## Rancang Bangun Mekanisme Penendang Bola Berbasis Elektromagnetik untuk Robot Sepakbola Beroda R2C- Warrior
Yohanes Haryudanta D 1 , Fransiscus Dalu Setiaji 2 , Gunawan Dewantoro 3
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
1 612013004@student.uksw.edu, 2 fdsetiaji@gmail.com, 3 gunawan.dewantoro@staff.uksw.edu

## Ringkasan
Pada Kontes Robot Indonesia (KRI) 2017, diadakan sebuah kompetisi untuk divisi baru yaitu Kontes  Robot  Sepakbola  Beroda  Indonesia  (KRSBI  Beroda).  Ini  mendorong  tim Robotics Research Center (R2C) Universitas Kristen Satya Wacana membuat suatu platform robot baru sehingga dapat diikutsertakan pada kompetisi tersebut. Layaknya seorang pemain sepakbola profesional,  maka platform robot  ini  membutuhkan  suatu  mekanisme  penendang  bola sehingga robot dapat mencetak gol ke gawang lawan. Pada  makalah ini, diusulkan sebuah mekanisme  penendang  bola  yang  menggunakan  prinsip  elektromagnetik.  Mekanisme  ini terdiri dari sebuah solenoid yang dicatu oleh tegangan maksimal 400V. Tegangan tersebut didapatkan  dari  sebuah  baterai  Li-Po  12V  dengan  kapasitas  2200mAh  yang  dinaikan tegangannya  melalui  sebuah DC  to  DC  booster dan  ditampung  pada  sebuah capacitor  bank berkapasitas 2240 µF. Mekanisme ini dapat menendang bola dengan diameter 20cm dan berat 400gr dengan laju maksimal bola sebesar 10,04m/s.
Kata kunci: Solenoid, DC to DC booster , Penendang Bola, Robot Sepakbola

## 1. Pendahuluan
Dengan  ikut  sertanya  tim  R2C  FTEK-UKSW  dalam  kegiatan  tahunan  KRI  membuat pengembangan robot penting dilakukan untuk meningkatkan prestasi tim. Ditambahnya divisi KRSBI Beroda mengharuskan tim R2C membuat sebuah platform robot baru dengan sistem penendang bola yang mampu menendang  bola berdiameter 20cm dengan massa 400  gram  serta  ringkas  dalam  segi  dimensi  alat,  sehingga  memudahkan  robot  untuk bermanuver dan mencetak gol ke gawang lawan.
Pada  makalah  ini,  akan  dirancang  sebuah  sistem  penendang  bola  berbasis elektromagnetik dengan  menggunakan  solenoid yang di dalamnya terdapat sebuah inti besi  ( plunger )  yang  dapat  bergerak  bebas.  Solenoid  dipilih  karena  dapat  menghasilkan kekuatan  tendang  yang  kuat  dan  dimensinya  relatif  kecil  [1].  Kekuatan  medan  magnet yang  menentukan  kekuatan  tendang  tergantung  pada  besar  arus  yang  mengalir  pada solenoid  [2].  Sistem  serupa  sudah  pernah  disampaikan  pada The  4 th Symposium  on  Robot Soccer Competition 2016 . Sistem tersebut menggunakan rangkaian DC to DC booster berbasis IC regulator tersaklar MAX1771 yang relatif sulit didapatkan di Indonesia[2]. IC MAX1771 sendiri merupakan IC pengontrol penaik tegangan ( step-up switching controller ) yang fungsi utamanya  terbagi  menjadi  dua  yaitu  membangkitkan  gelombang  kotak  dan  mengatur
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 49 - 57
tegangan  keluaran  dengan  cara  memvariasikan  frekuensi  gelombang  kotak  yang dibangkitkan.
Dalam makalah ini diusulkan sebuah sistem penendang dengan rangkaian DC to DC booster yang berbasis timer LM555 sebagai penghasil gelombang kotak dan opamp LM324 yang difungsikan untuk membatasi nilai tegangan yang akan disimpan di dalam sebuah capacitor  bank. Hal  tersebut  dicapai  dengan  cara  mengaktifkan  atau  menonaktifkan rangkaian DC  to  DC  booster berdasarkan  nilai  tegangan  pada capacitor  bank. Tujuannya adalah  agar  pengguna  dapat  mengatur  kekuatan  tendang  dari  mekanisme  ini  sebelum pertandingan berlangsung. Kedua IC tersebut dipilih karena harganya murah dan mudah didapatkan di Indonesia dibandingkan IC MAX1771, sehingga mudah diganti jika rusak.

## 2. Perancangan
Mekanisme penendang bola pada makalah ini terdiri menjadi dua bagian utama, yaitu bagian  mekanik  dan  bagian  elektrik.  Bagian  elektrik  sendiri  dapat  kembali  dipecah menjadi empat bagian, yaitu bagian penaik tegangan, bagian pembatas tegangan, bagian pemicu tendangan dan bagian pengosong tegangan capacitor bank . Gambar 1 merupakan diagram kotak alat yang dibuat, kecuali bagian Algoritma Utama.
Gambar 1. Diagram kotak mekanisme penendang bola

## 2.1. Perancangan Bagian Mekanik
Gambar 2 menunjukkan mekanik utama alat yang terdiri dari sebuah solenoid yang ditopang  rangka  besi  sehingga  dapat  dipasang  pada  bodi  robot.  Solenoid  dibuat  dari kawat  enamel  dengan  diameter  0,8mm  dan  dililitkan  pada  sebuah  pipa  PVC  dengan diameter 1,25 inci. Solenoid yang direalisasikan memiliki panjang 11,5cm, diameter 3,1cm dan resistansinya 7,4Ω. Sedangkan plunger dibuat dari besi  yang memiliki panjang 26cm dan  diameter  3cm.    Digunakan  juga shield berbahan  besi dengan  ketebalan  1mm  yang berbentuk  tabung  sehingga  permukaan  solenoid  tidak  langsung  terpapar  dengan lingkungan luar. Shielding ini juga diperlukan untuk memfokuskan medan magnet yang dihasilkan oleh solenoid[3].
Gambar 2. Desain mekanik mekanisme penendang bola robot R2C Warrior
Gambar 3. Realisasi mekanik solenoid tampak atas

## 2.2. Perancangan Bagian Elektrik
Bagian elektrik alat akan dibagi menjadi empat bagian yaitu bagian: penaik tegangan, pembatas tegangan, pengendali tendangan dan pengosong tegangan.
2.2.1.  Rangkaian Penaik Tegangan ( DC to DC booster )
Rangkaian penaik tegangan DC (Gambar 4) atau biasa disebut DC to DC booster adalah sebuah  topologi  catu  daya  yang  dapat  menghasilkan  tegangan DC keluaran  yang  lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan masukan[4]. DC to DC booster termasuk tipe catu daya tersaklar karena transistor hanya mempunyai dua siklus yaitu “on” (saat MOSFET dalam kondisi triode ) dan siklus “off” (saat MOSFET dalam kondisi cut-off ).
Siklus tersebut diatur oleh sebuah pembangkit gelombang kotak yang direalisasikan menggunakan  rangkaian astable berbasis  LM555,  dengan duty  cycle 50%.  Periode gelombang  kotak  ( T )  ditentukan  berdasarkan  nilai  arus  induktor L 1 yang  akan  tercapai selama  MOSFET  “on”  yaitu  ½ T ,  yang  dipilih  sebesar  5A,  yaitu  nilai  maksimal  yang diperbolehkan.  MOSFET  yang  digunakan  adalah  IRFP460  yang  memiliki  nilai R DS(on) sebesar  0,27Ω[5 ].  Dengan  menganggap  arus  awal L 1 bernilai  nol,  maka  nilai T bisa ditentukan berdasarkan persamaan pengisian arus induktor sebagai berikut ini.
            1 ) ( 2 1 1 ) ( 5 ) 2 / ( L R T DS CC L on DS e on R V A T i (1)
Solenoid Plunger Solenoid Motor DC Bodi Robot
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 49 - 57
Didapatkan  nilai T =48,5µs  atau  frekuensinya, f =20,6kHz.  Rangkaian  pembangkit gelombang kotak yang dibuat ditunjukkan Gambar 5, dirancang berdasarkan [6].
Gambar 4. Skema rangkaian penaik tegangan
Gambar 5 . Pembangkit gelombang kotak dengan Duty Cycle 50%
Nilai C 1 ditentukan berdasarkan spesifikasi awal yang ditetapkan yaitu agar bola yang ditendang dapat melaju minimal 5m/s, yang membutuhkan energi:
5J 5 0,4 2 1 2 K     E (2)
Namun  karena  rendahnya  efisiensi  dalam  mengubah  energi  listrik  menjadi  energi kinetik yang dapat mencapai 5% saja [3], maka energi minimal yang harus disimpan dalam kapasitor  adalah  W C1 =5J/0,05=100J.  Tegangan  maksimum  kapasitor  ditetapkan  sebesar 400V,  sesuai  dengan  batas  aman  dari  kapasitor  yang  dipakai.  Untuk  dapat  menyimpan energi sebesar itu pada tegangan 400V maka nilai kapasitor C 1 adalah:
F V C  250 . 1 ) 400 ( 0,5 100J 2 1    (3)
Namun demikian, untuk mengantisipasi jika terdapat penambahan kebutuhan energi (misalnya  bila  bola  juga  berotasi  setelah  ditendang)  dan  juga  kehilangan  energi  yang belum diperhitungkan, maka digunakan kapasitor yang nilainya hampir dua kali lipat dari perhitungan (3) yaitu sebesar 2240µF.
dari keluaran pembangkit gelombang kotak BYW95C dari pembatas tegangan Vcc 12V VC1 + C1 2240uF D1 R2 1k R1 1k R3 100 Q3 IRFP460 L1 55uH Q2 2N2222 Q1 2N2222 1N4148 1N4148 Vo Vcc 12V 1Gnd 2Trg 3Out 4Rst 5 Ctl 6 Thr 7 Dis 8 Vcc 555 + CT 10nF + 100nF RA 3.3k RB 3.3k
Yohanes Haryudanta D, F. Dalu Setiaji, Gunawan Dewantoro

## 2.2.2.  Rangkaian Pembatas Tegangan
Rangkaian  pembatas  tegangan  (Gambar  6)  bertujuan  membatasi  nilai  maksimal tegangan  yang  akan  disimpan capacitor  bank ( V C1 ),  dengan  menggunakan  suatu komparator.  Terdapat  tegangan  referensi  ( V ref )  yang  bisa  diatur  pengguna,  untuk dibandingkan dengan tegangan V C1 yang sudah diturunkan (menjadi V C1 ’) dengan faktor tertentu yang ditetapkan.  Pengaturan V ref , yang berarti juga pengaturan V C1 ,  bermanfaat untuk menentukan nilai maksimal V C1 yang berarti juga kekuatan tendang bola. Jika V ref mulai melebihi V C1 ’ maka keluaran rangkaian pembatas tegangan akan mendekati 0V yang akan membuat transistor Q 1 cut- “off” demikian pula MOSFET IRFP460. Dengan demikian nilai V C1 tidak akan bertambah lagi. Diode D 1 pada Gambar 4 dipasang untuk mencegah kapasitor C 1 mengosongkan tegangannya saat MOSFET “ off ” .
Gambar 6. Rangkaian pembatas tegangan menggunakan komparator
Pembagi  tegangan  R X dan  R Y berfungsi  untuk  menurunkan  tegangan  V C1 dari  nilai maksimal yang terukur yaitu 440V menjadi 10V. Nilai R 7 harus jauh lebih kecil daripada nilai  hambatan  input  dari  LM324.  Dengan  menentukan  nilai  R 6 =  1M Ω,  maka  nilai resistansi dari R 7 dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut.
23
440 10 6 7     k R
R (4)
Nilai  R 7 tersebut  masih  jauh  lebih  kecil  daripada  hambatan  input  dari  LM324  yang bernilai di atas 1MΩ sehingga memenuhi syarat.

## 2.2.3.  Rangkaian Pemicu Tendangan
Untuk dapat melepaskan energi yang telah ditampung pada capacitor bank sehingga tendangan dapat dilakukan, maka dibutuhkan rangkaian yang  akan menentukan kapan arus  bisa  melalui  solenoid.  Pada  makalah  ini,  digunakan  komponen  SCR,  yang  ketika mendapat sinyal dari mikrokontroler akan memicu pelepasan energi dari capacitor bank ke solenoid. Gambar 7 merupakan rangkaian yang direalisasikan.
2.2.4.  Rangkaian Pengosong Tegangan Capacitor Bank
Rangkaian  pengosong  tegangan capacitor  bank (gambar  8)  merupakan  rangkaian proteksi, karena tegangannya yang tinggi, yang perlu dikosongkan pada saat robot akan diperbaiki  maupun  sekedar  untuk  dipindahkan  setelah  perlombaan  selesai.  Sebenarnya merujuk Rangkaian pengosong tegangan capacitor bank dibuat ditunjukkan pada  Gambar 8 di bawah ini. Pada saat Vcc=12V (baterai terpasang pada robot) maka transistor 2N2222 saturasi  sehingga  MOSFET  IRF840  cut  off.  Namun  bila  robot  akan  diperbaiki  atau dipindah dan baterai dilepas maka Vcc=0V, transistor 2N2222 cut off, diode zener Dz akan bertegangan 12V yang cukup untuk membuat MOSFET IRF840 “on” sehingga tegangan
VC1' Vref Pot 5k VC1 Rx 1Meg Ry 22k -12V 12V + LM324 R 1k Vo Vcc 12V
capacitor  bank, V C1 ,  akan  dikosongkan  melalui R D menuju  ground.  Tegangan  kapasitor akan habis setelah 5 τ =5×20k×2240µ=224s atau sekitar 3,7 menit.
Gambar 7. Rangkaian pemicu tendangan
Gambar 8. Rangkaian pengosong tegangan capacitor bank

## 3. Pengujian dan Pembahasan

## 3.1 Pengujian Rangkaian Penaik Tegangan
Pengujian rangkaian DC to DC booster dilakukan dengan mengukur durasi waktu yang dibutuhkan dalam mengisi capacitor bank dari keadaan kosong atau 0V ke tegangan yang dituju. Pada pengujian ini, digunakan sebuah osiloskop sebagai alat ukur tegangan dan waktu  pengisian.    Hasil  pengujian  ditunjukkan  Tabel  1.  Berdasarkan  Tabel  1,  terlihat penurunan laju pengisian capacitor bank seiring dengan meningkatnya tegangan. Ini sesuai dengan persamaan pengisian kapasitor yang tegangannya  akan naik secara eksponensial.
Tabel 1. Hasil pengujian waktu pengisian capacitor bank Vawal(V) VC1(V) Waktu(s) 0 50V 0,201 0 100V 0,937 0 150V 2,390 0 200V 4,440 0 250V 8,440 0 300V 13,300 0 350V 22,700 0 400V 35,300
dari mikrokontroler solenoid VC1 SCR 2N2222 OP4N25 Vcc 12V 1k 10k 1k Dz 1N4742 VC1 IRF840 Vcc 2N2222 10k RC 470k RD 20k 1k

## 3.2 Pengujian Rangkaian Pembatas Tegangan
Pengujian dilakukan untuk  mencari selisih antara nilai tegangan V C1 yang dikehendaki (atau  dibatasi)  oleh  pengguna,  yaitu V ref (1 + R Y / R X )=46,5 V ref (Gambar  6),  dibandingkan dengan nilai V C1 yang benar-benar dicapai. Hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 2. Dari Tabel 2 terlihat bahwa ralat makin tinggi untuk tegangan yang makin besar. Namun tabel tersebut tetap bermanfaat bagi pengguna karena dapat memperkirakan berapa offset nilai V ref yang harus diberikan untuk mendapatkan batas tegangan V C1 yang dikehendaki.
Tabel 2. Hasil pengujian rangkaian pembatas tegangan V ref (1 + R Y / R X ) V C1 hasil pengukuran Ralat 50V 49,4V 1,2% 100V 98,5V 1,5% 150V 146,9V 2% 200V 195,3V 2,35% 250V 239V 4,4% 300V 283,5V 5,5% 350V 325V 7,14% 400V 367V 8,25%

## 3.3 Pengujian Laju Bola yang Ditendang
Pada bagian ini, akan diuji laju bola yang ditendang dengan nilai V C1 yang divariasikan, sehingga  ketergantungan  laju  bola  terhadap  nilai V C1 dapat  diperkirakan.  Alat  yang digunakan untuk menguji adalah sebuah mikrokontroler Arduino Nano dengan dua buah sensor infrared obstacle detection dengan menggunakan fungsi interrupt dari mikrokontroler tersebut.  Hasil  pengujian  ditampilkan  pada  Tabel  3.  Berdasarkan  pengujian  tersebut diketahui laju maksimal bola yang dapat dicapai adalah 10,04m/s. Dengan menggunakan V C1 sebesar 50V ternyata bola masih diam (laju 0m/s). Hal ini dikarenakan adanya gesekan antara plunger dengan cangkang solenoid.
Tabel 3. Hasil pengujian laju bola yang ditendang
V C1 v bola (m/s) 50V 0 100V 0,71 150V 2,23 200V 3,73 250V 4,97 300V 6,90 350V 8,65 400V 10,04

## 3.4 Pengujian Perulangan Tendangan dengan Selang Waktu 30 detik
Pada bagian ini dilakukan pengujian untuk mengetahui laju bola yang ditendang  oleh 10 kali tendangan dengan selang waktu antar tendangan 30s. Percobaan ini dimaksudkan untuk menguji apakah robot dapat menendang bola dengan baik setiap selang waktu 30s. Hasil pengujiannya ditunjukkan Tabel 4. Hasil pengujian menunjukkan laju rata-rata yang dihasilkan oleh mekanisme penendang bola pada saat melakukan tendangan berturutan adalah sebesar 9,77m/s.
Tabel 4. Hasil pengujian tendangan berturutan dengan selang waktu 30s Tendangan ke- V bola (m/s) 1 10,00 2 9,90 3 10,20 4 9,58 5 10,23 6 8,65 7 10,13 8 9,18 9 9,89 10 10,00 Rata-rata 9,77

## 3.5 Pengujian Rangkaian Pengosong Tegangan Capacitor Bank
Pada bagian ini dilakukan pengujian untuk menentukan nilai waktu yang dibutuhkan rangkaian pengosong tegangan capacitor bank untuk mengosongkan V C1 dari nilai awal r 400V ke nilai akhir 5V. Dalam pengujian ini digunakan sebuah stopwatch untuk mengukur waktu dan sebuah multimeter sebagai pengukur tegangan.  Hasil pengujian ditunjukkan Tabel 5. Berdasarkan hasil pengujian tersebut didapatkan waktu yang dibutuhkan untuk mengosongkan  tegangan capacitor  bank dari  400V  menjadi  5V  adalah  rata-rata  sebesar 224,7s, cukup dekat dengan perkiraan waktu yang telah dihitung pada bagian sebelumnya.
Tabel 5. Hasil pengujian waktu pengosongan tegangan capacitor bank VC1 Waktu(s) Rata-rata Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Percobaan 4 Percobaan 5 400V 0 0 0 0 0 0 350V 8,1 8,7 8,8 8,5 8,4 8,5 300V 14,9 16,2 15,6 15,3 15,4 15,48 250V 23,6 24 24 23,8 24 23,88 200V 33,6 34,1 34,3 33,9 34 33,98 150V 46,2 46,9 47,6 46,7 46,8 46,84 100V 64,8 65,9 66,1 65,5 65,5 65,56 50V 97,2 98 98,8 98,4 98,6 98,2 5V 224,5 224,8 226,5 224 223,6 224,68

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil realisasi dan pengujian alat  dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut ini.
1.  Rangkaian  penaik  tegangan  membutuhkan  waktu  sekitar  35,3s  untuk meningkatkan tegangan capacitor bank 2240µF dari 0V ke 400V.
2.  Alat dapat menendang bola berdiameter 20cm dan berat 400gr yang menghasilkan laju bola maksimal 10,04 m/s.
3.  Setelah  melakukan  tendangan,  dalam  selang  waktu  30s  alat  dapat  melakukan tendangan kembali dengan laju bola maksimal sekitar 9,77 m/s.
4.  Laju  bola  yang  ditendang  dapat  diatur  melalui  sebuah  potensiometer  dengan rentang 0m/s hingga 10,04m/s.
5.  Alat  dapat  mengosongkan  tegangan  pada capacitor  bank dari  400V  menjadi  5V dengan waktu sekitar 224,7s.
Yohanes Haryudanta D, F. Dalu Setiaji, Gunawan Dewantoro

## Daftar Pustaka
[1]  S.H.  Kasaei,  S.M.  Kasaei,  S.A.  Kasaei, “Design  and  Implementation  Solenoid  Based Kicking Mechanism for Soccer Robot Applied in Robocup- MSL,” Internasional Journal of Advance Robotics Systems, vol.7, no.44, h. 69-76, 2010.
[2]  I.K. Wibowo, M.B. Mochamad, T.U.A. Rizky, F.A. Rakhmat, A. Sholahuddin, P. Agung, M. Jauharul, T.R. Zanuar, “ Rancang Bangun Mekanik Penendang Bola Pada Robot Soccer Beroda Menggunakan Solenoid, ” The 4 th Indonesian Symposium on Robot Soccer Competition,
h. 17-21, 2016.
[3]  M.S.  Serafim, Ball  Handling  Mechanism  for  Mobile  Robots ,  Thesis,  Tecnico  Lisboa, Oktober 2013.
[4]  E.  Rogers ,  “Understanding  Boost  Power  Stages  in  Switchmode  Power  Supplies,” Application Report, Maret 1999.
[5]  Vishay Siliconix, IRFP460, SiHFP460 Power MOSFET , datasheet, Juli 2008
[6]  Texas Instruments, LM555 Timer, datasheets, Januari 2015.
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 1 April 2018 Hal 49 - 57