BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT KERAS 3.1. Spesifikasi Perancangan Perangkat Keras Secara sederhana, perangkat keras pada tugas akhir ini berhubungan dengan rancang bangun robot tangan. Sumbu pusat pergerakan alat merupakan bahu yang menjadi penopang sayap dan menjadi sistem koordinat utama semua pergerakan alat. Gerakan alat merupakan gerakan dalam tiga derajat kebebasan dan hanya meliputi gerakan angular di setiap sumbu koordinat (x, y, dan z). Setiap aktuator yang merupakan penggerak benda terletak pada satu sumbu pusat dan dapat diasumsikan sebagai bahu pergerakan kepakan sayap burung. Semua aktuator akan menciptakan gerakan rotasional pada setiap aksis sumbu yang menjadi pusat pergerakan benda uji. Perancangan perangkat keras pada tugas akhir ini meliputi integrasi dari tiga buah subsistem yaitu subsistem pengendali menggunakan mikrokontroler jenis AVR, subsistem aktuator menggunakan servo dan motor DC, dan juga subsistem catu daya. Selain itu, perancangan perangkat keras wahana ini juga meliputi pembuatan rangka yang berfungsi sebagai tempat / penyangga subsistemsubsistem wahana ini (sebagai komponen pendukung). Spesifikasi akhir dari perangkat keras yang digunakan adalah sebagai berikut: −
Rangka wahana terbuat dari plat aluminium dengan tebal 2 mm yang dibentuk dan dibagi menjadi beberapa bagian untuk mempermudah proses pemasangan subsistem aktuator dan pengembangan wahana di masa mendatang.
−
Perangkat keras dipasang dengan cara digantung pada sistem penggerak aktuator motor DC (yang telah dipasang dan diuji pada penelitian sebelumnya). Rancangan awal perangkat keras berupa tiga buah servo motor yang ditempatkan pada setiap tiga aksis pergerakan (x,y, dan z). Sumbu-sumbu aksis tersebut terletak pada satu sumbu utama untuk mempermudah perhitungan kendali gerakan perangkat keras ini. Jika ketiga servo tersebut belum dapat memenuhi kebutuhan pergerakan benda uji, perangkat keras ini dapat diberi tambahan servo menjadi lima buah servo.
27
Empat servo akan dihubungkan secara berdekatan pada sumbu aksis x dan y (dua servo membentuk pergerakan rotasi dengan pusat sumbu x dan dua servo yang lain pada sumbu y). Satu servo yang lain diletakkan pada sumbu z untuk menghasilkan gerakan rotasi di sumbu ini.
Gambar 3. 1. Gambar rancangan rangka wahana dan peletakan servo pada sumbu x,y, dan z −
Bagian aktuator wahana menggunakan servo motor standar yang menggerakkan benda / rangka wahana secara rotasional. Jika servo tersebut tidak dapat / tidak kuat menggerakkan benda uji DPIV, servo standar tersebut dapat diganti dengan servo yang lebih kuat atau dengan menambah jumlah servo yang ada (maksimum lima buah).
−
Bagian pengendali menggunakan mikrokontroler 8-bit AVR ATMega8535 dengan kecepatan 4 MIPS (frekuensi kristal 4 MHz).
3.2. Batasan Perancangan Perangkat Keras Perancangan perangkat keras wahana ini dibuat dengan batasan-batasan sebagai berikut: −
Pergerakan perangkat keras merupakan pergerakan kepakan sayap burung yang sederhana (maksimal dapat menghasilkan gerak kurva ∞ / angka 8).
−
Perangkat keras digunakan untuk menggerakkan benda uji dan dapat
28
menghasilkan gerak tiga derajat kebebasan. −
Gerakan tiga derajat kebebasan meliputi gerakan rotasi pada sumbu x, y, dan z dengan kasus pergerakan membentuk (yang paling kompleks) gerakan sinusoidal (bolak-balik); membentuk gabungan kurva fungsi trigonometri pada sumbu x dan y (membentuk gerakan seperti angka delapan). Pergerakan ini merupakan gerakan kaku (kotak-kotak) yang membentuk kurva berbentuk angka 8 secara bolak-balik (sebagai pemodelan gerak kepakan burung ke atas-ke bawah). 2
6
1
7 8
5
3 4
Gambar 3. 2. Kurva pergerakan berbentuk angka 8 / ∞ −
Jarak peletakan servo tidak terbatas, tetapi sistem aktuator ini (poros putaran servo) harus terletak pada satu sumbu utama.
−
Sistem dinamik yang dibentuk bersifat open-loop atau error pergerakan derajat putaran perangkat dianggap tidak ada, dengan kata lain pergerakan perangkat dianggap telah sesuai dengan pergerakan yang dibuat oleh servo dan pergerakan servo dianggap telah sesuai dengan instruksi dari komputer.
−
Catu daya yang digunakan diambil dari catu daya pada komputer agar tingkat kesulitan pada desain rangkaian elektronika tetap rendah dan menjamin keamanan perangkat elektronika yang terletak di dalam kotak (tidak mengganggu sinyal perangkat mikrokontroler).
−
Sistem perangkat keras belum mencapai bentuk yang real time karena adanya delay pada sistem komunikasi antarperangkat elektronika, walaupun delay tersebut sangat kecil.
29
3.3. Arsitektur Sistem Perangkat Keras Arsitektur sistem perangkat keras wahana terdiri dari tiga bagian besar, yaitu: subsistem pengendali, aktuator dan subsistem catu daya yang terintegrasi menjadi satu kesatuan sistem yang utuh sebagai berikut:
Gambar 3. 3. Arsitektur perangkat keras wahana
Pada gambar di atas, user input merupakan perintah yang dimasukkan ke dalam komputer melalui perangkat lunak. Perintah tersebut kemudian disalurkan ke mikrokontroler untuk menggerakkan subsistem aktuator. 3.3.1. Subsistem Pengendali Subsistem ini menggunakan sebuah mikrokontroler 8-bit ATMega8535 yang mempunyai frekuensi kristal sebesar 4 MHz. Rangkaian mikrokontroler tersebut dihubungkan dengan komputer melalui COM1 (komunikasi serial) dengan kecepatan komunikasi 19200 bits per second. Rangkaian yang digunakan adalah sebagai berikut:
30
Gambar 3. 4. Rangkaian DT-AVR low cost micro system (ATMega8535)
Pada sistem yang digunakan, RX/TX ATMega8535 (PORT D pin 0 dan pin 1/pada gambar 3. 4., J13 no 3 dan 4) digunakan sebagai sarana komunikasi dengan komputer (J1 pada gambar 3. 4.). PORT D pin 2, 3, dan 5 (J13 pin no 5, 6, dan 8) digunakan sebagai output pengendalian gerakan motor DC dengan keterangan sebagai berikut: •
jika pin 2 bernilai hi dan pin 3 bernilai lo, gerakan motor adalah clockwise (cw),
•
jika pin 2 bernilai lo dan pin 3 bernilai hi, gerakan motor adalah counter clockwise (ccw), dan
•
pin 5 merupakan pin penghasil Pulse Width Modulation (PWM) yang digunakan untuk mengendalikan kecepatan putar motor DC.
31
PORT B pin 0 sampai dengan pin 5 (J11 no 3 s.d. 8) merupakan output penghasil pulsa yang digunakan sebagai unit pengendali sudut shaft servo (jumlah maksimum servo yang dapat dikendalikan adalah enam servo). RX/TX serial
ATMega8535 Oscillator 4 MHz
PORTB
Regulator LM 7805 Input Voltage
PORTD
Gambar 3. 5. Modul mikrokontroler wahana
Komponen H-Bridge yang digunakan adalah IC L293D yang dapat beroperasi pada tegangan input 5-36 Volt DC. IC ini akan mengendalikan gerakan motor DC (arah putaran dan kecepatan putar) berdasarkan nilai pin 2 dan 3 (PORT D) dan PWM yang dihasilkan pada PORT D pin 5 mikrokontroler ATMega 8535.
Modul H-Bridge (L293D)
Gambar 3. 6. Rangkaian subsistem pengendali wahana
32
3.3.2. Subsistem Aktuator Subsistem aktuator menggunakan lima buah servo motor standard (input tegangan 4,8 - 6 Volt) dan sebuah motor DC (input tegangan 12 Volt DC). Kelima servo dihubungkan dengan PORT B mikronkontroler sedangkan motor DC dihubungkan dengan modul H-Bridge.
Gambar 3. 7. Modul motor DC dan gear box
Gambar 3. 8. Sebuah servo standar yang terpasang pada rangka
Sumber tegangan yang digunakan untuk kelima servo adalah sumber tegangan yang berasal dari catu daya sebesar 5 Volt DC. Penyambungan catu daya dengan pin ground dan power di servo dilakukan melalui terminal block.
33
Terminal block
Gambar 3. 9. Rangkaian kabel subsistem pengendali wahana
3.3.3. Catu Daya Catu daya yang digunakan berasal dari power supply untuk komputer dengan sumber utamanya berasal dari tegangan jala-jala. Untuk catu daya motor DC, digunakan tegangan 12 volt melalui terminal block yang dihubungkan dengan modul IC L293D (modul H-Bridge). Sedangkan untuk catu daya ke mikrokontroler digunakan IC regulator LM7805 (yang telah terpasang pada board DT-AVR low cost micro system) untuk menurunkan tegangan 12 volt menjadi tegangan 5 volt teregulasi. Catu daya ke servo langsung dihubungkan ke pin power servo sebesar 5 volt melalui terminal block.
Catu daya wahana
Gambar 3. 10. Catu daya dan subsistem pengendali wahana
34
Gambar 3. 11. Diagram catu daya yang digunakan pada wahana
3.3.4. Rangka Rangka merupakan sistem pendukung yang berfungsi sebagai tempat peletakan sistem aktuator (terutama servo). Rangka dapat dibagi menjadi beberapa bagian yang dapat dirangkai menjadi suatu penyangga bagi subsistem aktuator wahana. Bagian-bagian tersebut dipasang satu sama lain sedemikian rupa untuk mendukung pergerakan atau simulasi gerakan yang dihasilkan oleh subsistem aktuator. Rangka wahana ini juga dikembangkan dalam bentuk bongkar/pasang menggunakan sistem mur-baud untuk memudahkan pengembangan wahana di masa mendatang.
Gambar 3. 12. Rangka dan subsistem aktuator wahana
35
