Perancangan dan Analisis Konstruksi Mekanik pada Robot Pemadam Api Hexapod Menggunakan Metode Finite Element Analysis dan Inverse Kinematics
Oscar Haris 1* , Taufik Rahman 2
1 Departemen Teknologi Rekayasa Industri Otomotif, Politeknik Digital Boash Indonesia, Kec. Kemang, Kabupaten Bogor, Jawa Barat 16310
2 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Nusa Putra, Kec. Cisaat, Kabupaten Sukabumi, Jawa Barat 43152 *E-mail: oscar.haris@pdbi.ac.id
Diajukan: 07-11-2022; Direvisi: 10-08-2023; Dipublikasi: 21-08-2023

## Abstrak
Kebakaran sering terjadi di kawasan perkotaan padat karena lokasinya sulit dijangkau oleh mobil pemadam kebakaran, menyebabkan  penanganan  sulit  karena  merupakan  kawasan  rawan  bencana  kebakaran.  Salah  satu  penanggulangan yang dapat dilakukan adalah dengan menggunakan robot hexapod . Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mencari tau rancangan  robot  yang  memiliki  sistem  kontruksi  yang  kuat.  adapun  langkah-langkah  yang  dilakukan  yaitu  dengan merancang  konstruksi  mekanik  robot  menggunakan  Software  Autodesk  Inventor  dan  melakukan  analisis Finite Element Analysis (FEA) menggunakan software Autodesk Inventor Stress Analysis , setelah itu melakukan perhitungan dan simulasi Inverse kinematic menggunakan software RoboAnalyzer . Hasil yang diperoleh dalam penelitian ini adalah dimensi  robot search  and  rescue (SAR) hexapod yang  dirancang  memiliki  panjang  total  145  cm,  lebar  85  cm  dan tinggi  85  cm,  dengan  berat  robot  42.5  kg  dengan  kapasitas  tangki  air  44.32  liter. Grip pada  robot  memiliki  tipe multifungsi  dengan  beban  maksimal  yang  dapat  diangkat  adalah  50  kg.  Hasil inverse  kinematic angle yang  dapat digunakan pada robot adalah sudut coxa 0°, femur 45° dan tibia -135°. Pada simulasi FEA didapatkan tegangan von mises terbesar  yaitu  144.2  MPa  dan  nilai safety  factor terbesar  yaitu  1.73  ul  dalam  kategori  aman.  Dengan  hasil penelitian  ini  dapat  disimpulkan  bahwa  robot  dapat  dengan  mudah  keluar  masuk  ruangan  pada  saat  evakuasi  dan memiliki desain konstruksi yang aman dilengkapi dengan daya cengkeram yang kuat dalam mengangkat beban serta penyemprot air yang fleksibel dan efisien.
Kata kunci: Robot Hexapod ; SAR; FEA; kinematik terbalik; von mises stress

## Abstract
Fires often occur in dense urban areas because the location is difficult to reach by fire cars, making handling difficult as it is a vulnerable area to fire disasters. One of the countermeasures that can be done is to use a hexapod robot. The purpose of this research is to find out the design of robots that have a strong construction system. The steps taken are to design the mechanical construction of the robot using the Autodesk Inventor Software and perform the FEA analysis using  the  AutoDesk  Inventor  Stress  Analysis  Software,  then  perform  the  calculation  and  simulation  of  the  Inverse kinematic using the RoboAnalyzer Software. The results obtained in this study are the dimensions of the hexapod SAR robot designed to have a total length of 145 cm, a width of 85 cm and a height of 85cm, with a robot weight of 42.5 kg with a water tank capacity of 44.32 liters. The grip on the robot has a multifunctional type with a maximum load that can be lifted is 50 kg. The result of the inverse kinematic angle that can be used on the robot is coxa angle 0°, femur 45° and tibia -135°. The FEA simulation obtained the largest von mises voltage of 144.2 MPa and the highest safety factor of 1.73 ul in the safe category. Based on the results of this study, it can be concluded that the robot can easily enter the room at the time of the evacuation and has a safe construction design equipped with strong grip in lifting loads as well as a flexible and efficient water sprayer.
Keywords: Hexapod Robot; SAR; FEA; Inverse kinematic; von mises stress

## 1. Pendahuluan
Kebakaran sering terjadi di perkotaan yang padat, dilihat dari letak geografis, daerah perkotaan yang memiliki padat penduduk merupakan daerah yang rentan terhadap terjadinya bencana kebakaran dan kebakaran dengan penanganan yang sangat  sulit  karena  lokasi  yang  padat  dan  susah  dijangkau  oleh  mobil  pemadam  kebakaran  [1]. Berdasarkan  data  dari badan penanggulangan bencana daerah-pemadam kebakaran (BPBD-PK) provinsi DKI Jakarta, bencana kebakaran yang terjadi mencapai angka rata-rata 800 kasus setiap tahun atau sekitar 67 kasus per bulannya [2]. Data tersebut menunjukkan
bahwa masalah kebakaran di perkotaan merupakan masalah serius dan harus menjadi perhatian untuk pencegahan dan penanggulangannya.
Salah  satu  penanggulangan  yang  bisa  dilakukan  untuk  meningkatkan  efisiensi  dalam  penanganan  kebakaran  yang harus melakukan pemadaman api serta pencarian dan penyelamatan korban yang terdapat pada bencana kebakaran dengan cepat  dan  aman  serta  tidak  membahayakan  petugas  kebakaran  dan  bisa  melewati  rintangan  yang  terdapat  di  lokasi kebakaran yaitu dengan menggunakan teknologi robotika dengan menggunakan struktur robot hexapod . Untuk saat ini robot yang digunakan sebagai pemadam api umumnya menggunakan roda [3-4], namun seperti yang disampaikan oleh selamat pada tahun 2018 untuk penerapan di lingkungan tidak terstruktur seperti pada bencana kebakaran yang terdapat di pemukiman padat dan gedung-gedung tinggi penggunaan roda kurang cocok diterapkan, yang cocok diterapkan dan tepat digunakan untuk lingkungan tidak terstruktur adalah robot berkaki atau robot hexapod yaitu robot berkaki enam [5- 6].
Saat ini, beberapa lembaga penelitian dunia didedikasikan untuk pengembangan robot hexapod , dan diyakini bahwa perkembangan dari robot hexapod untuk bekerja secara autonomus atau bekerja sendiri bisa berkembang dengan cepat sesuai  dengan  kebutuhan  [7]. Akan  tetapi  Penelitian  yang  sudah  dilakukan  hanya  berorientasi  kepada  robot prototype dengan  skala  yang  kecil  dan  tidak  berorientasi  kepada  masalah  sebenarnya.  Riset  yang  dilakukan  untuk  penelitian  ini tidak hanya membutuhkan pengetahuan tentang robotika tetapi kombinasi dari beberapa teknologi lain seperti mekanika, elektronika, kendali dan rekayasa, serta konstruksi mekanik [8]. Seperti yang dilakukan pada penelitian sebelumnya yang dimana pada penelitian tersebut dibuat untuk kebutuhan kontes robot indonesia (KRI) yang memiliki dimensi yang kecil atau  hanya  prototype  yang  diharuskan  untuk  melakukan  pengembangan  kembali  untuk  dijadikan  robot  yang  bisa dimanfaatkan dalam penanggulangan kebakaran sesuai dengan kebutuhan dan tugas yang dilakukan oleh robot tersebut [9].
Maka dengan itu solusi yang tepat mengenai masalah di atas adalah dengan melakukan penelitian mengenai konstruksi mekanik  yang  memiliki  efisiensi  yang  baik  untuk  digunakan  pada  robot  dalam  menjalankan  tugas  dan  misinya  nanti sebagai robot hexapod pemadam kebakaran yang diasumsikan bisa digunakan pada lokasi kebakaran yang sebenarnya, dengan tujuan dari Penelitian ini adalah untuk mencari tau rancangan kontruksi dari robot pemadam api yang memiliki efisiensi  yang baik dan  kekuatan  yang baik juga.  karena pastinya robot tersebut harus  bisa  melewati rintangan  seperti tangga  yang  terdapat  di  rumah  atau  gedung  serta  bisa  melakukan  evakuasi  dengan  cara  pencarian  korban  dan penyelamatan korban yang terdapat di lokasi kebakaran.

## 2. Material dan metodologi
Metode yang dilakukan dalam melaksanakan penelitian ini terangkum dalam Gambar 1 diagram alir penelitian.

## 2.1 Metode desain konstruksi robot
Proses desain konstruksi mekanik robot yaitu menggunakan software 3D Modeling Autodesk Inventor 2020. Desain konstruksi mekanik robot mengacu pada referensi robot hexapod yang dirancang pada penelitian sebelumya [10],  dimana desain konstruksi robot disajikan pada Gambar 2.
Gambar 2 . Robot hexapod [10]
Desain konstruksi mekanik robot pada Gambar 2 masih berbentuk prototipe atau dalam bentuk dimensi yang kecil. Oleh karena itu harus membuat desain ulang ( Re-design ) konstruksi mekanik robot dengan menambah dimensi dari robot dan menambah bagian-bagian yang sesuai dengan tugas dan misi yang nantinya yang akan dijalankan oleh robot tersebut di  lokasi  bencana  kebakaran.  Desain  konstruksi  robot hexapod pada  Gambar  2  sudah  di  analisa  optimasi  torsi  yang terdapat dalam konstruksi mekanik yang memiliki efisiensi terbaik dibandingkan dengan desain sebelumnya  [11]. Hasil dari  penelitian  yang  pernah  dilakukan  sebelumnya  dapat  disimpulkan  bahwa  bagian  panjang  sturukur  dari  kaki berpengaruh terhadap efisiensi torsi yang dihasilkan [10].
Karena robot ini nantinya akan digunakan sebagai pemadam api serta evakuasi kebakaran, oleh karena itu robot harus ditambahkan konstruksi mekanik grip atau lengan penjepit yang nantinya berfungsi sebagai pengangkat benda atau barang yang dapat menghalangi proses evakuasi korban bencana kebakaran. Maka untuk itu peneliti akan menggunakan sistem konstruksi grip pada robot yang sudah diteliti pada penelitian sebelumnya [12]. Adapun desain konstruksi grip yang sudah dianalisis seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Desain konstruksi grip [12]
2.2 Metode perhitungan inverse kinematic
Perhitungan inverse kinematic pada kaki robot hexapod SAR  mengacu ke bentuk atau  rancangan kaki  yang  sudah dirancang pada tahap sebelumnya. Langkah-langkah untuk mencari nilai sudut coxa (θc), femur (θf), dan tibia (θt)  dengan keterangan  sudut  seperti  pada  Gambar  4.  Metode  penghitungan  sudut  kaki  dengan  metode inverse  kinematic
menggunakan software RoboAnalyzer seperti pada tahapan: (i) Menentukan Denavit - Hartenberg ( D-H ) parameter pada software , (ii) Mencari Nilai end effector dan (iii) Menetukan nilai inverse kinematic [13-14].
Gambar 4. Sudut pada kaki robot

## 2.3 Metode Simulasi FEA
Proses FEA menggunakan software Autodesk Inventor Stress Analysis dimana Stress Analysis merupakan salah satu alat pengujian struktur pada aplikasi Autodesk Inventor yang dilakukan dengan  menerapkan konsep FEA secara statik [15]. Adapun bagian-bagian komponen robot yang akan dilakukan analisis FEA sesuai dengan rancangan pada robot dan penempatan pembebanan pada masing-masing bagian seperti pada Gambar 5 dengan keterangan panah merah merupakan posisi beban yang ditambahkan pada proses analisis.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 5. Pembebanan untuk Analisis FEA: (a) Kontruksi kaki, (b) Kontruksi rangka, (c) Konstruksi hexapod dan (d)
Konstruksi grip

## 3. Hasil dan pembahasan
3.1 Desain Konstruksi Mekanik Robot
Perancangan desain dari kontuksi mekanik robot menggunakan jenis robot hexapod persegi panjang atau rectangular dengan menggabungkan konstruksi robot hexapod yang sudah dianalisis oleh ervin burkus dengan konstruksi mekanik grip yang dianalisis oleh penelitian sebelumnya [12]  yang  akan digunakan  nantinya  sesuai kebutuhan pada  misi  yang dijalankan,  serta  penambahan  komponen  lain  yang  berfungsi  sebagai  pendukung  dalam  robot hexapod SAR  dalam menjalankan tugas dan misi. Adapun dimensi yang terdapat dalam konstruksi mekanik robot adalah seperti Gambar 6 dimensi konstruksi mekanik robot.

## Gambar 6. Dimensi konstruksi mekanik robot
Dengan lebar dan tinggi 85 cm serta panjang keseluruhan 145 cm maka memungkinkan robot untuk masuk dan keluar dari  pintu  pada  umumnya  di  sebuah  rumah  atau  gedung  untuk  melakukan  evakuasi  dan  pemadaman  api.  Adapun komponen yang terdapat dalam robot secara garis besar terdapat pada Gambar 7 dengan nama komponen disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Bagian-Bagian Komponen Robot
Nomor Bagian Nama Bagian 1 Water sprayer 2 Ultrasonic sensor 3 Hand grip 4 Camera 5 Grip 6 Camera 7 Water tank 8 Water pump 9 Hexapod frame 10 Coxa 11 Femur 12 Tibia 13 Aktuator linear
Spesifikasi robot hexapod dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Spesifikasi Robot
Bagian Spesifikasi Dimensi robot 145 cm x 85 cm x 85 cm Berat robot tanpa air 36.4 kg Berat robot dengan air 42.5 kg Kapasitas tangki 44.32 Liter Dimensi grip robot 52 cm x 42 cm

## 3.2.  Perhitungan Inverse kinematic
Struktur kaki yang digunakan untuk perhitungan pada penentuan inverse kinematic yaitu dengan panjang sebagai berikut :
• Panjang coxa : 125 mm
• Panjang femur : 100 mm
• Panjang tibia
: 300 mm
Sebelum  mencari Inverse  kinematic tahap  yang  harus  dilakukan  sebelumnya  yaitu  dengan  cara  menentukan end effector pada kaki robot yang di  mana end effector adalah  rencana pergerakan pada ujung  kaki robot dengan  mencari menggunakan D-H parameter seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8. D-H parameter RoboAnalyzer
Pada D-H parameter yang harus di input nilainya yaitu link length atau panjang masing-masing bagian seperti coxa, femur dan tibia, serta  pada initial  velue diisi  nilai  normalisasi  posisi  servo  atau  posisi  kaki,  maka  setelah  di- generate hasilnya ditunjukkan pada Gambar 9. Nilai end effector yang dihasilkan pada Gambar 9 adalah EE X = 195.7, EE Y = 0 dan EE Z = -229.2 .

## Gambar 9. Nilai end effector
Proses perhitungan  masing-masing sudut atau inverse kinematic pada kaki robot dilakukan  menggunakan software RoboAnalyzer dengan nilai end effector dari hasil generate pada software sebagai berikut EE X = 195.7, EE Y = 0 dan EE Z = -229.2 menghasilkan solusi seperti tersaji pada Gambar 10.
Gambar 10 . Inverse kinematic parameter pada software RoboAnalyzer
Dari hasil simulasi tersebut untuk mencapai posisi yang sudah ditentukan yaitu EE X = 195.7 , EE Y = 0 dan EE Z = - 229.2. Solusi posisi tersebut adalah.
1) θx=0° ,θy=45° dan θz= -135°
2) θx=180° ,θy=-127° dan θz= -22°
3) θx=180° ,θy=161° dan θz= 22°
4) θx=0° ,θy=169° dan θz= 135°
Adapun sudut di atas jika diilustrasikan atau diimplementasikan kepada sebuah rancangan dapat dilihat pada Gambar 11.
Gambar 11. Ilustrasi solusi inverse kinematic pada software
Dari empat solusi inverse kinematic pada Gambar 11 yang memungkinkan bisa  digunakan adalah solusi 1, dimana sudut yang digunakan sama seperti pada sudut normalisasi 0 0 yang dapat memungkinkan bagian fisik pada robot tidak melebihi limit yang mengakibatkan kaki bertabrakan.
3.3.    Simulasi FEA pada konstruksi mekanik
Simulasi FEA terdapat beberapa parameter uji yang akan dimasukan kedalam simulasi pegujian seperti berat robot, berat robot dengan air dan berat robot dengan beban angkatan pada grip yang didapatkan seperti pada Tabel 3.

## Tabel 3. Berat Parameter Uji
No. Parameter Uji Berat (kg) 1 Robot dengan tangki tanpa terisi air 36.4 kg 2 Robot dngan tangki terisi air 42.5 kg 3 Estimasi beban evakuasi 50 kg 4 Berat total keseluruhan robot 128.9 kg
Dengan memberikan beban seperti pada Tabel 3 maka didapatkan hasil simulasi FEA dengan menggunakan Autodesk Inventor  Stress  Analysis dengan  seluruh  material  menggunakan steel  alloy yang  memiliki  spesifikasi  material  sesuai dengan software seperti ditunjukkan pada Tabel 4. Adapun hasil yang diambil dalam simulasi FEA ini adalah von mises stress , displacement dan safety factor .
Tabel 4: Spesifikasi Material Steel Alloy No. Keterangan Nilai 1 Mass density 0.279264 kg/m 3 2 Yield stength 362.5 MPa 3 Ultimate tensile strength 580.1 MPa 4 Young’s modulus 297.3 MPa 5 Shear modulus 114.3 MPa
Adapun hasil simulasi yang didapatkan secara visual salah satunya terdapat dalam Gambar 12.
(a) (b)

## (c)
Gambar 12. Hasil simulasi FEA konstruksi mekanik
Hasil  simulasi  FEA  pada  Gambar  12  didapatkan  hasil  keseluruhan  yang  menjadi  acuan  dan  parameter  tingkat kelayakan dan kekuatan dari konstruksi mekanik robot hexapod pemadam kebakaran yaitu von mises stress dan safety factor yang dimana hasil analisis tersebut untuk mendapatkan kriteria kuat jika diimplementasikan, maka nilai von mises stress tidak boleh lebih dari nilai yield strength yang terdapat pada material. Pengujian ini menggunakan material steel alloy dengan nilai yield strength sebesar 36259.4 Psi atau 249.9 MPa. Parameter safety factor tidak boleh kurang dari 1,5 ul karena batas tersebut merupakan batas aman yang di rekomendasikan. Adapun hasil analisis pada simulasi FEA seperti pada Gambar 13.
(a)
(b)
Gambar 13. Grafik FEA pada konstruksi mekanik robot hexapod SAR: (a) Nilai von mises stress dan (b) Nilai safety factor
Pada Gambar 13.a mengenai hasil dari pengujian bagian robot hexapod dengan FEA menghasilkan nilai von mises stress dengan nilai terbesar 144.2 MPa yang tidak melebihi nilai dari yield stength material steel alloy yaitu sebesar 249.9 MPa, yang dimana hal tersebut bisa dikategorikan sebagai perancangan yang aman dan kuat serta tidak masuk kedalam kategori kegagalan perancangan. Begitu juga pada Gambar 13.b menyatakan bahwa konstruksi mekanik robot hexapod SAR yang dirancang masih layak dan memiliki nilai safety factor atau faktor keamanan yang masih dalam kategori aman dengan hasil nilai terkecil yang didapatkan yaitu sebesar 1,73 ul, karena nilai safety factor tidak kurang dari 1,5 ul sesuai dengan nilai safety factor yang direkomendasikan.

## 4. Kesimpulan
Dimensi robot hexapod SAR yaitu memiliki panjang total 145 cm, lebar 85 cm dan tinggi 85 cm yang berbeda dengan penelitian sebelumnya yang hanya berbentuk prototype. Pengujian dilakukan menggunakan beban aktual yang terdapat dalam bencana kebakaran dengan hasil analisis FEA memiliki nilai von mises stress tertinggi yaitu sebesar 131.09 MPa dengan safety factor sebesar 1.95 yang dimana jika dibandingkan dengan yield strength pada material steel alloy yang digunakan yaitu sebesar 249.9 MPa dengan safety factor yang direkomendasikan tidak kurang dari 1.5 ul maka  kontruksi mekanik  yang dirancang  masih dalam ketegori aman atau kuat.  Dalam proses evakuasi pada kebakaran  menggunakan mekanisme  grip  mekanik  sebagai  pemindah  beban  dengan    batas  maksimal  beban  yang  diangkat  adalah  50  kg  yang menghasilkan von misess stress sebesar 144.2 MPa dengan safety factor 1.73 dengan kapasitas maksimal ukuran yang bisa diangkat grip adalah 52 cm dan kapasitas tangki sebesar 44.32 liter. Sudut yang didapatkan dalam metode inverse kinematic sebagai acuan dalam penggunaan sudut di masing-masing kaki adalah sudut coxa = 0°, femur = 45° dan tibia = -135°. Untuk memaksimalkan penelitian kedapannya bisa melakukan penelitian tidak hanya inverse kinematic saja tapi diperlukan pengembangan dalam perhitungan body kinematics, trayektori langkah , forward kinematics, inverse dynamics, body  dynamics, dan forward  dynamics robot  sehingga  dapat  menentukan  gerakan  robot  lebih  lengkap  dan  diperlukan Pengujian  FEA  dinamik  pada grip robot  dan  Pengujian  FEA  pada  bagian  konstruksi  mekanik  robot  lain  dengan menggunakan material yang lain dan Perlu dilakukan analisis terhadap penggunaan air dan potensi penyebaran air yang keluar dari nozzle .

## Daftar Pustaka
[1]  D.  F.  Saraswati  dan  A.  B.  Cahyono,  Analisis  daerah  risiko  bencana  kebakaran  di  kota  Surabaya  dengan menggunakan sistem informasi geografis. J. Tek. ITS. 2017; 6(2): p. 1–4.
[2]  F. Tedeschi and G. Carbone, Design issues for hexapod walking robots. Robotics. 2014; 3(2): p. 181–206.
[3]  R. B. S. A. Nugroho, Gripper adaptif untuk robot. Tek. Elektron. 2016;  p. 1–58.
[4]  M. Hendra Jaya, Sistem robotika. 2016; 300.
[5]  G. Firasanto, Pengendalian Robot hexapod berbasis Internet of Things (IoT),” J. Electr. Power, Instrum. Control. 2021; 4(1): p. 1–9.
[6]  S. Sukardi dan S. G. Zain, Pengembangan algoritma gerak robot hexapod menggunakan logika fuzzy. Jessi. 2021; 02: p. 44–51.
[7]  Y. Wahyudi, M., Hadi, A., Handayanu, dan S. Sendari, Implementasi sistem kendali PD ( Propotinal Derivative ) pada navigasi wall follower robot berkaki enam ( hexapod ). Prosiding 5 th Indonesia Syposium Robot. Syst. Control.
2017. pp. 34–38.
[8]  Y.  Qu,  P.  Durdevic  and  Z.  Yang,  Smart-spider:  Autonomous  self-driven  in-line  robot  for  versatile  pipeline inspection. IFAC-PapersOnLine. 2018; 51(8): p. 251–256.
[9]  C. E. J. Mamahit, F. R. Seke dan H. Ponto, Pengembangan sistem gerak robot berkaki enam. 2022; 2(1): p. 53–60.
[10]  E. Burkus and P. Odry, Mechanical and walking optimization of a hexapod robot using PSO. Proceeding of  ICCC
2013 - IEEE 9th Int. Conf. Comput. Cybern. 2013. p. 177–180.
[11]  S. Y. Misyurin, G. V. Kreinin, N. Y. Nosova, and A. P. Nelubin, Six-legged walking robot (hexabot), kinematics, dynamics and motion optimization. Procedia Comput. Sci. 2021; 190: p. 604–610.
[12]  L. Kang, J. T. Seo, S. H. Kim, W. J. Kim, and B. J. Yi, Design and implementation of a multi-function gripper for grasping general objects. Appl. Sci. 2019; 9(24).
[13]  F. Sirait dan B. A. Wicaksono, Jurnal Teknologi Elektro, Universitas Mercu Buana ISSN : 2086 ‐ 9479. J. Teknol. Elektro, Univ. Buana. 2017; 8(2): p. 87–94.
[14]  Roboanalyzer user manual. 2011.
[15]  M.  A.  Rozik,  Mesin  Pengayak  Pasir  Menggunakan  Autodesk  Inventor.  Tugas  Akhir.  Indonesia:  Universitas  17 Agustus 1945; 2019.