Rancang Bangun Robot Bawah Air Berbasis Remote Control Menggunakan Mikrokontroller Atmega 128

Table of Contents

Latar Belakang : Robot adalah segala peralatan otomatis yang dibuat untuk menggantikan fungsi yang selama ini dikerjakan oleh manusia. Namun dalam perkembangan selanjutnya, robot diartikan sebagai manipulator multifungsional yang dapat diprogram, yang dengan pemrograman itu ditujukan untuk melakukan suatu tugas tertentu (Yunifa, 2013).  Salah satu robot yang penting dibangun untuk membantu kemudahan manusia adalah robot bawah air (underwater). Robot bawah air diperlukan guna menjadi alat yang penting untuk mengekplorasi rahasia kehidupan bawah laut (Yuh, 1990). Jika dikaitkan dengan Negara Indonesia yang perairan lautnya luas, maka wilayah perairan Indonesia, terutama selat-selat yang menghadap Lautan Hindia dan Samudera Pasifik ternyata memiliki arus laut yang kuat sehingga menyimpan potensi yang bisa dimanfaatkan secara maksimal untuk membangkitkan energi listrik dari sumber energi yang terbarukan (esdm.go.id, 2014). 

Menurut Prof. Safwan Hadi, Ph.D, kekayaan alam diperairain Indoensia sungguh melimpah dan belum dapat di ekplorasi secara maksimal. Klasifikasi potensi lautan Indonesia pada umumnya dibedakan menjadi sumber daya terbarukan (renewable resources) dan tidak terbarukan (non-renewable resources). Untuk renewable resources, Indonesia memiliki potensi seperti sumber daya perikanan (perikanan tangkap dan budidaya), mangrove, terumbu karang, padang lamun, energi gelombang, pasang surut, angin dan suhu. Sedangkan untuk non-renewable resources, potensi lautan tersebut tersebar dalam bentuk sumber daya minyak dan gas bumi dan berbagai jenis mineral. Selain dua jenis sumber daya tersebut, juga terdapat berbagai macam jasa lingkungan kelautan yang dapat dikembangkan untuk pembangunan kelautan seperti pariwisata bahari, industri maritim, jasa angkutan, dan sebagainya (itb.ac.id, 2014). Robot bawah air dikembangkan untuk menggantikan posisi manusia dalam mengeksplorasi bawah laut. Eksplorasi dalam hal ini memiliki makna luas, mulai dari eksplorasi sederhana semacam pengamatan ekosistem bawah laut, hingga eksplorasi berisiko tinggi seperti pengambilan sampel dasar laut untuk mendeteksi logam tambang pada kedalaman lebih dari 1000m. Eksplorasi seperti itu tetap dapat dilakukan tanpa perlu campur tangan manusia langsung dalam mengeksplorasi. Dengan menggunakan robot bawah air, manusia hanya menunggu di daratan untuk selanjutnya tugas menjelajah bawah air dilakukan oleh robot (Putri, 2012). 

Berdasarkan uraian tersebut, diperlukan penelitian khusus untuk menciptakan robot bawah air. Perakitan robot bawah air ini diharapkan dapat memenuhi kebutuhan penelitian bawah air, terutama bagi negara yang cakupan perairannya luas seperti Indonesia. Kebutuhan penelitian bawah air tersebut meliputi kebutuhan terhadap pemeliharaan sumber-sumber air bersih dari pencemaran, pencarian potensi laut dalam, kajian arkelologi bawah air, penyelidikan sains samudera serta pemetaan dan pengukuran bawah air. Kebutuhan penelitian bawah air tersebut menyebabkan kegiatan penelitian robot bawah air menjadi salah satu bidang teknologi robot yang penting dan terus berkembang pula.

Penelitian Terkait : Penelitian terdahulu sangat penting guna menemukan titik perbedaan maupun persamaan dengan penelitian yang akan dilakukan. Selain itu, penelitian terdahulu juga berguna sebagai perbandingan sekaligus landasan dalam penelitian tersebut. Penelitian robot bawah air pernah dilakukan oleh Yuh (1990), robot bawah yang diteliti adalah robot bawah air jenis pengendali dari jarak jauh (Remotely Operated Vehicles). Robot bawah air diperlukan guna menjadi alat yang penting untuk mengekplorasi rahasia kehidupan bawah laut. Yuh meneliti tentang model dinamis yang dapat diterapkan untuk robot bawah air, hal ini mutlak diperlukan karena berbagai hambatan yang dialami oleh robot yang bawah air meliputi cara mengatasi kepadatan bawah air yang tinggi, air laut yang terstruktur dan memiliki kondisi lingkungan yang bersifat non-uniform. Berbagai masalah tersebut menyebabkan respon robot bawah air terlampau sulit dan membuat tingkat otonomi robot juga sulit untuk dicapai. Penelitian tersebut telah menyajikan model dinamis dan system control adaptif untuk robot bawah air jenis Remotely Operated Vehicles (ROVs). Model dinamis pada ROVs dijelaskan menggunakan enam rangkaian non-linear yang dipasang dalam kendaraan berbentuk perangkat hidrodinamik. Melalui komponen tersebut, robot bawah air dalam uji cobanya tidak mengalami efek pergerakan fluida oleh gelombang air. 

Penelitian juga dilakukan oleh Wettergreen, et al (1999) tentang robot bawah air. Robot bawah air memerlukan bimbingan dan control yang memadai untuk melakukan tugas-tugas yang berguna selama berada di bawah air. Metode yang dapat digunakan untuk membimbing robot bawah air adalah control servo secara visual. Untuk mengkoordinasikan dan mengkontrol thruster, model yang kompleks serta mengkontrol skema robot dapat digantikan menggunakan pendekatan connectionist learning, yaitu penguatan pembelajaran menggunakan sinyal reward dan memperbanyak interaksi dengan lingkungan untuk membentuk suatu perilaku yang diharapkan. Hal tersebut dilakukan dengan menggabungkan bimbingan berbasis visi menggunakan neuro-controller yang dilatih oleh penguat pembelajaran. Tujuan dilakukannya penelitian tersebut adalah untuk mengaktifkan robot bawah air guna dapat melakukan pemberhentian pada batu-batu karang yang ada didalam laut. Hasil penelitian tersebut adalah fitur metode pelacakan dan skema untuk melakukan bimbingan berbasis control servo secara visual. Selain itu, neuro-controller yang menjadi tambahan pada robot membantu mengatasi permasalahan yang selama ini terjadi pada robot bawah air berjenis Autononomous Underwater Vehicles (AUVs). 

Penelitian Bokser (2003) menjabarkan mengenai robot kecil bawah air yang dirancang khusus untuk percobaan menggunakan jaringan sensor aktuator. Robot tersebut didasarkan pada platform mote yang digunakan secara ekstensif dalam sensor jaringan kominitas sebagai testbed eksperimental. Tes awal untuk pengaturan dalaman robot dalam air dan pengaturan suhu bawah air akan dianalisis. Pada ahap pengujian, serangkaian tes dilakukan untuk pembuktian platform. Pengujian dengan mengukur tekanan dan kedalaman menghasilkan bukti linear, yaitu tekanan dan kedalaman air ternyata berbanding lurus dalam mempengaruhi kinerja robot. Perbaikan lain yang diperlukan oleh robot bawah air adalah cara untuk memperpanjang daya tahan baterai robot. Baterai sangat meempengarui kualitas komunikasi antara system robot dengan system minimum dalam pengontrol. Selain itu, teknik sederhana dalam memanajemen daya akan dapat mengubah kekuatan penggunaan motor robot. Penelitian lanjutan adalah mengembangkan fungsi ALITY pada pergerakan robot bawah air, dan mewujudkan jaringan tesbed pada robot. 

Adrianyah (2008) meneliti bahwa perancangan robot harus mengatasi beberapa masalah. Kompleksitas dan ketidaktahuan yang sempurna tentang lingkungan dan situasi yang akan dihadapi, kemampuan untuk mempresepsikan keadaan berdasarkan informasi yang didapati dari sensor yang terkadang tidak akurat, dan kemampuan mengambil keputusan tentang pergerakannya dalam waktu yang terbatas adalah contohnya. Di sisi lain, kebutuhan terhadap penelitian bawah air cukup tingg., Oleh karena itu, penelitian tersebut berupaya untuk membahas perancangan robot bawah air yang lebih baik demi mengatasi masalah-masalah yang disebutkan. Perancangan tersebut difokuskan kepada kemampuan robot untuk bermanuver dan bergerak dengan efektif di bawah air. Agar manuver dan pergerakan robot efektif, maka diajukan suatu arsitektur pengendali tertentu, yaitu arsitektur pengendali robot berbasis perilaku. Beberapa eksperimen akan dilakukan untuk menguji efektifitas manuver dan pergerakan robot bawah air tersebut. Metode pengendali berbasis perilaku adalah pendekatan yang diinspirasi oleh struktur umum sistem biologi makhluk hidup, yaitu sistem yang berasaskan pada falsafah dari bawah ke atas (bottom-up philosophy), dimana tugas-tugas robot dibagi ke dalam beberapa kerja-kerja kecil yang harus diselesaikan oleh robot pada satu waktu tertentu. Kerja-kerja kecil itu disebut dengan perilaku (behavior). Prinsip-prinsip penting arsitektur pengendali berbasis perilaku yang membuatnya menjadi alternatif dibanding arsitektur pengendali lainnya adalah: parallelism, modularity, situatedness, embodiment, dan emergence. Beberapa behavior yang biasanya terdapat pada sebuah robot antara lain adalah: menujur target (goal seeking), mengikur dingind (wall following), menghindar rintangan (obstacle avoiding) dan kembali ke tempat semula (homing). Hasil akhir penelitian tersebut adalah hasil simulasi robot bawah air yang menunjukan bahwa pergerakan robot, baik pergerakan dasar maupun kombinasinya memiliki karakteristik yang andal.

McGrath, et al (2008) dalam penelitiannya tentang robot bawah air LEGO mengemukakan bahwa salah satu cara mudah untuk membangun robot bawah air untuk siswa dan mahasiswa adalah menggunakan LEGO Mindstorms kit, yaitu seperangkat komponen robot yang dapat dengan mudah untuk dibongkar dan dipasang kembali. Perancangan yang sederhana dan pemrograman NXT yang mudah dimengerti akan membuat siswa yang merancang robot dapat melakukan eksplorasi lebih jauh. Robot dapat diimplementasikan dalam bidang matematika, konsep fisika apung, hokum newton, momentum, kepadatan dan lain sebagainya. 

Putri (2012) melakukan penelitian tentang robot bawah air untuk pemetaan dengan nama STROMS. STROMS adalah robot yang dirancang untuk bisa bekeja di bawah air guna pemetaan bawah laut. Cara kerjanya hampir sama seperti robot darat pada umumnya. Sedangkan dari sisi desainnya, robot ini memiliki tingkat kerumitan yang lebih tinggi daripada robot darat. Hal ini disebabkan karena STROM didesain untuk mampu menyelam sehingga harus memperhitungkan keseimbangan robot bila dioperasikan di dalam air. STROMS memiliki 7 sensor antara lain: 4 sensor jarak, 1 sensor pH, 1 sensor tekanan, 1 sensor suhu. Robot ini juga memiliki 1 buah kamera yang berguna untuk pemetaan bawah laut secara visual. Seperti yang dijelaskan pada subbab sebelumnya, pemetaan yang dilakukan oleh STROMS tidak hanya pemetaan secara visual saja tetapi juga pemetaan terhadap pH, tekanan, dan suhu. Desain STROMS dibuat mirip dengan ikan, tentu saja robot ini memiliki sirip yang berguna untuk mempermudah gerak robot. 

Pemetaan yang dilakukan oleh STROMS memiliki batasan sebagai berikut yaitu semua sistem pemetaan akan aktif jika tekanan air kurang dari 50 dbar (5 bar) atau setara dengan kedalaman kurang dari 50 meter, jika kedalaman selam robot lebih dari 50 meter maka robot akan mengaktifkan motor clockwise sehingga robot naik ke atas, kamera akan mengambil gambar pada ketinggian antara 150-200 cm di atas dasar laut yang terdeteksi, robot akan menyelam serta mampu menghindari objek di depan, samping kanan, samping kiri dengan jarak aman lebih dari 1 meter, artinya jika di depan robot ada suatu objek dengan jarak kurang dari 1 meter dari robot maka robot akan berenang menghindarinya, jika semua keadaan memenuhi maka pemetaan akan dilakukan tiap 5 detik, tiap 5 detik juga LED di sekitar kamera akan aktif. Pemetaan di sini berarti kamera mengambil gambar, sensor tekanan, sensor suhu, sensor pH mengambil data.  Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan pada software CX-Programmer maka dapat disimpulkan bahwa STROMS termasuk robot bawah air jenis AUV, dalam pembuatan ladder programnya, STROMS terdiri atas 9 input dan 9 output. Ladder program yang dibuat dapat disimulasikan dengan baik.

Prosedur Penelitian : Tahap ini menjelaskan tentang tata cara penelitian ini dilaksanakan tahap demi tahap. Prosedur penelitian dapat digambarkan seperti pada diagram berikut : 

Analisis Jenis Robot Underwater : berdasarkan sistem pengendaliannya robot bawah air dibagi menjadi menjadi dua jenis yaitu Autonomous Underwater Vehicles (AUV) dan Remoted Operated Vehicles (ROV). AUV adalah kendaraan bawah air yang mampu bergerak di dalam air secara otomatis tanpa adanya kontrol langsung dari manusia. Sedangkan ROV adalah kendaraan bawah air yang gerakannya dikendalikan secara langsung oleh manusia melalui remote kontrol dari atas permukaan air (Putri, 2012). Maka, focus robot bawah air yang akan dibangun pada penelitian ini adalah Remote Operated Vehicles (ROV) dengan pertimbangan mudah untuk dikendalikan dan leluasa untuk memanfaatkan fungsinya. 

Analisis Komponen Mekanik : Komponen mekanik adalah semua bahan-bahan pada tubuh robot yang dapat difungsikan tanpa adanya energi listrik. Komponen mekanik berperan penting dalam perakitan robot bawah air. 

Berikut komponen-komponen mekanik yang dibutuhkan untuk merancang bangun  robot bawah air : 

1. Kipas baling-baling maju-mundur, diperlukan sebagai penggerak utama robot bawah air. Kipas tersebut berfungsi selayaknya roda untuk robot yang bergerak didaratan. Jika remote control memberikan perintah berupa pergerakan maju maupun mundur, maka kipas inilah yang berfungsi untuk menggerakkan robot bawah air untuk dapat bergerak maju maupun mundur. Kipas ini juga berfungsi untuk melalukan putaran kea rah kiri maupuan kanan dengan cara mematikan salah satu kipas baling-baling apabila berbelok arah. 
2. Kipas baling-baling naik-turun, memiliki fungsi yang sama dengan kipas maju-mundur, hanya saja kipas baling-baling naik turun ini berfungsi untuk menjaga keseimbangan ketika robot bergerak terlampau jauh ke dasar perairan maupun untuk menurunkan robot menuju dasar perairan. 
3. Pipa, adalah komponen yang dapat melindungi komponen elektronik dari gangguan air yang dapat merusakkan komponen elektronik. 
4. Aluminium, berfungsi sebagai komponen pembentuk kerangka robot bawah air. 
5. Spacer, adalah komponen untuk menjaga jarak antar kerangka robot. Melalui spacer, robot akan memiliki bentuk yang proporsional agar jarak komponen tidak terlalu berdesakan. 

Analisis Komponen Elektronik, Komponen elektronik adalah semua komponen pada robot yang dapat difungsikan dengan bantuan energy listrik yang bersumber dari baterai robot. Melalaui komponen inilah, robot dapat diberikan perintah untuk melakukan fungsi tertentu sesuai dengan program yang diberikan. 

Komponen-komponen elektronika yang diperlukan oleh robot bawah air antara lain : 

a. Remote control transmitter

b. Data Logger

c. Remote control receiver

d. Mikrokontroller atmega128

e. Elektromagnetik

f. Sensor ultrasonic

g. Driver motor

h. Motor DC

i. Motor brushless

j. Electric Speed Control

Sistem kontrol, adalah seperangkat aturan yang difungsikan untuk mengatur kendali pada robot bawah air. Sistem control tersebut berperan penting untuk mengatur perintah agar robot bawah air dapat bergerak sesuai dengan intruksi yang dikendalikan oleh pemegang kendali. 

Untuk mengatur kendali, maka system kendali akan dibagi menjadi beberapa bagian subsistem, antara lain : 

a. Input

b. Output

c. Control

Input adalah data yang masuk dalam sistem kontrol untuk kemudian diolah oleh suatu algoritma tertentu dan digunakan untuk mempengaruhi kerja output. Pada robot bawah air jenis ROVs seperti yang dirancang sekarang, maka input didapatkan dari remote control sebagaimana yang diilustrasikan oleh gambar 3.3. Sedangkan, output dihubungkan dengan motor untuk menggerakan baling-baling. Baling-baling bergerak sesuai dengan instruksi input yaitu dapat bergerak maju-mundur, kanan-kiri tauapun atas-bawah. Perubahan gerak output tergantung dari input dan algoritma yang ditanamkan ke dalam sistem kontrol. Sistem control yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah atmega128. Berfungsi sebagai pengatur utama segala bentuk gerakan yang dihasilkan dari instruksi input. Dalam melakukan komunikasi, system control akan menerima masukan berupa sinyal yang berasal dari remote control pengendali. Oleh system control, sinyal tersebut diterjemahkan dan disesuaikan dengan perintah yang telah terprogram dalam atmega128. Hasil dari pengolahan perintah tersebut akan diteruskan dalam keluaran berupa pergerakan baling-baling. 

Desain system, menggambarkan tentang keseluruhan system yang dibangun pada robot bawah air menggunakan diagram blok. Sistem kerja robot bawah air dimulai dari masukan berupa control oleh pengendali menggunakan remote control. Hasil masukan tersebut diterima oleh receiver sinyal yang berada pada tubuh robot. Kemudian sinyal akan diteruskan untuk diterjemahkan oleh system kendali mikrokontroller atmega128. System kendali akan meneruskan masukan menjadi keluaran yang disesuaikan dengan perintah yang terprogram dalam mikrokontroller. Hasil keluaran yang dihasilkan adalah putaran motor DC yang terhubung dengan kipas baling-baling. Secara keseluruhan, desain system dapat digambarkan seperti pada gambar berikut : 

Desain Visual Robot, Perancangan berupa visualisasi bentuk robot diperlukan untuk menggambarkan realisasi robot yang akan dibangun. Desain visual robot juga menjadi rujukan untuk merakit robot bawah air hingga proses penyelesaian akhir. 

Sebagaimana yang tergambar pada gambar 3.5, robot bawah air akan dirancang memanjang seperti bentuk rudal yang dilengkapi dengan 2 baling-baling atas-bawah dan 2 baling-baling maju-mundur dan kanan kiri. Dimensi robot bawah air akan dibangun dengan panjang maksimum 30 cm, lebar 15 cm serta tinggi 10 cm.

Kesimpulan, Berdasarkan uraian yang telah dijabarkan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa rancang bangun robot bawah air dimungkinkan untuk direalisasikan. Robot bawah air yang dirancang adalah robot bawah air kategori Remote Operated Vehicles (ROVs) menggunakan remote control agar dapat dikendalikan. Sementara itu, system control pada robot bawah air menggunakan mikrokontroller atmega128 dengan kelebihan yang tidak dimiliki oleh atmega jenis lain. Perakitan robot bawah air ini diharapkan dapat memenuhi kebutuhan penelitian bawah air, terutama bagi negara yang cakupan perairannya luas seperti Indonesia. Kebutuhan penelitian bawah air tersebut meliputi kebutuhan terhadap pemeliharaan sumber-sumber air bersih dari pencemaran, pencarian potensi laut dalam, kajian arkelologi bawah air, penyelidikan sains samudera serta pemetaan dan pengukuran bawah air. Kebutuhan penelitian bawah air tersebut menyebabkan kegiatan penelitian robot bawah air menjadi salah satu bidang teknologi robot yang penting dan terus berkembang pula.

Daftar Pustaka, 

• Miftachul Arif, Yunifa. September 2011. Hardware Control Pada Robot Pemindah Bunga. Jurnal MATICS, No. 4, Vol. 4. 
• Yuh, J. Desember 1990. Modeling and Control of Underwater Robotic Vehicles. Ieee Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 20, No. 6. 
• Wettergreen, David, et al. 1999. Autonomous Guidance and Control for an Underwater Robotic Vehicle. Robotic Systems Laboratory, Department of Systems Engineering, RSISE, Australian National University, Canberra, ACT 0200 Australia. 
• Bokser, Vitaly, et al. 2003. A Small Submarine Robot For Experiments In Underwater Sensor Networks. Department of Computer Science, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089. 
• Adriansyah, Andi. 2008. Perancangan Pergerakan Robot Bawah Air. Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana, Jl. Raya Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta Barat 11650
• McGrath, Beth, et al. 2008. Underwater LEGO Robotics as the Vehicle to Engage Students in STEM: The BUILD IT Project’s First Year of Classroom Implementation. Stevens Institute of Technology. Columbia University
• Putri, Tri Wahyu O. 2012. Robot Bawah Air Untuk Pemetaan Dasar Laut Berbasis PLC Omron. Tugas Mata Kuliah Teknik Otomasi. Universitas Brawijaya, Malang
• ITB. Prof. Safwan Hadi, Ph.D: Energi Listrik Alternatif Berbasis Arus Laut Indonesia. http://www.itb.ac.id/. Diakses tanggal 24 Mei 2015
• ESDM. Wilayah Perairan Indonesia Simpan Potensi Energi Listrik Dari Arus Laut. http://esdm.go.id/ . Diakses tanggal 24 Mei 2015

Versi PDF bisa teman-teman baca dan download disini :