## PERANCANGAN AWAL DAN ANALISIS KINEMATIKA PURWARUPA MESIN JACRO
Muhammad Fadhilah Sudrajat 1) , Levin Halim 2)*
1,2 Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika, Fakultas Teknik Industri, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung

## ABSTRACT
Drilling is an activity of making vertical holes into the ground. Drilling can be done anywhere, for example, land, cliffs, caves and others. Drilling has a high risk of work, especially drilling in caves. With  the  high  risk  of  this  work,  a  prototype  was  made  to  see  the  movement  of  the  machine  in  a wireless  state. This prototype has several components needed, namely arduino uno, L298N motor driver, NRF24L01+, DC motor, stepper motor and ULN2003A module. This prototype was analyzed by  the  forward  kinematics  method.  This  prototype  has an  initial design  that  is  divided  into  three, namely track, rig and base. In the kinematics section, the diagram of a free body is determined in the direction  of  the  vector.  Then  after  the  direction  of  the  vector  is  determined,  the  DH  table  can  be determined. After that, the DH table can be used as input for MATLAB simulation.

## Keyword : Jacro Machine, Wireless, Kinematics
1. PENDAHULUAN
Tinjauan  pustaka  yang  telah  dilakukan  penulis digunakan  dalam  bab  "Pengantar"  untuk menjelaskan  perbedaan  naskah  dengan  surat- surat  lainnya,  bahwa  itu  adalah  inovatif,  itu digunakan dalam bab "Metode Penelitian" untuk menggambarkan langkah penelitian dan digunakan dalam bab "hasil dan Diskusi" untuk mendukung  analisis  hasil.  Jika  naskah  ditulis benar-benar  memiliki  orisinalitas  tinggi,  yang mengusulkan  metode  atau  algoritma  baru,  bab tambahan  setelah  "Pendahuluan"  bab  dan sebelum  "Metode  Penelitian"  bab  dapat ditambahkan  untuk  menjelaskan  secara  singkat teori  dan  /  atau  metode  yang  diusulkan  / algoritma.
Pengeboran merupakan sebuah kegiatan membuat  lubang  vertikal  ke  dalam  tanah  [1]. Pengeboran  dapat  dilakukan  di  mana  saja contohnya  tanah,  tebing,  gua  dan  lainnya. Pengeboran  memiliki  resiko  kerja  yang  tinggi, terlebih  lagi  pengeboran  di  dalam  gua  seperti yang ditunjukkan pada [2].
Dengan  tingginya  resiko  pekerjaan  tersebut, maka  diperlukan  mesin  bor Jacro atau drilling rig machine yang merupakan jenis man portable dan portable. Pada  tahun  1990  mesin  bor man portable dirancang  dengan  dimensi  yang  mini
dibuat dari bahan rangka allumunium alloy dan mesin  penggerak  kecil  dipadukan  dengan komponen mekanis manual. Konstruksi unit rig relatif ringan dapat dibongkar menjadi beberapa bagian sehingga dapat memudahkan pengoperasiannya  dan  mobilisasi  unit rig oleh beberapa  tenaga  manusia,  sehingga  mesin  bor jacro pada  tahun  1990  ini  hanya  mampu mengebor  sampai  kedalaman  maksimal  50 meter.  [3].  Salah  satu  mesin  jacro  yang  ada  di pasaran ditunjukkan oleh Gambar 1.
Gambar 1 Salah Satu Contoh Mesin Jacro [4]
Untuk  meminimalisir  kembali  resiko  pekerjaan pengeboran, pada penelitian ini, akan dirancang purwarupa  untuk  melihat  pergerakan  mesin jacro dalam keadaan wireless . Dengan purwarupa wireless ini  diharapkan  bahwa pergerakan  dapat  dilihat  sebelum  membuat mesin asli yang skalanya lebih besar.
Oleh  karena  dapat  melihat  pergerakan  mesin, purwarupa dapat menentukan bahwa mesin asli yang nantinya akan dibuat akan aman atau tidak. Wireless yang  dimaksud  adalah  purwarupa digerakkan menggunakan remote yang dihubungkan dengan
modul wireless
NRF24L01+.  Pada  perancangan  ini,  dilakukan simulasi  di  aplikasi  MATLAB  untuk  melihat perg-  erakan end-effector berdasarkan  sudut joint - joint nya.
Perlu  diketahui  bahwa  pembahasan  yang disajikan  pada  jurnal  ini  merupakan  rancangan awal yang difokuskan kepada rig, base, dan track kemudian  terdapat  analisis  kinematika  dari mesin  jacro. Pada titik akhir dari penelitian ini, purwarupa mesin jacro yang akan diimplementasi secara nyata akan memiliki fitur wireless dengan  memanfaatkan  NRF24L01+ dan Arduino Uno.

## 2. METODE PENELITIAN
Menjelaskan  kronologis  penelitian,  termasuk desain  penelitian,  prosedur  penelitian  (dalam bentuk  algoritma,  Pseudocode  atau  lainnya), bagaimana  untuk  menguji  dan  akuisisi  data. Deskripsi  dari  program  penelitian  harus didukung referensi, sehingga penjelasan tersebut dapat  diterima  secara  ilmiah.  Bagian  ini  akan menjelaskan  mengenai  tahapan  awal  dalam perancangan  desain  dan  kinematika  dari purwarupa  mesin  jacro.  Aplikasi  SolidWorks digunakan  untuk  merancang  desain  awal  dari mesin  jacro.  Aplikasi  MATLAB  digunakan untuk menyimulasikan dan dibandingkan dengan hasil hitungan.
Langkah  pengerjaan  dapat  dilihat  sebagai berikut:
1) Pertama, dilakukan studi literatur mengenai  sistem wireless .  Literatur dipelajari  berupa  jurnal  mengenai perancangan sistem NRF24L01+.
2) Kedua, dilakukan perancangan desain di perangkat lunak Solid- Works.
3) Ketiga,  dilakukan  perhitungan  manual tentang forward kinematics .
4) Keempat,  dilakukan  simulasi  pada MATLAB
Ilustrasi  dari  metodologi  penelitian digambarkan oleh diagram alir yang ditunjukkan pada
Gambar 2.

## Gambar 2 Diagram Alir Metodologi Penelitian

## 3. HASIL DAN ANALISA
3.1.  Sistem Keseluruhan dan Komponen
Faktor elektrik yang diperlukan untuk purwarupa  mesin  Jacro  tidak  terlalu  besar  akan tetapi  dipecah  menjadi  beberapa  bagian.  Untuk mengendalikan sebuah track diperlukan tegangan sebesar 12 V dengan  arus sebesar 1.5 A yang di- hubungkan ke sebuah driver L298N untuk  mengendalikan  track.  Untuk  meng- endalikan rig, mengangkat spindle dan memutar spindle  dengan  menggunakan  tegangan  sebesar 9V  dengan  arus  2A  sebanyak  3  buah  yang masing-masing  tersambung  ke  2  buah  driver ULN2003A dan L298N.
Studi Literatur Perancangan Desain Awal Perhitungan Forward Kinematics Simulasi
Gambar 3 Perancangan Awal Purwarupa Mesin Jacro
Dilihat dari Gambar 3, terdapat beberapa angka yang  menunjukkan  nama  dari  masing-masing komponen. Nomor 1 menunjuk pada komponen rig  yang  dipakai  dalam  purwarupa.  Pada komponen  rig,  terdapat  dua  aktuator,  dian- taranya adalah motor stepper yang dihubungkan dengan rack and pinion, dan motor DC sebagai spindle.  Nomor  2  menunjuk  pada  komponen base.  Pada  komponen  base,  terdapat  komponen lain  yaitu  rig.  Nomor  3  menunjuk  pada komponen track. Pada komponen track, terdapat panel  yang  menghubungkan  antara  track  dan base, yaitu panel track. Pada panel track terdapat mikrokon- troler yang digunakan yaitu Arduino mega.  Komponen  track  berfungsi  sebagai penggerak purwarupa.
Seperti yang terlihat, adapun beberapa komponen utama yang diperlukan agar purwarupa  mesin  jacro  dapat  berjalan  secara wireless menggunakan remote, antara lain:
1) Arduino Uno
2) Driver Motor L298N
3) NRF24L01+
4) Motor DC
5) Motor Stepper
6) Joystick
Gambar 4 memperlihatkan motor driver L298N. Motor driver L298N meru- pakan sebuah driver motor  yang  mampu  mengatur  kecepatan  dan arah putar dari sebuah motor listrik.

## Gambar 4 Foto L298N
L298N dapat  digunakan  dengan  tegangan  yang sama  besar  dengan  motor  DC  yaitu  5-35V. L298N  memiliki  sebuah  regu-  lator  sebesar  5V yang  berfungsi  untuk  meneruskan  berapapun tegangan  yang  masuk  didalamnya.  Tegangan yang  masuk  akan  diteruskan  hanya  sebesar  5V [3].  L298N  merupakan  sebuah  rangkaian H- Bridge ,  yaitu  rangkaian  listrik  yang  dapat meneruskan  tegangan  untuk  diaplikasikan disepanjang  muatan  di  semua  arah. H-Bridge sering kali digunakan dalam bidang robotik dan di  berbagai  bidang  yang  memungkinan  motor DC  dapat  berputar  secara clock  wise maupun counter  clock  wise .  Rangkaian H-Bridge dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5 H-bridge
Operasi dari H-bridge itu sendiri dijelaskan oleh Tabel 1 di bawah ini.
Tabel 1 Operasi H-Bridge
Cara  kerja  dari  L298N  sendiri  yaitu  dengan menerapkan  rangkaian H-Bridge seperti  pada Gambar 3. Ketika  S1 dan  S4 bernilai high atau dalam keadaan normally close , maka arus listrik dapat  mengalir  melewati  M,  sehingga  M  dapat berputar  ke  arah clockwise .  Ketika  S2  dan  S3 bernilai high atau dalam keadaan normaly close , arus  listrik  masih  dapat  mengalir  melewati  M, sehingga  M  dapat  berputar  ke  arah counter clockwise . M tidak akan berputar jika S1, S2, S3 dan  S4  bernilai LOW atau  dalam  keadaan normally  open dan  ketika  S1,  s2,  S3,  dan  s4 dalam  keadaan HIGH .  H-bridge  juga  dapat mengalami short circuit apabila dalam keadaan S3 dan S4 bernilai HIGH atau S1 dan S2 bernilai high ,  karena  tidak  ada  hambatan  ketika  arus mengalir  ke  dalam  rangkaian.  Kecepatan  dapat dikendalikan  dengan  menggunakan  pin  ENA dan ENB.
Selain  pergerakan  motor  untuk  menggerakan bagian track atau  roda  dari  purwarupa, diperlukan  pula  NRF24l01+  yang  merupakan sebuah  modul  komunikasi  jarak  jauh  yang bekerja pada gelombang RF 2,4-2,5 GHz. Modul NRF24L01  menggunakan Serial  Peripheral Interface (SPI) untuk berkomunikasi. [5]
Sebagai  aktuator  penggerak  spindle , dipakai motor  DC.  Motor  DC  yang  merupakan  suatu aktuator yang memerlukan sumber listrik searah atau  DC  yang  nantinya  akan  menghasilkan keluaran  berupa  energi  mekanik  atau  lebih tepatnya  adalah  putaran.  [6]  Kumparan  medan pada motor DC disebut stator (bagian yang tidak berputar)  dan  kumparan  jangkar  disebut  rotor
(bagian  yang  berputar).  Motor  DC  yang  akan digunakan diperlihatkan oleh Gambar 6

## Gambar 6 Motor DC
Motor  Stepper  digunakan  untuk  menggerakan track . Gambar 7 memperlihatkan motor stepper . Motor stepper merupakan  motor  listrik  yang dikendalikan oleh pulsa-pulsa periodik.
Gambar 7 Motor Stepper
Deretan  pulsa  akan  diterjemahkan  menjadi putaran shaft dimana setiap putaran membutuhkan  jumlah  pulsa  yang  di-  tentukan. Satu  pulsa  menghasilkan  satu  kenaikan  putaran atau step yang  merupakan  bagian  dari  satu putaran  penuh.  Pada  umumnya  jenis  motor stepper dibedakan  menjadi  dua  jenis  yaitu unipolar dan bipolar .
1) Motor Stepper Unipolar: Motor stepper unipolar meru-  pakan  jenis  motor stepper  yang  paling  mudah  untuk dikenda- likan karena hanya memerlukan  1 switch /transistor  dalam tiap  lilitannya.  Motor  dijalankan  dan dihentikan  dengan  menerima  pulsa- pulsa  digital  1  dan  0.  Sementara terminal lainya dicatu dengan tegangan positif konstan pada bagian tengah dari lilitan.
2) Motor  Stepper  Bipolar: Motor stepper bipolar dan unipolar memiliki perbedaan,  yang  membedakan  motor step-  per  bipolar dengan unipolar
adalah  jumlah input atau wiring -  nya. Motor stepper bipolar hanya memiliki 4
buah input , tetapi cara mengendalikannya lebih rumit dibanding dengan motor stepper unipolar .  Untuk  mengontrol stepper bipolar ,  diperlukan  sinyal  digital  yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya  pada  setiap  lilitannya.  Hal ini  bertujuan  untuk  menghasilkan fluktuasi  magnetik  yang  berubah-ubah sehingga  rotor  dapat  berputar  sesuai sudut step -nya.
Untuk pergerakan dari motor stepper, digunakan modul ULN2003A. Gambar  8  memperlihatkan komponen modul ULN2003A.

## Gambar 8 Modul ULN2003A
ULN2003A  merupakan  modul  atau driver termudah  untuk  menggerakan  motor stepper yang memiliki arus kecil. ULN2003A memiliki 7  buah  transistor  darlington  di-  dalamnya, ULN2003A juga dapat melewatkan arus sebesar 500mA  pada  tiap channel -nya  dan  memiliki interval tegangan drop sekitar 1V saat menyala. [7]
Komponen  lainnya  adalah joystick .  Joystick dipakai  sebagai  arahan  untuk  mengendalikan purwarupa. Gambar 9 memperlihatkan joystick . Joystick adalah  alat  masukan  komputer  yang berwujud tuas atau tongka yang dapat bergerak ke segala arah [8].
Joysitck memiliki 2 sumbu arah yaitu sumbu X dan  sumbu  Y.  Sumbu  X  dan  Y  merupakan sebuah resistor  variable seperti  potensiometer, dimana nilainya dapat diubah dengan
menggerakkan  tuas  yang  ada  pada joy-  stick HW-504.  Dalam  pembuatan  purwarupa  ini, sumbu yang digunakan hanya 1 karena berfungsi untuk memutar sebuah motor ke arah clockwise dan counter  clockwise . Joystick memi-  liki  5 buah  pin,  pin  +5V  digunakan  untuk  memberi tegangan ke joystick yang dapat bersumber dari Arduino  pada  pin  +5V.  Lalu  pin  GND  dapan dihubungkan pada pin GND pada Ar- duino. Pin VRx  digunakan  untuk  mengubah  nilai joystick pada  sumbu  X  sedangkan  pin  VRy  digunakan untuk  mengubah  nilai joystick pada  sumbu  Y kedua  pin  tersebut  dapat  dihubungkan  ke  pin analog pada Arduino. SW merupakan sebuah pin yang  terhubung  ke  sebuah switch  button yang ada dalam joystick .

## Gambar 9 Joystick

## 3.2.  Perancangan Awal Desain Purwarupa
Gambar  10  merupakan  rancangan  akhir  dari model  purwarupa  mesin  Jacro.  Rancangan  ini menggunakan  bahan  dasar  polyvinyl  chloride (PVC).  Kompo-  nen  yang  menggunakan  PVC diantaranya  adalah  rig  dan  base.  Base dihubungkan  dengan  panel  track  menggunakan spacer  dan  dikencangkan  meng-  gunakan  mur. Perancangan  purwarupa  ini  berdimensi  200mm x 175mm x 323 mm.

## Gambar 10 Rancangan Desain Purwarupa
Hasil perancangan awal ketika kondisi extended dengan total dimensi desain 200mm x 140mm x 428mm diperlihatkan oleh Gambar 11.
Gambar 11 Rancangan Desain Purwarupa (extended)
Hasil  perancangan  awal  ketika  kondisi rest dengan total dimensi desain 200mm x140mm x 264mm  diperlihatkan  oleh  Gambar  12.Gambar 11
Gambar 12 Rancangan Desain Purwarupa (rest)
Adapun hasil perancangan desain dari beberapa bagian  utama  dari,  antara  lain rig . Rig merupakan suatu bagian dimana menjadi bagian yang penting dalam mesin jacro. Rig digunakan untuk  menempelkan  pipa  bor (drill  pipe). Contoh rig pada  mesin  jacro  diperlihatkan Gambar 13. Sedangkan  hasil perancangan awal desain rig diperlihatkan  oleh  Gambar  14  dan Gambar 15.
Gambar 13 Contoh Rig
Gambar 14 Perancangan Awal Rig Bagian 1
Gambar 15 Perancangan Awal Rig Bagian 2
Hasil  perancangan  awal rig bagian  1  ini memiliki  dimensi  sebesar  230mm  ×  55mm  × 55mm.  Bagian  ini  diperlukan  untuk  menopang rig bagian 2 pada Gambar 10. Dimana rig bagian 2  memiliki  dimensi  sebesar  150mm  × 45mm  × 10mm.
Selain itu, adapun hasil perancangan awal desain dari beberapa bagian utama lainnya, yaitu base . Hasil perancangan awal desain base diperlihatkan oleh Gambar 16.

## Gambar 16 Perancangan Awal Base
Base memiliki  dimensi  sebesar  200mm  × 140mm × 20mm. Base digunakan untuk menem-
patkan rig dan komponen-komponen yang akan digunakan,  sehingga  base  menjadi  penopang dalam purwarupa ini.
Hasil  perancangan  awal  desain  dari  beberapa bagian  utama  lainnya,  yaitu track . Track merupakan  alat  penggerak  sebuah  kendaraan dimana  ada  ikatan-ikatan  menapak  terus menerus  yang  digerakkan  oleh  dua  atau  lebih roda. Contoh rig pada mesin jacro diperlihatkan Gambar 17.

## Gambar 17 Contoh Track
Perancangan  awal track dapat  dilihat  pada Gambar  18  dan  Gambar  19.  Dimana  pada gambar tersebut terdapat gambar per-bagian dan gambar yang sudah di rakit. Dilihat dari Gambar 18,  gambar  tersebut  merupakan  gambar  dari satuan track sebelum  dihubungkan.  Sedangkan Gambar  19  merupakan  gambar  dari  keselurah track yang sudah di rakit.
Gambar 18 Hasil Perancangan Awal
Gambar 19 Hasil Perancangan Awal Track dan

## Base

## 3.3. Kinematika
Dalam  perhitungan  kinematika,  dilakukan penggambaran  diagram  benda  bebas  (DBB) pada  rig.  Perhitungan  ini  dapat  dilihat  pada Gambar 20.
Gambar 20 DBB Kinematika Rig
Berdasarkan DBB yang telah digambarkan pada Gambar  20,  didapatkan  tabel  DH  seperti  yang diperlihatkan oleh Tabel 2
Tabel 2 Tabel DH
Berdasarkan  Tabel  DH  yang  diperlihatkan  oleh Tabel 2, kemudian didapatkan matriks homogeneous.  Dari  Tabel  2  juga  dapat dimasukkan  ke  dalam  simulasi  pada  perangkat lunak MATLAB. Hasil dari tabel tersebut dapat melihat  pergerakan  seperti  pada  hasil  simulasi yang diperlihatkan oleh Gambar 21, Gambar 22, dan Gambar 23 untuk posisi default, extend, dan rest secara berurutan
Gambar 21 Hasil Simulasi MATLAB pada
Posisi Default
Gambar 22 Hasil Simulasi MATLAB pada Posisi Extend
Gambar 23 Hasil Simulasi MATLAB pada Posisi Rest

## 4. KESIMPULAN
Dalam  pembuatan  desain  awal,  dihasilkan perancangan rig bagian  1, rig  bagian  2 , track , desain  pada  posisi default ,  desain  pada  posisi extend dan  desain  pada  posisi rest .  Pada  hasil sim-  ulasi  kinematika  pada  aplikasi  MATLAB, pertama  dilakukan  penentuan  arah  vektor. Kedua  tabel  DH  dapat  ditentukan  jika  arah vektor  sudah  didapatkan.  Hasil  tabel  DH  dapat menjadi input untuk  melakukan  simulasi  pada MATLAB

## DAFTAR PUSTAKA

## A. Septiano And T. Ghozali, “Nrf 24l01 Sebagai
Pemancar/Penerima Untuk Wireless Sensor  Netwok,” J.  Tekno  (Civil Engineeering,  Elektr.  Engineeering  Ind. Engineeering) ,  Vol.  17,  No.  April,  Pp. 26–34, 2020. Kaimudin, Alpiana, And Rahmawati, “Mekanisme  Pemboran  Air  Tanah  Di Desa  Kerandangan  Kecamatan  Batu Layar  Kabupaten  Lombok  Barat  Nusa
Tenggara Barat,” Vol. 24, No. 1, 2020.
M.  Raut,  G.  Shete,  V.  Shinde,  And  A.
Suryawanshi,  “Automatic  Mini  Cnc Machine  For  Pcb  Drawing  Using Arduino,” Int. Res. J. Eng. Technol. , Vol.
6, No. 6, Pp. 310–313, 2019.
R.  Karim  And  R.  Djangu,  “Studi  Produktivitas Kinerja  Alat  Bor  Pada  Pengeboran Eksplorasi  Endapan  Emas  Pt.Tri  Usaha
Baru  Di  Loloda  Utara  Kabupaten
Halmahera  Barat,” Dintek ,  Vol.  14,  No. 1, Pp. 67–71, 2021.
Royan  And  L.  A,  “Aplikasi  Motor  Dc-Shunt
Untuk Laboratory Shaker Menggunakan Metode  Pwm  (Pulse  Widthmodulation  ) Berbasis  Mikrokontroler  Atmega  32,” Amedia Elektr. , Vol. 8, No. 1, Pp. 32–50, 2015, [Online]. Available: Http://Repository.Unimus.Ac.Id/2905/. R. K. Perdana, “Sistem Kendali Solenoid Valve Dengan  Kontrol  Joystick  Pada  Robot Manual Pengangkatdan Pemindah
Barang,”  Politeknik  Negeri  Sriwijaya,
2014.