## Perancangan Penendang Bola pada Robot Beroda dengan Kelajuan Bola yang Dapat Diatur Menggunakan PWM
Andika Sukma Deryawan 1 , Fransiscus Dalu Setiaji 2 , Daniel Santoso 3
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
1 andikasukma3@gmail.com, 2 dalu.setiaji@staff.uksw.edu,
3 daniel.santoso@staff.uksw.edu

## Ringkasan
Dalam pertandingan sepakbola di mana pesertanya merupakan robot-robot beroda, dua tim saling  mencari  kemenangan  berdasarkan  jumlah  gol  terbanyak.  Pada  saat  pertandingan berlangsung, keduanya saling berebut bola untuk menendang bola ke gawang lawan. Karena posisi  robot  terhadap  gawang  lawan  tidak  tetap,  maka  diperlukan  sistem  penendang  bola yang dapat mengendalikan kekuatan tendang atau kelajuan awal bola saat ditendang. Pada makalah  ini,  diusulkan  sebuah  sistem  penendang  bola  yang  kekuatan  tendangnya  dapat divariasikan  menggunakan  PWM  ( Pulse  Width  Modulation ).  Sistem  penendang  bola  ini menggunakan catu daya baterai. Energi dari baterai disimpan pada kapasitor yang nantinya digunakan untuk mencatu sebuah solenoida. Dengan mengatur nilai daur aktif ( duty cycle ) pulsa PWM dari 68,62% sampai 100%, maka sistem dapat menendang bola bermassa 0,4kg dengan kelajuan awal bervariasi antara 1,61m/s sampai 13,84m/s.
Kata Kunci: robot sepak bola, penendang, kelajuan, bervariasi, PWM

## 1. Pendahuluan
Banyak  kompetisi  robot  yang  diadakan  secara  rutin  di  Indonesia.  Salah  satu  di antaranya adalah KRI (Kontes Robot Indonesia) yang merupakan wadah bagi perguruan tinggi untuk menunjukkan teknologi robot terbaik yang dimiliki. Kelompok riset Robotic Research Center (R2C) dari Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana (FTEK UKSW) juga ikut berpartisipasi dalam kontes tersebut.
Pada  tahun  2017  dibentuk  cabang  baru  dalam  KRI  yaitu  Kontes  Robot  Sepak  Bola Indonesia  (KRSBI).  Cabang  ini  mempertandingkan  dua  tim  robot  beroda  yang  bermain sepak  bola.  Terdapat  maksimal  tiga  robot  dalam  setiap  tim  dan  penentuan  pemenang didasarkan atas jumlah gol terbanyak [1].
Gol  terjadi  saat  robot  berhasil  menendang  bola  dan  memasukkannya  ke  gawang lawan.  Dalam  pertandingan,  robot  tidak  mengetahui  dengan  pasti  kapan  akan mendapatkan  bola  yang  siap  ditendang.  Jika  robot  memiliki  kemampuan  untuk memvariasikan kekuatan tendangan bola atau kelajuan awal bola, maka robot akan dapat membuat gol dari berbagai posisi di lapangan sehingga lebih berpeluang memenangkan pertandingan.

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 17 No. 2 Oktober 2018 Hal 100 - 108
Makalah ini merupakan pengembangan dari [2] dimana pada makalah itu pengaturan kekuatan  tendang  dilakukan  secara  manual  sebelum  lomba,  menggunakan  sebuah potensiometer.  Karena  posisi  robot  berubah-ubah  sepanjang  pertandingan  maka pengaturan  manual  tersebut  kurang  efektif.  Pada  makalah  ini  diusulkan  pengaturan menggunakan  sinyal  PWM  ( Pulse  Width  Modulation ) yang  dapat  dihasilkan  oleh mikrokontoler  atau  prosesor  lain  yang  nantinya  akan  mendapatkan  masukan  tentang posisi robot dari sensor tertentu seperti kamera. Dengan demikian setiap saat posisi robot dapat  diprediksi  dan  kekuatan  tendang  dapat  disesuaikan  secara  otomatis  dengan mengatur nilai daur aktif ( duty cycle ) sinyal PWM.

## 2. Perancangan
Sistem penendang bola pada makalah ini menggunakan sebuah solenoida yang diberi tegangan tinggi untuk menghasilkan arus besar. Arus tersebut akan menghasilkan  medan magnet yang dapat mendorong suatu besi plunger yang selanjutnya menggerakkan lengan ayun. Pergerakan lengan ayun inilah yang digunakan sebagai mekanisme penendang bola. Diagram kotak keseluruhan sistem penendang bola ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram kotak sistem elektrik penendang bola

## 2.1 Penaik Tegangan DC
Rangkaian  Penaik  Tegangan  DC merupakan  suatu Boost  Converter yaitu  rangkaian elektronik  untuk  menaikkan  tegangan  masukan  dengan  bantuan  transistor  yang difungsikan  sebagai  saklar  [3].  Sumber  tegangan  masukan  berasal  dari  baterai  LiPo 5200mAh dengan tegangan saat terisi penuh 22,2V. Tegangan tinggi yang dihasilkan Boost Converter nantinya  akan  disimpan  sementara  pada  sebuah  kapasitor  ( Capacitor  Bank ) sebelum  diberikan  ke  solenoida  secara  terkendali  PWM. Boost  Converter dibuat  dengan menggunakan  dua  rangkaian  seperti  Gambar  2  yang  dihubungkan  secara  paralel.  Arus puncak total induktor ditetapkan 5A,  sehingga masing-masing induktor, L =1mH, dialiri arus puncak 2,5A yang masih di bawah batas maksimal arus yang boleh melewatinya.
Untuk menentukan frekuensi pensaklaran induktor digunakan Persamaan (1).
             L t R on R e R on R V t i } ) ( { I DS i L DS 1 ) ( ) ( (1)
i L = arus induktor (A)
Andika Sukma Deryawan, Fransiscus Dalu Setiaji, Daniel Santoso
R DS ( on )= tegangan drain-source saat MOSFET triode (Ω)
R I = hambatan dalam induktor(Ω)
V i =tegangan baterai (V)
L =nilai induktans (H)
Untuk  menentukan  karakteristik  rangkaian Astable 555  yang  dibutuhkan,  maka terlebih  dulu  perlu  dihitung  nilai T ON yaitu  saat  keluaran Astable bernilai  tinggi  ( high ). Dengan memasukkan t = T ON , i L ( T ON )=2,5A, R DS ( on )=0,766Ω [4], R I =0,27Ω, V i =20V (nilai 22,2V hanya saat baterai penuh), L =1mH maka didapatkan T ON =100μs. Dengan daur aktif ( duty cycle )  ditetapkan  60%  maka T OFF =67  μs  dan  periode  Astabe T = T ON + T OFF =  167μs,  atau frekuensi Astable f =1/ T =6kHz,  yang  direalisasiken  menggunakan  rangkaian  seperti ditunjukkan Gambar 3.
Gambar 2. Rangkaian Penaik Tegangan DC
Gambar 3. Rangkaian Astable 555

## 2.2 Capacitor Bank
Tegangan  baterai  dinaikkan  nilainya  dan  disimpan  pada Capacitor  Bank ( C B ).  Energi yang  tersimpan  nantinya  digunakan  mencatu  sebuah  solenoida  sebagai  bagian  dari mekanisme penendang sebuah bola yang berdiameter 20cm dan bermassa 0,4kg dengan target  kelajuan  9m/s.  Untuk  menghitung  energi  minimal  yang  dibutuhkan  digunakan Persamaan (2) dan didapatkan E min =16,2J.
2 min 2 1 mv E  (2)
E min = energi minimal yang dibutuhkan (J)
m = massa bola(kg)
v = kelajuan bola(m/s)
BY328 ke keluaran astable 555 ke Capacitor Bank D1 Vi 20V L 1mH IRFP460 R1 560 Vo Vcc 12V 1Gnd 2Trg 3Out 4Rst 5 Ctl 6 Thr 7 Dis 8 Vcc 555 + CT 10nF + 10nF RA 4.5k RB 10k
Dengan mengacu Persamaan (3), maka energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan bola 0,4kg dengan kelajuan awal 9m/s adalah 16,2J. Karena konversi energi dari listrik ke mekanik bisa serendah 5% [5] maka energi minimal yang dibutuhkan adalah 20 E min =324J. Capacitor Bank yang akan dipakai memiliki tegangan  dadal 450V maka dipilih  tegangan maksimal sebesar 400V, sehingga nilai minimal C B adalah:
F 4000 400 324 2 2 B     C (3)
Perhitungan tersebut dilakukan dengan menganggap bola hanya bergerak linear. Jika bola  juga  berotasi  maka  dibutuhkan  energi  yang  lebih  tinggi,  dengan  kata  lain  nilai C B harus  lebih  besar.  Maka  dari  itu  pada  makalah  ini  digunakan C B lebih  besar  dari perhitungan di atas, yaitu 4700μF/450V.

## 2.3 Saklar Elektrik
Dengan  nilai  tegangan  tinggi  sebesar  400V  maka  saklar  mekanik  dihindari  karena dapat  menimbulkan  percikan  api  saat  peralihan  kondisi.  Pada  makalah  ini  digunakan saklar  elektrik  menggunakan  IGBT  atau Insulated  Gate  Bipolar  Transistor yang  dapat dikendalikan waktu pensaklarannya sesuai rangkaian Gambar 4.
Gambar 4. Rangkaian saklar elektrik IGBT
Dengan  sinyal  masukan  berupa  PWM  maka  nilai  rerata  arus  yang  mengalir  pada solenoida  dapat  diatur  dengan  melalui  nilai  daur  aktif  PWM  (antara  0  sampai  100%). Semakin besar nilai daur aktif maka nilai arus pada solenoida makin besar, medan magnet yang dihasilkan juga makin besar demikian pula kekuatan tendang pada bola. Berapa nilai daur aktif yang tepat tergantung pada masukan dari hasil perhitungan jarak antara robot ke gawang lawan (bukan merupakan bagian makalah ini).

## 2.4 Solenoida
Solenoida yang digunakan pada makalah ini adalah serupa dengan [2]. Spesifikasi dari solenoida ditunjukkan pada Tabel 1 dan bentuk dari solenoida ditunjukkan pada Gambar 5.
B C solenoida sinyal PWM + Q1 Vcc
Andika Sukma Deryawan, Fransiscus Dalu Setiaji, Daniel Santoso
Tabel 1. Spesifikasi solenoida Parameter Nilai Panjang Solenoida 11,5cm Lebar Solenoida 3,1cm Tinggi Solenoida 6,6cm Panjang Plunger 26cm Diameter Plunger 3cm Bahan Plunger Besi dan Nylon Diameter Kawat 0,8mm Jumlah Layer 12 Jumlah Lilitan 1555 Nilai Resistansi 7,4Ω Ketebalan Shielding 1mm Bahan Shielding Besi

## 2.5. Lengan Ayun
Pada makalah ini solenoida yang digunakan untuk menendang ditempatkan di atas tiga buah motor DC yang tersambung dengan Planetary Gear 45 mm untuk menggerakkan robot. Peletakan solenoida pada robot adalah sama dengan pada [2].
Untuk menggerakkan bola dengan lintasan lambung, ditambahkan lengan ayun pada sisi depan solenoida. Lengan ayun terbuat dari bahan besi yang memiliki ketebalan 8mm. Desain  mekanik  lengan  ayun  ditunjukkan  pada  Gambar  6.  Pada  ujung  lengan  ayun ditambahkan  karet  berpegas  untuk  mengembalikan  lengan  ayun  ke  posisi  awal  setelah menendang bola.
Gambar 6. Penempatan lengan ayun pada robot

## 3. Pengujian

## 3.1 Pengujian Rangkaian Penaik Tegangan DC
Pada pengujian ini, diukur waktu yang dibutuhkan oleh Penaik Tegangan DC untuk menaikkan  tegangan  kapasitor C B dari  0V  ke  suatu  nilai  tegangan  tertentu.  Hasilnya ditunjukkan  pada  Tabel  2.  Laju  pengisian  tegangan  kapasitor  melambat  sesuai  dengan karakteristik pengisian kapasitor yang bersifat non linear (eksponensial).

## 3.2. Pengujian Kelajuan Bola
Pada  pengujian  kelajuan  bola  yang  ditendang,  digunakan  dua  kondisi.  Kondisi pertama adalah dengan membatasi  nilai tegangan yang tersimpan pada C B agar diketahui
hubungan antara kelajuan bola dengan tegangan pada C B . Pengujian kedua  adalah dengan memberikan  sinyal  PWM  dengan  daur  aktif  yang  divariasikan  untuk  mengetahui hubungannya dengan kelajuan bola.
Untuk  menghitung  kelajuan  bola  digunakan infrared  obstacle  detection dengan memanfaatkan interupsi pada mikrokontroler Arduino, seperti ditunjukkan Gambar 7.
Infrared obstacle detection menggunakan dua buah sensor cahaya inframerah. Saat benda mengenai  Sensor  Inframerah  1,  sistem  akan  mulai  menghitung  waktu,  dan  saat  benda mengenai Sensor Inframerah 2 waktu hitung dihentikan. Dengan mengetahui jarak kedua sensor inframerah (50cm) dan selang waktu yang dibutuhkan bola untuk menempuh jarak tersebut, maka kelajuan bola dapat dihitung.
Tabel 2. Waktu pengisian Capacitor Bank , C B Tegangan Awal (V) Tegangan Akhir (V) Waktu (s) 0 50 0,2 0 100 0,92 0 150 3,12 0 200 6,23 0 250 11,92 0 300 17 0 350 24,95 0 400 33,96
Gambar 7. Infrared obstacle detection untuk mengukur kelajuan bola

## 3.2.1  Kelajuan Bola Sebagai Fungsi Tegangan
Capacitor Bank
Pada  pengujian  ini,  penaik  tegangan  DC  diatur  tegangan  keluarannya  pada  nilai tertentu  untuk  mencatu  solenoida.  Tegangan  maksimal  yang  digunakan  untuk  mengisi kapasitor  adalah  400V.  Tabel  3  menunjukkan  hasil  pengukuran  kelajuan  bola,  serta efisiensi konversi energi dari listrik ke mekanik dihitung menggunakan Persamaan (4).
Tabel 3. Kelajuan bola terhadap tegangan Capacitor Bank ( C B ) V CB (V) Energi pada C B (J) v (m/s) Energi Bola (J) η (%) 50 5,87 0,44 0,07 1,10% 100 23,5 2,82 2,65 11,29% 150 52,87 4,25 6,03 11,40% 200 94 5,86 11,44 12,16% 250 146,87 8,29 22,9 15,60% 300 211,5 11,18 41,65 19,69% 350 287,87 12,43 51,53 17,89% 400 376 13,84 63,8 16,96%
Andika Sukma Deryawan, Fransiscus Dalu Setiaji, Daniel Santoso
100% V 0,5 5 , 0 2 CB B 2  
C mv  (4)
Semakin  tinggi  tegangan  yang  tersimpan  pada capacitor  bank ,  maka  semakin  tinggi pula energi untuk mencatu solenoida sehingga membuat bola yang ditendang memiliki kelajuan yang lebih tinggi.

## 3.2.2  Kelajuan Bola Sebagai Fungsi Daur Aktif PWM
Untuk menghasilkan sinyal PWM digunakan mikrokontroler Arduino Mega2560 yang sudah memiliki fitur PWM[6]. Pada pengujian ini, kondisi sinyal PWM yaitu high selama T H dan low selama T L , masing-masing dimanfaatkan untuk membuat IGBT on atau off . Daur aktif ( D ) didefinisikan menurut Persamaan (5).
100% H L H    T T T D (5)
Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian kelajuan bola dengan nilai D yang divariasikan. Tabel  4  menunjukkan  bahwa  bola  baru  mulai  bergerak  untuk  nilai D ≥68%.  Hal  ini dikarenakan untuk D yang rendah, gaya magnet yang dihasilkan solenoida belum dapat mengatasi  gaya  gesek  mekanik  yang  terjadi  dan  kelembaman  bola.  Kelajuan  bola meningkat seiring naiknya nilai D karena arus rata-rata solenoid juga meningkat demikian pula  besar  gaya  magnet  yang  digunakan  untuk  mendorong plunger sebagai  penendang bola.
Tabel 4. Kelajuan bola sebagai fungsi nilai daur aktif PWM Daur Aktif PWM (%) Kelajuan Bola (m/s) 9,8 0 19,6 0 29,41 0 39,21 0 49,01 0 58,82 0 68,62 1,61 78,43 6,65 88,23 10,46 98,03 12,3 100 13,84

## 3.2.3  Pengujian Tendangan Lambung
Pengujian  dilakukan  menggunakan  penendang  bola  dengan  lengan  ayun  seperti ditunjukkan Gambar 6. Untuk memperkirakan jarak  bola dari titik awal (x H ) digunakan digunakan  Persamaan  6  [7]  yang  merupakan  rumus  untuk  gerak  proyektil  suatu  titik massa.  Dimana v =kelajuan  awal, θ =18,5°  adalah  sudut  lengan  ayun  saat  diaktifkan solenoida dan g =9,8m/s 2 adalah percepatan gravitasi bumi.
g v x ) 2 sin( 2 H   (6)
Pada pengujian ini nilai D divariasikan mulai dengan nilai D yang memberikan jarak tendang bola yang signifikan, dengan hasil pengukuran ditunjukkan Tabel 5.  Galat dalam tabel dihitung dengan membandingkan jarak tendang bola hasil perhitungan Persamaan (6), dengan jarak tendang yang terukur.

## Tabel 5. Pengujian tendangan lambung
D (%) Jarak Pengujian (m) Jarak Perhitungan (m) Galat (%) 68,62 0,33 0,16 -111,54 78,43 2,7 2,66 -1,45 88,23 7,83 6,58 -18,91 98,03 8,36 9,1 8,18 100 8,6 11,47 25,07
Pada saat D =68,62% galat sangat besar karena pada saat bola mulai bergerak, energi redaman masih dominan dibandingkan energi yang diterima bola dari plunger solenoida. Untuk D ≥68,62%  galat  masih  bisa  mencapai  25%,  hal  ini  dikarenakan  Persamaan(6) merupakan persamaan dengan berbagai asumsi ideal diantaranya tidak ada gesekan bola dengan udara serta massa,  yang sulit dipenuhi dalam pengujian ini.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  perancangan,  realisasi  dan  pengujian  sistem  yang  dibuat,  dapat disimpulkan  beberapa hal sebagai berikut ini.
1.  Sistem penaik tegangan berjenis Boost Converter yang dibuat membutuhkan waktu sekitar  34s  untuk  menaikkan  tegangan Capacitor  Bank berkapasitas  4700μF  dari tegangan 0V hingga 400V.
2.  Sistem penendang bola dapat menggerakkan bola bermasa 0,4kg dengan diameter 20cm dengan kelajuan maksimal 13,84 m/s saat Capacitor Bank bertegangan 400V.
3.  Efisiensi konversi energi listrik menjadi energi gerak bola mencapai 19,69 % pada saat Capacitor Bank bertegangan 300 V.
4.  Sistem penendang bola dapat mengendalikan kekuatan tendang dengan mengatur nilai  daur  aktif  sinyal  PWM  dengan  nilai  minimal  68,62  %  agar  bola  mulai bergerak.
5.  Dengan menerapkan rumus gerak parabolik proyektil (bola dianggap suatu titik massa), maka pengukuran jarak jatuh bola memiliki galat maksimal 112% (untuk D =68,62%), dan minimal -1,45% (untuk D =78,43%), jika dibandingkan dengan hasil perhitungan rumus tersebut.

## Daftar Pustaka
[1]  Direktoral  Jenderal  Pembelajaran  dan  Kemahasiswaan, Buku  Panduan  Kontes  Robot Sepakbola  Divisi  Beroda ,  Jakarta,  Indonesia:  Kementerian  Riset,  Teknologi  dan Perguruan Tinggi, 2018.
[2]  Y  Haryudanta,  F  Dalu  Setiaji,  Gunawan  Dewantoro, Rancang  Bangun  Mekanisme Penendang  Bola  Berbasis  Elektromagnetik  untuk  Robot  Sepakbola  Beroda  R2C-Warrior , Techne Jurnal Ilmiah Elektroteknika, Vol. 17, No. 1, April 2018
[3]  Texas Instruments Incorporated, Understanding Boost Power Stages in Switchmode Power Supplies , 1999.
[ 4]  Vishay Siliconix, IRFP460, Juli 2008.
[5]  M.S Serafim, Ball Handling Mechanism for Mobile Robots , Tecnico Lisboa, Thesis 2013.
[6]  Massimo Banzi, Getting Started with Arduino , 5th ed., Sebastopol, USA: an imprint of Maker Media, a division of O'Reilly Media, Inc, 2009.
[7]  João Silva, José Luis Azeved, Bernardo Cunha, António J. R. Neves, Nuno Lau Ricardo Dias, Improving the Kicking Accuracy in a Soccer Robot , ACM , vol. 4, p. 15, April 2015.