40
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM
3.1
Pengenalan Pada bab ini membahas tentang semua metode dan langkah-langkah yang
digunakan dalam skripsi ini. Rincian-rincian dari mekanikal, elektrikal, dan sistem kontrol dari sebuah kursi roda elektrik merupakan isi dari bab ini.
3.2
Persyaratan Sistem dan Kapabilitas Untuk membuat perangkat yang nyaman dan aman untuk digunakan oleh
para pengguna, ada beberapa persyaratan yang harus dipenuhi. Persyaratan sistem ini akan menjadi kontrol teknis dalam merancang dan membangun skipsi ini. Persyaratan sistem terdiri dari: Dapat mengangkut seseorang dengan berat maksimum 80 kg. Kecepatan dari kursi roda sebaiknya kecepatan yang umum dari kursi roda. DC motor digunakan untuk membuat kursi roda ini tetap bergerak. Struktur mekanikal yang kuat agar dapat menopang berat dari pengguna. Roda gigi untuk menaikan torsi dari motor DC.
41
Sebuah kursi roda elektrik didesain spesial untuk orang yang tidak dapat berjalan atau cacat kaki. Mekanisme kursi roda elektrik ini sepenuhnya digerakkan
oleh
motor
DC
dan
pengguna
dapat
dengan
mudah
mengoperasikannya hanya dengan menggerakkan joystict swicth untuk membuat kursi roda elektrik bergerak. Dengan demikian, dapat membantu mereka yang mengalami keterbatasan berjalan. Kursi roda elektrik ini dapat bergerak dalam empat arah, maju, mundur, kanan, dan kiri. Ini dikendalikan dengan mengendalikan dua roda pada pagian belakang., dan dua roda di depan bertindak sebagai roda bebas. Sistem kendali ialah degerakkan dengan dua motor DC dan dikontrol via joystick sebagai supervisi tuas kontrol mengemudi. Sistem kemudi dari kursi roda menggunakan mekanisme perbedaan kontrol kecepatan mengemudi dan itu juga dikontrol menggunakan joystick. Fitur ini dapat membantu pengguna untuk berpindah dari satu tempat ke tempat lain tanpa memerlukan tenaga besar untuk menggerakkan kursi roda. 3.3
Gambaran Umum Desain Sistem Langkah selanjutnya setelah mendefinisikan persyaratan sistem dan
kapabilitas untuk merancang semua bagian. Klasifikasi dan proses dari perancangan semua sistem dapat di terjemahkan kedalam tampilan desain diagram.
42
Gambar 3.1 Desain Tampilan Diagram
Gambar diatas menampilkan desain diagram dari sebuah kursi roda elektrik. Tampilan desain akan di fokuskan pada pengendali dan kemudi dari perangkat. Ini dapat dirumuskan kedalam tiga subsistem, desain sistem mekanik, elektrikal dan desain sistem kontrol serta sistem pemrograman. Desain sistem mekanik akan menjelaskan tentang modifikasi dari kursi roda yang sudah ada, desain susunan untuk kursi roda elektrik, dan perhitungan dari desain sistem mekanik yang disertakan, perhitungan gaya gesek, perhitungan torsi, dan gir sebagai kekuatan transmisi. Sistem kelistrikan dan kontrol akan difokuskan pada pemilihan dari joystick, microcontroller, motor, dan motor driver. Sistem kendali dan sistem kemudi dari perangkat akan dikontrol via joystick. Joystick adalah supervisi manual oleh pengguna untuk menentukan arah
43
sesuai keinginannya. Itu akan memberikan sinyal input ke mikrokontrol. Mikrokontrol kemudian menerima data-data dan mengirimnya ke driver motor untuk menggerakkan motor-motor searah jarum jam atau sebaliknya.
3.4
Sistem Mekanikal untuk Kursi Roda Elektrik Sistem mekanikal untuk sebuah kursi roda elektrik meliputi beberapa
tahap yang harus dilakukan. Beberapa tahap itu akan dijelaskan pada sub-subbab selanjutnya. 3.4.1
Desain Mekanik dari Kursi Roda Elektrik Desain mekanik dari kurri roda difokuskan pada desain ulang dan
modifikasi dari kursi roda manual yang telah ada. Kursi roda yang telah ada dipilih karena mempunyai konstruksi mekanik yang kuat dan sudah memenuhi standar keamanan. Ini membuat pengguna masih merasakan kenyamanan dan keamanan menggunakannya, meskipun itu sudah dirubah menjadi kursi roda elektrik. Gambar 3.2 memperlihatkan kursi roda manual pabrikan yang akan dimodifikasi menjadi kursi roda elektrik.
44
Gambar 3.2 Kursi Roda Manual sebelum Dimodifikasi
Tahap pertama yang dilakukan dalam memodifikasi kursi roda yaitu modifikasi kerangka dari kursi roda. Modifikasi pertama telah dikerjakan dengan melepaskan frame„‟X‟‟ dari kursi roda manual yang sudah ada dan menggantinya dengan menambahkan sistem kontrol otomatis. Tahap selanjutnya adalah mendesain bagian-bagian mekanik dari kursi roda elektrik dengan sketsa gambar pertama dari seluruh sistem mekanik. Sketsa digambar dengan tangan sebagai sebuah desain inisial dari kursi roda elektrik. Gambar 3.3 dibawah menunjukan sketsa pertama dari sebuah kursi roda elektrik.
45
Gambar 3.3 Sketsa pertama dari sebuah kursi roda elektrik
3.4.2
Modifikasi dari Kursi Roda Manual Modifikasi dari kursi roda manual bertujuan untuk mengembangkan kursi
roda ini agar berfungsi sebagai sebuah kursi roda elektrik. Ada beberapa fitur dan bagian-bagian yang seharusnya ditambahkan pada perangkat dalam pendukung mekanisme kendali dan kemudi untuk diimplementasikan pada kursi roda. Bagian tambahan dan fitur-fitur juga membutuhkan sebuah desain layout agar penempatan bagian-bagian pada kursi roda memberikan kenyamanan dan keamanan kepada pengguna.
46
3.4.2.1 Desain Layout Desain layout dari kursi roda elektrik harus menemukan kriteria dan fungsi dari perangkat. Ada beberapa analisa dan pengukuran dalam menentukan layout posisi bagian-bagiannya. Gambar 3.4 menampilkan desain layout dari bagianbagian pada kursi roda.
Gambar 3.4 Desain layout Kursi Roda dari Tampilan Atas
Dari gambar 3.4 diatas menampilkan desain layout dari penempatan motor dan baterai pada bagian belakang kursi roda. Ada beberapa pertimbangan penulis lebih memilih menempatkan motor dan baterai pada bagian belakang. Pertimbangan dari pusat massa adalah alasan utama. Penempatan motor dan baterai pada bagian belakang akan menjaga berat beban tetap pada bagian tengah dari kursi roda. Alasan kedua adalah pertimbangan dari sistem kemudi pada kursi roda. Sebagai penulis memutuskan untuk menggunakan mekanisme kemudi
47
belakang (rear driving mechanism), motor harus ditempatkan di belakang untuk menggerakkan roda yang sebenarnya. 3.4.2.2 Joystick Mounting sebagai Human Machine Interface Modifikasi juga akan meliputi penambahan joystick. joystick sebagai peralatan antarmuka mesin dan manusia akan memberikan kontrol antarmuka antara manusia dan mesin. Ini akan digunakan sebagai tuas kontrol yang dapat mendukung mengemudi dan sistem kemudi dari kursi roda. dalam hal ini, joystick dapat menunjang pengguna dalam mengoperasikan kursi roda. Dengan pertimbangan kenyamanan, joystick akan ditempatkan pada sandaran tangan dari kursi roda karena akan lebih nyaman bagi pengguna jika joystick ditempatkan pada sandaran tangan. Hanya dengan sedikit gerakan tangan untuk mengoperasikan kursi roda. Pada gambar 3,5 di bawah ini menunjukkan mounting joystick untuk penempatan joystick. Penempatan joystick dan tombol tekan dalam tempat yang sama lebih disukai untuk membuat desain sederhana dan nyaman bagi pengguna. Penjelasan lebih lanjut mengenai spesifikasi joystick sebagai pengemudian dan tuas kontrol kemudi dibahas dalam sub bab "sistem kelistrikan dan kontrol".
48
Gambar 3.5 Mounting Joystick dan Push Button
3.4.2.2 Motor sebagai Aktuator Modifikasi lain yang disertakan yaitu penambahan motor. Motor sebagai aktuator akan memberikan gerakan rotasi dari kursi roda. Modifikasi ini akan menggunakan dua buah motor sebagai aktuator. Motor akan ditempatkan pada sisi samping kerangka dari kursi roda. Dudukan motor digunakan sebagai tempat untuk meletakkan motor. Ada beberapa analisis dan perhitungan dalam menentukan persyaratan motor. Perhitungan gaya friksi dan perhitungan torsi akan ketentuan mekanik dalam memilih persyaratan motor.
3.4.3
Perhitungan Gaya Friksi Friksi adalah gaya yang diberikan oleh sebuah permukaan sebagai sebuah
objek yang melintasinya atau membuat sebuah upaya untuk bergerak melintasinya. Gaya friksi selalu terjadi ketika dua permukaan bersentuhan satu
49
sama lain. Friksi tidak pernah lepas dalam kehidupan kita. Pergerakkan dari gaya friksi tergantung pada tekstur dari kedua permukaan. Jika kedua permukaan kasar itu akan menghasilkan friksi yang lebih besar atau sebaliknya. Hukum dasar friksi mengatakan bahwa gaya yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan adalah proporsional dengan gaya normal atau tegak lurus terhadap gaya keseluruhan yang menekan permukaan lain. Artinya, ketika berat dari kursi roda dan penggunanya sedang didorong melintasi lantai adalah dua kali lipat, tenaga yang diperlukan untuk mendorongnya harus dua kali lipat. Apabila berat kursi roda dan user empat kali lebih banyak, maka sebanyak empat kali kekuatan harus digunakan untuk menariknya. Rasio beban yang sedang dipindahkan dan gaya menekan permukaan bersamaan disebut koefisien gesekan atau friksi (COF). Koefisien ini disimbolkan dengan huruf Yunani µ. Koefisien friksi ditentukan pada tekstur dari kedua permukaan. Koefisien friksi berkisar dari nol mendekati lebih besar dari satu. Koefisien
friksi
adalah
pengukuran
empiris.
Itu
harus
diukur
secara
eksperimental, dan tidak dapat ditemukan melalui perhitungan. Ada dua tipe gaya friksi secara umum, gaya friksi statik dan gaya friksi kinetik. Gaya friksi statis bekerja saat benda dalam keadaan diam dan nilainya mulai dari nol sampai suatu harga maksimum. Jika gaya tarik/dorong yang bekerja pada suatu benda lebih kecil dari gaya gesekan statis maksimum, maka benda masih dalam keadaan diam dan gaya gesekan yang bekerja pada benda mempunyai besar yang sama dengan nilai gaya tarik/dorong pada benda tersebut. Koefisien gaya friksi statis disimbolkan dengan µs. Gaya friksi kinetis yaitu gaya
50
gesekan yang bekerja pada benda ketika benda sudah bergerak. Nilai koefisien gaya friksi kinetis selalu tetap, dan dituliskan dengan µk. Antara koefisien friksi statis dan kinetis mempunyai nilai yang berbeda, nilai koefisien friksi statis selalu lebih besar daripada nilai koefisien gesekan friksi benda. Langkah pertama untuk mengerjakan proyek ini adalah menentukan koefisien dari friksi antara ban dan aspal. Tabel 3.1 dibawah menampilkan suatu perkiraan koefisien dari friksi menggelinding (Rolling Friction) yang akan digunakan penulis untuk perhitungan gaya friksi minimal untuk memutar roda. Tabel 3.1 – Rolling Friction
Dari tabel diatas, penulis memilih lever arm of frictional force dari karet pada aspal (rubber on apshalt) dengan nilai 0,2 karena kursi roda digunakan di lingkungan indoor dan outdoor.
51
Gambar 3.6 - Graphic Force vs friction
Gambar 3.7 – Diagram gaya pada rolling friction
Dari gambar 3.6 dan gambar 3.7 diatas, kita dapat mengatakan bahwa kursi roda dapat bergerak jika gaya sebanding dengan friksi statis maksimal (F = fsmax). Gaya friksi statis maksimal akan didapat menggunakan persamaan friksi statik dan hukum Newton I. Persamaan friksi statik:
52
f s max = μs .N
(persamaan 3.1)
Dimana : f s max = gaya friksi statis maksimum (N) μs
= koefisien friksi statik
N
= gaya normal (N)
Dan μs dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan dibawah ini:
μs = f / r
(persamaan 3.2)
Dimana: f
= lever arm of rolling resistance (mm)
r
= radius of wheel (mm)
Hukum Newton I:
(persamaan 3.3) Dimana: m
= total massa (kursi roda + user) (kg)
g
= garavitasi (m/s2)
jika kita malakukan subtitusi persamaan 3.3 dan 3.2, kita akan menemukan
μs
= (f
/ r).m.g
(persamaan3.4)
53
Pada kursi roda elektrik ini, penulis berasumsi bahwa total massa adalah 100 kg dan didistribusikan dalam 4 roda. Asumsinya adalah roda belakang menerima 80% dari total berat. Radius dari roda adalah 0.3 m, gravitasi 9.8 m/s2. Maka hasilnya :
f s max = (f / r).m.g
3.3.4
Perhitungan Torsi Kemampuan kekuatan untuk memutar bodi tergantung pada jarak dari titik
poros untuk gaya diterapkan. Jika jarak jauh gaya yang diterapkan, maka akan membutuhkan kekuatan yang lebih kecil untuk memutar tubuh dan sebaliknya. Oleh karena itu, untuk merasionalisasi peraturan ini, konsep torsi digunakan. Torsi disebabkan oleh kekuatan ke titik acuan adalah sama dengan gaya dikalikan jarak tegak lurus dari titik acuan itu sendiri. Sehingga untuk menggeneralisasi, rumus untuk perhitungan torsi adalah: (persamaan 3.5) Dan magnitude dari torsi dafan didefinisikan sebagai (persamaan 3.6) Dimana: τ
= torsi (N.m)
54
r
= jarak antara gaya yang diterapkan dan titik poros (lengan momen) (mm)
F
= gaya gaya yang diterapkan pada bodi (kg)
F
= jumlah gaya diarahkan tegak lurus dengan posisi jari-jari tengah roda (kg) Dalam mendesain sebuah kursi roda elektrik, perhitungan torsi juga
diperlukan untuk menentukan motor yang cocok untuk memutar kedua roda. Berdasarkan pada gambar 3.7 dan hukum Newton III yang diketahui gaya aksi dikalikan dengan gaya reaksi. Dengan demikian, gaya yang dibutuhkan untuk memutar roda-roda adalah perkalian gaya friksi. Berdasarkan persamaan 3.6, maka torsi motor adalah τ = 0.3 m . 0.653 N = 0.196 Nm 3.4.5
Kecepatan Kursi Roda yang Diharapkan Setelah penulis memilih kecepatan motor adalah 194 rpm, gir reduksi
yang cocok
untuk diterapkan diharapkan kecepatan kursi roda maksimum 6
km/jam. Guna memperoleh kecepatan yang diharapkan, da beberapa perhitungan yang digunakan. Seperti yang disebutkan di atas, kecepatan maksimal adalah 6 km/jam. Motor seharusnya mempunyai kecepatan 60 rpm. Maka , rasio gir yang cocok adalah 1:3. Telah diketahui bahwa 60 rpm adalah sama dengan 1 rps/Hz. Maka, kecepatan dari kursi roda dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan.
dua
55
=
(persamaan 3.7)
Dimana velocity angular velocity radius roda
(persamaan 3.8)
Dimana angular velocity phi frekuensi Dengan mnggunakan persamaan 3.8 diatas, kecepatan angular kursi roda adalah
= . 0.3 m
56
Maka, kecepatan kursi roda yang diinginkan adalah 6 km/jam. 3.4.6
Pemilihan Transmisi Tenaga Setelah menentukan motor yang sesuai dengan desain kursi roda, langkah
selanjutnya adalah menentukan metode daya transmisi untuk menghubungkan poros motor dan roda shaft. Metode transmisi tenaga untuk memberikan konversi kecepatan dan torsi berputar dari sumber tenaga ke perangkat lain. Ada beberapa cara yang dapat digunakan untuk melakukan transmisi tenaga. Semua cara dapat dipisahkan menjadi 2 cara, metode langsung atau metode tidak langsung. 3.4.6.1 Metode Langsung Metode langsung adalah metode untuk mengirimkan daya antara dua shaft tanpa perlu bantuan dari perangkat mekanis lainnya seperti belt atau rantai. Pendekatan umum dalam metode langsung untuk teknik transmisi penghubung daya. Metode ini menggunakan alat yang disebut kopling yang menghubungkan dua poros bersama-sama di ujungnya yang bertujuan untuk transmisi daya. Kopling biasanya tidak memungkinkan pemutusan poros selama operasi, namun ada torsi kopling pembatas yang dapat slip atau lepas ketika ada batas torsi telah terlampaui.
57
Kopling juga dikelompokkan dalam beberapa tipe, tergantung pada penggunaan dan aplikasi. Diantaranya tipe kaku (rigid), kopling fleksibel, dan lain-lain. Rigid kopling digunakan untuk menghubungkan dua shaft dalam sebuah motor atau sistem mekanik seperti yang ditampilkan pada gambar 3.8.
Gambar 3.8 Rigid Coupling
Seperti menghubungkan dua sistem separasi, misalnya sebuah motor dan generator. Rigid kopling dapat juga ditambahkan shaft antara keduanya untuk mereduksi guncangan dan dipakai pada titik temu shaft. Dengan kepresisian menyelaraskan dua poros dan menahan mereka tetap di tempatnya, Rigit kopling membantu untuk memaksimalkan kinerja dan meningkatkan waktu pakai yang diharapkan dari motor. 3.4.6.2 Metode Tidak Langsung Metode tidak langsung adalah sebuah metode untuk menyalurkan tenaga antara dua shaft dengan bantuan dari perangkat mekanik lain. Ada beberapa tipe dari penyaluran tenaga secara tidak langsung seperti mekanisme belt dan puli, mekanisme roda gigi dan rantai, dan lain-lain. Mekanisme roda gigi-rantai dan mekanisme puli-belt digunakan untuk menyalurkan tenaga dari satu putaran
58
menggerakkan yang lainnya. Belt adalah sebuah elemen transmisi tenaga yang fleksibel yang berjalan dengan erat pada satu set puli. Sebuah penggerak rantai terdiri dari sekumpulan pin yang bersambungan yang berjalan pada satu set sproket. Pada akhirnya, setelah mempertimbangkan pemilihan dari dua metode transmisi tenaga yang ada. Pilihan terakhir dari metode transmisi tenaga adalah menggunakan metode transmisi tenaga tidak langsung, dan tentu saja pilihan ini didasarkan pada beberapa alasan, yaitu transmisi tenaga tidak langsung, dalam hal ini roda gigi – rantai diperlukan untuk kenyamanan dari kursi roda. Roda gigi dan rantai disesuaikan agar didapat torsi yang cukup sesuai dengan torsi yang diinginkan. Roda gigi yang dipergunakan adalah roda gigi sepeda ukuran 46 mata gigi dan 15 mata gigi dan sebagai penghubung antara kedua roda gigi menggunakan rantai.
Gambar 3.9 Roda Gigi Sepeda
59
3.5
Desain Sistem Kontrol dan Sistem Kelistrikan dari Kursi Roda Elektrik Pada bab ini membahas tentang komponen kelistrikan yang digunakan
dalam proyek tugas akhir ini. Ini menjelaskan joystick, mikrokontrol, DC motor driver, dan baterai sebagai sumber tenaga listrik.
Gambar 3.10 Desain Diagram Sistem Kontrol
Gambar 3.10 menampilkan diagram sistem kelistrikan dari sistem kendali. Mikrokontrol akan membaca data dari joystick, dan kemudian mikrokontrol akan memberi keluaran ke H-Bridge dan menggerakkan motor.
Motor kemudian
pergerakan motor akan menggerakkan roda-roda. 3.5.1
Joystick Joystick merupakan sebuah perangkat input yang terdiri dari sebuah tuas
yang dapat digerakkan dan memberi input dari sudut atau arah ke perangkat kontrol. Joystick adalah sebuah sakelar mekanis yang dapat digunakan untuk mengontrol sebuah proses dari motor. Dalam proyek ini, joystick digunakan sebagai supervisi penggerak (supervision driving) dan kontrol kemudi (steering control). Ini bertindak sebagai perangkat input untuk mengontrol arah kursi roda. Joystick sering digunakan untuk mengontrol video games, dan biasanya mempunyai satu atau lebih tombol tekan (push buttons) yang tetap dapat juga
60
dibaca oleh komputer. Joystick juga digunakan untuk mengontrol mesin seperti crane, kursi roda, traktor, kendaraan selam tanpa awak, dan kamera pengintai.
Gambar 3.11 Joystick by Auspicius
Sebagian besar joystick adalah dua dimensi, mempunyai dua sumbu gerakan seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.14 diatas. Sebuah joystick dua dimensi dikonfigurasi umumnya, jika kita menggerakkan stik ke kiri dan kanan, sinyal input akan mengirim data ke perangkat via mikrokontrol. Dengan demikian, perangkat akan bergerak diantara sumbu X (kanan dan kiri). Jika kita menggerakkan stik ke atas dan bawah, sinyal input akan diproses dalam mikrokontrol dan mengirim data ke perangkat. Dengan demikian, perangkat akan bergerak diantara sumbu Y (maju atau mundur). Desain dari sebuah kursi roda elektrik ini menggunakan joystick 2 dimensi yang memiliki konfigurasi pergerakkan antara sumbu X dan sumbu Y. Ini berarti, joystick dapat mengontrol pergerakkan dalam empat arah, maju, mundur, kanan, dan kiri. Desain menggunakan joystick sebagai supervisi penggerak (supervision
61
driving) dan kontrol kemudi (steering control) karena dapat memberikan kemudahan kepada penggunanya. Pengguna dapat mengontrol arah kursi roda oleh penggunanya sendiri. Ini juga akan memberikan kenyamanan kepada pengguna.
Joystik
juga
lebih
memberikan
kemudahan
dibandingkan
menggunakan empat buah tombol tekan (pushbutton). 3.5.2
Pemilihan Sistem Mikrokontrol Pada proyek ini, mikrokontrol adalah otak dari sistem. Mikrikontrol dapat
didefinisikan sebagai sebuah komputer kecil pada sebuah IC (Integrated Circuit) tunggal yang disertakan sebuah inti prosessor,memori, dan pemrograman input atau output.
Gambar 3.12 Arduino® Duemilanove
Gambar 3.12 menampilkan Arduino® Duemilanove yang digunakan sebagai mikrokontrol utama untuk proyek ini. Arduino® Duemilanove adalah sebuah modul mikrokontrol berbasis ATmega 328 yang memiliki 14 pin input/output digital. Arduino® Duemilanove memiliki EEPROM 1 KB, kecepatan
62
pewaktu 16 MHz yang membantu proses eksekusi data lebih cepat. Kelebiah lain dari Arduino® Duemilanove adalah mendapatkan lebih kemudahan mempelajari tentang Arduino® Program dan aplikasi. Arduino® adalah sebuah kit elekronik atau rangkaian elektronik open source yang fleksibel dan mudah untuk menggunakan hardware dan software. 3.5.3
Driver Motor Driver motor yang digunakan adalah Embedded Module Series (EMS) 5 A
H-Bridge buatan Innovative Electronics merupakan driver H-Bridge yang didisain untuk menghasilkan drive 2 arah dengan arus kontinyu sampai dengan 5 A pada tegangan 5 Volt sampai 40 Volt. Modul ini dilengkapi dengan rangkaian sensor arus beban yang dapat digunakan sebagai umpan balik ke pengendali. Modul ini mampu men-drive beban-beban induktif motor DC, motor stepper, dan berbagai macam beban lainnya. Frekuensi PWM sampai dengan 10 kHz.
Gambar 3.13 EMS 5 A H-Bridge by Innovative Electronics
63
Skematika dari H-bridge terlihat seperti huruf kapital “H” seperti yang ditampilkan pada gambar 3.14. Jadi namanya seperti itu. Sebuah H-bridge terdiri dari empat sakelar. Ketika pasangan sakelar S1 dan S4 sedang tertutup dan pasangan lain dari sakelar S2 dan S3 terbuka, tegangan positif (forward) akan diterapkan melintasi motor. Dengan membuka sakelar S1 dan S4 dan menutup sakelar S2 dan S3, maka tegangan menuju motor menjadi negatif (reverse). Sakelar S1 dan S2 seharusnya tidak terkoneksi pada wakti yang bersamaan dan juga dengan sakelar S3 dan S4, karena akan menyebabkan korsleting pada sumber tegangan.
Gambar 3.14 Struktur dari sebuah H-Bridge Sistem kemudi dan kendali menggunakan EMS 5A H-Bridge untuk mengontrol pergerakan dan kecepatan dari DC motor. Ini sangat cocok digunakan sebagai H-Bridge untuk menangani arus asut DC motor sebesar 3.3A.
64
3.5.4
Pemilihan Motor DC Motor DC yang akan digunakan pada proyek akhir ini adalah motor DC
jenis Brushless DC motor, yaitu motor listrik yang didukung oleh kelistrikan direct-current (DC) dan mempunyai sistem komutasi elektronik, dari pada komutator mekanis dan sikat. Pada motor jenis ini, “rotating switch” mekanis atau susunan comutator/brushgear diganti dengan sebuah switch elektronik yang disinkronkan dengan posisi dari rotor. Motor tanpa sikat ini memiliki efisiensi 8590%, sedangkan motor DC dengan brushgear memiliki efisiensi 75-80%. Motor yang digunakan adalah produk geared DC motor dari Matsushita Electric. Motor ini sudah menyatu dengan girbox, sehingga mempunyai torsi yang besar walaupun mempunyai dimensi yang kecil. Oleh karena itu, motor DC ini sangat cocok untuk diaplikasikan sebagai aktuator pada proyek kursi roda elektrik ini.
Gambar 3.15 Geared DC Motor dari Matsushita Electric
65
Berikut ini adalah spesifikasi dari Geared DC Motor :
3.5.3
Suplai Tegangan
= 19V
Daya output
= 57W
Arus nominal
= 3.3A
Torsi
= 6.86 Nm = 70 Kg.cm
Kecepatan
= 195 rpm
Dimensi body
= panjang 14 cm x diameter 9 cm
Dimensi shaft
= panjang 4,5 cm x diameter 1 cm
Berat
= 1,7 Kg
Power Supply Unit Sumber tegangan untuk menyuplai energi listrik pada satu atau lebih
beban listrik. Baterai adalah salah satu contoh dari sumber tegangan. Sebuah baterai listrik adalah satu atau lebih electrochemical cells yang mengkonversi energi kimia kedalam energi listrik. Ada dua tipe baterai: baterai primer (diposable batteries), yang di desain untuk sekali pakai dan tidak dapat diisi ulang, dan baterai sekunder (rechargeable batteries), yang di desain untuk dapat di isi ulang kembali dan digunakan berkalikali. Baterai tersedia dalam banyak ukuran, dari baterai mini hingga ukuran yang sangat besar. Baterai dipilih karena kursi roda elektrik membutuhkan mobilitas yang tinggi. Oleh karena itu, power supply yang dapat mendukung kebutuhan mobilitas tinggi kursi roda itu diperlukan. Baterai digunakan untuk menyupplai tegangan ke motor, motor drivers, dan papan mikrokontrol
66
Gambar 3.17 Baterai 9V merk Eveready
Gambar 3.17 diatas menampilkan baterai yang digunakan sebagai penyuplai tegangan untuk papan mikrokontrol dan motor drivers. Baterai memberikan tegangan keluaran 9V, yang cocok menaikkan daya papan mikrokontrol, motor drivers dan lampu indikator. Baterai 12V (rechargeable batteries) juga akan digunakan dalam proyek ini untuk menyuplai tegangan kedua motor. Dua baterai 12V akan digunakan untuk menaikkan daya kedua motor karena masing-masing motor mempunyai rating tengangan 12V. Penulis akan memilih menggunakan baterai 12V 7.5A seperti ditampilkan pada gambar 3.18 dibawah ini.
Gambar 3.18 12V 7.5A Ical® Rechargeable Battery
67
3.5.4
Indikator Baterai Indikator baterai disini digunakan untuk menampilkan kapabilitas
tegangan dari baterai. Desain dari kursi roda elektrik juga memperhatikan sisi keamanan untuk penggunanya. Penambahan baterai indikator pada perangkat akan memberi tanda ketika tegangan kedua baterai mengalami penurunan tegangan dan harus di isi ulang kembali. Desain rangkaian baterai indikator adalah buatan sendiri. Ada dua kemungkinan dalam membuat rangkaian baterai indikator ini, salah satu disambungkan langsung ke baterai atau ke papan mikrokontrol. Jika tegangan lebih rendah dari pada ketetapan minimal dari tegangan rendahnya, maka lampu LED akan menyala. Disamping dari LED, rangkaian ini juga membutuhkan dioda Zener, comparator LM 358N, dan beberapa resistor. Skema dari rangkaian akan ditampilkan pada gambar 3.19.
Gambar 3.19 Skema Rangkaian Baterai Indikator
68
Input tegangan untuk
rangkaian ini adalah 24V yang diperoleh dari
baterai yang terkoneksi secara paralel dan dikonfigurasi tegangan rendah adalah 22V. Untuk memenuhi kondisi ini, ada beberapa perhitungan yang harus dilakukan untuk mendapat nilai dari resistor. Ada beberapa komponen dengan nilai tetap dalam rangkaian ini diantaranya: dioda zener dan LED. Perhitungan akan didasarkan pada nilai tetap. Nilai untuk D1 adalad 5V/1 Watt, Iz = 40mA. Nilai untuk LED adalah IF = 20mA, VF = 1.8V. Dari nilai-nilai tetap, akan ada beberapa nilai tetap yang dapat digunkan untuk menghitung resistansi dari resistor, yaitu : V- > V+ ketika VD= 0V dan jika V- < V+ ketika VD= 12V. Resistansi dari R1 dan R2 dapat dihitung dengan persamaan dibawah:
Dimana, 5 R1
= 9 R2
R1
= 1.8kΩ
R2
= 6.8kΩ
Resistansi dari R3 dapat ditentukan dengan menghitung VR3 VR3
= Vin – VZI
69
VR3
= 24V – 5.1V
VR3
= 18.9V
Kemudian,
karena tidak ada nilai resistor 460Ω, maka nilai resistor 470Ω dipilih.
VR4
= 12V
Kemudian,
Telah dinyakan sebelumnya bahwa nilai IF pada LED adalah 20mA dan VF adalah 1.8V. Kemudian, VR5
= 12V-VF
70
VR5
= 10.2V
Maka,
Sekali lagi, tidak ada nilai perhitungan resistansi yang cocok, jadi 560Ω yang dipilih. 3.5.5
Regulator Tegangan Kursi roda elektrik juga akan menggunakan sebuah suplai tegangan 5V
untuk motor drivers dan papan mikrokontrol. Tegangan input dari suplai tenaga diregulasi menggunakan pin 3 regulator tegangan LM 7805 seperti terlihat pada gambar 3.20 dibawah.
Gambar 3.20 Rangkaian Regulator Tegangan Regulator tegangan pada gambar 3.20 digunakan untuk meregulasi suplai output 9V ke 5V. Regulator tegangan yang digunakan adalah LM 7805 yang
71
dapat memberikan arus maksimal 1A pada tegangan 5V. Penulis menetapkan 3 output pada regulator tegangan untuk 2 H-Bridge, 1 papan mikrokontrol, dan lampu indikator. Gambar 3.21 dibawah menunjukan skema rangkaian listrik dan layout PCB menggunakan Eagle®. Rangkaian dimaksudkan untuk meregulasi input tegangan 9V dari baterai kedalam output 5V. Rangkaian diuji dalam breadboard untuk memastikan apakah sudah bekerja sebelum PCB sebenarnya dibuat.
Gambar 3.21 Skema Rangkaian Regulator Tegangan
3.6 Sistem Operasi dan Pengembangan Software Sistem operasi dari sistem akan dijelaskan dalam flowchart. Flowchart secara umum pada gambar 3.22 dibawah memperlihatkan alir kerja pada sistem kendali dan kemudi. Awalnya, kursi roda akan berada pada posisi awal. Kemudian pemakai akan memberi perintah ke joystick dengan menggerakkannya maju, mundur, kanan, dan kiri secara manual, tergantung arah yang diinginkan. Setelah mikrokontrol membaca data dari joystick, mikrokontrol kemudian memberi perintah motor 1 dan motor 2 untuk berputar.
72
Gambar 3.22 Flowchart Sistem Kendali dan Sistem Kemudi
3.7
Kapabilitas Manuver Kursi Roda Dalam pengembangan manuver, ada beberapa manuver yang akan
diimplementasikan pada kursi roda elektrik dengan sistem 2 roda penggerak, 2 roda kemudi, dan 2 roda bebas. Pada bagian ini, metodologi dan perhitungan dari posisi kemudi roda dan kecepatan dari pergerakkan roda akan dibahas. Ada beberapa manuver yang akan diterapkan pada desain kursi roda elektrik, manuver maju, manuver mundur, dan manuver poros. 3.7.1
Manuver Maju Manuver maju adalah suatu pergerakkan demana kursi roda elektrik
bergerak maju dengan menggunakan sistem 2 roda penggerak, ketika 2 roda bebas
73
akan secara otomatis bergerak serentak mengikuti roda penggerak dan semua posisi roda kemudi dalam posisi awal atau posisi zero. Gambar 3.24 menunjukkan ilustrasi kondisi manuver maju dan tabel 3.2 adalah arah dan posisi dari roda.
Gambar 3.23 Ilustrasi Manuver Maju Tabel 3.2 Tabel dari posisi dan arah manuver maju
3.7.2
Manuver Mundur Manuver mundur adalah suatu pergerakkan dimana kursi roda elektrik
bergerak mundur dengan menggunakan sistem 2 roda penggerak dan semua posisi roda kemudi dslsm posisi zero. Gambar 3.24 ilustrasi kondisi manuver mundur dan tabel 3.3 adalah pergerakkan dan posisi dari roda.
74
Gambar 3.24 Ilustrasi Manuver Mundur Tabel 3.3 Tabel dari posisi dan arah manuver mundur
3.7.3
Manuver Pivot Manuver poros adalah suatu pergerakkan dimana kursi roda elektrik akan
bergerak seperti sebuah lingkaran dimana titik pusatnya berada ditengah dari kursi roda itu sendiri seperti ditampilkan pada gambar 3.25 dibawah ini.
75
Gambar 3.25 Ilustrasi Manuver Pivot
Perhitungan posisi roda: a = 560 mm ; b = 380 mm ; c = 0.5a ; d = 0.5b θ1 = θ2 θ1 =
(persamaan 3.9) (persamaan 3.10)
θ1 = θ1 = 58.73o Sesuai dengan perhitungan diatas, 58.73o adalah theta yang akan digunakan sebagai posisi roda dan tabel 3.4 menjelaskan arah dan posisi dari roda. Tabel 3.4 Tabel dari Posisi dan Arah Manuver Poros
76
3.7 Spesifikasi Teknis Tabel 3.5 akan menampilkan semua spesifikasi teknis untuk kursi roda elektrik. Tabel 3.5 Spesifikasi Teknis
Kursi Roda Elektrik
Keterangan
Material
Besi
Panjang Total
1200 mm
Lebar Total
600 mm
Tinggi Total
800 mm
Diameter Roda Belakang
600 mm
Tebal Roda Belakang
35 mm
Diameter Roda Castor
200 mm
Tebal Roda Castor
25 mm
Berat Total
37 kg
DC Motor
114 Watt
Daya Tampung Berat Maksimal
80 kg
Kecepatan Maksimal
6.78 km/jam
Baterai
2 buah 12 V 7.5 A
