A Bio-Inspired Small-Sized Wall-Climbing Caterpillar Robot

Houxiang Zhang1, Wei Wang2,Juan Gonzalez-Gomez3 and Jianwei Zhang1

1. University of Hamburg ermany2. Beijing University of Aeronautics and Astronautics hina

3. School of Engineering, Universidad Autonoma de Madrid pain1. Pendahuluan

Climbing robot atau selanjutnya disebut robot pemanjat adalah robot yang bergerak dalam bidang vertical dan bergerak melawan gaya gravitasi. Dalam 15 tahun terakhir, penelitian terkait robot ini sudah sangat berkembang di seluruh dunia untuk aplikasi sebagai penjelajah lingkungan berbahaya dan tak berawak.

Tujuan dari makalah ini adalah untuk memaparkan tentang Bio-Inspired Small Sized Wall-Climbing Caterpillar Robot. Makalah ini mengkombinasikan teknologi pemanjatan yang terinspirasi hewan agar dapat bekerja dengan lebih fleksibel dalam lingkungan kerjanya.

2. Penelitian dan Literatur terkait

2.2 Mekanisme Pemanjatan pada caterpillar robot

Robot pemanjat adalah salah satu robot mobile. Dua hal penting yaitu prinsip adhesi dan dan kinematika mekanis.

Untuk prinsip adhesi biasanya menggunakan mekanisme sebagai berikut

1. Penghisap vakum

2. Gripper

3. Baling-baling

Untuk Kinematika mekanis telah banyak yang diteliti seperti

1. Robot multi-legged

2. Robot beroda

3. Robot Roda-rantai (Tank)

4. Robot ular ( robot tanpa kaki)

5. Robot dengan frame geser

2.3 Robot mobile bio-inspired dan metode kontrolnya

Penelitian Robot mobile bio-inspired dan metode kontrolnya

1. Robot RiES (Spenko, et al., 2008) mengadopsi pergerakan kecoa

2. BigDog (Raibert, et al., 2008) & Robot Littledog (Pongas, et al., 2007) robot berkaki 4

3. SES-2 (Ute, et al., 2002), WormBot (Conradt, et al., 2003) robot tanpa kaki

4. EPFL’s Bio-inspired Robotics Laboratory (Ijspeert, 1998). Mengadopsi jaringan neuron Central Pattern Generators (CPGs).

3. Robot Pemanjat Caterpillar dari inspirasi Biologis

3.1 Mekanisme pemanjatan Caterpillar

Caterpillar adalah pemanjat paling sukses dan dapat bermanuver dalam 3 dimensi. Terdiri dari

kepala dan leher, badan dengan beberapa segmen dan ekor. Pergerakanya tergantung pada mengembang

dan penyusutan otot. Dapat menekuk, membelit dan menyiut.

Caterpillar memiliki keuntungan sebagai berikut dalam memanjat dibanding dengan hewan lain dari

sudut pandang desain sistemnya.

1. Memiliki panjang yang bagus untuk rasio momen balik. Semakin besar rasio momen balik dari

desain mekanik robot lebih baik untuk mengetahui pelekatan yang dapat diandalkan dan

mengurangi bahaya saat memanjat.

2. Desain modular terdistribusi: Caterpillar merupakan beberapa segmen yang sama, sehingga

massa dari badan terdistribusi ke semua segmen.

Dalam paper ini kita fokus pada konfigurasi inchworm untuk alassan berikut ini

1. Inchworm menunjukan perilaku yang berbeda dari ulat biasa. Walaupun inchworm juga terdiri

dari 3 anggota badan, kepala, ekor dan batang tubuh.

2. Struktur badan yang sederhana , inchworm harus mengadaptasi perilaku sederhana untuk

bergerak.

3. Hanya ada satu modul adhesi yang menempel ke tembok saat bergerak.

3.2 Desain prototipe

Berdasarkan gerakan memanjat ulat, bagian terpenting yang diperlukan sistem pergerakan robot

dengan material yang berbeda. Dua unit mekanik diperlukan untuk mendesain mekanik yang ringan.

Sruktur dengan kemampuan daya gerak dan keamanan dan keandalan.

Di samping itu selain robot ini meniru ulat, robot ulat pemanjat harus secerdas mungkin. Agar

dapat bergerak bebas, penting untuk robot agar tidak terhubung dengan lingkungan menggunakan kabel.

Robot harus membawa semua perlengkapan seperti sumber daya, kontroler, dan komunikasi wireless.

Pada proyek ini, kita menggabungkan teknik memanjat dengan pendekatan modular. Prinsip

guncangan frekuensi rendah dan kemampuan daya gerak . Fungsi robot:

1. Mampu berjalan dan memanjat permukaan vertikal dan langit2 bangunan.

2. Kemampuan daya gerak mengangguk, menggeleng geser menyamping dan rotasi.

3. Dilengkapi sensor servo berdasar penglihatan lingkungan.

Kenyataannya ulat menggunakan penghisap pasif pada kaki mereka untuk bergerak dan memanjat.

Vacuum pada penghisap ini biasanya vakum ejector atau pompa vakum yang lebih mudah dikendalikan.

3.3 Desain modul mekanik dan realisasi konfigurasi inchworm

Untuk 2 alasan, konfigurasi inchworm adalah milestone.

1. Konfigurasi ini dasar dan sederhana sebagai robot ulat, konfigurasi lainya dapat didasarkan dari

sudut pandang mekaniknya. Contoh, robot larva dapat dibuat dengan 2 prototipe inchworm.

2. Perilaku dari robot inchworm sederhana.

Robot inchworm terdiri dari 3 modul terhubung seri untuk bergerak. Desain modulnya sama.

Memungkinkan untuk membangun robot dengan 3 modul yang sama agar meniru gerakan inchworm.

Modul pertama dan terkahir dilengkapi dengan penghisap pasif.

Satu modul tubuh termasuk sendi aktif dan modul pelekat. Modul sendi terdiri dari 2 bracket berlubang

sebuah RC servo, poros dan flange. Sebagai hasilnya penggerak dengan servo, 1 DOF rotasi ± 90°

memungkinkan 2 bracket melakukan anggukan. Bracket 1 dengan bracket 2 fixed pada shell dan sumbu

motor servo. Ketika motor berjalan, 2 bracket ini berotasi melingkari poros ditengah. Antarmuka mekanik

pada plat luar bracket memungkinkan modul sendi tersusun pada sumbu parlalel atau sumbu tegak lurus.

Gambar 1. Prototipe robot inchworm

Modul pelekat tanpa DOF terdiri dari 2 shell, sebuah penghisap pasif, solenoid valve dan bagian

kecil lainya. Vakum pada penghisap dibangkikan hanya dengan distorsi penghisap. Mekanisme sederhana

dikendalikan oleh solenoid yang digunakan untuk melepas vakum pada penghisap pasif. Ketika solenoid

tidak diaktifkan, sebuah pipa karet menghubungkan bagian dalam penghisap ke bagian udara luar ditutup

dengan pin besi dan cap dibawah gaya pegas. Penghisap dapat menempel pada plat datar. Jika solenoid

diaktifkan, pin besi akan mundur dari cap untuk menghubungkan bagian dalam penghisap dengan udara

luar melalui pipa. Vakum dalam penghisap dilepaskan dan penghisap dapat diangkat. Dalam 2 shell dari 2

modul pelekat, antarmuka mekanik sama seperti modul sendi. Oleh karena itu modul pelekat dapat

langsung dihubungkan pada modul sendi. Performa dari dua modul ditampilkan pada tabel yang mana

koefisien elastis dari penghisap pasif pantas memperoleh perhatian, karena pengaruhnya penting untuk

realisasi perilaku. Untuk keringanan dan pemberatan, semua bagian mekanik dibuat dari alumunium.

3.4 realisasi pengontrolan

Robor inchworm harus memiliki cukup kecerdasan untuk meniru.

1. Robot harus dapat membawa daya sendiri, dapat dikontrol dan dapat berkomunikasi secara wireless

2. Sistem harus murah atau ekonomis yang akan digunakan untuk aplikasi yang berbeda seperti

locomotion analysis( analisis penggerak) atau bio-inspired investigation.

Pada gambar 2 nampak bahawa prinsip dari pendistribusian system control, Setiap modul

memiliki kemampuan cerdas yang telah tertanam dengan controller terintegrasi independen. Semua

perintah gerak dapat dikirim ke modul tertentu secara individu atau diberikan ke semua modul melalui

bus I2C. Disisi lain, ada modul yang dapat di jadikan sebagai master dalam mengontrol semua fungsi

control seperti perencanaan jalur, navigasi, lokalisasi. Computer juga dapat digunakan sebagai user

interface melalu komunikasi I2C antara robot dan PC. PC dapat dianggap sebagai modul virtual dalam

sistem robot dan memainkan peran master atau graphic user interface (GUI). Diagram blok nya dapat

dilihat pada gambar berikut ini:

Gambar2. Control realization

Masing-masing kontroler mempunyai satu chanel output PWM untuk mengontrol servo, satu

output on-off untuk mengontrol katup solenoid, tiga input sensor analog dan digital untuk

mengumpulkan data dari sensor, satu I2C dan satu RS232 serial port. Jumlah kontroler dalam sebuah

robot ulat ditentukan oleh jumlah modul. Kontroler dapat berkomunikasi satu sama lain dengan bus I2C

dan menerima perintah dari konsol melalui port serial RS232. Selama robot bekerja, informasi tentang

state dan data sensor akan dikirm kemabali ke konsol pada waktu yang bersamaan.

4. Pergerakan dan uji coba

4.1 pengontrolan penggerak

Dalam pengontrolan robot ini, ditawarkan unsymmetrical phase method (UPM), dimana pada

metode ini menempelkan penghisap ke dinding lebih cepat dari pada mengangkat penghisap dari dinding.

Gambar 7 menunjukkan lima langkah yang khas sebuah robot ulat bulu memanjat dinding datar, serta

sudut dari setiap sendi dan state masing-masing pengisap dalam satu siklus kontrol. Pada awal dan akhir

langkah t0 dan t4, nilai-nilai sudut dari tiga sendi adalah nol semua.

State dari penghisap dikontrol oleh sebuah solenoida yang hanya memeiliki dua state, on atau off. Pada

high level solenoid ditekan dan penghisap diangkat, dan pada low level adalah kebalikannya.

Gambar3 Pergerakan robot inchworm

Pada waktu t1, robot inchworm naik pengisap diturunkan ketika nilai sudut dari tiga sendi

memenuhi hubungan ditunjukkan pada persamaan (1). Dimana ΔθL adalah konstanta yang disebut

sebagai impact angle.

Berdasarkan persamaan (1), pengisap ini bergerak tidak hanya maju tapi juga ke dinding. Selama

waktu antara t1 dan t2, robot meletakkan pengisap dengan memutar Joint 1. Sebagaimana disebutkan di

atas, waktu antara t0 dan t1 jauh lebih lama dari waktu antara t1 dan t2, sehingga fase kontrol simetris

selama dua periode. Robot ulat bulu menggunakan impact force antara pengisap dan dinding yang

dihasilkan oleh UPM untuk kompres pengisap pasif dengan baik dan untuk menempel dengan kuat pada

dinding. Pada periode penurunan UPM, saat penghisap membuat kontak dengan dinding, gaya F yang

bekerja pada penghisap dapat dinyatakan dengan persamaan berikut.

Keterangan:

F1 merupakan gaya yang dihasilkan oleh driver sendi yang memiliki output torsi M

F2 adalah gaya oleh dorongan yang bekerja pada penghisap

I adalah inersia dari semua bagian yang bergerak

ω adalah kecepatan sudut

A adalah jarak antara pengisap yang tidak menempel dengan titik rotasi

δt adalah waktu impulse.

Nilai dari beberapa parameter pada persamaan (2) ditunjukkan di bawah ini.

Pada step t1, A sama dengan 0,13 m, M adalah 0,2 Nm dan I adalah 1,62 × 10-4 kg m2. Nilai ω dan t

dapat dicapai dalam percobaan sebeneranya, ω adalah 5.2 rad / s dan δt adalah 2 × 10-3s. Akibatnya, F1

sama dengan 1.5N dan F2 sama dengan 3.2N. Itu berarti bahwa nilai-nilai distorsi kompresi pengisap

dihasilkan oleh F1 dan F2 0.9mm dan 1.8mm berturut-turut, menurut koefisien kompresi elastis

penghisap.

Joint trajectories dapat dilambangkan dengan menggunakan rumus pada persaman dibawah ini

4.2 Test

Dalam tes ini, pertama satu pengisap dari robot inchworm adalah tetap pada dinding kaca dengan

penjepit, dan satu lagi diturunkan dan diangkat berulang-ulang. Untuk kompres pengisap dan

menurunkannya 1.5mm, ω harus mendekati 2.8rad/s, sedangkan untuk nilai kompresi maksimum hingga

3mm, ω harus mencapai 6rad/s. Karena kecepatan joint terlalu besar akan mengganggu stabilitas pengisap

yang menempel ketika robot memanjat dinding, 5,2 rad/s merupakan kecepatan sendi selama gerakan

menurunkan.

Robot dites pada permukaan kaca, dan robot dapat bergerak secara kontinyu dengan gaya

bergerak sebagaimana pada gambar 7. Dan gambar 8 menunjukan pergerakan oleh robot dengan

memanjat satu step maksimal sejauh 5mm, dan waktu yang dibuthkan dalam satu step tersebut adalah

1.8s

Gambar4. Pengetesan pada dinding kaca

5. Kesimpulan dan rencana pengembangan

Pada proyek ini hal-hal yang dapat diperoleh diantaranya:

1. Sebuah robot mendaki didasarkan pada konsep modular konfigurasi ulang. Robot dengan fitur

sederhana, struktur light mechanical dan menempel pasif.

2. Sistem kontrol terdistribusi dilengkapi desain modular. Sebuah metode penggerak UPM

memungkinkan robot untuk memanjat permukaan vertikal handal.

3. Tes terkait telah menunjukkan bahwa robot dapat mendaki dengan aman dalam model

pergerakan tertentu. Ini berarti kelayakan mekanik, rasionalitas desain dan adaptasi yang fleksibel

pada gerakan robot.