BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Robotika

2.1.1 Sejarah Robot

Istilah robot berasal dari Czech, robota, yang berarti bekerja. Istilah ini diperkenalkan

pertama kali oleh Karel Capek pada tahun 1921 [4]. Robot adalah peralatan eletro-

mekanik atau bio-mekanik, atau gabungan peralatan yang menghasilkan gerakan yang

otonomi maupun gerakan berdasarkan gerakan yang diperintahkan [6].

Robot sudah ada sejak zaman yunani kuno sekitar 270 SM, Ctesibus, membuat

organ dan jam air dengan komponen yang dapat dipindahkan. Pada zaman Nabi

Muhammad SAW telah dibuat mesin perang beroda dan dapat melontarkan bom.

Bahkan Al-Jajari (1136-1206), ilmuwan dari dinasti Artuqid, dianggap sebagai

pencipta robot humanoid pertama. Pada tahun 1770, Pierre Jacquet Droz, membuat

boneka yang dapat menulis, memainkan musik, dan menggambar. Pada tahun 1898

Nikola Tesla membuat boat yang dikontrol melalui radio kontrol. Kejayaan robot

dimulai pada tahun 1970 ketika profesor Victor Scheinman dari Universitas Stanford

mendesain lengan standar. Pada tahun 2000, Honda meluncurkan ASIMO dan disusul

oleh Sony dengan robot anjing AIBO [4].

Universitas Sumatera Utara

2.1.2 Karakteristik Robot

Sebuah robot umumnya memiliki karakteristik sebagai berikut [4]:

1. Sensing : Robot dapat mendeteksi lingkungan sekitarnya (halangan, panas,

suara, dan image).

2. Mampu Bergerak : Robot umumnya bergerak dengan menggunakan kaki atau

roda, dan pada beberapa kasus robot dapat terbang dan berenang.

3. Cerdas : Robot memiliki kecerdasan buatan agar dapat memutuskan aksi yang

tepat dan akurat.

4. Membutuhkan Energi yang Memadai : Robot membutuhkan catu daya yang

memadai.

2.1.3 Tipe Robot

Robot didesain dan dibuat sesuai kebutuhan pengguna. Robot, hingga saat ini, secara

umum dibagi menjadi beberapa tipe sebagai berikut [4]:

1. Robot manipulator

2. Robot mobil (mobile robot)

a. Robot daratan (ground robot)

1) Robot beroda

2) Robot berkaki

b. Robot air (submarine robot)

c. Robot terbang (aerial robot)

Robot manipulator biasanya dicirikan dengan memiliki lengan (arm robot).

Robot ini biasanya diterapkan pada dunia industri, seperti pada industri otomotif,

elektronik dan komputer. Sedangkan robot mobil mengarah ke robot yang bergerak,

meskipun nantinya robot ini juga memiliki manipulator.

Universitas Sumatera Utara

2.1.4 Robot Bawah Air (Underwater Robot)

Robot bawah air adalah salah satu tipe robot mobile yang aplikasinya ditujukan untuk

melakukan kegiatan di bawah air [11]. Secara umum robot bawah air di kelompokkan

atas dua jenis yaitu AUV (Autonomous Underwater Vehicle ) dan ROV (Remotely

Operated Vehicle ). AUV adalah jenis robot bawah air yang bersifat autonomous,

robot dapat bergerak dan melakukan kegiatan sendiri, berdasarkan program yang telah

ditanamkan di dalam chip-nya. Hal ini ditunjang dengan dukungan dari sensor-sensor

yang disertakan pada robot tersebut. Sedangkan ROV adalah robot bawah air yang

dikendalikan oleh operator dalam pengoperasiannya, dan didukung oleh perangkat

kendali (remote kontrol) dalam pengoperasiannya. Contoh Robot penyelam termasuk

dalam jenis robot atau kendaraan bawah air yang tergolong ROV. Robot penyelam

adalah robot yang mampu bergerak di dalam air. Gerakan yang dapat dilakukan adalah

naik dan turun/menyelam. Gerakan ke atas timbul akibat adanya gaya dorong dari

putaran propeller, sedangkan untuk gerak menyelam disebabkan oleh berat beban dari

robot (saat kondisi motor off).

2.2 ROV (Remotely Operated Vehicle)

ROV (Remotely Operated Vehicle) menurut Marine Technology Society ROV

Committee’s dalam “Operational Guidelines for ROVs” (1984) dan The National

Research Council Committee’s dalam “Undersea Vehicles and National Needs”

(1996) pada dasarnya sebuah robot bawah laut yang dikendalikan oleh operator ROV,

untuk tetap dalam kondisi yang aman, pada saat ROV bekerja di lingkungan yang

berbahaya [11].

ROV secara luas dikenal sebagai nama umum bagi kapal selam mini yang

kerap digunakan pada industri minyak dan gas lepas pantai. Kapal selam ini tak

berawak, tapi dioperasikan dari kapal lain. Sistem ROV terdiri atas vehicle (atau

sering disebut ROV itu sendiri), yang terhubung oleh kabel umbilical ke ruangan

kontrol dan operator di atas permukaan air (kapal, rig atau barge). Melalui kabel

umbilical, tenaga listrik dan juga perintah-perintah, atau sinyal-sinyal kontrol,

Universitas Sumatera Utara

disampaikan dari perangkat kontrol ke ROV, secara dua arah. ROV dilengkapi dengan

peralatan atau sensor tertentu seperti kamera video, transponder, kompas, odometer,

bathy (data kedalaman) dan lain-lain tergantung dari keperluan dan tujuan surveinya.

Kebanyakkan ROV dilengkapi dengan kamera video dan lampu yang

digunakan untuk melakukan pengamatan. Kemampuannya bisa ditingkatkan dengan

menambahkan sonar, magnetometer, kamera foto, manipulator atau lengan robotik,

pengambil sampel air, dan alat pengukur kejernihan air, penetrasi cahaya, serta

temperatur. Kabel-kabel ROV dilapisi dengan tabung penuh minyak agar terhindar

dari korosi air laut. Alat pendorong dipasang di tiga lokasi agar menghasilkan kontrol

penuh terhadap alat itu. Adapun kamera, lampu, dan lengan manipulator berada di

bagian depan atau belakang.

ROV terbagi atas berbagai tipe [11], tergantung dari kemampuan dan fungsi

kerjanya. Small Electric Vehicle (ROV Kecil), berdimensi mini untuk kedalaman

kurang dari 300m, biasanya untuk keperluan inspeksi dan pengamatan, digunakan

untuk inspeksi perairan pantai, juga untuk ilmiah, SAR, waduk, dan saluran air. Work

Class Vehicle, yang menggunakan listrik dan hidrolik sebagai sumber tenaganya.

Sebagian besar tipe ini untuk mendukung pekerjaan pengeboran lepas pantai, yang

digunakan untuk survei dan rektifikasi pipa gas bawah laut dan kelas inspeksi

(inspection-class) dan yang kelas kerja atau (work-class). ROV kelas inspeksi ini kecil

dan agak ringan, biasanya digunakan untuk survei dan pekerjaan tes karat (catodhic

protection) konstruksi platform dan bangunan air lepas pantai.

Sistem ROV pada umumnya bekerja di atas wahana apung seperti kapal,

barge, atau rig. Bila sistem ROV dipasang diatas kapal, maka posisi ROV di bawah

laut akan mengacu pada titik referensi di kapal. Untuk keperluan survei, kapal

biasanya menggunakan DGPS (Differential Global Positioning System) sebagai

penentuan posisi utamanya. Sedangkan untuk posisi di bawah laut, sistem ROV

dilengkapi dengan alat penentuan posisi bawah laut menggunakan gelombang suara

(Acoustic Underwater Positioning).

Universitas Sumatera Utara

2.3 Mikrokontroler MCS-51

Mikrokontroler MCS-51 adalah keluarga mikrokontroler 8051 yang diperkenalkan

pertama kali oleh Intel Corporation. Mikrokontroler MCS-51 standar adalah

mikrokontroler 8 bit, di mana bus data internal dan register-register yang dimilikinya

memiliki lebar data 8 bit.

Mikrokontoler MCS-51 memiliki fitur antara lain: 4×8 bit port I/O, RAM

internal 128 bytes, memiliki 2 buah timer, sebuah port serial, kendali interupsi dengan

5 sumber interupsi, dapat mengalamati memori program sampai 64 Kbyte (KB) dan

memori data sampai 64 KB, dan register-register khusus (SFR=Special Function

Register) seperti akumulator (A), register B, stack pointer (SP), data pointer (DPTR),

P0, P1, P2, P3 untuk mengakses port I/O, buffer data serial, register timer, register

kendali untuk port serial, timer, dan interupsi [10].

Terdapat tiga bagian penting pada mikrokontroler MCS-51, yaitu memori

program (flash memori), memori data, dan CPU (Central Processing Unit) yang

bertugas membaca memori program dan menjalankan perintah yang tersimpan di

dalamnya. CPU ini tersusun oleh sebuah unit aritmetika dan logika

(ALU=Arithmethic Logic Unit) yang terhubung dengan SFR yaitu register A (ACC=

accumulator), register B, PSW (Program Status Word) dan stack pointer (SP). Dan

16 bit Program Counter (PC) serta Data Pointer (DPTR). Gambar 2.1, 2.2, dan 2.3

berikut, masing-masing menunjukkan peta memori, arsitektur, dan penampang dan

konfigurasi pin mikrokontroler MCS-51.

Universitas Sumatera Utara

EA=1 EA=0

1000

60 KB Ekstrenal Memori

4 KB Internal Memori

64 KB Eksternal Memori

FFFF

0FFF

0000

FFFF

0000

(a)

(b)

Gambar 2.1 (a) Memori Program, (b) Memori Data (RAM)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Arsitektur Mikrokontroler MCS-51

Gambar 2.3 Penampang dan Konfigurasi Pin Mikrokontroler MCS-51

Universitas Sumatera Utara

Untuk dapat mengoperasikan mikrokontroler MCS-51, harus dibuat sistem

minimum yang meliputi komponen antara lain: sumber tegangan (Vcc), Ground

(Gnd), Osilator, dan sistem reset. Dengan sistem minimum ini mikrokontroler MCS-

51 sudah dapat diprogram dan dioperasikan. Gambar 2.4 menunjukkan sistem

minimum mikrokontroler MCS-51.

Gambar 2.4 Sistem minimum mikrokontroler MCS-51

Untuk membuat program mikrokotroler MCS-51 digunakan editor dan

compiler untuk bahasa assembler A51 (bahasa assembler mikrokontroler MCS-

51)[1][7]. Dalam pembahasan ini editor dan compiler yang digunakan adalah M-IDE

Studio MCS-51. Setelah proses pembuatan dan kompilasi program selesai dilakukan

akan diperoleh file intel hex (*.hex). File ini adalah file yang akan diprogramkan ke

mikrokontroler MCS-51. Pemrograman mikrokontroler dilakukan dengan

menggunakan perangkat ISP (In System Programmer) Flash Programmer melalui

antarmuka port paralel komputer. Gambar 2.5 berikut menunjukkan gambar rangkaian

untuk ISP Programmer [15].

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.5 Rangkaian ISP Programmer

Tabel 2.1 Koneksi Pin Port Paralel dan MCS-51

Port paralel MCS-51

No pin Nama pin No pin Nama pin

6 D4 8 SCK

7 D5 6 MOSI

9 D8 9 Reset

10 S6 7 MISO

18-25 Ground 20 Ground

Keterangan:

1. SCK : Serial Clock 2. MOSI : Master Out Slave In 3. MISO : Master In Slave Out

Universitas Sumatera Utara

2.4 Komunikasi Serial Asinkron RS232 pada Mikrokontroler MCS-51

Komunikasi serial adalah salah satu metode komunikasi data di mana hanya satu bit

data yang dikirimkan melalui seuntai kabel pada suatu waktu tertentu [2]. Hal ini

berbeda dengan komunikasi parallel yang umumnya mengirim data per 8 bit (1 byte).

Berdasarkan cara transmisi datanya komunikasi serial dibedakan atas dua cara

transmisi yaitu komunikasi serial sinkron dan asinkron. Komunikasi serial secara

sinkron adalah bentuk komunikasi serial yang memerlukan sinyal clock untuk

sinkronisasi, sedangkan komunikasi asinkron tidak memerlukan sinyal clock sebagai

sinkronisasi, namun memiliki start bit dan stop bit untuk memvalidasi data yang

dikirim.

Port serial MCS-51 bisa dipakai dalam 4 mode kerja yang berbeda. Dari 4 mode

tersebut, 1 mode diantaranya bekerja secara sinkron dan 3 lainnya bekerja secara

asinkron. Register pengendali port serial adalah SFR yaitu SBUF(serial port buffer)

dan SCON (serial port control). SBUF adalah buffer untuk pengiriman dan

penerimaan data serial, sedangkan SCON menyimpan bit status pengiriman dan

penerimaan data dan mengatur mode kerja port serial. Gambar 2.6 dan 2.7

menunjukkan susunan bit pada register SBUF dan SCON [13].

Gambar 2.6 Susunan bit Register SBUF

Gambar 2.7 Susunan Bit Register SCON

Universitas Sumatera Utara

Dalam komunikasi serial secara asinkron dikenal istilah baud rate yang

menunjukkan jumlah data yang dikirim melalui interface serial per detik. Sebagai

pembangkit baud rate pada mikrokontroler MCS-51 dapat digunakan Timer. Pada

pembahasan ini timer yang digunakan adalah Timer 1. Timer diatur oleh register

TMOD (timer mode) dan TCON (timer control). Gambar 2.8 dan 2.9 menunjukkan

susunan bit pada register TMOD dan TCON [13].

Gambar 2.8 Susunan bit Register TMOD

Gambar 2.9 bit Register TCON

2.5 Aktuator

Aktuator adalah bagian yang berfungsi sebagai penggerak dari perintah yang

diberikan oleh input [4]. Aktuator biasanya merupakan peranti elektromekanik yang

menghasilkan gaya gerakan. Aktuator secara umum terdiri dari dua jenis, yaitu [9] :

1. Aktuator elektrik

2. Aktuator pneumatik dan hidrolik.

Pada penelitian ini aktuator yang akan digunakan adalah aktuator elektrik yaitu motor

DC dan motor servo yang akan dijelaskan sebagai berikut:

Universitas Sumatera Utara

2.5.1 Motor DC

Motor DC adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah energi listik arus

searah menjadi energi gerak atau energi mekanik [4]. Motor DC terdiri dari dua bagian

utama, yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian yang berputar atau armature, berupa

koil dimana arus listrik dapat mengalir. Stator adalah bagian yang tetap dan

menghasilkan medan magnet dari koilnya.

Prinsip kerja motor DC adalah jika kumparan dialiri arus listrik maka pada

kedua kumparan akan bekerja gaya Lorentz [14]. Pada gambar 8.10 dapat dilihat

prinsip kerja gaya Lorentz, dimana gaya yang jatuh pada telapak tangan (F), jari yang

direntangkan menunjukan arah medan magnet (B), ibu jari menunjukkan arah arus

listrik(I).

Gambar 2.10 Prinsip Gaya Lorentz

(Sumber: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)

Dengan berdasarkan pada prinsip gaya Lorentz, memberikan tegangan pada DC

motor akan membuat motor berputar secara kontinyu ke arah tertentu. Membalik arah

putaran motor dapat dilakukan dengan mengubah polaritas arus yang mengalir pada

motor. Gambar 2.11 memperlihatkan arah perputaran motor DC berdasarkan polaritas

arus yang mengalir.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.11 Arah perputaran motor DC

Motor DC biasanya mempunyai kecepatan putar yang cukup tinggi dan sangat

cocok digunakan untuk roda robot yang membutuhkan kecepatan gerak yang tinggi.

Juga dapat digunakan sebagai baling-baling (propeller) pengerak robot. Pada

penelitian ini motor DC digunakan sebagai penggerak utama robot IUV.

2.5.2 Motor Servo Standar

Motor servo adalah motor DC yang dilengkapi dengan sistem kontrol. Sistem kontrol

ini akan memberikan umpan balik posisi perputaran motor dari 0 sampai 180 derajat.

Disamping itu motor ini juga memiliki torsi relatif cukup kuat [5]. Gambar 2.12

menunjukkan penampang dan pengkabelan dari motor servo. Sistem pengkabelan

motor servo terdiri atas 3 bagian, yaitu Vcc, Gnd, dan Kontrol (PWM= Pulse Width

Modulation). Pemberian PWM pada motor servo akan membuat servo bergerak pada

posisi tertentu dan kemudian berhenti (kontrol posisi).

I I

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.12 Motor servo dan konfigurasi pin

Prinsip utama dari pengendalian motor servo adalah pemberian nilai PWM pada

kontrolnya. Frekuensi PWM yang digunakan pada pengontrol motor servo selalu 50

Hz sehingga pulsa dihasilkan setiap 20 ms. Lebar pulsa akan menentukan posisi servo

yang dikehendaki. Pemberian lebar pulsa 1,5 ms akan membuat motor servo berputar

ke posisi netral (90 derajat), lebar pulsa 1,75 ms akan membuat motor servo berputar

l;;\mendekati posisi 180 derajat, dan dengan lebar pulsa 1,25 ms motor servo akan

bergerak ke posisi 0 derajat. Gambar 2.13 berikut memperlihatkan hubungan antara

lebar pulsa PWM dengan arah putaran motor servo.

Gambar 2.13 Hubungan Lebar Pulsa PWM dengan Arah Putaran Motor Servo

Universitas Sumatera Utara

2.6 Driver Motor DC L298

IC H-Bridge driver motor DC L298 memiliki dua buah rangkaian H-Bridge di

dalamnya, sehingga dapat digunakan untuk men-drive dua buah motor DC [8]. IC L298

masing-masing dapat mengantarkan arus hingga 2A. Namun, dalam penggunaannya,

IC ini dapat digunakan secara paralel, sehingga kemampuan menghantarkan arusnya

menjadi 4A.

Prinsip kerja IC L298, IC ini memiliki empat channel masukan yang didesain

untuk dapat menerima masukan level logika TTL. Masing-masing channel masukan

ini memiliki channel keluaran yang bersesuaian. Gambar 2.14 memperlihatkan

penampang IC L298. Dengan memberi tegangan 5 volt pada pin enable A dan enable

B, masing-masing channel output akan menghasilkan logika high (1) atau low (0)

sesuai dengan input pada channel masukan. Untuk lebih jelasnya prinsip kerja IC

L298 dapat dilihat pada tabel 2.2.

Gambar 2.14 Penampang IC L298

Tabel 2.2 Tabel Logika Prinsip Kerja IC L298

Enable A,B Input 1,3 Output 1,3 Input 2,4 Output 2,4

1 0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 x 0 x 1 x 1 x

Keterangan: x : kondisi don’t care (tidak dihiraukan)

Universitas Sumatera Utara

2.7 Driver Servo IC Timer 555

Timer 555 merupakan sebuah IC timer yang bekerja berdasar rangkaian RC dan

komparator yang dirangkai dengan komponen digital (R-Sflip-flop) [8]. IC Timer 555

memiliki dasar pengendali PWM dengan fitur pengendalian lebar pulsa 0..100%,

frekuensi osilator yang dihasilkan relatif stabil sehingga sangat mungkin digunakan

untuk membangun Simple PWM Controler. Frekuensi dari Simple PWM Controler

555 akan membentuk output dengan frekuensi dari 170 sampai 200 Hz. Keluaran dari

555 pada rangkaian Simple PWM Controler 555 ini digunakan untuk driver pulsa

PWM. Gambar 8.15 berikut memperlihatkan penampang IC Timer 555.

Gambar 2.15 Penampang IC Timer 555.

IC 555 memiliki dua jenis operasi, yaitu Multivibrator Monostabil dan

Multivibrator Astabil. Multivibrator Monostabil juga disebut one shot, menghasilkan

output sebuah pulsa dengan periode tertentu ketika dipicu dengan sebuah pulsa

masukan. Output dari one shot akan seketika menuju ‘high’ mengikuti pulsa

pemicunya (trigger) dan akan tetap ‘high’ sesuai dengan periodenya. Ketika

periodenya telah habis maka outputnya akan kembali ‘low’. Output one shot akan

tetap ‘low’ sampai ada trigger lainnya. Gambar 2.16 rangkaian multivibrator

monostabil sebagai berikut (Sumber: http://physics.usask.ca).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.16 Rangkaian Multivibrator Monostabil

Multivibrator Astabil merupakan multivibrator yang mempunyai dua keadaan

namun tidak stabil pada salah satu keadaannya selama sesaat dan kemudian berpindah

ke keadaan yang lain, disini multivibrator astabil menetap untuk sesaat sebelum

berpindah kembali ke keadaan semula [8]. Perpindahan keadaan pada output

multivibrator astabil yang berkesinambungan ini menghasilkan suatu gelombang segi

empat dengan waktu naik yang sangat cepat. Karena tak dibutuhkan sinyal masukan

untuk memperoleh suatu keluaran, maka multivibrator astabil ini kadang-kadang

disebut multivibrator bekerja bebas ( free running multivibrator ). Gambar 2.17

menunjukan rangkaian multivibrator astabil (Sumber: http://physics.usask.ca).

Sedangkan Gambar 2.17 (a) dan (b) secara berurutan memperlihatkan output

multivibrator monostabil dan multivibrator astabil.

C

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.17 Rangkaian Multivibrator Astabil

(a)

(b)

Gambar 2.18 (a) Output Multivibrator Monostabil (b) Output Multivibrator

Astabil

Trigger

Output

C

Universitas Sumatera Utara