BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
3.1 Gambaran Umum Pada bab ini akan dibahas mengenai perencanaan perangkat keras elektronik (hardware) dan pembuatan mekanik robot. Sedangkan untuk pembuatan perangkat lunak dirancang dengan menggunakan bahasa pemrograman C dan software pendukungnya yaitu CodeVision AVR. Pembuatan perangkat mekanik terdiri dari perencanaan desain mekanis yang mendukung aksi robot. Perencanaan ini terdiri dari pengaturan peletakan posisi sensor (sensor array) agar robot dapat bergerak dengan baik, pemasangan roda utama sebagai penggerak utama pada robot, pengaturan posisi roda bebas agar gerakan robot lebih dinamis dan seimbang, pengaturan sistem lengan penjepit (gripper), dan pengaturan sistem lift baik untuk lift yang bergerak turun-naik, maupun lift yang bergerak maju-mundur. Sedangkan pembuatan perangkat keras elektronik terdiri dari pembuatan rangkaian
sistem
minimum
mikrokontroller
Atmega8535
sebagai pusat
pengontrolan gerak robot. Pembuatan rangkaian downloader sebagai interface mikrokontroller dengan PC , pembuatan rangkaian sensor, dan pembuatan rangkaian driver motor DC.
3.2 Konfigurasi Sistem Robot ini terdiri dari sebuah lengan penjepit (gripper) yang dapat bergerak naik-turun maupun maju-mundur dengan menggunakan sistem lift, dan dua buah roda penggerak yang terletak disebelah kiri dan kanan robot. Sebagai penggerak digunakan motor DC dengan torsi yang cukup besar. Robot dapat bergerak secara otomatis sesuai arena yang dibuat dengan mengandalkan delapan pasang sensor garis yang ada dibawah robot, sensor tersebut dapat mendeteksi keberadaan garis hitam yang dibuat pada permukaan putih.
Semua sistem diatas dikontrol oleh sebuah mikrokontroller ATmega 8535 sesuai dengan instruksi program yang dituliskan pada mikrokontroller tersebut. Mikrokontroller berinteraksi dengan PC melalui komunikasi paralel menggunakan downloader DB25.
3.3 Diagram Blok Sistem Gambar berikut ini memperlihatkan diagram blok sistem keseluruhan dari robot penyusun box .
Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem
Dari blok diagram diatas dapat dilihat bahwa mikrokontroller bertindak sebagai pusat dari semua sistem, mikrokontroller mengatur semua kegiatan input/output sistem. Sensor garis berfungsi memberikan informasi kepada mikrokontroller berupa sinyal input 5 volt untuk kondisi high dan 0 volt untuk kondisi low. Sensor ini bekerja berdasarkan pembacaan garis hitam yang dibuat pada arena yang memiliki permukaan putih, apabila sensor mengenai warna hitam maka mikrokontroller akan mendapat kondisi input low, dan sebaliknya apabila sensor mengenai warna putih maka mikrokontroller akan mendapat kondisi high. Sedangkan
untuk
limit
switch
berfungsi
memberikan
input
terhadap
mikrokontroller dengan kondisi on/off. Semua sinyal input tersebut kemudian diproses oleh mikrokontroller dan dikeluarkan kembali dalam bentuk sinyal output yang mengatur kerja dari sistem
output, yaitu motor DC. Untuk mendapatkan putaran motor DC secara CW (clock wise) maupun CCW (counter clock wise), digunakan driver motor DC. Motor DC yang digunakan terdiri dari lima buah dengan torsi yang cukup besar. Motor DC 1 dan 2 berfungsi sebagai pengerak utama robot yang menentukan arah dari pergerakan robot. Motor DC ini digerakan menggunakan IC driver motor L298 yang mampu memberikan arus maksimum sebesar 1A ke tiap motor. Input L298 ada 6 jalur, terdiri dari input data arah pergerakan motor dan input untuk PWM (Pulse Width Modulation). Untuk mengatur kecepatan motor, pada input PWM inilah akan diberikan lebar pulsa yang bervariasi dari mikrokontroler. Sedangkan untuk motor DC 3, motor DC 4, dan motor DC 5 berfungsi sebagai pengerak dari lift dan gripper robot. Motor DC 3, 4 dan 5 digerakkan dengan kontrol on/off menggunakan driver motor yang tersusun dari relay dan transistor NPN dengan tipe TIP122.
3.4 Perencanaan Perangkat Keras Elektronik 3.4.1 Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroller ATmega8535 Rangkaian sistem minimum mikrokontroller berfungsi sebagai pengontrol semua peralatan yang ada dalam sistem dengan acuan pembacaan data dari sensor garis maupun limit switch. Pembacaan dari sensor garis dan limit switch langsung dimasukkan ke dalam mikrokontroler yang kemudian diproses dan dijadikan acuan untuk pengambilan keputusan, yang dalam hal ini adalah menentukan arah pergerakan robot dan kerja dari lengan penjepit (gripper). Subrutin inilah yang nantinya mengontrol perputaran dari motor DC pada robot penyusun box. Rangkaian minimum sistem mikrokontroler ini terdiri dari rangkaian osilator, rangkaian reset dan rangkiaian power supply seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 3.2 Sistem Minimum Atmega8535
Rangkaian osilator pada sistem minimum dihubungkan dengan pin 12 dan 13, osilator berasal dari kristal. Pada tugas akhir ini dibuat rangkaian osilator yang berasal dari kristal 11.0592 MHz, sedangkan nilai kapasitor C1 dan C2 masingmasing 33pf. Kapasitor yang digunakan merupakan kapasitor keramik (nonpolar). Untuk rangkaian reset dihubungkan dengan pin 9, reset pada mikrokontroller terjadi apabila ada logika “1” (high) pada pin RESET. Setelah kondisi pin RESET kembali “0” (low), maka mikrokontroller akan menjalankan program kembali. Sebagai sumber tegangan +5 volt yang dibutuhkan oleh rangkaian mikrokontroller, digunakan IC regulator 7805 yang berfungsi menurunkan tegangan input sebesar 12 volt dari power supply (accu). Pada kaki input maupun
output IC regulator dipasangkan kapasitor (elco) dengan nilai masing-masing 22uf/50V dan 22uf/16V.
3.4.2 Rangkaian Downloader Rangkaian ini merupakan perangkat yang menghubungkan antara PC dengan mikrokontroller, yang berfungsi untuk menyimpan program pada mikrokontroller tersebut.
Gambar 3.3 Rangkaian Downoader DB25
Perangkat yang digunakan yaitu konektor DB25, pin 18 sampai dengan pin 25 dihubungkan secara seri terhadap GROUND. Pin 6 sebagai SCK, pin 7 sebagai MOSI, pin 9 sebagai RESET dan pin 10 sebagai MISO. Semua pin tersebut dihubung seri dengan tahanan berupa resistor 330 ohm. Untuk proses download digunakan software CodeVision AVR dengan fasilitas AVR Chip Programmer dengan tipe Kanda System STK200+/300.
3.4.3 Rangkaian Sensor Garis
Pada rangkaian sensor garis ini digunakan pasangan LED Superbright sebagai pemancar (transmitter) dan Photodioda sebagai penerima (receiver). Rangkaian sensornya dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 3.4 Rangkaian Sensor Garis
Prinsip kerja dari sensor ini memanfaatkan sifat cahaya yang dipantulkan, apabila sensor mengenai garis berwarna terang maka cahaya akan dipantulkan, sebaliknya apabila sensor garis berwarna gelap maka cahaya akan diserap. LED Superbright berfungsi sebagai sumber cahaya dan untuk menangkap pantulan cahaya dari LED Superbright digunakan Photodioda. Photodioda akan menerima sedikit cahaya pantulan apabila sensor berada diatas garis hitam, tetapi jika sensor berada diatas garis putih maka akan banyak cahaya yang diterima oleh Photodioda, berikut ilustrasi dari sensor.
Gambar 3.5 Sensor mengenai garis hitam
Gambar 3.6 Sensor mengenai garis putih
Sifat dari photodioda adalah semakin banyak cahaya yang diterima, maka nilai resistansi diodanya semakin kecil. Agar dapat dibaca oleh mikrokontroller, maka tegangan keluaran sensor harus disesuaikan dengan level tegangan TTL yaitu 0-1 volt untuk logika “0” (low) dan 3-5 volt untuk logika “1”(high). Hal ini dilakukan dengan memasang operational amplifier LM339 yang difungsikan sebagai komparator. Output dari photodiode yang masuk ke input inverting opamp akan dibandingkan dengan tegangan tertentu dari variable resistor (VR). Variable resistor ini berfungsi untuk mengatur kepekaan sensor terhadap garis terang dan gelap. Resistor yang dipasangkan pada LED berfungsi sebagai pembatas arus untuk menjaga arus LED dibawah arus maksimum, nilai R ditentukan oleh rumus berikut :
R=
VCC − VF IF
Keterangan : R
: Nilai Resistansi
IF
: Arus yang melalui LED
VF
: Tegangan LED (1.2 V – 1.3 V)
VCC
: Tegangan input
Sedangkan untuk resistor yang dipasangkan pada Photodioda berfungsi sebagai resistor beban ( RL ) yang membatasi arus ( I E ) pada Photodioda. Berikut rumus untuk menghitung nilai RL :
V
RL = CC IE Keterangan :
RL
: Nilai resistansi resistor beban
VCC
: Tegangan input
IE
: Arus yang melalui Photodioda
3.4.4 Rangkaian Driver Motor L298 Motor DC yang digunakan pada robot ini adalah motor DC 12 volt, untuk mendapatkan gerakan yang sesuai dengan keadaan arena diperlukan driver yang dapat mengatur kecepatan motor. Dalam hal ini digunakan IC L298, rangkaian driver IC L298 digunakan untuk menggerakan motor DC yang terpasang pada roda robot. Rangkaiannya dapat dilihat pada gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangkaian Driver Motor L298
IC driver L298 memiliki kemampuan menggerakkan motor DC sampai arus 2A dan tegangan maksimum 40 volt DC untuk satu kanalnya. Pin Enable A dan B untuk mengendalikan jalan atau kecepatan motor, pin Input 1 sampai 4 digunakan untuk mengendalikan arah putaran. Pin output pada IC L298 dihubungkan ke motor DC yang sebelumnya melalui dioda yang disusun secara H-bridge. Pengaturan kecepatan motor digunakan teknik PWM (Pulse Width Modulation) yang diinputkan dari mikrokontroller melalui pin Enable. PWM untuk kecepatan rotasi yang bervariasi tergantung dari level highnya. Ilustrasinya ditunjukkan pada gambar 3.8.
Gambar 3.8 Ilustrasi Pulse Width Modulation
Dari gambar 4 dapat dijelaskan jika dikehendaki kecepatan penuh maka diberikan 5 Volt konstan, jika dikehendaki kecepatan bervariasi maka diberikan pulsa yang lebar high dan low-nya bervariasi. Satu periode pulsa memiliki waktu yang sama sehingga dalam contoh diatas, kecepatan motor akan berubah dari setengah kecepatan penuh menjadi mendekati kecepatan penuh. Didalam chip L298, untuk mengendalikan arah putaran motor digunakan metode bridge-H dari kombinasi transistor, jadi dengan metode demikian arus yang mengalir kemotor polaritasnya dapat diatur dengan memberikan logika ke transistor Q1 sampai Q4. Pengaturannya seperti tabel kebenaran disamping gambar 5. Kondisi high untuk semua input tidak diijinkan sebab akan mengakibatkan semua transistor aktif dan akan merusakkan transistor karena secara otomatis arus dari kolektor Q1 dan Q2 langsung mengalir ke Q2 san Q3 sehingga arus sangat besar tanpa melalui beban motor DC. Berikut ilustrasi pengendalian motor DC didalam IC L298.
Gambar 3.9 Ilustrasi Pengendalian Motor didalam IC Driver Motor
3.4.5 Rangkaian Driver Motor Relay Rangkaian driver motor relay digunakan untuk menggerakkan motor DC yang dipasangkan pada lengan penjepit (gripper), dan lift robot. Motor DC disini tidak membutuhkan pengaturan kecepatan (PWM), teknik yang digunakan hanya kontrol on/off . Rangkaian driver motor ini tersusun dari komponen relay sebagai pembalik polaritas motor dan transistor.
Transistor pada rangkaian ini difungsikan sebagai saklar dimana pada saat basis diberi sinyal maka transistor akan aktif dan memberikan respon pada relay. Transistor yang digunakan adalah transistor power jenis NPN tipe TIP122 yang memiliki spesifikasi sebagai berikut : •
VCBO
: 100 V
•
VCEO
: 100 V
•
VEBO
:5V
•
IC
:5A
•
IB
: 0.1 A
Berikut rangkaian driver motor relay :
Gambar 3.10 Rangkaian Driver Motor Relay
Dari gambar rangkaian diatas VCC akan memberikan input tegangan ke relay pada saat transistor bekerja, dioda IN4001 akan menyekat arus bocor dari VCC agar tidak masuk ke rangkaian. Untuk tegangan motor di inputkan melalui kaki NC pada relay dan kaki NO dihubungkan ke ground. Motor DC duhubungkan ke kaki COMMON pada setiap relay. Kecepatan putaran yang dihasilkan tergantung dari Vmotor yang diinputkan ke kaki NC.
3.5 Perancangan Mekanik Robot ini dirancang agar dapat melaksanakan fungsi-fungsi sesuai algoritma gerakan dan aksi robot. Untuk mencapai kondisi tersebut maka yang perlu diperhatikan adalah mulai dari pemilihan bahan, desain konstruksi, kekuatan motor dan ketepatan pemasangan mekanik baik pada roda utama maupun pada lengan penjepit robot agar mencapai kepresisian yang maksimal. Pada tugas akhir ini, kerangka robot dibuat dari aluminium dengan alasan bahan ini cukup kuat untuk menopang konstruksi dari mekanik robot. Selain itu bahan aluminium juga ringan dan mudah dalam pembentukannya. Perancangan mekanik robot penyusun box ini meliputi perancangan base robot, perancangan sistem lift robot dan perancangan lengan penjepit robot (gripper). Berikut gambar yang menunjukkan perancangan robot secara keseluruhan.
Gambar 3.11 Rancangan Mekanik Robot
3.5.1 Perancangan Base Robot Rancangan base robot dibuat kokoh agar mampu menopang seluruh mekanik yang ada diatasnya. Bagian-bagian base robot dibuat dari batang-batang aluminium yang disusun sedemikian rupa hingga membentuk kerangka base robot. Pada bagian base terdapat roda penggerak utama, roda bebas dan tiang untuk sistem lifter robot.
Gambar 3.12 Kerangka Base Robot
Roda penggerak utama diletakkan di bagian belakang sedangkan roda bebas diletakkan di bagian depan robot sebanyak 2 buah, hal ini dilakukan untuk menjaga keseimbangan robot. Motor DC untuk roda penggerak utama yaitu motor DC 1 dan motor DC 2 dipasang langsung ke roda menggunakan ass roda tanpa menggunakan belt atau rantai. Susunan gearbox motor sudah terinstalasi langsung didalam motor DC. Seperti terlihat pada gambar 3.13.
Gambar 3.13 Motor Penggerak Roda
Pegerakan robot ke arah depan (maju), ke arah belakang (mundur), belok kanan dan belok kiri tergantung dari perputaran motor DC 1 dan motor DC 2. Untuk pergerakan ke arah depan (maju) kedua motor berputar berlawanan arah jarum jam (CCW), pergerakan robot kearah belakang (mundur) kedua motor berputar searah jarum jam (CW). Sedangkan untuk pergerakan ke arah kanan atau ke arah kiri yaitu dengan cara membalik putaran kedua motor DC secara berlawanan. berikut ilustrasi gerakan robot.
Gambar 3.14 Pergerakan Maju
Gambar 3.15 Pergerakan Mundur
Gambar 3.16 Pergerakan Belok Kanan
Gambar 3.17 Pergerakan Belok Kiri
Semua pergerakan yang dilakukan oleh kedua motor DC tersebut bergantung pada kondisi pembacaan sensor garis. Sensor garis tersebut akan memberikan input ke mikrokontroller yang outputnya akan memberikan aksi ke motor DC. 3.5.2 Perancangan Sistem Lift Robot Sistem lift pada robot ini digunakan untuk menggerakkan lengan penjepit (gripper) robot secara naik-turun maupun maju-mundur. Mekaniknya tersusun dari plat aluminiumn dan roda-roda sliding kecil yang biasa digunakan pada lemari atau etalase.
Gambar 3.18 Sistem Lift Robot Tampak Samping
Gambar 3.19 Sistem Lift Robot Tampak Depan
Untuk pergerakkan naik-turun dan maju mundur lift digunakan motor DC dengan sistem penarik menggunakan tali.
3.5.3 Perancangan Lengan Penjepit (Gripper) Lengan penjepit (gripper) pada robot ini berfungsi untuk mengangkat benda berupa balok stereofom dengan cara menjepitnya. Mekanik gripper terbuat dari batang aluminium kecil dengan bantalan karet diujungnya, hal ini dilakukan agar mekanik gripper tidak terlalu berat yang nantinya akan mempengaruhi sistem liftnya. Berikut gambar perancangan gripper robot.
Gambar 3.20 Lengan Penjepit (Gripper)
Untuk menggerakkan gripper digunakan sistem penarik menggunakan tali yang terhubung ke bagian sisi tengah lengan gripper. Tali penarik tersebut ditarik menggunakan motor DC yang terpasang pada bagian tengah lengan gripper. Agar lengan robot bisa kembali ke posisi awal digunakan sistem pegas yang dipasang pada bagian ujung belakang lengan gripper. Pada gripper juga terdapat limit switch yang berfungsi untuk mengetahui ada tidaknya balok stereofom yang akan dibawanya.
HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN
