan bagian-bagian kecil dengan menggunakan umpan balik dari sentuhan, yang diciptakan oleh David Silver di MIT. 29. Pada tahun 1976: Dua pesawat antariksa, Viking 1 dan Viking 2 , menggunakan lengan robot ketika mereka pergi ke Mars. 30. Pada tahun 1983; Robot disebut "Remote Reconnaissance Kendaraan" dikirim ke ruang bawah tanah sebuah pabrik
9
nuklir dikenal sebagai Three Mile Island , di mana terjadi kecelakaan nuklir. Dibutuhkan waktu selama empat tahun survei dan pembersihan. 31. Pada tahun 1984: The Terregator , outdoor robot otonom pertama, diciptakan. 32. Pada tahun 1997: The NASA Pathfinder mendarat di Mars dan dengan mitranya, Sojourner, mereka menangkap gambar. Robot dapat dikendalikan dari Bumi. 33. Pada tahun 2000: Ada sebuah karya robot: yang humanoid, yang Asimo Honda dan Sony Dream Robot. 34. Pada tahun 2004: Robosapien , sebuah robot humanoid, yang ditemukan oleh fisikawan AS Dr Mark W Tilden. Sampai sekarang terus berkembang dalam berbagai bidang.
2.1.2
Jenis-jenis robot
Robot mempunyai teknik navigasi yang menjadi sistem kontrol. Terdapat beberapa jenis robot, yaitu : 1. Mobile robot (Bergerak). Robot Mobil atau Mobile Robot adalah konstruksi robot yang ciri khasnya adalah mempunyai aktuator berupa roda untuk menggerakkan keseluruhan badan robot tersebut, sehingga robot tersebut dapat melakukan perpindahan posisi dari satu titik ke titik yang lain. Untuk dapat membuat sebuah robot mobile minimal diperlukan pengetahuan tentang mikrokontroler dan sensor-sensor.
10
Gambar 2.1. Mobile Robot Bergerak (Widodo Budhiharto: 2011, 107 )
2. Robot Manipulator (tangan). Robot ini hanyak memiliki satu tangan seperti tangan manusia yang fungsinya untuk memegang atau memindahkan barang.
Gambar 2.2. Robot Manipulator – tangan (Widodo Budhiharto: 2011, 108)
3. Robot Humanoid. Robot ini memiliki kekmpuan menyerupai manusia, baik fungsi maupun cara bertindak.
11
4. Flying robot. Robot yang mampu terbang, robot ini menyerupai pesawat model yang deprogram khusus untuk memonitor keadaan di tanah dari atas, dan juga untuk meneruskan komunikasi.
5. Robot berkaki. Robot ini memiliki kaki seperti hewan atau manusia, yang mampu melangkah, seperti robot serangga3.
2.1.3
Komponen robot
Pada robot terdapat beberapa komponen-komponen : 1. Manipulator, memiliki tiga bagian yaitu : mekanik, penyangga gerakan (appendage) dan base (pondasi / landasan robot).
2. Controller, adalah jantung dari robot untuk mengontrol (MP, RAM, ROM, Sensor). 3. Power Supply, sumber tenaga yang dibutuhkan oleh robot, dapat berupa energi listrik dalam bentuk battery. 4. End Effector, untuk memenuhi kebutuhan dari tugas robot atau pengguna2.
2.2
Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data. Mikrokontroler merupakan komputer didalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik. Mikrokontroler ialah chip yang
12
berisi berbagai unit penting untuk pemrosesan data (I/O, timer, memory, Aritmetic Logic Unit (ALU)) sehingga sebagai pengendali dan komputer sederhana. Penggunaan dalam mikrokontroler :
1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas. 2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi. 3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak.
Mikrokontroler ada pada perangkat elektronik di sekeliling kita, misalnya
Handphone,
MP3
Player,
DVD,
Televisi,
AC,
dll.
7
Mikrokontroler juga digunakan untuk menggendalikan robot .
2.3
Arduino Mega 2560 “Uno” berarti satu dalam bahasa Italia dan dinamai untuk menandakan keluaran (produk) Arduino 1.0 selanjutnya. Arduino UNO dan versi 1.0 akan menjadi referensi untuk versi-versi Arduino selanjutnya. Salah satu tipe mikrokontroler untuk aplikasi menggunakan mikrokontroler Arduino Mega 2560. Arduino Mega 2560 mempunyai 54 pin input/output digital (dimana 14 pin dapat digunakan sebagai output Pulse Width Modulation (PWM)), 16 input analog, 16 MHz osilator Kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Komponen utama Arduino adalah mikrokontroler, maka Arduino pun dapat diprogram menggunakan komputer sesuai dengan kebutuhan kita. Adapun data teknis board Arduino Mega 2560 sebagai berikut : Mikrokontroler : Arduino Mega 2560 Tegangan Operasi : 5 V Tegangan Input (recommended) : 7-12 V Tegangan Input (Limit) : 6-20 V
13
Pin digital I/O : 54 (15 provide PWM Output) Pin Analog input : 16 Arus DC per pin I/O : 40 mA Arus DC untuk pin 3.3 V : 50 mA Flash Memory : 256 KB dengan 8 KB digunakan untuk bootloader SRAM : 8 KB EEPROM : 4 KB Kecepatan pewaktu : 16 MHz
Gambar 2.3. Bentuk fisik Arduino Mega 2560 (Feri Djuandi : 2011, 6)
Bahasa pemograman yang digunakan Arduino adalah bahasa C/C++, tetapi dengan pemahaman library dan fungsi-fungsi standar membuat pemograman Arduino lebih mudah dipelajari mahasiswa. Tersedia library yang sangat banyak untuk menghubungkan Arduino dengan macam-macam sensor, actuator maupun modul komunikasi. Berhubung Arduino adalah open source, maka library-library ini juga open source dan dapat di download secara gratis di website Arduino. Arduino tidak membuat bahasa pemograman khusus, melainkan menggunakan bahasa C yang sudah ada, lebih tepatnya menggunakan bahasa C yang menggunakan compiller AVG – GCC (AVR GNU C – compiller).
14
Bahasa C adalah bahasa yang sangat lazim dipakai sejak awal-awal komputer diciptakan dan sangat berperan dalam perkembangan software. Bahasa C telah banyak membuat bermacam-macam sistem operasi UNIX, LINUX, dsb. Bahasa C adalah bahasa pemograman yang digunakan untuk bahasa assembler. Bahasa C menghasilkan file kode objek yang sangat kecil dan dieksekusi dengan sangat cepat. Karena itu bahasa C sering digunakan pada system operasi dan pemograman mikrokontroler. Karena Arduino menggunkan bahasa C yang multi-platform, maka software Arduino pun bisa dijalankan pada semua sistem operasi umum. Arduino dikembangkan oleh sebuah tim yang beranggotakan orang-orang dari berbagai belahan dunia. Anggota dari tim adalah :
Massimo Banzi Milano, Italy
David Cuartieless Mamoe, Sweden
Tom Igoe New York, US
Gianluca Martino Torino, Italy
David A. Meilis Boston, MA, USA
Secara umum Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu : 1. Hardware adalah papan input/ouput (I/O) 2. Software adalah Software Arduino meliputi IDE untuk menulis program, driver untuk koneksi dengan komputer.
Arduino memiliki berbagai macam jenis papan, berikut adalah jenis-jenis papan pada Arduino :
a. Arduino Mega, papan Arduino dengan spesifikasi yang lebih tinggi, dilengkapi dengan tambahan pin digital, pin analog, port serial dan sebagainya, contohnya : Arduino Mega dan Arduino Mega 2560.
b. Arduino USB, menggunakan USB sebagai antar muka pemograman atau komunikasi komputer. Contoh : Arduino UNO, Arduino
15
Duemilanove, Arduino Diecimila, Arduino NG Rev. C, Arduino NG (Nuova Generazione), Arduino Extreme dan Arduino Extreme v2, Arduino USB dan Arduino USB v2.0. c. Arduino Serial, menggunakan RS232 sebagai antar muka pemograman atau komunikasi komputer, contohnya : Arduino Serial dan Arduino Serial v2.0. d. Arduino FIO, ditujukan untuk penggunaan nirkabel. e. Arduino LILYPAD,
papan yang mempunyai bentuk melingkar,
contoh : LilyPad Arduino 01, LyliPad Arduino 02, LyliPad Arduino 03, LyliPad Arduino 04. f. Arduino BT, mengandung modul Bluetooth untuk komunikasi nirkabel. g. Arduino NANO dan Arduino mini, papan yang berbentuk kompak dan digunakan bersama breadboard, contohnya : Arduino Nano 3.0, Arduino Nano 2x, Arduino Mini 04, Arduino Mini 03, Arduino Stamp 02. Komponen utama didalam papan Arduino adalah sebuah mikrokontroler 8 bit dengan merk Arduino Mega yang dibuat oleh perusahaan Atmel Corporation1.
2.4
Block Diagram
Untuk memberikan gambaran mengenai apa saja yang terdapat didalam sebuah mikrokontroler, pada gambar berikut ini diperlihatkan contoh diagram blok sederhana dari mikrokontroler Arduino Mega 2560 :
16
Gambar 2.4. Block Diagram pada Mikrokontroler Arduino Mega 2560
(Feri Djuandi : 2011, 8) Blok-blok di atas dijelaskan sebagai berikut:
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) adalah antar muka yang digunakan untuk komunikasi serial seperti pada RS3.
8KB SRAM pada memory kerja bersifat volatile (hilang saat daya dimatikan), digunakan oleh variable-variabel di dalam program.
256KB RAM flash memory bersifat non-volatile, digunakan untuk menyimpan program yang dimuat dari komputer. Selain program, flash memory juga menyimpan bootloader. Bootloader adalah program inisiasi yang ukurannya kecil, dijalankan oleh CPU saat daya dihidupkan. Setelah bootloader selesai dijalankan, berikutnya program di dalam RAM akan dieksekusi.
4KB EEPROM bersifat non-volatile, digunakan untuk menyimpan data yang tidak boleh hilang saat daya dimatikan. Tidak digunakan pada papan Arduino.
17
Central Processing Unit (CPU), bagian dari microcontroller untuk menjalankan setiap instruksi dari program.
Port input/output, pin-pin untuk menerima data (input) digital atau analog, dan mengeluarkan data (output) digital atau analog.
Setelah mengenal bagian-bagian utama dari mickrokontroller Mega 2560 sebagai komponen utama, selanjutnya kita akan mengenal bagian-bagian dari papan Arduino itu sendiri. Dalam pembutan pengendalian robot terdapat diagram robot mobil yang dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar 2.5. Diagram kotak robot mobil
2.5
Bluetooth
Bluetooth ditemukan pada tahun 1994 yang dimaksudkan untuk mengganti jaringan kabel yang sudah ada. Bluetooth menggunakan sistem komunikasi radio sebagai media transmisinya dan tidak dibutuhkan kondisi LOS (Line Of Sight) dalam transmisinya. Adapun karakteristik Bluetooth adalah sebagai berikut : -
Beroperasi pada 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical) band.
18
-
Bekerja dengan FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) dengan 1600 hops/s.
-
Mengonsumsi daya yang kecil, adapun klasifikasinya sebagai berikut :
-
Data rate maksimal 1 Mbps.
-
Modulasi menggunakan GFSK
(Gaussian Frequency Shift
Keying). 2.5.1 Arsitektur Topologi Jaringan Bluetooth
a. Point to Point Link. Topologi ini hanya menghubungkan dua perangkat Bluetooth devices (master-slave relationship). Device yang memulai hubungan menjadi master sedangkan device yang dituju menjadi slave. b. Topologi Jaringan Piconet. Piconet merupakan jaringan yang lebih sederhana dalam topologi Bluetooth. Adapun ciri-cirinya adalah : -
Memiliki sebuah master dan dua atau lebih (maksimal tujuh) slave dalam satu jaringan.
-
Maksimum data rate 1 Mbps.
-
ID dan clock master menentukan urutan dan fasa frekuensi hopping.
-
Seluruh device dalam jaringan melakukan hop secara bersamaan.
-
Frequency hopping menggunakan 79 channel RF dalam band 2.4GHz ISM dengan spasi 1 MHz.
c. Topologi Jaringan Scatternet. Scatternet merupakan topologi yang lebih kompleks karena merupakan gabungan dari dua atau lebih jaringan Piconet. Adapun ciri-cirinya adalah sebagai berikut : -
Tiap Piconet dapat diakses secara bersamaan.
19
-
Frequency hopping menggunakan 79 channel RF dalam band 2.4GHz ISM dengan spasi 1 MHz.
-
Maksimum data rate 1 Mbps.
-
Menghubungkan multiple-Piconet secara bersamaaan kedalam jaringan Scatternet (maksimal sepuluh Piconet).
-
Master atau slave dapat difungsikan sebagai Bridge node.
-
Tiap Piconet harus disinkronisasikan terlebih dahulu supaya menghindari interferensi.
2.5.2 Arsitektur Bluetooth
Spesifikasi sistem bluetooth bersifat bebas sehingga mengakibatkan
diferensiasi
arsitektur
produk
dengan
memperhatikan faktor interoperability (kemampuan untuk saling beroperasi antar perangkat yang berbeda). Adapun protokol stack dalam Bluetooth memiliki empat layer utama, diantaranya adalah : 1. Layer 1 yaitu L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol), layer ini terdiri dari:
SDP (Service Discovery Protocol) bertugas untuk mengetahui layanan perangkat paired devicesnya.
GAP (Generic Access Profiles) bertugas untuk mengatur akses data dengan paired devicesnya.
2. Layer 2 yaitu LMP (Link Manager Protocol) bertugas untuk mentransportasikan data. 3. Layer 3 yaitu LCP (Link Controller Protocol) atau Baseband bertugas untuk mengatur encoding dan decoding, serta error control paket dari LMP. 4. Layer paling bawah yaitu RF (Radio Frequency Protocol) bertugas untuk mengatur transceiver (transmiter-receiver) pengiriman dan penerimaan sinyal radio dari dan ke paired devicesnya.
20
2.6
Open Loop dan Close Loop
Open loop control atau kontrol lup terbuka adalah suatu sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol. Artinya, sistem kontrol terbuka keluarannya tidak dapat digunakan sebagai umpan balik dalam masukan.
Gambar 2.6 Ilustrasi Open Loop
Dalam suatu sistem kontrol terbuka, keluaran tidak dapat dibandingkan dengan masukan acuan. Jadi, untuk setiap masukan acuan berhubungan dengan operasi tertentu, sebagai akibat ketetapan dari sistem tergantung kalibrasi. Dengan adanya gangguan, system control open loop tidak dapat melaksanakan tugas sesuai yang diharapkan. System control open loop dapat digunakan hanya jika hubungan antara masukan dan keluaran diketahui dan tidak terdapat gangguan internal maupun eksternal. Sistem kontrol lup tertutup adalah sistem kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan, sistem kontrol lup tertutup juga merupakan sistem kontrol berumpan balik. Sinyal kesalahan penggerak, yang merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan balik (yang dapat berupa sinyal keluaran atau suatu fungsi sinyal keluaran atau turunannya, diumpankan ke kontroler untuk memperkecil kesalahan dan membuat agar keluaran sistem mendekati harga yang diinginkan. Dengan kata lain, istilah “lup tertutup” berarti menggunakan aksi umpan – balik untuk memperkecil kesalahan sistem.
21
Gambar 2.7 Ilustrasi Close Loop
Menunjukkan hubungan masukan dan keluaran dari sistem kontrol lup tertutup. Jika dalam hal ini manusia bekerja sebagai operator, maka manusia ini akan menjaga sistem agar tetap pada keadaan yang diinginkan, ketika terjadi perubahan pada sistem maka manusia akan melakukan langkah – langkah awal pengaturan sehingga sistem kembali bekerja pada keadaan yang diinginkan.
2.7
Sensor Ultrasonik
Sensor
ultrasonik merupakan sensor
yang
bekerja
dengan cara
memancarkan suatu gelombang dan kemudian menghitung waktu pantulan gelombang tersebut. Gelombang ultrasonik bekerja pada frekuensi mulai 20 kHz hingga sekitar 20 MHz. Frekuensi kerja yang digunakan dalam gelombang ultrasonik bervariasi tergantung pada medium yang dilalui, mulai dari kerapatan rendah pada fasa gas, cair hingga padat. Secara matematis gelombang ultrasonik dapat dirumuskan sebagai berikut : s = v.t/2 dimana s adalah jarak dalam satuan meter, v adalah kecepatan suara yaitu 344 m/detik dan t adalah waktu tempuh dalam satuan detik. Ketika gelombang ultrasonik menumbuk suatu penghalang maka sebagian gelombang tersebut akan dipantulkan sebagian diserap dan sebagian yang lain akan diteruskan. Gelombang yang diserap akan dihitung oleh komparator dan diteruskan menjadi bilangan binanry5.
