ACTUATOR pada ROBOT

Hiiii semua-nya, pada bagian ini kita akan membahas mengenai actuator yang umumnya digunakan dalam dunia robotika, khususnya yang berbasis elektronik. Ada 3 jenis actuator/transduser dasar penghasil gerak yang umum digunakan, yaitu:
1. Motor DC standar
2. Motor Servo
3. Motor stepper
Ketiga jenis transduser diatas ini akan mengubah energi listrik/elektromagnetik menjadi energi gerak mekanik berupa gerakan rotasi atau torsi. Dengan menggunakan mekanika transformator lainnya, gerakan rotasi tersebut dapat dibuah menjadi gerakan translasi atau gerakan lain yang diinginkan. Penjelasan lebih lanjut mengenai ketiga jenis penggerak tersebut dapat diliat pada sub bagian dibawah ini:
A. Motor DC standar

Gambar 1 – Contoh-contoh Motor DC standar
(source: www.wikimedia.org and www.inexglobal.com)
Motor DC merupakan suatu rangkaian motor yang dapat merubah suatu besaran listrik menjadi suatu bentuk sistem gerak mekanik. Dari namanya saja terlihat bahwa, motor DC memerlukan sumber listrik secara searah (DC) agar dapat mengkonversinya dalam bentuk gerak mekanik. Prinsip kerja motor DC seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.

Gambar 2 – Prinsip dasar motor DC
(Source: www.hyperphysics.phy-astr.gsu.edu)
Keuntungan Motor DC
+ Sederhana
+ Paling banyak digunakan untuk mobile robot.
+ Tingkat kebisingannya rendah
+ Dapat memberikan daya yang memadai untuk tugas-tugas berat
Kekurangan Motor DC
- Belum memiliki sistem feedback (umpan balik)
- Memerlukan arus yang cukup, biasanya memerlukan penguat arus (lihat gambar 3)
- Memerlukan rangkaian tambahan untuk mengatur kecepatan atau posisi motor
- Memerlukan rangkaian tambahan untuk mengatur arah putaran motor

Gambar 3. Rangkaian penguat arus pada motor DC
Namanya manusia, melihat kekuarangan-kekuaranga motor DC, seperti yang disebutkan diatas, pasti akan merasa tidak puas. Oleh karena itu orang berusaha untuk mengembangkan 2 jenis actuator baru. Karena merupakan pengembangan, kedua jenis actuator ini, yaitu motor servo dan motor stepper, masih menggunakan motor DC sebagai komponen utamannya. Penjelasan lebih lanjut mengenai motor servo dan motor stepper dapat dilihat pada sub bagian selanjutnya.
B. Servo Motor
Sebagai pengembangan dari motor DC, motor Servo memiliki beberapa tambahan beberapa komponen elektronika dan gear makanik. Tambahan komponen elektronik digunakan agar servo dapat dikendalikan dengan metoda PWM. Sedangakan gear-gear mekanik berfungsi untuk meningkatkan keakuratan dari perputaran motor DC di dalamnya, sehingga pengguna motor servo dapat mengendalikan posisi rotasi motor servo.


Gambar 4. Motor Servo
(Source: www.pyroelectro.com and www.seattlerobotics.org)
Motor servo sendiri mempunyai 3 kabel, yaitu Vcc, ground dan PWM input (lihat Gambar 5). Tidak seperti PWM pada motor stepper, input sinyal untuk servo tidak digunakan untuk mengatur kecepatan, tetapi digunakan untuk mengatur posisi dari putaran servo. Sinyal PWM untuk servo mempunyai yang frekuensi 50 Hz, maka pulsa yang dihasilkan memiliki periode 20ms. Sebagai contoh, sebuah pulsa 0.7ms akan memutarkan disk servo ke posisi kiri (-120 derajat), dan pulsa 1.7ms akan memutarkan disk ke posisi kanan (+120 derajat). Ada dua jenis servo yang umumnya digunakan:
a. Servo motor standar dilengkapi dengan motor DC untuk mengendalikan posisi sebuah robot. Rotor motor dapat diputar/diposisikan hingga 180 derajat.
b. Servo motor continuous, dapat berputar hingga 360 derajat. Umumnya kita membeli servo continuous karena dapat berputar 360 derajat, namun anehnya harganya lebih murah dibandingkan servo standar yang derajat putarannya terbatas.

Gambar 5. Input-output pada motor servo.
Servo motor biasa digunakan untuk mengendalikan gerak dari toys (mainan) , hobist, pada pesawat terbang model, mobil, kapal, pesawat, perahu, atau helikopter. Aplikasi servo umumnya pada sistem closed control loop. Motor tersebut harus dapat menangani perubahan yang cepat pada posisi, kecepatan dan percepatan, serta harus mampu menangani intermittent torque.
Kelebihan Servo motor:
 Memiliki daya output yang relatif tinggi dibanding dimensi dan beratnya.
 Encoder determines accuracy and resolution.
 Tingkat efisiensi tinggi, dapat mencapai 90% untuk beban yang ringan
 Rasio perbandingan torsi dan inersia motor servo cukup tinggi. Hal ini menyebabkan motor servo dapat mempercepat gerakan bebannya.
 Memiliki tenaga “cadangan”, 2 sampai 3 kali untuk 1 periode singkat.
 Memiliki torsi “cadangan”, 5-10 kali untuk 1 periode yang singkat.
 Motor pada motor servo umumnya lebih dingin, karena servo motor umumnya digunakan pada beban yang ringan.
 Dapat bekerja pada torsi yang tinggi, dapat mencapai 90% dari NL RPM.
 Tingkat kebisingan relaitf rendah pada kecepatan tinggi.
 Resonance and vibration free operation.
Kekurangan servo:
- Tidak menyediakan feedback.
- Requires "tunning" to stabilize feedback loop. Motor "runs away" when something breaks.
- Memerlukan rangkaian yang aman.
- Kompleks, memerlukan encoder.
- Brush pada motor servo memiliki umur rata-rata hingga 2000 jam, lebih dari itu maka perlu mengalami perawatan (service).
- Torsi maksimal dibatasi 1% duty cycle.
- Motor dapat rusak jika mengalami kelebihan beban terus-menerus..
- Bewildering choice of motors, encoders, and servo drives.
- Untuk mencapai torsi maksimal membutuhkan suplai arus 10 kali kebutuhan arus rata-rata.
- Motor develops peak power at higher speeds. Gearing often required.
- Memiliki sistem pendinginan yang buruk, karena motor dengan ventilasi dapat mudah terkontaminasi dengan debu atau benda-benda lain yang mengganggu.

C. Motor Stepper
Motor stepper juga merupakan pengembangan dari motor DC biasa. Umumnya motor stepper digunakan untuk daya gerak, pengarah dan pengendali posisi robot. Motor stepper sangat unik, karena dapat dikendalikan dengan sirkuit digital, dan sangat ideal untuk menggerakkan robot secara rotasi (berputar) dan posisi linear/garis lurus. Karena digunakan pada industri secara luas, motor stepper memiliki banyak variasi, baik ukuran maupun spesifikasinya. Sangat sulit untuk memposisikan rotor dari motor stepper secara tepat. Perlu diketahui, tidak semua motor stepper memutar rotor dengan nilai yang sama tiap langkahnya, karena motor stepper dibuat dengan derajat rotasi yang berbeda-beda setiap langkahnya. Untuk menghasilkan derajat rotasi yang optimal sangat tergantung dari penggunaan motor stepper itu sendiri. Contoh derajat rotasi yang mungkin terbentuk antara lain 72 derajat dan 22.5 derajat. Putaran motor stepper juga tergantung dari nilai digital yang diberikan ke stepper tersebut.
Keuntungan Motor Stepper:
 Stabil, karena dapat menggerakan beban dalam rentang yang luas, baik beban inersia maupun beban friksi.
 Tidak memerlukan umpan balik, karena motor itu sendiri juga berfungsi sebagai position transducer.
 Relative tidak mahal untuk berbagai sistem pengendali gerak.
 Standardized frame size and performance.
 Plug and play, artinya mudah dipasang dan digunakan. Easy to setup and use.
 Aman, karena saat ada yang rusak maka motor akan langsung berhenti.
 Memiliki umur pakai yang cukup lama. Biasanya bearing yang mengalami yang aus (wear-out).
 Sangat baik bekerja pada torsi yang rendah, karena dapat mengangkut beban yang banyak tanpa menggunakan sistem transmisi (gearing).
 Excellent repeatability. Returns to the same location accurately.
 Overload safe. Motor cannot be damaged by mechanical overload.

Kekurangan motor stepper
- Tingkat efisiensi motor stepper cukup rendah. Motor tetap menyerap tenaga yang besar meskipun bebannya rendah.
- Torsi berbanding terbalik dengan kecepatan, sehingga untuk kecepatan yang tinggi maka torsi yang dihasilkan sangat rendah.
- Memiliki tingkat akurasi yang rendah. Misalnya, 1:200 untuk beban maksimal sedangkan 1:2000 untuk beban yang rendah.
- Cenderung berresonansi atau begetar, oleh karena itu memerlukan Requires microstepping agar dapat bergerak secara halus (smoothly).
- Tidak memerlukan umpan balik untuk mengidentifikasi step yang terlewat (missing).
- Rasio perbadingan torsi terhadap inersia yang tergolong rendah, sehingga tidak dapat menambahkan beban secara cepat.
- Motor dapat menjadi sangat panas saat bekerja pada kemampuan maksimalnya.
- Motor will not "pick up" after momentary overload.
- Motor cenderung bising pada kecepatan menengah hingga kecepatan tinggi.
- Memiliki output tenaga yang rendah dibandingkan ukura dan berat motor.

Semoga berguna bagi pembaca sekalian. Terima Kasih banyak. 

Daftar Pustaka:

[1] Annas, Khairul. 2009. Mengenal Robot.  23 September 2011, 17:49:59 GMT http://khairul-annas.blogspot.com/2009/04/mengenal-robot.html

[2] Mariss (from www.geckodrive.com). 2011. Advantages & Disadvantages of Stepper Motors & DC Servo Motors. 4 Desember 2011, 06:37:24 GMT. http://www.machinetoolhelp.com/Automation/systemdesign/stepper_dcservo.html

[3] Science and Technology Studies. 2011. Perbedaan Motor DC, Motor Stepper, dan Motor Servo. 4 Februari 2011, 23:29 WIB. http://www.facebook.com/note.php?note_id=162743543775407&comments