PENGATURAN MOTOR ROBOT LENGAN (ARM ROBOTIC) DENGAN SETTING POINT GERAKAN LENGAN MANUSIA BERBASIS PID MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ATMEGA16

Print
Category: Listrik & Elektronika
Last Updated on Monday, 27 April 2015 Published Date Written by Sodikin Susa’at

PENGATURAN MOTOR  ROBOT LENGAN (ARM ROBOTIC)  DENGAN SETTING POINT

 GERAKAN LENGAN MANUSIA BERBASIS PID MENGGUNAKAN

 MIKROKONTROLER  ATMEGA16

 Oleh: Sodikin Susa’at
Widyaiswara Madya Elektronika
P4TK BOE/VEDC Malang

Edisi: Februari-Maret 2015

 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 ABSTRAK:

Perkembangan dunia robotika saat ini telah berkembang dengan pesat. Salah satu jenis robot yang banyak digunakan adalah robot lengan (arm robotic). Lengan adalah salah satu bagian yang seringkali digunakan pada robot, terutama untuk aplikasi robot humanoid. Penguasaan lengan robot dengan teknologi penjepit (gripper) dan pengontrolan motor untuk mengetahui posisinya sangat penting dalam membuat robot humanoid. Lengan pada robot tersebut digunakan untuk mengambil obyek-obyek di sekitar robot. Namun dalam pengoperasiannya, kebanyakan robot lengan masih dioperasikan menggunakan tombol ataupun tuas, sehingga dibutuhkan operator yang memiliki keahlian khusus untuk mengoperasikannya. Dalam artikel ini dilakukan penelitian eksperimen yang berbasisi kerja proyek (project based experiment research)  buat sebuah pengontrol berupa lengan kontroler buatan yang menghubungkan antara lengan operator dan robot lengan. Pada masing-masing motor terhubung dengan potensiometer yang berfungsi sebagai sensor posisi gerakan lengan. Sehingga jika lengan kontroler digerakkan, maka lengan pada robot lengan akan mengikutinya. Dari berbagai hasil pengujian, maka didapatkan plant motor yaitu: Motor 1: G(s) = 0.9167171s+1;  Motor 2: G(s) = 1.562567s+1;  Motor 3: G(s) = 1.708314s+1;  dan Motor 4:G(s) = 1.8314s+1. Sedangkan persamaan kontroler PID untuk Motor 1: Gc(s)= 153.59995s2+10.5931s+ 0.1826;  Motor 2: Gc(s) = 170.52s2+0.1755s+0.618;  Motor 3: Gc(s)= 11.4s2+5.7s+0.1725; dan Motor 4:  Gc(s)= 11.4s2+5.7s+ 0.1725. Berdasarkan data-data hasil eksperimen kerja proyek tersebut, telah dapat disimpulkan bahwa pengontrolan motor robot lengan berbasis PID menggunakan mikrokontroller ATMEGA16 cukup handal  dan bisa digunakan sebagai referensi untuk penelitian-penelitian selanjutnya.

 

Kata kunci : robot lengan, robot humanoid, lengan kontroler, potensiometer, penjepit (gripper)

 

I. PENDAHULUAN

 

Saat ini teknologi robotika telah berkembang dengan pesat. Perkembangan tersebut telah membuat tuntutan kehidupan dari sisi kebutuhan manusia menjadi lebih tinggi lagi. Untuk itu perancangan dan pembuatan robot merupakan salah satu yang dapat digunakan untuk memenuhi tuntutan dalam membantu kebutuhan dari pekerjaan manusia. Salah satu dari jenis robot tersebut adalah robot lengan (arm-robotic), yang umumnya berfungsi untuk memindahkan suatu barang dari satu tempat ke tempat yang lain. Berbagai macam barang, mulai dari yang ringan sampai yang berat dan berbahaya. Robot tersebut dikendalikan oleh kontrol yang biasanya berupa tombol atau tuas, sehingga untuk mengoperasikan robot tersebut, sangat memerlukan keahlian khusus. Melihat kondisi itulah, maka diperlukan adanya robot lengan yang dapat dikendalikan tanpa menggunakan tombol atau tuas, akan tetapi juga dapat bergerak sesuai keinginan kita. Robot tersebut akan bergerak sesuai dengan gerakan lengan dari operator, sehingga untuk mengoperasikan robot tersebut tidak memerlukan keahlian khusus. Mekanik robot tersebut dikontrol oleh sebuah lengan buatan yang dipasangkan pada lengan operator sebagai referensi (dalam istilah teknik control sebagai setting point). Kemudian lengan buatan tersebut dihubungkan ke berbagai motor-motor yang terdapat pada robot lengan tersebut. Sehingga ketika operator menggerakkan lengannya, maka motor-motor tersebut akan menggerakkan lengan-lengan pada robot sesuai dengan gerakan operator. Dari rancangan mekanik harus dipikirkan tentang berapa jumlah sendi ( joint) pada lengan robot yang diperlukan, bagaimana struktur joint pada lengan robot yang harus digunakan, bagaimana hubungan tiap joint pada robot lengan dengan lengan operator, dan bagaimana membangun mekanik robot lengan dan lengan kontrol supaya bisa saling berinteraksi. Beberapa kendala yang harus juga dipikirkan dalam mendisain robot lengan, diantaranya: bagaimanakah cara mengidentifikasi plant motor robot hingga didapatkan rumus plant motor pada robot lengan, bagaimanakah menentukan parameter-parameter kontroler PID pada robot lengan supaya dapat disimulasikan dengan Mathlab untuk pengujian data awal sebelum dilakukan pembuatan robot lengan.

 

II. ROBOT LENGAN

 

2.1. Prinsip Kerja

Lengan adalah salah satu bagian yang seringkali digunakan pada robot, terutama untuk aplikasi robot humanoid. Penguasaan lengan robot dengan teknologipenjepit (gripper) dan pengontrolan motor servo untuk mengetahui posisinya sangat penting dalam membuat robot humanoid . Lengan pada robot tersebut nantinya akan digunakan untuk mengambil objek-objek di sekitar robot.

Umumnya robot lengan seperti yang terlihat pada gambar 2.1, terdiri dari beberapa sumbu gerakan (joint), aktuator atau lengan (link) dan penjepit. Gerakan sumbu itu berupa perputaran atau naik-turun yang menggerakkan lengan pada robot. Sedangkan untuk penjepit berupa gerakan memutar dan menjepit, karenamemang fungsinya untuk menjepit benda dalam aplikasi manual yang biasa dilakukan oleh manusia.

 

Gambar 2.1 Robot Lengan

                                             (Sumber : http://reaching-idea.blogspot.com/2009/01/cara-robotbekerja.html, 30/1/2011)
 

Selain aplikasi manual, robot lengan sebenarnya lebih sering digunakan untuk aplikasi otomatis. Gerakan-gerakan sumbu pada robot otomatis telah terprogram sebelumnya dalam memori. Program tersebut dibuat dan dibenamkan pada mikrokontroler. Adapun perangkat pendukung robot industri secara umum terdiri dari 4 bagian, yaitu: manipulator, sensor, aktuator, dan sistem kontroler. Desain Sistem digunakan untuk menentukan solusi yang tepat untuk pokok permasalahan di atas dan mengekspresikannya dalam suatu bentuk yang mudah untuk diterjemahkan dan diimplementasikan. Dari permasalahan yang disebutkan di atas, maka dapat dibuat suatu alur proses seperti pada gambar 2.2, akan tetapi gambar tersebut adalah alur tiap motor. Sehingga nantinya akan ada 4 buah diagram blok yang sama.

 

Gambar 2.2. Diagram Blok Sistem

 

Kemudian untuk kontrol posisi motor dapat dilihat seperti pada gambar 2.3. Potensiometer dipasang pada joint atau sumbu yang terdapat pada lengan kontroler. Keluaran dari potensiometer tersebut dikirim ke ADC pada mikrokontroler. Kemudian data tersebut diolah oleh mikrokontroler. Selanjutnya data keluaran dikirim ke driver untuk menggerakkan motor.

 

Gambar 2.3. Diagram Blok Kontrol Posisi Motor

 

Bagian mekanik Robot Lengan yag terlihat seperti pada gambar 2.4 di bawah adalah: penjepit  : berfungsi untuk menjepit benda, dan terdapat gigi roda yang digerakkan oleh motor1, yang mempunyai bagian: joint 1   : bagian  yang  menghubungkan  lenganbawah dan lengan atas atau mirip dengan siku pada lengan manusia; gigi roda yang digerakkan oleh motor2, yang terdapat joint 2: bagian  yang  menghubungkan  antaralengan atas dan sendi, sehingga lengan atas dapat bergerak ke samping; gigi roda yang digerakkan oleh motor 3 terdapat  joint 3: bagian yang menghubungkan sendi dan poros,  sehingga  lengan  atas  dapat bergerak  ke  depan-belakang; dan terdapat gigi roda yang digerakkan oleh motor 4, joint 4: bagian yang terletak pada bahu untuk gerakan bahu ke depan hingga atas.

 

 Gambar 2.4. Desain Mekanik Robot Lengan

 

Sedangkan potensiometer 1 merupakan komponen terhubung dengan joint 1 untuk menggerakkan motor 1 dari robot lengan; potensiometer 2 merupakan komponen terhubung dengan joint 2 menggunakan roda gigi dari robot lengan untuk menggerakkan motor 2;  potensiometer 3 merupakan komponen terhubung dengan joint 3 menggunakan roda gigi dari robot lengan untuk menggerakkan motor 3 dalam mengayunkan lengan atas kea rah depan dan belakang; dan potensiometer 4 yang dipasang dibagian belakang-atas yang terhubung roda gigi dari motor 4 pada  robot lengan untuk memutar ketika lengan atas diayunkan ke samping. Kemudian keluaran Potensiometer 4 berupa teganan diolah ntuk menggerakkan lengan atas robot ke depan hingga atas. Demikian sebaliknya jika ke bawah. Penjelasan tersebut diambil dari konstruksi peragaan kerja proyek hasil eksperimen yang telah dilakukan seperti gambar 2.5 berikut.

 

 Gambar 2.5. Konstruksi Peragaandari Disain Lengan Kontroler

 

 

2.2. Driver Motor

Gambar 2.6 merupakan driver motor yang digunakan adalah menggunakan system  yang bisa diakses menggunakan system PWM dari output Mikrokontroller untuk dikontol  dari sisi kecepatan dan arah putarannya, sehingga mencapai kecepatan dan arah putaran yang diiginkan sesuai dengan gerakan arah gerakan lengan kontrol. 

 

Gambar 2.6 Rangkaian Driver Motor DC

 

Untuk nilai R1=R6, komponen TLP 521 sesuai datasheet untuk mengaktifkannya dibutuhkan arus sebesar 10 mA dengan tegan input “high” yang setara dengan analog 5 V, sehingga didapatkan resistor sebesar:

 

 

 

III.  PENGUJIAN PLANT

 

3.1 Pengujian Plant Motor 

Pada Gambar 3.1 ditunjukkan kurva respon alat pada posisi 45o. Pada gambar tersebut mengilustrasikan kurva respon alat sebelum diberi kontroler PID.

 

 Gambar 3.1 Identifikasi Plant Motor 1 (sebelum dikontrol PID)

 

 

AVsteady state = 22;  AVsteady state / SP = 22 / 45 = 0.489

 


 

Untuk mendapatkan nilai T1 adalah: 22 * 0.632 = 13.904;  T1 adalah waktu yang dibutuhkan AV untuk mendapatkan 13.90 4, sehingga T1 = 171. Maka nilai plant yang didapat adalah:

Vmaks = 24V; AV steady state= 22; Set Point (SP)= 45; AV steady state/SP = 22/45 = 0,489.

Untuk mendapatkan hasil kontroller yang diiginkan, maka grafik identifikasi Plant diberi garis bantu seperti gambar berikut, sehingga didapatkan pendekatan  nilai T dan nilai L  untuk digunakan sebagai  penentu nilai parameter kontroller. 

Gambar 3.2 Kurva Respon Motor 1  (dengan garis bantu)

(didapatkan  L = 29; T = 256)

 

3.1.1 Pengujian Kontroler PID pada Motor 1

 

Nilai parameter Kp, Kid an Kd diketahui, maka dapat dilakukan pengujian kontroler dengan menggunakan perangkat software simulator Mathlab berupa Simulink. Berikut adalah gambar pengujian control PID dengan menggunakan software simulator Simulink. Nilai parameter Kp = 10.5931, Ki = 0.1826, dan Kd = 153,5999. Gambar 3.3 adalah pemodelan kontroler, sedangkan gambar 4.13 adalah kurva hasil respon plant setelah menggunakan kontroler PID.

 

 

 

 Gambar 3.3 Pengujian Kontroler PID pada Motor 1

 

 

 

 

Gambar 3.4 Kurva Respon Plant Motor 1 Setelah Diberi Kontrol PID

 


Gambar 3.5 Identifikasi Plant Motor 2 (L=10; dan T=98)

 

Vmaks = 24V, SP = 90 ; AVsteady state = 37.5  ,AVsteady state / SP = 37.5 / 90 = 0.4167.

Untuk mendapatkan nilai T1 adalah: 37.5 * 0.632 = 23.7; T1 adalah waktu yang dibutuhkan AV untuk  mendapatkan 23.7, sehingga T1 = 67. Maka nilai plant yang didapat adalah:

 

 

 

Untuk mendapatkan kontroler yang diinginkan, maka grafik identifikasi plant diberi garis bantu. Sehingga didapatkan nilai T dan L yang digunakan untuk menentukan nilai parameter kontroller.

 

 

 

 Gambar 3.6 Kurva Respon Bentuk S Motor 2( L = 10, T = 98)

 

 

 

3.1.2 Pengujian Kontroler PID pada Motor 2

Selanjutnya setelah semua nilai parameter Kp, Kid an Kd diketahui, maka dapat dilakukan pengujian kontroler dengan menggunakan perangkat software simulator Mathlab berupa Simulink.

Berikut adalah gambar pengujian control PID dengan menggunakan software simulator Simulink. Nilai parameter Kp = 11.76, Ki = 0.588, dan Kd = 58.8. Gambar 3.7 adalah pemodelan kontroler, sedangkan gambar 3.8 adalah kurva hasil respon plant setelah menggunakan kontroler PID.


 

Gambar 3.7 Pengujian Kontroler PID pada Motor 2

 

 

Gambar 3.8 Kurva Respon Plant Motor 2 (setelah diberi Kontroler PID)

 

3.1.3 Pengujian Kontroller PID pada Motor 3

Pada gambar 3.9 ditunjukkan kurva respon alat pada posisi 90o. Pada gambar tersebut mengilustrasikan kurva respon alat sebelum diberi kontroler PID.

 

Gambar 3.9 Identifikasi Plant Motor 3

 

Vmaks = 24V ; SP = 90; AVsteady state = 41; dan AVsteady state / SP = 41 / 90 = 0.456.

Untuk mendapatkan nilai T adalah: 41 * 0.632 = 25.912; sedangkan untuk mendapatkan kontroler yang diinginkan, maka grafik identifikasi plant diberi garis bantu seperti gambar 3.10 di bawah. Kemudian selanjutnya didapatkan nilai T dan L yang digunakan untuk menentukan nilai parameter kontroler. T adalah waktu yang dibutuhkan AV untuk mendapatkan 25.912, sehingga T = 14. Dengan cara yang sama, maka nilai plant yang didapat adalah seperti table 3.3 di bawah.

 

Gambar 3.10 Kurva Respon Bentuk S Motor 3 (L = 4, T = 19)

 

 

 

3.1.4  Pengujian Kontroller PID pada Motor 4  

Pada gambar 3.11 ditunjukkan kurva respon alat pada posisi 90o. Pada gambar tersebut mengilustrasikan kurva respon alat sebelum diberi kontroler PID. Untuk mendapatkan nilai T adalah: 44 * 0.632 = 27.808; T adalah waktu yang dibutuhkan AV untuk mendapatkan 27.808, sehingga T = 14. Dengan cara yang sama seperti pada pengujian motor 1, motor2, motor 3 di atas, maka nilai plant yang didapat seperti pada table 3.4 di bawah.

 

 

Gambar 3.11 Identifikasi Plant Motor 4

 

Vmaks = 24V    ,SP = 90;  AVsteady state = 44 ,  K = AVsteady state / SP = 44 / 90 = 0.489.

Untuk mendapatkan nilai T adalah: 44 * 0.632 = 27.808; T adalah waktu yang dibutuhkan AV untuk mendapatkan 27.808, sehingga T = 14. Dengan cara yang sama seperti pada pengujian motor 1, motor2, motor 3 di atas, maka nilai plant yang didapat seperti pada gambar 3.12 dan didapatkan hasil seperti table 3.4 di bawah.

 

 

Gambar 3.12 Kurva Respon Bentuk S Motor 4 ( L = 4, T = 19)

 

 

3.2. Pengujian Kontroler PID

Selanjutnya setelah semua nilai parameter Kp, Kid an Kd diketahui, maka dapat dilakukan pengujian kontroler dengan menggunakan perangkat software simulator Mathlab berupa Simulink. Berikut adalah gambar pengujian control PID dengan menggunakan software simulator Simulink. Nilai parameter Kp = 5.7, Ki = 0.7125, dan Kd = 11.4. Gambar 3.13 adalah pemodelan kontroler, sedangkan gambar 3.14 adalah kurva hasil respon plant setelah menggunakan kontroler PID.

 

 

 

Gambar 3.13 Blok Diagram Simulink  Plant Motor 3 setelah diberi Kontroler PID

 

 

Gambar 3.14 Kurva Respon Plant Motor 3 Setelah Diberi Kontroler PID

 

 

 

 

IV. KESIMPULAN

 

Dari berbagai hasil pengujian yang telah dilakukan, maka penulis menyimpulkan bahwa:

a. Dalam mengontrol robot lengan mengalami kesulitan pada gerakan bahu ke depan dan ke samping, karena       pada posisi tersebut di dalam lengan manusia terdapat 2 buah sendi yang berimpitan. Sehingga lengan               kontroler tidak dapat bergerak maksimal seperti lengan manusia biasanya.

b. Berdasarkan hasil pengujian didapatkan plant motor yaitu:

 

c.  Berdasarkan hasil pengujian didapatkan kontroler PID:

Motor 1 : Gc(s) = 153.59995s2 + 10.5931s + 0.1826 

Motor 2 : Gc(s) = 170.52s2 + 0.1755s + 0.618

Motor 3 :  Gc(s) = 40.861s2 + 2.818s + 0.061

Motor 4 : Gc(s) = 24.6375s2 + 5.475s + 0.1711

 

 

 

V. DAFTAR PUSTAKA

  

1. Budiharto, Widodo dan Paulus Andi Narwan. 2002. Membuat Sendiri Robot Humanoid. Jakarta: PTElex Media Komputindo.

 

2. Budiharto, Widodo. 2002. Membuat Sendiri Robot Cerdas. Jakarta: PT Elex Media  Komputindo.

3. Dzieia, Werner; Kuenstler, Hans-Arno; Rabens Juergen. 1984. Elektronik IVA: Leistungselektronik. Muenchen: Richard Pflauum Verlaum KG.

4.   Kuo, Benjamin C.1995. Automatic Control System. Seventh Edition. New Jersey: Prentice Hall, Inc.

5.   Ogata Katsuhiko. 1997. Modern Control Engineering. Third Edition. Upper Saddle, New Jersey: Prentice-Hall International, Inc.

6.   Pratama, Nuviant Andi, M. 2010. Pengaturan Motor pada Robot Lengan sesuai Gerakan Lengan Manusia Berbasis Mikrokontroller ATMEGA 16. Surabaya: PENS-ITS Surabaya.

7. Schiessle, Edmund. 1992. Sensortechni und Messwertaufnahme. Wuerzbuch, Deutschland. Vogel Buchverlag und Druck KG.

 

 

 

Copyright 2019. Powered by Humas. PPPPTK BOE MALANG