Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## RANCANG BANGUN MODUL UKUR TEKANAN PIJAK TELAPAK KAKI ROBOT HUMANOID
Maulana Aziz Assuja 1 , Septina Nainggolan 2 , Saniati 3 1,2,3,4 Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, Universitas Teknokrat Indonesia JL.ZA. Pagar Alam No.9-11, Labuhan Ratu, Bandar Lampung, Indonesia 35312
1 aziz.maulana.assuja@gmail.com , 2 septinanainggolan17@gmail.com ,
3 saniati@teknokrat.ac.id

## Abstract
Maintaining  balance  for  humanoid  robots  is  one  of  the  core  problems  to  be  solved. Krakatau FC as a humanoid-type robot performs balancing based on error information obtained from the IMU sensor. Information from the IMU alone is considered inadequate because it ignores the contours of the robot's stepping area which greatly influences the actions that must be taken to maintain balance. The focus of this research is to create a foot pressure measurement module that is compatible with the Dynamixel communication protocol. The sensor used to measure pressure is a Force Sensitive Resistor (FSR) sensor. The test results show the module's ability to measure the pressure exerted by the robot's legs  and  communicate  with  the  robot's  main  controller  using  the  Dynamixel  protocol. From the test, it is also known that the modules made can help the robot's mechanical calibration process based on the comparison of the pressure between the right and left soles of the feet.
Keywords : Balancing, Humanoid Robot, Palm Pressure, Krakatau FC

## Abstrak
Menjaga keseimbangan untuk robot humanoid adalah salah satu masalah inti yang harus diselesaikan. Krakatau FC sebagai robot bertipe humanoid melakukan penyeimbangan berdasarkan  informasi  kesalahan  yang  diperoleh  dari  sensor  IMU.  Informasi  dari  IMU sendiri  dinilai  kurang  memadai  karena  mengabaikan  kontur  area  pijakan  robot  yang sangat  mempengaruhi  tindakan  yang  harus  dilakukan  untuk  menjaga  keseimbangan. Fokus penelitian ini adalah membuat modul pengukuran tekanan kaki yang kompatibel dengan  protokol  komunikasi  Dynamixel.  Sensor  yang  digunakan  untuk  mengukur tekanan  adalah  sensor  Force  Sensitive  Resistor  (FSR).  Hasil  pengujian  menunjukkan kemampuan  modul  dalam  mengukur  tekanan  yang  diberikan  oleh  kaki  robot  dan berkomunikasi dengan pengendali utama robot menggunakan protokol Dynamixel. Dari pengujian juga diketahui bahwa modul yang dibuat dapat membantu proses kalibrasi mekanik robot berdasarkan perbandingan tekanan antara telapak kaki kanan dan kiri.
Kata kunci : Balancing, Humanoid Robot, Palm Pressure, Krakatau FC

## 1. PENDAHULUAN
Salah satu tantangan terbesar pada robot humanoid adalah bentuk permukaan pijak yang tidak selalu rata. Area pijak bisa saja berupa area dengan kecondongan tertentu, area dengan perbedaan ketinggian (pada kedua sisi telapak kaki robot), area yang tidak stabil (pijakan  akan  bergerak  secara  vertikal  bila  diberi  beban)  atau  kombinasi dari  beberapa
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829
kondisi tersebut. Disisi lain Robot dituntut untuk dapat beroperasi dengan baik pada segala kondisi tersebut serta dapat menyelesaikan misinya.
Krakatau  FC  sebagai  sebuah  robot  dengan  platform humanoid menganut  prinsip inverted  pendulum  [1]  dengan  zona  aman  yang  menjaga  keseimbangan  robot  dengan memodifikasi sudut pada sendi tertentu. Koreksi galat didapat dengan memanfaatkan IMU sensor  berupa accelorometer dan gyrometer untuk  mengukur  kecondongan  absolut  dan besar gaya angular pada periode tertentu ( time window ). Seperti pada riset Mustofa [2] dan Bukhori  [3]  yang  melakukan  pengaturan  keseimbangan  robot  pada  lahan  miring berdasarkan informasi sudut yang di hitung dari nilai gyroscope . Penggunaan kedua sensor tersebut efektif untuk menangani gangguan eksternal  pada robot (robot dengan sengaja diberikan gaya dari berbagai sisi) jika area pijak dimana robot berdiri relatif rata. Sementara itu pada lapangan yang kurang ideal, efektifitasnya akan menurun drastis. Penurunan ini terjadi karena ketiadaan umpan balik yang diperlukan untuk mengetahui seberapa besar tekanan yang diterima pada bagian-bagian telapak kaki tertentu. Ketiadaan informasi  tersebut  membuat  sistem  kendali  akan  terus  beranggapan  koreksi  yang  telah dilakukan  berdasarkan  IMU  sudah  tepat,  meskipun  kenyataan  nya  tidak  terjadi  proses stabilisasi yang tepat dikarenakan adanya gangguan dari area pijak. Dalam penelitian Al- Faisali [4], informasi tekanan telapak kaki didapat dengan memanfaatkan Force Sensitive Sensor  (FSR).  Penelitian  Al-Faisali  terbatas  pada  platform  robot humanoid Manoi  AT01. Pendekatan lainya dilakukan oleh Gomez [5] yang memanfaatkan hall effect sensor untuk mendeteksi adanya tekanan. Sementara itu, Arifin [6] mencoba mengatasi masalah tersebut pada robot humanoid pada Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) dengan meletakkan load cell pada telapak kaki robot untuk menghitung pusat tekanan dan mengkompensasikan nya untuk menjaga keseimbangan robot.
Berdasarkan permasalahan diatas, penelitian ini dimaksudkan untuk menyediakan modul sensor pengukur tekanan kaki yang kompatibel dengan protokol komunikasi pada robot humanoid Krakatau FC.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN
Sebagai sebuah sub-sistem yang menjadi pendukung robot Krakatau FC, modul ukur ini dirancang bersifat plug-in yang keberadaan nya bisa di pasangkan dengan skema daisy chain teknologi  servo  Dynamixel.  Kompatibelitas  ini  harus  terjadi  baik  secara  elektrikal ( wiring ,  rentang  tegangan  dan  arus)  maupun software (jenis  dan  protokol  komunikasi). Dalam gambar 1. dijelaskan skema hubungan modul ukur tekanan dengan bagian-bagian dari sistem yang telah ada di platform robot Humanoid Krakatau FC.
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## Gambar 1 Skema Interkoneksi komponen dalam Robot Krakatau FC

## 2.1. Desain Telapak Kaki Robot
Modul  ini  dirancang  menggunakan  dua  buah  sensor Force  Sensitive  Resistor (FSR) untuk setiap telapak  kaki dengan tujuan utama mengukur tekanan kaki pada sudut angguk ( tilting ).  Sudut  angguk  dipilih  sebagai  sudut  koreksi  dikarenakan  resiko  gangguan keseimbangan yang lebih dominan. Gambar 2. dan 3. memperlihatkan penempatan kedua buah sensor FSR. Sensor sensor tersebut diletakkan diantara dua buah plat metal dimana satu  plat  terhubung  dengan  sendi  pergelangan  kaki  dan  plat  lainnya  merupakan  bagian yang  akan  bersentuhan  dengan  area  pijak.  Diantara  dua  plat  diberikan  busa  berbahan polyethylene  yang  berfungsi  layaknya shock absorber sekaligus  pelindung  sensor  dari tekanan berlebihan yang mungkin diterima.
Gambar 2. Rancangan Penempatan Sensor FSR
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## Gambar 3 Rancangan Telapak Kaki Beserta Rangka Bagian Pergelangan Kaki
Kedua buah sensor FSR diletakkan tepat pada ujung depan dan belakang garis tengah titik tumpu utama pada setiap kaki. Dengan penempatan sensor tersebut, galat robot baik pada fase single stance dan double stance bisa didapatkan dengan menghitung perbedaan tekanan berdasarkan nilai yang diberikan oleh sensor-sensor yang ada.

## 2.2. Rangkaian Skema Modul
Modul ukur tekanan telapak menggunakan dua buah Sensor FSR bertipe DF9-40 [7] yang  mampu  mengukur  tekanan  sampai  dengan  20  KGF.  Dikarenakan  sifat  FSR  yang mengembalikan nilai tekanan dalam bentuk perubahan resistance , maka pembacaan sensor dirancang menggunakan konsep rangkaian pembagian tegangan yang dihubungkan dengan Analog  to  Digital Converter  (ADC) mikrokontroller.  Rangkaian  pembagi  tegangan  terdiri dari satu buah resistor tetap bernilai 10K Ohm, FSR sebagai varying resistor dan catu daya 5V sesuai dengan tegangan kerja mikrokontroller.

## Gambar 4 Skematik Rangkaian ADC FSR
Model komunikasi daisy chain robot humanoid Krakatau FC mengadopsi model yang dikembangkan oleh Robotis pada teknologi servo Dynamixel. Model tersebut menggunakan 3  kabel  dimana  2  diantaranya  digunakan  sebagai  saluran  daya  ( ground dan positif )  dan sisanya  sebagai  saluran  data  dengan  skema  komunikasi half  duplex pada  rentang tenggangan TTL.
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1. Purwarupa dan Rencana Pengujian
Hasil rancang bangun modul diperlihatkan dalam bentuk purwarupa seperti gambar 5 dan 6. Selanjutnya pengujian akan dilaksanakan dengan mengintegrasikan modul pada kaki  robot.  Dua  hal  yang  menjadi  fokus  utama  pengujian  adalah  pengukuran  tekanan telapak  pada  beberapa  kondisi  robot  serta  pengujian  komunikasi  menggunakan toolkit standar Dynamixel yang disediakan oleh Robotis.

## Gambar 5 Purwarupa Modul
Gambar 6 Implementasi Purwarupa pada Robot Krakatau FC

## 3.2. Uji Pengukuran
Tahap uji pengukuran dibutuhkan untuk melihat nilai/besaran yang dihasilkan oleh sensor  dan  nilai/besaran  yang  diterima  oleh  ADC  mikrokontroler.  Pengujian  ini  penting untuk  melihat  seberapa sensitive  sensor terhadap  perubahan-perubahan  tekanan  yang diberikan. Dalam tahap pengujian ini, modul akan diuji dengan beberapa posisi robot baik dalam keadaan diam maupun bergerak.
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## 3.2.1. Pengujian Kondisi Robot Berdiri
Pengujian terhadap tekanan kaki robot yang dilakukan dengan posisi robot berdiri. Hasil pengujian tekanaan kaki robot dapat dilihat pada Gambar 7.

## Gambar 7 Grafik Pengujian Modul pada Kondisi Robot Berdiri
Berdasarkan dari gambar 6 dapat dilihat bahwa kaki kanan dan kaki kiri memiliki perbedaan ( error ) nilai resistansi. Di mana antara sensor FSR1 dan FSR3 memiliki error < 5% dan FSR2 dan FSR4 sebesar <14%. Hal ini dikarenakan berdirinya robot tidak seimbang antara  kaki  kanan  dan  kaki  kiri  sehingga  tekanan  kaki  kanan  lebih  besar  dari  kaki  kiri. Informasi ini berguna dalam tahap kalibrasi posisi awal robot sehingga dapat menghindari kelebihan  tekanan  terhadap  salah  satu  bagian  robot  dikarenakan  kekurangan  dalam pengaturan offset atau error pada mekanis robot.

## 3.2.2. Pengujian Posisi Robot Berdiri Condong Ke Kanan
Pengujian terhadap tekanan kaki robot yang dilakukan oleh peneliti dengan posisi robot berdiri condong kanan. Gambar 8 merupakan hasil pengujian tekanaan kaki robot dalam waktu detik ke 2.

## Gambar 8 Grafik Pengujian Modul pada Kondisi Robot Berdiri Condong ke Kanan
Dari pengujian ini kemudian dihasilkan plot grafik dari keluaran resintansi tekanan kaki robot. Berdasarkan pengujian tersebut tekanan kaki kanan lebih besar dibandingkan kaki sebelah kiri.
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## 3.2.3. Pengujian Posisi Berdiri Condong Ke Kiri
Pengujian terhadap tekanan kaki robot yang dilakukan oleh peneliti dengan posisi robot berdiri condong kiri. Gambar 9 merupakan hasil pengujian tekanaan kaki robot dalam waktu satu detik.

## Gambar 9 Grafik Pengujian Modul pada Kondisi Robot Berdiri Condong ke Kiri
Dari pengujian ini kemudian dihasilkan plot grafik dari keluaran resintansi tekanan kaki robot. Berdasarkan pengujian tersebut tekanan kaki kanan lebih besar dibandingkan kaki sebelah kiri.

## 3.2.4. Percobaan Kondisi Robot Jalan Ditempat
Pengujian  terhadap  tekanan  kaki  robot  yang  dilakukan  oleh  peneliti  dengan menggunakan robot ketika robot jalan ditempat disajikan pada Gambar 10. Pengujian ini selain untuk mengukur besarnya tekanan, juga bertujuan untuk melihat kemampuan modul untuk  memberikan  respon  penilaian  terhadap  kondisi  yang  terus  berubah  ubah. Kemampuan  ini  penting  untuk  menciptakan  robot  yang  dapat  memperbaiki  posisi tubuhnya guna mempertahankan posisi stabil.

## Gambar 10 Grafik Pengujian Modul Pada Kondisi Robot Berjalan Ditempat
Berdasarkan  pengujian  tersebut  besar  nilai  resistansi  kaki  kanan  rata-rata  yang terukur adalah  berkisaran  260,45  kΩ  sedangkan  kaki  kiri  terukur  rata -rata  adalah berkisaran 319,34 kΩ4. Hal ini membuktikan bahwa pada robot digunakan sebagai sarana uji, terdapat tekanan berlebihan yang relatif konstan pada kaki kanan.
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## 3.3. Pengujian Komunikasi

## 3.3.1. Intruksi Paket Ping
Pada pengujian intruksi ping (0x01), pengujian ini bertujuan untuk memastikan ada atau tidaknya device. Intruksi ping akan mengembalikan berupa paket status.

## Gambar 11. Hasil Pengujian Standar Komunikasi Ping dengan Protocol Dynamixel

## 3.3.2. Intruksi Paket Read
Pengujian instruksi read (0x02) bertujuan untuk membaca nilai output sensor FSR data pada control table Dynamixel dengan address 26.
Gambar 12 Hasil pengujian standar komunikasi Read dengan protocol Dynamixel
Jurnal Teknik dan Sistem Komputer (JTIKOM)
Volume 4 No. 1, 2023
E-ISSN: 2723-6382 P-ISSN: 2986-1829

## 4. KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan hasil analisis dan pengujian setiap bagian dan keseluruhan sistem yang telah dilakukan, maka dapat dilambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Modul yang diusulkan dapat bekerja dengan baik jika dilihat dari kemampuan ukur dan kompatibelitas dengan protokol Dynamixel  yang dianut oleh  Robot Humanoid Krakatau FC.
2. Modul  dapat  memberikan  informasi  kecenderungan  tekanan  yang  diterima  oleh masing-masing kaki baik dalam keadaan diam maupun bergerak.
3. Modul  dapat memberikan  informasi  tekanan  yang  bersifat real  time sehingga  bisa mendukung kebutuhan respon penyeimbangan tubuh robot.
Adapun  saran  yang  dapat  digunakan  sebagai  bahan  pertimbangan  bagi  peneliti selanjutnya yaitu penggunaan sensor yang lebih banyak untuk dapat memberikan informasi yang  lebih  akurat  terkait  tekanan  pada  telapak  kaki  sehingga  memungkinkan  antisipasi yang lebih baik dalam pengendalian keseimbangan robot.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Dekker, M.H.P., 2009. Zero-Moment Point Method for Stable Biped Walking . Eindhoven University of Technology, pp.62.
[2] Mustofa, M.F., 2016. Sistem Pengaturan Keseimbangan Robot Humanoid Untuk Berdiri Dan Berjalan Pada Bidang Miring . Undergraduate thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
[3] Bukhori,  M.L.,  2018, Kendali  Keseimbangan  Robot  Humanoid  Soccer  Menggunakan Sensor Gyro , Skripsi, Universitas Dian Nuswantoro Semarang.
[4] Al-Faisali,  N.,  2014. An  Open  Source  Platform  For  Controlling  The  Manoi  AT01 Humanoid Robot And Estimating Its Center Of Mass, Doctoral dissertation, University of Dayton.
[5] Gomez,  S.O.C.,  2014. Sensing  With  A  3-Toe  Foot  For  A  Mini-Biped  Robot .  Magister Thesis, Northeastern University.
[6] Arifin,  M.,  Purwanto,  D.,  Muhtadin,  M.,  and  Nurrochman,  A.M,  2017. Implementasi Pusat Tekanan (CoP) Untuk Kontrol Keseimbangan Postur Pada Robot Humanoid . The
5th Indonesian Symposium on Robotic Systems and Control. pp. 203 – 207