SKRIPSI
DISAIN DAN PENGUJIAN MANIPULATOR ROBOT PEMANEN BUAH DALAM LINGKUNGAN GREENHOUSE
OLEH
BASUKI SETYADI GRAHA F14102059
2007
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR... i
DAFTAR ISI... iii
DAFTAR TABEL ... v
DAFTAR GAMBAR... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... viii
I. PENDAHULUAN... 1
A. LATAR BELAKANG ... 1
B. TUJUAN ... 2
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3
A. ROBOT BIO-PRODUKSI ... 3
B. MANIPULATOR ... 4
C. GREENHOUSE... 8
III. METODOLOGI PENELITIAN ... 10
A. WAKTU DAN TEMPAT ... 10
B. ALAT DAN BAHAN ... 10
C. TAHAPAN PENELITIAN ... 11
D. METODE PENGUJIAN ... 11
IV. PENDEKATAN DISAIN... 16
A. KRITERIA DISAIN ... 16
B. RANCANGAN FUNGSIONAL... 17
C. RANCANGAN STRUKTURAL... 22
D. ANALISIS TEKNIK... 27
V. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 34
A. KONSTRUKSI PROTOTIPE MANIPULATOR... 34
B. KALIBRASI ... 42
C. PENGUJIAN MASING-MASING JOINT ... 44
D. PENGUJIAN MANIPULATOR ... 47
E. PENGUJIAN POINT TO POINT ... 50
VI. KESIMPULAN DAN SARAN ... 54
iv B. SARAN ... 54 DAFTAR PUSTAKA ... 55 LAMPIRAN... 57
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1. Spesifikasi motor stepper ... 22 Tabel 2. Faktor-faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan, fc ... 27
vi DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Robot pemanen Anggur ... 3
Gambar 2. Simbol Joint (JIS) ... 4
Gambar 3. Manipulator Tipe Cartesian-Coordinate ... 6
Gambar 4. Manipulator Tipe Cylindrical-Coordinate... 6
Gambar 5. Manipulator Tipe Polar-Coordinate... 7
Gambar 6. Manipulator Tipe Scara ... 8
Gambar 7. Manipulator Tipe Articulated/Anthropomorphic... 8
Gambar 8. Perhitungan koordinat manipulator tipe cylindrical-coordinate ... 14
Gambar 9. Mekanisme penyusun joint manipulator ... 16
Gambar 10. Manipulator robot pemanen yang telah dibuat ... 34
Gambar 11. Roda caster yang dipasang pada plat besi... 35
Gambar 12. Joint sudut beserta bagian-bagiannya ... 36
Gambar 13. Link vertikal beserta bagian-bagiannya... 38
Gambar 14. Joint vertikal beserta bagian-bagiannya... 39
Gambar 15. Link horizontal beserta bagian-bagiannya... 40
Gambar 16. Joint horizontal beserta bagian-bagiannya... 40
Gambar 17. Sistem pemanenan dari arah depan ... 41
Gambar 18. Sistem pemanenan dari arah menyamping... 42
Gambar 19. Grafik hubungan antara nilai pulsa masukan ke motor stepper dengan putaran sudut joint 1... 42
Gambar 20. Grafik hubungan antara nilai hasil konversi bilangan heksadesimal dengan jarak jangkauan joint 2 ... 43
Gambar 21. Grafik hubungan antara nilai hasil konversi bilangan heksadesimal dengan jarak jangkauan joint 3 ... 43
Gambar 22. Perbandingan jarak input dengan jarak aktual joint 1 ... 44
Gambar 23. Perbandingan jarak input dengan jarak aktual joint 2 ... 45
Gambar 24. Perbandingan jarak input dengan jarak aktual joint 3 ... 46
Gambar 25. Perbandingan nilai input dengan nilai aktual koordinat X... 47
Gambar 27. Perbandingan nilai input dengan nilai aktual koordinat Z ... 48 Gambar 28. Perbandingan jarak tujuan input dengan jarak tujuan aktual ... 49 Gambar 29. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
simpangan pada koordinat X... 50 Gambar 30. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
simpangan pada koordinat Y... 51 Gambar 31. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
simpangan pada koordinat Z ... 52 Gambar 32. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
viii DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Tahapan penelitian... 58
Lampiran 2. Diagram alir program pengendalian manipulator robot pemanen . 59 Lampiran 3. Program pengendalian manipulator ... 60
Lampiran 4. Gambar rangkaian pengendali motor stepper... 70
Lampiran 5. Gambar rangkaian pengendali motor AC ... 71
Lampiran 6. Gambar rangkaian pengendali motor DC... 72
Lampiran 7. Gambar rangkaian penghitung pulsa encoder ... 73
Lampiran 8. Rangkaian pembaca pulsa penghitung encoder... 74
Lampiran 9. Rangkaian pengendali lama putaran motor DC... 75
Lampiran 10. Gambar rangkaian interface digital input output jenis PPI8255 .. 76
Lampiran 11. Gambar konstruksi manipulator ... 77
Lampiran 12. Data pengujian pada joint 1 ... 80
Lampiran 13. Data pengujian pada joint 2 ... 81
Lampiran 14. Data pengujian pada joint 3 ... 82
Lampiran 15. Data hasil pengujian manipulator... 83
Lampiran 16. Data jarak input dan aktual antara titik acuan ke titik tujuan ... 84
Lampiran 17. Data hasil pengujian point to point ... 85
DISAIN DAN PENGUJIAN MANIPULATOR ROBOT PEMANEN BUAH DALAM LINGKUNGAN GREENHOUSE
SKRIPSI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian
Institut Pertanian Bogor
Oleh :
BASUKI SETYADI GRAHA F14102059
2007
DEPARTEMEN TEKNIK PERTANIAN FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
RIWAYAT HIDUP PENULIS
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 17 Februari 1984 yang merupakan anak kedua dari bapak yang bernama Wasito dan ibu bernama (Almarhumah) Tri Winarti. Penulis menyelesaikan pendidikan sekolah dasar di SD Negeri Inpres 04, Tangerang pada tahun 1996. Penulis lalu melanjutkan pendidikan menengah di SLTP YPUI Jakarta Selatan dan tamat pada tahun 1999. Setelah itu, penulis melanjutkan pendidikan tingkat atas di SMU Negeri 47 Jakarta dan tamat pada tahun 2002. Pada tahun 2002 itu juga, penulis melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) diterima di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor dan memilih sub program studi Biosistem, Lab. Ergonomika dan Elektronika..
Selama menjadi mahasiswa di Institut Pertanian Bogor, penulis aktif berorganisasi di Himpunan Profesi Mahasiswa Teknik Pertanian (HIMATETA), di Departemen Informasi dan Komunikasi pada tahun kepengurusan 2004 - 2005 dan menjabat sebagai Ketua Departemen Informasi dan Komunikasi pada tahun kepengurusan 2005 - 2006. Selain itu, penulis juga aktif sebagai pengajar yaitu Asisten Praktikum Mata Kuliah Pengukuran Lingkungan pada tahun 2004, Asisten Praktikum Mata Kuliah Menggambar Teknik pada tahun 2005, Asisten Praktikum Mata Kuliah Motor Bakar dan Tenaga Pertanian pada tahun 2005, Asisten Praktikum Mata Kuliah Kontrol Otomatik pada tahun 2006 dan Asisten Praktikum Mata Kuliah Perbengkelan pada tahun 2006.
Penulis juga pernah mewakili IPB di ajang Kontes Robot Cerdas Indonesia 2005 sebagai ketua tim Robot “Le!” (divisi beroda) dan Kontes Robot Cerdas Indonesia 2006 sebagai anggota tim Robot “NKZ e-IIy” (divisi expert).
Penulis melakukan praktek lapangan di PT Natra Raya (Catterpillar) pada tahun 2005 dengan judul “Aspek Keteknikan Pada Proses Perakitan Hydraulic Excavator di PT Natra Raya”. Sebagai salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian, penulis menyelesaikan Skripsi yang berjudul ”Disain dan Pengujian Manipulator Robot Pemanen Buah dalam Lingkungan Greenhouse”.
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur tiada henti-hentinya terlantun hanyalah kepada pemilik kehidupan Allah SWT, Tuhan semesta alam, atas segala rahmat dan hidayah-Nya. Shalawat serta salam senantiasa tercurahkan kepada Rasulullah SAW, sebagai suri tauladan atas seluruh perilaku kehidupannya. Atas seizin Allah SWT penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Kiranya dengan penyelesaian tugas akhir ini dapat memberikan manfaat yang sebesar-besarnya bagi kemajuan ilmu pengetahuan demi pengharapan atas ridho dari Sang Maha Khalik.
Pada kesempatan ini tidak lupa penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada :
1. Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr. selaku dosen pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan dan transfer ilmunya kepada penulis. 2. Dr. Ir. Suroso. M.Agr. dan Ir. Agus Sutejo, M.Si. selaku dosen penguji
yang telah memberikan masukan berharga kepada penulis demi perbaikan skripsi ini.
3. PROJEK DUE-LIKE IPB Batch III – tahun 2006 atas bantuan dananya. 4. Ibundaku Almh. Tri Winarti atas segala cinta dan tulusnya kasih sayang
sebagai seorang ibu dan guru bagi penulis, apa yang bunda berikan tiada akan pernah bisa nanda balas.
5. Bapak Wasito, Ibu Mir, Mbak Titin, Mas Tommy dan malaikat kecilku Diaz atas segala doa, motivasi dan jutaan kasih sayang yang tiada akan pernah lekang oleh waktu.
6. Guru-guru besarku Pak Made, Pak Radite, Pak Parma, Renato, Ridwan, Deni, Ichsan, Slamet, Sofyan, dan Bagdo yang telah berjasa memberikan ilmu dan pengetahuannya dalam bidang robotika, mekatronika, pemrograman, dan AutoCad
7. Tempatku bernaung Rizqina crew, Gizi crew, Ergo crew dimana canda, tawa dan tangis selalu mengiringi kebersamaan kita.
8. Klub Robot Teknik Pertanian AERS dan Himateta IPB tempat menuangkan ide, kreatifitas, ilmu dan kemampuan, semoga tiap peluh yang kita cucurkan menjadi ladang amal bagi kita semua.
ii 9. Sahabat sekaligus saudaraku di TEP ’39, ingatanku akan selalu mengenang hari-hari nan indah ketika bersamamu menuntut ilmu, semoga ilmu yang kita peroleh menjadi ilmu yang bermanfaat.
10.Seluruh pihak yang membantu penulis dan tidak dapat disebutkan satu-persatu. Allah SWT akan selalu membalas budi baik hambanya.
Semoga karya tulis ini dapat memberikan manfaat bagi kita semua. Penulis menyadari atas kekurangan dalam karya tulis ini, sehingga permohonan maaf yang sebesar-besarnya dihaturkan oleh penulis. Saran dan kritik yang membangun sangat penulis harapkan. Terima kasih.
Bogor, Januari 2007
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR... i
DAFTAR ISI... iii
DAFTAR TABEL ... v
DAFTAR GAMBAR... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... viii
I. PENDAHULUAN... 1
A. LATAR BELAKANG ... 1
B. TUJUAN ... 2
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 3
A. ROBOT BIO-PRODUKSI ... 3
B. MANIPULATOR ... 4
C. GREENHOUSE... 8
III. METODOLOGI PENELITIAN ... 10
A. WAKTU DAN TEMPAT ... 10
B. ALAT DAN BAHAN ... 10
C. TAHAPAN PENELITIAN ... 11
D. METODE PENGUJIAN ... 11
IV. PENDEKATAN DISAIN... 16
A. KRITERIA DISAIN ... 16
B. RANCANGAN FUNGSIONAL... 17
C. RANCANGAN STRUKTURAL... 22
D. ANALISIS TEKNIK... 27
V. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 34
A. KONSTRUKSI PROTOTIPE MANIPULATOR... 34
B. KALIBRASI ... 42
C. PENGUJIAN MASING-MASING JOINT ... 44
D. PENGUJIAN MANIPULATOR ... 47
E. PENGUJIAN POINT TO POINT ... 50
VI. KESIMPULAN DAN SARAN ... 54
iv B. SARAN ... 54 DAFTAR PUSTAKA ... 55 LAMPIRAN... 57
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1. Spesifikasi motor stepper ... 22 Tabel 2. Faktor-faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan, fc ... 27
vi DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1. Robot pemanen Anggur ... 3
Gambar 2. Simbol Joint (JIS) ... 4
Gambar 3. Manipulator Tipe Cartesian-Coordinate ... 6
Gambar 4. Manipulator Tipe Cylindrical-Coordinate... 6
Gambar 5. Manipulator Tipe Polar-Coordinate... 7
Gambar 6. Manipulator Tipe Scara ... 8
Gambar 7. Manipulator Tipe Articulated/Anthropomorphic... 8
Gambar 8. Perhitungan koordinat manipulator tipe cylindrical-coordinate ... 14
Gambar 9. Mekanisme penyusun joint manipulator ... 16
Gambar 10. Manipulator robot pemanen yang telah dibuat ... 34
Gambar 11. Roda caster yang dipasang pada plat besi... 35
Gambar 12. Joint sudut beserta bagian-bagiannya ... 36
Gambar 13. Link vertikal beserta bagian-bagiannya... 38
Gambar 14. Joint vertikal beserta bagian-bagiannya... 39
Gambar 15. Link horizontal beserta bagian-bagiannya... 40
Gambar 16. Joint horizontal beserta bagian-bagiannya... 40
Gambar 17. Sistem pemanenan dari arah depan ... 41
Gambar 18. Sistem pemanenan dari arah menyamping... 42
Gambar 19. Grafik hubungan antara nilai pulsa masukan ke motor stepper dengan putaran sudut joint 1... 42
Gambar 20. Grafik hubungan antara nilai hasil konversi bilangan heksadesimal dengan jarak jangkauan joint 2 ... 43
Gambar 21. Grafik hubungan antara nilai hasil konversi bilangan heksadesimal dengan jarak jangkauan joint 3 ... 43
Gambar 22. Perbandingan jarak input dengan jarak aktual joint 1 ... 44
Gambar 23. Perbandingan jarak input dengan jarak aktual joint 2 ... 45
Gambar 24. Perbandingan jarak input dengan jarak aktual joint 3 ... 46
Gambar 25. Perbandingan nilai input dengan nilai aktual koordinat X... 47
Gambar 27. Perbandingan nilai input dengan nilai aktual koordinat Z ... 48 Gambar 28. Perbandingan jarak tujuan input dengan jarak tujuan aktual ... 49 Gambar 29. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
simpangan pada koordinat X... 50 Gambar 30. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
simpangan pada koordinat Y... 51 Gambar 31. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
simpangan pada koordinat Z ... 52 Gambar 32. Grafik perbandingan antara titik pergerakan manipulator dengan
viii DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Tahapan penelitian... 58
Lampiran 2. Diagram alir program pengendalian manipulator robot pemanen . 59 Lampiran 3. Program pengendalian manipulator ... 60
Lampiran 4. Gambar rangkaian pengendali motor stepper... 70
Lampiran 5. Gambar rangkaian pengendali motor AC ... 71
Lampiran 6. Gambar rangkaian pengendali motor DC... 72
Lampiran 7. Gambar rangkaian penghitung pulsa encoder ... 73
Lampiran 8. Rangkaian pembaca pulsa penghitung encoder... 74
Lampiran 9. Rangkaian pengendali lama putaran motor DC... 75
Lampiran 10. Gambar rangkaian interface digital input output jenis PPI8255 .. 76
Lampiran 11. Gambar konstruksi manipulator ... 77
Lampiran 12. Data pengujian pada joint 1 ... 80
Lampiran 13. Data pengujian pada joint 2 ... 81
Lampiran 14. Data pengujian pada joint 3 ... 82
Lampiran 15. Data hasil pengujian manipulator... 83
Lampiran 16. Data jarak input dan aktual antara titik acuan ke titik tujuan ... 84
Lampiran 17. Data hasil pengujian point to point ... 85
I. PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Tingginya minat angkatan kerja muda untuk bekerja di bidang industri non pertanian, ditambah kesan kotor dan kurang nyamannya lingkungan kerja pertanian menjadi ancaman akan ketersediaan tenaga kerja di bidang pertanian di masa yang akan datang. Permintaan pasar pun pada produk pertanian yang memiliki tingkat higienis maupun kebersihan yang tinggi, membuat para petani lebih memikirkan cara penanganan produk pertanian yang lebih bersih dan higienis seperti di dalam greenhouse yang bebas dari campur tangan biologis seperti manusia.
Adanya kecenderungan tersebut menjadi tantangan bagi tenaga ahli di bidang teknik pertanian untuk menyediakan tenaga mekanis yang mampu mengganti atau membantu peran manusia dalam melakukan pekerjaan di bidang pertanian. Namun kompleksnya pekerjaan di bidang pertanian menyebabkan tidak semua pekerjaan bisa dilakukan dengan mesin konvensional. Pekerjaan di bidang pertanian tersebut memerlukan tingkat selektifitas yang tinggi, sehingga dibutuhkan mesin yang lebih canggih yang mampu membedakan target dan non target. Mesin yang bisa melakukan tugas seperti itu adalah robot bio-produksi.
Beberapa alasan yang dapat mendukung pentingnya robot bio-produksi yaitu : (1) Meskipun telah banyak pekerjaan di bidang pertanian yang telah dimekanisasi, masih terdapat banyak kecelakaan, masih banyak pekerjaan monoton yang tidak cocok untuk dikerjakan oleh manusia; (2) Tenaga kerja pertanian yang cenderung semakin berkurang karena jika dibandingkan dengan industri lain, pertanian kurang mendatangkan minat sebagai usaha yang berprospek cerah; (3) Permintaan pasar untuk kualitas produk merupakan faktor penting dalam bio-produksi. Evaluasi produk yang dilakukan melalui pengamatan manusia tidak dapat dipercaya terutama dalam hal stabilitas dan keseragaman, walaupun kemampuan manusia dalam memberi persepsi dan alasan belum sepenuhnya dapat diterapkan pada robot.
2 Berikut ini adalah beberapa proyek pengembangan robot-robot bio-produksi yang sedang dan terus dikembangkan universitas di Jepang, bekerjasama dengan pusat penelitian milik pemerintah dan perusahaan-perusahaan produksi alat-alat pertanian. Beberapa diantaranya adalah robot pemangkas dan pemetik buah anggur, robot pemetik mentimun, robot pembersih lapangan rumput, robot pemetik buah strawberry, robot pemetik tomat buah, robot pemetik tomat mini serta robot penanam bunga potong.
Robot bio-produksi diharapkan mampu menggantikan atau dapat membantu manusia di bidang pertanian, khususnya dalam hal pemanenan. Untuk dapat melakukan pemanenan, robot bio-produksi perlu dilengkapi dengan manipulator yang fungsinya hampir sama dengan lengan manusia. Oleh karena itu, dengan adanya penelitian disain dan pengujian manipulator robot pemanen buah dalam lingkungan greenhouse ini diharapkan mampu mengembangkan pengetahuan di bidang robotika khususnya robot bio-produksi di Indonesia.
B. TUJUAN
Tujuan umum dari penelitian ini adalah mendisain manipulator robot pemanen buah dalam lingkungan greenhouse sesuai dengan tipe manipulator yang telah ditentukan, yaitu manipulator tipe cylindrical-coordinate. Sedangkan tujuan khusus dari penelitian ini, yaitu merancang bangun dan menguji kemampuan manipulator robot pemanen buah dalam lingkungan greenhouse dalam menjangkau target dalam koordinat ruang.
II. TINJAUAN PUSTAKA A. ROBOT BIO-PRODUKSI
Definisi robot bio-produksi, bagaimanapun, belumlah jelas di kalangan profesional yang berhubungan dengan bidang ini. Dengan demikian pengertian mengenai apa yang dimaksud dengan robot bio-produksi masih menjadi subjek diskusi (Kondo dan Ting, 1998).
Secara garis besar, robot bio-produksi memiliki struktur dasar antara lain: manipulator, end-effector, vision sensor, traveling device, control device, dan actuator (Rochim, 2004).
Robot bio-produksi dalam pekerjaannya harus mampu membedakan target dan non-target, karena letak target yang acak. Berbeda halnya dengan robot industri yang letak targetnya selalu tetap, sehingga tidak membutuhkan kemampuan untuk membedakan target dan non-target.
Robot bio-produksi dirancang untuk menangani: tanaman, binatang, makanan dan objek biologi lainnya. Oleh karena itu, perlu pengetahuan mengenai karakteristik objek biologis. Aspek sosial seperti ekonomi, manajemen, pemasaran, dan tingkat penerimaan masyarakat terhadap teknologi ini juga perlu dipertimbangkan. Beberapa contoh robot bio-produksi dapat dilihat pada Gambar 1.
4
B.
MANIPULATOR
Berdasarkan Japanese Industrial Standard (JIS B0134-1986, Terms for Industrial Robots), manipulator adalah peralatan yang mempunyai fungsi sama dengan lengan manusia dan dapat memindahkan benda dalam ruang tiga dimensi.
Banyak yang mengira bahwa manipulator sama seperti lengan manusia, karena mempunyai fungsi hampir sama dengan lengan manusia. Tetapi pada kenyataan mekanismenya tidak sama dengan lengan manusia, misalnya saja jenis mekanisme dari manipulator terdiri dari berbagai tipe, seperti: cartersian coordinate, cylindrical cooordinate, scara, dan lain sebagainya, sehingga manipulator tidak selalu dapat disebut dengan lengan.
Manipulator tersusun dari joint dan link. Mobilitas dari manipulator dijamin dengan adanya joint (sambungan) antara dua lengan (link). Joint yang membentuk manipulator dibedakan secara umum menjadi dua, yaitu “rotational joint” dan “prismatic joint”. Rotational joint menyediakan gerakan berputar, sedangkan prismatic joint untuk menyediakan gerakan translasi. Simbol untuk joint terlihat pada Gambar 2.
Prismatic Joint Rotational Joint
Gambar 2. Simbol Joint (JIS)
Menurut (Okamoto et al., 1992) banyaknya sambungan (joint) dan mata rantai (link) disebut derajat bebas (degree of freedom/ DOF). Supaya dapat bergerak dalam ruang tiga dimensi, manipulator membutuhkan minimal tiga
derajat bebas. Semakin besar jumlah derajat bebas, akan semakin kompleks konstruksi robot dan semakin sulit untuk mengontrol sistem. Mekanisme dasar manipulator dapat diubah sesuai dengan derajat bebas, tipe joint, panjang link, dan panjang offset.
Struktur dasar manipulator sangat berbeda dari mesin konvensional karena manipulator memiliki banyak link dengan dua ujung dimana ujung yang satu bebas dan ujung yang lain tetap. Manipulator tersusun atas link dan joint. Mobilitas dari manipulator dijamin dengan adanya joint (sambungan) antara dua titik. Pada suatu rantai kinematik terbuka, tiap sambungan prismatik atau sambungan putar menyediakan derajat mobilitas tunggal. Derajat mobilitas manipulator tersalur sepanjang struktur mekanisnya untuk menyediakan derajat bebas yang diperlukan dalam melakukan pekerjaan.
Umumnya manipulator memerlukan 6 DOF agar dapat menggerakkan end-effector ke posisi dan postur yang tepat dalam ruang 3D. Tetapi jumlah DOF bisa berapa saja sesuai keperluan. Semakin banyak DOF akan makin fleksibel, tetapi mekanisme dan cara mengontrolnya akan makin kompleks dan makin berat.
Manipulator robot bioproduksi dalam operasinya harus mampu menghindari benturan dengan penghalang dan mencapai sasaran dengan baik meskipun lokasi sasaran cukup kompleks.
Jenis-jenis manipulator antara lain:
1. Manipulator Tipe Cartesian-Coordinate/ Rectangular-Coordinate
Manipulator tipe cartesian-coordinate mempunyai 3 prismatic joint yang berperan dalam menetapkan posisi dalam ruang. mekanisme dan kontrol dari manipulator ini mudah, tetapi kurang fleksibel. Manipulator jenis ini mempunyai nilai keakuratan yang lebih tinggi dibandingkan dangan manipulator jenis lain. Positioning accuracy adalah tetap diseluruh lokasi workspace. Manipulator jenis ini banyak digunakan untuk material handling dan assembly. Bentuk dari manipulator tipe cartesian-coordinate dapat dilihat pada Gambar 3.
6 Gambar 3. Manipulator Tipe Cartesian-Coordinate
2. Manipulator Tipe Cylindrical-Coordinate
Manipulator tipe cylindrical-coordinate mempunyai 2 prismatic joint dan 1 rotational joint yang kurang berperan dalam menentukan posisi dalam ruang. Manipulator jenis ini lebih fleksibel dibanding jenis yang pertama. Positioning accuracy menurun dengan bertambahnya stroke horizontal. Bentuk dari manipulator tipe cylindrical-coordinate dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Manipulator Tipe Cylindrical-Coordinate
Untuk End-Effector Prismatic Joint End-Effector Joint putar Prismatik Joint Untuk
3. Manipulator Tipe Polar-Coordinate/ Spherical-Coordinate
Manipulator tipe spherical-coordinate mempunyai 1 prismatic joint dan 2 rotational joint yang berperan dalam menentikan posisi dalam ruang. Manipulator jenis ini lebih fleksibel dari dua tipe sebelumnya. Positioning accuracy menurun dengan bertambahnya stroke radial. spherical-coordinate manipulator umum digunakan untuk machining. Bentuk dari manipulator tipe spherical-coordinate dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Manipulator Tipe Polar-Coordinate
4. Manipulator Tipe Scara
Manipulator tipe scara memiliki kekuatan relatif tinggi untuk pembebanan vertikal dan lentur untuk pembebanan horizontal. Umum digunakan untuk menangani benda kecil. (SCARA = Selective Compliance Assembly Robot Arm). Bentuk dari manipulator tipe scara dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Manipulator Tipe Scara. Joint putar End-effector Untuk End-effector Prismatik Joint putar Prismatik joint Untuk
8 5. Manipulator Tipe Articulated/Anthropomorphic
Manipulator tipe articulated/anthropomorphic mempunyai 3 joint yang berperan dalam menentukan posisi dalam ruang. Joint-joint tersebut adalah tipe rotational joint. Ditambah dengan joint lainnya untuk mengatur lengan dan end-effector. Manipulator jenis ini mempunyai joint-joint yang mirip dengan lengan manusia yaitu, bahu, siku dan pergelangan tangan. Manipulator ini paling fleksibel dan cepat tetapi mekanisme dan cara kontrol makin sulit serta akurasi posisi lebih rendah dibanding jenis-jenis manipulator sebelumnya. Bentuk umum dari manipulator dengan tipe articulated/anthropomorphic dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Manipulator Tipe Articulated/Anthropomorphic.
C. GREENHOUSE
Greenhouse berasal dari kata “green” yang berarti hijau dan “house” yang berarti rumah. Oleh karena itu greenhouse bisa diterjemahkan sebagai rumah hijau, karena tanaman yang ditanam didalamnya selalu tampak hijau sepanjang tahun (Widyastuti, 1993).
Menurut Nelson (1981) greenhouse didefinisikan sebagai suatu bangunan yang memiliki struktur atap dan dinding yang bersifat tembus cahaya, sehingga tanaman tetap memperoleh cahaya matahari dan terhindar dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan.
Untuk End-Effector Joint Putar Elbow Shoulder Waist
Greenhouse berfungsi melindungi tanaman dari kondisi yang kurang menguntungkan, sehingga tanaman yang tumbuh di dalam greenhouse dapat tumbuh dengan baik dibandingkan dengan tanaman yang tumbuh di lahan terbuka. Lingkungan di dalam greenhouse merupakan areal tertutup sehingga kondisi di dalamnya dapat dikendalikan sesuai dengan kondisi lingkungan yang optimum bagi tanaman. Greenhouse dapat melindungi tanaman dari hujan, angin kencang dan juga serangan hama. Kondisi-kondisi lingkungan yang mempengaruhi pertumbuhan bagi tanaman seperti temperatur, kelembapan udara, intensitas cahaya matahari, dan kecepatan angin juga dapat diatur sedemikian rupa, sehingga menguntungkan bagi pertumbuhan tanaman.
10 III. METODOLOGI PENELITIAN
A. WAKTU DAN TEMPAT
Penelitian dilaksanakan mulai Juni 2006 sampai dengan Desember 2006. Pembuatan prototipe manipulator robot dilakukan di Bengkel dan Laboratorium Ergonomika dan Elektronika Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Kalibrasi serta pengujian dilakukan di Laboratorium Ergonomika dan Elektronika Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
B. ALAT DAN BAHAN 1. Alat Penelitian
a. Alat ukur yang digunakan untuk pengukuran koordinat ruang terdiri dari penggaris, meteran dan busur derajat.
b. Alat untuk pembuatan prototipe antara lain gerinda potong, las listrik, gerinda tangan, bor listrik, mesin bubut, gergaji, taps, skrap, obeng, tang, kunci pas dan kunci ring.
c. Alat untuk pembuatan rangkaian elektronik antara lain solder, solder sucker, tang potong, multitester digital dan osiloskop.
d. Peralatan untuk pembuatan program yaitu seperangkat komputer (PC) PentiumTM, 100MHz dengan slot ISA.
2. Bahan Penelitian
a. Bahan untuk konstruksi manipulator antara lain:
• Caster (roda bebas) ukuran tinggi 34 mm dan dimeter roda 25 mm. • Slider, rack-pinion, poros berulir, dan worm-gear.
• Gear box dengan perbandingan 1:10.
• Plat besi ukuran 400 x 400 mm dan tebal 20 mm. • Plat Alumunium tebal 12 mm
• Besi siku ukuran 92 x 92 mm dan 60 x 60 dengan tebal 5 mm • mur, baut dan ring sebagai pengencang
• Motor Stepper merk Vexta model ASM66AC-T3.6 produksi Oriental Motor, tegangan 2,69 volt dan arus 1,7 ampere.
• Motor DC daya 60 Watt, tegangan 65 volt, arus 1,3 ampere
• Motor AC merk Mitsubishi tipe HC-MFS13B, tegangan AC tiga phase 105 V, arus 0,3 A, daya output 100 W
b. Bahan untuk pembuatan rangkaian elektronik antara lain PCB, resistor, kapasitor, dioda, trimpot, LED, transistor, mosfet, trafo, relay, limit switch, IC (Intregated Circuit), PPI 8255, dan kabel
C. TAHAPAN PENELITIAN
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode pendekatan rancangan secara umum yaitu berdasarkan pendekatan rancangan fungsional dan pendekatan rancangan struktural. Tahapan dari penelitian yang dilaksanakan dapat dilihat pada Lampiran 1.
D. METODE PENGUJIAN
Pengujian dilakukan dengan menghitung simpangan dan ketepatan antara nilai masukan dengan nilai aktual. Simpangan dihitung dengan mengikuti persamaan berikut ini.
i o n y y y = − ...(1) dimana: yn = simpangan ke-n yi = jarak seharusnya y0 = jarak aktual
Ketepatan dihitung dengan mengikuti persamaan berikut ini. Ketepatan = 1 ×100% − − H X H ...(2) dimana: H = jarak seharusnya X = jarak aktual
12 Pengujian yang dilakukan pada manipulator robot yaitu antara lain: 1. Kalibrasi
Kalibrasi dilakukan untuk mendapatkan hubungan antara jarak dan sudut jangkauan yang diinginkan dengan nilai masukan untuk pergerakan dari joint, yang dihasilkan oleh putaran dari motor listrik. Kalibrasi ini dilakukan berulang-ulang dengan memasukkan nilai heksadesimal yang berbeda-beda dimulai dari yang terkecil hingga terbesar sampai pergerakan joint mencapai jangkauan maksimum. Data-data kalibrasi tersebut kemudian dicari persamaan linearnya sehingga persamaan tersebut dapat dimasukkan kedalam program pengendalian manipulator.
Karena manipulator yang dibuat menggunakan 2 jenis motor yang berbeda yaitu motor servo dan motor stepper, maka teknik pengkalibrasian antara dua jenis motor tersebut berbeda.
Kalibrasi pada motor stepper dilakukan untuk mendapatkan hubungan antara jarak dan sudut jangkauan yang diinginkan dengan pulsa keluaran ke motor stepper. Kalibrasi pada motor stepper dilakukan dengan cara pertama kali joint 1 digerakkan ke posisi limit switch (titik acuan). Kemudian nilai pulsa keluaran dimasukkan ke dalam program pengendalian pergerakan motor stepper. Setelah itu, program tersebut dijalankan dan motor berputar sehingga joint 1 berputar menuju sudut jangkauan tertentu. Setelah itu, sudut jangkauan perputaran dari joint 1 diukur dengan menggunakan busur derajat.
Kalibrasi pada motor servo dilakukan untuk mendapatkan hubungan antara jarak dan sudut jangkauan yang diinginkan dengan nilai pulsa encoder. Kalibrasi pada motor servo dilakukan dengan cara pertama kali joint 2 atau 3 digerakkan ke posisi limit switch (titik acuan). Kemudian nilai heksadesimal dimasukkan ke dalam program pengendalian motor servo. Setelah itu, program tersebut dijalankan dan motor berputar sehingga joint 2 atau 3 bergerak. Nilai heksadesimal tersebut akan dibandingkan oleh IC pencacah dari pulsa
encoder, jika sama maka pergerakan joint akan terhenti. Setelah itu, jarak jangkauan dari joint 2 dan joint 3 diukur dengan menggunakan penggaris atau meteran.
2. Pengujian pada masing-masing joint
Pengujian pada masing-masing joint dilakukan untuk mendapatkan simpangan (error) dan ketepatan jarak atau sudut target jangkauan pada masing-masing joint. Dengan adanya pengujian ini, dapat diketahui ketepatan jangkauan dari masing-masing joint dan juga dapat diketahui joint yang menyumbangkan simpangan (error) terbesar pada pergerakan manipulator.
Pengujian dilakukan dengan cara memasukkan nilai jarak atau sudut yang harus dicapai oleh joint. Kemudian dengan menggunakan alat ukur (penggaris atau busur derajat) jarak atau sudut jangkauan diukur (jangkauan aktual). Pada masing-masing pengujian dilakukan tiga kali pengulangan.
3. Pengujian manipulator
Pengujian dilakukan dengan terlebih dahulu membuat program pengendalian pergerakan manipulator menuju titik sasaran dalam koordinat tiga dimensi. Diagram alir program pengendalian pergerakan manipulator menuju titik sasaran dapat dilihat pada Lampiran 2.
Manipulator yang dibuat merupakan manipulator dengan tipe cylindrical-cordinate sehingga perhitungan posisi tiga dimensinya dapat dilihat pada Gambar 8. Pehitungan ini lalu dimasukkan ke dalam program pengendalian manipulator. Program pengendalian pergerakan manipulator ini dibuat dalam bahasa-C yang dapat dilihat pada Lampiran 3.
14 Gambar 8. Perhitungan koordinat manipulator tipe cylindrical-coordinate
Pengujian manipulator dilakukan untuk mendapatkan simpangan (error) dan ketepatan jangkauan antara titik koordinat yang harus dituju (titik koordinat masukan) dengan pencapaian titik koordinat tujuan (titik koordinat aktual). Uji kinerja ini dilakukan melalui titik acuan, dalam artian setiap pergerakan manipulator dimulai dari titik acuan. Setiap manipulator sudah mencapai titik koordinat tujuan, maka manipulator tersebut harus kembali lagi ke titik acuan, sebelum bermanuver ke titik koordinat tujuan berikutnya.
Pengujian dilakukan dengan cara memasukkan nilai koordinat tiga dimensi X,Y, dan Z. Penentuan nilai koordinat ini dilakukan secara random. Setelah itu diukur pergerakan jangkauan masing-masing joint. Pengukuran tidak dilakukan melalui pengukuran koordinat X dan Y, kecuali koordinat Z. Hal ini dikarenakan pengukuan koordinat X dan Y sulit dilakukan karena mengukur koordinat ruang dan tidak mengukur pergerakan atau jangkauan dari joint sehingga kesalahan pengukuran dapat terjadi. Berbeda halnya
X Y Z P XP YP ZP
θ
r θ = atan Xp Yp r = XP2 + YP2 Z = ZP Pr 2 2 2 Pr = Xp +Yp +Zpdengan mengukur koordinat Z dimana pengukuran dilakukan pada pergerakan vertikal dari joint horizontal, sehingga kesalahan pada saat pengukuran sangat kecil.
Pengukuran dilakukan dengan mengukur pergerakan dari link horizontal (nilai r) dan pergerakan joint 1 atau joint sudut (besar sudut). Kemudian dengan memasukkan nilai r dan besar sudut tersebut ke dalam rumus koordinat dua dimensi didapatkan nilai koordinat X dan Y.
4. Pengujian point to point
Pengujian ini lakukan untuk mendapatkan simpangan (error) pada pergerakan manipulator dari titik koordinat yang satu ke titik koordinat berikutnya tanpa adanya koreksi ke titik acuan. Pengujian ini dimaksudkan untuk mengetahui seberapa besar simpangan dan ketepatan manipulator ketika harus bermanuver dari satu titik ke titik berikutnya tanpa harus kembali ke titik acuan. Hal ini menuntut programmer untuk membuat program yang dapat menyimpan dan mengingat titik-titik koordinat target dari manipulator, baik titik koordinat sebelum maupun titik koordinat dimana titik jangkauan manipulator itu berada.
Pengujian hanya dilakukan pada dua titik koordinat jangkauan pada satu kali pengujian. Penentuan titik koordinat target dipilih secara random. Pengujian dilakukan dengan cara pertama-tama manipulator di arahkan ke titik acuan. Kemudian nilai koordinat tiga dimensi X,Y, dan Z dimasukkan kedalam program. Setelah itu diukur pergerakan jangkauan masing-masing joint. Metode pengukuran sama seperti pada pengujian manipulator yaitu tidak dilakukan melalui pengukuran koordinat X dan Y, kecuali koordinat Z tetapi dengan mengukur link horizontal (nilai r) dan joint sudut (besar sudut).
16 IV. PENDEKATAN DISAIN
A. KRITERIA DISAIN
Persyaratan yang harus dimiliki oleh manipulator adalah manipulator ini harus mampu menjangkau benda dalam ruang tiga dimensi sesuai dengan koordinat yang telah ditentukan. Manipulator yang dibuat merupakan manipulator tipe cylindrical coordinate. Pemilihan tipe manipulator ini didasarkan pada kemudahan dalam perancangan, kemudahan dalam pembuatan dan perakitan, jumlah joint sedikit (3 buah joint), kemudahan dalam perhitungan matematis untuk pencapaian titik koordinat target tujuan.
Manipulator yang dibuat terdiri dari 3 derajat bebas (3 DOF) atau 3 buah joint. Ketiga joint tersebut terdiri dari 2 prismatic joint dan 1 rotational joint. Rotational joint menggerakkan manipulator dalam arah putaran mendatar sehingga dapat disebut joint sudut. Prismatic joint yang pertama menyediakan gerak translasi pada manipulator dalam arah vertikal atau manipulator bekerja naik atau turun. Prismatic joint yang kedua menggerakkan manipulator menjangkau target dalam arah horizontal, dalam hal ini manipulator bekerja merentang atau memendek. Mekanisme joint yang menyusun manipulator tipe cylindrical coordinate disajikan pada Gambar 9..
Gambar 9. Mekanisme joint penyusun manipulator. Prismatik joint horizontal
Rotational joint Prismatik joint
B. RANCANGAN FUNGSIONAL
Manipulator yang dibuat berfungsi untuk menjangkau benda dalam ruang tiga dimensi sesuai dengan koordinat yang diinginkan. Karena merupakan robot pemanen maka benda disini merupakan buah yang masih terdapat di pohonnya, sehingga ujung manipulator ini nantinya akan dipasangi dengan end-effector untuk memanen buah tersebut.
Untuk mendukung fungsi tersebut maka diperlukan komponen-komponen lain yang saling berkaitan agar manipulator yang dibuat dapat bekerja sesuai dengan fungsinya. Komponen-komponen tersebut beserta fungsinya antara lain:
1. Dudukan Bawah
Dudukan bawah berfungsi sebagai tempat menopang seluruh bagian manipulator. Dudukan bawah terdiri dari komponen dengan fungsi masing-masing antara lain:
• Roda bebas (caster)
Roda bebas (caster) berfungsi untuk mempermudah dalam pemindahan manipulator (portable).
• Plat Besi
Plat besi berfungsi sebagai dudukan dari gearbox, sehingga boleh dikatakan plat besi ini menopang seluruh bagian manipulator. 2. Joint Sudut
Joint sudut berfungsi memutar manipulator pada sumbu putar atau titik poros pada bidang datar horizontal. Bidang datar horizontal mencakup koordinat x dan y juga koordinat –x dan y. Sehingga titik poros putaran manipulator merupakan titik acuan yaitu koordinat (0,0). Komponen yang menyusun joint sudut antara lain:
• Gearbox
Gearbox berfungsi untuk merubah arah putaran poros dari arah mendatar menjadi tegak lurus terhadap sumber putaran. Gearbox juga berfungsi sebagai sumbu putar atau titik poros dari manipulator. Gearbox juga mereduksi putaran yang dihasilkan oleh motor stepper dengan perbandingan 1 : 10.
18 • Motor stepper
Motor stepper berfungsi sebagai actuator pada joint sudut yang memutar manipulator pada sumbu putar atau titik poros pada bidang datar horizontal.
• Dudukan motor stepper
Dudukan motor stepper berfungsi untuk menahan motor stepper sehingga dapat menyalurkan dayanya ke gearbox.
• Kopel
Kopel berfungsi menghubungkan poros motor stepper yang berdiameter 8 mm dengan poros gearbox yang berdiameter 10 mm. • Plat poros besi
Plat poros besi berfungsi menggabungkan poros output dari gearbox dengan plat dudukan dari link vertikal.
3. Link Vertikal
Link vertikal berfungsi sebagai dudukan dari link horizontal. Link vertikal menopang link horizontal yang bekerja naik atau turun untuk menjangkau koordinat dalam arah vertikal (koordinat z). Komponen-komponen penyusun link vertikal antara lain:
• Plat dudukan
Plat dudukan terdapat dibagian atas maupun bagian bawah dari link vertikal. Plat dudukan ini berfungsi sebagai dudukan bearing (penopang ulir) dan plat siku (penopang slider vertikal).
• Plat siku
Plat siku berfungsi sebagai penumpu dari slider vertikal. • Bantalan (bearing)
Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehingga putaran atau gerakan bolak-baliknya dapat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur (Sularso dan Suga, 1987). Bantalan pada rancangan ini berfungsi sebagai komponen yang menumpu poros ulir.
• Slider Vertikal
Slider vertikal berfungsi sebagai track (lintasan) bagi gerakan naik dan turunnya link horizontal.
• Ulir
Ulir berfungsi sebagai sistem transmisi pendorong turun atau naik bagi joint horizontal. Putaran dari ulir ini yang dapat menyebabkan joint horizontal dapat bergerak naik atau turun.
4. Joint Vertikal
Joint vertikal berfungsi memutar poros ulir, sehingga dudukan dari link horizontal dapat bergerak naik atau turun. Joint vertikal menggerakkan link horizontal naik atau turun untuk menjangkau koordinat dalam arah vertikal (koordinat z). Joint vertikal terdiri dari:
• Motor servo DC
Motor servo DC berfungsi sebagai actuator pada joint vertikal yang memutar poros berulir melalui worm-gear. Motor servo DC sudah dilengkapi encoder dan brake (rem). Encoder berfungsi untuk mengetahui sudut putar dari motor servo DC, sehingga pergerakan joint horizontal dalam arah vertikal dapat diketahui atau diukur. Rem berfungsi untuk menghentikan, mengatur dan mencegah putaran yang tidak dikehendaki pada putaran motor servo DC.
• Dudukan motor servo DC
Dudukan motor servo DC berfungsi untuk menahan motor servo sehingga dapat menyalurkan dayanya ke worm-gear.
• Worm-gear
Worm-gear berfungsi mereduksi putaran dari motor servo DC untuk disalurkan ke poros berulir.
5. Link Horizontal
Link horizontal berfungsi menjangkau koordinat dari sasaran r melalui gerakan translasi. Koordinat r merupakan titik pada koordinat x dan y. Titik ujung dari link horizontal merupakan tempat dudukan dari end-effector. Komponen yang menyusun link horizontal antara lain:
20 • Kotak segiempat
Kotak segiempat berfungsi sebagai penghubung antara link vertikal dengan link horizontal. Kotak segiempat juga berfungsi sebagai dudukan motor servo AC dan dudukan dari slider horizontal. • Slider Horizontal
Slider horizontal berfungsi sebagai track (lintasan) bagi gerakan maju dan mundurnya rack.
6. Joint horizontal
Joint horizontal berfungsi menggerakkan rack dan slider horizontal maju atau mundur. Joint horizontal terdiri dari:
• Motor servo AC
Motor servo AC berfungsi sebagai actuator pada joint horizontal yang terhubung ke rack-pinion. Motor servo AC sudah dilengkapi encoder dan brake (rem). Encoder berfungsi untuk mengetahui sudut putar dari motor servo AC, sehingga pergerakan joint horizontal dalam arah horizontal dapat diketahui atau diukur. Rem berfungsi untuk menghentikan, mengatur dan mencegah putaran yang tidak dikehendaki pada putaran motor servo AC.
• Rack-pinion
Rack-pinion berfungsi merubah gerak rotasi (pinion dari putaran motor servo AC menjadi gerak translasi (rack).
7. Sistem Kendali • Power supply
Power supply berfungsi memberikan catu daya bagi rangkaian-rangkaian elektronika penunjang dan motor-motor penggerak pada manipulator.
• Rangkaian pengendali motor stepper
Rangkaian pengendali motor stepper berfungsi mengendalikan motor stepper melalui amplifier dari motor stepper dalam hal pemberian sinyal pulsa dan arah putaran motor. Rangkaian ini dilengkapi limit switch untuk keamanan dan titik acuan.
• Rangkaian pengendali motor servo AC
Rangkaian pengendali motor servo AC berfungsi mengendalikan motor servo AC melalui amplifier dari motor servo AC dalam hal pemberian sinyal pulsa dan arah putaran motor. Rangkaian ini juga mengendalikan secara langsung brake, dan limit switch untuk keamanan dan sebagai titik acuan.
• Rangkaian pengendali motor servo DC
Rangkaian pengendali motor servo DC berfungsi mengendalikan motor servo DC dalam hal penyalaan, arah putaran, brake atau rem, dan limit switch untuk keamanan dan sebagai titik acuan.
• Rangkaian penghitung pulsa encoder
Rangkaian penghitung pulsa encoder berfungsi menghitung atau mencacah pulsa keluaran dari encoder.
• Rangkaian pembaca pulsa penghitung encoder
Rangkaian pembaca pulsa penghitung encoder berfungsi membaca pulsa yang sudah dihitung oleh rangkaian penghitung pulsa encoder.
• Rangkaian pengendali lama putaran motor servo DC
Rangkaian pengendali lama putaran motor servo DC berfungsi mengunci atau membandingkan antara nilai heksadesimal yang dimasukkan untuk pergerakan joint atau putaran motor dengan nilai heksadesimal hasil keluaran dari rangkaian penghitung pulsa encoder, jika bernilai sama maka pergerakan joint atau putaran motor akan dihentikan.
8. Sistem Interface
Interface berfungsi sebagai penghubung antara komputer (controller) dengan rangkaian luar seperti rangkaian pengendali motor dan rangkaian pembaca pulsa encoder.
9. Kontroller
Kontroller berfungsi sebagai pengendali seluruh kinerja dari manipulator.
22
C. RANCANGAN STRUKTURAL
Rancangan struktural dari masing-masing komponen pembentuk manipulator antara lain:
1. Dudukan bawah
Struktur komponen penyusun dudukan bawah antara lain: • Roda bebas (caster)
Roda bebas yang digunakan memiliki tinggi sekitar 34 mm dengan diameter roda 25 mm.
• Plat besi
Plat besi yang digunakan mempunyai ukuran 400 mm x 400 mm dengan ketebalan 20 mm. Plat besi memiliki berat sekitar 18 kg. 2. Joint sudut
Struktur komponen penyusun joint sudut antara lain: • Gearbox
Gearbox yang digunakan merupakan sistem transmisi worm-gear yang mereduksi putaran dengan perbandingan 1:10. Putaran motor stepper berkurang 10 kali setelah melewati gear box, sebaliknya daya yang dihasilkan meningkat 10 kali dari daya yang dihasilkan oleh motor stepper.
• Motor stepper
Motor stepper yang digunakan adalah jenis motor stepper unipolar dengan merk Vexta model ASM66AC-T3.6 produksi Oriental Motor. Motor stepper ini dilengkapi dengan amplifier tipe ASD12B-C
Tabel 1. Spesifikasi motor stepper Tegangan 2,69 Volt Arus 1,7 Ampere Torsi maksimum 1,25 Nm Batas kecepatan 0 - 500 rpm Rasio gir 3,6 : 1 Resolusi 0,10/pulsa
• Dudukan motor stepper
Dudukan motor stepper terbuat dari besi siku ukuran 92 mm x 92 mm dan tebal 5 mm yang dipotong, sehingga ukurannya menjadi 92 mm x 50 mm.
• Kopel
Kopel terbuat dari poros besi pejal yang mempunyai diameter 30 mm. Dengan lubang untuk poros dari motor stepper berukuran 8 mm dan lubang untuk poros masukan dari gear box berukuran 10 mm. • Plat poros besi
Plat poros besi terbuat dari plat besi ukuran 220 mm x 90 mm dan poros besi dengan diameter 30 mm. Plat dengan poros ini disatukan dengan cara di las.
3. Link Vertikal
Struktur komponen penyusun link vertikal sudut antara lain: • Plat dudukan
Plat dudukan bawah terbuat dari plat alumunium dengan ukuran 180 mm x 180 mm dan tebal 15 mm. Plat dudukan atas terbuat dari plat alumunium dengan ukuran 210 mm x 125 mm dan tebal 13 mm.
• Plat siku
Plat siku terbuat dari besi siku ukuran 60 mm x 60 mm dan tebal 5 mm. Salah satu bagiannya dipotong, sehingga ukurannya menjadi 60 mm x 25 mm.
• Bantalan (bearing)
Bantalan yang digunakan berjumlah dua. Bantalan pertama digunakan untuk menumpu poros pada bagian bawah ulir dengan diameter dalamnya berukuran 20 mm. Bantalan kedua digunakan untuk menahan poros pada bagian atas ulir dengan diameter dalamnya berukuran 15 mm. Kedua bantajan ini berjenis plan bearing.
Berdasarkan gerakan bantalan terhadap poros, bantalan yang digunakan adalah bantalan gelinding (rolling bearing). Sedangkan berdasarkan arah beban terhadap poros merupakan jenis bantalan
24 radial. Berdasarkan alurnya, bantalan ini masuk ke dalam jenis bantalan arus dalam baris tunggal.
• Slider Vertikal
Slider vertikal yang digunakan memiliki ukuran 960 mm x 20 mm x 19 mm. Slider vertikal dipasang secara vertikal yang di tahan atau ditumpu oleh plat siku pada bagian bawah dan atasnya.
• Ulir
Ulir yang digunakan merupakan ulir tenaga jenis ball screw. Ulir dipasang vertikal dan ditumpu oleh dua buah bearing. Panjang poros yang berulir yaitu 880 mm. Ulir yang digunakan adalah ulir tunggal karena jarak baginya sama dengan kisar. Kisar adalah jarak antara puncak-puncak yang berbeda satu putaran dari satu jalur pada ulir (Sularso dan Suga, 1987). Jarak baginya yaitu 10 mm. Diameter dalam ulir 20 mm dan diameter luar 25 mm dengan sudut ulir sebesar 900.
4. Joint Vertikal
Struktur komponen penyusun joint vertikal antara lain: • Motor servo DC
Motor servo DC yang digunakan memiliki spesifikasi daya 60 Watt, tegangan 65 volt, arus 1,3 ampere dan putaran maksimum 3000 RPM. Encoder pada motor ini memiliki spesifikasi tegangan 5 volt dengan output keluaran pulsa A dan pulsa B. Keluaran pada pulsa A menghasilkan 200 pulsa per satu putaran, sama halnya dengan keluaran pada pulsa B juga menghasilkan 200 pulsa per satu putaran. • Dudukan motor servo DC
Dudukan motor servo DC terbuat dari siku 60 mm x 60 mm dan tebal 5 mm. Salah satu bagiannya dipotong, sehingga ukurannya menjadi 60 mm x 35 mm.
• Roda gigi cacing (worm gear)
Roda gigi cacing terdiri atas sebuah roda gigi dan pasangannya berupa cacing. Spesifikasi dari roda gigi dan cacingnya yaitu roda gigi
memiliki diameter dalam 45 mm dengan jumlah gigi 30 buah. Cacing memiliki diameter dalam 10 mm dan jarak bagi 5 mm.
5. Link Horizontal
Struktur komponen penyusun link horizontal antara lain: • Kotak segiempat
Kotak segiempat terdiri dari 4 plat alumunium yang tersusun menjadi sebuah kotak. Kotak segiempat memiliki ukuran 180 mm x 125 mm x 66 mm. Plat alumunium yang digunakan mempunyai tebal 11 mm. Plat dikencangkan dengan menggunakan baut pengencang. • Slider Horizontal
Slider yang digunakan memiliki ukuran 936 mm x 20 mm x 16 mm.
6. Joint Horizontal
Struktur komponen penyusun manipulator horizontal antara lain: • Motor servo AC
Motor servo AC yang digunakan adalah motor AC merk Mitsubishi tipe HC-MFS13B dengan spesifikasi tegangan AC tiga phase 105 V, arus 0,3 A, daya output 100 W, dan putaran maksimum 3000 rpm. Motor servo AC ini sudah dilengkapi encoder dan brake (rem). Pengendalian motor servo AC digunakan amplifier tipe MR-J2S 10A.
Motor telah di lengkapi encoder dan brake (rem). Encoder pada motor ini memiliki spesifikasi tegangan 5 volt dengan output keluaran pulsa A dan pulsa B. Keluaran pada pulsa A menghasilkan 200 pulsa per satu putaran, sama halnya dengan keluaran pada pulsa B juga menghasilkan 200 pulsa per satu putaran.
• Rack-Pinion
Rack-pinion terdiri dari rack yaitu batang besi yang bergerigi dan pinion yaitu pasangan roda giginya. Rack berukuran panjang 100 cm, lebar 30 mm dan tebal 7 mm. Pinion mempunyai dimeter dalam 41 mm dan jumlah gigi sebanyak 19 buah. Tipe roda gigi yang digunakan adalah tipe roda gigi lurus
26 7. Sistem Kendali
• Power supply
Power supply berfungsi memberikan catu daya bagi rangkaian-rangkaian elektronika penunjang dan motor-motor penggerak pada manipulator. Unit ini berupa transformator dan jembatan dioda yang berfungsi untuk merubah tegangan AC menjadi DC. Tegangan yang tersedia adalah 5 V, 12 V, 24 V, dan 64 V.
• Rangkaian pengendali motor stepper
Rangkaian ini berupa gerbang NAND IC 74LS10, rangkaian switch transistor, dan limit switch untuk keamanan dan titik acuan. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Lampiran 4.
• Rangkaian pengendali motor AC
Rangkaian ini terdiri dari IC 555, gerbang NAND IC 74LS10, rangkaian switch transistor, relay, dan limit switch. Unit ini terhubung dengan driver dari motor AC sebelum terhubung dengan motor AC. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Lampiran 5.
• Rangkaian pengendali motor DC
Rangkaian ini terdiri dari gerbang NAND IC 74LS10, rangkaian switch transistor, relay ON-OFF motor dan rem, relay H-bridge motor, dan limit switch. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Lampiran 6.
• Rangkaian penghitung pulsa encoder
Rangkaian ini terdiri dari IC 4070 dan IC 74LS393. Rangkaian ini menghitung pulsa encoder dari motor AC dan motor DC. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Lampiran 7.
• Rangkaian pembaca pulsa penghitung encoder
Rangkaian ini terdiri dari IC 74LS138 dan IC74LS245. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Lampiran 8.
• Rangkaian pengendali lama putaran motor DC
Rangkaian ini terdiri dari IC 74LS138, IC 74LS373, IC 74LS688, IC 74LS10, dan IC 555. Gambar rangkaian dapat dilihat pada Lampiran 9.
8. Interface
Interface terhubung pada slot ISA komputer dengan alamat 0X 300. Unit ini terdiri dari PPI 8255, buffer IC 74LS245, IC 74LS688 dengan saklar untuk keperluan pengalamatan. Untuk lebih jelasnya, lihat Lampiran 10.
9. Kontroller
Sebagai unit kontroler digunakan komputer jenis Pentium I yang dilengkapi dengan slot ISA untuk pemasangan sistem interface. Komputer ini dilengkapi dengan program bahasa-C untuk pemrograman algoritma pengendalian dari manipulator.
D. ANALISIS TEKNIK
Analisis teknik diperlukan untuk mengetahui tingkat keamanan dari kekuatan bahan yang digunakan dalam perancangan. Analisis teknik juga diperlukan untuk mengetahui gaya-gaya yang bekerja pada rancangan alat, sehingga alat dapat melakukan fungsinya dengan baik.
1. Analisis keamanan plat poros besi dan diameter poros gearbox
Menurut Sularso dan K. Suga (1997), untuk menghitung besarnya diameter poros yang digunakan adalah dengan menentukan daya rencana Pd (kW) dengan rumus :
fcP
Pd
=
(kW) ... (3) dimana : P = Daya nominal out put dari motor penggerak (kW).fc = Faktor koreksi diambil dari tabel faktor koreksi daya (Tabel 2).
Tabel 2. Faktor-faktor koreksi daya yang akan ditransmisikan, fc
Daya yang akan ditransmisikan fc
Daya rata-rata yang diperlukan 1,2 – 2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8 – 1,2
28 Untuk mengetahui momen puntir atau disebut juga momen rencana (T) dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
102 ) 60 / 2 )( 1000 / (T n1 Pd= π ... (4) sehingga : 1 5 10 74 , 9 n Pd T = × (kg.mm) ... (5) Besarnya tegangan geser yang diijinkan (τa) dapat dihitung dengan
persamaan : ) /(sf1 sf2 b a =τ × τ ... (6)
dimana : τa = Tegangan geser yang diijinkan (kg.mm)
τb = Kekuatan tarik (kg/mm2)
sf1 = Faktor keamanan dari faktor kelelahan puntir, harga 5.6
bahan SF dan 6.0 bahan S-C
sf2 = Faktor bentuk fisik karena pengaruh konsentrasi tegangan
dan kekasaran permukaan dengan harga 1.3 sampai 3.0 Dari persamaan diatas diperoleh rumus untuk menghitung diameter poros yaitu : 3 / 1 1 . 5 = K C T d t b a s τ ... (7)
dimana : ds = Diameter poros (mm)
Kt = Faktor keamanan oleh pengaruh keadaan momen puntir,
besarnya antara 1.0 sampai 3.0
Cb = Faktor pengaruh beban adanya beban lentur oleh transmisi
lain, besarnya antar 1.2 sampai 2.3, bila tidak ada, Cb = 0 Daya yang dihasilkan oleh motor stepper dapat diketahui dengan persamaan:
P = T x ω ………...……...… (8) Dari persamaan 12 di atas daya yang dihasilkan oleh motor stepper:
Putaran maksimum = 500 rpm Kecepatan sudut (ω1) = 2 x π x n ………....……. (9) = 60 500 14 , 3 2× × = 52,360 rad/s P = 1,25 x 52,360 P = 65,450 Watt P = 0,065 kW Daya rencana : Pd = 0,065 x 1.2 = 0,079 kW Momen puntir : T = 9,74 x 105 x 500 079 , 0 T = 153 kg.mm
Bahan poros adalah baja difinis dingin (S35C−D), alasan pemakaian adalah poros dapat dibubut, digerinda, dan perlakuan lainnya. Bahan ini memiliki kekuatan tarik σb = 53 kg/mm2, dengan Sf1 = 6 dan Sf2= 2, maka
tegangan geser yang diijinkan :
τa = 2 6 53 × = 4,42 kg/mm 2
Faktor koreksi untuk momen puntir adalah Kt =1.5 dan beban dikenakan secara halus dengan faktor lenturan adalah Cb = 2. Dari nilai-nilai tersebut diameter poros dapat ditentukan :
ds = × × ×1,5 2 153 42 , 4 1 , 5 1/3 = 8,1 mm
30 Dari hasil perhitungan diameter poros minimal 8,1 mm. Poros yang digunakan pada plat poros besi berdiameter 30 mm dan diameter poros gearbox 15 mm, sehingga cukup aman dalam penggunaannya.
2. Torsi yang dihasilkan oleh joint sudut
Torsi pada joint 1 dapat dihitung dengan persamaan reduksi dari worm-gear yaitu:
R T
T2 =η× 1× ... (10) Dimana : T2 = Torsi keluaran dari poros roda gigi (Nm)
T1 = Torsi masukan ke roda cacing (Nm)
η = Efisiensi (%) R = Rasio
Torsi yang dihasilkan oleh motor stepper sebesar 1,26 Nm. Perbandingan rasio dari gearbox dengan sistem transmisi worm-gear yaitu 1 : 10. efisiensi (η) penyaluran tenaga reduction gear sebesar 99 %, sehingga torsi yang dihasilkan oleh joint 1 dapat dihitung
T2 = 1 10 26 , 1 % 99 × × T2 = 12,474 Nm
Jadi torsi yang dihasilkan pada joint sudut sebesar 12,474 Nm. 3. Gaya dorong ulir yang diperlukan untuk mendorong link horizontal
Besarnya gaya dorong yang diperlukan untuk menaikkan link horizontal dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
g m F = × ………...……… (11) Dimana : F = gaya (N) m = massa benda (kg) g = percepatan gravitasi (m/s2)
Besarnya massa dari link dan joint horizontal sebesar 4,84 kg. Gaya grafitasi sebesar 9,8 m/s2., sehingga besarnya gaya dorong yang diperlukan
F = 3,23 x 9,8 F = 31,654 N
Jadi gaya yang diperlukan untuk mendorong ke atas link dan joint horizontal harus lebih besar dari 31,654 N
Gaya dorong ulir dapat diketahui dengan perhitungan ulir tenaga (power screw). Persamaan yang digunakan untuk menghitung gaya dorong ulir adalah (Shigley dan Mischke, 2001):
− + = fl d fd Fd T m m m π π 1 2 ... . (12)
di mana: T = torsi pada ulir (Nm) F = gaya dorong ulir (N) dm = diameter efektif ulir (m)
f = koefisien gesek permukaan ulir l = kisar/pitch (m)
α = sudut ulir (o)
Torsi pada ulir dapat diketahui dengan menghitung torsi motor DC yang melewati worm-gear. Torsi yang di hasilkan oleh motor DC dapat diketahui melalui persamaan berikut:
ω P
T = ... (13) Dimana : T = Torsi (N.m)
P = Daya (Watt)
ω = Kecepatan sudut (rad/s)
Besarnya daya pada motor DC 60 Watt dan putaran motor 3000 rpm, kecepatan sudut dapat diketahui dengan persamaan berikut:
ω = 2 x л x n ω = 60 3000 14 , 3 2× × ω = 314,159 rad/s
Maka besar torsi motor DC T = 159 , 314 60 T = 0,191 Nm
32 Torsi yang dihasilkan oleh motor DC sebesar 0,191 Nm. Perbandingan rasio dari worm-gear yaitu 1 : 30. efisiensi (η) penyaluran tenaga reduction gear sebesar 99 %, sehingga torsi pada ulir dapat dihitung
T2 = 1 30 191 , 0 % 99 × × T2 = 5,672 Nm
Torsi pada ulir didapatkan sebesar 5,672 Nm. Ulir yang digunakan pada disain ini adalah ulir recirculating ball screws. Terdapat bola atau rol yang berputar di antara ulir dengan nut, sehingga gesekan di antaranya akan jauh lebih kecil. Gesekan yang terjadi ini diperkecil lagi dengan pemberian pelumas pada bola atau rol tersebut. Maka koefisien gesek antara ulir dengan nut sebesar 0,11 yang merupakan kofisien gesek antara baja dengan baja atau besi yang diberi pelumas (Kurtus, 2005). Ulir memiliki diameter dalam 21 mm dan diameter luar 25 mm. Diameter efektif berada diantara diameter luar dan diameter dalam, sehingga diambil diameter efektif 23 mm. Sudut ulir sebesar 900 dan panjang kisar 10 mm Berdasarkan persamaan gaya dorong ulir:
× − × × + × = − − − − ) 10 10 )( 11 , 0 ( ) 10 23 ( ) 10 23 )( 11 , 0 ( 1 2 ) 10 23 ( 672 , 5 3 3 3 3 π π F F = 34,818 N
Dari hasil diatas didapatkan gaya dorong yang dihasilkan ulir untuk menggerakkan link dan joint horizontal kearah atas adalah 34,818 N. Nilai ini lebih besar dari gaya ke bawah dari link dan joint horizontal yang besarnya 31,654 N.
Jika joint horizontal ditambah beban seperti penambahan end-effector pada ujung joint horizontal maka gaya ke bawah akan semakin besar. Besarnya berat maksimum end-effector yang diizinkan adalah sebagai berikut
F = 34,818 – 31,654 F = 3,164 N
Menggunakan persamaan (11) didapatkan massa end-effector maksimum yaitu. g m F = × g F m= 8 , 9 164 , 3 = m m = 0,322 kg
Dari hasil tersebut maka massa maksimum dari end-effector yaitu lebih kecil dari 0,322 kg. End-effector untuk pemanen paprika mempunyai berat 0,090 kg, maka end-effector tersebut aman untuk dipasang pada manipulator.
34 V. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. KONSTRUKSI PROTOTIPE MANIPULATOR
Proses konstruksi manipulator menggunakan peralatan perbengkelan seperti dalam pembuatan lubang menggunakan mesin bor dan untuk pemotongan berbagai komponen menggunakan mesin gergaji listrik. Proses penyambungan menggunakan las listrik untuk penyambungan tetap. Proses penyambungan yang dikencangkan menggunakan baut dikencangkan menggunakan kunci sock, pass, maupun kunci ring. Proses penghalusan menggunakan gerinda duduk maupun gerinda tangan. Manipulator yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 10.
Gambar 10. Manipulator yang telah dibuat.
Bagian-bagian konstruksi penyusun manipulator yaitu antara lain: 1. Dudukan Bawah
Dudukan bawah menggunakan plat besi dengan ukuran 400 mm x 400 mm dan ketebalan 20 mm. Plat besi ini kemudian di lubangi pada sisi-sisi sikunya dengan ukuran diameter 4 mm. Diameter lubang ini disesuaikan dengan diameter lubang pemasangan pada roda caster. Plat
Dudukan bawah Joint sudut Link vertikal Link horizontal
besi ini di lubangi pada sisi-sisinya sebagai tempat untuk memasang empat roda caster yang memiliki ukuran tinggi sekitar 34 mm dengan diameter roda 25 mm.
Pada bagian tengah plat besi ini juga dilubangi untuk pemasangan gearbox. Plat besi ini dilubangi dengan diameter lubang 8 mm yang disesuaikan dengan lubang pemasangan pada gearbox. Komponen penyusun dudukan bawah di sajikan pada Gambar 11.
Gambar 11. Roda caster yang dipasang pada plat besi.
2. Joint Sudut
Joint sudut terdiri dari gearbox, kopel, dudukan motor stepper, motor stepper, dan plat poros besi. Gearbox dipasang pada plat besi pada dudukan bawah dengan pengencangan menggunakan baut berdiameter 8 mm sebanyak empat buah pada masing-masing sisinya.
Dudukan motor stepper terbuat dari besi siku ukuran 92 mm x 92 mm yang pada salah satu bagiannya dipotong, sehingga ukurannya menjadi 92 mm x 50 mm. Pada bagian dengan ukuran 50 mm dilubangi dengan diameter 8 mm sebanyak dua buah untuk pemasangan pada plat besi pada dudukan bawah yang kemudian dikencangkan dengan baut berdiameter 8 mm. Pada bagian yang ukurannya 92 mm dilubangi dengan ukuran 4 mm sebanyak empat buah yang disesuaikan dengan lubang pemasangan pada motor stepper yang kemudian dikencangkan dengan baut berdiameter 4 mm.
Roda Caster Plat besi
