## ANALISIS PENGGUNAAN PENGARUH RANTAI DAN SPROKET TERHADAP KONSUMSI DAYA MOTOR PADA SISTEM TRACK MOBILE ROBOT
EFFECT OF SPROCKET AND CHAIN TO POWER CONSUMPTION OF MOTOR AT MOBILE ROBOT TRACK SYSTEM
Hendri Maja Saputra 1) , Eka Putera 2 , Dalmasius Ganjar Subagio 3)
1 Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI, Kompleks LIPI Jl Sangkuriang, Gd 20, Lt 2, Bandung, Jawa Barat 40135, Indonesia Email: hend018@lipi.go.id/ hendri.maja@gmail.com
2 Program Studi Teknik Mekatronika, Politeknik Caltex Riau, Jl. UmbanSari No.1 Rumbai, Pekanbaru-Riau, Indonesia
Email: koeiputera27@gmail.com Diterima: 20 Januari 2016 Direvisi: 24 Maret 2016 Disetujui: 18 April 2016

## ABSTRAK
Analisis pengaruh penggunaan rantai dan sproket terhadap konsumsi daya motor pada platform mobile robot yang menggunakan sistem track telah dilakukan. Penelitian ini saat penting dilakukan untuk menghindari kesalahan pada  saat  pemilihan  daya  motor  yang  akan  digunakan  ketika  rancang  bangun mobile robot yang  banyak menggunakan rantai dan sproket. Hasil penelitian ini diharapkan dapat digunakan sebagai dasar dalam merancang mobile robot sistem track , terutama dalam memprediksi peningkatan konsumsi daya motor. Pada set-up pengujian, sensor ACS712 20A dipasangkan secara seri pada kabel motor untuk mendapatkan konsumsi arus, sedangkan modul pembagi  tegangan  digunakan  untuk  mengambil  nilai  tegangan.  Sensor-sensor  tersebut  dihubungkan  dengan mikrokontoler Arduino Nano V3 untuk mengolah data yang didapat yang kemudian disimpan dan ditampilkan pada laptop.  Pengujian  dilakukan  pada  lima  kondisi,  yaitu  transmisi  lengkap  (beban  penuh),  minus  1  flipper,  minus  2 flipper, tanpa track wheel (terhubung dengan poros), dan motor bebas beban. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penggunaan rantai  dan  sproket  pada  kondisi  beban  penuh meningkatkan  konsumsi daya  motor  sebesar  215%  dari pada konsumsi daya pada keadaan bebas beban.
Kata Kunci : rantai, sproket, konsumsi daya, track drive , mobile robot

## ABSTRACT
Analysis  of  the  effect  of  using  a  chain  and  sprocket  on  the  motor  power  consumption  in  mobile  robot platform,  which  uses  a  system  of  tracks  has  been  done.  This  study is  currently  important  to avoid  mistakes  when selecting  motor  power  to  be  choose  when  designing  a  mobile  robot  that  uses  a  lot  of  chains  and  sprockets. The results of this research might be used as a basis for designing mobile robot track systems, especially in predicting an  increase  the  power  consumption  of the  motor.  In  the experimental  set-up,  20A ACS712  sensor  was  coupled  in series to the motor cables to get the current consumption, while the module voltage divider was used to retrieve the value  as  the  voltage.    The  sensors  were  connected  to  the  Arduino  Nano  V3  microcontroller  to  process  the  data obtained were then stored and displayed on a laptop. Tests were conducted on five conditions, namely the complete transmission (full load), minus one flipper, minus two flippers, without the track wheel (connected to the shaft), and free-load  motors.  The  results  showed  that  use  of  chains  and  sprockets  at  full  load  conditions  increases  the consumption of motor power of 215% compared with that of no load.
Keywords: chain, sprocket, power consumption, track drive, mobile robot

## PENDAHULUAN
Mobile robot yang dijadikan sebagai objek pada  penelitian  ini  adalah  robot  penjinak  bom Morolipi  V1  yang  telah  dibuat  oleh  Puslit Telimek  –  LIPI  pada  tahun  2009  [1].  Robot tersebut  menggunakan track  drive untuk  sistem penggeraknya  yang  terdiri  atas  rantai roller duplex dengan  sepatu  karet  pada  sisi  luarnya (lihat  Gambar  1).  Terdapat  tiga  buat track pada tiap  sisi,  satu  pada track utama  dan  dua  buah pada  flipper  yang  terpasang  di  sisi  depan  dan belakang.  Ketiga track tersebut  saling  terhubung dengan penggerak utama, yakni motor DC 120 W 250  rpm.    Robot  ini  juga  dilengkapi  dengan empat  buah  ban  karet  yang  dirancang  agar  dapat secara  lincah  bermanuver  dijalan  yang  datar. Sistem track difungsikan  sebagai  transmisi  dan membantu  pergerakan  robot  saat  dijalan  yang berundak.
Etologi pemilihan Mekanisme untuk mengendalikan penggerak differensial dari mobil untuk  aplikasi  lapangan  tertentu  telah  dijelaskan oleh  Delgado-Mata  dalam  makalahnya  [2].  Pada makalah  Naveena  [3]  dan  disertasi  Lawn  [4], lebih detail menjelaskan aplikasi sistem track dan kelebihannya  sistem  tersebut  dalam  menaiki tangga.    Walaupun  demikian,  kedua  penelitian tidak  menyinggung  masalah  konsumsi  energi motor.  Peneliti  yang  sedikit  menyinggung konsumsi energi motor pada mobile robot adalah Leng  [5]  dan  Morales  [6].  Leng  menurunkan persamaan konsumsi motor dari Omni-directional mobile  robot ,  sedangkan  Morales  menurunkan persamaan untuk skid-steer mobile robot .
Pada  penelitian  Saputra  [7],  kendali skenario  trayektori mobile  robot Morolipi  V1 berdasarkan  konsumsi  energi  dianalisis  untuk mengetahui  kondisi  trayektori  yang  menyerap konsumsi energi minimal. Rijanto [8] memaparkan  secara  detail  kendali  posisi  lengan robot tersebut berdasarkan PD kontroler. Penelitian  yag  dilakukan  oleh  Saputra  [9] membahas  remot  kendali  yang  digunakan  pada robot dengan memanipulasi empat kanal RC agar komunikasi data dapat dinamis.
Sumber  daya  yang  terbatas  pada mobile robot menuntut  perhatian  khusus  terhadap konsumsi  daya  pada  aktuator  (motor  DC). Desain,  simulasi,  dan  perhitungan  terkait track drive dibutuhkan  untuk  menentukan  seberapa besara sumber daya yang dibutuhkan bagi mobile robot agar  dapat  berfungsi  dan  bekerja  sesuai dengan  yang  diharapkan.  Pembebanan  dinamis yang  diterima track  drive pada  kecepatan  tinggi akan  mempengaruhi  akselerasi  dari  motor  [10]. Nilai  akselarasi  ini  menunjukkan  kebutuhan motor  akan  arus  yang  terus  berubah  dan cenderung besar.
Makalah ini membahas keterkaitan penggunakan  rantai dan  sproket  terhadap konsumsi  daya  dari  motor  DC  yang  digunakan sebagai aktuator mobile robot yang menggunakan sistem track .  Arus  dan  tegangan  pada  motor  DC diukur  menggunakan  sensor  untuk  memperoleh besarnya daya yang kemudian dianalisa.

## BAHAN DAN METODE
Penelitian  ini  didasarkan  pada  faktor  yang bersifat  aplikatif,  dimana  dapat  dibagi  menjadi empat  permasalahan.  Faktor  tersebut  dapat diuraikan menjadi perancangan simulasi perputaran  motor  menggunakan  arduino  nano, pengkondisian track  drive pada  lima  kondisi berbeda  dari  segi  beban,  pengambilan  data  arus dan  tegangan,  dan  pengolahan  data  untuk ditampilkan pada monitor laptop.

## Perhitungan Rantai
Rantai  yang  digunakan  merupakan  jenis Bush  Roller  Chain dua  baris  atau Duplex  Chain dengan  pitch  1,5  cm.  Panjang  rantai  yang mengalami  kontak  langsung  dengan  sproket dihitung dengan menggunakan persamaan (1)-(7) [11].
K= T 1 +T 2 2 + 2x p + T 2 -T 1 2π 2 p x (1)
Gambar 1. Mobile Robot Morolipi V1 [1] [6]
α 1 =180°-2 sin -1 ( R-r C ) (2)
α 2 =180°+2 sin -1 ( R-r C ) (3) L =K×p (4) L 1=L-2x (5)
L2 = α 1 360° ×keliling sproket (6)
L3 = α 2 360° ×keliling sproket (7)
dimana K adalah  jumlah  mata  rantai, T 1 dan T 2 adalah  jumlah  gigi  sproket  kecil  dan  besar, p adalah pitch rantai, x adalah jarak sumbu sproket, α 1 adalah  sudut  kontak  sproket  kecil, α 2 adalah sudut  kontak  sproket  besar,  R  adalah  jari-jari sproket  besar, r adalah  jari-jari  sproket  kecil, c adalah  jarak  sumbu  sproket, L adalah  panjang rantai, L1 adalah  panjang  rantai  kontak  sproket, L2 panjang  rantai  kontak  sproket  kecil  dan L3 panjang rantai kontak sproket besar.
Ukuran diameter  kedua sproket pada track utama  (lihat  Gambar  2)  sebesar  18  cm  dengan jumlah  gigi  sproket  adalah  45  dan  jarak  sumbu antar sproket sebesar 47,2 cm. Jumlah mata rantai dan  panjang  rantai  dihitung  menggunakan persamaan  (1),  (4),  dan  (5),  dimana  didapatkan nilai K = 108, L = 162 cm dan L1 = 67,6 cm. Panjang rantai yang kontak dengan sproket pada flipper (lihat Gambar 3) dihitung menggunakan  persamaan  (2),  (3),  dan  (6).  Jari- jari  sproket  kecil  berukuran  3,5  cm,  jari-jari sproket  besar  9  cm,  dan  jarak  kedua  sumbu sebesar 31,5 cm.  Berdasarkan parameter tersebut didapatkan nilai α 1 = 160,1°, α 2 = 200,1°, L = 114 cm, L2 = 9,8 cm, L3 = 31,4 cm, sehingga panjang total = 41,2 cm.
Pada  transmisi  dari  motor  DC  ke  poros (lihat Gambar 4), besar jari-jari sproket  kecil 2,5 cm, sproket besar 5,5 cm, dan jarak kedua sumbu 23,5 cm. Berdasarkan parameter tersebut didapatkan α 1 = 165,3, α 2 = 194,7, L = 81 cm, L2 = 7,2 cm, L3 = 18,7 cm dan panjang total = 25,9 cm.
Spesifikasi  motor  memiliki  kecepatan  250 rpm,  maka  melalui  persamaan  (8)-(11)  diperoleh W B =  238,5  N, V =  2,81  m/s, K S =  1,5  dan P = 57,33 W.
W B =106p 2 (8)
V= TpN 60 (9)
V=2,8125 m s ⁄ K s =K 1 ×K 2 ×K 3 (10)
P= W B ×V n×K s (11)
dimana W B adalah  beban  patah, V adalah kecepatan rantai, T adalah jumlah gigi sproket, N adalah  putaran  motor, p adalah  pitch  rantai, K S adalah  faktor  servis, K 1 adalah  faktor  beban, K 2 adalah  faktor  pelumasan,  dan K 3 adalah  faktor rating.

## Peralatan Percobaan
Pengambilan  data dilakukan  menggunakan sensor  ACS712  20A  sebagai  sensor  arus  dan pembagi  tegangan  untuk  mengambil  nilai tegangan.  Kedua  sensor  tersebut  terhubung dengan mikrokontroler Arduino Nano V3 sebagai pengolah  data  yang  kemudian  ditampilkan  pada monitor  laptop.  Ilustrasi  pengambilan  data  yang dimaksud  dapat  dilihat  pada  Gambar  5.
Gambar 2. Ukuran Track Utama Gambar 3. Ukuran Track Flipper
Gambar 4. Ukuran Track Transmisi Motor DC
Pada Gambar 5 dapat dilihat bahwa set-up pemasangan  sensor  dan  mikrokontroler  dalam mengambil  data  dari  motor  DC  pada  platform mobile  robot .  Mikrokontroler  berfungsi  sebagai pengatur kecepatan motor DC untuk menghasilkan simulasi perputaran motor sekaligus pengolah data yang diterima dari kedua sensor.  Sensor  ACS712  dipasangkan  seri  dan pembagi  tegangan  dipasangkan  paralel  dengan sumber  ke  motor.  Data  yang  keluar  dari  kedua sensor  dihubungkan  dengan  mikrokontroler untuk ditampilkan pada monitor laptop.
Prosedur  pengambilan  data  dilakukan secara  bertahap  pada  keadaan  pembebanan transmisi  yang  berbeda.  Pada  Gambar  6 memperlihatkan  urutan  langkah  pengambilan data  pada  motor  DC  platform mobile  robot . Arduino  sebagai  mikrokontroler  yang  digunakan untuk  mengatur  perputaran  motor  dihubungkan
dengan driver motor dan sensor sebagai pengolah data. Keadaan awal seluruh track transmisi masih terpasang  untuk  selanjutnya  diambil  datanya, setelah  didapat  data  awal track flipper  1 dilepaskan  untuk  diambil  data  pada  keadaan kedua. Track pada mobile platform dilepas secara berurutan setelah flipper 1, flipper2, track utama, dan rantai transmisi pada poros penggerak utama hingga motor dalam keadaan bebas.
Pada  setiap  tahapan,  pengambilan  data dilakukan  sebanyak  3  kali  pengulangan  untuk dibandingkan  kesesuaiannya  (indikasi  bahwa hardware tidak bermasalah) dan dipilih salah satu untuk  selanjutnya  diplot  guna  menampilkan grafik yang nantinya digunakan dalam perhitungan  konsumsi  daya  motor.  Pengambilan data  dilakukan  secara real  time dengan  waktu cuplik 48 ms.
Gambar 5. Set-up Pengujian
Gambar 6. Alur Pengujian

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian  dilakukan  dengan  memberikan masukan  kecepatan  sebagai  referensi.  Masukan tersebut didesain berbentuk trapesium sebagaimana  yang  ditunjukkan  oleh  Gambar  7. Pada  awalnya  motor  dalam  keadaaan  diam, kemudian motor berputar clockwise (CW) dengan kecepatan  yang  terus  bertambah  sampai  dengan 250 rpm selama 5  detik,  konstan selama 9  detik, dan menurun kembali selama 5 detik. Hal ini juga berlaku  pada  saat  putaran  motor counter clockwise  (CCW). Kecepatan  negatif  pada Gambar  7  hanya  mengindikasikan  bahwa  motor berputar  berbalik  arah.  Total  waktu  pengujian
yang  dibutuhkan  untuk  satu  siklus  CW-CCW adalah 56 detik.
Konsumsi  daya  pada  motor  DC  sebelah kanan mobile robot dapat dilihat pada Gambar 8. Grafik  menunjukkan  pembacaan  konsumsi  daya untuk  dua  arah  putaran.  Pertama  adalah  saat motor  berputar CW dan  kedua  adalah  saat  motor berputar CCW. Pada  grafik  terlihat  bahwa  arah putaran CW memiliki konsumsi daya motor yang lebih  besar  besar  dibanding  dengan  arah  putaran CCW.  Nilai  konsumsi  daya  yang  besar  tersebut menunjukkan bahwa motor mendapatkan beban  yang  lebih  besar  sehingga  memaksa motor    untuk    menyerap  lebih  banyak  arus  yang berbanding    lurus    dengan      peningkatan    daya.
Gambar 7. Simulasi Kecepatan Putar Motor DC Terhadap Waktu
Gambar 8. Konsumsi Daya Motor sebelah Kanan Robot
Gambar 9. Konsumsi Daya Motor sebelah Kiri Robot
-300 -200 -100 0 100 200 300 5 14 19 28 33 42 47 56 K e ce p at an ( rp m ) Waktu (detik) 0 50 100 0 3 5 8 1 1 1 3 1 6 1 9 2 1 2 4 2 6 2 9 3 2 3 4 3 7 4 0 4 2 4 5 4 8 5 0 5 3 5 6 D aya ( W at t) Waktu (detik)
Beban bebas Tanpa track Minus 2 flipper Minus 1 flipper Beban penuh clockwise counter 0 20 40 60 0 3 5 8 1 1 1 3 1 6 1 9 2 1 2 4 2 6 2 9 3 2 3 4 3 7 4 0 4 2 4 5 4 8 5 0 5 3 5 6 D aya ( W at t) Waktu (detik)
Beban bebas Tanpa track Minus 2 flipper
Minus 1 flipper Beban penuh clockwise counter
Faktor  besarnya  pembebanan  dapat  dipengaruhi oleh  keadaan  mekanik  motor  itu  sendiri  ataupun kondisi sistem track penggerak.
Konsumsi  daya  pada  motor  DC  sebelah kiri mobile  robot dapat  dilihat  pada  Gambar  9. Terlihat  bahwa  konsumsi  daya  pada  dua  arah putaran  (CW-CCW)  secara  visual  relatif  sama. Hal  ini  sangat  berbeda  sekali  dengan  motor sebelah  kanan.  Pada  putaran  awal  motor  terlihat menyerap  daya  lebih  besar  dalam  mendapatkan potensial putarannya. Hal ini ditunjukkan dengan grafik yang seolah-oleh condong ke sebelah kiri.
Pada 5 keadaan  yang  dilakukan pada pada saat pengujian, konsumsi  daya terlihat berkurang untuk  setiap track yang  dilepaskan.  Tabel  1 memperlihatkan  konsumsi  daya  rata-rata  pada keadaan berbeda tersebut, dimana konsumsi daya mengalami  kenaikan saat ada penambahan rantai dengan  panjang  tertentu.  Kenaikan  konsumsi daya  dari  keadaan  bebas  beban  hingga  beban penuh mencapai 215%.
Pada  makalah  ini  juga  coba  dipaparkan keterkaitan panjang rantai dengan kontak sproket. Pada  Gambar  10  menunjukkan  perbandingan panjang  rantai  yang  mengalami  kontak  dengan
sproket terhadap konsumsi daya, dimana pengaruh  rantai  transmisi  dengan  panjang  25,9 cm  menaikkan  konsumsi  daya  14,6%,  flipper dengan  panjang  41,2  cm  menaikkan  konsumsi daya 32,3% dan track utama dengan panjang 67,6 cm  menaikkan  konsumsi  daya  41,3%  dari konsumsi  daya  pada  keadaan  bebas  beban.  Nilai persentase  konsumsi  daya  tersebut  merupakan pertambahan  nilai  daya  pada  keadaan  tersebut dari keadaan sebelumnya.

## KESIMPULAN
Nilai  beban  putaran  yang  dialami  motor  DC berbanding  lurus  dengan  konsumsi  daya.  Nilai daya  tersebut  menunjukkan  bahwa  motor memerlukan arus lebih besar guna menggerakkan beban  untuk  memutar  mekanisme track mobile robot .  Setelah  mendapatkan  putaran  potensial, konsumsi  arus  pada  motor  menurun  dan  mulai stabil  untuk  mempertahankan  keadaan.  Panjang dari  rantai  yang  bersentuhan  dengan  sproket berbanding  lurus  dengan  konsumsi  daya,  dengan kenaikkan  mencapai  215%  dari  kondisi  bebas beban menuju kondisi beban penuh.

## Tabel 1. Konsumsi Daya Rata-Rata berdasarkan Panjang Rantai
No. Kondisi Track Wheel Konsumsi Daya Rata-Rata Motor Kanan (Watt) Konsumsi Daya Rata-Rata Motor Kiri (Watt) Panjang Rantai Kontak dengan Sproket (cm) Panjang Rantai Total (cm) 1 Transmisi lengkap 35,98 32,39 175,9 471 2 Minus 1 flipper 29,08 28,18 134,7 357 3 Minus 2 flipper 24,56 22,84 93,5 243 4 Tanpa track wheel (terhubung dengan poros) 19,16 17,58 25,9 81 5 Motor bebas beban 16,72 16,72 0 0
Gambar 10. Pengaruh Panjang Rantai Kontak terhadap Konsumsi Daya Rata-rata
16,72 [VALUE] 24,56 29,08 35,98 16,72 17,58 22,84 28,18 32,39 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 11 22 33 44 55 66 77 88 99 110 121 132 143 154 165 176 D a ya (W at t) Panjang Rantai (cm) Daya Motor Kanan
Daya Motor Kiri

## DAFTAR PUSTAKA
[1] H.  M.  Saputra,  "Penyempurnaan  Prototipe Teknis  Mobil  Robot  Penjinak  Bom MoroLIPI,"  Research  Centre  for  Electrical Power  and  Mechatronics  -  Indonesian Institute of Sciences, Bandung, 2009.
[2] C. Delgado-Mata, R. Vela´zquez and C. A. Gutie´rrez,  "A  Di ﬀ erential-Drive  Mobile Robot  Driven  by  an  Ethology  Inspired Behaviour  Architecture,"  in The  2012 Iberoamerican  Conference  on  Electronics Engineering and Computer Science , 2012.
[3] S. Naveena and S. Riyazuddin, "Autonomous  Stair  Climbing  with  Re- configurable  Tracked  Mobile  Robot," International  Journal  of  Engineering Trends and Technology (IJETT), vol. 5, no. 2, pp. 102-106, 2013.
[4] M.  J.  Lawn,  "Study  of  stair-climbing assistive  mechanisms  for  the  disabled," Nagasaki, December 2002.
[5] C. Leng, Q. Cao and Y. Huang, "A Motion Planning  Method  for  Omni-directional Mobile  Robot  Based  on  the  Anisotropic Characteristics," International  Journal  of Advanced Robotic System, vol. 5, no. 4, pp. 327-340, 2008.
[6] J.  Morales,  J.  L.  Mart´ınez  and  A. Mandow,  "Power  Consumption  Modeling of  Skid-Steer  Tracked  Mobile  Robots  on Rigid  Terrain," IEEE  Transactions  on
Robotics, vol.  25,  no.  5,  pp.  1097-1108,
2009. [7] Saputra,  Roni  Permana;  Rijanto,  Estiko; Saputra, Hendri Maja, "Trajectory
Scenario  Control  for  the  Remotely Operated  Mobile  Robot  LIPI  Platform Based  on  Energy  Consumption  Analysis," International
Journal of Applied Engineering  Research, vol.  7,  no.  8,  pp.
851-866, 2012.
[8] Rijanto,  Estiko;  Saputra,  Roni  Permana; Saputra, Hendri Maja;, "Positioning Control  for  the  Mobile  Robot  LIPI Articulated  Robot  Arm  Based  on  PD Control  Approach," International  Journal of  Applied  Engineering  Research, vol.  8,
no. 4, pp. 423-433, 2013.
[9] Saputra, Hendri Maja; Mirdanies, Midriem;,  "Controlling  unmanned  ground vehicle  via  4  channel  remote  control,"  in 2nd
International Conference on
Sustainable  Energy  Engineering  and Application,  ICSEEA  2014 ,  Bandung,
2015.
[10] Zhao,  Juntian;  Wang,  Shunzeng;  Hu, Shengyang  ;  Liu,  Yu;,  "Dynamic  Analysis and  Simulation  of  a  Roller  Chain  Drive System  on  RecurDyn," Journal  of  applied science  and  engineering  innovation  Vol.1 No.1 2014 , vol. 1, no. 1, pp. 71-76, 2014.
[11] A.  Zainuri,  Diktat  Elemen  Mesin  II  (MC 201),  Mataram:  Universitas  Mataram, 2010.