Pengendali lengan robot dengan gamepad.

(1)

viii

INTISARI

Perkembangan teknologi saat ini sangat pesat salah satunya teknologi robotika. Robot –robot diciptakan saat ini memiliki kegunaan beragam yang berfungsi untuk membantu pekerjaan manusia. Penelitian ini bertujuan membuat pengendali lengan robot 3 DOF dengan

USB Gamepad. Kontroler yang digunakan adalah ATmega328 yang menggunakan bahasa arduino. Komunikasi antara mikrokontroler dan USB gamepad menggunakan USB host shield. Lengan robot dapat bergerak menggunakan motor servo sebagai aktuator dan dapat bergerak bebas berdasarkan tiga axis yakni base, shoulder, elbow, dan sebagai end

(2)

ix

ABSTRACT

The technology developments today's are very massive for example, robotics. Today robots have a variety of uses that help human work. This research aims to make the 3 DOF robotic arm controller with a USB gamepad. Atmega328 is the controller with arduino based language. Communication between microcontroller and USB gamepad use USB host shield. The robotic arm moves using servo motors as actuators and also can moves freely by 3 axes, base, shoulder, elbow, and gripper for the end effector. This project using open loop sistem control that still manual control from user. The result of this research is a robotic arm that can move with precision accuracy 5˚ using gamepad control. The robotic arm has an average error of 5%.

(3)

TUGAS AKHIR

PENGENDALI LENGAN ROBOT DENGAN

GAMEPAD

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Oleh:

BASILIUS KRISTIAWAN WICAKSONO NIM : 135114035

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

(4)

FINAL PROJECT

ROBOTIC ARM CONTROLLER WITH GAMEPAD

In partial fulfilment of requirements for the degree of Sarjana Teknik

In Electrical Engineering Study Program

BASILIUS KRISTIAWAN WICAKSONO NIM : 135114035

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

(5)

(6)

(7)

(8)

vi

HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO HIDUP

MOTTO :

"Pendidikan merupakan perlengkapan paling baik untuk hari tua."

(Aristoteles)

Dengan ini kupersembahkan karyaku ini untuk ...

Tuhan Yesus Kristus Pembimbingku yang setia,

Negaraku Indonesia yang tercinta,

Keluargaku tercinta,

Teman-teman seperjuangan,

Dan semua orang yang mengasihiku

Terima Kasih untuk

(9)

(10)

viii

INTISARI

Perkembangan teknologi saat ini sangat pesat salah satunya teknologi robotika. Robot –robot diciptakan saat ini memiliki kegunaan beragam yang berfungsi untuk membantu pekerjaan manusia. Penelitian ini bertujuan membuat pengendali lengan robot 3 DOF dengan

USB Gamepad. Kontroler yang digunakan adalah ATmega328 yang menggunakan bahasa arduino. Komunikasi antara mikrokontroler dan USB gamepad menggunakan USB host shield. Lengan robot dapat bergerak menggunakan motor servo sebagai aktuator dan dapat bergerak bebas berdasarkan tiga axis yakni base, shoulder, elbow, dan sebagai end

(11)

ix

ABSTRACT

The technology developments today's are very massive for example, robotics. Today robots have a variety of uses that help human work. This research aims to make the 3 DOF robotic arm controller with a USB gamepad. Atmega328 is the controller with arduino based language. Communication between microcontroller and USB gamepad use USB host shield. The robotic arm moves using servo motors as actuators and also can moves freely by 3 axes, base, shoulder, elbow, and gripper for the end effector. This project using open loop sistem control that still manual control from user. The result of this research is a robotic arm that can move with precision accuracy 5˚ using gamepad control. The robotic arm has an average error of 5%.

(12)

(13)

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL (Bahasa Indonesia) ... i

HALAMAN JUDUL (Bahasa Inggris) ... ii

HALAMAN PERSETUJUAN... iii

HALAMAN PENGESAHAN ... iv

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... v

HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO HIDUP ... vi

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTIANGAN AKADEMIS ... vii

INTISARI ... viii

ABSTRACT ... ix

KATA PENGANTAR ... x

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL ... xvi

DAFTAR PERSAMAAN ... xvii

DAFTAR LAMPIRAN ... xviii

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan ... 2

1.3.Manfaat ... 2

1.4. Batasan Masalah ... 3

1.5. Metodologi Penelitian ... 3

BAB II DASAR TEORI 2.1. Motor Servo ... 5

2.1.1. Prinsip Kerja ... 5

2.1.2. Jenis Motor Servo ... 7

2.2. Torsi ... 8

2.3. Sistem Kontroler Lengan Robot ... 9

2.4. Gamepad ... 10

2.5. USB Host Shield ... 11

2.5.1. Operasi SPI Bus ... 12

2.5.2. Komunikasi USB ... 15

2.6. Mikrokontroler Atmega328P ... 19

2.6.1. Fitur ... 21

2.6.2. Konfigurasi Pin ... 22

2.7. FTDI FT232RL ... 25

2.8. Arduino ... 27

(14)

xii

2.10. Kerangka Lengan Robot ... 30

2.10.1.Link Penggerak Menggunakan Prinsip Tuas ... 31

2.10.2.Jangkauan Lengan Robot ... 32

BAB III PERANCANGAN PENELITIAN 3.1. Perancangan Sistem ... 34

3.1.1. Perangcangan Fungsi Tombol Gamepad ... 35

3.2. Perancangan Hardware ... 35

3.2.1. Perancangan Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Atmega328P ... 35

3.2.2. Perancangan Kerangka Robot ... 39

3.2.3. Torsi Motor ... 43

3.2.4. Gerak Lengan Robot ... 45

3.2.5. Jangkauan Lengan Robot ... 47

3.3. Perancangan Software ... 51

3.3.1. Flowchart Utama ... 51

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Perangcangan Perangkat Keras ... 55

4.2. Hasil Pengujian Perangkat Keras ... 58

4.2.1. Pengujikan Ketepatan Sudut Lengan Robot ... 58

4.2.2. Pengujian Kinematika Lengan Robot ... 66

4.2.3. Analisa Pergerakan Link ... 70

4.2.4. Pengujian Repeatability Gerakan Lengan Robot ... 71

4.3. Analisa Perangkat Lunak ... 73

4.3.1. Inisialisasi ... 73

4.3.2. Pembacaan Input dan Perintah ke Output ... 75

4.3.3. Kecepatan Motor ... 76

4.3.4. Pengiriman Data ke User melalui Serial Monitor ... 76

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ... 78

5.2. Saran ... 78

DAFTAR PUSTAKA ... 79

(15)

xiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1.1 Diagram Alur Kerja Sistem... 3

Gambar 2.1 Gelombang Sinyal PWM [29]... 6

Gambar 2.2 Prinsip Kerja Motor Servo [29] ... 6

Gambar 2.3 Motor Servo Standar [30] ... 7

Gambar 2.4 Mikro Servo [31] ... 8

Gambar 2.5 Kontrol Open Loop dalam Sistem Lengan Robot ... 9

Gambar 2.6 Konfigurasi Tombol Gamepad [19] ... 10

Gambar 2.7 Konfigurasi Board USB Host Shield [5] ... 11

Gambar 2.8 Pengiriman Data SPI [16] ... 13

Gambar 2.9 SPI Bus Menggunakan Slave-select [16] ... 14

Gambar 2.10 Data transmisi SPI bus [15] ... 15

Gambar 2.11 Konfugurasi Kabel USB [3] ... 15

Gambar 2.12 Detached State [3] ... 15

Gambar 2.13 Attached State [3] ... 16

Gambar 2.14 Idle State [20] ... 16

Gambar 2.15 Contoh Pengiriman Data USB [18] ... 17

Gambar 2.16 Konfigurasi Pin Atmega328P dengan Fungsi Pada Arduino [7] ... 20

Gambar 2.17 Diagram Blok ATmega328 [4] ... 21

Gambar 2.18 FTDI Basic Breakout ... 25

Gambar 2.19 Tampilan IDE Arduino ... 28

Gambar 2.20 Sudut-Sudut yang Dimiliki oleh Garis Parallel ... 30

Gambar 2.21 Lengan Robot 3 DOF [26] ... 31

Gambar 2.22 Prinsip kerja tuas [28] ... 32

Gambar 2.23 Konfigurasi Perhitungan Jangkauan Lengan Robot ... 33

Gambar 3.1 Diagram Blok Perancangan ... 34

Gambar 3.2 Rangkaian Reset Mikrokontroler ... 36

Gambar 3.3 Rangkaian Osilator Mikrokontroler ... 36

Gambar 3.4 Rangkaian Minimum Sistem dan Interface-nya ... 37

Gambar 3.5 Koneksi Antara USB Host Shield Dan Mikrokontroler ... 38

Gambar 3.6 Desain Griper [26] ... 39

(16)

xiv

Gambar 3.8 Link Lengan Robot Tampak Kiri [14]... 40

Gambar 3.9 Sudut Pergerakan Lengan Robot [14] ... 41

Gambar 3.11 Lengan Robot Tampak Samping Kanan (Kiri) Dan Tampak Samping Kiri (Kanan) [14] ... 42

Gambar 3.12 Lengan Robot Tampak Atas (Kiri) Dan Tampak Bawah (Kanan) [14] ... 42

Gambar 3.13 Lengan Robot Tampilan 3D [14] ... 42

Gambar 3.14 Dimensi Lengan dan Link Lengan Robot ... 45

Gambar 3.15 Sudut-Sudut pada Lengan Robot ... 46

Gambar 3.16 Arah Pergerakan Semua Sendi pada Lengan Robot ... 47

Gambar 3.17 Konfigurasi Perhitungan Jangkauan Lengan Robot ... 47

Gambar 3.18 Posisi Maksimal Vertikal ... 48

Gambar 3.19 Posisi Maksimal Horisontal ... 48

Gambar 3.20 Pergerakan Sudut Griper [26] ... 49

Gambar 3.21 Pergerakan Sudut Elbow ... 50

Gambar 3.22 Pergerakan Sudut Base ... 51

Gambar 3.23 Flowchart Utama ... 52

Gambar 3.24 Subsistem dari Pengolahan Data ... 53

Gambar 3.25 Pembacaan Alamat Tombol Gamepad ... 54

Gambar 3.26 Penomoran USB Device Berdasarkan Tombol-tombolnya ... 54

Gambar 4.1 Keseluruhan Sistem Pengendali Lengan Robot dengan Gamepad ... 55

Gambar 4.2 Mekanik Lengan Robot ... 56

Gambar 4.3 Letak Motor pada Lengan Robot ... 56

Gambar 4.4 Minimum Sistem Atmega328 ... 57

Gambar 4.5 Minimum Sistem dan USB host shield ... 57

Gambar 4.6 Letak Rangkaian Elektrik pada Lengan Robot ... 57

Gambar 4.7 Grafik Perbandingan Sudut Base ... 60

Gambar 4.8 Grafik Sudut Shoulder ... 63

Gambar 4.9 Grafik Perbandiang Sudut Input dan Sudut Aktual Pada Sendi Elbow ... 65

Gambar 4.10 Sumbu X Dan Y pada Lengan Robot ... 67

Gambar 4.11 Ruang Kerja Lengan Robot dalam X dan Y ... 69

Gambar 4.12 Nama Sudut Link Segi 4 pada Lengan Robot ... 70

(17)

xv

Gambar 4.14 Inisalisasi Variabel dan Input/Output 1 ... 74

Gambar 4.15 Inisalisasi Variabel dan Input/Output 2 ... 74

Gambar 4.16 Input dan Output pada Program ... 75

Gambar 4.17 Delay pada Void Loop ... 76

Gambar 4.18 Inisialisasi Pembacaan Serial ... 76

Gambar 4.19 Pembacaan SerialInput dan Output ... 76

Gambar 4.20 Tampilan Serial Monitor sebagai User Interface ... 77

(18)

xvi

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Tabel Konfigurasi Pin Servo ... 8

Tabel 2.2 State pada Koneksi USB [3] ... 16

Tabel 2.2 (Lanjutan) State pada Koneksi USB [3] ... 17

Tabel 2.3 Data Hex dari Gamepad ... 17

Tabel 2.3 (Lanjutan) Data Hex dari Gamepad ... 18

Tabel 2.4 Paket Data Gamepad [17] ... 19

Tabel 2.5 Fungsi Khusus Port B [13] ... 22

Tabel 2.5 (Lanjutan) Fungsi Khusus Port B [13] ... 23

Tabel 2.6 Fungsi Khusus Port C [13] ... 23

Tabel 2.7 USB Interface Group [9] ... 26

Tabel 2.8 Power dan Ground Group [9] ... 26

Tabel 2.9 Miscellanous Signal Group [9] ... 26

Tabel 2.10 UART Interface dan CBUS Group [9] ... 26

Tabel 2.10 (Lanjutan) UART Interface dan CBUS Group [9] ... 27

Tabel 2.11 Keterangan Tombol Pada Tampilan IDE Arduino [12] ... 29

Tabel 3.1 Fungsi Tombol Gamepad ... 35

Tabel 3.2 Port pada Mikrokontroler ... 38

Tabel 4.1 Sudut Sendi Base ... 59

Tabel 4.1 (Lanjutan) Sudut Sendi Base ... 60

Tabel 4.2 Pengujian Sudut Shoulder ... 61

Tabel 4.2 (Lanjutan) Pengujian Sudut Shoulder ... 62

Tabel 4.3 Tabel Pengambilan Data Elbow ... 64

Tabel 4.4 Tabel Data Gripper ... 66

Tabel 4.5 Data Forward Kinematik Lengan Robot ... 67

Tabel 4.5 (Lanjutan) Data Forward Kinematik Lengan Robot ... 68

Tabel 4.6 Sudut Link Segi 4 Lengan Robot ... 70

Tabel 4.7 Analisa Sudut Link Segi 4 Lengan Robot ... 71

Tabel 4.8 Repeatability Gerak Sendi Base ... 71

Tabel 4.9 Repeatability Gerak Sendi Shoulder ... 72

Tabel 4.10 Repeatability Gerak Sendi Elbow ... 72

(19)

xvii

DAFTAR PERSAMAAN

Halaman

Persamaan 2.1 ... 6

Persamaan 2.2 ... 6

Persamaan 2.3 ... 8

Persamaan 2.4 ... 8

Persamaan 2.5 ... 8

Persamaan 2.6 ... 8

Persamaan 2.7 ... 29

(20)

xviii

DAFTAR LAMPIRAN

(21)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang

Kata robot yang berasal dari bahasa Czech, robota, yang berarti pekerja, mulai menjadi populer ketika seorang penulis berbangsa Czech (Ceko), Karl Capek, membuat pertunjukan dari lakon komedi yang ditulisnya pada tahun 1921 yang berjudul RUR (Rossum’s Universal Robot). Ia bercerita tentang mesin yang menyerupai manusia, tapi mampu bekerja terus-menerus tanpa lelah.[1]

Kehadiran robot dalam kehidupan manusia makin hari disadari makin banyak manfaatnya. Robotik tidak lagi dipandang sebagai ilmu yang berkembang hanya dalam konteks teknologi (fisik) saja, namun semakin hari semakin banyak masalah yang berkaitan dengan lingkungan hidup manusia yang perlu juga diambil perhatian.[1] Dengan adanya teknologi robotik , manusia menggantikan peralatan-peralatan konvensional dengan peralatan canggih. Istilah robot hampir tak dapat dipisahkan dengan dunia industri. Dalam dunia industri, robot merupakan alat yang dapat dugunakan sebagai alat bantu manusia yang memiliki beberapa kelebihan. Kelebihan tersebut salah satunya untuk alasan keamanan, ada industri yang tidak memungkinkan ataupun berbahaya bagi manusia. Seperti laboratorium riset kimia yang merupakan contoh tempat yang kadang tidak memungkinkan manusia berada pada tempat itu karena bahaya gas beracun atau radioaktif. Alasan lainya adalah karena robot dapat bekerja secara presesi, terus-menerus, dan konsisten pada pergerakannya, tidak seperti manusia yang memiliki batasan fisik maupun

human error. Salah satu produk robot yakni lengan robot. Lengan robot merupakan alat yang dibuat menyerupai lengan manusia, yang dapat digunakan untuk mengerjakan berbagai macam tugas.

(22)

Penggunaan komunikasi USB dipilih dibandingkan dengan langsung menyambungkan gamepad dan mikrokontroler adalah karena komunikasi USB sudah menjadi standard pada kebanyakan alat teknologi sekarang ini. Komunikasi USB

merupakan salah satu teknologi yang harus dipelajari untuk mengikuti standard perkembangan dunia teknologi.

Penulis hendak membuat pengendali lengan robot yang sederhana sehingga ketika orang ingin belajar cara gerak dan pengendalian lengan robot dapat lebih cepat memahaminya. Belajar cara gerak dari lengan robot 3 sendi yang dikendalikan satu-persatu axis melalui gamepad dan selanjutnya dapat mempelajari cara kerja motor servo, gamepad

dan cara menghubungkannya.

1.2.

Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menghasilkan pengendali lengan robot 3 sendi menggunakan gamepad berbasis mikrokontroler arduino.

1.3.

Manfaat

Untuk masyarakat umum:

1) Memperoleh lengan robot yang multi purpose, dimana fungsi dan gerakan dari lengan robot dapat dikendalikan sesuai kehendak operator lengan robot, tidak terbatas oleh program tertentu saja.

2) Sebagai alat bermain sekaligus belajar, karena menggunakan interface gamepad

yang sudah familiar dikenal masyarakat umum. Untuk pendidikan:

a) Sebagai sarana pembelajaran lengan robot 3 DOF (cara gerak dan pengendalinya). b) Sebagai sarana pembelajaran motor servo, minimum sistem dan desain robotik. c) Sebagai sarana pembelajaran bahasa pemograman mikrokontroler arduino, yang

(23)

1.4.

Batasan Masalah

Batasan masalah pada penelitian lengan robot ini adalah:

a) Desain lengan robot menggunakan desain open source yang dipublikasi secara gratis dan legal.

b) Menggunakan mikrokontroler Atmega328P berbasis Arduino. c) Menggunakan motor servo sebagai aktuator.

d) Gamepad sebagai interface pengendalinya.

e) Input gamepad ke mikrokontroler dengan komunikasi USB kemudian dikonversi oleh MAX3421E (USB Host Shield) sehingga bisa dibaca oleh mikrokontroler melalui SPI bus (Serial Peripheral Interface).

f) Lengan robot dapat bergerak pada sumbu X, Y, dan Z.

g) Lengan robot memiliki 3 derajat kebebasan (Degree of Freedom) dan Gripper

sebagai end effector.

1.5.

Metodologi Penelitian

Metode penelitian yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini adalah:

a) Study literatur berupa pengumpulan referensi dari buku-buku maupun dari internet berupa jurnal-jurnal dan artikel-artikel.

b) Studi kasus terhadap alat yang telah dibuat sebelumnya. Tahap ini dilakukan guna memahami prinsip kerja dari alat yang telah dibuat sebelumnya.

c) Perancangan sistem hardware dan software.

d) Pembuatan sistem hardware dan software. Alat akan bekerja berdasarkan pada kontrol dari gamepad seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1.1.

(24)

e) Proses pengambilan data dilakukan dengan cara mengukur secara real daerah jangkauan kerja lengan robot dan ketepatan sudut yang dibuat.

(25)

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1.

Motor Servo

Dalam kamus Oxford istilah “servo” diartikan sebagai “a mechanism that controls a larger mechanism”yang jika diartikan “sebuah mekanisme yang mengontrol mekanisme

yang lebih besar”. Motor servo merupakan motor DC yang mempunyai gerak sudut yang presisi. Motor ini sudah dilengkapi dengan sistem kontrol. Pada aplikasinya motor servo

sering digunakan sebagai kontrol loop tertutup, sehingga dapat menangani perubahan posisi secara tepat dan akurat begitu juga dengan pengaturan kecepatan dan percepatan.[1] Motor servo merupakan perangkat yang terdiri dari motor DC, serangkaian gear, rangkaian kontrol dan potensiometer. Serangkaian gear yang melekat pada poros motor DC akan memperlambat putaran poros dan meningkatkan torsi motor servo, sedangkan potensiometer dengan perubahan resistansinya saat motor berputar berfungsi sebagai penentu batas posisi putaran poros motor servo. Dalam penggunaannya motor servo

dikehendaki handal beroperasi dalam lingkup torsi yang berubah-ubah.

2.1.1.

Prinsip Kerja

(26)

Gambar 2.1 Gelombang Sinyal PWM[29]

Gambar 2.2 Prinsip Kerja Motor Servo[29]

Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk membentuk satu buah gelombang kotak. Rumus periode adalah sebagai berikut:[21]

T = ...(2.1)

Frekuensi dapat didefenisikan sebagai banyaknya gelombang kotak yang terbentuk dalam satu detik.[21]

Duty cycle adalah presentase sinyal high dalam satu periode gelombang. Duty cycle dapat dirumuskan sebagai berikut:[22]

Duty Cycle =

x 100% ...(2.2)

(27)

atau mengubah posisi tersebut, maka motor servo akan mencoba menahan atau melawan dengan besarnya kekuatan torsi yang dimilikinya (rating torsi servo). Namun motor servo

tidak akan mempertahankan posisinya untuk selamanya, sinyal PWM harus diulang setiap 20 ms untuk menginstruksikan agar posisi poros motor servo tetap bertahan pada posisinya.

2.1.2.

Jenis Motor Servo

Adapun dua jenis dari motor servo adalah: 1. Motor Servo Standar

Motor servo jenis ini hanya mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90° sehingga total defleksi sudut dari kanan – tengah – kiri adalah 180°.[23]

2. Motor ServoContinue

Motor servo jenis ini mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) tanpa batasan defleksi sudut putar (dapat berputar secara berkelanjutan) dengan kata lain dapat berputar 360°.[24]

Gambar 2.3 Motor Servo Standar[30]

Gambar 2.3 adalah motor servo standar yang dijual di pasaran. Adapun motor servo

yang memiliki ukuran yang lebih kecil yakni mikro servo. Mikro servo merupakan motor

servo seperti motor servo standar lainnya hanya saja memiliki ukuran yang jaul lebih kecil. Mikro servo ditunjukkan pada gambar 2.4. Untuk konfigurasi Pin servo hampir semua

(28)

Gambar 2.4 Mikro Servo[31] Tabel 2.1 Tabel Konfigurasi Pin Servo

Pin Keterangan

Orange PWM

Red VCC

Brown GROUND

2.2.

Torsi

Torsi merupakan gaya pada gerak translasi. Torsi menunjukkan kemampuan sebuah gaya untuk membuat benda melakukan gerak rotasi[32]. Perhitungan torsi tergantung pada panjang dari setiap link lengan robot dan berat beban yang diterima oleh lengan robot tersebut[25]. Perhitungan torsi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan di bawah ini:

τ = F. r ...(2.3)

w = m . g dimana, F = w ...(2.4) F = m . g ...(2.5) τ = m . g . r ...(2.6)

keterangan: τ = torsi (kg.cm)

(29)

R = jari-jari (cm)

W = gaya berat (N, kg.m/ ) m = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi (m/ )

Perhitungan torsi pada motor ini nantinya akan berguna untuk perancangan lengan robot yang berkaitan dengan pemilihan komponen motor aktuator. Jenis dan dan spesifikasi motor servo berbeda-beda tergantung model dan merek motor servo itu. Dengan mengetahui torsi yang akan digunakan nanti maka memudahkan untuk menentukan spesifikasi yang cocok untuk digunakan dalam lengan robot.

2.3.

Sistem Kontroler Lengan Robot

Sistem kontrol yang akan digunakan pada lengan robot adalah kontrol loop terbuka. Diagram kontrol loop terbuka sistem robot dapat dinyatakan dalam Gambar 2.5 berikut ini.

Gambar 2.5 Kontrol Open Loop dalam Sistem Lengan Robot

Kontrol loop terbuka atau umpan maju (feedforward control) dapat dinyatakan sebagai sistem kontrol yang outputnya tidak diperhitungkan ulang oleh kontroler. Keadaan apakah robot benar-benar telah mencapai target seperti yang dikehendaki sesuai referensi, adalah tidak dapat mempengaruhi kinerja kontroler.[1] Kontrol ini sesuai untuk sistem operasi robot yang memiliki aktuator yang beroperasi berdasarkan umpan logika berbasis konfigurasi langkah sesuai urutan, seperti motor servo yang digunakan dalam tugas akhir ini. Motor servo tidak perlu dipasangi sensor pada porosnya untuk mengetahui posisi akhir. Jika dalam keadaan berfungsi baik dan tidak ada masalah beban maka motor servo akan berputar sesuai dengan perintah kontroler dan mencapai posisi target dengan tepat.

(30)

Dengan membagi menjadi tiga bagian maka kita dapat lebih mudah melakukan analisa tentang bagaimana kontroler memperoleh input dan mengirim ouput ke motor servo.

2.4.

Gamepad

Gamepad digunakan sebagai interface pengendali lengan robot. Gamepad adalah pengendali game seperti kebanyakan yang memiliki input analog dan digital. Nilai lebih dari gamepad ini adalah karena hampir semua tombol, baik analog maupun digital dapat dibaca oleh mikrokontroler. Kelebihan gamepad ini juga karena kemampuan komunikasi melalui USB dan Bluetooth.

Gamepad memiliki 16 tombol digital dan 4 analog, pada Gambar 2.6 ditunjukkan lebih detil letak tombolnya. Fungsi dari tombol-tombol tersebut secara umum adalah:

1. Directional button merupakan tombol digital (empat buah tombol) yang biasanya digunakan untuk sebagai arah.

2. Tombol digital L1, R1, Cross, Square, Circle, Triangle belum memiliki fungsi yang spesifik, tergantung aplikasi yang digunakan.

3. Tombol digital yang berada ditengah (terdiri dari tiga tombol), tombol select untuk melakukan pilihan, tombol PS digunakan untuk mengaktifkan gamepad, dan tombol start untuk memulai aplikasi.

4. Tombol analog dua axis (dua buah) yang juga memiliki fungsi tombol digital biasanya digunakan sebagai arah.

[image:30.595.94.528.236.707.2]

5. Tombol analog (dua buah) biasa digunakan untuk mengatur kecepatan.

(31)

2.5.

USB Host Shield

USB Host Shield memungkinkan mengkomunikasikan perangkat USB ke arduino. Arduino Host Shield ini berbasis IC kontroler USB MAX3421E, yang merupakan pengendali USB perifer/host yang mengandung logika digital dan sirkuit analog yang diperlukan untuk menerapkan full-speed USB perifer atau full-/low speed host sesuai spesifikasi USB rev 2.0.[2]

[image:31.595.87.513.275.606.2]

Arduino melakukan komunikasi dengan MAX3421E menggunakan SPI (Serial Peripheral Interface) bus (melalui header ICSP).[2] Melalui pin 10,11,12, dan 13 pada Atmega328P. USB Host Shield ini mendapatkan power supply dari arduino, itulah sebabnya tidak ada jack power tersedia. Gambar 2.7 menunjukkan konfigurasi board USB Host Shield yang akan digunakan.

Gambar 2.7 Konfigurasi Board USB Host Shield [5]

Serial Peripheral Interface (SPI) merupakan salah satu mode komunikasi serial

(32)

dengan peripheral lainnya yang mendukung komunikasi dengan SPI. Adapun berikut ini penjelasan untuk 3 jalur utama dari SPI adalah sebagai berikut.

a) MOSI (Master Output Serial Input)

Perangkat yang bertindak sebagai master, maka pin MOSI digunakan sebagai pin

output, tetapi jika digunakan sebagai slave, maka pin MOSI tersebut berfungsi sebagai pin input.

b) MISO (Master Input Slave Output)

Perangkat yang bertindak sebagai master, maka pin MISO sebagai pin input, tetapi jika digunakan sebagai slave, maka pin MISO tersebut berfungsi sebagai pin

output.

c) SCK (Serial Clock)

Berfungsi sebagai clock data. Dimana pin SCK dari master akan memberikan clock

ke pin SCK slave, guna menyelaraskan komunikasi antar kedua perangkat tersebut. Selain tiga jalur tersebut, terdapat pula SS (Slave Select) yang digunakan untuk memilih perangkat slave mana yang akan digunakan, tentu saja bila lebih dari satu slave. Sebuah perangkat master dapat memberikan perintah pada beberapa perangkat slave. Sedangkan untuk perangkat slave tidak dapat memberikan perintah, hanya memberikan data sesuai instruksi yang diberikan oleh perangkat master.

2.5.1.

Operasi SPI Bus

SPI bus dapat dioperasikan dengan sebuah perangkat single master dan dengan satu atau lebih perangkat slave. [15] Untuk memulai komunikasi, bus master mengkonfigurasi

clock, menggunakan frekuensi yang didukung oleh perangkat slave, biasanya hingga beberapa MHz. Master kemudian memilih perangkat slave dengan logika level 0 pada

select line. Jika masa tunggu diperlukan, seperti untuk konversi analog ke digital, master

harus menunggu setidaknya periode waktu sebelum mengeluarkan clock cycle.

Selama setiap siklus clock SPI, sebuah transmisi data full duplex (dua arah) terjadi.

Master mengirimkan satu bit pada garis MOSI dan slave membacanya, sementara slave

(33)

bahkan ketika hanya transfer data satu arah. Dalam komunikasi SPI hanya 1 bagian yang mengirimkan clock yang mana akan disebut master dan bagian lainya disebut slave.

Dalam SPI, hanya satu sisi menghasilkan sinyal clock (biasanya disebut CLK atau SCK untuk Serial Clock). Sisi yang menghasilkan clock disebut "master", dan sisi lain disebut "slave". Selalu ada hanya satu master (yang hampir selalu mikrokontroler), tetapi bisa ada beberapa slave. [16]

Ketika data dikirim dari master ke slave, data tersebut dikirim pada garis data yang disebut MOSI (Master Out/ Slave In). Jika slave harus mengirim respon kembali ke

master, master akan terus menghasilkan sejumlah siklus clock yang diatur sebelumnya, dan slave akan menempatkan data ke baris data yang ketiga yang disebut miso (Master In/Slave Out).[16]

[image:33.595.87.521.323.650.2]

Perhatikan bahwa SPI adalah "full duplex" (memiliki baris sent dan reveive yang terpisah), dengan demikian dalam situasi tertentu, Anda dapat mengirim dan menerima data pada saat yang sama. Pada Gambar 2.8 diperlihatkan pengiriman clock cycle, data MISO, dan data MISO pada master-slave.

Gambar 2.8 Pengiriman Data SPI [16]

Baris data berikutnya adalah SS untuk memilih Slave. Ini memberitahu slave yang harus bangun dan menerima / mengirim data dan juga digunakan ketika beberapa slave

(34)

Line SS biasanya high jika memutus slave dari bus SPI. (Jenis logika ini dikenal sebagai "aktif rendah," dan akan sering digunakan untuk mengaktifkan dan me-reset baris.) Tepat sebelum data dikirim ke slave, garis dibuat low yang mengaktifkan slave. Ketika selesai menggunakan slave, status dibuat high lagi. Gambar 2.9 Menunjukan penggunaan

[image:34.595.96.495.183.515.2]

line SS.

Gambar 2.9 SPI Bus Menggunakan Slave-select [16]

(35)

Gambar 2.10 Data Transmisi SPI Bus [15]

2.5.2.

Komunikasi USB

Kabel USB telah dirancang untuk memastikan koneksi yang benar selalu dibuat.[3]

[image:35.595.85.526.332.594.2]

USB terdiri dari 4 kabel. Dua di antaranya, D + dan D-, membentuk twisted pair yang bertanggung jawab untuk membawa sinyal data diferensial, serta beberapa sinyal perintah tunggal akhir. Sinyal pada dua kabel tersebut dirujuk ke kabel (ketiga) GND. Kabel keempat disebut VBUS, dan membawa suplai nominal 5V, yang dapat digunakan oleh perangkat sebagai power.[3] Konfigurasi kabel USB ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Gambar 2.11 Konfugurasi Kabel USB [3]

Ada beberapa kondisi sinyal dari USB, yang terbentuk dari kabel D+ dan D-. Perbedaan dari kondisi tersebut adalah:

a) Detached

Ketika tidak ada perangkat USB yang tersambung maka D+ dan D- akan low

seperti pada Gambar 2.12.

(36)

b) Attached

Ketika perangkat tersambung ke host, maka host akan melihat D+ dan D- pada level „1‟, dan mengetahui bahwa perangkat telah terhubung. Sinyal level „1‟ pada D- untuk perangkat low speed dan pada D+ untuk perangkat high speed. Pada Gambar 2.13 merupakan kondisi attached.

Gambar 2.13 Attached State [3] c) Idle

Keadaan ketika garis pulled up dalam keadaan high, dan garis lain low, terlihat pada Gambar 2.14. Keadaan ini terjadi sebelum dan sesudah paket data terkirim.

Gambar 2.14 Idle State [20]

d) Kondisi-kondisi lain dapat dilihat pada Tabel 2.2 dan contoh pengiriman data USB

pada Gambar 2.15.

Tabel 2.2 State pada Koneksi USB [3]

Bus State Levels

Differential '1' D+ high, D- low

Differential '0' D- high, D+ low

Single Ended Zero (SE0) D+ and D- low

Single Ended One (SE1) D+ and D- high

Data J State: Low-speed Full-speed

Differential '0' Differential '1'

Data K State: Low-speed Full-speed

(37)

Tabel 2.2 (Lanjutan) State pada Koneksi USB [3]

Bus State Levels

Idle State: Low-speed Full-speed

D- high, D+- low

D+ high, D- low

Resume State Data K state

Start of Packet (SOP) Data lines switch from idle to K state End of Packet (EOP) SE0 for 2 bit times followed by J state

for 1 bit time

Disconnect SE0 for >= 2us

Connect Idle for 2.5us

Reset SE0 for >= 2.5 us

Gambar 2.15 Contoh Pengiriman Data USB [18]

Tabel 2.3 merupakan paket data yang dikirimkan gamepad ke mikrokontroler. Tabel 2.3 Data Hex dari Gamepad

No. Tombol yang digunakan Data Hex 1 Netral (tidak ada tombol

yang ditekan)

01 00 00 00 00 00 87 87 83 7A 00 00 00 00

00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00