1 PENGEMBANGAN PERENCANAAN GERAK UNTUK ROBOT KARTESIAN BERBASIS PD DAN PLC Djoko Purwanto Tri Arief Sardjono Herlambang Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya-60111, email : herlambang@elect-eng.its.ac.id Abstrak - Pusat robot ITS adalah pusat penelitian dan pengembangan robot di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Di pusat robot terdapat banyak sekali robot yang siap diteliti atau dikembangkan fungsinya salah satunya adalah robot kartesian berbasis PLC. Robot kartesian adalah sebuah robot dengan terdiri dari beberapa lengan yang bekerja pada sumbu kartesian dan berada pada dasar yang tetap. Saat ini robot kartesian berbasis PLC yang berada di Pusat Robot ITS hanya terbatas untuk pengoperasian manual saja. Pada tugas akhir ini dibahas mengenai pengembangan perencanaan gerak untuk robot kartesian berbasis Programmable Logic Controller (PLC). Dimana PLC yang digunakan untuk kontrol robot kartesian adalah Mitsubishi FX2N. Robot kartesian menggunakan motor stepper pada penggerak sumbu X yang memiliki resolusi terkecil 0.7 mm dan motor servo sebagai penggerak sumbu Y yang memiliki resolusi terkecil 1 mm. Robot kartesian berbasis PLC tersebut terhubung dengan Personel Computer (PC). Fungsi dari PC adalah sebagai tempat pengguna untuk menggambarkan suatu objek. Sistem akan menghasilkan gambar output sesuai dengan gambar yang telah pengguna buat pada PC. Robot kartesian yang digunakan adalah robot kartesian 2 DoF dengan sebuah tool untuk menggambar. Tugas akhir ini dapat melakukan proses penggambaran citra sesuai dengan gambar yang telah dibuat oleh pengguna pada PC. Kata kunci: Robot kartesian, PLC, Perencanaan gerak I. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi adalah salah satu tolok ukur perkembangan suatu negara. Hal itu merupakan suatu hal yang menjadi salah satu titik fokus dari instansi pendidikan. Dimana instansi pendidikan adalah penyumbang terbesar dari riset atau pengembangan teknologi suatu negara. Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) merupakan salah satu perguruan tinggi teknik di Indonesia yang melakukan riset di bidang teknologi. Salah satu tempat di ITS sebagai pusat riset adal ah pusat robotika ITS. Di pusat robotika ITS terdapat banyak sekali robot-robot standar industri yang tersedia untuk dikembangkan. Mulai dari motoman, bioloid, robot kartesian dan lain sebagainya. Robot kartesian adalah robot yang memiliki lengan yang bekerja sesuai dengan sumbu kartesius. Robot kartesian yang terdapat pada pusat robotika adalah robot kartesian berbasis PLC dan komputer. Robot kartesian berbasis PLC menggunakan PLC mitsubishi FX2N. Untuk komunikasi dengan hardware lainnya, PLC tersebut hanya dapat dilakukan menggunkan serial port dan digital I/O. Untuk saat ini fungsi dari robt kartesian di pusat robot hanya terbatas untuk pengoperasian manual saja. Pada tugas akhir ini akan dirancang dan diimplementasikan sebuah pengembangan perencanaan gerak pada robot kartesian berbasis programmable logic controller (PLC) untuk aplikasi plotter. Pengguna akan membuat suatu gambar uji pada PC lalu gambar tersebut akan diolah data-data koordinatnya yang kemudian dikirimkan melalui komunikasi serial ke mikrokontroler. Kemudian mikrokontroler akan menerjemahkan perintah yang dikirmkan oleh PC yag kemudian dikirimkan ke PLC untuk digunakan sebagai acuan untuk menggerakkan motor-motor pada robot kartesian untuk menggabarkan ulang apa yang telah digambarkan oleh pengguna. II. TEO RI PENUNJANG 2.1 PROGRAM EDITOR Program editor adalah sebuah program yang dapat memasukkan sebuah inputan ke dalam program itu. Dimana inputan tersebut dapat berupa sebuah gambar ataupun yang lainnya. Untuk inputan berupa gambar ada hal yang perlu diperhatikan, yaitu koordinat dan pixel. Sebuah tempat untuk menggambar adalah kanvas. 2.1.1 KANVAS Kanvas adalah sebuah media yang disediakan pada program editor sebagai saran untuk menggambar. Pada kanvas pengguna dapat membuat garis, dan mengatur bentuk garis. Tidak hanya terbatas pada garis saja, pengguna juga dapat menggambar bentuk lain seperti kotak, segitiga, bulat dan masih banyak bentuk lainnya. Untuk dapat membuat program seperti itu, terlebih dahulu harus memahami dasar grafika. Antara lain adalah: Koordinat Piksel Kanvas dapat dibayangkan seperti suatu lembaran kertas atau kain. Pada lembaran tersebut pengguna dapat melakukan operasi gambar. Kanvas
2 tersusun atas sejumlah piksel. Piksel adalah elemen terkecil pada kanvas yang dapat digambar oleh pengguna. Gambar 2.1 Piksel Setiap piksel mempunyai koordinat, yang dinyatakan dengan (x,y). X dapat dibayangkan sebagai kolom dan Y sebagai baris. Sebagai contoh, piksel yang terletak pada pojok kiri atas memiliki koordinat (0,0). Koordinat piksel pada pojok kanan bawah memiliki koordinat berupa (X,Y). Dalam hal ini X adalah properti yang menyatakan lebar kolom yang ditulisi dan Y adalah properti yang menyatakan baris yang ditulisi. 2.2 Konfigurasi Cartesian Konfigurasi cartesian terdiri dari tiga sumbu linear yang saling tegak lurus, yang disingkat dengan PPP, seperti pada gambar 2.13. Demikian, area kerja robot berada pada sistem koordinat xyz cartesian, sehingga memudahkan perhitungan persaman geraknya. Gambar 2. Konfigurasi Cartesian Ada beberapa keuntungan pada konfigurasi ini. Seperti yang telah disebutkan diatas, perhitungan persamaan gerak robot yang mudah, karena pergerakan pada setiap sumbu cartesian dipengaruhi oleh satu aktuator, sehingga memudahkan dalam pemograman pergerakannya. Secara umum, sangat mudah untuk melakukan gerakan vertikal, yang sering digunakan dalam proses perakitan (assembly). Kerugian dari konfigurasi ini adalah ketidakmampuan dalam mencapai objek yang berada dilantai dan kecepatan operasi yang lambat pada bidang horisontal dibandingkan dengan robot dengan base rotary 2.3 Programmable Logic Controller (PLC) Sejarah pengembangan PLC dimulai pada decade 1960 dan 1970 saat sebagian industri memakai relay sebagai penghubung dalam pengaturan proses industri. Saat itu kontrol panel dipenuhi dengan banyak relay dan pengkabelan yang seringkali sebuah kontrol panel dari proses industry bisa memenuhi dinding ruangan dengan kabel dan relay. Jika terjadi kesalahan konfigurasi logika ataupun kerusakan relay maka perlu dilakukan pembongkaran kontrol panel yang mengharuskan penghentian proses industri dan produksi tentunya. Berbagai kekurangan seperti terlalu banyaknya kabel yang terhubung dalam kontrol panel, kesulitan dalam penggantian komponen, kesulitan menemukan error, lamanya waktu perbaikan yang seringkali sulit untuk ditentukan, memberikan inisiatif terhadap pengembangan sebuah kontroler kompak sebagai penggantinya. Dengan PLC berbagai keuntungan diperoleh baik dari sisi ekonomi maupun teknis. 2.4 MOTOR STEPPER Stepper motor adalah salah satu tipe motor yang sangat populer digunakan sebagai penggerak/pemutar peralatan industri. Prinsip kerja stepper motor ini mirip dengan DC motor, yaitu sama-sama dicatu dengan tegangan DC untuk memperoleh medan magnet. Bila DC motor memiliki magnet tetap pada stator, stepper motor mempunyai magnet tetap pada rotor. Suatu stepper motor biasanya cukup dinyatakan dengan spesifikasi : berapa phasa, berapa derajat perstep, berapa volt tegangan catu untuk tiap lilitan dan berapa ampere/miliampere arus yang dibutuhkan untuk tiap lilitan. Walau bagaimanapun motor stepper jauh berbeda dengan DC motor. Motor stepper tidak dapat bergerak dengan sendirinya. Motor stepper bergerak secara per-step sesuai dengan spesifikasinya, dan bergerak dari satu step ke step berikutnya memerlukan waktu. Juga ada perbedaan pada torque-speed antara motor stepper dan motor DC. Secara umum motor DC tidak menghasilkan torsi yang besar pada kecepatan rendah, sebaliknya motor stepper dapat menghasilkan torsi yang besar pada kecepatan rendah. Motor stepper juga memiliki karakteristik yang lain yaitu holding torque, yang tidak dimiliki oleh motor DC. Holding torque memungkinkan motor stepper dapat menahan posisinya ketika tidak berputar. Hal ini sangat berguna untuk aplikasi dimana suatu sistem memerlukan keadaan start dan stop. Karakteristik dari motor stepper adalah sebagai berikut: Voltage Tiap motor stepper mempunyai tegangan rata-rata yang biasanya tertulis pada tiap
3 unitnya atau tercantum pada datasheet masing-masing motor stepper. Tegangan rata-rata ini harus diperhatikan dengan seksama karena bila melebihi dari tegangan rata-rata ini akan menimbulkan panas yang terlalu besar pada motor stepper yang menyebabkan kinerja putarannya tidak maksimal atau bahkan motor stepper akan rusak dengan sendirinya. Resistance Resistance-per-winding adalah karakteristik yang lain dari motor stepper. Resistance ini akan menentukan arus yang mengalir, selain itu juga akan mempengaruhi torsi dan kecepatan maksimum dari motor stepper. Degrees per step Derajat per step adalah faktor terpenting dalam pemilihan motor stepper sesuai dengan aplikasinya. Tiap-tiap motor stepper mempunyai spesifikasi masing-masing, antara lain: 0.72 0 per step, 1.8 0 per step, 3.6 0 per step, 7.5 0 per step, 15 0 /step, dan bahkan ada yang 90 0 per step. Dalam pengoperasiannya kita dapat menggunakan 2 prinsip yaitu full-step atau half-step. Dengan fullstep berarti motor stepper aan berputar sesuai dengan spesifikasi derajat per stepnya, sedangkan half-step berarti motor stepper akan berputar setengah derajat/step dari spesifikasi motor stepper tersebut. Gambar 3. Diagram blok hardware Gambar diat as adalah diagram blok hardware keseluruhan sistem. Blok hardware yang berada dalam kotak garis putus adalah hardware yang dirancangbangun oleh penulis. Sedangkan untuk blok hardware yang berada di luar kotak garis putus adalah fasilitas dari Pusat Robotika ITS. Sistem mikrokontroler diperlukan untuk menerjemahkan data serial yang dikirimkan oleh PC. Komunikasi serial antara PC-mikrokontroler menggunakan kabel data handphone DKU-5. Penggunaan kabel DKU-5 ini menggantikan fungsi pengubah level tegangan RS-232 yang biasa digunakan pada komunikasi serial. Pemakaian kabel DKU-5 lebih praktis daripada RS-232. yang perlu dilakukan untuk menyiapkan kabel DKU-5 sebagai media komunikasi adalah menemukan kabel Tx, Rx dan ground. Kemudian menginstal software driver untuk kabel DKU-5 pada PC yang akan digunakan antarmuka dengan mikrokontroler. Rangkaian switch digunakan untuk mengubah level tegangan dari mikrokontroler ke level tegangan kerja PLC, yaitu 0-24 volt. Schematic diagramnya adalah sebagai berikut: III. PERANCANGAN SISTEM Perancangan sistem terdiri dari perancangan hardware dan software. Pada bagian hardware terdiri dari PC, rangkaian minimum sistem mikrokontroller AVR ATmega 16, rangkaian switch, PLC, driver motor dan motor. Diagram blok hardware dapat dilihat pada gambar dibawah. Pada bagian software terdiri dari pemrograman pada PLC, mikrokontroler dan PC. Pemrograman PC menggunakan software tertentu yang terdiri dari program editor untuk menggambarkan gambar uji, pemrosesan dan pengiriman data serial. Pemrograman mikrokontroler berfungsi sebagai menerjemahkan perintah dari data serial yang dikirimkan PC. Kemudian mengirimkan ke PLC. Pemrograman PLC berfungsi untuk menggerakkan motor pada robot kartesian seseuai dengan data yang diterimanya dari mikrokontroler. Gambar 4. Rangkaian switch Pada pemrograman PC dibuat sebuah form canvas sebagai wadah untuk menggambarkan gambar uji. Kemudian gambar uji diambil data koordinat titik penyusunnya. Titik yang diproses dikomparasikan dengan titik sebelumnya. Hasil komparasi akan diproses kemudian dikirimkan ke mikrokontroler.
4 Pada PLC digunakan port digital I/O sebagai sarana antarmuka dengan mikrokontroler. Digunakan 5 digital input untuk mengendalikan gerak robot searah sumbu X+, X-, Y+, Y- dan tool. Gambar 5. Kabel DKU-5 Gambar 6. Mininum system mikrokontroler dan rangkaian switch Gambar 5. Diagram alir pemrograman PC Pemrograman pada mikrokontroler berfungsi sebagai jembatan komunikasi antara PC-PLC. Pemrogaman pada mikrokontroler adalah untuk menerjemahkan dari data yang dikirimkan oleh PC ke data yang diproses oleh PLC untuk menggerakkan robot kartesian. Gambar 7. Robot kartesian Gambar 8. PLC dan pulse generator. Gambar 6. Diagram alir pemrograman mikrokontroler. IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS Pengujian dilakukan untuk mengetahui kinerja sistem yang telah dibuat. Pengujian yang dilakukan terdiri dari : (1) karakterisasi motor; (2) pengujian hardware dan software. Pengujian sistem secara
5 keseluruhan dilakukan untuk mengukur performansi sistem terhadap hasil yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini. 4.1 Karakterisasi motor Pengujian resolusi motor Pengujian dilakukan dengan cara pemberian input pada masing motor dengan lebar pulsa yang bervariasi. Tabel 1. Hasil pengujian lebar delay untuk sumbu X Lebar delay Status motor Jarak 100 ms Tidak bergerak 0 200 ms Tidak bergerak 0 250 ms Bergerak 0.7 300 ms Bergerak 1 400 ms Bergerak 1.25 Tabel 2. Hasil pengujian lebar delay untuk sumbu Y Lebar delay Status motor Jarak 100 ms Tidak bergerak 0 200 ms Tidak bergerak 0 250 ms Bergerak 1 300 ms Bergerak 1.3 400 ms Bergerak 1.75 Hasil pengujian pada tabel diatas didapatkan hasil untuk sumbu X dan sumbu Y. Sehingga didapatkan lebar delay minimum untuk menggerakkan motor adalah 250 ms. Setelah didapatkan lebar delay minimum untuk menggerakkan motor pada tiap sumbu, maka dilakukan pengujian untuk mengetahui resolusi motor tiap sumbu. Untuk menguji resolusi motor sumbu Y, maka dilakukan beberapa percobaan dengan memberikan 10 kali pulsa dengan lebar pulsa 250 ms secara m anual dengan beberapa variasi pengaturan pulse per second dari PLC. Berikut tabel hasil pengukuran : Tabel 2. Pengukuran Resolusi Motor Sumbu x PPS (pulse per second) 200 500 800 Pengukur an 11 10 10 9 19 20 20 21 33 33 32 34 rata-rata penguku ran panjang 1 piksel 10 1 20 2 33 3.3 Hal yang sama dilakukan pada sumbu Y. Untuk menguji resolusi motor sumbu Y, maka dilakukan beberapa percobaan dengan memberikan 10 kali pulsa dengan lebar pulsa 250 ms secara manual dengan beberapa variasi pengaturan pulse per second dari PLC. Berikut tabel hasil pengukuran : Tabel 3. Pengukuran Resolusi Motor Sumbu y PPS (pulse per second) 200 500 800 Pengukur an 7 7 8 6 12 13 13 14 22 23 21 22 rata-rata penguk uran panjang 1 piksel 7 0.7 13 1.3 23 2.3 Mengacu pada Tabel 2 dan 3, hasil resolusi motor untuk tiap sumbu. Hal ini dikarenakan motor yang digunkan untuk tiap sumbu berbeda. 4.2 Pengujian sistem keseluruhan Pengujian sistem keseluruhan dilakukan dengan membandingkan gambar uji pada program editor dengan gambar yang dihasilkan oleh robot kartesian. Pada program editor menggunakan kanvas berukuran 500x500 piksel. Sedangkan pada media gambar berukuran 50cmx50cm. Sehingga skalanya adalah 1cm:10piksel. Gambar 9. gambar uji Pada gambar uji di atas terdapat 3 buah bangun kotak yang mempunyai koordinat titik
6 awal dan titik akhir sebagai beikut: Tabel 4. koordinat titik awal dan akhir gambar uji (dalam piksel) objek Titik awal Titik akhir Kotak1 (98,90) (191,184) Kotak2 (232,219) (321,292) Kotak3 (72,327) (184,394) mempengaruhi kecepatan dan ketelitian kerja sistem. DAFTAR REFERENSI 1. Paul Scherz, Practical Electronics for Inventors, (Amerika Serikat : McGraw-Hill,2000). 2. Martono, Rancang Bangun Robot Penggambar Berdasarkan Visualisasi Kamera.Tugas Akhir S1 Teknik Elektro ITS Surabaya. 2008. 3. Andrianto, Heri.2008. pemrograman mikrokontrolerr AVR Atmega 16 menggunakan bahasa C (codevision AVR).Bandung : informatika. 4. Richard C. Dorf, The Electrical Engineering Handbook, CRC Press LLC, 2000. 5. How to work Stepper Motor, http://eio.com/jasstep.htm 6. SerialProgramming, http://en.wikibooks.org/ 7. ISP Flash Programming, http://www.kmitl.ac.th/~kswichit/isp- Pgm3v0/ISP-Pgm3v0.html Gambar 10. Hasil gambar sistem Pada hasil gambar sistem tergambar kotak yang tidak sempurna. Hal itu dikarenakan permukaan meja gambar tidak rata. Area gambar sudah dipetakan untuk setiap kotak 10cmx10cm. Pada hasil gambar sistem didapatkan koordinat pada tiap objek sebagai berikut: Tabel 5. koordinat titik awal dan akhir gambar hasil sistem (dalam cm) objek Titik awal Titik akhir Kotak1 (10,9) (19.8,19) Kotak2 (23,22) (32,29) Kotak3 (7,32) (19.5,39) Dari hasil pengujian sistem diatas didapatkan eror sebagai berikut: Tabel 6. koordinat titik awal dan akhir gambar hasil sistem (dalam cm) objek Titik awal Titik akhir Kotak1 (0.2,0) (0.7,0.6) Kotak2 (0.2,0.1) (0.1,0.2) Kotak3 (0.2,0.7) (1.1,0.4) BIO GRAFI Herlambang, dilahirkan pada tanggal 11 Mei 1984 di Surabaya, Jawa Timur. Anak bungsu dari empat bersaudara. Menempuh pendidikan di SDN Mojo VI Surabaya, SMPN 29 Surabaya, SMAN 2 Tuban. Pada tahun 2004 melanjutkan pendidikan pada jenjang Strata satu di Jurusan Teknik Elektro ITS dan memilih elektronika sebagai bidang studinya. KESIMPULAN Dari hasil pengujian sistem diatas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: Resolusi tiap sumbu berbeda dikarenakan pemakaian motor yang berbeda. Semakin banyak hardware yang digunakan mempengaruhi kecepatan respon kerja sistem. Pengaturan PPS pada pulse generator