BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT 3.1 Gambaran Umum Pada bab ini akan dibahas mengenai perencanaan perangkat keras elektronik (hardware) dan pembuatan mekanik robot. Sedangkan untuk pembuatan perangkat lunak dirancang dengan menggunakan bahasa pemrograman C dan software pendukungnya yaitu CodeVision AVR. Perencanaan ini terdiri dari pengaturan peletakan posisi sensor (sensor array) agar robot dapat bergerak dengan baik, pemasangan motor servo sebagai penggerak setiap sendi pada kaki robot, pengaturan posisi derajat motor servo agar dapat bergerak lebih dinamis dan seimbang. Sedangkan pembuatan perangkat keras elektronik terdiri dari pembuatan rangkaian sistem minimum mikrokontroller Atmega8535 sebagai pusat pengontrolan gerak robot. Pembuatan rangkaian downloader sebagai interface mikrokontroller dengan PC. 3.2 Konfigurasi Sistem Robot ini terdiri dari dua kaki yang dapat bergerak sesuai pergerakan kaki manusia ketika berjalan, dan kaki robot ini memiliki enam sendi pergerakan, yang tiap sendinya terdapat dua sendi pada pinggang, dua sendi pada lutut dan dua sendi lagi terdapat pada pergelangan kaki robot Sebagai penggerak digunakan motor servo dengan torsi yang cukup. Kaki robot dapat bergerak secara otomatis sesuai pergerakan kaki manusia dengan mengandalkan enam pasang motor servo yang terletak pada setiap sendi pergerakan serta ditambah satu buah sensor jarak GP2D12 yang dapat mendeteksi keberadaan dinding atau rintangan didepannya. Semua sistem diatas dikontrol oleh sebuah mikrokontroller ATmega 8535 sesuai dengan instruksi program yang dituliskan pada mikrokontroller tersebut. 35
36 3.3 Diagram Blok Sistem Gambar berikut ini memperlihatkan diagram blok sistem keseluruhan dari kaki robot humanoid. Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Dari blok diagram diatas dapat dilihat bahwa mikrokontroller bertindak sebagai pusat dari semua sistem, mikrokontroller mengatur semua kegiatan input/output system. Sensor jarak berfungsi memberikan informasi kepada mikrokontroller berupa sinyal input 5 volt untuk kondisi high dan volt untuk kondisi low. Sensor jarak akan memberikan sinyal pada mikrokontroller apabila sensor mendeteksi benda yang berada didepannya. Semua sinyal input tersebut kemudian diproses oleh mikrokontroller dan dikeluarkan kembali dalam bentuk sinyal output yang mengatur kerja dari sistem output, yaitu motor servo dalam rangka mendapatkan putaran motor servo secara CW (clock wise) maupun CCW (counter clock wise). 3.4 Perencanaan Perangkat Keras Elektronik 3.4.1 Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroller ATmega8535 Rangkaian sistem minimum mikrokontroller berfungsi sebagai pengontrol semua peralatan yang ada dalam sistem dengan acuan pembacaan data dari sensor
37 jarak maupu. Pembacaan dari sensor jarak langsung dimasukkan ke dalam mikrokontroler yang kemudian diproses dan dijadikan acuan untuk pengambilan keputusan, yang dalam hal ini adalah menentukan arah pergerakan kaki robot. Subrutin inilah yang nantinya mengontrol perputaran dari motor servo pada kaki robot humanoid Rangkaian osilator pada sistem minimum dihubungkan dengan pin 12 dan 13, osilator berasal dari kristal. Pada tugas akhir ini dibuat rangkaian osilator yang berasal dari kristal 8.. Hz, sedangkan nilai kapasitor C1 dan C2 masingmasing 33pf. Kapasitor yang digunakan merupakan kapasitor keramik (nonpolar). Untuk rangkaian reset dihubungkan dengan pin 9, reset pada mikrokontroller terjadi apabila ada logika 1 (high) pada pin RESET. Setelah kondisi pin RESET kembali (low), maka mikrokontroller akan menjalankan program kembali. Sebagai sumber tegangan +5 volt yang dibutuhkan oleh rangkaian mikrokontroller, digunakan IC regulator LM785 yang berfungsi menurunkan tegangan input sebesar 12 volt dari power supply (accu). Pada kaki input maupun output IC regulator dipasangkan kapasitor (elco) dengan nilai masing-masing 22uf/5V dan 22uf/16V. Gambar 3.2 Sistem Minimum Atmega8535
38 Rangkaian minimum sistem mikrokontroler ini terdiri dari beberapa rangkaian pendukung antara lain a. Rangkaian Power Supply (Regulator) Power supply berfungsi untuk mensupplay arus dan tegangan keseluruh rangkaian yang ada dengan tegangan keluaran 5 volt DC. Pada rangkaian power supply memakai IC regulator LM 785 sebagai pembagi tegangan. Rangkaian regulator digunakan untuk menstabilkan tegangan keluaran agar tetap berada pada kondisi 5 volt apabila terjadi perubahan pada tegangan masukan. Untuk perancangan rangkaian regulator dilihat seperti gambar berikut. Gambar 3.3 Rangkaian Regulator b. Rangkaian Osilator Kecepatan proses kerja mikrokontroler ditentukan oleh sumber clock (pewaktuan) yang mengendalikan mikrokontroler tersebut. ATmega 8535 telah menyediakan osilator internal yang dapat digunakan untuk membangkitkan pulsa clock. Untuk menentukan frekuensi osilatornya digunakan kristal yang dihubungkan ke pin XTAL 1 dan pin XTAL 2, serta menghubungkan pin tersebut dengan kapasitor yang dihubungkan ke ground. Besar kapasitansi kapasitor disesuaikan dengan spesifikasi pada datasheet ATmega 8535, yaitu sebesar 33pF. Pemilihan besar frekuensi disesuaikan dengan kebutuhan. Untuk penghitungan maka dipergunakan Kristal 8 MHz. Penggunaan Kristal 8 MHz akan mengakibatkan satu siklus mesin (12 periode) paling lama dikerjakan dalam 1 waktu 1,5 μ s atau x12 = 1,5μs. Untuk perancangan rangkaian osilator 8MHz ditunjukkan pada gambar berikut.
39 Gambar 3.4 Rangkaian Osilator c. Rangkaian Reset. Rangkaian reset brfungsi untuk mereset mikrokontroler secara otomatis setiap kali catu daya dinyalakan, hal ini akan mereset program counter sehingga perintah program yang dieksekusi dimulai pada alamat h. Ketika catu daya diaktifkan, rangkaian reset menahan logika tinggi pin RST dengan jangka waktu yang ditentukan oleh lamanya pengisian muatan kapasitor. Jika pin RST diberi logika high selama dua siklus mesin maka mikrokontroler akan direset. Gambar 3.5 Rangkaian Reset 3.4.2 Downloader DT-HiQ AVR ISP merupakan ISP Programmer untuk mikrokontroler AVR yang memiliki fitur In-System Programming. Downloader ini merupakan perangkat yang menghubungkan antara PC dengan mikrokontroller, yang berfungsi untuk menyimpan program pada mikrokontroller tersebut. Spesifikasi 1. Beroperasi pada tegangan target 2,7V sampai 5,5V.
4 2. Antarmuka ISP ke PC. 3. Mengambil daya dari target board (5mA 5,5V). Tidak memerlukan catu daya tersendiri dan aman bagi PC jika terjadi hubungan singkat pada target board. 4. Menggunakan protokol Kanda System STK 2+/3 AVRISP. 5. Kompatibel dengan perangkat lunak AVR Studio, CodeVisionAVR, AVRDUDE (WinAVR), BASCOMAVR, dan perangkat lunak lain yang mendukung protokol ATMEL Kanda System STK 2+/3 AVRISP. 6. Kompatibel dengan Windows XP/Vista. Gambar 3.6 Rangkaian Downoader DT-HiQ AVR ISP Gambar 3.7 Rangkaian Output Pin ISP Pada Pin Mikrokontroller 3.4.3 Rangkaian Sensor Sharp GP2D12 Sensor infrared sharp GP2D12 berfungsi untuk mendetek jarak robot terhadap objek yang berada didepannya. Sensor ini merupakan sensor infrared
41 yang memiliki kemampuan mendeteksi obyek pada jarak yang cukup jauh. Selain kemampuan mendeteksi obyek, sensor ini juga dapat mengukur jarak antara sensor dengan obyek yang dituju. Pada bagian sensor ini terdapat LED yang memancarkan suatu cahaya, Sinar yang dipancarkan oleh LED akan diterima pada bagian PSD dan diubah menjadi tegangan analog. Semakin kuat sinar yang diterima, akan semakin besar pula tegangan analog yang dikeluarkan. Gambar 3.8 Rangkaian Sensor Shrp GP2D12 Sensor GP2D12 mendeteksi bacaan terus menerus ketika diberi daya. Outputnya berupa tegangan analog yang sesuai dengan jarak yang diukur. Sebagai standarisasi untuk kabel berwarna hitam sebagai GND, kuning untuk Vo dan Merah untuk Vcc. Gambar 3.9 Perancangan Pemasangan Kabel Sensor
42 3.4.4 Standar Motor Servo Motor servo digunakan untuk menggerakkan kaki robot humanoid. Untuk servo yang dipakai adalah standar servo yang memiliki derajat putar 18. Untuk pergerakan motor servo tergantung dari nilai pulsa yang diberikan. Bagian standar motor servo terdiri dari motor DC yang ditambahi oleh gear, potensiometer dan rangkaian driver. Pada standar motor servo gear berfungsi untuk menentukan batas derajat minimal dan batas derajat maksimal perputaran motor DC serta gear juga dapat menambah torsi yang dikeluarkan oleh motor DC. Sedangkan mikro driver sebagai pusat pengolahan data yang diterima dari output mikrokontroller atmega 8535 sehingga dapat mengontrol perputaran motor DC. Potensiometer terhubung dengan gear demikian pula DC motor. Ketika DC motor diberi signal oleh rangkaian pengontrol maka akan bergerak demikian pula potensiometer dan otomatis akan mengubah resistansinya. Rangkaian pengontrol akan mengamati perubahan resistansi dan ketika resistansi mencapai nilai yang diinginkan maka motor akan berhenti pada posisi yang diinginkan. Berikut adalah konstuksi motor servo. Gambar 3.1 Konstruksi Motor Servo Perancangan pergerakan kaki robot tergantung pada derajat putar motor servo. Agar kaki robot dapat bergerak dengan baik setiap motor servo diatur dengan derajat putar 2 dengan cara memberikan pulsa yang sesuai pada motor servo.
43 Untuk posisi putaran servo sebesar 2 ini tidak dimulai dari full ccw atau full cw, melainkan dimulai dari 8 ccw atau 8 cw. Jadi motor servo bergerak sebesar 2 antara 8 ccw dan 8 cw. Gambar 3.11 Besar Derajat Putaran Servo 3.5 Perancangan Perangkat Keras Mekanik Pada perancangan perangkat keras mekanik kaki robot, terdapat 2 bagian yaitu: Perancangan Rangka Kaki Robot Perancangan Posisi Dan Sudut Motor Servo 3.5.1 Perancangan Rangka Kaki Robot Robot ini dirancang agar dapat melaksanakan fungsi-fungsi sesuai algoritma gerakan dan aksi robot. Untuk mencapai kondisi tersebut maka yang perlu diperhatikan adalah mulai dari pemilihan bahan, desain konstruksi, dan ketepatan pemasangan mekanik baik pada posisi letak motor servo maupun pada ukuran kai robot humanoid agar mencapai kepresisian yang maksimal. Pada tugas akhir ini, kerangka robot dibuat dari aluminium dengan alasan bahan ini cukup kuat untuk menopang konstruksi dari mekanik robot. Selain itu bahan aluminium juga ringan dan mudah dalam pembentukannya. Perancangan mekanik kaki robot humanoid meliputi perancangan base robot.
44 Gambar 3.12 Rancangan Robot Secara Keseluruhan Ukuran kaki robot humanoid memiliki tinggi ukuran 23 cm, panjang 14 cm dan lebar 1 cm. Pada kaki robot ini terdapat enam buah motor servo sebagai penggerak setiap sendi pada kaki robot humanoid. Satu buah sensor jarak sharp GP2D12 sebagai pendeteksi ada atau tidaknya benda didepan robot ketika berjalan. Satu buah batre sebagai catu daya sebesar 7,2 V DC dan satu mikrokontroller ATmega 8535 sebagai pusat pengontrol kaki robot humanoid. Berikut perancangan kaki robot humanoid pada kaki dan betis. Gambar 3.13 Rancangan Bagian Telapak Kaki Dan Betis Robot
45 Pada bagian telapak kaki dan bagian betis disatukan sehengga terbentuk bagian kaki robot dari lutut sampai ke telapak kaki. Pada bagian ini tempat dudukan motor servo dipasang secara berlawanan seperti pada gambar berikut. Gambar 3.14 Bagian Telapak Kaki Dan Betis Terpasang Bagian paha robot dibuat berbentuk hurup U yang disatukan secara berlawanan, kemudian bagian paha robot ini disatukan dengan baian betis sehingga terbentuklah dua bagian sendi pergerakan yaitu sendi pada pergelangan kaki dan pada lutut kaki robot. Gambar 3.15 Rancangan Bagian Paha Robot Untuk bagian atas atau pinggang robot berbentuk satu buah huruf U yang memanjang dan dipasangi dua buah dudukan servo sehingga terbentuklah tiga buah sendi pergerakan kaki robot yaitu pada pergelangan kaki, lutut dan pinggan seperti pada gambar berikut.
46 Gambar 3.16 Rancangan Bagian Keseluruhan 3.5.2 Perancangan Posisi Dan Sudut Motor Servo Motor servo pada kaki robot dipasang dengan posisi dan sudut derajat tertentu sehingga kaki robot dapat berjalan dengan baik. Pada dua sendi pergelangan kaki robot motor servo dipasang secara horizontal dengan posisi berlawanan dan untuk kedua kepala putar motor servo menghadap kedepan. Sedangkan posisi servo pada sendi lutut kedua servo dipasang secara vertikal dengan posisi berlawanan dan untuk kedua kepala putar motor servo menghadap samping kiri dan samping kanan luar kaki robot. Gambar 3.17 Perancangan Posisi Servo Pada Lutut Dan Pergelangan Kaki Pada bagian pinggang, posisi kedua motor servo dipasang secara horizontal dengan kedua kepala putar motor servo berlawanan arah yaitu samping kiri dan samping kanan seperti pada gambar berikut.
47 Gambar 3.18 Perancangan Posisi Servo Pada Bagian Pinggang Untuk sudut derajat putar motor servo pada bagian pergelangan kaki pada posisi awal berada pada 9, jika diputar kearah kiri memiliki posisi maksimal 45 dan apabila diputar kearah kanan akan memiliki posisi maksimal 84 seperti pada gambar berikut. Gambar 3.19 Perancangan Sudut Motor Servo Pergelangan Kaki Sudut derajat putar motor servo pada bagian lutut kaki memiliki posisi awal berada pada straight atau tegak lurus secara vertikal, jika diputar kearah depan memiliki posisi maksimal 9 dan apabila diputar kearah belakang akan memiliki posisi maksimal 9 seperti pada gambar berikut.
48 Gambar 3.2 Perancangan Sudut Motor Servo Lutut Kaki Untuk sudut derajat putar motor servo pada bagian pinggang robot memiliki posisi awal berada pada 9, jika diputar kearah atas memiliki posisi maksimal straight atau tegak lurus secara vertikal dan apabila diderong kearah depan dengan posisi motor servo berada pada posisi awal 9 dan yang berputar adalah motor servo yang ada pada lutut maka posisi maksimal akan berada pada 45 seperti pada gambar berikut. Gambar 3.21 Perancangan Sudut Motor Servo Pinggang Robot