## Perancangan Awal dan Simulasi Lengan Robot 3 Derajat Kebebasan Berbasis Arduino yang Dikontrol dengan Aplikasi
Muhammad Faiq Winindra Satriatama 1,a , Levin Halim 2,b
1,2 Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Katolik Parahyangan, Bandung, Indonesia
b halimlevin@unpar.ac.id

## Abstrak.
Robot  telah  menjadi  tren  baru  dalam  operasional  industri  saat  ini.  Pekerjaan  yang  berbahaya, memiliki  resiko  tinggi  dan  membutuhkan  akurasi  tinggi  dapat  digantikan  oleh  robot.  robot  yang sering digunakan pada industri adalah lengan robot, pada umumnya lengan robot menjadi beberapa bagian yaitu base, link, joint , dan end effector. Pada penelitian ini, dilakukan perancangan awal untuk lengan  robot  dengan  tiga  derajat  kebebasan  (3 Degree  of  Freedom-DOF )  dengan  keluaran  berupa gambar perancangan, diagram blok sistem lengan robot, penerapan metode Denavit-Hartenberg, dan simulasi pada perangkat lunak MATLAB. Forward Kinematics digunakan untuk menentukan posisi akhir end effector. Selain itu, Lengan robot 3 DOF memiliki 3 buah Link Adapun, simulasi gerakan robot dapat direpresentasikan menggunakan aplikasi MATLAB dengan menggunakan Robotic Tool Kit
Kata kunci: Lengan Robot, Kinematika Maju, MATLAB, Tool Kit Robot, Desain.

## Abstract.
Robots have become a new trend in today's industrial operations. Jobs that are dangerous, have high risks and require high accuracy can be replaced by robots. Robots that are often used in industry are robotic arms, in general, robotic arms become several parts, namely base, link, joint, and end effector. In this study, an initial  design was  carried out  for a robotic  arm with  three degrees of  freedom  (3 Degrees of Freedom-DOF) with output in the form of design drawings, block diagrams of the robotic arm system, application of the Denavit-Hartenberg method, and simulations on MATLAB software. Forward Kinematics used to determine the final position of the end effector. In addition, the 3 DOF robotic arm has 3 links. As for, simulated robotic movements can be represented using the MATLAB application using the Robotic Tool Kit
Keywords: Arm Robot, Forward Kinematics, MATLAB, Robotic Tool Kit, Design.

## PENDAHULUAN
Pada saat ini teknologi sudah berkembang dengan sangat pesat, terutama pada bidang industri, pada  industri  robot  sangatlah  menarik  perhatian  dikarenakan  robot  memiliki  kelebihan  yang  tidak dimiliki  oleh  manusia  diantaranya  adalah  robot  tidak  mudah  lelah,  menghasilkan  produk  dengan kualitas yang sama ketika mengerjakan suatu pekerjaan secara berulang- ulang dan dapat diprogram ulang  sehingga  dapat  difungsiikan  untuk  beberapa  tugas  yang  berbeda.  Pada  industri  manufaktur khusus  nya  dibidang  otomotif,  contoh  nya  adalah  pada  pemasangan body mobil,  pengelasan, pengambilan  dan  pekerjaan  berat  lainnya.  Dengan  menggunakan  robot  juga  dapat  menurunkan tingkan kecelakaan dan resiko terhadap manusia. Lengan robot memiliki 3 bagian utama yaitu Base ,

## JURNAL TEKNIK MESIN DAN MEKATRONIKA 2022
Link ,  dan end  effector . Joint adalah  sambungan  yang  menghubungkan link satu  dengan link yang lainnya. Joint memiliki dua tipe yaitu prismatic atau sering disebut juga dengan translasi dan revolute atau disebut juga dengan rotasional. Link adalah benda tegar yang terhubung dengan joint. Link juga sering disebut dengan lengan. Sedangkan end effector merupakan bagian lengan robot yang berada pada ujung lengan robot tersebut. Sederhananya end effector adalah gripper yang bi- asanya memiliki dua gerakan yaitu membuka dan menutup. Walaupun lengan robot merupakan salah satu robot yang sering digunakan dalam dunia industri, proses pembelajaran mengenai lengan robot ini cukup sulit [1]
Pada lengan robot, istilah Degree of Freedom (DOF) dikenal. Secara umum, DOF atau derajat kebebasan  adalah  jumlah  arah  independen  yang  diperlukan  untuk  menyatakan  posisi  setiap  tautan relatif terhadap tautan tetap. Dalam merencanakan lengan robot untuk aplikasi tertentu, perlu untuk mempertimbangkan  berbagai  alternatif  yang  akan  digunakan.  Mulai  dari  pemilihan  jenis  drive, konfigurasi robot, jenis sambungan dan lain-lain. [2]
Permasalahan yang muncul dari perancangan pergerakan robot adalah bagaimana robot dapat memindahkan  posisinya  ke  lokasi  yang  diinginkan,  dalam  menyelesaikan  permasalahan  tersebut dapat digunakan suatu metode yaitu kinematika maju (forward kinematics) dan kinematika mundur (inverse  kinematics).  Robot  Kinematika  Terbalik  telah  terbukti  sangat  penting  karena  solusi  yang ditemukan  memberikan  kontrol  atas  posisi  dan  orientasi  lengan  robot.  Studi  telah  menunjukkan bahwa perhitungan kinematika maju dan kinematika terbalik dalam gerakan robot dapat diselesaikan dengan menggunakan matriks aljabar (rotasi translasi), prosedur iteratif atau aplikasi geometris. [3]
Pada  penelitian  ini,  dilakukan  perancangan  awal  untuk  lengan  robot  dengan  tiga  derajat kebebasan (3 Degree of Freedom-DOF ) dengan keluaran berupa gambar perancangan, diagram blok sistem  lengan  robot,  penerapan  metode Denavit-Hartenberg, dan  simulasi  pada  perangkat  lunak MATLAB.  Perlu  diketahui  bahwa  jurnal  ini  menyajikan  perancangan  awal  saja  dimana  pada pengembangan selanjutnya lengan robot akan dirancang lebih lanjut agar dapat dikendalikan denga memanfaatkan  Arduino  sebagai  pengendalinya.  Selain  itu,  lengan  robot  pun  dapat  dikendalikan melalui aplikasi pada smartphone.

## METODOLOGI
Seperti  yang  telah  dijabarkan  sebelumnya,  lengan  robot  dengan  3  DOF  ini  dirancang  untuk menggunakan Arduino sebagai pengendali dan dapat dikendalikan dengan aplikasi pada smartphone . Namun, pada perancangan awal yang disajikan pada jurnal ini hanya mencakup gambar perancangan setiap link, diagram blok sistem lengan robot, penerapan metode Denavit-Hartenberg, dan simulasi pada perangkat lunak MATLAB.
Metodologi  yang mencakup langkah-langkah penelitian yang dilakukan pada perancangan awal ini dapat dilihat pada Gambar 1 .

## Gambar 1 Flowchart Metodologi

## TINJAUAN PUSTAKA

## Robot Lengan
Robot lengan merupakan gabungan dari beberapa segmen dan sendi yang secara umum dibagi menjadi tiga bagian, yaitu : arm, wrist, dan gripper . Robot lengan didefinisikan sebagai lengan yang dirancang untuk memindahkan material, benda, alat tertentu lewat pergerakan yang terporgam untuk melakukan berbagai macam tugas. [4]
Lengan  robot  merupakan  sebuah  robot  yang  berbentuk  seperti  lengan  manusia  yang  memiliki beberapa komponen yaitu:
1. Link
Link merupakan bagian pada lengan robot yang memiliki bentuk tetap dan dapat bergerak. Link antar link biasanya dihubungkan oleh joint .
2. Joint
Joint merupakan penghubung antar link dan juga base yang dapat bergerak aktif. Joint pada lengan robot adalah sebuah aktuator.
3. End Effector
End  effector merupakan  bagian  lengan  robot  yang  berada  pada  ujung  lengan  robot  tersebut. Sederhananya end effector adalah gripper yang biasanya memiliki dua gerakan yaitu membuka dan menutup.
4. Derajat Kebebasan ( Degree of Freedom )
Degree  of  Freedom  (DOF) atau  Derajat  Kebebasan  adalah  sambungan  pada  lengan,  dapat dibengkokkan, diputar, maupun digeser. Derajat kebebasan digunakan untuk mengetahui cara robot bergerak,  tingkat  kerumi-  tan  algoritma  kendali  dan  jumlah  motor  lengan  robot  yang  digunakan. Penentuan jumlah DOF dilakukan berdasarkan jumlah gerakan yang dapat dilakukan oleh atau jumlah aktuator lengan robot
Studi Literatur • Lengan Robot • Forward Kinematics

## Perancangan Lengan Robot
• Desain Link • Desain Joint
• Desain End-Effector • Desain Keseluruhan
Analisis Kinematika • Tabel DH
Simulasi
• MATLAB

## Forward Kinematics
Kinematika  robot  adalah  studi  analisis  pergerakan  kaki  atau  lengan  robot  terhadap  sistem kerangka koordinat acuan yang diam atau bergerak tanpa memperhatikan gaya yang menyebabkan pergerakan tersebut. Model kinematika merep- resentasikan hubungan end effector dalam ruang tiga dimensi  dengan  variabel  sendi  dalam  ruang  sendi.  Forward  kinematika  adalah  metode  untuk menentukan orientasi dan posisi end effector dari besarnya sudut sendi dan panjang link robot [5]

## HASIL DAN ANALISIS Parameter Lengan Robot

## Link 1
Perancangan untuk link 1 yang memiliki panjang 150 mm dengan lebar 500 mm dapat terlihat
pada
Gambar 2 dan
Gambar 3 .

## Gambar 2 Tampak Atas Link 1
Gambar 3 Tampak Samping Link 1

## Link 2
Perancangan untuk link 2 yang panjang 110 mm dengan lebar 350 mm diperlihatkan oleh Gambar 4 , Gambar 5 , dan Gambar 6
Gambar 4 Tampak Atas Link 2
Gambar 5 Tampak Samping 1 Link 2

## Link 3
Perancangan untuk link 3 yang panjang 110 mm dengan lebar 350 mm diperlihatkan oleh Gambar 7 dan Gambar 8 .
Gambar 7 Tampak Atas Link 3

## JURNAL TEKNIK MESIN DAN MEKATRONIKA 2022

## Hasil Perancangan Awal
Gambar 9 merupakan bentuk ketika base dan seluruh link dan joint ketika disatukan diperlihatkan pada
Gambar 9 . Pada Joint terdapat sebuah slot yang digunakan untuk menghubungkan joint dengan link.

## Gambar 9 Hasil Perancangan Awal Lengan Robot

## Diagram Blok Awal
Pada perancangan robot lengan dengan 3 DOF, perancangan sistem kerja secara keseluruhan dari robot  lengan  itu  sendiri  merupakan  sesuatu  yang  penting.  Sistem  kerja  dari  robot  lengan  3  DOF tersebut ditunjukkan pada Gambar 10 .

## Gambar 10 Diagram Blok Awal
Perlu diperhatikan bahwa, lengan robot 3 DOF ini pada akhirnya akan memanfaatkan Arduino dan smartophone untuk pengendaliannya. Oleh karena itu, pada diagram blok yang diperlihatkan pada Gambar 10 , sistem kerja keseluruhan yang dijabarkan diagram blok termasuk pengendalian dengan memanfaatkan Arduino dan smartphone

## Tabel Denavit-Hartenberg
Untuk menentukan tabel DH (Denavit-Hartenberg) yang merupakan langkah awal dari analisis kinematika, diperlukan diagram benda bebas (DBB) untuk lengan robot 3 DOF yang dirancang. Ilustrasi lengan robot diperlihatkan oleh Gambar 11 , sedangkan penggambaran DBB untuk lengan robot 3 DOF diperlihatkan oleh
Gambar 12 .

## Gambar 11 Ilustrasi Lengan Robot 3 DOF

## Gambar 12 Diagram Benda Bebas Lengan Robot 3 DOF
Diagram benda bebas (DBB) pada Gambar  12 ditentukan  dengan  menggunakan  kaidah  aturan  tangan  kanan  dengan  penjabaran seperti yang digambarkan pada

## Berdasarkan DBB yang telah deijabarkan pada
Gambar 12 dihasilkan tabel DH yang diperlihatkan pada Tabel 1 .

## Tabel 1 Tabel DH Lengan Robot 3 DOF
Analisis  ini  dapat  dilakukan  secara  langsung  dengan  mengamati  geometri  robot  menggunakan kaidah  tangan  kanan.  Analisis  DH  merupakan  salah  satu  analisis  algoritmik  yang  dapat  dilakukan pada masalah forward kinematics . Ada empat parameter yang sangat dibutuhkan pada analisis DH:
1. Parameter ai adalah jarak sepanjang Xi dari Oi ke perpotongan (Xi,Zi1)
2. Parameter di adalah jarak sepanjang Zi1 dari Oi ke perpotongan (Xi,Zi1)
3. Parameter dari i adalah sudut yang dibentuk oleh Zi1 dan Zi diukur terhadap Xi
4. Parameter dari i adalah sudut yang dibentuk oleh Xi1 dan Xi diukur terhadap Zi1
Keempat parameter DH tersebut dapat digunakan untuk menentukan sebuah matriks transformasi homogenous, dimana matriks  transformasi homogenous merupakan matriks  yang menggambarkan pose  dari  setiap  link  pada  robot.  Setiap  matriks  transformasi  homogenous  merepresentasikan perkalian  dari  keempat  parameter  DH  tersebut  [7],  dimana  bentuk  dari  matriks  transformasi homogenus adalah seperti pada matriks pada persamaan (1).
(1)
Setelah mengetahui keempat parameter pada tabel DH maka transformasi matriks homogenus pada tiap link dapat ditentukan.
(2)
Matriks pada persamaan (2) merupakan transformasi matriks homogenus pada base terhadap link 1 .
(3)
Matriks pada persamaan (3) merupakan transformasi matriks homogenus pada link 1 terhadap link 2 .

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2022
(4)
Matriks pada persamaan (4) merupakan transformasi matriks homogenus pada link 2 terhadap link 3 .
(5)
Matriks pada persamaan (5) merupakan transformasi matriks homogenus pada link 3 terhadap link 4 . setelah  mendapatkan  hasil  berupa  transformasi  matriks  homogenus  di  tiap link didapatkan  maka transformasi matriks homogenus dari base hingga end effector dengan menggunakan persamaan (6).
(6)
sehingga didapatkan transformasi matriks homogenus dari base sampai ke end effector seperti pada matriks para persamaan (7).
(7
)

## Simulasi MATLAB
Simulasi menggunakan robotic tool kit yang disediakan oleh Pieter-Corke pada aplikasi MATLAB, simulasi dari gerankan lengan robot dapat terlihat. Dengan memasukan besar sudut pada GUI simulasi gerakan dan posisi dari end effector dapat terlihat. Pada Gui yang digunakan seperti pada
Gambar 14 .

## Gambar 14 Graphical User Interface (GUI)
Terlihat  kotak  berwarna  merah  digunakan  untuk  memasukan input berupa  sudut  θ1-θ3,  kotak berwarna merah digunakan untuk menjalankan simulasi dari forward kinemat- ics , kotak berwarna
hijau  digunakan  untuk  menampilkan  posisi  X,Y,Z.  Kotak  berwarna  kuning  digunakan  untuk menampilkan hasil simulasi dari lengan robot.

## Gambar 15 Hasil Simulasi 1
Gambar 15 merupakan simulasi dengan memasukan input sudut sebesar 0 derajat pada θ1-θ3.

## Gambar 16 Hasil Simulasi 2
Gambar 16 merupakan simulasi dengan memasukan sudut sebesar 0 derajat pada θ1, 45 derajat pada  2 dan -45 derajat pada θ3. Posisi end effector juga akan ditampilkan pada command window yang ada pada MATLAB seperti yang ditampilkan pada Gambar 17 .

## Gambar 17 Tampilan Command Window MATLAB

## KESIMPULAN
Penelitian  yang  disajikan  pada  jurnal  ini  merupakan  perancangan  awal  dari  robot  lengan  3  DOF berbasis Arduino yang dapat dikendalikan melalui smartphone . Perancangan awal ini hanya berfokus kepada  gambar  perancangan,  diagram  blok  sistem  lengan  robot,  penerapan  metode Denavit- Hartenberg, dan simulasi pada perangkat lunak MATLAB.
Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa:
1. Forward Kinematics digunakan untuk menentukan posisi akhir end effector
2. Lengan robot 3 DOF memiliki 3 buah Link
3. Simulasigerakanrobotdapatdirepresentasikanmenggu-  nakan  aplikasi  MATLAB  dengan menggunakan Robotic Tool Kit

## RENCANA PENGEMBANGAN
Perancangan  yang  disajikan  pada  jurnal  ini  merupakan  perancangan  awal  yang  masih  harus dikembangkan. Oleh karena itu, adapun rencana pengembangan yang akan dilakukan, antara lain:
1. Perancangan sistem kendali berbasis Arduino untuk pengendalian lengan robot 3 DOF
2. Pembuatan aplikasi smartphone untuk pengendalian lengan robot 3 DOF
3. Implementasi nyata lengan robot 3 DOF
4. Pengujian pada implementasi nyata yang telah dibuat

## DAFTAR PUSTAKA
[1] I. H. Ayega, “Studi dan Implementasi Teknik Pemodelan dan Pengontrolan Lengan Robot Tiga Derajat Kebabasan,” Universitas Katolik Parahyangan, 2020.
[2]  R.  Siegwart, Introduction  to  Autonomous  Mobile  Robots .  Massachusetts  London,  England:  A Bradford Book The MIT Press Cambridge, 2004.
[3] A. B. Dharmawan and L. Lina, “Penerapan Metode Denavit-Hartenberg Pada Perhitungan Inverse Kinematics Gerakan Lengan Robot,” J. Muara Sains, Teknol. Kedokt. dan Ilmu Kesehat. , vol. 1, no.
1, pp. 287–292, 2017, doi: 10.24912/jmstkik.v1i1.441.
[4] F. Sigit Suyantoro, Robotika - Teori dan Implementasinya , 1st ed. Yogyakarta, 2010.
[5] Setiawan Surya, “Penerapan Invers Kinematika untuk Pergerakan Kaki Robot Biped,” 2015.
[6]  “Right  Hand  Rule.”  https://www.pasco.com/products/guides/right-hand-rule  (accessed  Jul.  11, 2022).
[7] M. W. Spong and M. Vidyasagar, Robot Dynamics and Control . John Wiley Sons, 2008.