Gambar 2.16. Gambar skema lengan robot sederhana Gambar 2.14 merupakan skema robot sederhana berbaring pada bidang XY. Robot
memiliki satu link I panjang dan satu sendi dengan sudut θ. Posisi tangan robot adalah Xhand. Cara menentukan sudut sendi θ adalah sebagai berikut:
Xhand = I cos θ forward position solution 2 - 1
Cos θ = 2 - 2
θ = cos
-1
2 - 3
Gambar 2.17. Skema posisi lengan robot dari samping Gambar 2.15 merupakan bagian lengan dari sebuah robot yang telah bergerak
dalam posisinya. Dengan nilai OA, AB, OC, CB, dan OB telah diketahui, maka dengan aturan segitiga siku-siku:
OD =
+
CD = Pz OC =
√ +
= +
+
=
+ +
OB =
√ +
= +
+ +
=
+ +
+
Berdasarkan gambar 2.15 diatas, maka juga dapat diketahui bahwa: θ
3
+ sudut OAB = θ
3
+ γ = 180 2 - 4
θ
3
= 180 – γ
2 - 5 Dengan demikian maka :
Cos θ
3
= cos 180 – γ = -cos γ
2 - 6 Cos γ =
. .
=
. .
2 - 7
Cos θ
3
=
. .
2 - 8 dan berdasarkan aturan trigonometri, maka:
sin θ
3
=
1 −
2 - 9 dengan demikian, maka nilai sudut joint 2 adalah:
θ
3
= 2 - 10
solusi untuk sudut joint 2 θ
2
dengan menetapkan nilai sudut joint 2 θ
2
merupakan hasil penjumlahan dari sudut BOD dan sudut EOB maka :
θ
2
= sudut BOD + sudut EOB = - β1 + - β2 = - β1 - β2
2 - 11 Untuk itu perlu diketahui dahulu besarnya sudut BOD β1 dan sudut EOB β2:
Sudut BOD β1 : sin β1 =
= 2 - 12
cos β1 = =
2 - 13 sehingga :
β1 = 2 - 14
Sudut DOB β2 : sin β1 =
=
.
2 - 15
cos β2 = =
.
2 - 16 sehingga :
β2 = 2 - 17
Solusi untuk sudut joint 4 θ
4
Pada tahap akhir perhitungan adalah joint 4. Pada gambar 2.15 terlihat seolah – olah terbentuk bidang segi empat dengan panjang rusuk yang tidak sama panjang. Pada
ilmu ukur, sudut total pada bidang segiempat adalah 360 . Dengan demikian maka bila θ
1
,θ
2
,dan θ
3
telah diketahui sebelumnya maka θ
4
dapat dicari, dengan perhitungan: θ
4
= 90 – θ
2
- θ
3
2 - 18
kebanyakan invers kinematika menggunakan cara yang sama dan menggunakan perhitungan trigonometri dan geometri untuk menyelesaikannya.
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Bab ini menjelaskan mengenai perancangan lengan robot mengikuti gerakan tangan manusia berbasis mikrokontroler. Perancangan sistem yang akan dibahas pada bab ini
terdiri dari dua bagian, yaitu perangkat keras hardware dan perangkat lunak software. Perancangan sistem yang dibahas dalam bab ini terbagi dalam dua bagian besar, yaitu:
a. Perancangan perangkat keras Perancangan Mekanik.
Perancangan Rangkaian Pengendali utama. b. Perancangan perangkat lunak
Perangkat lunak pengaturan keypad matrix 3x4. Perangkat lunak pengendali motor RC servo dengan Arduino IDE.
Perangkat lunak pengendali motor RC servo dengan SPC Servo Motor Controller.
3.1. Perancangan Perangkat Keras Hardware
Perancangan perangkat keras Hardware terdiri dari dua bagian utama yaitu perancangan mekanik lengan robot dan perancangan rangkaian pengendali utama.
Penggunaan diagram blok digunakan sebagai perencana konsep keseluruhan dalam pembuatan perangkat keras agar dapat memperlihatkan fungsi dan cara kerja sistem dari
perangkat keras tersebut. Dalam perancangan perangkat keras disertakan pula tampilan visual berupa rancangan gambar 3D dari prototype lengan robot, secara sistematis dari
pengukuran jangkauan, berat beban dan lengkap secara dimensi panjang lengan dan kemungkinan gerakan melalui sudut-sudut pergerakannya sehingga mampu menjelaskan
sesuai dengan aslinya.
Perancangan perangkat keras juga meliputi perancangan rangkaian pengendali utama sebagai sistem pengendali gerakan lengan robot dengan cara mengaktifkan motor
RC servo yang berfungsi sebagai penggerak sendi pada setiap lengan untuk melakukan gerakan menjangkau atau memposisikan tempat.
Bagian pertama diagram blok digunakan untuk menjelaskan fungsi dan cara kerja dari setiap komponen yang menyusun sistem lengan robot. Komponen-komponen
penyusun dari sistem tersebut meliputi input data dari keypad matrix 3x4, komponen pengendali berupa mikrokontroler Atmega 328 pada papan Arduino Mega R3, pengendali
motor RC servo SPC servo motor controller dan bagian keluaran output yaitu motor RC servo.
Bagian kedua dalam perancangan lengan robot adalah pembahasan mengenai rancangan mekanik dan perhitungan kinematika gerakan robot yang menggunakan proses
perhitungan secara invers kinematics. Desain mekanik lengan robot secara tampilan gambar dan keterangannya akan menjelaskan secara lengkap komponen penyusun
meliputi dimensi dari lengan robot dan motor RC servo yang digunakan.
3.1.1. Perancangan Mekanik Robot.
Gambar 3.1. Blok Diagram Perangkat Keras Hardware Gambar 3.1 merupakan blok diagram sistem. Pada blok diagram tersebut,
perangkat keras yang akan dibuat terdiri dari tiga bagian, yaitu keypad matriks 3x4 yang berfungsi sebagai pemberi data masukan, Arduino Mega 2560 R3 dan SPC Servo Motor
Controller sebagai pengolah data dan pengontrol, Motor RC Servo sebagai pengeksekusi data. Rangkaian kontroler Arduino Mega 2560 R3, Motor RC Servo. Pada prinsipnya akan
menerima data yang dikirimkan dari keypad yang telah dihubungkan pada bagian analog input , bagian tersebut sudah memiliki ADC Analog to Digital Converter .
Data yang diterima oleh kontroler Arduino Mega 2560 R3 tersebut kemudian akan diolah. Data-data tersebut berupa posisi gerakan dan sinyal-sinyal kepada SPC Servo
Controller untuk mengirim input berupa signal pulsa digital kepada motor RC servo sehingga dapat menggerakkan lengan robot. Besar kecilnya sinyal yang didapat oleh motor
RC servo akan mempengaruhi gerakan rotasi pada lengan-lengan robot sehingga memungkinkan robot untuk dapat bergerak pada 3 sumbu axis yaitu X, Y dan Z.
Keypad matirks
3x4 Arduino
Mega 2560 R3
SPC
Servo Motor Controller
Motor RC
Servo
controller input
output
3.1.2. Pemodelan Mekanik
Gambar 3.2. merupakan gambar keseluruhan design 3D lengan robot. Lengan robot ini memiliki tiga bagian utama yang digerakkan dengan motor servo. Motor servo
yang digunakan sebanyak 5 buah. Motor yang digunakan memiliki tipe yang berbeda, terdapat 3 tipe yang digunakan.
1. Base bagian dasar 2. Shoulder bagian bahu
3. Elbow bagian siku 4. Pitch bagian pergelangan
5. Gripper bagian jari 6. Motor Base
7. Motor Shoulder A 8. Motor shoulder B
9. Motor elbow 10. Motor pitch
Gambar 3.2. Tampilan Seluruhnya Design Gambar 3D Lengan Robot Gambar 3.3. merupakan design 3D bagian dasar base berbentuk lingkaran yang
berdiameter 25cm. Base terhubung dengan sebuah as yang memanjang ke bawah yang memiliki roda gigi dan tersambung dengan roda gigi pada sebuah motor RC servo yang
befungsi sebagai penggerak base. Base bergerak secara rotasi dan dapat menyebabkan perubahan posisi secara horizontal pada lengan-lengan penghubung yang lain.
Gambar 3.3. Gambar Posisi Gear Pemutar Base yang di Couple Dengan Motor Servo
1 2
3 4
5
6 7
8 9
10
Bagian shoulder memiliki panjang lengan 18cm dan bergerak secara rotasi vertikal dengan 2 buah motor RC servo. Bagian elbow memiliki panjang lengan 12cm dan bergerak
secara rotasi vertikal dengan sebuah motor RC servo. Bagian pitch memiliki panjang lengan 5cm dan bergerak secara rotasi vertikal dengan sebuah motor RC servo. Bagian
paling ujung adalah gripper digunakan untuk memegang benda dalam hal ini beban berupa jari yang berfungsi untuk menekan tuts keyboard. Gerakkan pada setiap jari dihubungkan
dengan sebuah motor RC servo. Panjang gripper sampai pada ujung jari memiliki panjang 15cm. Total keseluruhan panjang lengan robot dari pangkal shoulder sampai pada ujung
jari adalah 50cm. Besarnya dimensi berupa panjang yang dimiliki oleh keseluruhan penghubung link menentukan kemampuan sebagai jangkauan lengan robot ketika
melakukan gerakkan.
Bagian yang berperan sebagai penggerak adalah sendi joint terhubung langsung dengan motor RC servo. Gerakkan yang terjadi pada joint di setiap bagian pangkal dari
link adalah rotasi. Gerakkan secara rotasi menyebabkan adanya perbedaan besarnya sudut- sudut yang terjadi pada setiap penghubung link dari titik acuan awal yaitu pada bagian
pangkal dari bahu shoulder.
Motor RC servo yang digunakan sebanyak 10 buah. Pemilihan motor RC servo yang digunakan pada setiap joint berdasarkan pada kemampuan yang harus dimiliki setiap
joint untuk mengangkat beban. Beban dapat berupa lengan link dan benda yang diangkat. Kemampuan motor untuk berputar dengan suatu beban merupakan gaya putar yang disebut
torsi torque. Berikut ini perkiraan berat lengan penghubung link pada perancangan lengan robot:
Tabel 3.1. Tabel perkiraan berat lengan dan beban yang diangkat lengan pada perancangan lengan robot
NO. Lengan Penghubung
link Perkiraan
Berat setiap lengan
Beban yang diangkat setiap lengan
1. Gripper
180gr 180gr
2. Pitch
120gr 300gr
3. Elbow
200gr 500gr
4. Shoulder
500gr 1000gr
5. Base
200gr 200gr
Pada tabel 3.1. untuk perkiraan berat setiap lengan merupakan total berat dari material lengan dan motor RC servo yang menempel pada lengan. Sedangkan pada kolom
beban yang diangkat setiap lengan merupakan penjumlahan berat dari keseluruhan beban yang harus diangkat oleh setiap lengan. Perancangan mekanik untuk desain lengan robot
peniru gerakan tangan manusia menggunakan material aluminium karena ringan dan mudah dikerjakan. Pada tabel 3.1. bagian base diasumsikan memiliki berat yang ringan
walaupaun terletak paling dasar karena bagian base tidak terbebani oleh berat keseluruhan dari prototype lengan robot karena seluruh lengan robot sudah ditopang oleh empat buah
tiang penyangga.Pada perancangan mekanik motor RC servo yang digunakan hanya untuk memutar bagian base yang memiliki torsi yang tidak terlalu besar yaitu diperkirakan
sebesar10 kgf.cm.
Gambar 3.4. Gambar Design Tangan Robot dengan 5 Jari Pada gambar 3.4. menunjukkan bahwa beban yang diangkat pada bagian pitch tidak
begitu besar dan cukup ringan sehingga hanya memerlukan motor RC servo yang memiliki torsi kecil. Motor RC servo bagian gripper pada perancangan lengan robot ini dirancang
memerlukan torsi kecil yaitu hanya berkisar 2 kgf.cm pada setiap jari. Sehingga motor servo yang digunakan berjumlah 5 buah.
Pada bagian pitch beban yang harus diangkat adalah 300 gram karena bagian pitch selain mengangkat lengannya sendiri juga harus mengangkat seluruh bagian gripper.
Bagian pitch memiliki panjang 5 cm dan bagian gripper sampai ujung jari memiliki panjang 15 cm, sehingga panjang lengan yang harus diangkat adalah 20 cm. Berikut adalah
perhitungan untuk merancang torsi pada bagian pitch :
m = 300 gram = 0,3 kg r = 20 cm
