## SISTEM KEMUDI SEMI OTOMATIS DENGAN GYROSCOPE PADA MOBILE ROBOT BERSTRUKTUR ORIGAMI
Rakhmad Gusta Putra 1) , Budi Artono 2) Jurusan Teknik, Politeknik Negeri Madiun
1) gusta@pnm.ac.id, 2) budiartono@pnm.ac.id

## ABSTRAK
Robot terkenal dengan harga yang mahal dan tingkat kesulitan pembuatan yang tinggi. Hal ini terjadi dikarenakan robot membutuhkan banyak part dan skill. Salah satu metode membangun struktur  robot  yang  mudah  dan  murah  adalah  dengan  menggunakan  prinsip  kirigami  atau origami.  Kirigami  adalah  cabang  dari  origami  yang  dalam  prosesnya  melibatkan  proses pemotongan.  Origami  memungkinkan  membangun  obyek  3D  dari  lembaran  2D. Mobile  robot untuk  keperluan  inspeksi  terkadang  harus  menjalankan  misi  yang  membuatnya  tidak  dapat kembali ( oneway mission ), sehingga harga yang murah dan mudah sangat diharapkan. Dengan menggunakan prinsip origami tingkat presisi robot akan menurun dikarenakan sifat kelenturan bahan. Robot tersebut telah berhasil direalisasikan. Dalam penelitian  ini dikembangkan sistem kemudi  semi  otomatis  sehingga  robot  lebih  mudah  dikendalikan  dengan  menjaga  arah  gerak robot.  Percobaan  dilakukan  dengan  mengubah  salah  satu  roda  robot  dengan  diameter  yang berbeda.  Sistem  dengan  metode  yang  diusulkan  secara  signifikan  dapat  menjaga  arah  gerak daripada sistem open loop.
Kata Kunci Origami, robot mobile, semi otomatis, gyroscope

## PENDAHULUAN
Salah satu hal yang membuat robot mahal dan perlu skill khusus adalah karena harga bahan-bahan  struktur  yang  tinggi  dan memerlukan penanganan khusus. Meskipun software  CAD  telah  mempermudah  dalam mendesain  struktur,  akan  tetapi  untuk merealisasikannya  harus  didukung  dengan skill dan peralatan bengkel yang memadai. Mungkin  hal  itulah  yang  membuat  robot hanya dikuasai oleh para ahli. meningkatnya tuntutan  robot  dalam  berbagai  bidang membuat  desain  dan  struktur  robot  yang harus  terus  berkembang.  Desain-desain baru struktur robot akan terus dikembangkan.  Desain-desain  tersebut terkadang  memerlukan  evaluasi  dan perbaikan  setiap  saat.  Tentu  saja  hal tersebut  membuat  proses  membangun struktur  mekanik  secara  konvensional menjadi  kurang  efektif.  Para  penghobi ataupun  siswa  yang  dalam  tahap  belajar akan sulit untuk menjangkaunya.
Salah  satu  metode  membangun  struktur robot  yang  mudah  dan  murah  adalah dengan menggunakan prinsip kirigami atau
origami.  Kirigami  adalah  cabang  dari origami  yang  dalam  prosesnya  melibatkan proses  pemotongan [1] .  Seperti  yang  kita ketahui, origami adalah seni melipat kertas yang  populer  di  Jepang.  Origami memungkinkan membangun obyek 3D dari lembaran kertas 2D. Hal inilah yang menjadi poin penting prinsip ini. Jika origami hanya mengandalkan  melipat  saja,  dengan kirigami  kita  dapat  memodifikasi  dengan menambahkan proses memotong, mengelem,  melapisi  dll.  Proses  ini  lebih mirip  membuat  kartu  pop-up  tapi  dengan tetap  mempertahankan  prinsip  origami. Dengan  menggunakan  prinsip  ini  maka proses  produksi  akan  lebih  mudah  dan murah.  Dengan  mengembangkan  database bentuk-bentuk  struktur  robot  yang  ada maka pembuatan akan dapat dilakukan oleh siapa saja.
Pembuatan robot dengan prinsip origami telah  banyak  dikembangkan  oleh  para peneliti.  Mulai  dikembangkan  roda  robot dengan prinsip origami yang dapat berubah bentuk [2],[3] .  Pembuatan  robot  berkaki dengan prinsip SCM untuk membuat robot berkaki juga dikembangkan [4],[5] . Termasuk
di dalamnya adalah DASH dan octoROACH. Para  peneliti  juga  mengembangkan open source  software untuk  mengembangkan hardware dengan model origami [6],[7] . Robot didesain  berupa  robot  beroda  dengan sistem  pergerakan  roda  diferensial.  Bahan robot  adalah plate PVC  sebagai  pengganti bahan  kertas.  Dengan  penelitian  ini diharapkan akan diperoleh metode dan cara baru untuk mengembangkan struktur robot beroda.
Gambar 1. Robot dengan Struktur Origami untuk Aplikasi Pemantauan
Robot  yang  dirancang  dalam  kasus  ini adalah  robot mobile untuk  keperluan inspeksi  sehingga  harus  dapat  melakukan monitoring menggunakan kamera dan dapat melewati  halangan  dengan  batasan tertentu.Dengan  menggunakan  prinsip origami  maka  kepresisian  akan  menurun dikarenakan  sifat  kelenturan  bahan [8] .  Di lapangan  dimungkinkan  robot  akan mengalami  deformasi  bentuk  badan maupun roda akibat tekanan atau benturan. Untuk  membuat  robot  tetap  mudah dikendalikan  maka  dikembangkan  sistem kemudi semi otomatis. Sistem kemudi akan dibantu  untuk  menjaga  robot  berada  pada jalur  yang  sesuai  sehingga  memudahkan pengendalian jarak jauh. Sistem didasarkan pada orientasi gerak robot yang dibaca oleh sensor  gyroscope.  Kecepatan  motor  kanan dan  kiri  akan  disesuaikan  sehingga  arah gerak  robot  akan  tetap.  Untuk  mengetahui kinerja dari sistem kemudi semi otomatis ini dilakukan pengujian dengan merusak salah satu  roda  sehingga  robot  akan  memiliki kecenderungan  untuk  berjalan  tidak  lurus. Variasi dilakukan pada roda kanan dan kiri secara  bergantian,  serta  penggunaan beberapa  halangan  untuk  membuat  roda robot selip.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan melakukan  perancangan  alat,  pembuatan prototipe  robot,  dan  melakukan  pengujian dari prototipe yang dibuat.

## Perancangan Struktur Robot
Struktur  robot  dirancang  dengan menggunakan  teknik  origami.  Teknik  yang digunakan mengacu pada proses SCM [3],[4] . Pola  dirancang  dengan  menggunakan software CAD. Bahan yang digunakan adalah PVC  0.5mm  dan  dilapis  dengan  polimer untuk membuat bagian lipatan. Setiap pola bagian  lipatan  dipotong  terlebih  dahulu kemudian  dilapisi  dengan  plastik  polimer lentur.  Dilanjutkan  dengan  pemotongan keseluruhan bagian. Sehingga bagian lipatan akan  tetap  terdapat  lapisan  lentur  yang dapat  dilipat.  Proses  terakhir  dalam pembuatan  struktur  robot  adalah  dengan melakukan pengeleman bagian-bagian yang harus  disambung  dan  pemasangan  motor DC  mini  dan  roda.  Ilustrasi  dari  sistem  ini ditunjukkan dalam Gambar 2.

## Gambar 2. Ilustrasi bagian lipatan dari struktur
Sedangkan rancangan bentuk dan bagian- bagian  dari  robot  ditunjukkan  dalam Gambar 3.
Roda Penyangga Belakang Camera Peletakan Hardware Elektronik
Motor DC
Gambar 3. Rancangan bentuk dan bagian-bagian robot
Robot  menggunakan  sistem  gerak  roda diferensial,  sehingga  terdapat  dua  buah motor  DC.  Bagian  belakang  hanya  diberi
penyangga seingga titik pusat putarnya ada pada  bagian  antara  dua  roda.  Bagian  roda dibuat  bergerigi  agar  dapat  melewati halangan tertentu. Struktur dirancang untuk bisa ditempatkan bagian-bagian elektronik, baterai dan kamera.

## Perancangan Sistem
Robot dirancang untuk melakukan tugas pemantauan  atau  monitoring  dari  jarak jauh. Bagian-bagian sistem robot ditunjukkan  dalam  Gambar  4.  Sistem tersusun  atas  Mini  PC  Raspberry  Pi  3, Camera  Pi,  driver  motor  DC,  Motor  DC, sensor  gyroscope.  Mini  PC  Raspberry  pi  3 sebagai kontroler utama robot.
Gambar 4. Blok Diagram Sistem
Mini  PC  dilengkapi  dengan library pemrosesan  citra  berupa  OpenCV.  Sistem dirancang untuk dapat melakukan pemrosesan  citra  secara real  time .  Sistem kendali  dari  robot  juga  diatur  sepenuhnya dari  mini  PC.  Raspberry  pi  3  juga  telah dilengkapi  dengan  modul  wifi  yang  telah tertanam.  Camera  Pi  digunakan  sebagai pengambil citra. Driver motor dual channel digunakan  untuk  mengendalikan  dua  buah motor DC dari perintah mini PC. Dua buah motor  DC  mini  digunakan  sebagai penggerak  utama  dari  robot.  Kecepatan motor  dapat  diatur  melalui  PWM  yang ditentukan  oleh  mini  PC.  Gyroscope digunakan  sebagai  sensor  umpan  balik kecepatan  sudut  yang  nantinya  diubah menjadi sudut orientasi gerak dari robot. Antarmuka  sensor  dan  mini  PC menggunakan  komunikasi  serial  I2C.  PC dengan wifi digunakan sebagai remot utama robot,  penampil  citra  dari  kamera,  dan sekaligus sebagai perangkat untuk pemrograman.

## Pengaturan Robot secara Open Loop
Pengaturan  robot  secara open  loop menggunakan  metode diferentialsteering. Artinya untuk membuat robot berjalan lurus maka kecepatan motor kanan dan kiri harus sama. Begitu pula untuk kasus belok kanan, belok  kiri,  mundur,  dan  sebagainya. Kecepatan  motor  diasumsikan  berbanding lurus Pulse  Width  Modulation (PWM)  yang diberikan  oleh  driver  motor.  PWM  di tentukan 100 Hz dengan lebar pulsa dari 0- 100 % dengan resolusi 1%. Pengaturan  robot  secara open  loop dilakukan  dengan  memberikan  nilai  PWM yang  sudah ditentukan  secara  pasti.  Untuk gerakan  maju  maka  baik  motor  kanan maupun motor kiri diberikan perintah maju dengan  nilai  PWM  yang  sama  yaitu  70%.
Untuk  mundur,  motor  kanan  dan  kiri diberikan  perintah  mundur  dengan  PWM konstan  60%.  Untuk  belok  kanan  maka motor  kanan  diberikan  perintah  mundur dan  motor  kiri  diberikan  perintah  maju dengan PWM konstan 40%. Untuk belok kiri maka motor kanan diberikan perintah maju dan  motor  kiri  diberikan  perintah mundur dengan PWM konstan 40%.

## Pengaturan Robot Semi Otomatis secara Close Loop dengan Gyroscope
Pengaturan  robot  semi  otomatis dilakukan  khususnya  untuk  gerak  maju. Sistem gerak diferensial memiliki kelemahan  dimana  kedua  motor  harus identik agar  geraknya  sesuai.  Struktur  dan roda  robot  yang  terbuat  dari  PVC  juga menambahkan ketidak presisian gerak. Sifat Roda yang lentur dapat meredam benturan berupa  impuls  akan  tetapi  mudah  terjadi deformasi  bentuk.  Oleh  karena  itu  data gyroscope digunakan untuk mengkompensasi ketidak tepatan gerak. Untuk melakukan gerak maju lurus maka sudut orientasi dari robot harus selalu nol. Untuk  mendapatkan  data  orientasi  robot digunakan sensor gyrorate. Gyro memberikan  data  berupa  kecepatan  sudut, sehingga  untuk  mendapatkan  nilai  sudut perlu  dilakukan  pengintegralan  satu  kali. Persamaan  untuk  mengkonversi  nilai kecepatan  sudut  ( )  ke  sudut  ( ) ditampilkan dalam persamaan 1.
(RASPBERRY PI B+) +
OPENCV Image Processing dan HI LEVEL CONTROL MASTER BOARD IMU (gyroscope + accelerometer) I2C DRIVER MOTOR DC motor DC motor SLAVE BOARD I2C BUS
(1) Diagram sistem kendali arah gerak robot dengan  umpan  balik  sensor  gyrorate ditunjukkan  dalam  Gambar  5.  Gyroscope mendeteksi kecepatan sudut dalam tiga axis, X,Y dan Z.
Gambar 5. Diagram Sistem Kendali Arah Gerak dengan Umpan Balik Gyroscope
Pada  sistem ini digunakan  satu axis saja yaitu  Z.  Kontroller  yang  digunakan  adalah kontroler PID. Dengan persamaan PID yang digunakan  seperti  dalam  Persamaan  2. Dimana u(t) adalah  sinyal  kontrol  yang nilainya  merepresentasikan  persentase PWM. Secara praktis perhitungan nilai PWM yang diberikan kepada motor kanan dan kiri untuk  sistem  yang  dibangun  ditunjukkan dalam Persamaan 3.
(2) (3)

## Metode Eksperimen
Eksperimen dilakukan dengan melakukan pembuatan  prototipe  robot.  Dimulai  dari pembuatan  struktur  sampai  dengan pemasangan  bagian-bagian  sistem  lainnya. Pengujian  sistem  dan  prototipe  dilakukan dengan eksperiman membandingkan sistem gerak  manual open  loop dengan  sistem kendali  semi  otomatis  secara close  loop dengan gyroscope.
Pengujian dilakukan dengan target adalah berjalan  maju  lurus.  Variasi  eksperimen adalah  dengan  mengubah-ubah  roda  yang digunakan.  Dengan  s etup eksperimen dengan  roda  kiri  rusak  dan  roda  kanan normal.  Variabel  yang  diamati  adalah penyimpangan  sudut  dari set  point dan penyimpangan  lintasan.  Hasil  dari  metode open  loop dengan  PWM  konstan dibandingkan dengan metode semi otomatis close  loop dengan  pengaturan  PWM  motor
kanan  dan  kiri  otomatis. Setup roda ditunjukkan dalam Gambar 6.
Gambar 6. Setup Roda Normal (kiri) dan Roda Rusak (kanan)

## HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Perancangan Struktur Robot
Gambar 7 merupakan proses pengeleman dan perakitan struktur robot dari pola yang telah  dibuat.  Proses  perakitan  dan pengeleman  sampai  dengan  selesai memerlukan  waktu  +  55  menit.  Hal  ini sangat  dipengaruhi  oleh  kompleksitas struktur  yang  dirancang.  Hasil  dari perakitan  keseluruhan  sistem  ditunjukkan dalam  Gambar  1.  Struktur  bodi  dan  roda robot berhasil dibuat dari lembaran pola 2D menjadi  3D.  Kekuatan  robot  (struktur  dan motor  DC  terpasang)  relatif  kuat  dan bertahan  jatuh  dari  ketinggian  2  m  tanpa ada  deformasi  bentuk.  Beban  berupa perangkat  tambahan  yang  dipasangkan pada  bodi  membuat  bodi  sedikit melengkung  dan  mengurangi  tingkat kepresisiannya.  Hal  ini  terjadi  karena tipisnya  lembaran  PVC  yang  digunakan, yaitu 0.5 mm.
Gambar 7. Proses Pengeleman dan Perakitan Struktur Robot
Gambar 8 Grafik Error Hasil Pengujian Gyroscope

## Hasil Pengujian Sensor Gyroscope
Pengujian  gyroscope  dilakukan  dengan melakukan  proses  integral  pada  data pembacaan  kecepatan  sudut.  Data  dari gyroscope  langsung  dibaca  dan  diproses tanpa  dilakukan filtering .  Sudut  hasil pemrosesan kemudian dibandingkan dengan  sudut  dari  busur  derajat.  Error pengujian  gyroscope  ditampilkan  dalam
Gambar  8.  Berdasarkan  hasil  pengujian didapatkan rata-rata error adalah 3.62°.Jika ditampilkan
Tabel 1. Pengujian Gyroscope
dalam  persentase  didapatkan  rata-rata error  adalah  2.94%.  Ketika  hasil  selisih sudut  ditampilkan  dalam  grafik  Gambar  8,
terlihat  bahwa  semakin  tinggi  sudut putarnya  semakin  besar  pula  tingkat kesalahan pembacaannya. Tingkat kesalahannya naik secara polinomial untuk nilai positif dan juga naik secara polinomial saat nilainya negatif.

## Hasil Pengaturan Robot secara Open Loop
Pengujian pengaturan gerak robot secara
open  loop dilakukan  dengan setup roda seperti  dalam  metode  eksperimen.
Parameter  yang  diamati  adalah  orientasi robot,  nilai  PWM  motor  dan  arah  gerak robot.  Dengan  sistem openloop maka  PWM motor  diseting  sama  dan  konstan.  Secara teori  dengan  memberikan  nilai  PWM  yang sama  pada  motor  kanan  maupun  kiri, kecepatan  putar  motor  kanan  dan  kiri adalah identik. Keluaran PWM ditampilkan dalam  Gambar  10.  Orientasi  robot berdasarkan  waktu  ditampilkan  dalam Gambar  9.  Terlihat  dalam  sistem  tersebut PWM  tidak  terjadi  perubahan.Berdasarkan percobaan  tersebut  orientasi  arah  gerak robot secara berangsur angsur naik sampai dengan  mendekati  100°secara  linier  pada waktu  4,5  detik.  Bisa  diasumsikan  bahwa dalam waktu yang lebih lama penyimpangan orientasi akan  semakin tinggi. Hal ini akan menyulitkan  pengendalian  oleh  manusia dari jarak jauh dikarenakan arah gerak yang diinginkan tidak sesuai dengan harapan.Penyimpangan trajectory yang terjadi ditampilkan juga dalam Gambar 13. Terlihat bahwa penyimpangan yang terjadi sangat  besar.  Dalam  arah  sumbu x 80  cm telah  terjadi  penyimpangan  sumbu y 70 sampai  dengan  90  cm.  Foto  urutan  gerak robot ditunjukkan dalam Gambar 14 (a).
Gambar 9 Grafik Orientasi Robot Saat kondisi Maju dengan Sistem Open Loop
Gambar 10 Grafik PWM Motor Kanan dan

## Kiri

## Hasil Pengaturan Robot Semi otomatis secara Close Loop dengan Gyroscope
Pengujian  pengaturan  robot  semi otomatis  secara close  loop semi  otomatis dengan gyroscope dilakukan sesuai dengan setup pada metode eksperimen. Roda kanan normal  sedangkan  roda  kiri  mengalami deformasi  bentuk  sehingga  diameternya berbeda.  Berdasarkan  hasil  percobaan, orientasi  robot  diusahakan  untuk  tetap konstan  pada  set  point.  Sesuai  dalam Gambar 11 terlihat bahwa sistem berusaha untuk  mempertahankan  orientasi  robot untuk  tetap  pada  titik  nol.  Arah  orientasi cenderung  ke  arah  kiri  karena  diameter roda  kiri  lebih  kecil.  Penyimpangan maksimum  dari  yang  terjadi  berada  pada titik  15°  kearah  kiri.  Sistem  mencoba mengkompensasi  orientasi  robot  dengan mengubah nilai PWM dari motor kanan dan motor  kiri.  Grafik  PWM  motor  kanan  dan kiri  ditunjukkan  dalam  grafik  Gambar  12. Terlihat  bahwa  nilai  PWM  berubah-ubah sesuai  kompensasi  yang  diperlukan  untuk menjaga  arah  tetap  sesuai.Berdasarkan eksperimen trajectory robot terlihat bahwa penyimpangan pada sumbu x 180 cm terjadi penyimpangan  sumbu y antara  0  sampai dengan  40  cm.  Hasil trajectory robot ditunjukkan dalam Gambar 13. Foto
Urutan  gerak  robot  ditunjukkan  dalam Gambar  14  (b).  Jika  dibandingkan  hasil pengujian  antara  sistem open  loop dan sistem close  loop semi  otomatis  terlihat perbedaan yang sangat signifikan dalam hal orientasi  dan trajectory robot.  Gambar  13 dan 14 menunjukkan perbedaan tersebut.
Gambar 11. Grafik Orientasi Robot Saat kondisi Maju dengan SistemClose Loop
Gambar 12. Grafik PWM Motor Kanan dan Kiri untuk Sistem Close Loop
Gambar 13. Grafik Perbandingan Jalur Robot untuk Sistem Open Loop dan Close Loop

## KESIMPULAN
Berdasarkan  percobaan  yang  dilakukan dapat  diambil  kesimpulan  bahwa  struktur robot  origami  yang  dilakukan  telah  dapat direalisasikan  dengan  baik  dan  dapat bertahan jatuh pada ketinggian 2 m (dengan motor  DC  terpasang)  tanpa  terjadi deformasi  bentuk  yang  signifikan.  Setelah ditambahkan  perangkat  tambahan  untuk keperluan  inspeksi  dan  pemantauan, struktur  robot  sedikit  melengkung  karena menerima beban dari perangkat elektronik dan  baterai. Hal  tersebut  membuat  tingkat kepresisian menurun. Untuk mengatasi hal tersebut  telah  dirancang  sistem  kemudi semi  otomatis  agar  orientasi  gerak  robot mudah dikendalikan. Dengan menggunakan gyroscope  sebagai  sensor  sudut  dan kontroler PID sistem dapat mempertahankan arah dengan penyimpangan yang secara signifikan lebih baik daripada tanpa sistem yang dirancang. Hal  ini  telah  dibuktikan  dengan  kondisi dimana  salah  satu  roda  mengalami deformasi  bentuk  dan  diameter  yang berbeda.  Sistem  masih  dapat  menjaga orientasinya dengan melakukan perubahan nilai PWM dari motor kanan dan kiri.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Paul  Jackson The  Complete  Origami Course ew York: Gallery Books,1989.
[2] D.Y.Lee, G.P. Jung, M.K. Sin, S.H.Ahn and K.J. Cho,  Deformable  Wheel  Robot  Based  on Origami  Structure, Proc.  2013  IEEE International  Conference  on  Robotics  and Automation  (ICRA)Karlsruhe,  Germany, 2013. pp.5613 5617.
[3] D.Y.Lee, G.P. Jung, M.K. Sin, S.H.Ahn and K.J. Cho,  Fabrication  of  Origami  Wheel  using Pattern  Embedded  Fabric  and  its Application  to  a  Deformable  Mobile Robot, Proc.  2014  IEEE  International Conference  on  Robotics  &  Automation (ICRA), 2014. Hong Kong, China. pp.2565.
[4] P. Birkmeyer, K. Peterson and R. S. Fearing, DASH: A Dynamic 16g Hexapedal Robot, Proc.  2009  IEEE/RSJ  International Conference  on  Intelligent  Robots  and Systems, 2009. pp.2683-2689.
[5] A.O. Pulliny, N.J. Kohut, D. Zarrouk and R. S. Fearing,  Dynamic  turning of  13  cm  robot comparing  tail  and  differential  drive, Proc.  Robotics  and  Automation  (ICRA), 2012  IEEE  International  Conference  on, 2012.. pp.5086-5093.
[6] -to-End System for Designing Mechanical Structures  forPrint-and- Proc2014  IEEE  International  Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2014. pp. 1460-1465. [7] A. M. Mehta, J.DelPreto, B.Shaya, and D.Rus, Cogeneration of Mechanical, Electrical, and Software  Designs  forPrintable Robots  from , c.  2013 IEEE/RSJ International Conference onIntelligent Robots and Systems (IROS)September  14-18,  2014.  Chicago,  IL, USA,pp.2892-2897.
[8] Hoover  and  A.  Murdock Minimally  Actuated  Legged  Milli-Robots Ph.D.  dissertation,  Dept.  Mech.  Eng.,  UC, Berkeley, 2010.