BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Robotika
2.1.1 Sejarah Robot
Istilah robot berasal dari Czech, robota, yang berarti bekerja. Istilah ini diperkenalkan pertama kali oleh Karel Capek pada tahun 1921 [4]. Robot adalah peralatan eletro-mekanik atau bio-eletro-mekanik, atau gabungan peralatan yang menghasilkan gerakan yang otonomi maupun gerakan berdasarkan gerakan yang diperintahkan [6].
Robot sudah ada sejak zaman yunani kuno sekitar 270 SM, Ctesibus, membuat organ dan jam air dengan komponen yang dapat dipindahkan. Pada zaman Nabi Muhammad SAW telah dibuat mesin perang beroda dan dapat melontarkan bom. Bahkan Al-Jajari (1136-1206), ilmuwan dari dinasti Artuqid, dianggap sebagai pencipta robot humanoid pertama. Pada tahun 1770, Pierre Jacquet Droz, membuat boneka yang dapat menulis, memainkan musik, dan menggambar. Pada tahun 1898 Nikola Tesla membuat boat yang dikontrol melalui radio kontrol. Kejayaan robot dimulai pada tahun 1970 ketika profesor Victor Scheinman dari Universitas Stanford mendesain lengan standar. Pada tahun 2000, Honda meluncurkan ASIMO dan disusul oleh Sony dengan robot anjing AIBO [4].
2.1.2 Karakteristik Robot
Sebuah robot umumnya memiliki karakteristik sebagai berikut [4]:
1. Sensing : Robot dapat mendeteksi lingkungan sekitarnya (halangan, panas, suara, dan image).
2. Mampu Bergerak : Robot umumnya bergerak dengan menggunakan kaki atau roda, dan pada beberapa kasus robot dapat terbang dan berenang.
3. Cerdas : Robot memiliki kecerdasan buatan agar dapat memutuskan aksi yang tepat dan akurat.
4. Membutuhkan Energi yang Memadai : Robot membutuhkan catu daya yang memadai.
2.1.3 Tipe Robot
Robot didesain dan dibuat sesuai kebutuhan pengguna. Robot, hingga saat ini, secara umum dibagi menjadi beberapa tipe sebagai berikut [4]:
1. Robot manipulator
2. Robot mobil (mobile robot) a. Robot daratan (ground robot)
1) Robot beroda 2) Robot berkaki
b. Robot air (submarine robot) c. Robot terbang (aerial robot)
Robot manipulator biasanya dicirikan dengan memiliki lengan (arm robot). Robot ini biasanya diterapkan pada dunia industri, seperti pada industri otomotif, elektronik dan komputer. Sedangkan robot mobil mengarah ke robot yang bergerak, meskipun nantinya robot ini juga memiliki manipulator.
2.1.4 Robot Bawah Air (Underwater Robot)
Robot bawah air adalah salah satu tipe robot mobile yang aplikasinya ditujukan untuk melakukan kegiatan di bawah air [11]. Secara umum robot bawah air di kelompokkan atas dua jenis yaitu AUV (Autonomous Underwater Vehicle ) dan ROV (Remotely Operated Vehicle ). AUV adalah jenis robot bawah air yang bersifat autonomous,
robot dapat bergerak dan melakukan kegiatan sendiri, berdasarkan program yang telah ditanamkan di dalam chip-nya. Hal ini ditunjang dengan dukungan dari sensor-sensor yang disertakan pada robot tersebut. Sedangkan ROV adalah robot bawah air yang dikendalikan oleh operator dalam pengoperasiannya, dan didukung oleh perangkat kendali (remote kontrol) dalam pengoperasiannya. Contoh Robot penyelam termasuk dalam jenis robot atau kendaraan bawah air yang tergolong ROV. Robot penyelam adalah robot yang mampu bergerak di dalam air. Gerakan yang dapat dilakukan adalah naik dan turun/menyelam. Gerakan ke atas timbul akibat adanya gaya dorong dari putaran propeller, sedangkan untuk gerak menyelam disebabkan oleh berat beban dari robot (saat kondisi motor off).
2.2 ROV (Remotely Operated Vehicle)
ROV (Remotely Operated Vehicle) menurut Marine Technology Society ROV Committee’s dalam “Operational Guidelines for ROVs” (1984) dan The National Research Council Committee’s dalam “Undersea Vehicles and National Needs”
(1996) pada dasarnya sebuah robot bawah laut yang dikendalikan oleh operator ROV, untuk tetap dalam kondisi yang aman, pada saat ROV bekerja di lingkungan yang berbahaya [11].
ROV secara luas dikenal sebagai nama umum bagi kapal selam mini yang kerap digunakan pada industri minyak dan gas lepas pantai. Kapal selam ini tak berawak, tapi dioperasikan dari kapal lain. Sistem ROV terdiri atas vehicle (atau sering disebut ROV itu sendiri), yang terhubung oleh kabel umbilical ke ruangan kontrol dan operator di atas permukaan air (kapal, rig atau barge). Melalui kabel
disampaikan dari perangkat kontrol ke ROV, secara dua arah. ROV dilengkapi dengan peralatan atau sensor tertentu seperti kamera video, transponder, kompas, odometer,
bathy (data kedalaman) dan lain-lain tergantung dari keperluan dan tujuan surveinya.
Kebanyakkan ROV dilengkapi dengan kamera video dan lampu yang digunakan untuk melakukan pengamatan. Kemampuannya bisa ditingkatkan dengan menambahkan sonar, magnetometer, kamera foto, manipulator atau lengan robotik, pengambil sampel air, dan alat pengukur kejernihan air, penetrasi cahaya, serta temperatur. Kabel-kabel ROV dilapisi dengan tabung penuh minyak agar terhindar dari korosi air laut. Alat pendorong dipasang di tiga lokasi agar menghasilkan kontrol penuh terhadap alat itu. Adapun kamera, lampu, dan lengan manipulator berada di bagian depan atau belakang.
ROV terbagi atas berbagai tipe [11], tergantung dari kemampuan dan fungsi kerjanya. Small Electric Vehicle (ROV Kecil), berdimensi mini untuk kedalaman kurang dari 300m, biasanya untuk keperluan inspeksi dan pengamatan, digunakan untuk inspeksi perairan pantai, juga untuk ilmiah, SAR, waduk, dan saluran air. Work Class Vehicle, yang menggunakan listrik dan hidrolik sebagai sumber tenaganya. Sebagian besar tipe ini untuk mendukung pekerjaan pengeboran lepas pantai, yang digunakan untuk survei dan rektifikasi pipa gas bawah laut dan kelas inspeksi (inspection-class) dan yang kelas kerja atau (work-class). ROV kelas inspeksi ini kecil dan agak ringan, biasanya digunakan untuk survei dan pekerjaan tes karat (catodhic protection) konstruksi platform dan bangunan air lepas pantai.
Sistem ROV pada umumnya bekerja di atas wahana apung seperti kapal,
barge, atau rig. Bila sistem ROV dipasang diatas kapal, maka posisi ROV di bawah laut akan mengacu pada titik referensi di kapal. Untuk keperluan survei, kapal biasanya menggunakan DGPS (Differential Global Positioning System) sebagai penentuan posisi utamanya. Sedangkan untuk posisi di bawah laut, sistem ROV dilengkapi dengan alat penentuan posisi bawah laut menggunakan gelombang suara (Acoustic Underwater Positioning).
2.3 Mikrokontroler MCS-51
Mikrokontroler MCS-51 adalah keluarga mikrokontroler 8051 yang diperkenalkan pertama kali oleh Intel Corporation. Mikrokontroler MCS-51 standar adalah mikrokontroler 8 bit, di mana bus data internal dan register-register yang dimilikinya memiliki lebar data 8 bit.
Mikrokontoler MCS-51 memiliki fitur antara lain: 4×8 bit port I/O, RAM internal 128 bytes, memiliki 2 buah timer, sebuah port serial, kendali interupsi dengan 5 sumber interupsi, dapat mengalamati memori program sampai 64 Kbyte (KB) dan memori data sampai 64 KB, dan register-register khusus (SFR=Special Function Register) seperti akumulator (A), register B, stack pointer (SP), data pointer (DPTR), P0, P1, P2, P3 untuk mengakses port I/O, buffer data serial, register timer, register kendali untuk port serial, timer, dan interupsi [10].
Terdapat tiga bagian penting pada mikrokontroler MCS-51, yaitu memori program (flash memori), memori data, dan CPU (Central Processing Unit) yang bertugas membaca memori program dan menjalankan perintah yang tersimpan di dalamnya. CPU ini tersusun oleh sebuah unit aritmetika dan logika (ALU=Arithmethic Logic Unit) yang terhubung dengan SFR yaitu register A (ACC=
accumulator), register B, PSW (Program Status Word) dan stack pointer (SP). Dan 16 bit Program Counter (PC) serta Data Pointer (DPTR). Gambar 2.1, 2.2, dan 2.3 berikut, masing-masing menunjukkan peta memori, arsitektur, dan penampang dan konfigurasi pin mikrokontroler MCS-51.
EA=1 EA=0 1000 60 KB Ekstrenal Memori 4 KB Internal Memori 64 KB Eksternal Memori FFFF 0FFF 0000 FFFF 0000 (a) (b)
Gambar 2.2 Arsitektur Mikrokontroler MCS-51
Untuk dapat mengoperasikan mikrokontroler MCS-51, harus dibuat sistem minimum yang meliputi komponen antara lain: sumber tegangan (Vcc), Ground
(Gnd), Osilator, dan sistem reset. Dengan sistem minimum ini mikrokontroler MCS-51 sudah dapat diprogram dan dioperasikan. Gambar 2.4 menunjukkan sistem minimum mikrokontroler MCS-51.
Gambar 2.4 Sistem minimum mikrokontroler MCS-51
Untuk membuat program mikrokotroler MCS-51 digunakan editor dan
compiler untuk bahasa assembler A51 (bahasa assembler mikrokontroler MCS-51)[1][7]. Dalam pembahasan ini editor dan compiler yang digunakan adalah M-IDE Studio MCS-51. Setelah proses pembuatan dan kompilasi program selesai dilakukan akan diperoleh file intel hex (*.hex). File ini adalah file yang akan diprogramkan ke mikrokontroler MCS-51. Pemrograman mikrokontroler dilakukan dengan menggunakan perangkat ISP (In System Programmer) Flash Programmer melalui antarmuka port paralel komputer. Gambar 2.5 berikut menunjukkan gambar rangkaian untuk ISP Programmer[15].
Gambar 2.5 Rangkaian ISP Programmer
Tabel 2.1 Koneksi Pin Port Paralel dan MCS-51
Port paralel MCS-51
No pin Nama pin No pin Nama pin
6 D4 8 SCK 7 D5 6 MOSI 9 D8 9 Reset 10 S6 7 MISO 18-25 Ground 20 Ground Keterangan: 1. SCK : Serial Clock
2. MOSI : Master Out Slave In
2.4 Komunikasi Serial Asinkron RS232 pada Mikrokontroler MCS-51
Komunikasi serial adalah salah satu metod data yang dikirimkan melalui seuntai[2]. Hal ini berbeda dengan komunikasi parallel yang umumnya mengirim data per 8 bit (1 byte). Berdasarkan cara transmisi datanya komunikasi serial dibedakan atas dua cara transmisi yaitu komunikasi serial sinkron dan asinkron. Komunikasi serial secara sinkron adalah bentuk komunikasi serial yang memerlukan sinyal clock untuk sinkronisasi, sedangkan komunikasi asinkron tidak memerlukan sinyal clock sebagai sinkronisasi, namun memiliki start bit dan stop bit untuk memvalidasi data yang dikirim.
Port serial MCS-51 bisa dipakai dalam 4 mode kerja yang berbeda. Dari 4 mode tersebut, 1 mode diantaranya bekerja secara sinkron dan 3 lainnya bekerja secara asinkron. Register pengendali port serial adalah SFR yaitu SBUF(serial port buffer) dan SCON (serial port control). SBUF adalah buffer untuk pengiriman dan penerimaan data serial, sedangkan SCON menyimpan bit status pengiriman dan penerimaan data dan mengatur mode kerja port serial. Gambar 2.6 dan 2.7 menunjukkan susunan bit pada register SBUF dan SCON [13].
Dalam komunikasi serial secara asinkron dikenal istilah baud rate yang menunjukkan jumlah data yang dikirim melalui interface serial per detik. Sebagai pembangkit baud rate pada mikrokontroler MCS-51 dapat digunakan Timer. Pada pembahasan ini timer yang digunakan adalah Timer 1. Timer diatur oleh register TMOD (timer mode) dan TCON (timer control). Gambar 2.8 dan 2.9 menunjukkan susunan bit pada register TMOD dan TCON [13].
Gambar 2.8 Susunan bit Register TMOD
Gambar 2.9 bit Register TCON
2.5 Aktuator
Aktuator adalah bagian yang berfungsi sebagai penggerak dari perintah yang diberikan oleh input [4]. Aktuator biasanya merupakan peranti elektromekanik yang menghasilkan gaya gerakan. Aktuator secara umum terdiri dari dua jenis, yaitu [9] :
1. Aktuator elektrik
2. Aktuator pneumatik dan hidrolik.
Pada penelitian ini aktuator yang akan digunakan adalah aktuator elektrik yaitu motor DC dan motor servo yang akan dijelaskan sebagai berikut:
2.5.1 Motor DC
Motor DC adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah energi listik arus searah menjadi energi gerak atau energi mekanik [4]. Motor DC terdiri dari dua bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian yang berputar atau armature, berupa koil dimana arus listrik dapat mengalir. Stator adalah bagian yang tetap dan menghasilkan medan magnet dari koilnya.
Prinsip kerja motor DC adalah jika kumparan dialiri arus listrik maka pada kedua kumparan akan bekerja gaya Lorentz [14]. Pada gambar 8.10 dapat dilihat prinsip kerja gaya Lorentz, dimana gaya yang jatuh pada telapak tangan (F), jari yang direntangkan menunjukan arah medan magnet (B), ibu jari menunjukkan arah arus listrik(I).
Gambar 2.10 Prinsip Gaya Lorentz (Sumber: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)
Dengan berdasarkan pada prinsip gaya Lorentz, memberikan tegangan pada DC motor akan membuat motor berputar secara kontinyu ke arah tertentu. Membalik arah putaran motor dapat dilakukan dengan mengubah polaritas arus yang mengalir pada motor. Gambar 2.11 memperlihatkan arah perputaran motor DC berdasarkan polaritas arus yang mengalir.
Gambar 2.11 Arah perputaran motor DC
Motor DC biasanya mempunyai kecepatan putar yang cukup tinggi dan sangat cocok digunakan untuk roda robot yang membutuhkan kecepatan gerak yang tinggi. Juga dapat digunakan sebagai baling-baling (propeller) pengerak robot. Pada penelitian ini motor DC digunakan sebagai penggerak utama robot IUV.
2.5.2 Motor Servo Standar
Motor servo adalah motor DC yang dilengkapi dengan sistem kontrol. Sistem kontrol ini akan memberikanumpan balik posisi perputaran motor dari 0 sampai 180 derajat. Disamping itu motor ini juga memiliki torsi relatif cukup kuat [5]. Gambar 2.12 menunjukkan penampang dan pengkabelan dari motor servo. Sistem pengkabelan motor servo terdiri atas 3 bagian, yaitu Vcc, Gnd, dan Kontrol (PWM= Pulse Width Modulation). Pemberian PWM pada motor servo akan membuat servo bergerak pada posisi tertentu dan kemudian berhenti (kontrol posisi).
Gambar 2.12 Motor servo dan konfigurasi pin
Prinsip utama dari pengendalian motor servo adalah pemberian nilai PWM pada kontrolnya. Frekuensi PWM yang digunakan pada pengontrol motor servo selalu 50 Hz sehingga pulsa dihasilkan setiap 20 ms. Lebar pulsa akan menentukan posisi servo yang dikehendaki. Pemberian lebar pulsa 1,5 ms akan membuat motor servo berputar ke posisi netral (90 derajat), lebar pulsa 1,75 ms akan membuat motor servo berputar l;;\mendekati posisi 180 derajat, dan dengan lebar pulsa 1,25 ms motor servo akan bergerak ke posisi 0 derajat. Gambar 2.13 berikut memperlihatkan hubungan antara lebar pulsa PWM dengan arah putaran motor servo.
2.6 Driver Motor DC L298
IC Bridge di
dalamnya, sehingga dapat digunakan untuk men-drive dua buah motor DC [8]. IC L298 masing-masing dapat mengantarkan arus hingga 2A. Namun, dalam penggunaannya, menjadi 4A.
Prinsip kerja IC L298, IC ini memiliki empat channel masukan yang didesain untuk dapat menerima masukan level logika TTL. Masing-masing channel masukan ini memiliki channel keluaran yang bersesuaian. Gambar 2.14 memperlihatkan penampang IC L298. Dengan memberi tegangan 5 volt pada pin enable A dan enable
B, masing-masing channel output akan menghasilkan logika high (1) atau low (0) sesuai dengan input pada channel masukan. Untuk lebih jelasnya prinsip kerja IC L298 dapat dilihat pada tabel 2.2.
Gambar 2.14 Penampang IC L298
Tabel 2.2 Tabel Logika Prinsip Kerja IC L298
Enable A,B Input 1,3 Output 1,3 Input 2,4 Output 2,4
1 0 0 0 0
1 1 1 1
0 0 x 0 x
1 x 1 x
2.7 Driver Servo IC Timer 555
Timer 555 merupakan sebuah IC timer yang bekerja berdasar komparator yang dirangkai dengan[8]. IC Timer 555 memiliki dasar pengendali PWM dengan fitur pengendalian lebar pulsa 0..100%, frekuensi osilator yang dihasilkan relatif stabil sehingga sangat mungkin digunakan untuk membangun Simple PWM Controler. Frekuensi dari Simple PWM Controler 555 akan membentuk output dengan frekuensi dari 170 sampai 200 Hz. Keluaran dari 555 pada rangkaian Simple PWM Controler 555 ini digunakan untuk driver pulsa PWM. Gambar 8.15 berikut memperlihatkan penampang IC Timer 555.
Gambar 2.15 Penampang IC Timer 555.
IC 555 memiliki dua jenis operasi, yaitu Multivibrator Monostabil dan Multivibrator Astabil. Multivibrator Monostabil juga disebut one shot, menghasilkan
output sebuah pulsa dengan periode tertentu ketika dipicu dengan sebuah pulsa masukan. Output dari one shot akan seketika menuju ‘high’ mengikuti pulsa pemicunya (trigger) dan akan tetap ‘high’ sesuai dengan periodenya. Ketika periodenya telah habis maka outputnya akan kembali ‘low’. Output one shot akan tetap ‘low’ sampai ada trigger lainnya. Gambar 2.16 rangkaian multivibrator monostabil sebagai berikut (Sumber: http://physics.usask.ca).
Gambar 2.16 Rangkaian Multivibrator Monostabil
Multivibrator Astabil merupakan multivibrator yang mempunyai dua keadaan namun tidak stabil pada salah satu keadaannya selama sesaat dan kemudian berpindah ke keadaan yang lain, disini multivibrator astabil menetap untuk sesaat sebelum berpindah kembali ke keadaan semula [8]. Perpindahan keadaan pada output multivibrator astabil yang berkesinambungan ini menghasilkan suatu gelombang segi empat dengan waktu naik yang sangat cepat. Karena tak dibutuhkan sinyal masukan untuk memperoleh suatu keluaran, maka multivibrator astabil ini kadang-kadang
disebut multivibrator bekerja bebas (
menunjukan rangkaian multivibrator astabil (Sumber: http://physics.usask.ca). Sedangkan Gambar 2.17 (a) dan (b) secara berurutan memperlihatkan output
multivibrator monostabil dan multivibrator astabil.
Gambar 2.17 Rangkaian Multivibrator Astabil
(a)
(b)
Gambar 2.18 (a) Output Multivibrator Monostabil (b) Output Multivibrator Astabil
Trigger
Output
