Prototype Arm Robotic 6 Axis Untuk Menyiapkan Kompetensi Pemrograman Matakuliah Mekatronika Mahasiswa Prodi D3 Teknik Mesin
Marsono 1) , Ilham Ari Elbaith Zaeni 2) , Abdul Qolik 3)
Fakultas Teknik, Universitas Negeri Malang Jalan Semarang 5 Malang e-mail: *1marsono.ft@um.ac.id
Abstrak: Seiring dengan pesatnya perkembangan teknologi pada akhir dekade ini, dunia industry mengubah sumber daya yang mereka miliki menggunakan bantuan teknologi robot. Penggunaan robot dipilih karena keakuratan dan kepresisian yang  mampu  dilakukan  dalam  melakukan  pekerjaan.  Selain  itu,  teknologi  robot  hanya  memerlukan  satu  kali pemrograman untuk melakukan banyak hal. Dengan demikian banyak keuntungan yang diperoleh perusahaan dengan menggunakan teknologi robot dalam proses produksinya.
Menyikapi kondisi tersebut, dunia pendidikan khususnya Universitas harus segera menyiapkan lulusannya yang memiliki kompetensi sesuai kebutuhan industry dalam pemrograman robot lengan. Program studi D3 Teknik Mesin sebagai salah satu program studi bidang teknik rekayasa sudah memberikan salah satu matakuliah untuk membekali lulusannya yaitu dalam  matakuliah  mekatronika.  Akan  tetapi,  terdapat  kekurangan  dibidang  sarana  dan  prasarana  yaitu  belum  adanya lengan  robot  untuk  pembelajarannya.  Selama  ini,  mahasiswa  belum  diberikan  materi  ajar  pemrograman  robot  lengan sehingga apabila lulusan bekerja di industry yang menggunakan robot lengan mereka akan mengalami kesulitan. Penelitian ini adalah penelitian pengembangan dengan merancang dan membangun Prototype Arm Robotic 6 Axis untuk mengajarkan  bahasa  pemrograman  robot  lengan.  Hasil  dari  penelitian  ini  berupa  prototype  robot  lengan  dengan pemrograman  berbasis  Arduino. Harapannya  dengan  adanya  protopype  ini  mahasiswa  akan  dapat  dengan  mudah  dan terbiasa memprogram robot lengan khusunya untuk gerakan-gerakan pekerjaan  yang sama dengan yang dikerjakan di dunia industry.
Kata Kunci: Prototype, Arm Robotic 6 Axis, Pemrograman, Arduino, Teknik Mesin
Seiring dengan pesatnya perkembangan teknologi pada akhir dekade ini, dunia industry mengubah sumber daya yang mereka miliki menggunakan bantuan teknologi robot. Penggunaan robot dipilih karena keakuratan dan kepresisian yang mampu dilakukan dalam melakukan pekerjaan. Selain itu, teknologi robot hanya memerlukan satu kali pemrograman untuk melakukan banyak  hal,  ditambah  robot  memiliki  banyak  kelebihan  yang  tidak  dimiliki  manusia,  yaitu  menghasilkan  kualitas  yang  sama ketika  mengerjakan  suatu  pekerjaan  secara  berulang–ulang,  tidak  mudah  lelah,  dan  dapat  diprogram  ulang  sehingga  dapat difungsikan  untuk  beberapa  tugas  yang  berbeda.  Dengan  demikian  banyak  keuntungan  yang  diperoleh  perusahaan  dengan menggunakan teknologi robot dalam proses produksinya.
Menyikapi  kondisi  tersebut,  dunia  pendidikan  khususnya  Universitas  harus  segera  menyiapkan  lulusannya  yang memiliki kompetensi sesuai kebutuhan industry dalam pemrograman robot lengan. Program studi D3 Teknik Mesin sebagai salah satu program studi bidang teknik rekayasa sudah memberikan salah satu matakuliah untuk membekali lulusannya yaitu dalam matakuliah mekatronika. Akan tetapi, terdapat kekurangan dibidang sarana dan prasarana yaitu belum adanya lengan robot untuk pembelajarannya.  Selama  ini,  mahasiswa  belum  diberikan  materi  ajar  pemrograman  robot  lengan  sehingga  apabila  lulusan bekerja di industry yang menggunakan robot lengan mereka akan mengalami kesulitan.
Penelitian ini adalah penelitian pengembangan dengan merancang dan membangun Prototype Arm Robotic 6 Axis untuk mengajarkan bahasa pemrograman robot lengan. Hasil dari penelitian ini berupa prototype robot lengan dengan pemrograman berbasis Arduino. Harapannya dengan adanya protopype ini  mahasiswa akan dapat dengan  mudah dan terbiasa  memprogram robot lengan khusunya untuk gerakan-gerakan pekerjaan yang sama dengan yang dikerjakan di dunia industry.

## TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1 Robot Lengan
Robot  lengan  atau  yang  lebih  dikenal  dengan  Manipulator  Robot  adalah  salah  satu  jenis  robot  yang  paling  banyak digunakan oleh masyarakat industri.  Ataupun sering dikatakan sebaliknya sebuah robot manipulator industri umumnya sering disebut sebagai lengan robot, dengan link dan sendi. Manipulator robot yang meniru karakteristik lengan manusia disebutnjuga lengan diartikulasikan. Semua sendi  mereka rotary (atau revolute). Walaupun demikian,  gerakan diartikulasikan lengan robot berbeda dari gerakan lengan manusia (Bruno & Oussama, 2008).
Sementara sendi robot memiliki derajat lebih sedikit kebebasan atau disebut derajat kebebasan atau Degree of Freedom (DOF),  manipulator  robot  dapat  bergerak  bebas  walaupun  dari  suatu  sudut  tertentu  dengan  kebebasan  yang  lebih  disbanding manusia (Craig, 1989). Misalnya, siku dari robot diartikulasikan dapat menekuk ke atas atau bawah sedangkan seseorang hanya bisa menekuk siku mereka dalam satu arah selebihnya hanya pada posisi lengan lurus.
Manipulator dikelompokkan ke dalam kelas sesuai dengan kombinasi sendi yang digunakan sesuai dalam konstruksi manipulator  robot  tersebut.  Sebuah  lengan  geometri  Cartesian  (kadang-kadang  disebut  crane  gantry)  hanya  menggunakan prismatik  sendi,  dan  dapat  mencapai  posisi  apapun  di  ruang  kerja  persegi  panjang  yang  oleh  gerakan  Cartesian  link.  Dengan mengganti sendi pinggang lengan Cartesian dengan bersama revolute, lengan geometri silinder terbentuk (Endra, 2006).

## 2.2 Bagian-Bagian Lengan Robot
Secara  keseluruhan  sebuah  sistem  lengan  robot  manipulator  terdiri  dari  (Muhammad,  2016):  1.  Tangan  Mekanik (Mechanical arm); 2. End-Effector; 3. Penggerak (Actuator); 4. Sensor/Transducer; 5. Pengendali (Controller).

## 2.3 Mikrokontroler Arduino Uno
Arduino Uno adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Arduino adalah sebuah board mikrokontroller yang berbasis ATmega328 (Gastomo, 2018). Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support mikrokontroller; dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel USB. Pada gambar 1.2 terdapat 14 pin output/input yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM (Pulse Width Modulation), 6 analog input, crystal osilator 16 MHz dan tombol reset. Arduino tersebut digunakan sebagai chip mikrokontroler328, sebagai pengendali gerakan motor DC.

## 2.4 Motor Servo
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana posisi dari motor akan di informasikan kembali  ke  rangkaian  control  yang  ada  di  dalam  motor  servo.  Motor  ini  terdiri  dari  sebuah  motor  DC,  serangkaian  gear, potensiometer  dan  rangkaian  kontrol.  Potensiometer  berfungsi  untuk  menentukan  batas  sudut  dari  putaran  servo.  Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor. Berikut gambar 1.2 adalah pin-pin pada kit arduino uno yang digunakan pada rancangan alat ini:
Gambar 1.2 Pemasangan servo pada Arduino

## 2. JURNAL TEKNIK MESIN DAN PEMBELAJARAN , Volume 1, Nomor 2, Desember 2018, Halaman: 1 – 7

## 6.
7.

## METODE

## 3.1 Rancangan Penelitian
Penelitian ini akan dibuat suatu program didalam suatu mikrokontroler untuk mengaplikasikan persamaan  kinematic. dengan tahapan penelitian sebagai berikut :
1. Studi Literatur; 2. Perancangan perangkat keras dan lunak; 3. Pemasangan rangkaian listrik dan pembuatan mekanik serta pembuatan program; 4. Pengujian Alat; 5. Analisis dan pembuatan artikel.

## 3.2 Perancangan Hardware
Agar  program  pada  perangkat  lunak  dapat  bekerja  perlu  dilakukan  perancangan  perangkat  keras  untuk mengimplementasikan persamaan kinematic dari perancangan pada perangkat lunak. Selanjutnya untuk feedbacknya adalah data dari sensor pada robot yaitu mini potensiometer yang akan masuk kembali sebagai input untuk proses forward kinematics. Kedua proses  ini  terdapat  dalam  Arduino  yang  berfungsi  sebagai  pusat  pengolahan  dan  pengiriman  data.  Data  theta  dari  inverse kinematics akan diolah selanjutnya kedalam program dynamic.

## 3.3 Perancangan Software
Setelah perancangan perangkat keras selesai dilakukan, maka akan dibuat perancangan perangkat lunak atau program. Bahasa visual hanya sebagai interface untuk menampilkan output dan sebagai input pada proses inverse sedangkan semua proses akan diolah dengan mikrokontroler Arduino dan kemudian hasil proses tersebut akan diteruskan menjadi sebuah pergerakan pada motor.  Dalam  proses  ini  tidak  terdapat  kendali  close  loop dikarenakan  kendali  close  loop  telah  diproses  pada peneliti  motor. Disini proses forward dan inverse digunakan sebagai konversi nilai angle maupun end effector.

## 3.4 Prosedur Analisis dan Pengambilan Data
Pengambilan data dan percobaan dilakukan beberapa tahap pengujian yaitu:
1. Pengujian Mekanik: Pada proses ini akan diuji tata letak mekanik lengan robot terhadap letak sebenarnya; 2. Pengujian Pergerakan Robot: Pada proses ini di uji apakah robot telah dapat berjalan dengan baik dan sesuai dengan yang target output yang diinginkan  baik  end  effector  ataupun  angle;  3.  Pengujian  Implementasi:  Program  yang  telah  dibuat  pada  Arduino  terhadap Mekanik Robot. Pada tahap ini di uji tingkat keberhasilan program yang telah dibuat dan digabungkan dengan aktualisasi mekanik robot; 4. Pengujian tingkat  keakurasian posisi lengan robot: Pada tahap ini akan diuji tingkat  keberhasilan pergerakan  lengan robot  mencapai  posisi  target  yang  dinginkan  dengan  membandingkan  hasil  perhitungan  yang  diperoleh  dari  perhitungan kinematik dengan pengukuran menggunakan bidang cartesian (x,y,z) pada robot . Dan menampilkan hasil persentase error pada setiap sumbu cartesian (x,y,z).

## HASIL

## 4.1 Hasil Kinematika Maju dan Balik
Kinematika dapat didefinisikan sebagai studi pergerakan robot tanpa memperhatikan gaya (force)  ataupun faktor lain yang  mempengaruhi  pergerakan  robot  tersebut.  Pada  analisis  kinematik,  posisi,  kecepatan  dan  akselerasi  dari  seluruh  link dihitung  tanpa  memperhatikan  gaya  yang  menyebabkan  pergerakan  tersebut.  Kinematika  robot  secara  umum  terbagi  menjadi dua, yaitu kinematika maju (forward kinematic) dan kinematika balik (inverse kinematic).
Kinematika maju adalah analisis kinematik untuk mendapatkan koordinat posisi (x, y, z) jika diketahui sudut dari tiap sendi. Sebagai contoh, apabila mempunyai robot n-DOF dan diketahui sudut dari tiap sendi maka dapat menggunakan analisis kinematik maju untuk mendapatkan koordinat posisi robot. Kinematika balik adalah analisi kinematik untuk mendapatkan besar sudut dari masing-masing sendi jika diketahui data koordinat posisi (x, y, z) (Rainer, 2016; Rosen, 1989; Serdar & Zafer, 2006).

## 4.2 Analisis Kinematik dengan Persamaan Trigonometri
Analisis  persamaan  kinematik  dapat  diselesaikan  dengan  cara  yang  paling  dasar,  yaitu  menggunakan  persamaan trigonometri. Setiap komponen dalam koordinat (x, y, z) dinyatakan sebagi transformasi dari tiap-tiap komponen ruang sendi (r, θ) dimana jari-jari r merupakan panjang lengan atau link.
Forward Kinematik :
Pada  analisis  forward  kinematic,  apabila  sudut  sendi  diberi  nilai  sebesar  θ,  maka  posisi  ujung  lengan  p(x,y)  dapat diketahui dengan menggunakan Persamaan 3.1 dan 3.2 berikut:
 cos . l x  (3.1)  sin . l y 
(3.2)
Inverse Kinematik:
Apabila  posisi  ujung  lengan  yang  diinginkan  adalah  p(x,  y),  maka  besar  nilai  sudut  θ  dapat  dihitung  dengan menggunakan Persamaan 3.3 berikut:
        x y 1 tan  (3.3)
(Suwarno, 2008)

## Pemrograman Robot Lengan
Pada praktikum kontroler robot lengan menggunakan Arduino Mega 2560 dengan standar bahasa C yang dapat langsung dicompile dengan mudah. Sebelum memulai pemrograman robot lengan, terlebih dahulu harus diketahui beberapa variabel yang ada pada robot lengan, seperti jumlah DOF, panjang masing-masing link, dan sudut kerja motor servo yang digunakan. Sebagai contoh desain robot lengan yang digunakan pada praktikum ini adalah seperti Gambar 4.8 berikut.
Gambar 4.8 Desain Robot Lengan
Pada desain ini robot lengan terdiri dari 2 link dan 5 sendi. Link 1 (Shoulder) memiliki panjang 148 mm dan link 2 (elbow) memiliki panjang 160 mm.

## 1. KESIMPULAN DAN SARAN

## 5.1 Kesimpulan
Prototype  arm  robot  6  axis  ini  dibuat  untuk  memberikan  mahasiswa  kompetensi  pemrograman  pada  matakuliah mekatronika. Dalam perancangan dan pembuatannya terdapat beberapa kendalan, diantaranya  mencari komponen elektronika dan pembuatan module penghubung servo ke Arduino. Perlu perhitungan pulsa yang cermat sehingga dapat diperoleh perubahan arah pergerakan lengan robot yang diinginkan. Pergerakan lengan robot masih belum smooth/halus karena masih menggunakan motor servo, sehingga masih perlu pengembangan lebih lanjut untuk mendapatkan perpindahan gerakan yang halus.

## 5.2 Saran
Dengan sangat pesatnya perkembangan penggunaan robot di dunia industri, maka matakuliah mekatronika khususnya untuk  prodi  D3  teknik  Mesin  harus  segera  diarahkan  pada  pemrograman  robotic.  selain  itu,  tugas  akhir  mahasiswa  harus diarahkan pada pengembangan-pengembangan penerapan robot di kehidupan sehari-hari. Motor jenis steper sangat dianjurkan untuk pengembangan robot lengan berikutnya untuk memperhalus arah perubahan gerakan.

## DAFTAR PUSTAKA
Bruno, S & Oussama, K. 2008. Handbook of Robotics . Springer Science &  Business Media, 2008. pp. 9-31. Endra, P. 2006. Disain, control, dan Kecerdasan Buatan XE "Kecerdasan, buatan" . Yogyakarta: Andi Yogyakarta.
Gastomo. 2018. Arduino Uno , http://www.academia.edu/14708355/Arduino_Uno. Muhammad,  F.F.  2016. Perancangan  Arm  Manipulator  4  DOF  dengan  Menggunakan  Pengendalian  Cartesian  Space  Line  Trajectory Planning , Universitas Diponegoro, Semarang.
Rainer, H. 2016. Kinematics for Lynxmotion Robot Arm . http://www.hessmer . Org / uploads / Robot Arm / Inverse % 2520 Kinematics % 2520 for % 2520 Robot%2520Arm. pdf
Rosen, J. 1989. Model of Robot  XE "Robot"   Manipulation : Introduction & Basic Ideas – Speed Description & Transformation . Washinton: Department of Electrical Engineering -University of Washinton. Suwarno. 2008. Analisis Kinematika Mobile Manipulator Pada Robot Penjinak Bom . Tesis. Makassar: Universitas Hasanuddin.
4. JURNAL TEKNIK MESIN DAN PEMBELAJARAN
9.