BAB III : PERANCANGAN PENELITIAN
3.3. Perancangan Perangkat Keras (Hardware)
Ada beberapa komponen dalam perancangan subsistem perangkat keras (hardware) lengan robot pemindah benda berdasarkan bentuk dan posisi, yaitu :
a) Wiring motor servo pada minimum system ATmega32 b) Motor servo
3.3.1. Wiring Motor Servo Pada Minimum Sistem ATmega32
Minimum sistem merupakan sebuah rangkaian dari mikrokontroler agar IC mikrokontroler dapat beroperasi dan di program. Rangkaian minimum sistem berfungsi sebagai I/O untuk mengontrol sudut putar motor servo yang telah diprogram sebelumnya dalam mikrokontroler Atmega32 pada lengan robot serta sebagai pengolah data serial yang dikirimkan dari laptop melalui USB to TTL converter. Wiring motor servo pada minimum sistem Atmega32 ditunjukan oleh gambar 3.11.
Gambar 3.11. Wiring motor servo pada minimum sistem Atmega32
Motor servo memiliki 3 jalur kabel, yaitu vcc (kabel merah), ground (kabel hitam) dan jalur data (kabel kuning). Perancangan Wiring motor servo pada minimum sistem Atmega32, jalur data dihubungkan pada port B 3, port D 4, port D 5 dan port D 7. Keempat port tersebut merupakan port OCR (timer) yang digunakan untuk menggerakan servo.
USB to TTL dihubungkan pada port D0 dan port D1. port tersebut merupakan port TX dan RX yang digunakan untuk komunikasi serial antara mikrokontroler dengan perangkat eksternal.
Selain itu juga terdapat lampu led yang difungsikan sebagai indikator bahwa karakter yang dikirim oleh matlab telah diterima dengan baik oleh mikrokontroler, sehingga
mikrokontroler dapat mengolah data dari matlab untuk menggerakan motor servo dalam mengambil dan meletakan benda.
3.3.2. Perhitungan Torsi Motor Servo
Motor servo membutuhkan torsi maksimal ketika arah gaya tegak lurus dengan lengan robot (saat θ = 900). Analisis perhitungan torsi maksimal yang dibutuhkan motor servo dua, servo tiga, servo empat dan servo satu pada lengan robot ditunjukan oleh gambar 3.12, 3.13, 3.14 dan 3.15. Perhitungan torsi motor servo menggunakan rumus pada persamaan 2.7.
Gambar 3.12. Analisis torsi motor servo 2 Keterangan :
(r1 = 14 cm, r2 = 28 cm, r3 = 38 cm, r4 =14 cm, r5 = 24 cm, r6 = 10 cm)) m1 = 91 gram (lengan bawah + servo 3)
m2 = 145 gram (m1 + lengan atas + servo 4) m3 = 176 gram (m2 + gripper + objek) m4 = 54 gram (lengan atas + servo 4) m5 = 85 gram (m4 + gripper + objek) m6 = 54 gram (gripper + objek) g = 9,8 m/s2
Berdasarkan gambar 3.12, perhitungan torsi motor servo dua merupakan penjumlahan dari tiga torsi yang bekerja pada lengan robot sebagai berikut :
𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 2= (𝐹1𝑟1𝑆𝑖𝑛900) + (𝐹2𝑟2𝑆𝑖𝑛900) + (𝐹3𝑟3𝑆𝑖𝑛900) 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 2= (𝑚1𝑔𝑟1𝑆𝑖𝑛900) + (𝑚2𝑔𝑟2𝑆𝑖𝑛900) + (𝑚3𝑔𝑟3𝑆𝑖𝑛900) 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 2 = (0,091 𝑥 9,8 𝑥 0,14 𝑥 1) + (0,145 𝑥 9,8 𝑥 0,28 𝑥 1) + (0,176 𝑥 9,8 𝑥 0,38 𝑥 1) 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 2 = 0,125 + 0,398 + 0,655 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 2 = 1,178 𝑁. 𝑚 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 2 = 12,02 kg. cm
Gambar 3.13. Analisis torsi motor servo 3
Berdasarkan gambar 3.13, perhitungan torsi motor servo tiga merupakan penjumlahan dua torsi yang bekerja pada lengan robot sebagai berikut :
𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 3 = (𝐹4𝑟4𝑆𝑖𝑛900) + (𝐹5𝑟5𝑆𝑖𝑛900) 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 3 = (𝑚4𝑔𝑟4𝑆𝑖𝑛900) + (𝑚5𝑔𝑟5𝑆𝑖𝑛900)
𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 3 = (0,054 𝑥 9,8 𝑥 0,14 𝑥 1) + (0,085 𝑥 9,8 𝑥 0,24 𝑥 1) 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 3 = (0,074 + 0,200)
𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 3 = 0,274 𝑁. 𝑚 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 3 = 2,79 kg. cm
Gambar 3.14. Analisis torsi motor servo 4
Berdasarkan gambar 3.14, perhitungan torsi motor servo empat sebagai berikut : 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 4 = 𝐹6𝑟6𝑆𝑖𝑛900
𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 4 = 𝑚6𝑔𝑟6𝑆𝑖𝑛900 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 4 = 0,031 𝑥 9,8 𝑥 0,10 𝑥 1
𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 4 = 0,030 N. m 𝜏𝑠𝑒𝑟𝑣𝑜 4 = 0,306 𝑘𝑔. 𝑐𝑚
Gambar 3.15. Analisis torsi servo 1
Servo satu bergerak rotasi (horizontal) untuk mengarahkan lengan robot dalam mengambil dan meletakan objek. Untuk dapat bergerak, servo satu membutuhkan torsi. Torsi yang dibutuhkan untuk menggerakkan servo dari posisi diam hingga bergerak dapat dicari besar nilainya. Gambar 3.15 menunjukan Sebelum menghitung torsi motor servo satu, terlebih dahulu dilakukan perhitungan untuk mencari kecepatan sudut rotasi servo menggunakan persamaan 2.11 sebagai berikut :
𝜔1 = 2𝜋 𝑇 𝜔1 = 2𝜋
1,26 𝜔1= 4,987 𝑟𝑎𝑑/𝑠
Dari hasil perhitungan kecepatan sudut servo satu ketika sudah bergerak, maka torsi dapat dihitung menggunakan persamaan 2.8, 2,9 dan 2,10 sebagai berikut :
∑ τ = (𝑚𝑟2) 𝑥 (𝜔1− 𝜔0 𝑡1− 𝑡0 ) ∑ τ = (0,274 𝑥 (0,38)2) 𝑥 (4,987 − 0 1 − 0 ) ∑ τ = (0,0396) 𝑥 (4,987 1 )
∑ τ = 0,1973 𝑁. 𝑚
∑ τ = 2,012 𝑘𝑔. 𝑐𝑚 Keterangan :
m = 274 gram (massa lengan robot) r = 38 cm (panjang lengan robot) 𝜔0 = 0 (keadaan diam)
𝜔1 = 4,987 rad/s (keadaan bergerak) 𝑡0 = 0 (keadaan diam)
𝑡1 = 1 sekon (keadaan bergerak)
T = 1,26 sekon (waktu yang dibutuhkan servo untuk berotasi (3600))
Berdasarkan hasil perhitungan torsi, motor servo dua, servo tiga dan servo empat membutuhkan servo yang memiliki torsi lebih besar dari 2,012 kg.cm (servo 1), 12,02 kg.cm (servo 2), 2,79 kg.cm (servo 3) dan 0,306 kg.cm (servo 4) agar lengan robot dapat begerak.
3.3.3. Motor Servo
Motor servo merupakan aktuator yang digunakan untuk menggerakan lengan robot. Motor servo yang digunakan yaitu JX PDI-6225-300 untuk servo 1, servo 2 dan servo 3 sebanyak 3 buah dan Towerpro SG90 untuk servo 4 sebanyak 1 buah. Spesifikasi motor servo dapat dilihat di lampiran.
Alasan menggunakan motor servo JX PDI-6225-300 yaitu karena memiliki torsi yang cukup kuat yaitu sebesar 25,3 kg.cm dengan tegangan input 6 V, serta harganya yang tidak terlalu mahal dan masih terjangkau, sedangkan servo Towerpro SG90 digunakan pada bagian gripper. Bagian gripper tidak membutukan servo dengan torsi yang besar yaitu berdasarkan hasil perhitungan hanya sebesar 0,309 kg-cm sehingga dapat digunakan untuk menggerakan gripper dalam mencengkram objek.
Motor servo memiliki 3 buah jalur kabel yaitu vcc, ground dan jalur data. Kabel berwarna merah merupakan vcc, kabel berwarna hitam atau coklat merupakan ground dan kabel berwarna kuning merupakan jalur data. Jalur data terhubung dengan port pada mikrokontroler Atmega32 sebagai jalur pengiriman pulsa PWM yang digunakan untuk
mengatur sudut putar motor servo. Gambar 3.16 dan 3.17 merupakan motor servo yang digunakan pada penelitian ini.
Gambar 3.16. Motor servo towerpro SG90 [32]
Gambar 3.17. Motor servo JX PDI-6225-300 [33]
Pulsa PWM dibangkitkan menggunakan timer. Timer berfungsi sebagai
counter/pengitung. Timer selalu menyimpan hitunganya saat menghitung “1, 2, 3, … , 225”
(8bit).
Pada perancangan motor servo, timer diset agar menghitung sampai 225. Jika sudah mencapai 225, maka timer akan overflow dan memberikan sinyal, disaat inilah PWM bekerja dan menginstruksikan timer untuk menghitung lagi dari 0. Perbandingan nilai lebar pulsa terhadap nilai overflow motor servo selama T=20 ms adalah nilai OCR, yang merupakan cacahan pulsa selama 1 ms sampai 2 ms. Berikut perhitungan overflow sebagai interrupt sebagai pembangkit PWM.
Frekuensi crystal yang digunakan yaitu 11,059200 MHz, dengan menggunakan rumus pada persamaan 2.15, didapatkan periode dari frekuensi osilator yaitu 0,090422 x 10-6 s.
Dengan menggunakan timer 0/8bit dan nilai prescaler 1 sebagai pengatur kecepatan
clock maka timer overflow dapat dicari menggunakan persamaan 2.16 sehingga didapatkan
nilai timer overflow yaitu 23,148 x 10-6 s. Sehingga pemberian nilai untuk membuat interrupt dapat mencacah selama 20 ms yaitu (20 ms / 23,148 x 10-6 s) = 864.
Untuk mencari lebar pulsa dan nilai OCR menggunakan persamaan 2.17 dan 2.18. Nilai OCR digunakan untuk menentukan sudut putar motor servo. Tabel 3.5 merupakan contoh perhitungan dalam menentukan lebar pulsa dan nilai OCR terhadap sudut putar motor servo pada umumnya.
Tabel 3.4. Perhitungan Nilai OCR
Sudut Lebar Pulsa OCR
0° 1 ms 43 30° 1,16 ms 50 45° 1,25 ms 54 90° 1,5 ms 64 180° 2 ms 86
3.3.4. Webcam Dan Area Peletakan Benda
Webcam yang digunakan adalah webcam logitech seri C170. Webcam digunakan sebagai sensor kamera yang berfungsi untuk meng-capture atau memindai citra analog sehingga diperoleh citra digital. Citra digital hasil capturing webcam akan diproses oleh software matlab untuk mengidentifikasi bentuk dan posisi objek. Webcam diletakan diatas
area peletakan benda. Jarak webcam dengan area peletakan benda disesuikan dengan luas area peletakan benda.
Area peletakan benda memiliki ukuran panjang 28 cm, lebar 21 cm dan berwarna
hitam. Ukuran area tersebut memiliki skala ukuran yang sama dengan ukuran citra yang di
capture oleh webcam yaitu 320 x 240 pixel. Area tersebut dibagi menjadi 12 area posisi
peletakan benda. Masing-masing area berukuran 7 cm x 7 cm. Objek diletakan di tengah
area tersebut dengan posisi dan orientasi yang acak.
Area peletakan benda memiliki nomor posisi 1 sampai dengan 12. Penomoran area
bertujuan untuk mengurutkan pengambilan benda oleh lengan robot. Lengan robot akan mengambil benda secara berurutan, dimulai dari nomor area yang terkecil hingga yang terbesar. Penomoran posisi tidak dituliskan pada area peletakan benda, tetapi dituliskan pada
program di matlab. Visualisasi area peletakan benda ditunjukan oleh gambar 3.18 dan gambar 3.19.
Gambar 3.18. Visualisasi nomor posisi area peletakan benda