Modifikasi Manipulator Tipe Silinder Untuk Robot Pemanen Buah Dalam Greenhouse

MODIFICATION OF CYLINDRICAL MANIPULATOR TYPE FOR GREENHOUSE FRUIT HARVESTING ROBOT

Setya Permana Sutisna and I Dewa Made Subrata

Department of Mechanical and Biosystem Engineering, Faculty of Agricultural Technology, Bogor Agricultural University, IPB Darmaga Campus, PO Box 220, West Java,

Indonesia.

Phone 62 81341510145, e-mail: setper_007@yahoo.co.id

ABSTRACT

The harvesting robot need to be design so it has capacity to harvest the fruits or vegetables selectively. The selective harvesting means only harvest the ripe fruit while the non ripe fruit still remined on the tree. The manipulator is one of the robot parts that has an important function for successful of the robot task. The problem of the previous manipulator is that horizontal prismatic joint disturb the oposite plant of target. This disturbance make alignment error of the manipulator. Miss alignment of the manipulator from target will cause the harvesting failure because of the end-effector tip can not reach the fruit. Purpose of this research was to modify the horizontal prismatic joint into the horizontal rotational joint. Therefore the modified manipulator has three degree of freedom that is consisted of two rotational joint and one prismatic joint. Result of the research show that the positioning error of the x coordinate is 13.8 mm, y coordinate is 15.1 mm, z coordinate is 3.2 mm. The positioning error of the x coordinate and y coordinate was caused by inertia force of the rotational joint. The positioning accuracy of the z coordinate was caused by time response of the program more slow than encoder pulse frecuency of the vertical translational joint. Therefore in this research motion distance was measured using timer. For better result the measurement method of each joints need to be change from incremental encoder into absolute encoder.

1

I.

PENDAHULUAN

1.1

Latar Belakang

Seiring dengan bertambahnya jumlah penduduk dan meningkatnya kesejahteraan masyarakat menyebabkan tingginya kebutuhan pangan. Penggunaan dan pengalihfungsian lahan pertanian menjadi pemukiman dan industri mengurangi jumlah lahan produktif. Jumlah lahan yang semakin sempit dan kebutuhan pangan yang terus meningkat mendorong untuk dilakukan budidaya pertanian secara efektif dan efisien.

Saat ini masyarakat telah memiliki kesadaran yang tinggi terhadap keamanan pangan. Bahan makanan yang dikonsumsi dipilih secara selektif untuk kesehatan jangka panjang. Tingginya permintaan tersebut mendorong peningkatan pertumbuhan industri pertanian . Perkembangan industri pertanian juga terjadi pada kegiatan budidaya. Untuk bahan pangan tertentu seperti buah dan sayuran, kegiatan budidaya mengarah pada pemakaian greenhouse. Budidaya pertanian dalam greenhouse dapat mengurangi ketidakpastian dan memperbesar harapan perolehan keuntungan yang banyak. Lingkungan dalam greenhouse dapat dengan mudah diatur dibandingkan lingkungan luar. Hasil yang diperoleh dapat memiliki kualitas yang lebih baik sehingga dapat memenuhi permintaan masyarakat terhadap kualitas pangan yang lebih baik.

Perkembangan penggunaan greenhouse mempengaruhi kebutuhan tenaga kerja. Untuk menjamin kualitas produk yang dihasilkan juga dipengaruhi oleh kegiatan pemanenan. Buah yang akan dipanen harus dipanen tepat waktu dengan tingkat kematangan tertentu. Buah yang dihasilkan dalam suatu pohon tidak matang dalam waktu bersamaan sehingga pemanenan perlu dilakukan secara selektif. Pemanenan hanya dilakukan pada buah yang telah matang sedangkan buah yang belum matang dibiarkan dipohon. Pemanenan yang kurang tepat akan mempengaruhi kualitas hasil produksi yang dapat menurunkan harga jual. Pemanenan dengan tenaga manusia sering kali diperoleh tingkat kematangan buah yang tidak seragam oleh karena itu dibutuhkan suatu alat yang bisa melakukan pemanenan secara selektif. Ketidakseragaman terjadi karena perbedaan “rasa” atau sensitifitas pancaindera. Perbedaan sensitifitas pancaindera antara orang yang satu dan lainnya berbeda tergantung pada pengalaman orang tersebut dalam menentukan kematangan. Sensitifitas pancaindera juga dapat dipengaruhi oleh keadaan orang yang sama, misalnya saat sehat dan sakit, atau saat fit dan lelah. Untuk menjamin kualitas tersebut maka muncul ide untuk membuat robot pemanen.

Robot pemanen diharapkan mampu memanen dengan “cerdas” yaitu memanen buah sesuai dengan tingkat kematangan yang diharapkan. Tentunya robot perlu diberi kecerdasan buatan (artificial intelligence) sehingga mampu berpikir sendiri dalam menerjemahkan dan menjalankan perintah. Hal lain yang dibutuhkan yaitu sensor yang dapat berfungsi sebagai pengindera. Kriteria tingkat kematangan diuji dengan sensor-sensor sehingga diperoleh nilai kematangan dalam angka

2

numerik. Angka-angka tersebut dihubungkan satu sama lain sehingga diperoleh persamaan matematis. Persamaan inilah yang akan menjadi penentu keputusan robot untuk memanen suatu buah.

Selain kecerdasan, robot pemanen dibutuhkan juga kecepatan dan ketepatan. Gerakan yang cepat berpengaruh terhadap kapasitas suatu robot. Ketepatan menentukan tingkat kebenaran maupun tingkat kesalah suatu robot. Diharapkan kecepatan dan ketepatan suatu robot lebih besar dibandingkan manusia. Untuk itu penelitian mengenai robot pemanen perlu terus dikembangkan agar mampu mewujudkan harapan tersebut. Alasan lain pentingnya pengembangan robot pemanen , yaitu meningkatnya upah tenaga kerja saat panen raya karena jumlah tenaga panen tidak sebanding dengan luas area pertanian yang akan dipanen, ketidakstabilan emosi pekerja yang sering mengakibatkan pemogokan, serta peningkatan ilmu pengetahuan dan teknologi agar tidak tertinggal dengan negara lain.

Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian untuk meningkatkan dan mengembangkan ilmu dan teknologi robotik khususnya dalam bidang pertanian. Salah satu struktur dasar yang sangat penting pengaruhnya terhadap keberhasilan robot dalam melakukan tugasnya yaitu manipulator. Manipulator yang menjadi objek penelitian ini adalah manipulator untuk robot pemanen buah dalam greenhouse. Pada penelitian ini dilakukan modifikasi manipulator tipe silinder yang dibuat oleh Graha (2007) dan telah dimodifikasi pertama oleh Saleh (2008). Pada manipulator yang telah ada untuk mencapai koordinat bidang horisontal menggunakan prismatic joint. Sistem ini batang link horizontal akan memendek pada sisi target, namun pada sisi lainnya akan memanjang. Sisi yang memanjang dapat mengganggu tanaman di sisi lain tanaman target. Modifikasi dilakukan pada gerakan perismatik joint pada gerakan horisontal menjadi gerakan rotational joint. Mekanisme ini diharapkan dapat menghasilkan kebutuhan ruang pergerakan yang lebih sempit dan tidak mengganggu tanaman selain target.

1.2

Tujuan

Tujuan yang akan dicapai dari penelitian ini adalah

1. Memodifikasi manipulator tipe silinder untuk robot pemanen buah dalam greenhouse sehingga dihasilkan manipulator ruang pergerakan yang lebih sempit dan tidak mengganggu tanaman selain target.

2. Menguji ketelitian manipulator robot pemanen buah dalam menjangkau target dalam koordinat ruang dengan beberapa pembebanan.

3

II.

TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Greenhouse

Menurut Suhardiyanto (2009) greenhouse pada umumnya dibangun menggunakan kaca sebagai atap dan dinding. Itulah sebabnya greenhouse lebih identik dengan glasshouse kemudian diterjemahkan sebagai rumah kaca. Namun dalam perkembangnnya, penggunaan kaca sebgaai bahan penutup greenhouse sudah jauh tertinggal dibandingkan dengan penggunaan plastik. Sehingga, istilah rumah kaca sebagai terjemahan dari greenhouse sudah kurang tepat lagi. Agar lebih mencerminkan fungsi greenhouse sebagai bangunan pelindung tanaman maka greenhouse dikenal sebagai rumah tanaman. Penggunaan greenhouse dalam budidaya tanaman merupakan salah satu cara untuk memberikan lingkungan yang lebih mendekati kondisi optimum bagi pertumbuhan tanaman. Di dalam greenhouse, parameter lingkungan yang berpengaruh terhadap pertumbuhan tanama yaitu cahaya matahari, suhu udara, kelembabanudara, pasokan nutrisi, kecepatan angin, dan konsentrasi karbondioksida dapat dikendalikan dengan lebih mudah. Penggunaan greenhouse memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak sesuai bagi pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum bagi pertumbuhan tanaman.

2.2 Robot Bio-Produksi

Pengertian robot bioproduksi belum didefinisikan dengan jelas oleh para ahli yang berhubungan dengan bidang ini. Apa yang dimaksud dengan robot bio-produksi masih menjadi subjek diskusi. Secara garis besar, robot bio-produksi memiliki struktur dasar anatara lain: manipulator, end-effector, vision sensor, traveling device, kontrol device, dan actuator. Robot bio-produksi 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 bilogi 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 (Kondo dan Ting, 1998).

Belforte dkk. (2006) meneliti dan mendesain robot untuk aplikasi greenhouse. Robot yang dikembangkan memiliki tiga derajat bebas terdiri dari dua perismatik joint (joint 1 dan joint 3) serta satu rotational joint. Besar gerakan joint 1 dibaca dengan menggunakan digital encoder sedangkan joint lainnya menggunakan potensiometer. Ruang yang dibutuhkan robot untuk bermanufer antara 1-2 m². Gambar robot aplikasi dalam grrenhouse hasil penelitian Belforte dkk (2006) dapat dilihat pada Gambar 1. Penentuan koordinat target menggunkan kamera CCD, posisi end-effector dilakukan

4

koreksi (loop tertutup) setelah koordinat tercapai. Besar simpangan hasil pengujian robot dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 1. Operasi robot di dalam greenhouse (Belforte dkk. 2006)

5

2.2

Manipulator

Berdasarkan Japanese Industrial Standard (JIS B0134-1986, Terms for Industrial robot), 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 kenyataanya mekanismenya tidak selalu sama. Beberapa tipe manipulator yang umum dikenal antara lain: cartesian coordinate, cylindrical coordinate, scara, manipulator tipe polar, dan tipe antropomorphic.

Menurut Okamoto (1992) diacu dalam Graha (2007) banyaknya sambungan yang mempengaruhi posisi dan oriantasi ujung manipulator. Supaya dapat bergerak dalam ruang tiga dimensi, manipulator membutuhkan minimal tiga derajat bebas. Semakin besar jumlah derajat bebas, akan semakin kompleks kontruksi robot dan semakin sulit untuk mengontrol sistem. Mekanisme dasar manipulator dapat diubah sesuai dengan jumlah derajat bebas, tipe joint, panjang link, dan panjang offset.

Manipulator tersusun atas link dan joint. Mobilitas manipulator dijamin dengan adanya joint (sambungan) anatara 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.

Jenis-jenis manipulator antara lain :

1. Manipultor tipe cartesian-coordinate/ rectangular-coordinate

Manipulator tipe cartesian coordinate mempunyai tiga prismatic joint yang berperan dalam menetapkan posisi dalam ruang. Mekanisme dan kontrol manipulator ini mudah, tetapi kurang fleksibel. Manipulator jenis ini mempunyai nilai keakuratan yang lebih tinggi dibandingkan dengan manipulator jenis lain. Gambar manipultor tipe cartesian-coordinate/ rectangular-coordinate dapat dilihat pada Gambar 3.

6

2. Manipulator tipe cylindrical-coordinate

Manipulator tipe cylindrical-coordinte mempunyai dua prismatic joint dan satu 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. Gambar manipulator tipe cylindrical-coordinate dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Manipulator tipe cylindrical-coordinate (Graha, 2007)

3. Manipulator tipe polar-coordinate/ spherical-coordinate

Manipulator tipe spherical-coordinate mempunyai satu prismatic joint dan dua rotational joint yang berperan dalam menentukan posisi dalam ruang. Manipulator jenis ini lebih fleksibeldari dua tipe sebelumnya. Positioning accuracy menurun dengan bertambahnya stroke radial. Gambar manipulator tipe polar-coordinate/ spherical-coordinate pada Gambar 5.

Gambar 5. Manipulator tipe polar-coordinate/ spherical-coordinate (Graha, 2007)

4. Manipulator tipe scara

Manipulator tipe scara (selective compliance assembly robot arm) memiliki kekuatan relatif tinggi untuk pembebanan vertikal dan lentur untuk pembebanan horizontal. Umum

7

digunakan untuk menangani benda kecil. Gambar manipualtor tipe scara dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Manipualtor tipe scara (Graha,2007)

5. Manipulator tipe articulated/ anthropomorphic

Manipulator tipe articulated mempunyai tiga rotational joint. Manipulator tipe ini mempunyai joint-joint yang mirip dengan lengan manusia, yaitu bahu, siku, dan pergelangan tangan. Manipulator ini paling fleksibel dan cepat tetapi mekanisme dn cara kontrol makin sulit serta akurasi posisi lebih rendah dibandingkan jenis-jenis manipulator sebelumnya.

U n tu k e n d -e ffe c to r

s h o u ld e r

W a is t

J o in t p u ta r E lb o w

8

2.3

LabVIEW

LabBIEW adalah sebuah software pemrograman yang diproduksi oleh National Instruments dengan konsep yang berbeda. Seperti bahasa pemrograman lainnya yaitu C++, matlab atau visual basic, LabVIEW juga mempunyai fungsi dan peranan yang sama, perbedaanya bahwa labVIEW menggunakan bahasa pemrograman berbasis grafis atau blok diagram sementara bahasa pemrograman lainnya menggunakan basis text. Program labVIEW dikenal dengan sebutan Vi atau Virtual Instruments karena penampilan dan operasinya dapat meniru sebuah instruments. Pada labVIEW, pengguna pertama-tama membuat user interface atau front panel dengan menggunakan kontrol dan indikator, yang dimaksud dengan kontrol adalah knobs, push button, dials, dan peralatan input lainnya sedangkan yang dimaksud dengan indikator adalah graphs, LEDs dan peralatan display lainnya. Setelah menyusun user interface, lalu user menyusun blok diagram yang berisi kode-kode Vis untuk mengontrol front panel.

2.4

Manipulator

Sebelumnya

Graha (2007) telah berhasil mengembangkan manipulator tipe cylindrical-coordinate dapat dilhat pada gambar 8. Manipulator yang telah dibuat memiliki ruang operasi atau daerah tiga dimensi yaitu pada koordinat X antara -460 mm sampai 460 mm, pada koordinat Y antara 0 sampai 460 mm, dan pada koordinat Z antara 0 mm sampai 620 mm. Arah pemanenan yang mampu dilakukan adalah tegak lurus baris tanaman dan menyamping. Hasil pengujian dari manipulator ini dapat dilihat pada Tabel 1. Modifikasi dilakukan yaitu mengganti perismatik joint dengan rotational joint pada gerak translasi horizontal end-effector dan mengubah sistem interface PPI 8255 menjadi NI-DAQ USB 6009.

Tabel 1. Hasil pengujian manipulator tipe cylindrical-coordinate

Koordinat Simpangan rata-rata (mm)

Ketepatan rata-rata (%)

X 3.19 87.86

Y 1.32 95.15

Z 0.3 99.88

Titik acuan terhadap koordinat tujuan 0.44 99.72

9

Gambar 8. Manipulator yang telah ada dan akan dimodifikasi (Graha, 2007)

10

III.

PENDEKATAN DISAIN

3.1.

Kriteria Disain

Manipulator direncanakan untuk robot pemanen buah di dalam greenhouse sehingga manipulator harus mampu bergerak dan mencapai ruang tumbuh yang tersedia. Beberapa buah yang sering dibudidayakan di dalam greenhouse, yaitu melon, tomat, dan semangka. Terdapat beberapa metode penanaman yang sering dipakai dalam kegiatan budidaya tanaman buah-buahan. Untuk kegiatan lapangan pada suatu area atau petakan lahan dipersiapkan bedengan dan parit. Pembuatan bedengan dan parit dimaksudkan untuk menghindarkan tanaman dari banjir atau air tergenang. Parit atau ruang antar bedengan sering digunakan untuk jalan saat kegiatan perawatan tanaman. Tanaman biasanya ditanam di atas bedengan yang terdiri dari beberapa baris tanaman maupun satu baris tanaman tergantung kebutuhan. Menurut Prajnanta (2004) jarak tanam suatu komoditas yang sama sering digunakan jarak tanam yang berbeda tergantung hasil yang dinginkan. Pemilihan jarak tanam yang lebih sedikit luas dibanding rata-rata dapat menghasilkan buah yang lebih besar. Hal ini berpengaruh terhdap kompetisi unsur ahara dan ruang tumbuh. Umumnya petani buah melon untuk diekspor menggunakan jarak tanam 85 cm x 70 cm dengan jumlah satu baris tanam per bedengan agar dihasilkan buah melon dengan berat rata-rata 1.5 kg. Tinggi bedengan terendah untuk budidaya melon sebesar 30 cm dengan ketinggian turus 75 cm.

Budidaya dalam greenhouse sering digunakan penanaman dengan menggunakan suatu wadah seperti polybag, kotak kayu, maupun pipa paralon. Penggunaan wadah tersebut dimaksudkan untuk efisiensi penggunaan air dan pupuk. Walaupun penanaman dilakukan pada suatu wadah, jarak antara tanaman satu dan lainnya umumnya mengacu pada jarak tanam yang sesuai dengan jenis komoditas yang dibudidayakan. Dalam suatu greenhouse tentunya juga disediakan jalan untuk kegiatan perawatan. Lebar jalan yang tersedia disesuaikan dengan jarak antar baris tanaman atau sesuai dengan kebutuhan kegiatan perawatan tanaman. Robot pemanen harus mampu bekerja sesuai dengan ruang yang tersedia serta mampu menjangkau target.

Modifikasi dilakukan terhadap manipulator tipe silinder yang telah berhasil dibuat oleh Graha (2007). Mekanisme gerak horizontal manipulator yang digunakan untuk mendekati target berupa slider horizontal (Gambar 8). Masalah yang terjadi pada mekanisme seperti ini yaitu ketika digunakan pada greenhouse yang memiliki lebar jalan yang sempit. Ketika manipulator bergerak menjangkau target dengan jarak yang dekat terhadap sumbu manipulator, maka jarak horizontal end-effector memendek, sedangkan pada sisi lain ujung slider horizontal akan memanjang sehingga dapat mengenai tanaman atau benda lainnya yang berada di arah berlawanan target. Kelemahan lain adalah luas jangkauan koordinat bidang XY hanya menjangkau dua kuadran yaitu kuadran I (x-positif, y-positif) dan kuadran II (x-negatif,y-y-positif).

11

Pada mekanisme slider horizontal perlu dilakukan modifikasi dengan mekanisme kombinasi dua batang besi (seperti pada hubungan lengan atas dan lengan bawah manusia). Jarak jangkauan target terhadap sumbu horizontal ditentukan oleh besar sudut yang terbentuk oleh dua buah plat besi. Mekanisme seperti ini diharapkan dapat mengurangi kebutuhan ruang gerak manipulator dan jangkauan koordinat yang lebih luas saat beroperasi di dalam greenhouse.

Selain mekanisme slider horizontal makanisme lain tetap menggunakan rancangan yang telah dibuat oleh Graha (2007). Pemodifikasian lain yang juga dilakukan adalah pada sistem interface. Sistem interface yang digunakan oleh Graha (2007) dan Saleh (2008) yaitu PPI 8255 dihubungkan ke komputer melalui slot ISA komputer. Kesulitan dari metode tersebut adalah bahwa tidak tersedianya slot ISA pada komputer-komputer keluaran terbaru sehingga sistem interface PPI 8255 dalam penelitian ini perlu diganti dengan menggunakan NI-DAQmx model usb 6009 yang terhubung pada USB komputer dengan menggunakan program LabView untuk pemrograman algoritma pengendalian manipulator.

3.2.

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 dipohonya, 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 menompang seluruh bagian manipulator. Dudukan bawah terdiri dari komponen dengan fungsi masing-masing antara lain:

a. Roda bebas (caster)

Roda bebas (caster) berfungsi untuk mempermudah dalam pemindahan manipulator (portable).

b. Plat beton

Plat beton berfungsi sebagai dudukan dari gearbox, sehingga boleh dikatakan plat besi ini menopang seluruh bagian manipulator.

2. Joint putar horizontal 1 (joint 1)

Joint putar horizontal 1 befungsi memutar manipulator pada sumbu putar atau titik poros pada bidang datar horizontal. Bidang datar horizontal mencakup koordinat x da y juga koordinat –x dan y. Sehingga titik poros putar joint 1manipulator merupakan titik acuan yaitu koordinat (0,0). Komponen yang menyusun joint sudut antara lain:

12

a. 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.

b. Motor stepper

Motor stepper berfungsi sebagai acutuator pada joint 1 yang memutar manipulator pada sumbu putar atau titik poros pada bidang datar horizontal.

c. Dudukan motor stepper

Dudukan motor stepper berfungsi untuk menahan motor stepper sehingga dapat menyalurkan daya ke gearbox.

d. Kopel

Kopel berfungsi menghubungkan poros motor stepper yang berdiameter 8 mm dengan poros gearbox yang berdiameter 10 mm.

e. Plat poros besi

Plat poros besi berfungsi menggabungkan poros output dari gearbox dengan plat dudukan dari link vertikal.

3. Link vertikal

Link vertikal berfungs sebagai duduka 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:

a. 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).

b. Plat siku

Plat siku berfungsi sebagai penumpu dari slider vertikal. c. Bantalan

Bantalan adalah elemen mesin yang menumpu poros berbeban, sehinggga putaran atau gerakan bolak-baliknya dpaat berlangsung secara halus, aman, dan panjang umur (Sularso dan Suga, 1987). Bantalan pada rancangan ini berfungsi sebagai komponen yang menumpu poros ulir.

d. Slider vertikal

Slider vertikal berfungsi sebagai track (lintasan) bagi gerakan naik dan turunnya link horizontal.

e. Ulir

Ulir berfungsi sebagai sistem tranmisi pendorong turun atau naik bagi joint horizontal. Putaran dari ulir ini yang dapat menyebabkan joint horizontal dapat bergerak naik atau turun.

13

4. Joint translasi vertikal (joint 3)

Joint translasi vertikal berfungsi memutar poros ulir, sehingga dudukan dari link horizontal dapat bergerak naik dan turun. Joint tranlasi vertikal menggerakan link horizontal naik dan turun untuk menjangkau koordinat dalam arah vertikal (koordinat z). Joint 3 terdiri dari:

a. Motor servo DC

Motor servo DC berfungsi sebagai actuator pada joint 3 yang memutar poros berulir melalui worm-gear. Motor servo DC sudah dilengkapi encoder dan brake (rem). Encoder befungsi 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.

b. Dudukan motor servo DC

Dudukan motor servo DC berfungsi untuk menahan motor servo sehingga dapat menyalurkan dayanya ke worm-gear.

c. Worm-gear

Worm-gear berfungsi mereduksi putaran dari motor servo DC untuk disalurkan ke poros berulir.

5. Link horizontal

Link horisontal berfungsi menjangkau koordinat dari sasaran r melalui sudut tertentu yang terbentuk dari dua buah plat besi. Koordinat r merupakan jarak mendatar tertentu diukur dari link vertikal (sumbu z). Titik pangkal link horisontal berada pada link vertikal serta ujungnya merupakan tempat dudukan end-effector. Komponen penyusun link horisontal antara lain :

a. Kotak segiempat

Kotak segiempat berfungsi sebagai penghubung antara link vertikal dengan link horisontal.

b. Plat besi

Plat besi digunakan dua buah yang berfungsi sebagai penentu jarak mendatar end-effector dari link vertikal. Jarak ini ditentukan oleh besar sudut yang terbentuk antara dua batang tersebut.

6. Joint putar horizontal 2 (joint 2)

Joint putar ini berfungsi untuk memutar salah satu plat besi agar terbentuk sudut tertentu.

a. Motor DC berfungsi sebagai aktuator pada joint2.

b. Pembaca sudut berfungsi untuk mengetahui besar sudut yang terbentuk antara dua palt besi.

14

7. Sistem kendali

a. Power supply

Power supply berfungsi memberikan catu daya bagi rangkaian-rangkaian elektronika penunjang dan motor-motor penggerak pada manipulator.

b. Rankaian pengendali motor DC

Rangkaian pengendali motor DC berfungsi mengendalikan motor on-off dan arah putaran motor. Rangkaian ini dilengkapi limit switch untuk keamanan dan titik acuan.

8. Sistem interface

Interface berfungsi sebagai penghubung antara komputer (controler) dengan rangkaian luar seperti rangkaian pengendali motor dan pembaca pulsa encoder.

9. Kontroller

Kontroller berfungsi sebagai pengendali seluruh kinerja dari manipulator.

3.3.

Rancangan Struktural

3.3.1. Rancangan Struktural Bagian yang Tidak Dimodifikasi

Bagian manipulator yang tidak dimodifikasi tetap mempertahankan yang telah ada. Gambar 9 menunjukkan bagian-bagian manipulator yang tidak dimodifikasi. Beberapa bagian manipulator tersebut antara lain dudukan bawah, joint 1, link vertikal, joint 3, power suply, rangkaian pengendali motor stepper (joint 1).

Gambar 9. Bagian manipultor yang tidak dimodifikasi.

Dudukan bawah Rotational joint 1

Link vertikal (ulir) Joint 3

15

1. Dudukan bawah

a. Roda bebas (caster)

Roda bebas yang digunakan memiliki tinggi 34 mm dengan diameter roda 25 mm. Roda bebas yang digunakan sebanyak 4 buah.

b. Plat beton

Plat beton yang digunakan mempunyai ukuran 400 mm x 400 mm dengan ketebalan 20 mm.

2. Rotational joint 1

Gearbox yang digunakan merupakan sistem tranmisi worm-gear yang mereduksi putaran dengan perbandingan 1:10. Putaran motor stepper berkurang 10 kali setelah melewati gearbox. Motor stepper yang digunakan adalah jenis motor stepper unipolar dengan torsi maksimum 1.25 Nm.

3. Link vertikal

Slider vertikal yang digunakan berbentuk silinder dan memiliki ukuran 960 mm x 20 mm x 19 mm. 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. Diameter dalam ulir 20 mm dan diameter luar 25 mm dengan sudut ulir sebesar 90°. 4. Power supply

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. Tegangan 5 V, 12 V, dan 24 V menggunakan ic penstabil tegangan 78xx. Tegangan 64 V dihasilkan langsung dari output transformator.

5. Rangkaian pengendali motor stepper

Rangkaian ini berupa gerbang NAND IC 74LS10, rangkaian switch transistor, dan limit switch untuk keamanan dan titik acuan. Pulsa untuk pergerakan motor steper dihasilkan oleh rangkaian pembangkit pulsa menggunakan IC 555 dengan frekuensi 5.7 kHz.

3.3.2. Rancangan Struktural Bagian yang Dimodifikasi

Rancangan kontruksi manipulator yang dimodifikasi dapat dilihat pada Gambar 10. Bagian-bagain manipulator yang baru antara lain joint 2, link horisontal, interface, kontroler, rangkaian pengendali joint 3.

16

Gambar 10. Bagian modifikasi manipulator

1. Joint horizontal (Joint 2)

Motor penggerak yang digunakan adalah motor DC 24 V, 30 rpm. Untuk mengetahui besar sudut perputaran joint digunakan rotational encoder dengan ketelitian 200 pulsa/putaran. Pengendali on-off dan arah putaran motor menggunan rangkaian H-bridge 30 A dengan tegangan input konstan.

2. Link horizontal

Link horizontal tersusun atas dua buah plat besi yang dihubungkan yaitu plat besi I yang menempel pada joint vertikal dan plat besi II yang berada pada bagian ujung sehingga membentuk rotational joint. Kedua plat besi dihubungkan dengan joint putar yang mampu memutar horizontal. Besar sudut putar dari joint tersebut menentukan jarak jangkauan end-effector. Plat besi I memiliki ukuran 420 mm x 16 mm x 20 mm. Plat besi II memiliki ukuran 500 mm x 16 mm x 10 mm. Kedua plat besi dihubungkan dengan poros sebagai pusat rotasi. Poros penghubung tersebut memiliki diameter 14 mm dengan panjang 130 mm dari link horizontal. Jarak jangkauan maksimum mencapai 820 mm. Pada bagian atas dan bawah poros dipasang bearing sebagai penahan agar tidak terjadi bergeseran sumbu putar. 3. Interface

Interface terhubung pada USB komputer dengan menggunakan NI-DAQmx model USB 6009 seperti terlihat pada gambar 11. NI-DAQ digunakan sebagai interface karena alat ini dapat dihubungkan pada USB komputer, pengontrolan digital input-output dapat dilakukan melalui kofigurasi nilai dgital 8 bit menggunakan hexadesimal maupun langsung mengirimkan atau membaca nilai logika pada titik-titik jalur digital input-output. Interface ini memiliki bentuk yang kompak dengan ukuran yang kecil sehingga lebih mudah untuk penggunaan di lapangan.

Plat besi I (terpasang pada

link vertikal)

Plat besi II (ujung bebas)

Joint 2 encoder

17

4. Kontroler

Sebagai unti kontroler digunakan komputer yang dilengkapi dengan USB untuk pemasangan unit interface. Program yang digunakan untuk pengontrolan interface NI-DAQ adalah program-program yang dikembangkan oleh Nasional Instrumen, salah satunya yaitu program LabView. Komputer yang digunakan dalam penelitian ini merupakan Laptop Dual Core dengan sistem opersai Windows 7. Komputer dilengkapi dengan program LabView untuk pemrograman algoritma pengendalian manipulator. Spesifikasi NI-DAQ 6009 dapat dilihat pada Lampiran 40.

Gambar 11. Ni-DaQ usb 6009

3.4.

Analisis Teknik

Analisis teknik dilakukan terhadap bagian yang akan dimodifikasi yaitu pergerakan link horizontal untuk gerakan end-effector secara horizontal. Bagian-bagian lainnya mengacu pada (Graha, 2007) yang telah berhasil membuat manipulator yang akan dimodifikasi. Selain itu, modifikasi juga dilakukan terhadap sistem interface yang sebelumnya menggunakan interface yang terhubung pada slot ISA dengan pemrograman algoritma menggunakan bahasa C diganti dengan interface yang terhubung pada USB dengan menggunakan NI-DAQmx model USB 6009 dan pemrograman LabView.

1. Link horizontal

Link horizontal berupa rangkaian dua buah plat besi. Besi pertama menghubungkan antara link vertikal dan motor joint horizontal (Joint 2) sedangkan plat besi kedua menghubungkan antara motor joint horizontal dan end-effector. Beban yang ditumpu plat besi pertama adalah berat motor, plat besi kedua, end-effector, dan berat plat besi itu sendiri. Beban tersebut berupa beban bending yang dapat dihitung sebagai berikut :

Jika massa maksimum plat besi kedua, motor joint horizontal, dan end-effector berjumlah 10 kg. Jarak link vertikal terhadap joint horizontal (ujung plat besi kesatu) adalah

18

450 mm. Tegangan geser yang diijinkan 165 Mpa. Analisis terhadap beban bending menggunakan Persamaan 4.1.

σ = ... (4.1)

Dimana : = tegangan geser yang diijinkan (Pa) M = momen gaya (Nm)

I = momen inersia (m4)

c = setengah ukuran tebal penampang plat (mm)

jika ukuran tebal plat besi ditentukan sebesar 10 mm, maka diperoleh :

I =

=

Dari nilai momen inersia yang diperoleh, ukuran lebar penampang plat besi yang digunakan dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan 4.2.

I =

... (4.2)

dimana : I = momen inersia (mm4)

b = ukuran penampang sisi horizontal (mm) h = ukuran penampang sisi vertikal (mm)

b =

= 0.016 m = 16 mm

Jadi diperoleh ukuran penampang plat besi 16 mm x10 mm agar mampu menahan beban bending dengan pembebanan 10 kg.

Saat kedua plat besi membentuk sudut 900 pada plat besi kesatu akan mengalami beban puntir maksimum. Beban puntir terjadi sebagai akibat dari berat end-effector yang melalui plat besi kedua. Massa end-effector maksimum yang diijinkan yaitu 5 kg. Ukuran penampang yang telah ditentukan di atas dapat dihitung ketahanan terhadap beban puntir dengan Persamaan 4.3.

τm =

19

dimana : m = tegangan puntir yang diijinkan (Pa)

T = torsi (Nm)

C = setengah lebar penampang (m) Ip = momen inersia puntir (m4)

Sehingga diperoleh :

Ip =

=

Dari perhitungan di atas diperoleh momen inersia puntir sebesar 1.1 x 10-9 m4 yang hasilnya lebih kecil dibandingkan dengan momen inersia akibat pembebanan bending. Ukuran penampang plat besi yang telah ditentukan mampu menahan beban puntir yang terjadi.

Plat besi I yang digunakan memiliki penampang 16 mm x 20 mm dengan nilai tebal dua kali lebih besar dibandingkan hasil perhitungan. Tujuannya agar lebih aman dan tidak terjadi lendutan dalam penggunaanya serta terlihat lebih kokoh. Penampang plat besi II menggunakan ukuran sesuai hasil perhitungan yaitu 16 mm x 10 mm karena beban yang terima lebih kacil dibandingkan plat besi I.

2. Poros joint 2

Motor DC penggerak joint 2 dipasang pada plat besi I dan memutarkan plat besi II dengan transmisi daya poros langsung. Tegangan kebutuhan motor adalah 24 V dengan arus sebesar 1 A maka diperoleh daya motor sebesar 24 W dengan kecepatan putar 20 rpm.

Menurut Sularso dan K. Suga (1997), untuk menghitung besarnya diameter poros yang digunakan adalah dengan menentukan daya rencana Pd (kW) menggunakan persamaan 4.4.

= ... (4.4)

dimana : P = daya nominal output 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

Daya normal 1.0 – 1.5

Untuk mengetahui meomen puntir atau disebut juga momen rencana (T) dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

20

Besarnya tegangan geser yang diinginkan ( ) dapat dihitung dengan persamaan 4.5.

=

... (4.5)

di mana : = Tegangan geser yang diijinkan (kg.mm) = Kekuatan tarik (kg/mm²)

= Faktor keamanan dari faktor kelelahan puntir, harga 5.6 bahan SF dan 6.0 bahan S-C

= Faktor bentuk fisik karena pengaruh konsentrasi tegangan dan kekerasan permukaan dengan harga 1.3 sampai 3.0

Dari persamaan di atas diperoleh persamaan untuk menghitung diameter poros seperti pada persamaan 4.6.

ds

=

=

... (4.6) dimana : ds = diameter poros (mm)

Kt = faktor keamanan oleh pengaruh keadaaan momen puntir, besarnya

antara 1.0 sampai 3.0

Cb = faktor pengaruh beban adanya beban lentur oleh transmisi lain,

besarnya antara 1.2 sampai 2.3, bila tidak ada , = 0 daya rencana :

= =

momen puntir :

= = 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 = 53 kg/mm², dengan = dan = , maka tegangan geser yang diijinkan :

τ

a

=

kg/mm

Faktor koreksi untuk momen puntir adalah Kt = 1.5 dan beban dikenakan secara halus dengan faktor kelenturan Cb = 2. Dari nilai tersebut sehingga diameter poros dapat ditentukan :

21

= mm

Dari hasil perhitungan diperoleh diameter poros minimal 6.8 mm. Poros yang digunakan pada hubungan rotational joint 2 berdiameter 14 mm sehingga cukup aman dalam penggunaannya.

3. Motor link vertikal

Besarnya gaya dorong yang diperlukan untuk mendorong link horizontal dapat dihitung dengan menggunakan rumus Persamaan 4.7.

= ... (4.7)

dimana : F = gaya (N)

M = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s2)

Besar massa link horizontal dan motor penggerak joint horizontal sebesar 3 kg. Gaya grafitasi sebesar 9.8 m/s2. Sehingga besarnya gaya dorong yang diperlukan:

= =

Jadi gaya yang diperlukan untuk mendorong ke atas link horizontal, jointhorizontal, dan end-effector harus lebih besar dari 29,4 N.

Besarnya daya pada motor DC joint vertikal 60 Watt dan putaran motor 3000 rpm, kecepatan sudut dapat diketahui dengan Persamaan 4.8.

ω = π n

... (4.8)

dimana : ω = kecepatan sudut (rad/s) n = kecepatan putar (rpm)

sehingga diperoleh besar kecepatan sudut yang dihasilkan

ω =

22

Torsi yang dihasilkan oleh motor DC dapat diketahui melalui Persamaan 4.9.

=

... (4.9)

dimana : T = Torsi (Nm) P = Daya (Watt)

ω = Kecepatan sudut (rad/s)

sehingga diperoleh besar torsi yang dihasilkan oleh motor DC

= =

Torsi yang dihasilkan oleh motor joint 3 sebessar 0.191 Nm. Perbandingan rasio dan worm gear yaitu 1:30 dengan efisiensi penyaluran tenaga 99%, sehingga torsi pada ulir dapat dihitung dengan menggunakan Persamanan 4.10.

Tm =

...(4.10)

di mana : Tm = torsi motor (Nm)

T = torsi untuk mendorong ulir (Nm) η = efisiensi penyaluran tenaga (%) sehingga diperoleh :

= = =

Gaya dorong ulir dapat diketahui dengan perhitungan tenaga ulir (power screw). Persamaan yang digunakan untuk menghitung torsi gaya dorong ulir (Shingley dan Mischke,2001) :

T

=

...(4.5)

dimana : T = torsi pada ulir (Nm) F = gaya dorong ulir (N) dm = diameter effektif ulir (m)

f = koefisien gesek permukaan ulir l = kisar/pitch (m)

23

Ulir yang digunakan dalam desain ini adalah ulir recirculating ball srews. 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 (Graha, 2007). 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 90o dan panjang kisar 10 mm. Berdasarkan persamaan gaya dorong ulir :

5.672

=

=

Dari hasil di atas diperoleh gaya angkat yang dihasilkan ulir untuk menggerakkan link dan joint horizontal ke arah atas adalah 34.818 N. Nilai ini lebih besar dibandingkan besar berat link dan joint horizontal dengan besar 29.4 N.

24

IV.

METODE PENELITIAN

4.1

Tempat dan Waktu

Penelitian dilaksanakan pada bulan Februari-Agustus 2011 di Lab. Instrumentasi dan Kontrol, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.

4.2

Bahan dan Alat

1. Alat Penelitian

a. Alat untuk pembuatan prototipe, antara lain gerinda potong, las listrik, gerinda tangan, bor listrik, gergaji, obeng, kunci pas, dan kunci ring.

b. Alat untuk pembuatan rangkaian elektronik, antara lain solder, tang potong, multitester, dan osiloskop.

c. Perangkat komputer untuk pembuatan program.

d. Alat ukur yang digunakan untuk pengukuran koordinat ruang terdiri dari penggaris, meteran, dan busur derajat.

2. Bahan Penelitian

Bahan-bahan yang diperlukan dalam penelitian ini antara lain plat besi, gear box, plat aluminium, besi silinder, besi siku, motor stepper, motor DC, pengencang, PCB, rsistor, kapasitor, dioda, trimpot, LED, transistor, trafo, relay, ic, NI-DAQmx model USB 6009, dan kabel.

4.3

Metode

Diagram alir proses penelitian ini dapat dilihat pada lampiran 1. Metode yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Desain konstruksi utama

Proses desain kontruksi dimulai dengan penentuan tipe dan bentuk manipulator yang akan dibuat. Analisis fungsional untuk penentuan fungsi dari setiap komponen utama. Pembuatan sketsa awal untuk menentukan bentuk dan dimensi alat. Perhitungan kekuatan mekanik komponen-komponen penyusun konstruksi utama. Penentuan kebutuhan daya untuk mekanisme gerak manipulator. Pembuatan dan pengujian konstruksi yang telah direncanakan.

2. Desain komponen elektronik

Pembuatan dan perakitan komponen-komponen elektronik sebagai pendukung pergerakan manipulator. Analisis fungsional dilakukan untuk menentukan fungsi dari bagian

25

komponen elektronik yang akan mendukung fungsi utama. Penentuan jenis-jenis komponen elektronik yang digunakan. Pembuatan dan pengujian komponen elektronik yang telah direncanakan.

3. Penyusunan program komputer

Penyusunan program komputer diawali dengan pembuatan algoritma perintah-perintah pergerakan manipulator. Perintah-perintah dijabarkan ke dalam fungsi matematis dan logika. Setelah program selesai, konstruksi utama, komponen elektronik, dan program disatukan serta dilakukan pengujian alat.

4. Kalibrasi

Pergerakan masing-masing joint bersumber dari gerak putar motor DC. Kalibrasi dilakukan untuk menentukan jumlah atau lama putaran motor terhadap gerak translasi prismatic joint. Perputaran motor juga akan mempengaruhi besar sudut putar pada rotational joint. Sudut putar penting untuk menentukan arah pergerakan manipulator dan gerakan translasi pada siku.

Kalibrasi pada motor steper (motor joint 1) dilakukan untuk mendapatkan hubungan antara lama putaran motor steper (ms) terhadap sudut jangkauan yang dibutuhkan untuk memmbentuk koordinat sumbu x dan sumbu y. Pengukuran lama putaran dilakukan karena frekuensi pulsa yang dihasilkan oleh program hanya sebesar 250 hz dan tidak mampu untuk menggerakkan motor steper. Pengukuran sudut jangkauan aktual dilakukan dengan menggunakan busur derajat.

Kalibrasi pada motor DC pada siku (motor joint 2) dilakukan untuk mendapatkan hubungan antara jumlah pulsa dan besar sudut jangkauan yang dibutuhkan untuk membentuk koordinat sumbu x dan sumbu y. Jumlah pulsa dihasilkan oleh rotational encoder dengan ketelitian 200 pulsa/putaran. Untuk memperbesar ketelitian encoder maka penyusunan program pembacaan encoder dilakukan perhitungan jumlah perubahan logika 0 ke 1 maupun perubahan logika 1 ke 0 sehingga ketelitian encoder menjadi 400 pulsa/putaran. Pengukuran sudut aktual pada joint ini dilakukan dengan menggunakan busur derajat.

Kalibrasi pada motor DC pada pergerakan vertikal (motor joint 3) dilakukan untuk mendapatkan hubungan antara jumlah pulsa dan besar jarak pergerakan (mm) pada sumbu z. Ada tiga metode kalibrasi yang digunakan untuk pergerakan motor joint 3 yaitu penambahan jumlah penghitung pulsa saat sensor encoder membaca logika 1, penambahan penghitung pulsa saat terjadi perubahan logika 0 ke logika 1 pada sensor encoder, dan timer (ms) lama pergerakan pada sumbu z. Penggunan tiga metode ini karena frekuensi pulsa encoder mencapai 25 kHz yang jauh lebih besar dibandingkan kecepatan eksekusi program LabView sebesar 1 kHz. Hasil kalibrasi yang digunakan pada pergerakan manipulator secara keseluruhan adalah metode yang menghasilkan ketepatan yang paling besar. Pengukuran jarak aktual pergerakan sumbu z dilakukan dengan menggunakan meteran.

26

5. Koreksi (penyempurnaan kalibrasi)

Persamaan kalibrasi yang diperoleh digunakan untuk menggerakkan masing-masing joint satu persatu pada koordinat yang diinginkan. Simpangan yang dihasilkan akan membentuk suatu pola persamaan tertentu. Persamaan ini dimasukkan ke dalam persamaan jumlah atau lama putaran motor sebagai koreksi persamaan kalibrasi.

6. Validasi

Persamaan kalibrasi yang telah dikoreksi digunakan untuk menggerakkan masing-masing joint satu per satu pada koordinat yang diinginkan. Besar simpangan masing-masing joint menjadi nilai error joint tersebut.

7. Perhitungan nilai konfigurasi sudut motor joint 1 dan joint 2

Hasil kalibrasi motor joint 1 dan joint 2 adalah hubungan antara lama perputaran dan jumlah pulsa yang dihasilkan terhadap sudut masing-masing joint. Nilai inputan pergerakan manipulator merupakan koordinat x, y, dan z. Pergerakan sumbu z dihasilkan oleh motor joint 1 sedangkan pergerakan pada bidang x,y merupakan konfigurasi besar sudut putar motor joint 1 dan joint 2. Untuk itu perlu dilakukan kalibrasi nilai koordinat x dan koordinat y terhadap besarnya sudut perputaran.

Persamaan perhitungan konfigurasi sudut joint 1 dan joint 2 disusun berdasarkan dalil sinus dan cosinus. Konfigurasi sudut joint 1 dan joint 2 seperti pada Gambar 12. Persamaan yang dikembangkan sebanyak dua persamaan yang dibedakan oleh nilai koordinat x positif (+) atau koordinat x negatif (-) sehingga persamaan yang dihasilkan dapat menjangkau daerah empat ruang pada bidang xy yaitu ruang I pada koordinat x dan y positif, ruang II pada koordinat x negatif dan koordinat y positif, ruang III pada koordinat x dan y negatif, serta ruang IV koordinat x positif dan koordinat y negatif.

Gambar 12. Segitiga sembarang Dalil sinus:

=

=

... (3.1)

Dalil cosinus :

27

Jika : a = panjang plat besi II (mm)

b = panjang plat besi I (mm) α = sudut motor joint 1 (°) γ = sudut motor joint 2 (°) diperoleh :

=

=

= ... (3.3)

Pada koordinat x positif nilai pergerakan sudut motor joint 1 sebesar α dengan arah putar ke kiri. Nilai pergerakan sudut motor joint 2 sebesar (360-γ) dengan arah putar ke kanan. Saat koordinat x negatif nilai perherakan sudut motor joint 1 sebesar (180-α) dan nilai pergerakan sudut motor joint 2 sebesar γ.

8. Pengujian

Pengujian dilakukan untuk mengetahui kemampuan masing-masing joint manipulator dengan menghitung simpangan dan ketepatan antara nilai masukan terhadap nilai aktual. Diagram alir program pengendalian manipulator dapat dilihat pada lampiran 2. Simpangan dihitung dengan Persamaan (3.4)

= ... (3.4) dimana :

= =

=

Ketepatan dihitung dengan mengikuti persamaan (3.5)

= ... (3.5) dimana :

H = jarak seharusnya X = jarak aktual

Pengujian manipulator dilakukan dengan menggunakan dua metode yaitu gerakan manipulator dari posisi limit switch ke titik koordinat dan gerakan titik koordinat ke titik koordinat lainnya. Masing-masing metode tersebut dilakukan dengan tiga variasi pembebanan yaitu tanpa beban, beban 900 g, dan 2200 g. Variasi pembebanan dilakukan untuk memperoleh pengaruh beban terhadap ketelitian manipulator. Besar beban yang digunakan yaitu berdasarkan beban minimum end effector, daya angkat motor joint 3, kekuatan link horisontal, dan kemampuan pondasi agar manipulator tidak terbalik. Pengujian pergerakan dari posisi limit switch ke titik koordinat dilakukan dengan cara memasukkan nilai koordinat tiga dimensi

28

X, Y, dan Z. Penentuan nilai koordinat dilakukan secara acak yang mencakupi empat kuadran bidang X dan Y. Setiap manipulator mencapai titik koordinat tujuan, maka manipulator tersebut harus kambali lagi ke posisi limit switch sebagai titik 0 (titik acuan) masing-masing joint.

Pengujian manipulator gerakan titik koordinat ke titik koordinat dilakukan untuk mendapatkan simpangan pada pergerakan manipulator dari koordinat input terhadap koordinat aktual yang dicapai tanpa adanya koreksi ke titik acuan. Pengujian hanya dilakukan pada empat titik koordinat tujuan untuk setiap pengujian. Penentuan titik koordinat target dipilih secara acak. Koordinat aktual diukur dengan pengukuran langsung.

29

V.

HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1.

Konstruksi

Prototipe Manipulator

Manipulator telah berhasil dimodifikasi sesuai dengan rancangan yang telah ditentukan. Dimensi tinggi manipulator 1153 mm dengan lebar maksimum 595 mm. Bentuk manipulator hasil modifikasi dapat dilihat pada Gambar 13. Koordinat maksimum dan minimum sumbu z 1104mm dan 361 mm. Radius minimal ruang yang tersedia pada bidang xy sebesar 595 mm. Menurut Tugiyono (1998) jarak tanam tomat antar baris 50 cm sampai 80 cm dengan tinggi ajir kurang lebih 125 cm. Ruang yang tersedia pada baris tanaman dapat mencukupi untuk manuver manipulator. Daerah koordinat cakupan manipulator pada bidang xy dapat dilihat pada Gambar 14.

y (+ )

x (+ )

z (+ )

Gambar 13. Hasil modifikasi manipulator

Setelah dilakukan modifikasi pada joint horisontal diperoleh luas daerah cakupan manipulator lebih besar dibanding dengan yang sebelumnya. Perbedaan luas daerah cakupan manipulator dapat dilihat pada Gambar 14 dan Gambar 15.

30

Gambar 14. Luas cakupan koordinat bidang xy manipulator sebelum dimodifikasi

Gambar 15. Luas cakupan koordinat bidang xy manipulator setelah dimodifikasi

1. Dudukan bawah (tidak dimodifikasi)

Dudukan bawah menggunakan plat beton dengan ukuran 400 mm x 400 mm dan ketebalan 20 mm. Plat beton ini kemudian dilubangi pada sisi-sisi sikunya dengan ukuran diameter 4 mm. Diameter lubang ini disesuaikan dengan diameter lubang pemasangan pada roda caster. Plat beton dilubangi pada sisi-sisinya sebagai tempat untuk memasang empat roda caster yang memiliki ukuran tinggi sekitar 34 mm dengan diameter roda 25 mm.

31

Pada bagian tengah plat beton ini juga dilubangi untuk pemasangan gearbox. Plat beton ini dilubangi dngan diameter lubang 8 mm yang disesuaikan dengan lubang pemasangan pada gearbox.

2. Joint putar horisontal 1 (joint 1, tidak dimodifikasi)

Joint 1 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 bagian dipotong, sehingga ukurannya menjadi 92 mm x 50 mm. Pada bagian sisi dengan ukuran 50 mm dilubangi dengan diameter 8 mm sebanyak dua buah untuk pemasangan plat besi pada dudukan bawah yang kemudian dikencangkan dengan baut berdiameter 4 mm sebanyak empat buah yang disesuaikan dengan baut berdiameter 4 mm.

Kopel terbuat dari poros besi pejal yag berdiameter 30 mm. Pada salah satu bagiannya dilubangi dengan diameter 8 mm menyesuaikan dengan poros motor stepper dan pada bagain lainnya dilubangi dengan diameter 10 mm menyesuaikan dengan poros masukan dari gearbox. Pengencangan antara kopel dengan poros motor stepper dan poros masukan gearbox yaitu menggunakan baut diameter 5.5 mm dan ditaps dengan ukuran 6 mm.

Plat poros besi terbuat dari plat besi ukuran 220 mm x 90 mm dan poros besi besi dengan diameter 30 mm. Plat dengan poros ini disatukan dengan cara dilas. Poros dilubangi dengan diameter 15 mm disesuaikan dengan poros keluaran dari gearbox. Kedua bagian ini dikencangkan dengan baut diameter 6 mm sehingga poros besi harus dilubangi dengan diameter 6 mm sehingga poros besi harus dilubangi dengan diameter 5.5 mm dan ditaps dengan ukuran diameter 6 mm. Pada bagian plat besi pada sudut-sudut sisinya dilubangi dengan diameter 12 mm untuk pemasangan pada plat dudukan bawah dari link vertikal. Besar sudut putar joint 1 sebesar 170° untuk mencegah terjadinya kabel melilit. Pembatasan sudut putar dilakukan dengan pesangan limit switch. Komponen penyusun dudukan bawah dapat dilihat pada Gambar 13.

3. Link vertikal (tidak dimodifikasi)

Link vertikal terdiri dari plat dudukan bawah, plat dudukan atas, plat siku, bearing, slider vertikal, dan ulir. Plat dudukan bawah dilubangi dengan diameter 12 mm sebanyak empat buah untuk dipasang dengan plat poros besi. Plat dudukan bawah juga dilubangi dengan dimeter 12 mm sebanyak empat buah disesuaikan dengan lubang pemasangan pada bearing dan dilubangi 6 mm untuk dipasang dengan plat siku sebanyak empat buah. Plat dudukan atas juga dilubangi dengan diameter 12 mm sebanyak empat buah disesuaikan dengan lubang pemasangan pada bearing sebanyak empat buah dan dilubangi 6 mm untuk dipasang dengan plat siku sebanyak empat buah. Plat dudukan atas juga dilubangi dengan diameter 6 mm untuk dipasang dengan dudukan motor servo DC dan dilubangi dengan diameter 20 mm untuk dilewati dengan poros bagian atas ulir diameter 15 mm.

32

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. Plat siku yang dibutuhkan sebanyak 4 buah untuk menopang slider vertikal, dua buah dipasang pada plat dudukan atas dan dua buah lagi dipasang pada plat dudukan bawah. Pada bagian plat siku dengan ukuran 60 mm dilubangi dengan diameter 6 mm dalam arah tegak sebanyak dua buah untuk pemasangan pada slider vertikal. Pada biagian dengan ukuran 25 mm dilubangi dengan diameter 6 mm dalam arah memanjang sebanyak dua buah untuk dipasang pada plat dudukan atas dan bawah. Slider vertikal dipasang secara vertikal dengan empat buah plat siku dan dikencangkan dengan baut berdiameter 6 mm.

Bearing yang digunakan jenis plan bearing segi empat sebanyak dua buah dengan diameter dalamnya 20 mm dan 15 mm yang disesuaikan dengan diameter poros bagian bawah ulir yang diameter 20 mm dan poros bagian atas yang bediameter 15 mm. Kedua bearing dipasang dengn plat dudukan atas dan bawah dan dikencangkan dengan baut berdiameter 12.

Panjang poros bagian bawah ulir dipotong sehingga berukuran panjang 32 mm sesuai dengan tinggi dari bearing. Sehingga poros bagian bawah ulir tidak menembus plat dudukan bawah. Ketinggian minimum yang dapat dicapai sebesar 361 mm serta ketinggian maksimum 1104 mm.

4. Joint translasi vertikal (joint 3, tidak dimodifikasi)

Joint vertikal atau joint 3 terdiri dari motor servo DC, dudukan motor servo DC, dan worm-gear. Dudukan motor servo DC terbuat dari saku 60 mm x 60 mm dan tebal 5 mm. Salah satu bagiannya dipotong, sehingga ukurannya dilubangi dengan diameter 5 mm sebanyak empat buah disesuaikan dengan lubang pemasangan pada motor servo DC. Pada bagian dengan ukuran 35 mm dilubangi dengan diameter 6 mm sebanyak 2 buah untuk dipasang pada plat dudukan atas dan dikencangkan dengan baut berdiameter 6 mm. Motor servo DC dipasang pada dudukan motor servo DC dan dikencangkan dengan baut berdiameter 5 mm.

Roda gigi pada worm-gear dipasang dengan poros bagian atas ulir yang berdiameter 15 mm dan dikencangkan dengan baut berdiameter 6 mm. Roda cacing pada worm-gear dipasang dengan poros keluaran motor servo DC yang diameter 8 mm dan dikencangkan dengan baut 3 mm.

5. Link horisontal

Link horisontal tersusun oleh dua buah plat besi. Plat besi I berukuran panjang 420 mm dengan ukuran penampang 16 mm x 20 mm. Plat besi I dibaut pada plat besi segi empat yang melekat pada ulir link vertikal. Plat besi II berukuran panjang 400 mm dan ukuran penampang 16 mm x 10 mm. Plat besi I dan besi II dihubungkan oleh poros yang berdiameter 14 mm. Poros menyalurkan putaran motor DC secara langsung. Motor DC dibaut dan dipasang tetap terhadap plat besi I sehingga poros memutar plat besi II. Ujung lain poros dihubungkan encoder. Sisi atas dan bawah poros plat besi II terdapat dua plat lingkaran berdiameter 50 mm serta tebal 5 mm. Poros kedua plat besi melingkar terdapat bearing yang berfungsi untuk menahan poros agar tetap tegak.

33

6. Joint putar horisontal 2 (Joint 2)

Joint putar horisontal disebut juga joint 2 terdiri dari motor DC, dudukan motor DC, poros pejal, dan encoder. Transmisi putaran motor menggunakan transmisi poros langsung. Poros motor DC dimasukkan ke dalam poros pejal dan dibaut dengan ukuran baut 5 mm. Poros encoder dihubungkan ke poros pejal dengan menggunakan karet. Penghubung karet digunakan agar tidak merusak encoder jika poros pejal mengalami kemiringan. Sudut minimal joint horisontal sebesar 20° dan sudut maksimal 320°. Bentuk joint 2 serta besar sudut putar dapat dilihat pada Gambar 16 dan gambar 17.

Gambar 16. Joint dan link horisontal

34

5.2.

Kalibrasi

Kalibrasi dilakukan terhadap motor stepper (joint 1), motor DC (Joint 2), dan motor servo DC (Joint 3). Nilai pergerakan diinput ke program kemudian nilai pergerakan aktual diukur. Grafik hubungan antara lama pergerakan terhadap nilai sudut joint 1 dapat dilihat pada Gambar 18 dan Gambar 19.

Gambar 18. Grafik kalibrasi sudut putar joint 1 (putaran arah kiri)

Gambar 19. Grafik kalibrasi sudut putar joint 1 (putaran arah kanan)

Tabel hasil kalibrasi awal joint 1 dapat dilihat pada Lampiran 3. Dari grafik kalibrasi motor joint 1 diperoleh dua persamaan awal kalibrasi yaitu persamaan gerak arah kiri dan gerak arah kanan.

y = 0.1179x - 0.175 R² = 0.9927

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 50 100 150 200 250 300 350

Su

d

u

t

(

°)

Waktu (ms)

y = 0.0965x + 0.225 R² = 0.9984

0 5 10 15 20 25 30 35

0 50 100 150 200 250 300 350

Waktu (ms)

S

u

d

u

t

(

°)

35

Gerakan arah kiri diperoleh y= 0.1779x – 0.175 di mana y dalam (°) dan x dalam (ms). Gerakan arah kanan diperoleh persamaan y= 0.0965 + 0.225 di mana y dalam (°) dan x dalam (ms).

Kalibrasi sudut putar joint 2 berdasarkan ketelitian encoder. Ketelitian encoder adalah 200 pulsa/putaran. Pembuatan program perhitungan pulsa dilakukan dengan menghitung perubahan logika 0 ke logika 1 dan sebaliknya sehingga ketelitian encoder menjadi 400 pulsa/putaran. Dalam satu putaran memiliki sudut 360° maka diperoleh nilai pulsa terhadap satu derajat adalah 1.11 pulsa/°.

Hasil kalibrasi gerak translasi joint 3 dengan metode penambahan jumlah penghitung saat terbaca pulsa logika 1 pada sensor encoder ditunjukkan pada Gambar 20 dan Gambar 21.

Gambar 20. Grafik kalibrasi gerak translasi joint 3 logika 1 (pergeseran arah bawah)

Gambar 21. Grafik kalibrasi gerak translasi joint 3 logika 1 (pergeseran arah atas) y = 0.1445x + 0.9756

R² = 0.9967

0 10 20 30 40 50 60 70

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Jar ak ( m m ) Penghitung

y = 0.0756x + 3.7788 R² = 0.9865

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Penghitung Jar ak ( m m )

36

Hasil kalibrasi awal gerak translasi joint 3 dengan logika 1 dapat dilihat pada Lampiran 10.

Persamaan kalibrasi awal diperoleh y = 0.1445x + 0.8311 untuk pergeseran arah bawah dan y = 0.756x + 3.7788 untuk pergeseran arah atas. Nilai y adalah jarak pergeseran (mm) serta x

merupakan penghitung.

Hasil kalibrasi gerak translasi joint 3 dengan metode penambahan jumlah pulsa saat terjadi perubahan logika 0 ke logika 1 pembacaaan sensor pada encoder dapat dilihat pada Gambar 22 dan Gambar 23.

Gambar 22. Grafik kalibrasi gerak translasi joint 3 (pergeseran arah atas) dengan perhitungan pulsa encoder

Gambar 23. Grafik kalibrasi gerak translasi joint 3 (pergeseran arah bawah) dengan perhitungan pulsa encoder.

y = 0.1266x + 1.5442 R² = 0.999

0 50 100 150 200 250 300

0 500 1000 1500 2000 2500

Pulsa

Jarak

(m

m

)

y = 0.1418x + 1.517 R² = 0.9992

0 50 100 150 200 250 300 350

0 500 1000 1500 2000 2500

Pulsa

Jar

ak

(m

m

37

Hasil kalibrasi awal gerak translasi joint 3 dengan perhitungan pulsa perubahan logika 0 ke logika 1 dapat dilihat pada Lampiran 15. Persamaan kalibrasi awal diperoleh y = 0.1266x + 1.5442 untuk pergeseran arah atas dan y = 0.1418x + 1.517 untuk pergeseran arah bawah. Nilai y adalah jarak pergeseran (mm) serta x merupakan jumlah pulsa.

Kalibrasi gerak translasi joint 3 juga dilakukan dengan metode pewaktu. Hasil kalibrasi gerak translasi joint 3 dengan metode pewaktu dapat dilihat pada Tabel 3. Kalibrasi gerak translasi joint 3 dengan pewaktu dilakukan untuk mendapatkan rata-rata waktu dibagi rata-rata jarak pergerakan aktual. Dari hasil percobaan diperoleh waktu/jarak rata-rata gerakan arah atas 38.79 ms/mm dan gerakan arah bawah 34.41 ms/mm.

Tabel 3. Kalibrasi gerak translasi joint 3 dengan pewaktu

No

Arah atas Arah bawah

Jarak (mm)

Timer (ms)

Timer/jarak (ms/mm)

Jarak (mm)

Timer (ms)

Timer/jarak (ms/mm)

1 59 2414 40.92 32 1102 34.44

2 69 2810 40.72 42 1449 34.50

3 85 3274 38.52 67 2388 35.64

4 94 3813 40.56 78 2628 33.69

5 106 3896 36.75 125 4359 34.87

6 132 4922 37.29 142 4892 34.45

7 145 5692 39.26 145 4846 33.42

8 173 6712 38.80 159 5583 35.11

9 193 7252 37.58 175 6012 34.35

10 205 8030 39.17 204 7270 35.64

11 211 8383 39.73 229 7775 33.95

12 230 8474 36.84 343 12065 35.17

13 323 12204 37.78 363 12189 33.58

14 341 13217 38.76 411 13814 33.61

15 476 18667 39.22 521 17551 33.69

Rata-rata 38.79 Rata-rata 34.41

5.3.

Penyempurnaan Kalibrasi

Penyempurnaan kalibrasi dilakukan untuk menguji hasil kalibrasi awal masing-masing joint. Tiap joint digerakkan pada koordinat tertentu jika terjadi simpangan dan memiliki pola yang teratur, akan dihasilkan persamaan baru yang disebut persamaan koreksi. Persmaan koreksi berfungsi untuk mengkoreksi persamaan hasil kalibrasi agar diperoleh simpangan yang lebih kecil.

38

Hasil pengujian persamaan kalibrasi awal sudut putar joint 1 menghasilkan sudut aktual yang lebih besar dibandingkan sudut input. Karena sudut aktual yang lebih besar, sehingga sudut input dikurang terlebih dahulu oleh persamaan koreksi. Hasil pengurangan tersebut kemudian dimasukkan ke dalam persamaan kalibrasi. Besar simpangan sudut aktual terhdap sudut input dapat dilihat pada Gambar 24 dan Gambar 25.

Gambar 24. Grafik koreksi sudut putar joint 1 (putaran arah kiri)

Gambar 25. Grafik koreksi sudut putar joint 1 (putaran arah kanan)

Hasil pengujian kalibrasi awal sudut putar joint 1 dapat dilihat pada Lampiran 4. Persamaan koreksi kalibrasi diperoleh dua persamaan yaitu y = 1.3855ln(x) – 2.2956 untuk putaran arah kiri dan

y = 1.3017ln(x) - 1.949 R² = 0.9452

-3 -2 -1 0 1 2 3 4

0 10 20 30 40 50 60 70

Input (°)

Ak tu al ( ° )

y = 4.0143ln(x) - 7.9744 R² = 0.9655

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

0 20 40 60 80 100

Input (°)

Ak tu al ( ° )

39

y = 4.0143ln(x) – 7.9744 untuk putaran arah kanan. Persamaan koreksi disubtitusikan ke persamaan kalibrasi awal sehingga diperoleh persamaan kalibrasi y – 1.3855 ln (y) = 0.1179x + 2.1206 untuk putaran arah kiri serta y-4.0143ln(y) = 0.0965x + 8.994 untuk putaran arah kanan dimana y dalam (°) dan x dalam (ms). Bentuk program pengendali motor joint 1 dapat dilihat pada Lampiran 28 dan Lampiran 29.

Hasil pengujian persamaan kalibrasi awal sudut putar joint 2 dapat dilihat pada Lampiran 7. Sudut aktual terukur lebih besar dibandingkan sudut perhitungan persamaan kalibrasi awal. Rata-rata kelebihan sudut putaran arah kanan dan kiri yaitu 8.7° dan 8.2°. Nilai-nilai tersebut sama dengan 9 jumlah pulsa. Koordinat sudut masukan setelah dikonversi menjadi nilai pulsa, selanjutnya dikurangi besar kelebihan pulsa.

Hasil pengujian persamaan kalibrasi awal jarak translasi joint 3 dengan penambahan jumlah pulsa saat terbaca logika 1 pada sensor encoder menghasilkan jarak aktual yang lebih besar dibandingkan jarak input. Karena jarak atual yang lebih besar, sehingga koordinat input dikurang terlebih dahulu oleh persamaan koreksi. Hasil pengurangan tersebut yang kemudian dimasukkan ke dalam persamaan kalibrasi awal sehingga didapat persamaan kalibrasi baru. Besar simpangan dapat dilihat pada Gambar 26 dan Gambar 27.

Gambar 26. Grafik koreksi jarak translasi joint 3 (pergeseran arah atas) dengan logika 1

y = 0.132x - 2.8291 R² = 0.9963

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 100 200 300 400 500

Sim

p

an

g

an

(

m

m

)

40

Gambar 27. Grafik koreksi jarak translasi joint 3 (pergeseran arah bawah) dengan logika 1

Hasil pengujian kalibrasi awal jarak translasi joint 3 dengan logika 1 dapat dilihat pada Lampiran 11 dan Lampiran 12. Persamaan koreksi kalibrasi diperoleh dua persamaan yaitu y = 0.132x – 2.8291 untuk pergerakan arah atas dan y = 0.1677x – 0.3335 untuk pergerakan arah bawah. Persamaan koreksi disubtitusikan ke persamaan kalibrasi awal sehingga diperoleh persamaan kalibrasi y = 0.8831x + 7.7195 untuk pergerakan arah atas serta y = 0.1736x + 1.3992 untuk pergerakan arah bawah dimana y dalam (mm) dan x adalah jumlah penghoitung. Bentuk program pengendali gerak translasi joint 3 logika 1 dapat dilihat pada Lampiran 32 dan Lampiran 33.

Hasil pengujian persamaan kalibrasi jarak translasi joint 3 dengan perhitungan pulsa perubahan logika 0 ke logika 1 menghasilkan jarak aktual yang lebih besar dibandingkan jarak input. Besar simpangan dapat dilihat pada Gambar 28 dan Gambar 29.

Gambar 28. Grafik validasi jarak translasi joint 3 (pergeseran arah atas) dengan perhitungan pulsa encoder

y = 0.1677x - 0.3335 R² = 0.999

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 100 200 300 400 500

Input (mm) Sim p an g an ( m m )

y = 0.1572x - 9.6014 R² = 0.9762

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70

0 100 200 300 400 500

Aktua

l (m

m

)

41

Gambar 29. Grafik validasi jarak translasi joint 3 (pergeseran arah bawah) dengan perhitungan

pulsa encoder

Hasil pengujian kalibrasi awal jarak translasi joint 3 dengan perhitungan perubahan pulsa encoder dari logika 0 ke logika 1 dapat dilihat pada Lampiran 16. Persamaan koreksi kalibrasi diperoleh dua persamaan yaitu y = 0.1572x – 9.6014 untuk pergerakan arah atas dan y = 0.1296x – 6.1958 untuk pergerakan arah bawah. Persamaan koreksi disubtitusikan ke persamaan kalibrasi awal sehingga diperoleh persamaan kalibrasi y = 0.1502x + 13.2244 untuk pergerakan arah atas serta y = 0.1629x + 8.8612 untuk pergerakan arah bawah dimana y dalam (mm) dan x adalah jumlah penghoitung. Bentuk program pengendali motor joint 3 perhitungan pulsa encoder dapat dilihat pada Lampiran 34 dan Lampiran 35.

Koreksi persamaan kalibrasi jarak translasi joint 3 dengan pewaktu tidak dilakukan karena hasil pengujian tidak menghasilkan pola simpangan yang teratur.

5.4.

Validasi Masing-masing

Joint

1. Tanpa beban

Validasi masing-masing joint dilakukan dengan memasukkan nilai jarak dari perismatik joint dan nilai sudut dari rotasional joint. Masing-masing joint digerakkan tersendiri dan dicatat besar penyimpangan.

y = 0.1296x - 6.1958 R² = 0.9903

-10 0 10 20 30 40 50 60

0 100 200 300 400 500

Input (mm)

Aktua

l (m

m

42

Gambar 30. Simpangan hasil validasi joint 1 putaran arah kiri

Gambar 31. Simpangan hasil validasi joint 1 putaran arah kanan

Gambar 30 dan Gambar 31 menunjukkan bersar simpangan pada joint 1. Simpangan terbesar putaran arah kiri adalah 1°. Rata-rata simpangan joint 1 putaran arah kiri diperoleh 0.1° dengan ketelitian 99.8%. Putaran arah kanan menunjukkan simpangan terbesar mencapai 2°. Rata-rata simpangan putaran arah kanan sebesar 0.5° dengan ketelitian 98.8%. Data hasil validasi joint 1 dapat dilihat pada Lampiran 5 dan Lampiran 6. Besar simpangan rata-rata joint 1 diperoleh lebih besar dibandingkan dengan penelitian sebelumnya. Simpangan ini disebabkan karena kopel penghubung poros motor stepper sering mengalami kelonggaran sehingga perlu pemeriksaan jika simpangan membesar. Simpangan yang diperoleh belum memadai untuk memperoleh manipulator yang presisi. Simpangan kurang dari 1° pada joint 1 dan joint 2 sudah dapat membuat simpangan manipulator pada sumbu-x dan sumbu-y yang cukup besar. Perlu

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

0 5 10 15 20 25 30 35

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° ) -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

0 5 10 15 20 25 30 35

S im p a n g a n ( ° ) Pengujian ke-

43

ketelitian kurang dari 1° agar diperoleh simpangan manipulator pada bidang xy yang lebih baik. Kecepatan rata-rata joint 1 sebesar 100°/detik.

Gambar 32. Simpangan hasil validasi joint 2 putaran arah kiri

Gambar 33. Simpangan hasil validasi joint 2 putaran arah kanan

Hasil validasi joint 2 dapat dilihat pada Gambar 32 dan Gambar 33. Simpangan terbesar joint 2 arah kiri sebesar 8°. Rata-rata simpangan putaran arah kiri adalah 2.7° dengan ketelitian 92.7%. Putaran arah kanan memiliki simpangan terbesar sebesar 4°. Rata-rata simpangan putaran arah kanan adalah 1.9° dengan ketelitian 94.1%. Besar simpangan pada joint ini disebabkan oleh momen gaya pada lengan. Momen gaya pada lengan menyebabkan adanya putaran lanjutan pada motor. Motor yang digunakan tidak dilengkapi rem sehingga lengan 2 dapat terus berputar meskipun motor telah di-off. Data validasi joint 2 dapat dilihat pada Lampiran 8 dan Lampiran 9. Kecepatan rata-rata joint 2 sebesar 120°/detik.

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

0 5 10 15 20 25 30 35

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° ) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

0 5 10 15 20 25 30 35

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° )

44

Gambar 34. Simpangan hasil validasi joint 3 pergerakan arah atas

Gambar 35. Simpangan hasil validasi joint 3 pergerakan arah bawah

Besar perbandingan simpangan joint 3 dengan metode perhitungan logika 1 , perhitungan pulsa encoder, dan pewaktu dapat dilihat pada Gambar 34 dan Gambar 35. Metode perhitungan logika 1 yaitu penambahan variabel penghitung jika saat pembacaan pulsa yang terbaca adalah logika 1. Hasil validasi metode logika 1 memiliki simpangan terbesar gerakan arah bawah adalah 9 mm. Rata-rata simpangan sebesar 3.4 mm dengan ketelitian 96.5%. Gerakan ke atas memiliki simpangan terbesar 10 mm. Rata-rata simpangan sebesar 3.7 mm dengan ketelitian 96.3%. Data hasil validasi joint 3 dengan perhitungan logika 1 dapat dilihat pada Lampiran 13 dan Lampiran 14. Besarnya simpangan karena frekuensi pulsa encoder mencapai 25 kHz lebih besar dibandingkan dengan frekuensi program sebesar 1 kHz. Hal ini menyebabkan ada pulsa yang tidak terhitung.

-15 -10 -5 0 5 10 15

0 10 20 30 40

logika 1 pulsa encoder pewaktu Pengujian ke- Sim p an g an ( m m ) -15 -10 -5 0 5 10 15

0 10 20 30 40

logika 1 pulsa encoder pewaktu Pengujian ke- Sim p an g an ( m m )

45

Hasil validasi joint 3 dengan perhitungan pulsa encoder memperoleh simpangan terbesar gerakan arah bawah adalah 10 mm. Rata-rata simpangan sebesar 3.7 mm dengan ketelitian 95.2%. Pergerakan joint 3 arah atas memiliki simpangan terbesar 10 mm. Rata-rata simpangan adalah 3.8 mm dengan ketelitian 95.2%. Data hasil validasi joint 3 dengan perhitungan perubahan logika pulsa 0 ke logika 1 dapat dilihat pada Lampiran 17 dan Lampiran 18. Besarnya simpangan karena frekuensi pulsa encoder lebih besar dibanding frekuensi program. Hal ini menyebabkan ada pulsa yang tidak terhitung. Metode ini lebih banyak pulsa yang tidak terhitung karena penambahan variabel penghitung setelah dilakukan dua kali pembacaan sensor. Jumlah variabel penghitung akan bertambah jika pembacaan pertama adalah logika 0 dan pembacaan kedua adalah logika 1.

Besar simpangan joint 3 dengan pergerakan metode pewaktu memilik simpangan terbesar untuk gerakan arah bawah adalah 4 mm. Rata-rata simpangan 1.1 mm dengan ketelitian 98.8%. Gerakan arah atas memiliki simpangan terbesar 5 mm. Rata-rata simpangan 1.1 mm dengan ketelitian 98.7%. data hasil validasi dapat dilihat pada Lampiran 19 dan Lampiran 20. Penyebab simpangan pada metode ini adalah kecepatan putar motor berubah-ubah. Kecepatan motor berubah karena tegangan input yang tidak stabil. Tegangan input diambil dari hasil penyearah tegangan keluaran transformator tanpa melewati rangkaian penstabil tegangan. Kaecepatan rata-rata joint 3 pergerakan arah atas sebesar 25 mm/detik sedangkan kecepatan arah bawah 30 mm/detik.

Hasil ketiga metode pergerakan joint 3 menunjukkan metode pewaktu memiliki ketelitian tertinggi. Kecepatan pembaca pulsa sebaiknya minimal dua kali lebih besar kecepatan pulsa yang dihasilkan oleh endcoder. Frekuensi pembaca pulsa yang lebih kecil membuat beberapa pulsa tidak terbaca sehingga menghasilkan error yang besar. Metode pewaktu digunakan untuk pergerakan sumbu vertikal manipulator dipilih karena memiliki ketelitian yang lebih baik. Besarnya simpangan pada joint 3 disebabkan oleh adanya perbuhan kecepatan putar motor dan perubahan kecepatan pewaktu (komputer). Kecepatan putar motor dipengaruhi oleh tegangan dan beban. Tegangan yang semakin kecil membuat kecepatan putar motor lebih lambat. Semakin besar beban yang diterima oleh motor menyebabkan putaran motor menjadi lebih lambat. Simpangan juga dapat disebabkan karena perubahan kecepatan pewaktu. Perhitungan pewaktu dilakukan dengan mengitung jumlah looping program. Kecepatan looping dipengaruhi oleh kecepatan pemrosesan komputer.

2. Pembebanan 900 g dan 2200 g

Validasi dengan pembebanan dilakukan untuk memperoleh besar simpangan masing-masing joint karena variasi pembebanan. Beban 900 g digunakan sebagai perkiraan massa minimum end-effector, sedangkan beban 2200 g merupakan beban maksimum yang dapat diangkat oleh motor joint 3. Pembebanan 2200 g juga digunakan untuk menguji kekuatan link horisontal dan plat beton pemberat. Beban maksimum kekuatan link horisontal yang

46

direncanakan sebesar 5000 g serta beban maksimum yang dapat ditopang oleh manipulator sebesar 4000 g. Simpangan validasi masing-masing joint diambil dari pengujian manipulator secara keseluruhan. Hasil validasi joint 1 dengan pembebanan 900g putaran dapat dilihat pada Gambar 36 dan Gambar 37 sedangkan hasil pembebanan 2200g dapat dilihat pada Gambar 38 dan Gambar 39.

Gambar 36. Simpangan hasil validasi joint 1 pembebanan 900 g putaran arah kiri

Gambar 37. Simpangan hasil validasi joint 1 pembebanan 900 g putaran arah kanan

Simpangan terbesar hasil validasi joint 1dengan pembebanan 900g putaran arah kiri 2° dan simpangan pada putaran arah kanan 3°. Simpangan rata-rata putaran arah kiri sebesar 0.6° dengan ketelitian 99 % sedangkan simpangan rata-rata putaran arah kanan sebesar 0.8° dengan ketelitian 98%. -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0

0 5 10 15 20 25

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° ) -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 5 10 15 20

Pengujian ke- S im p a n g a n ( ° )

47

Gambar 38. Simpangan hasil validasi joint 1 pembebanan 2200 g putaran arah kiri

Gambar 39. Simpangan hasil validasi joint 1 pembebanan 2200 g putaran arah kanan

Simpangan terbesar hasil validasi joint 1dengan pembebanan 2200g putaran arah kiri 2° dan simpangan pada putaran arah kanan 4°. Simpangan rata-rata putaran arah kiri sebesar 0.4° dengan ketelitian 99 % sedangkan simpangan rata-rata putaran arah kanan sebesar 0.8° dengan ketelitian 94%.

Hasil validasi joint 1 dengan pembebanan terlihat bahwa adanya pembebanan tidak mempengaruhi simpangan joint 1. Hal ini berarti tidak terjadi perubahan kecepatan putar motor joint1. Kecepatan putar motor ditentukan oleh besar frekuensi pulsa yang dikirimkan ke motor stepper. -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

0 5 10 15 20 25

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° ) -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

0 5 10 15 20

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° )

48

Simpangan joint 2 hasil validasi dengan pembebanan 900g dapat dilihat pada Gambar 40 dan Gambar 41 sedangkan hasil validasi dengan pembebanan 2200g dapat dilihat pada Gambar 42 dan 43.

Gambar 40. Simpangan hasil validasi joint 2 pembebanan 900 g putaran arah kanan

Gambar 41. Simpangan hasil validasi joint 2 pembebanan 900 g putaran arah kiri

Simpangan terbesar hasil validasi joint 2dengan pembebanan 900g putaran arah kanan 11° dan simpangan pada putaran arah kiri 13°. Simpangan rata-rata putaran arah kanan sebesar 8.8° dengan ketelitian 91 % sedangkan simpangan rata-rata putaran arah kiri sebesar 8.8° dengan ketelitian 72%.

0 2 4 6 8 10 12

0 5 10 15 20 25

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° ) 0 2 4 6 8 10 12 14

0 5 10 15 20

Pengujian ke- S im p a n g a n ( ° )

49

Gambar 42. Simpangan hasil validasi joint 2 pembebanan 2200 g putaran arah kanan

Gambar 43. Simpangan hasil validasi joint 2 pembebanan 2200 g putaran arah kiri

Simpangan terbesar hasil validasi joint 2dengan pembebanan 2200g putaran arah kirikanan 17° dan simpangan pada putaran arah kiri 21°. Simpangan rata-rata putaran arah kanan sebesar 12.9° dengan ketelitian 87 % sedangkan simpangan rata-rata putaran arah kiri sebesar 10.8° dengan ketelitian 66%.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0 5 10 15 20 25

Pengujian ke- S im p a n g a n ( ° ) 0 5 10 15 20 25

0 5 10 15 20

Pengujian ke- Si m p a n g a n ( ° )

113

Lampiran 38. Program kalibrasi koordinat( x,y) menjadi nilai sudut putar

114

Lampiran 38. Program kalibrasi koordinat xy menjadi nilai sudut putar (lanjutan)

115

Lampiran 39. Program pengendali manipulator keseluruhan (front panel)

116

Lampiran 39. Program pengendali manipulator keseluruhan (blok diagram)

117

Lampiran 40. Spesifikasi NI-DAQ 6009

Product Name USB-6009

Product Family Multifunction Data Acquisition

Form Factor USB

Part Number 779026-01

Operating System/Target Linux , Mac OS , Pocket PC , Windows

DAQ Product Family B Series

Measurement Type Voltage

RoHS Compliant Yes

Minimum Voltage Range 0 V , 5 V

Minimum Voltage Range Accuracy 7 mV

Update Rate 150 S/s

Current Drive Single 5 mA

Current Drive All 10 mA

Minimum Input Pulse Width 100 ns

Pulse Generation No

Resolution 32 bits

Timebase Stability 50 ppm

Logic Levels TTL

Physical Specifications

Length 8.51 cm

Width 8.18 cm

Height 2.31 cm

I/O Connector Screw terminals

Timing/Triggering/Synchronization

Triggering Digital

Synchronization Bus (RTSI) No

Digital I/O

Bidirectional Channels 12

Input-Only Channels 0

Output-Only Channels 0

Number of Channels 0 , 12

Timing Software

Logic Levels TTL

Input Current Flow Sinking , Sourcing

Output Current Flow Sinking , Sourcing

Programmable Input Filters No

Supports Programmable Power-Up States? No

Current Drive Single 8.5 mA

Current Drive All 102 mA

Watchdog Timer No

Supports Handshaking I/O? No

Supports Pattern I/O? No

Maximum Input Range 0 V , 5 V

Maximum Output Range 0 V , 5 V

Counter/Timers

Counters 1

Buffered Operations No

Debouncing/Glitch Removal No

GPS Synchronization No

Maximum Range 0 V , 5 V

118

Lampiran 40. Spesifikasi NI-DAQ 6009 (lanjutan)

Analog Input

Channels 4 , 8

Single-Ended Channels 8

Differential Channels 4

Resolution 14 bits

Sample Rate 48 kS/s

Throughput (All Channels) 48 kS/s

Max Voltage 10 V

Maximum Voltage Range -10 V , 10 V

Maximum Voltage Range Accuracy 138 mV

Minimum Voltage Range -1 V , 1 V

Minimum Voltage Range Accuracy 37.5 mV

Number of Ranges 8

Simultaneous Sampling No

On-Board Memory 512 B

Analog Output

Channels 2

Resolution 12 bits

Max Voltage 5 V

Maximum Voltage Range 0 V , 5 V

Maximum Voltage Range Accuracy 7 mV Counter/Timers

Counters 1

Buffered Operations No

Debouncing/Glitch Removal No

GPS Synchronization No

Maximum Range 0 V , 5 V