C. Train Gear
3.6.4 Rangkaian Signal Conditioning menggunakan OPAmp
Sensor analog dalam aplikasi hampir selalu berhadapan dengan gangguan-gangguan klasik seperti noise, interferensi dengan sinyal electromagnet, dan sebagainya. Selain itu sensor memiliki impedansi dan jangkauan tegangan output yang tidak selalu kompatibel dengan perangkat data acquisition yang digunakan. Sebagai contoh, sensor temperature linier menggunakan NTC, PTC ataupun IC LM35 perlu dirangkai dengan rangkaian penguat agar output mempunyai jangkauan ±5V atau ±12V. Output accelerometer ADXL105 juga juga perlu dikuatkan agar output maksimalnya (sesuai dengan kondisi operasi/tugas robot) setara tegangan maksimal input ADC (atau lebih kecil sedikit). Untuk itu diperlukan perlakuan penyelarasan sinyal antara sensor dengan system kontroler yang biasa disebut sebagai signal conditioning (pengkodisian sinyal).
Pada dasarnya rangkaian signal conditioning dapat dibangun dari komponen IC operational amplifier (OpAmp) umum seperti LM741, LM324, dsb. Rangkaian dapat berupa amplifier (penguat), attenuator (pelemah), filter, pembatas (limiter), clamper (pemotong puncak sinyal), dan lain-lain. Berikut ini diberikan dasar-dasar rangkaian OpAmp yang biasa dipakai sebagai rangkaian signal conditioning, yaitu inverting dan non-inverting amplifier, low-pass filter dan high-pass filter.
Inverting Amplifier
Rangkaian inverting amplifier mempunyai bentuk standar sebagai berikut.
Gambar 3.50 Rangkaian inverting amplifier Non-inverting Amplifier
Jika diperlukan penguatan tanpa perlu membalik fasa sinyal dapat digunakan rangkaian non-inverting amplifier yang dibentuk dari susunan dua rangkaian inverting amplifier secara seri seperti gambar berikut.
Gambar 3.51 Rangkaian non-inverting amplifier dari 2 buah inverting amplifier Low-pass Filter
Rangkaian low-pass filter berguna untuk menyaring sinyal berfrekuensi rendah yang diinginkan dengan menahan sinyal berfrekuensi tinggi yang tidak dikehendaki. Untuk pembacaan sensor posisi menggunakan potensiometer, rangkaian low-pass filter ini diperlukan agar noise yang menyertai, misalnya dari hasil gesekan mekanis antara permukaan sentuh resistor dengan konektor porosnya, dapat ditekan sekecil mungkin. Perlu digarisbawahi di sini bahwa penentuan batas frekuensi yang akan diredam tidak boleh mengganggu sinyal asli yang dideteksi. Misalnya pada gerakan dengan kecepatan dan percepatan yang relative tinggi, informasi perubahan posisi dapat memiliki respon perubahan yang tinggi pula sehingga vibrasi gerakan yang mungkin terjadi dapat menyebabkan hasil bacaan sinyal “mirip” seperti noise.
Gambar 3.52 Rangkaian low-pass filter 1-pole
Contoh berikut adalah rangkaian low-pass filter 2-pole yang mempunyai frekuensi cut-off 30Hz, menggunakan metoda Bessel.
Gambar 3.53 Rangkaian low-pass filter 2-pole Bessel High-pass Filter
Kebalikan dengan low-pass filter, high-pass filter bekerja menyaring frekuensi tinggi yang diinginkan dengan menahan frekuensi rendah yang tidak
dikehendaki. Contoh rangkaian berikut adalah sebuah high-pass filter menggunakan OpAmp LM324.
Gambar 3.54 Rangkaian high-pass filter 1-pole
Untuk high-pass filter 2 pole dapat menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 3.55 berikut ini.
Rangkaian f/V converter
Rangkaian pengkonversi frekuensi ke tegangan (frekuensi to voltage, f/V) diperlukan jika output sensor kecepatan motor DC servo yang biasanya berbentuk pulsa akan diumpankan ke ADC. Keuntungan dengan mengkonversi ke tegangan analog terlebih dahulu ialah dapat membuat algorithma program pembacaan sensor kecepatan lebih mudah. Gambar berikut adalah sebuah contoh f/V converter yang dibangun dari sebuah IC LM2907 buatan National.
Gambar 3.56 Rangkaian f/V converter menggunakan IC LM2907 3.5.5Sensor Kamera
Penggunaan kamera (digital) dalam dunia robotika dikenal sebagai robotics vision. Seperti halnya mata pada manusia, kamera dapat didisain sebagai mata pada robot. Dengan mata, robot dapat lebih leluasa “melihat” lingkungannya sebagaimana manusia. Dalam dua dasawarsa terakhir ini teknologi robotics vision berkembang sangat pesat. Kemajuan ini dicapai berkat perkembangan teknologi chip IC yang makin kompak dan cepat, dan kemajuan dibidang computer (sebagai pengolah), baik perangkat keras maupun perangkat lunak. Teknologi optiknya pada dasarnya masih tetap
menggunakan teknik yang telah berkembang sejak lebih dari 100 tahun yang lalu, yaitu penggunaan konfigurasi lensa cembung dan cekung.
Kemampuan kamera digital biasanya diukur dari resolusi tangkapan gambarnya dalam pixel/inch atau pixel/cm. makin besar resolusinya maka makin akurat tangkapan gambarnya. Kamera digital komersial dewasa ini telah mampu menghasilkan gambar beresolusi hingga 5 Mega pixels lebih. Untuk kegunaan foto grafi resolusi ini sangat penting. Namun untuk aplikasi control dalam robotics vision, resolusi yang makin besar justru membuat kecepatan akses kontroler menjadi menurun. Makin tinggi resolusinya akan makin besar data gambar (citra) yang harus diidentifikasi dan diolah oleh kontroler, sehingga program akan bekerja lebih lama. Hal ini dikenal sebagai masalah yang kontradiktif, antara dunia pengolahan citra (image) hasil tangkapan kamera, dengan aplikasi riil untuk control loop tertutup seperti pada robotika ini.
Gambar 3.57 Kamera mikro
Dalam Gambar 3.57 tampak 2 macam kamera mikro. Yang kiri adalah modul kamera digital, sedangkan yang kanan adalah kamera analog warna (RGB) yang dilengkapi dengan pemancar mini 900MHz. Kamera digital yang dirancang untuk proyek robot EyeBot (Braunl, 2003) ini ada 2 macam, yaitu tipe B/W (black & white) dan color (RGB). Kamera tipe B/W meskipun
kontras (dengan bantuan threshold skala abu-abu) sehingga sangat potensial penggunaannya dalam aplikasi-aplikasi navigasi dasar mobile robot. Konfigurasi pin kamera digital EyeCam ini adalah sebagai berikut.
Gambar 3.58 Contoh aplikasi sensor kamera Tabel 3.5 Deskripsi pin EyeCam
Kamera ini didisain khusus untuk modul kontroler EyeBot. Namun demikian dapat juga dihubungkan ke berbagai kontroler yang menggunakan bus standart. Gambar 3.58 memperlihatkan sebuah aplikasi sensor kamera pada robo-soccer (robot bermain bola).
3.7Aktuator
Aktuator merupakan pemacu gerak yang menghasilkan suatu gerakan pada robot. Contohnya terletak pada sendi robot lengan, pada roda robot untuk robot beroda dll.
Aktuator memiliki beberapa fungsi
Penghasil gerakan
Gerakan rotasi (motor based) dan translasi (solenoid, hidrolik & pneumatik)
Mayoritas aktuator > (DC) motor based
aktuator dalam simulasi cenderungdibuat linier
aktuator riil cenderung non-linier.
Berikut macam-macam aktuator tersebut : o AC motor
Voltase
Terpolarisasi
Biasanya tegangan yang digunakan dari 120-240V AC,
Semakin tinggi tegangan semakin besar kekuatan torsi,
Jarang digunakan pada mobile robot.
Arus AC (Alternating Current) yang digunakan.
Kecepatan
Gearing motor memungkinkan motor bergerak cepat, namun memiliki kecepatan lebih lambat dengan output torsi yang lebih tinggi
Ingat bahwa torsi menentukan percepatan
Mendukung kecepatan torsi tinggi. Efisiensi
Lebih efisien dari motor DC
paling efisien
Gunakan gearing (memilih untuk membeli motor dengan built-in gearing atau kepala gigi)
Metode Kontrol
Memodifikasi frekuensi AC dapat mengubah kecepatan dan torsi
Perangkat yang jumlah rotasi roda atau motorshaft untuk menentukan kecepatan untuk kontrol umpan balik
Tachometer–suatu perangkat yang berfungsi untuk mengontrol keluaran torsi.
Gambar 3.59 Penggerak motor AC
Sirkuit ini akan memungkinkan untuk mengatur kecepatan motor AC. Penyearah jembatan ini menghasilkan tegangan DC dari garis 120VAC. Bagian ini melewati resistor 10Kohm.Rangkaian ini terdiri dari resistor 10k, dua
resistor 100 ohm dan kapasitor 50uf. Dioda D1 melindungi sirkuit dari tegangan balik (feedback). Penyearah jembatan dan SCR harus 25 amp dan PIV 600 volt. Dioda D1 harus bernilai 2 amp dengan PIV 600 volt. Sirkuit yang dapat menahan beban hingga 10 amp.
Gambar 3.60 Motor AC o DC Motor
Voltase
Motor DC adalah motor yang non-terpolarisasi - yang berarti bahwa tegangan dapat di balikkan maka putarannyapun akan berubah. Tegangan yang digunakan untuk memutar motor DC sekitar 6V-24V atau lebih. Motor DC Yang digunakan pada robot sekitar motor DC 6V-12V. Jadi, mengapa motor beroperasi pada tegangan yang berbeda? Seperti yang kita semua tahu (atau seharusnya tahu), tegangan secara langsung berkaitan dengan torsi dari sebuah motor. Lebih besar tegangan, maka lebih besar torsi yang dihasilkan. Tetapi dalam pemberian tegangan tidak boleh melebihi dari tegangan yang di butuhkan.
Misalkan pemberikan tegangan hingga 100V, itu menyebabkan motor tidak akan lagi berputar(rusak). Hal itu menyebabkan motor menjadi terlalu panas dan kumparan akan meleleh.Meskipun motor 24V mungkin lebih kuat, apakah benar-robot harus membawa baterai 24V (yang lebih berat dan lebih besar,kecuali jika benar-benar membutuhkan sebuah torsi pada motor.
Gambar 3.61 Motor DC
Metode Kontrol : Yang paling penting dari teknik kontrol motor DC adalah H-Bridge . Fungsi H-bridge mengendalikan motor DC. Sedangkan untuk menentukan kecepatan roda yaitu dengan menggunakan encoder.
L298 H-bridge
Driver L298 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.
Gambar 3.62 IC L298
Gambar 3.63 Rangkaian Driver Motor DC o Motor Servo
Motor servo adalah motor yang mampu bekerja 2 arah (searah jarum jam atau berlawanan jarum jam) dimana arah pergerakan
motornya dapat dikendalikan hanya dengan memberikan pengaturan pulsa pada bagian pin kontrolnya.
Gambar 3.64 Motor Servo
Motor servo sering kali digunakan sebagai alat penggerak dalam aplikasi robotika, karena di dalam motor servo telah terpasang roda gigi sehingga memiliki torsi relatif cukup kuat walaupun kecepatan motornya lambat.
Spesifikasi dari motor servo sebagai berikut: - Catu daya : 6 VDC (maksimum).
- Waktu putar : 1,5 detik / 180 derajat (rata-rata). - Berat fisik : 45 gram.
- Torsi putar : 3,40 kg-cm.
Prinsip dasar :
Untuk membuat motor servo searah jarum jam atau berlawanan jarum jam maka harus dengan memberikan lebar pulsa 1 ms atau 2 ms yang diulang-ulang. Pulsa diatas terdiri dari dua bagian, yaitu bagian yang “tinggi/high” selebar 1 ms atau 2 ms dan bagian yang “rendah/low” selebar 20 ms .
o Stepper Motor
Motor stepper bekerja di bawah prinsip yang sangat mirip dengan motor DC, yang membedakan mereka memiliki banyak gulungan bukan hanya satu. Jadi untuk mengoperasikan motor stepper, harus mengaktifkan setiap kumparan yang berbeda dalam pola tertentu untuk menghasilkan putaran motor. Perintah yang dikirimkan berupa logika 1 dan 0, dan harus berdenyut dalam urutan tertentu dan kombinasi. Steppers dapat berputar perderajat tergantung perinta yang ditentukan.dibutuhkan 36 perintah untuk dapat motor stepper berputar 360 derajat.
Gambar 3.65 Motor Servo o Brushless Motor
Apa yang dimaksud dengan motor brushless? Bagaimana berbeda dari motor lain? Brushless motor listrik lebih efisien, dan listrik secara signifikan mengurangi kebisingan. Tapi juga
memiliki beberapa kelemahan, seperti harga yang lebih tinggi dan kebutuhan untuk driver motor brushless yang khusus.
Gambar 3.66 Brushless Motor Metode Kontrol :
Brushless harus menggunakan Spesial controller karena bekerja melalui induksi
Ada berbagai jenis motor DC brushless. dapat memiliki 2-4 tiang untuk dapat beroperasi operasi
Menggunakan Perangkat tambahan untuk menentukan kecepatan.
o Aktuator Hidrolik
Tahun 1653, ilmuwan Blaise Pascal menyatakan teori : apabila tekanan eksternal dikenakan ke sejumlah fluida (bisa gas ataupun cairan), maka tekanan tersebut akan dipindahkan seluruhnya ke semua bagian dari fluida tersebut.
Gambar 3.67 Fluida
Contoh Aktuator Hidrolik : Praktis
Piston berpegas
Gambar 3.69 Piston berpegas hidrolik Kelebihan Pneumatik :
1. Lebih murah.
2. Dalam hidrolik tidak boleh ada kebocoran sedikitpun karena mengakibatkan tumpahnya cairan, sedangkan pada pneumatik kebocoran kecil masih dapat diterima.
3. Memiliki respon yang lebih cepat dibandingkan hidrolik. Silinder Double acting
Katup transfer hidrolik : merupakan metode pengendalian yang sangat teliti yang diterapkan pada silinder double acting dengan menggunakan katup transfer hidrolik.
o Aktuator Pneumatik :
jika hdrolik menggunakan fluida dalam bentuk cairan, pneumatik menggunakan udara yang ternya memiliki kaidah yang sama dalam hubungannya dengan gaya dan luas area. Perbedaannya adalah bahwa udara yang ditekan atau dimampatkan, volumenya akan berubah. Maka, untuk membangkitkan tekanan yang dibutuhkan dalam pengoperasian piston, pompa harus melakukan pekerjaan tambahan yaitu memampatkan udara.
Gambar 3.71 Aktuator Pneumatik
3.7.1 PWM (Pulse Width Modulation)
PWM pada dasarnya adalah menyalakan (ON) dan mematikan (OFF) motor DC dengan cepat. Kuncinya adalah mengatur berapa lama waktu ON dan OFF
Gambar 3.72 sinyal PWM
Rasio waktu ON terhadap waktu total (waktu total = ON + OFF) dinyatakan dalam persen (%).
1. PWM Analog
Mengambil prinsip kerja dari sebuah joystick yang merubah sinyal analog menjadi sebuah pwm. Berikut gambaran joystick.
Gambar 3.73 PWM Analog Pada joystick Posisi diubah menjadi tegangan oleh potensiometer
Besar tegangan potensiometer di-absolutkan untuk menggerakkan PWM (kecepatan motor)
Tanda tegangan potensiometer (+/-) digunakan untuk menentukan arah putar motor.
LATIHAN
1. Jelaskan prinsip dasar perancangan robot serta berikan penjelasan fungsi dari bagian-bagiannya!
2. Jelaskan perbedaan antara sistem kontrol secara parallel dan serial! Sebutkan kelebihan dan kekurangannya!
3. Apa yang dimaksud dengan sistem mekanik robot? Jelaskan bagian-bagian sistem mekanik robot!
4. Dalam sistem transmisi dikenal dua klasifikasi yaitu transmisi daya dengan gesekan dan transmisi dengan gerigi, jelaskan perbedaannya dan berikan contohnya masing-masing!
5. Jelaskan perbedaan antara sensor analog dengan sensor digital! Berikan contohnya masing-masing 3 buah!
6. Apa yang dimaksud dengan aktuator? Jelaskan fungsi aktuator dan berikan contoh-contoh aktuator!
7. Apa yang dimaksud dengan PWM? Jelaskan cara kerja PWM dan contohnya!
8. Jelaskan perbedaan antara motor DC motor servo dan motor stepper! 9. Jelaskan perbedaan antara aktuator hidrolik dan pneumatik!
10. Apa yang dimaksud dengan “signal conditioning”? berikan contoh-contoh rangkaian “signal conditioning” dan jelaskan cara kerjanya!
REFERENSI
http://en.wikibooks.org/wiki/Robotics/Design_Basics/Building_Materials http://www.societyofrobots.com/microcontroller_tutorial.shtml http://wapedia.mobi/id/Mikrokontroler http://prime.jsc.nasa.gov/ROV/systems.html http://en.wikipedia.org/wiki/Suspension_(vehicle) http://www.societyofrobots.com/mechanics_statics.shtmlHewit, J. R danMarouf, K. B. (1996).Practical Control Enhancement via Mechatronics Design.IEEE Trans. Industrial Electronics.43(1). 16-22
Hewit, J.R. and Burdess (1981).Fast Dynamic Decoupled Control for Robotics Using Active Force Control.Trans. Mechanism and Machine Theory.16(5).535-542. Hewit, J.R. danBurdess, J.S. (1986).An Active Method for the Control of Mechanical System in The Presence of Unmeasurable Forcing.Trans. Mechanism and Machine Theory.21(3).393-400.
Kwek, L. C., Wong, E. K., Loo, C.K. danRao, M.V.V. (2003).Application of Active Control and Iterative Learning in a 5-Link Biped Robot.Jurnal of Intelligent and Robotic Systems, 37, 143-162.
Microchip. (2001). PIC16F87X Data Sheet, 28/40-pin 8 bit CMOS Flash Microcontrollers. Data Sheet. Microchip Technology, Inc.
Ogata, K. (2002). Modern Control Engineering: Fourth Edition. BukuTeks. New Jersey: Prentice Hall-Pearson Education International.
Pitowarno, E. dan Musa Mailah. (2005). Motion Resolved Acceleration and
on Robotics, Vision, Informations and signal Processing (ROVISP 2005), Penang, Malaysia.
Pitowarno, E., Musa MailahdanHishamuddinJamaluddin. (2001). Trajectory Error Pattern Refinement of A Robot Control Scheme Using A Knowledge-Based
Method.Proc. IEEE Int’1 Conf. on Information, Communications & Signal Processing (ICICS 2001), Singapore, P0301.
Pitowarno, E Musa MailahdanHishamuddinJamaluddin.(2005). Motion Control for Mobile Manipulator Using Resolved Acceleration and Iterative-Learning Active Force Control.Proc. Int’1 Conf. on Mechatronics (ICOM 2005) Kuala Lumpur, p542-549. Uchiyama, M. (1989).Contrrol of Robot Arms.Trans. Japan Society of Mechanical Engineers. III. 32(1). 1-9.
R. Supriyanto, Hustinawati, Ary Bima K, Rigathi. W. N,