27

BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT KERAS

3.1. Spesifikasi Perancangan Perangkat Keras

Secara sederhana, perangkat keras pada tugas akhir ini berhubungan dengan

rancang bangun robot tangan. Sumbu pusat pergerakan alat merupakan bahu

yang menjadi penopang sayap dan menjadi sistem koordinat utama semua

pergerakan alat. Gerakan alat merupakan gerakan dalam tiga derajat kebebasan

dan hanya meliputi gerakan angular di setiap sumbu koordinat (x, y, dan z).

Setiap aktuator yang merupakan penggerak benda terletak pada satu sumbu

pusat dan dapat diasumsikan sebagai bahu pergerakan kepakan sayap burung.

Semua aktuator akan menciptakan gerakan rotasional pada setiap aksis sumbu

yang menjadi pusat pergerakan benda uji.

Perancangan perangkat keras pada tugas akhir ini meliputi integrasi dari tiga

buah subsistem yaitu subsistem pengendali menggunakan mikrokontroler jenis

AVR, subsistem aktuator menggunakan servo dan motor DC, dan juga subsistem

catu daya. Selain itu, perancangan perangkat keras wahana ini juga meliputi

pembuatan rangka yang berfungsi sebagai tempat / penyangga subsistem-

subsistem wahana ini (sebagai komponen pendukung).

Spesifikasi akhir dari perangkat keras yang digunakan adalah sebagai berikut:

− Rangka wahana terbuat dari plat aluminium dengan tebal 2 mm yang

dibentuk dan dibagi menjadi beberapa bagian untuk mempermudah proses

pemasangan subsistem aktuator dan pengembangan wahana di masa

mendatang.

− Perangkat keras dipasang dengan cara digantung pada sistem penggerak

aktuator motor DC (yang telah dipasang dan diuji pada penelitian

sebelumnya). Rancangan awal perangkat keras berupa tiga buah servo

motor yang ditempatkan pada setiap tiga aksis pergerakan (x,y, dan z).

Sumbu-sumbu aksis tersebut terletak pada satu sumbu utama untuk

mempermudah perhitungan kendali gerakan perangkat keras ini. Jika ketiga

servo tersebut belum dapat memenuhi kebutuhan pergerakan benda uji,

perangkat keras ini dapat diberi tambahan servo menjadi lima buah servo.

28

Empat servo akan dihubungkan secara berdekatan pada sumbu aksis x dan

y (dua servo membentuk pergerakan rotasi dengan pusat sumbu x dan dua

servo yang lain pada sumbu y). Satu servo yang lain diletakkan pada sumbu

z untuk menghasilkan gerakan rotasi di sumbu ini.

Gambar 3. 1. Gambar rancangan rangka wahana dan peletakan servo pada sumbu x,y, dan z

− Bagian aktuator wahana menggunakan servo motor standar yang

menggerakkan benda / rangka wahana secara rotasional. Jika servo

tersebut tidak dapat / tidak kuat menggerakkan benda uji DPIV, servo

standar tersebut dapat diganti dengan servo yang lebih kuat atau dengan

menambah jumlah servo yang ada (maksimum lima buah).

− Bagian pengendali menggunakan mikrokontroler 8-bit AVR ATMega8535

dengan kecepatan 4 MIPS (frekuensi kristal 4 MHz).

3.2. Batasan Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras wahana ini dibuat dengan batasan-batasan

sebagai berikut:

− Pergerakan perangkat keras merupakan pergerakan kepakan sayap burung

yang sederhana (maksimal dapat menghasilkan gerak kurva ∞ / angka 8).

− Perangkat keras digunakan untuk menggerakkan benda uji dan dapat

29

menghasilkan gerak tiga derajat kebebasan.

− Gerakan tiga derajat kebebasan meliputi gerakan rotasi pada sumbu x, y,

dan z dengan kasus pergerakan membentuk (yang paling kompleks)

gerakan sinusoidal (bolak-balik); membentuk gabungan kurva fungsi

trigonometri pada sumbu x dan y (membentuk gerakan seperti angka

delapan). Pergerakan ini merupakan gerakan kaku (kotak-kotak) yang

membentuk kurva berbentuk angka 8 secara bolak-balik (sebagai

pemodelan gerak kepakan burung ke atas-ke bawah).

1

2

3

4

5

6

7

8

Gambar 3. 2. Kurva pergerakan berbentuk angka 8 / ∞

− Jarak peletakan servo tidak terbatas, tetapi sistem aktuator ini (poros

putaran servo) harus terletak pada satu sumbu utama.

− Sistem dinamik yang dibentuk bersifat open-loop atau error pergerakan

derajat putaran perangkat dianggap tidak ada, dengan kata lain pergerakan

perangkat dianggap telah sesuai dengan pergerakan yang dibuat oleh servo

dan pergerakan servo dianggap telah sesuai dengan instruksi dari

komputer.

− Catu daya yang digunakan diambil dari catu daya pada komputer agar

tingkat kesulitan pada desain rangkaian elektronika tetap rendah dan

menjamin keamanan perangkat elektronika yang terletak di dalam kotak

(tidak mengganggu sinyal perangkat mikrokontroler).

− Sistem perangkat keras belum mencapai bentuk yang real time karena

adanya delay pada sistem komunikasi antarperangkat elektronika,

walaupun delay tersebut sangat kecil.

30

3.3. Arsitektur Sistem Perangkat Keras

Arsitektur sistem perangkat keras wahana terdiri dari tiga bagian besar, yaitu:

subsistem pengendali, aktuator dan subsistem catu daya yang terintegrasi

menjadi satu kesatuan sistem yang utuh sebagai berikut:

Gambar 3. 3. Arsitektur perangkat keras wahana

Pada gambar di atas, user input merupakan perintah yang dimasukkan ke dalam

komputer melalui perangkat lunak. Perintah tersebut kemudian disalurkan ke

mikrokontroler untuk menggerakkan subsistem aktuator.

3.3.1. Subsistem Pengendali

Subsistem ini menggunakan sebuah mikrokontroler 8-bit ATMega8535 yang

mempunyai frekuensi kristal sebesar 4 MHz. Rangkaian mikrokontroler tersebut

dihubungkan dengan komputer melalui COM1 (komunikasi serial) dengan

kecepatan komunikasi 19200 bits per second. Rangkaian yang digunakan adalah

sebagai berikut:

31

Gambar 3. 4. Rangkaian DT-AVR low cost micro system (ATMega8535)

Pada sistem yang digunakan, RX/TX ATMega8535 (PORT D pin 0 dan pin 1/pada

gambar 3. 4., J13 no 3 dan 4) digunakan sebagai sarana komunikasi dengan

komputer (J1 pada gambar 3. 4.). PORT D pin 2, 3, dan 5 (J13 pin no 5, 6, dan 8)

digunakan sebagai output pengendalian gerakan motor DC dengan keterangan

sebagai berikut:

• jika pin 2 bernilai hi dan pin 3 bernilai lo, gerakan motor adalah clockwise

(cw),

• jika pin 2 bernilai lo dan pin 3 bernilai hi, gerakan motor adalah counter

clockwise (ccw), dan

• pin 5 merupakan pin penghasil Pulse Width Modulation (PWM) yang

digunakan untuk mengendalikan kecepatan putar motor DC.

32

PORT B pin 0 sampai dengan pin 5 (J11 no 3 s.d. 8) merupakan output penghasil

pulsa yang digunakan sebagai unit pengendali sudut shaft servo (jumlah

maksimum servo yang dapat dikendalikan adalah enam servo).

Gambar 3. 5. Modul mikrokontroler wahana

Komponen H-Bridge yang digunakan adalah IC L293D yang dapat beroperasi

pada tegangan input 5-36 Volt DC. IC ini akan mengendalikan gerakan motor DC

(arah putaran dan kecepatan putar) berdasarkan nilai pin 2 dan 3 (PORT D) dan

PWM yang dihasilkan pada PORT D pin 5 mikrokontroler ATMega 8535.

Gambar 3. 6. Rangkaian subsistem pengendali wahana

ATMega8535

Modul

H-Bridge

(L293D)

Oscillator 4

MHz

Regulator

LM 7805

RX/TX serial

PORTB

PORTD Input

Voltage

33

3.3.2. Subsistem Aktuator

Subsistem aktuator menggunakan lima buah servo motor standard (input

tegangan 4,8 - 6 Volt) dan sebuah motor DC (input tegangan 12 Volt DC). Kelima

servo dihubungkan dengan PORT B mikronkontroler sedangkan motor DC

dihubungkan dengan modul H-Bridge.

Gambar 3. 7. Modul motor DC dan gear box

Gambar 3. 8. Sebuah servo standar yang terpasang pada rangka

Sumber tegangan yang digunakan untuk kelima servo adalah sumber tegangan

yang berasal dari catu daya sebesar 5 Volt DC. Penyambungan catu daya dengan

pin ground dan power di servo dilakukan melalui terminal block.

34

Gambar 3. 9. Rangkaian kabel subsistem pengendali wahana

3.3.3. Catu Daya

Catu daya yang digunakan berasal dari power supply untuk komputer dengan

sumber utamanya berasal dari tegangan jala-jala. Untuk catu daya motor DC,

digunakan tegangan 12 volt melalui terminal block yang dihubungkan dengan

modul IC L293D (modul H-Bridge). Sedangkan untuk catu daya ke

mikrokontroler digunakan IC regulator LM7805 (yang telah terpasang pada

board DT-AVR low cost micro system) untuk menurunkan tegangan 12 volt

menjadi tegangan 5 volt teregulasi. Catu daya ke servo langsung dihubungkan ke

pin power servo sebesar 5 volt melalui terminal block.

Gambar 3. 10. Catu daya dan subsistem pengendali wahana

Terminal

block

Catu daya

wahana

35

Gambar 3. 11. Diagram catu daya yang digunakan pada wahana

3.3.4. Rangka

Rangka merupakan sistem pendukung yang berfungsi sebagai tempat peletakan

sistem aktuator (terutama servo). Rangka dapat dibagi menjadi beberapa bagian

yang dapat dirangkai menjadi suatu penyangga bagi subsistem aktuator wahana.

Bagian-bagian tersebut dipasang satu sama lain sedemikian rupa untuk

mendukung pergerakan atau simulasi gerakan yang dihasilkan oleh subsistem

aktuator. Rangka wahana ini juga dikembangkan dalam bentuk bongkar/pasang

menggunakan sistem mur-baud untuk memudahkan pengembangan wahana di

masa mendatang.

Gambar 3. 12. Rangka dan subsistem aktuator wahana