39

BAB 3

PERANCANGAN MODEL INDUSTRIAL ROBOT SECARA KINEMATIK

Model industrial robot yang akan dirancang merupakan model skala kecil dari

robot industri yang mudah dibawa / dipindahkan. Robot ini dirancang untuk dapat

menirukan pergerakan robot industri. Perancangan yang dimaksud meliputi model

kinematika dalam bentuk simulasi software, dan robot portable itu sendiri yang dalam hal

ini digerakan oleh servo motor.

Pada penelitian ini sebelum mengembangkan robot (fisik robot), terlebih dahulu

mengembangkan simulasi sifat kinematikan robot pada komputer menggunakan software

Matlab untuk melihat pergerakan robot sesuai dengan tujuan dan untuk memastikan robot

berjalan dengan baik nantinya. Hal ini dilakukan untuk mengantisipasi apabila sistem

yang dibuat mengalami kegagalan karena akan memakan biaya yang lumayan besar dan

akan membuang waktu yang sangat banyak. Setelah simulasi telah berjalan dengan baik

kemudian dilakukan perancangan hardware.

3.1 Defenisi Masalah

Dari permasalahan yang telah disampaikan pada BAB I maka perlu diangkat

skripsi tentang ”Perancangan Model industrial robot secara Kinematik” yaitu terdapat

beberapa permasalahan utama yaitu

• Keterbatasan literatur research teori kinematik khususnya robot dalam penelitian

ini.

40

• Hasil pengamatan di Universitas Bina Nusantara, baik dalam proses pembelajaran

yang terjadi dikelas maupun skripsi yang telah dikembangkan sejauh ini.

• Adanya keterbatasan – keterbatasan tertentu seperti mahalnya harga sebuah robot.

Permasalahan dari keterbatasan literature research tentang studi mekanik mengenai

berbagai macam jenis robot, karena dalam melakukan studi kepustakaan khususnya di

perpustakaan Universitas Bina Nusantara dan juga melalui internet yang mana umumnya

pembahasan adalah tentang industrial robot jenis puma dan jarang ditemukan adanya

pembahasan mengenai robot jenis lainnya.. pembelajaran model kinematika robot yang

dirasakan saat ini lebih banyak menggunakan persamaan matematika dibandingkan

dengan penggunaan alat bantu untuk mendalami anatomi robot itu sendiri.

Dari semua pencapaian skripsi yang pernah dilakukan di Universitas Bina

Nusantara dijadikan sebagai langkah awal dalam perancangan ini. Oleh karenanya

perancangan yang dilakukan akan memperhatikan dan memanfaatkan hasil-hasil yang

sudah diperoleh dari skripsi (Wiharda et.al, 2003 dan Andi Rosady et al, 2004).

Berdasarkan hal diatas, Robot yang akan dirancang pada penelitian ini adalah

merupakan sebuah robot yang berbeda dengan robot jenis PUMA. Robot pada peneliitan

ini memiliki 5 derajat kebebasan dan gripper, serta bersifat portable agar dapat membantu

proses pembelajaran robotika di universitas bina nusantara, khususnya mengenai sifat

kinematika robot.

41

3.2 Pendekatan dan Metodologi

Adapun pendekatan dan metodologi dalam menyelesikan BAB 3 ini adalah :

Pendekatan :

• Pada penelitian ini untuk Perhitungan Forward kinematik melakukan

pendekatan dengan menggunakan Konsep Denavit-Hartenberg.

• Pada penelitian ini untuk Perhitugan Invese kinematik melakukan pendekatan

dengan menggunakan metoda numerik.

Metodelogi :

• Melakukan pembelajaran mengenai Workspace dan kinematik lengan robot

melalui berbagai buku / artikel journal, internet.

• Pemodelan kinematika robot.

• Merancang Simulasi robot pada komputer menggunakan Software Matlab.

• Membangun lengan robot, meliputi mekanik, elektronik dan perangkat lunak

yang dibutuhkan.

• melakukan Validasi (perbandingan antara HASIL SIMULASI robot dan data

hasil percobaan.

• Melakukan evaluasi terhadap sistem.

3.3 Pegembangan Model Kinematika untuk Simulasi Model Industrial Robot

Pada penelitian ini untuk pengembangan model kinematika pada simulasi

kinematika robot dilakukan untuk menjawab permasalahan dalam kinematika itu sendiri,

42

yakni Forward Kinematics dan Invese Kinematics. Perhitungan kinematika untuk

Forward Kinematics dan Invese Kinematics mengacu pada penggunaan model Denavit –

Hartenberg Parameter (D-H Parameter) dalam membentuk matriks transformasi

homogeneous yang dipakai dalam pemodelan lengan robot. Model pergerakan lengan

robot yang dirancang menggunakan gerak rotasi untuk menjangkau posisi dan orientasi

dari end effector (dalam hal ini ialah gripper). Penggunaan konsep D-H Parameter untuk

melakukan proses perhitungan Forward Kinematics dan Invese Kinematics akan

menggunakan software Matlab sebagai sistem pusatnya.

3.3.1 Penggunaan Konsep Denavit-Hartenberg dalam Simulasi

Konsep Denavit-Hartenberg ini sangat mempengaruhi dalam menentukan

perhitungan Forward kinematik dan Invese kinematik, karena Model Industrial robot ini

terdiri atas sejumlah bagian tubuh seperti link dan sejumlah joint. Setiap joint mewakili

satu derajat kebebasan. Untuk mendeskripsikan hubungan rotasional antara link-link yang

berdekatan, maka terlebih dahulu merancangan sebuah metode matriks yang secara

sistematis membangun sebuah sistem koordinat dari masing-masing link. Gambar 3.1 dan

gambar 3.2 menunjukkan sistem koordinat link industrial robot.

43

Gambar 3.1 Koordinate Frame lengan robot.

Gambar 3.2 Koordinate Frame lengan robot Model tabung.

Untuk mencari sebuah matrik transformasi dari sebuah ujung alat hingga basis dari

sebuah manipulator, ditentukan frame dari link-link dan mendapatkan teknik yang

44

sistematikal, yang dapat menjabarkan kinematika dari sebuah robot dengan i derajat

kebebasan. Setiap joint pada sebuah robot industri memiliki batasan operasi yang berbeda

satu sama lain. Batasan operasi joint robot berupa batasan pergeseran (translasi) dan

perputaran (rotasi) dari sebuah joint. Batasan translasi dan rotasi ini memiliki 2

pergerakan yang berbeda yaitu bergeser atau berputar ke arah positif (Berlawanan jarum

jam) dan bergeser atau berputar ke arah negatif (searah jarum jam). Besar nilai batasan

negatif disebut batasan minimum (min) dan besar nilai batasan positif akan disebut batasan

meximum (max) untuk sebuah joint. Besar nilai batasan operasi dihitung dari posisi joint

pada posisi awal robot. Untuk robot ini nilai awal pada setiap joint pada saat robot

dihidupkan yaitu menuju 0° atau dalam posisi tengah. Dan untuk nilai maximum sebesar

90° dan minimumnya sebesar -90°.

range = max – min

range = total pergerakan joint (°)

max = nilai batas pergerakan positif (°)

min = nilai batas pergerakan negatif (°)

Tabel 3.1 Tabel Batasan Rotasi Lengan Robot

Joint i batasan operasi pergerakan robot Struktur Max Min Joint Range

1 Waist 900 -900 1800

2 Shoulder 900 -900 1800

3 Elbow 900 -900 1800

4 Pitch 900 -900 1800

5 Roll 900 -900 1800

45

Pada penelitian ini untuk Model industrial robot menggunakan 5 buah joint ( Tidak

termasuk gripper) dengan diketahuinya nilai max, min dan range. Dalam simulasi

parameter joint untuk batasan operasi ini akan diperhitungkan untuk pergerakan

kinematika baik dengan Invese kinematics dan Forward kinematics. Gambar 3.3 dan

Tabel 3.2 di bawah ini merupakan contoh parameter Denavit- Hartenberg untuk simulasi

dan robot(fisik) pada penelitian ini dengan joint [i] dan [i] buah link.

Gambar 3.3 Lengan Robot Untuk Karakteristik D-H Parameter

46

Tabel 3.2 Sistem koordinat Link untuk Model Industrial Robot

Joint i i ai (mm) di (mm) Joint Range

1 00 100 120 -900 - 900

2 900 90 40 -900 - 900

3 00 60 0 -900 - 900

4 900 60 0 -900 - 900

5 00 60 0 -900 - 900

dimana :

i = joint ke-i

ai = jarak perpotongan sumbu Zi-1 dengan sumbu Xi ke pusat sumbu koordinat ke-i

sepanjang sumbu Xi (atau jarak terpendek antara sumbu Zi-1 dan sumbu Zi).

α i = Sudut dari sumbu Zi-1 ke sumbu Zi dengan poros sumbu Xi (perputarannya dengan

menggunakan aturan tangan kanan).

di = Jarak dari pusat koordinat ke – (i-1) ke perpotongan sumbu Zi-1 dengan sumbu Xi

sepanjang sumbu Zi-1 (offset distance).

θ i = Sudut pada joint dari sumbu Xi-1 ke sumbu Xi dengan sumbu Zi-1 sebagai porosnya

(perputarannya menggunakan aturan tangan kanan).

Dengan mengetahui batasan operasi dari joint-joint robot industri dan parameter

Denavit-Hartenberg maka dapat ditentukan area jangkauan (Workspace) dari robot

industri.

47

Berikut Rumus Matriks Transformation Homogeneus berdasarkan konsep

Denavit-Hartenberg untuk joint-joint i terhadap i-1 pada joint putar

adalah:

Pers 3 - 1

3.3.2 Pemodelan Forward Kinematics dan Invese Kinematics Secara Umum.

Pada penelitian ini akan memperhitungkan Forward kinematics dan Invese

kinematik.

3.3.2.1 Pengembangan Forward Kinematic dalam Simulasi

Melalui persamaan yang didapatkan berdasarkan konsep Denavit-Hertenberg,

matriks transformasi dari masing-masing joint untuk mendapatkan posisi dan orientasi

pada Model industrial robot dapat dicari dengan memasukan parameter-parameter Model

industrial robot. Pada penelitian ini matriks transformasi homogenous yang digunakan

adalah untuk mencari 0A1, 1A2, 2A3, 3A4, 4A5 dan 0A5. Pada foward kinematics

menggunakan matriks homogeneous dengan parameter D-H, parameter-parameter yang

diberikan akan menghasilkan sebuah matriks yang memberi nilai posisi dan orientasi

sebuah matriks rotasi untuk end effector.

48

Untuk mendapatkan matriks transformasi homogenous yang digunakan adalah

untuk mencari 0A1, 1A2, 2A3, 3A4, 4A5 dan 0A5 maka nilai yang ada pada tabel Sistem

koordinat Link untuk Model industrial robot menggunakan konsep D-H parameter di

substitusikan pada persamaan (3 - 1) matriks transformasi pada Model industrial robot

Rumus Matriks Transformasi D-H Parameter :

Substitusi nilai pada tabel sistem koordinat link untuk mendapatkan matrik

transformasi homogeneusnya :

Matriks Transformasi Joint 1 Terhadap Base :

Matriks Transformasi Joint 2 Terhadap Joint 1 :

Pers (3-2)

Pers (3-3)

49

Matriks Transformasi Joint 3 Terhadap Joint 2 :

Matriks Transformasi Joint 4 Terhadap Joint 3 :

Matriks Transformasi Joint 5 Terhadap Joint 4 :

Maka untuk matrik Transformasi joint 5 Terhadap Base =

3.3.2.2 Pengembangan Invese Kinematics dalam Simulasi dengan Cara Numeric

Pada penelitian ini perhitungan Invese kinematik dengan pendekatan numeric telah

dilakukan sampai dengan joint 5. Mencari sudut masing-masing joint dengan informasi

yang minimum berupa titik koordinat target dibutuhkan untuk mencari Invese kinematics.

Pers (3-6)

Pers (3-5)

Pers (3-4)

50

Untuk melakukan ini, maka Invese kinematics Model industrial robot berdasarkan input

posisi yang diberikan akan diproses melalui perhitungan trial and error yang menghasilkan

output simulasi Invese kinematics berupa lima buah sudut pada setiap joint Untuk cara

numeric atau cara mencoba coba ini menggunakan sedikit campuran dari cara Forward

kinematics yang dihitung berulang-ulang agar end effector mengarah ke target. Tentu saja

cara ini akan sangat tidak efisien bila dilakukan dengan perhitungan matematis. Maka cara

ini biasanya diproses dengan teknologi komputer, dan tampilan pun akan dapat

digambarkan secara langsung dan proses perhitungan akan lebih cepat.

Pendekatan metode numeric ini sendiri digunakan adalah dengan melakukan terus

menerus pengecekan dengan cara Forward kinematics secara berulang dengan resolusi

pergerakan 1 derajat dimulai dari joint ke 5. Posisi awal robot dalam melakukan pencarian

dengan menggunakan metode numerik ini terlihat seperti gambar 3.4. Kemudian

dilakukan pengujian apakah end effector atau joint 5 yang berjarak lebih dekat ke target.

Bila ya maka putar atau mencari titik hanya memutar joint 5 saja. Apabila joint 5 tidak

mencapai target maka joint 4 digerakkan sejauh 1 derajat, lalu joint 5 melakukan

pencarian lagi sejauh sudut putarnya seperti yang terlihat pada gambar 3.5. Apabila tidak

mencapai target maka joint 4 akan melakukan kenaikan 1 derajat lagi. lalu joint 5

melakukan pencarian lagi sejauh sudut putarnya. Apabila tidak mencapai target, maka

joint 4 akan bertambah 1 derajat seperti yang terlihat pada gambar 3.6. Apabila joint 4 dan

joint 5 sudah berputar sejauh sudut putarnya tetapi tidak mendekati target. Maka joint 3

akan naik 1 derajat. Begitu seterusnya. Dengan kata lain metode ini melakukan percobaan

1 per 1 sampai mendekati target.

51

Gambar 3.4 Metode numeric dalam pemecahan masalah Invese kinematik

Gambar 3.5 Lengan Robot sedang melakukan pencarian sudut untuk

mendekati target

Gambar 3.6 Target ditemukan pada Metode numeric

Target

Target

Target

52

3.3.2.3 Penggunaan Variabel

Karena penjelasan dari persamaan kinematika dan pembuatan program simulasi

saling berkaitan maka akan lebih efektif jika penggunaan variabel yang ada di persamaan

kinematika dihubungkan dengan variabel yang ada di dalam program.

i = joint ke-i atau link ke-i

a = offset distanc

α = Alpha atau sudut punter (offset angle)

d = distance

Theta = θ atau sudut joint

PX = posisi end effector pada sumbu X

PY = posisi end effector pada sumbu Y

PZ = posisi end effector pada sumbu Z

A = i-1 Ai matriks transformasi homogeneous Denavit-Hartenberg 4x4 yang melakukan

tranformasi kerangka koordinat i relatif ke kerangka koordinat i-1

3.4 Perancangan Program Simulasi

Pada penelitian ini program simulasi ini akan dibuat memakai sorfware Matlab dan

hasilnya susah berbasiskan user interface atau GUI untuk memudahkan user dalam

memakai program simulasi ini dalam melakukan perhitungan Forward dan Invese

kinematiya. Sebelum masuk dalam perancangan programnya, terlebih dahulu perlu

ditentukan kesamaan dalam satuan pada variabel yang digunakan, hal ini diperlukan untuk

menghindari kesalahan dalam perhitungan.

53

Tabel 3.3 Variabel dan satuan untuk perhitungan simulasi

No Variabel Satuan

1 Jarak, posisi, panjang link Millimeter (mm)

2 Input sudut joint Derajat (0)

Program simulasi ini mempunyai sistem yang terpecah dalam 3 modul

1. Input

2. Proses

3. Output

Program simulasi ini akan digunakan sebagai simulator kinematika Model

industrial robot, dimana pengguna akan memperoleh output berupa informasi pergerakan

kinematika robot yang berbentuk grafik koorditare 3D beserta posisi (x,y,z) dan orientasi.

Hal ini didapat dari hasil pemrosesan variabel-variabel yang dimasukkan berdasarkan

aturan-aturan dan perhitungan yang telah umum dipakai pada robot industri

Modul Forward kinematik adalah modul untuk melakukan pergerakan secara

Forward kinematics, sedangkan modul Invese kinematik adalah untuk melakukan

pergerakan dengan metode Invese dengan memasukkan tujuan dari robot untuk

mendapatkan θi. Forward kinematics dan Invese kinematics merupakan hal yang saling

berkaitan, dimana jika modul Invese menjadi input maka modul Forward akan menjadi

output, dan jika modul Forward menjadi input maka modul Invese akan menjadi output.

54

3.4.1 MATLAB sebagai Lingkungan Pemrograman Simulasi Model industrial robot

MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah program untuk analisis dan

komputasi numerik yang merupakan bahasa pemrograman matematika lanjutan dengan

dasar pemikiran menggunakan sifat dan bentuk matrik

MATLAB sering digunakan untuk

Matematika dan komputasi

Pengembangan dan algoritma

Pemrograman modeling, simulasi dan pembuatan prototipe

Analisa data, eksplorasi dan visualisasi

Analisis numerik dan statistik

Pengembangan aplikasi teknik

.Pembuatan aplikasi, termasuk pembuatan antarmuka grafis (Graphical

User Interface)

Dengan berbagai alasan seperti diatas, matlab memang spesial perhitungan yang

menggunakan matriks dan vektor sebagaimana yang digunakan dalam penelitian ini. maka

pada penelitian ini memakai software matlab untuk menghitung proses matrik

homogeneus dan perhitungannya dapat dibuat dan diproses dengan waktu yang lebih

singkat.

Dalam membentuk kerangka perancangan sofware simulasi ini, modul dibagi

menjadi tiga bagian utama, yaitu modul input, modul proses, modul output. Untuk sourse

code program ini dapat dilihat pada lampiran 3.

55

Pada proses pembuatan program simulasi ini. Program akan dipecah menjadi

beberapa file.m agar memudahkan dalam melakukan modifikasi. File file yang dibentuk

dalam membuat program simulasi ini adalah :

• Menu Utama:

Menu1.m Muncul GUI Simulator Kinematika Robot (pilih Direct atau Invers)

• Direct Kinematics:

Input : Menu21.m Input untuk Direct Kinematics ( Setelah pilih Direct

dari menu1.m)

Process: HitDirect.m Melakukan perhitungan matriks transformasi

homogeneous 4x4

Output: Menu22.m Menampilkan Posisi dan Orientasi dari End effector

Grafik.m Menampilkan Grafik Posisi dan Orientasi dari End effector

• Invers Kinematics:

Input: Menu31.m Input untuk Invese Kinematics ( Setelah pilih Invese

dari menu1.m)

Process: Numeric.m Melakukan pencarian sudut setiap joint dengan

metode numeric.

Cari.m Melakukan perhitungan numeric dengan ketelitian (kenaikan) 1

derajat.

Output: Menu32.m Menampilkan Sudut setiap joint pada IRP.

56

3.4.2 Modul Input

Pada bagian modul input pada saat program dijalankan akan tampil menu seperti

gambar 3.7 dibawah ini. Lalu pilih menu yang diinginkan.

Gambar 3.7 Menu Utama pada program simulasi

1. Untuk Forward kinematics

Pada gambar 3.8 dibawah ini merupakan tampilan modul input dari Forward

kinematik. Nilai input yang diberikan berupa besar sudut untuk tiap-tiap joint (θ i )

Gambar 3.8 Menu input Forward kinematik

57

2.Untuk Invese kinematics

Pada gambar 3.9 dibawah ini merupakan tampilan modul input dari Invese

kinematik Pada modul modul ini memiliki beberapa keterangan :

• Posisi awal end effector (Px, Py, Pz)

• Posisi akhir end effector (Px, Py, Pz)

• Nilai input yang diberikan berupa posisi X,Y,Z

Gambar 3.9 menu input Invese kinematik

3.4.3 Modul Proses

Modul proses mempunyai tugas untuk mengolah input yang berupa parameter

tetap maupun parameter pergerakan dalam bentuk matriks. Nilai parameters tersebut

58

sesuai dengan konsep D-H Parameter. Modul proses merupakan sebuah fungsi yang

terdiri dari rumus-rumus untuk mengolah input yang masuk menjadi solusi tersendiri.

Modul proses menghasilkan pemetaan posisi dan orientasi untuk solusi Forward

kinematics, dan menghasilkan pemetaan besarnya sudut-sudut joint untuk solusi Invese

kinematics.

Pada Forward Kinematics saat melakukan kalkulasi matriks homogenusnya yang

mana akan mengkalkulasi matriks homogenus untuk 0A0 (dari titik 0 world coordinate ke

base dari robot), 0A1 (dari titik base ke joint1), 1A2 (dari joint 1 ke joint 2), 2A3 (dari

joint 2 ke joint 3), 3A4 (dari joint 3 ke joint 4), 4A5 (dari joint 4 ke joint 5) dan 0A5 (dari

joint 5 ke base) hal ini dilakukan untuk mendapatkan nilai posisi dan orientasi dari end

effector terhadap base.

Pada Invese kinematics maka program simulasi akan mengecek input posisi pada

modul input. Apakah diisi dengan benar atau tidak, kemudian mengukur radius posisi

yang dimasukkan dari pusat (370,0,160) yang juga merupakan posisi pusat awal base,

yang kemudian dibandingkan dengan range maksimum yang dapat dicapai oleh robot.

Jika radius lebih besar dari range maksimum yang dapat dicapai oleh robot, maka

program akan menampilkan pesan error berupa, posisi berada diluar jangkauan robot dan

proses pencarian sudut untuk Invese dihentikan karena pasti tidak akan menemukan

solusinya. Jika posisi berada dalam jangkauan maka ada kemungkinan untuk menemukan

solusi besar sudut-sudut dari joint. Maka proses pencarian sudut dilanjutkan. Proses Invese

ini sudah dijelaskan pada bagian Pengembangan Invese Kinematics dalam Simulasi

59

dengan Cara Numeri. Pada gambar 3.10 dibawah ini menggambarkan flowchart untuk

Forward dan Invese kinematik

Gambar 3.10 Flowchart untuk Forward kinematik dan Invese kinematik

60

3.4.4 Modul Output

Modul Output dari simulasi ini memberikan beragam informasi yang membantu

agar pengguna dapat memahami pergerakan lengan robot. Informasi yang diberikan

seperti :

1. Keterangan Posisi (x,y,z)

2. Orientasi

2. grafik 3D

Modul proses akan menghasilkan data yang berupa matriks-matriks, pada modul

output ini sebagian dari matriksnya akan diterjemahkan dalam grafik tiga dimensi yang

akan memudahkan dalam pembacaan hasil modul proses. Contoh dari hasil kalulasi

matriks dan menghasilkan Grafik 3D matriks posisi dalam solusi Forward kinematics.

Gambar 3.11 Grafik 3D lengan robot

61

3.4.5 Tampilan Error

Berikut sejumlah tampilan error yang terdapat pada program simulasi :

Pada gambar 3.12 merupakan tampilan error untuk Validasi input yang tidak boleh

lebih dari 90 derajat. Hal ini terjadi karena user memasukkan inputan melebihi 90 derajat

pada modul input Forward kinematik

Gambar 3.12 Validasi input yang tidak boleh lebih dari 90 derajat.

Pada gambar 3.13 merupakan tampilan error untuk Validasi apabila arah (positif

atau negatif) tidak dipilih. Hal ini terjadi karena user tidak memilih arah yang akan dituju

dalam pada modul input Forward kinematik. Arah yang harus dipilih berupa arah positif

atau arah negatif.

Gambar 3.13 Validasi apabila arah (positif atau negatif) tidak dipilih

62

Pada gambar 3.14 merupakan tampilan error untuk pada saat user belum

memasukkan sudut pada joint ke 5.

Gambar 3.14 Apabila waktu dikalkulasi belum memasukkan sudut pada 5 joint.

Pada gambar 3.15 merupakan tampilan error pasa saat ada posisi yang belum dimasukkan

Gambar 3.15 Apabila waktu dikalkulasi posisi awal masih ada yang tidak

dimasukkan

Pada gambar 3.16 merupakan tampilan error pada saat posisi akhir masih ada yang

belum dimasukkan

Gambar 3.16 Apabila waktu dikalkulasi posisi akhir masih ada yang tidak

dimasukkan

63

Pada gambar 3.17 merupakan tampilan error pada saat memasukkan inputan pada

modul Invese melewati jangkauan lengan robot.

Gambar 3.17 Error disebabkan posisi awal berada di luar jangkauan IRP

Pada gambar 3.18 merupakan tampilan error apabila inputan yang kita masukkan

bukan angka

Gambar 3.18 Error disebabkan input yang dimasukkan bukan angka

3.4.6 Tampilan Keseluruhan Software

Untuk menggunakan program simulasi ini dibutuhkan tersedianya program

MATLAB pada komputer. Dalam program MATLAB, simulasi ini dapat dibuka dengan

mengetikkan menu1 pada command window. Tampilan ini akan memudahkan operator

untuk mengoperasikan program simulasi.

Tampilan ini akan berkaitan dengan graphical user interface (GUI) yang akan

mempermudah operator dalam menggunakan simulasi.

64

Pada Gambar 3.19 dapat dilihat bahwa simulasi ini menyediakan 2 menu pilihan,

diantaranya adalah menu direct kinematics (menu 1), Invese kinematics (menu 2). Untuk

pertama kali coba memilih menu direct kinematik.

Gambar 3.19 Menu untuk simulator kinematik

Setelah memilih menu direct kinematik maka tampilan selanjutnya seperti gambar

3.20 di bawah ini. Gambar berupa modul input untuk direct kinematik. Inputan berupa

sudut joint dan pilih sesuai arah putar joint

Gambar 3.20 Inputan Forward kinematik

Pilih Menu Forward Kinematics

Pilih arah putar joint

Masukkan besar sudut joint

Klik kalkulasi untuk melakukan perhitungan

65

Setelah memasukkan sudut putar dan arah putar joint maka klik tampilan

kalkulasi. Ketelah klik tampilan kalkulasi maka modul proses akan melakukannya. Dan

akan mendapatkan nilai posisi dan orientasi seperti gambar dibawah ini

Gambar 3.21 Hasil kalkulasi Forward kinematik

Setelah klik tampilkan grafik maka akan mendapatkan gambar grafik seperti dibawah ini.

Gambar 3.22 Grafik 3D hasil kalkulasi Forward kinematik

Klik tampilkan grafik untuk munculkan grafik

66

Untuk selanjutnya mencoba Invese kinematik. Maka pilih menu Invese kinematik

sepeti gambar dibawah ini.

Gambar 3.23 Menu simulator

Setelah klik Invese kinematik maka akan muncul pop up seperti gambar dibawah

ini yang berisikan informasi Workspace lengan robot.

Gambar 3.24 Pop up pada Invese kinematik menjelaskan tentang Workspace

Pilih Menu Inverse Kinematics

67

Setelah itu muncul modul inputan untuk permasalahan Invese kinematik. Inputan

yang dimasukkan berupa target yang posisi akhir yang diinginkan berupa posisi x,y,z.

Seperti yang terlihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 3.25 Menu inputan untuk Invese kinematik

Setelah memasukkan inputan berupa posisi x,y,z. Maka modul input akan

menkalkulasi inputan tersebut pada modul proses. Lalu akan mandapatkan modul output

berupa nilai sudut joint seperti gambar dibawah ini.

Gambar 3.26 Hasil kalkulasi Forward kinematik

Inputan berupa posisi x, y dan z

68

3.5 Perancangan Hardware Model industrial robot

Pada perancangan hardware Model industrial robot ini akan dirancang hardware

mekanik berupa lengan robot fisik dan harware elektronik berupa mikroconroller untuk

mengontrol harware mekanik.

Berikut karakteristik dan komponen hardware Model industrial robot pada

penelitian ini:

Komponen Model industrial robot :

1. Manipulator

• Mekanik

• Penyangga gerakan ( appendage)

• Base (pondasi / landasan robot)

2. Controler

Adalah jantung dari robot untuk mengontrol pergerakan lengan robot.

3. Power Supply

Sumber tenaga yang dibutuhkan oleh robot. Pada penelitian ini memakai 2

poser supply. Pertama power suppy untuk keperluan mikrokontroller dan

kedua power supply untuk keperluan motor servo dc.

4. End effector

Piranti yang terpasang pada lengan robot untuk melaksanakan fungsi-

fungsi tertentu Untuk memenuhi kebutuhan si pemakai. Pada penelitian ini

end effector yang dipakai berupa gripper.

Gripper (pencengkram) : piranti untuk memegang dan mencengkram

obyek, misalnya : tangan mekanik, piranti pengait, magnet atau penghisap.

69

5. Control Program

Pada penelitian ini digunakan 2 jenis program code untuk mengontrol

lengan robotnya. Pertama menggunakan bahasa pemograman Assembly

dan kedua menggunakan bahasa pemograman Visual Basic.

Karekteristik Model industrial robot pada penelitian ini :

1. Base

2. Waist

3. Shoulder

4. Elbow

5. Wrist pitch

6. Wrist Roll

7. GRIPPER (End effector)

3.5.1 Perancangan Hardware Mekanik

Untuk perancangan hardware ini ada 4 hal utama yang harus dilakukan yaitu

menentukan Workspace, menentukan panjang link, menentukan arah putar joint dan

proses perakitan.

3.5.1.1 Menentukan Workspace

Workspace (area kerja) adalah luas area dimana robot itu dapat bekerja. Secara

teknis dapat dikatakan adalah dimana ujung bagian masih digerakkan di bawah control.

70

Work Volume diperhitungkan dari :

• Konfigurasi Fisik

• Ukuran

• Jangkauan Lengan

• Hubungan / Joint Manipulator

Fungsi mengetahui Workspace :

• Lay Out

• Area Kerja dan Safety Area

• Program

Gambar berikut merupakan Workspace untuk Model industrial robot.

Workspace

Dari atas Dari samping

Gambar 3.27 Workspase

71

3.5.1.2 Menentukan Panjang Setiap Link

Dari Workspace di atas maka ditentukanlah panjang setiap link. Ukuan untuk

panjang setiap link Bisa dilihat pada gambar dibawah ini

- Panjang Link 1 dan Link 2 = 100 mm

Gambar 3.28 Link 1 dan link 2

- Panjang Link 3 = 80 mm

Gambar 3.29 Link 3

- Panjang Link 4 = 60 mm

Gambar 3.30 Link 4

72

- Panjang Link 5 = 60 mm

Link 5 ini secara fisik hanyalah tempat penyangga servo motor untuk joint 6 dalam

melakukan pergerakan gripper. Panjang link 5 diukur dari titik akhir joint 5 sampai titik

akhir end effector seperti yang terlihat pada gambar 3.31 di bawah ini.

Gambar 3.31 Link 5

3.5.1.3 Menentukan Posisi Stuktur dan Arah Putar Antara Joint Dengan Link

Agar memudahkan dalam proses perakitan ada baikknya terlebih dahulu

tentukan posisi struktur letak joint dan arah putar joint seperti yang terlihat pada

gambar 3.32 dan gambar 3.33 dibawah ini

Gambar 3.32 Sudut putar kerangka Model industrial robot

Gripper Arah putar joint

Base

73

Gambar 3.33 Arah dan dan sudut putar lengan robot

3.5.1.4 Proses Perakitan

Proses perancangan ini diawali dengan pembuatan Base, Link, Clamp, dan gripper.

1. Pembuatan Base

Pada penelitian ini pembuatan base dilakukan dengan proses pembubutan.

Sebelum melakukan proses pembubutan awalnya base diukur terlebih dahulu

untuk menentukan tinggi dari lengan robotnya. Tinggi dari base ini sekitar 120

mm dengan struktur seperti gambar dibawah ini.

74

Gambar 3.34 Base

2. Pembuatan Link

Pada penelitian ini pembuatan base dilakukan dengan proses pembubutan

Sebelum melakukan proses pembubutan awalnya link diukur terlebih dahulu

seperti yang sudah dibahas pada subbab diatas pada penentuan panjang link.

Struktur link bisa dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 3.35 Link

120 mm

100 mm

100 mm

75

3. Pembuatan Clamp

Pada penelitian ini pembuatan clam dilakukan dengan proses pembubutan.

Fungsi clamp ini adalah untuk mengikat servo motor pada link Struktur clamp

bisa dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 3.36 Clamp

4. Gripper

Pada penelitian ini pembuatan gripper berfungsi untuk memegang dan

mencengkram obyek Struktur gripper bisa dilihat pada gambar dibawah ini

Gambar 3.37 Gripper

76

5. Servo motor

Motor servo DC berguna untuk menggerakkan lengan robot. Disini

fungsinya sebagai joint. Berikut gambar servo motor dc

Gambar 3.38 Servo Motor

Dibawah ini merupakan gambar informasi dari model industrial robot

Gambar 3.39 Informasi Lengan Robot

77

Hasil akhir dari rancang bangun hardware mekanik adalah seperti gambar dibawah ini

Gambar 3.40 Hasil akhir rancang bangun robot

3.5.2 Perancangan Hardware Elektronik

Perancangan hardware elektronik ini berfungsi untuk mengontrol lengan robot.

Pada perancangan ini meliputi perancangan modul mikrocontroller, modul power supply,

modul servo motor, modul teaching box, modul indikator dan modul RS-232.

3.5.2.1 Perancangan Modul Mikrocontroller

Berikut merupakan gambar perancangan modul mikrocontroller dan rangkaian

mikrocontroller..

78

Gam

bar 3.42 Rangkaian Mikrokontroller

79

Sebuah Mikrokontroller akan dapat bekerja jika diberikan Rangakain Auto Reset

yang terdiri dari sebuah Elco 10µf & sebuah Resistor 8,2kΩ. Dalam Rangkaian ini juga

diberikan Rangkaian Reset Manual menggunakan sebuah Push Button yang dibatasi

dengan sebuah Resistor 470Ω supaya Arus yang masuk ke kaki Reset saat Push Button

ditekan tidak langsung tetapi melalui Resistor tersebut.

Diberikan juga Rangkaian Oscilator supaya Mikrokontroller akan mendapatkan

denyut sehingga Mikrokontroller dapat bekerja menjalankan Program yang terdapat pada

ROM Internal. Rangkaian ini terdiri dari Xtal 11.0592 Mhz & 2 buah Kapasitor 33pf.

3.5.2.2 Rangkaian Power Supply

Gambar berikut merupakan rangkaian power supply.

Gambar 3.43 Rangkaian Power supply

Rangkaian Power Supply yang dirancang menggunakan Sebuah Trafo Step Down

untuk menurunkan Tegangan 220 Volt AC menjadi 12 Volt AC yang kemudian akan

disearahkan menjadi 12 VDC menggunakan Dioda Bridge tetapi tegangan DC yang

dihasilkan masih belum sempurna sehingga digunakan sebuah Elco 1000µf sebagai Filter

agar Tegangan DC yang dihasilkan menjadi sempurna. Untuk menghasilkan Tegangan 5

80

Volt DC digunakan sebuah Regulator 7805 yang kemudian juga difilter kembali

menggunakan sebuah Elco 220µf.

3.5.2.3 Rangkaian Motor Servo

Rangkaian ini berguna untuk memberikan signal ke motor servo untuk

menggerakkan motor servo seperti terlihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 3.44 Rangkaian Motor Servo

81

3.5.2.4 Rangkaian Indikator

Rangkaian indikator ini berguna sebagai indikasi untuk servo. Jadi apabila

servonya aktif maka bagian indikator ini akan menyalakan lampu untuk menandakan

servo mana yang sedang aktif. Berikut merupakan gambar rangkaian indikator

Gambar 3.45 Rangkaian Indikator

3.5.2.5 Perancangan Modul Teaching Box ( kontroller manual robot )

Teaching Box digunakan pada model industrial robot sebagai alat pengendali dari

lengan Robot tersebut. Teaching Box selain untuk menggerakan lengan Robot secara

manual. Berikut gambar rangkaian teaching box

Gambar 3.46 Rangkaian Teaching Box

82

3.5.2.6 Perancangan Modul Interface RS 232

Berikut gamabr rangkaian modul interface RS 232

Gamabr 3.47 Rangkaian Modul interface RS 232

Komunikasi antara Mikrokontroller dengan Komputer PC dapat melalui Serial

Port tetapi butuh sebuah Interface sebagai pengantar berkomunikasinya. MAX232

digunakan sebagai Sinkronisasi data dari Mikrokontroller ke Komputer PC karena Logika

yang terdapat pada Komputer PC adalah :

• Logika 1 pada Komputer PC adalah tegangan antara -3 sampai -15 Volt

• Logika 0 pada Komputer PC adalah tegangan antara 3 sampai 15 Volt

Sedangkan logika yang terdapat pada Mikrokontroller adalah :

• Logika 1 pada Mikrokontroller adalah 5 Volt

• Logika 0 pada Mikrokontroller adalah 0 Volt atau Ground

83

Standar logika digital untuk logika 0 adalah tegangan yang sangat rendah atau bisa

juga Ground bahkan jika menggunakan tegangan -, maka tegangan – tersebut dapat

dianggap sebagai logika 0, sedangan untuk logika 1 adalah tegangan yang nilainya lebih

tinggi daripada logika 0 yaitu bisa 5 Volt, 9 Volt, 12 Volt ataupun 18 Volt tergantung dari

Power supply yang digunakan.

Oleh karena itu tegangan yang dihasilkan oleh Mikrokontroller adalah tegangan

yang sesuai dengan standar logika digital, tetapi logika yang dihasilkan oleh Komputer PC

tidak sesuai dengan logika digital. Tegangan -3 sampai -15 Volt yang dihasilkan

Komputer PC dianggap sebagai logika 1 yang sebenarnya seharusnya adalah logika 0

tetapi dalam level tegangan yang berbeda. Tegangan +3 sampai +15 Volt yang dihasilkan

Komputer PC dianggap sebagai logika 0 yang seharusnya adalah logika 1.

Jadi Logika yang dihasilkan Komputer PC supaya dapat Sinkron dengan

Mikrokontroller & sebaliknya, maka logika tersebut harus dibalik dengan menggunakan

sebuah Inverter. Tetapi Inverter biasa hanya akan bertugas untuk membalikkan logika

saja, sedangkan tegangan yang dihasilkan pada saat sudah dibalik juga harus sesuai

dengan standarnya masing masing. Oleh karena itu digunakan MAX232 sebagai interface

yang dapat membalikkan logika sekaligus dapat membalikkan Standar tegangan dari

standar tegangan yang dihasilkannya.

84

Level tegangan yang masuk ke MAX232 tidak boleh terbalik, untuk Input &

Output tegangan Digital harus masuk ke R1Out & T1In. Sedangkan tegangan Komputer

PC harus masuk ke kaki R1In & T1Out.

Keempat buah kapasitor Elektrolit yang terhubung ke MAX232 digunakan sebagai

Rangkaian Voltage Doubler & Voltage Inverter yang berlangsung di dalam IC MAX232.

Jika keempat buah Kapasitor tersebut tidak digunakan, maka Komunikasi antara

Mikrokontroller & Komputer PC tidak akan terjadi.

3.5.2.7 Rangkaian keseluruhan

Dibawah ini menunjukkan gambar rangkaian keseluruhan dari hardware elektronik

85

Gambar 3.48 Rangkaian keseluruhan hardware elektronik

86

3.6 Perancangan Perangkat lunak Model industrial robot

Perancangan perangkat lunak merupakan perancangan program yang ada pada

AT89S51 dan visual basic.

3.6.1 Perancangan Perangkat Lunak Bahasa Assembly

Pemrograman microcontroller yang menggunakan bahasa assembly berfungsi

untuk mengatur atau memperoses servo motor dc dengan teknik PWM, mengatur

indikator led, menerima inputan teaching box dan mengatur komunikasi antara PC dan

mikrokontroler. dengan memanfaatkan komunikasi serial. Untuk source code program

dapat dilihat pada lampiran 1. berikut gambar flowchart dari Program assembly untuk

model industrial robot

Gambar 3.49 Flowchart Assembly

87

3.6.2 Perancangan Perangkat Lunak Visual Basic

Pemrograman visual basic berfungsi sebagai tampilan data untuk mengontrol robot

secara otomatis dan dapat menyimpan posisi gerakan robot sesuai tujuannya. Ketika

program dijalankan yang pertama kali dilakukan adalah melakukan inisialisasi terhadap

port serial yaitu menentukan setting port serial, serta mengaktifkan port. Sehingga ketika

program dijalankan komunikasi dengan menggunakan port serial langsung dapat

digunakan. Untuk source code program dapat dilihat pada lampiran 2

3.6.2.1 Modul Input

Didalam pemrograman visual basic ini bagian input yang terdiri dari inputan data

berupa besar sudut pergerakan joint yang berfungsi untuk menggerakkan lengan robot

yang dikirim ke mikrocontroller. Pada visual basic ini juga bisa mensave posisi gerakan

robot sesuai tugas yang diberikan kepanya. Untuk posisi gerakan yang disave bisa banyak

selama mikrocontroller dan servo mampu menjalankannya. Berikut tampilan program

visual basic.

88

Tampilan Visual BasicPemilihan Port

Dan melakukanKoneksi keDrive unit

Pemilihan jumlahSudut yang diperlukan

Sesuai tujuanDari joint 1 - 6

TampilanBesarSudut

UntukSave Posisi

Untuk meloadPosisi yang

Sudah disave

Melakukan EksekusiTerhadap Posisi

yang sudah di save

Gambar 3.50 Tampilan Visual Basic

3.6.2.2 Modul Proses

Modul proses ini berfungsi untuk memproses inputan dari user dan akan dikirim

ke microcontroller berupa nilai yang sudah di tentukan. Dan juga memproses data yang

disimpan untuk save posisi dalam melakukan tugas tertentu. Berikut flowchart visual

basic untuk model industrial robot.

89

90

3.6.2.3 Modul Output

Modul output ini berfunsi untuk menampilkan data inputan pada layar berupa

besar sudut yang diberikan user dan juga memberikan perintah pada mikrocontroller untuk

melakukan pergerakan pada lengan robot sesuai inputan user, baik itu perintah pergerakan

lengan robot maupun perintah save posisi

3.7 Rancangan Bangun Sistem Keseluruhan

1. Modul Utama Model industrial robot

Gambar 3.52 Modul Utama Model industrial robot

TEACHING BOX

PC / KOMPUTER

DRIVE UNIT

MODEL

INDUSTRIAL ROBOT

INPUT CONTROLLER OUTPUT

91

2. Foto lengan robot nya

Gambar 3.53 Foto lengan robot

3. Control Unit dan Teaching box

Gambar 3.54 Kontroller lengan robot dan teaching box