Sistem Kendali Robot Manual AV-COM Berbasis Mikrokontroler ATMega8535 Naskah Publikasi
diajukan oleh Muchamad Malik 06.11.1310 Kepada SEKOLAH TINGGI MANAJEMEN INFORMASI DAN KOMPUTER AMIKOM YOGYAKARTA 2009 ABSTRACT The function of this robot is expected to be useful for the development of human civilization is marked by a growing number of convenience - easy for humans to perform tasks and activities of the day - the day with the help of good robots in industry, education, contest or in the household. Robot AV-Com is one of the basic industrial robots are used as the Indonesian Robot Contest (KRI), ICT Award (AMICTA) and Indonesia ICT Award (INAICTA). This thesis aims to make electronics, coding and designing programs for the mechanical movement of the robot altivitas AV-COM. This robot uses potensio meters as the primary control, using a dc motor as the main
drivers of both wheels and the arm. Main circuit consists of a series Microcontroller equipped with uploader that can be connected to a PC using the parallel port Interface circuit consists of: o
H-Bridge circuit relay to control the direction of motor rotation
o
Control circuit output voltage level of motor function to control motor speed. Voltage consists of 2v, 6V, 10V, 12V which is controlled by microcontroller
o
Joystick circuit as robot motion control panel is connected by wire to the H-Bridge circuit relay and circuit Voltage Level Controller
PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Sejak terjadinya revolusi industri di beberapa negara di eropa, perkembangan teknologi berkembang dengan sangat pesat. Sehingga manusia dituntut untuk aktif mengikuti perkembangan yang terjadi. Dari era revolusi industry sampai dengan era globalisasi ini perubahan pola pikir manusia sangat berbeda. Termasuk dalam hal cara menyelesaikan sebuah pekerjaan. Sehingga manusia tidak hanya bekerja dengan peralatan yang sederhana, melainkan dengan alat – alat yang canggih sesuai dengan kebutuhan pekerjaan. Hal ini sangat berimbas dalam perkembangan teknologi di bidang robotika. Dengan
persaingan
bisnis
yang
sangat
ketat,
berbagai
industri
telah
memanfaatkan alat kerja bantu berupa robot agar dapat bekerja secara optimal. Dalam menyelesaikan tugas yang membutuhkan keakuratan yang tinggi, tenaga yang besar dan resiko yang tinggi, sangat dibutuhkan alat kerja bantu berupa robot. Sehingga dapat mengurangi dampak resiko kecelakaan kerja. Oleh karena itu, pengembangan robot harus dimulai dari riset yang mendalam, agar robot senantiasa dapat memberikan nilai yang lebih dalam persaingan di dunia usaha. Dalam hal ini STMIK “AMIKOM” sebagai sekolah tinggi, telah mempunyai motto “Unggul dalam Tren Teknologi Informasi” telah melakukan berbagaio riset tentang robotika, termasuk dengan mengikuti berbaagai ajang perlombaan, seperti Kontes Robot
Indonesia. Dalam kontes ini AMIKOM ROBOTIC telah membuat 3 buah robot, diantaranya Robot Otomatis Pembawa, Robot Traveller dan Robot Manual Pembawa. Robot Manual Pembawa AV-COM merupakan salah satu robot industry yang dirancang untuk penelitian maupun perlombaan. Robot ini juga pernah ikut dalam berbagai perlombaan, diantaranya yang diadakan oleh lembaga STMIK “AMIKOM” dalam AMICTA 2009 (AMIKOM ICT AWARD), INAICTA 2009 (Indonesia ICT Award) kategori creative robot dan telah mengikuti Kontes Robot Indonesia (KRI) pada kontes regional di Grha Sabha Pramana dan berhasil lolos ke tingkat nasional yang diadakan di tempat yang sama pula. Robot ini tidak dapat menyelesaikan perlombaan dikarenakan sistem kendali yang belum sempurna. Terdapat berbagai kekurangan didalam rangkaian joy stick dan masih kurangnya sinkronisasi antara kedua motor penggerak utama dalam robot tersebut. Sehingga operator robot manual mengalami kesulitan saat melakukan start karena kurang stabilnya robot tersebut. LANDASAN TEORI Seperti halnya komputer, robot juga terdiri dari dua bagian yang saling terhubung, dimana setiap bagian mempunyai bagian dan fungsi yang berbeda. Begitu pula robot manual AV-COM, dalam pembuatannya membutuhkan kedua bagian tersebut yaitu hardware atau perangkat keras, dan software atau perangkat lunak. Hardware Hardware merupakan perangkat fisik dari dari sebuah system sehingga dapat dilihat secara kasat mata. Hardware dalam sebuah robot masih masih dikelompokan menjadi dua bagian yaitu : 1. Bagian Mekanis 2. Bagian Elaktronis Bagian Mekanis Bagian Mekanis merupakan bagian – bagian robot yang bergerak secara langsung, untuk melakukan gerakan – gerakan itu diperlukan yang sesuai dan tepat dalam penggunaannya. Motor DC Motor DC digunakan dalam rangka yang memerlukan kepresisian yang tinggi untuk pengaturan kecepatan, pada torsi yang konstan. Semua motor DC beroprasi atas dasar arus yang melewati konduktor yang berbeda dalam magnet.
Motor DC disini digunakan sebagai penggerak motor utama. Terdapat dua tipe motorD C berdasarkan prinsip medannya yaitu : 1. Motor DC dengan Magnet Permanen 2. Motor DC dengan Lilitan yang terdapat pada Stator A. Teori Motor DC Prinsip dasar dari motor arus searah adalah kalau sebuah kawat berarus diletakkan antara kutub magnet (U-S) maka dalam kawat itu akan terjadigaya yang menggerakan kawat itu. Arah gerakan kawat dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kiri yang berbunyi “ Apabila tangan kiri terbuka diletakakan di antara ktutb U dan S, sehingga ggaris gaya yang keluar dari kutub utara menembus telapak tangan kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan arah keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari”.
Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan energi, sekaligus berfungsi sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi. Dengan mengacu pada hukum kekekalan energi : Proses energi listrik = energi mekanik + energi panas + energi didalam medan magnet Maka dalam medan magnet akan dihasilkan kumparan medan dengan kerapatan fluks sebesar B dengan arus adalah I serta panjang konduktor sama dengan L maka diperoleh
gaya sebesar F, dengan persamaan sebagai berikut : F = B I L..................................................................................(pers .1)
Arah dari gaya ini ditentukan oleh aturan kaidah tangan kiri, adapun kaidah tangan kiri tersebut adalah sebagai berikut : Ibu jari sebagai arah gaya ( F ), telunjuk jari sebagai fluks ( B ), dan jari tengah sebagai arus ( I ). Bila motor dc mempunyai jari-jari dengan panjang sebesar ( r ), maka hubungan persamaan dapat diperoleh : Tr = Fr = B I L r.....................................................................(pers 2.) Saat gaya ( F ) tersebut dibandingkan, konduktor akan bergerak didalam kumparan medan magnet dan menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakan reaksi lawan terhadap tegangan sumber. Agar proses perubahan energi mekanik tersebut dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar dari pada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor. Torsi Torsi motor didefinisikan sebagai aksi dari suatu gaya pada motor yang dapat mempengaruhi beban untuk ikut bergerak. Ketika sumber tegangan dihubungkan pada brush (sikat) motor, maka arus yang mengalir masuk ke kutub positif brush, melalui komutator dan kumparan armatur, serta keluar melalui daerah kutub negatif dari brush. Pada saat yang bersamaan, arus juga mengalir melalui kumparan medan magnet. Penerapan kaidah tangan kanan pada konduktor armatur yang berada dibawah kutub utara (D) memperlihatkan kumparan medan magnet yang memperkuat gaya keatas agar dapat mendorong konduktor.
Bagian – bagian Motor DC Ketika kumparan medan magnet berada dibawah posisi kutub selatan E, gaya akan memotong kearah kanan, kemudian menekan kebawah, sedangkan kutub utara F dan selanjutnya akan bergerak mendorong kearah kiri dibawah kutub selatan G, sehingga terbentuk suatu arah gaya yang dapat mengakibatkan konduktor armatur yang bergerak searah dengan arah jarun jam seperti pada Gambar 2.2. Dalam kondisi armatur yang berputar, dimana konduktor bergerak dibawah kutub menuju ke kondisi neutralplane, kondisi arus menjadi reverse karena komutator. Dari proses tersebut diperoleh suatu kenyataan yang sama, bila arus yang mengalir melalui kumparan armatur dalam kondisi reverse dengan proses membalik posisi armatur. Namun arahnya akan meninggalkan polaritas medan yang bersangkutan, maka torsi yang dibangkitkan akan bergerak kearah yang berlawanan dengan arah jarum jarum jam. Sedangkan torsi yang dibangkitkan pada motor dc merupakan gabungan aksi dari fluks medan ( Ф ), arus armatur ( Ia ) yang menghasilkan medan magnet didaerah sekitar konduktor. Oleh karena itu diperoleh persamaan torsi ( T ) sebagai berikut : T = k Ф Ia
Bagian Elektronis Bagian elektronis tersebut terdiri dari komponen – komponen elektroniuka yang terangkai sedemikian rupa sehingga bias mendukung kinerja robot. Bagian elektronis pada robot manual ini terdiri dari tiga bagian penting, yaitu : 1. Mikrokontroller 2. Relay Motor Driver 3. Joy Stick Mikrokontroller Mikrokontroller merupakan system computer yang seluruh atau sebagian besar elemennya dikemas dalam satu chip IC sehingga sering juga disebut single chip microcomputer. Suatu kontroler digunakan untuk mengontrol suatu proses atau aspek-aspek dari lingkungan. Satu contoh aplikasi dari mikrokontroler adalah untuk memonitor rumah kita. Ketika suhu naik kontroler membuka jendela dan sebaliknya. Pada masanya, kontroler dibangun dari komponen-komponen logika secara keseluruhan, sehingga menjadikannya besar dan berat. Setelah itu barulah dipergunakan mikrokprosesor sehingga keseluruhan
kontroler masuk kedalam PCB yang cukup kecil. Hingga saat ini masih sering kita lihat kontroler yang dikendalikan oleh mikroprosesor biasa (Zilog Z80, Intel 8088, Motorola 6809, dsb). Proses
pengecilan
komponen
terus
berlangsung,
semua
komponen
yangdiperlukan guna membangun suatu kontroler dapat dikemas dalam satu keping. Makalahirlah komputer keping tunggal (one chip microcomputer) atau disebut jugamikrokontroler. Mikrokontroler adalah suatu IC dengan kepadatan yang sangattinggi, dimana semua bagian yang diperlukan untuk suatu kontroler sudah dikemasdalam satu keping, biasanya terdiri dari: 1. CPU (Central Processing Unit) 2. RAM (Random Access Memory) 3. EEPROM/EPROM/PROM/ROM 4. I/O, Serial & Parallel 5. Timer 6. Interupt Controller Rata-rata mikrokontroler memiliki instruksi manipulasi bit, akses ke I/Osecara langsung dan mudah, dan proses interupt yang cepat dan efisien. Dengankata lain mikrokontroler adalah " Solusi satu Chip" yang secara drastis mengurangi jumlah komponen dan biaya disain (harga relatif rendah). A. Mikrokontroler ATMEGA 8535 Mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc prosesor) memiliki arsitektur RISC 8 bit, di mana 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 yang membutuhkan 12 siklus clock. Tentu saja itu terjadi karena kedua jenis mikrokontroler tersebut memiliki arsitektur yang berbeda. AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing), sedangkan seri MCS 51 berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computing). 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. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama. Oleh karena itu, dipergunakan salah satu AVR produk Atmel, yaitu ATMega8535. Selain mudah didapatkan dan lebih murah ATMega8535 juga memiliki fasilitas yang lengkap. Untuk tipe AVR ada 3 jenis yaitu AT Tiny, AVR klasik, AT Mega. Perbedaannya hanya pada fasilitas dan I/O yang tersedia serta fasilitas lain seperti ADC, EEPROM dan lain sebagainya. Salah satu contohnya adalah AT Mega 8535. Memiliki teknologi RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz membuat ATMega8535 lebih cepat
Siste m Ke ndali
Mik ro k o ntro le r
Re lay / Mo to r Driv e r
Ge rak
bila dibandingkan dengan varian MCS 51. Dengan fasilitas yang lengkap tersebut menjadikan ATMega8535 sebagai mikrokontroler yang powerfull. . Perancangan Sistem
Dari gambar perancangan sistem pengendali robot manual AV-Com dapat dijelaskan bahwa, saat mendapat instruksi dari sistem kendali berupa Joy Stick maka akan menghasilkan inputan berupa data analog dari potensio meter atau mendapat tegangan cw maupun ccw dari swicth. Data analog tersebut akan diconvert oleh ADC dari dalam mikrokontoler Atmega 8535 untuk
dirubah menjadi sinyal digital. Dari sinyal
digital tersebut akan
membangkitkan pulsa dari PWM yang nantinya kan diteruskan ke motor DC. Mikrokontroler hanya mampu memberikan tegangan maksimal 5 volt dari kebutuhan tegangan dari motor DC sebesar 12 volt. Oleh karena itu, sebelum tegangan tersebut diberikan ke motor DC akan dikuatkan oleh Relay Motor Driver. Sehingga dari tegangan yang semula 5 volt akan dirubah menjadi 12 volt.
Rancangan Elektronis Skema rangkaian robot AV-COM terdiri dari 3 komponen utama, yaitu : a) Board Mikrokontroler b) Relay Motor Driver c) Joy Stick Board Mikrokontroler
Board Mikrokontroler ini digunakan untuk meletakan mikrokontroler Atmega 8535 dan sebagai tempat inputan voltase dari sumber tegangan maupun pulsa dari joy stick yang nanti akan diolah dan disalurkan ke motor penggerak. Board ini juga berfungsi untuk memasukkan code program yang telah dikompile dari komputer untuk bisa ditanamkan ke mikrokontroler Atmega 8535, sehingga bisa juga disebut jembatan interface antara komputer dan mikrokontoler.
Sistem Mekanis
Robot ini dirancang agar dapat melaksanakan fungsi – fungsi sesuai algoritma gerakan dan aksi robot. Untuk mencapai kondisi di atas, perlu pemilihan bahan baku yang kuat dan tahan terhadap aksi dali luar. Kerangka robot terbuat dari almunium, dengan alasan bahan ini mudah dicari, murah dan kuat secara konstruksi. Untuk menggerakan roda kanan dan kiri, robot ini menggunakan motor foto kopi 12 Volt, dengan pertimbangan mempunya torsi yang kuat dan mempunyai kecepatan yang relatif cepat. Untuk menggerakan lengan, robot ini menggunakan motor power window mobil Kijang dengan pertimbangan mempunyai torsi yang kuat. Untuk menarik dan menurunkan lengan, robot ini menggunakan kamprat mobil agar dapat menahan beban dengan kuat dan stabil. Pengujian Joy stick Pengujian
ini
bertujuan
untuk
mengetahui
seberapa
efektifnya
sudut
potensiometer untuk bisa menggerakan robot dan seberapa besar pengaruh PWM untuk bisa menstabilkan gerakan robot. Dalam pengujian ini memanfaat beberapa riset diantaranya mengubah sudut gerak potensiometer dari 300, 600, dan 900. Selain itu disetiap sudut yang diuji coba menggunakan software yang dimodifikasi untuk menghasilkan kecepatan dan torsi yang maksimal juga kestabilan dalam gerakan robot. Cara pengujian ini dilakukan dengan cara memanfaatkan reed swich dan sebuah multi tester untuk bisa menghitung kecepatan putar tiap menit. Cara kerja reed swich adalah dengan memghubungkan kedua kaki
apabila mendapatkan medan magnet. Apabila kedua kabel multi tester tersambung secara langsung, maka voltase dari alat tersebut akan menunjukan pada angka 10 volt. Metode inilah yang saya gunakan untuk menghitung putaran motor dalam tiap menit. Yaitu dengan menghitung berapa kali arah jarum multi tester menunjukan angka 10 volt saat motor mendapat arus listrik. Penguji Eko Dzulfikar Sigit M.Rizki Pratama
Kecepatan A A A A
Torsi B B B B
Kestabilan D D D D
Pengujian Joy stick dan Software Sudut 600 Penguji Eko Dzulfikar Sigit M.Rizki Pratama
Kecepatan B B C B
Torsi B B B B
Kestabilan C B C C
Pengujian Joy stick dan Software Sudut 900 Penguji Eko Dzulfikar Sigit M.Rizki Pratama
Kecepatan B C C B
Torsi B B B B
Kestabilan A A B A
Pengujian dengan membandingkan sudut yang dirubah dengan software yang telah dimodifikasi. keterangan pengujian Joy stick Keterangan
Kecepatan
Torsi
Kestabilan
A
> 200 r/m
> 75 Nm (80)
Tidak berguncang
B
150 – 200 r/m
65 – 75 Nm (80)
Tidak berguncang
C
100 – 150 r/m
40 – 65 Nm (80)
Berguncang
D
50 – 100 r/m
25 – 40 Nm (80)
Berguncang keras
E
0 – 50 r/m
0 – 25 Nm (80)
Ambruk
Kestabilan dilihat dari kepresisian dan besar guncangan saat robot start, jalan dan ampai saat robot berhenti. Sehingga dapat dilihat guncangan yang diakibatkan oleh
pergerakan motor. Dari analisa diatas, gerakan robot tidak akan stabil apabila saat start langsung diberi PWM yang tinggi. Hal ini dapat dilihat dali beberapa kali uji coba yang dilakukan. Data di atas menujukkan bahwa kecepatan suatu motor akan berbanding terbalik dengan torsi dan keseimbangan gerakannya 4.6.2
Pengujian Beban Pengujian dilakukan dengan menjalankan semua pheriperal baik hardware,
mekanik maupun software yang menjadi satu kesatuan dalam robot AV-COM dengan melibatkan robot otomatis pembawa dan robot traveller. Uji coba dilakukan beberapa kali dengan memanfaatkan lapangan yang berupa garis maupun lapang dengan lantai biasa. Pengujian Beban Dengan Menggunakan Robot Maju Mundur Kanan Kiri
Otomatis 3.45 3.75 5.88 6.1
Tanpa menggunakan Robot otomatis 1,50 2.21 1.44 1.48
Keterangan : Pengujian satu dilakukan dengan menggunakan robot otomatis, kago dan robot traveler. Beban robot traveler adalah 5 kg dengan jarak garis satu meter. Pengujian dua dilakukan tanpa menggunakan beban dengan jarak satu meter. Dari data diatas dapat dianalisis bahwa arah gerakan robot dipengaruhi oleh : 1. Kondisi motor yang berbeda 2. Kestabilan antar kedua robot PENUTUP Setelah melakukan perancangan baik mekanik, harware maupun software dengan menggunakan bahasa BASCOM AVR serta melakukan ujicoba alat dan sistem kemudian proses analisis maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : Kesimpulan Dari beberapa tahap perancangan, pembuatan dan pengujian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan antara lain : 1. Mekanik dapat bekerja sesuai fungsi dan kepresisian yang dinilai sangat rapi sehingga tidak terlalu banyak mengalami modifikasi.
2. Sudut dari potensio meter yang paling efektif digunakan dalam kendali robot manual AV-COM adalah 900 3. Faktor yang dapat mengurangi kestabilan robot saat bergerak dan melakukan aksi antara lain : a) Perbedaan yang mencolok antara PWM motor kanan dan PWM motor kiri, sehingga saat start dan pengereman roda kurang maksimal. b) Kecilnya
torsi
pada,
motor
penggerak
roda
utama
yang
sangat
mempengaruhi proses pengangkatan beban. c) Berkurangnya sensitifitas motor terhadap driver motor yang disebabkan oleh kinerja motor yang sudah berkurang karena masa pakai yang sudah melampaui batas penggunaan. d) Sudut potensio meter pada Joy Stick yang perlu pengembangan. Saran Dalam pembuatan Sistem Kendali Robot Manual AV-COM masih adanaya kekurangan yang harus diperbaiki, diantaranya : a) Joystick yang harus disesuakan dengan kinerja dan PWM motor b) Software yang harus selalu diupgrade sesuai dengan ketahanan motor c) Penggunaan motor yang harus sesuai dengan torsi dan berat beban yang akan diangkat.
Daftar Pustaka Budiarto. Widodo, S.Si, M.Kom, 2004 “interfacing Komputer dan Mikrokontoler” , Penerbit Elex Media Komputindo H.M.Jogiyanto, 1994 “Teori dan Aplikasi Program Komputer Bahasa BASIC untuk IBM dan Kompetibelnya” Iswanto, 2008 “Desain dan Implementasi Desain Embeded Mikrokontroler ATMega8535 dengan Bahasa Basic”, Penerbit Gava Media, Yogyakarta Abidin. Zaenal, 2007 “Pemodelan Elemen Mesin 3 Dimensi Menggunakan AutoCAD”, Penerbit Informatika, Bandung Sastra, Suparno, 2009 “EXCELLENCE with AutoCAD 2009”, Penerbit Elexmedia Komputindo, Jakarta
