Download - Robot Locomotif
Locomotion Movement (pergerakan) Travel (perjalanan)
Moving from place to place
Robot locomotion adalah studi tentang bagaimana mendesain anggota badan robot dan mekanisme interaksi fisik dengan lingkungannya untuk menghasilkan gerakan .
II. Robot Locomotion
contoh : robot beroda (wheeled robot)
merupakan tipe pergerakan yang efisien pada lingkungan permukaan datar dan mudah dikendalikan
Beberapa bentuk locomotion lain
mungkin akan lebih baik untuk situasi medan (permukaan kasar, tebing, turun-naik/bergelombang) atau lingkungan (interaksi dengan obyek atau manusia) tertentu
2.1 Pendahuluan
crawling Sliding/snaking running jumping
walking rolling gliding flying
swimming propulsion Branchiating/
climbing
LOCOMOTION (alam)
Mechanics of Soft Materials Laboratory
http://ase.tufts.edu/msml/researchInchBot.asp
crawling sliding
running jumping
walking
Bigdog
half-swimming-
half walking
salamander
LOCOMOTION (buatan)
• Mekanisme : Perangkat yang mentransformasikan
pergerakan menjadi pola tertentu yang diinginkan
dan mentrasmisikan daya (power) kecil
• contoh : stapler, kunci pintu, wiper
• Mesin : Merupakan sejumlah mekanisme yang
dibangun untuk menghasilkan gaya (force) yang
besar dan mentansmisikan daya yang tinggi
• contoh : mesin kendaraan, crane, robot
2.2 Mekanisme Dasar :
A.1 4 link/bar - joint
Bar atau Link
Joint
Multi
loop
Single
loop
Open
loop
A.2 Mekanisme Slider Crank
Crank : link atau bar yang
berputar relatif terhadap
sebuah frame (kerangka)
Digunakan untuk merubah gerakan translasi menjadi rotasi
A.3 Mekanisme Crank-slider invers
Mesin pompa air
(mekanisme crank-slide invers yang mana ?)
Rocker : Link yang
diam
Digunakan untuk merubah gerakan rotasi menjadi translasi
B. Mekanisme Rack And Pinion
Jalur Kereta Api yang dilengkapi rack
pada saat menanjak
Rack (straight or flat gear)
Pinion (wheel gear)
Contoh yang lain mekanisme
tutup-buka (eject) pada CD
player
C. Cam and Crank
Prinsip Pergerakan
Mesin Kendaraan
(Motor Bakar)
– Coil spring atau Helical spring – dibuat dengan melilit bahan
metal pada batang silinder
Tension springs, memanjang pada saat diberi beban
Compression springs, memendek bila diberi beban
Torsion springs, memuntir (twist) bila diberi beban
D. Spring
Spiral spring atau 'clock spring' – digunakan pada jam konvensional, maupun gauge pada alat ukur
Leaf spring – berbentuk lembar datar digunakan pada kendaraan lama/berat.
Centilever spring – leaf spring dengan salah satu ujung tetap (fixed)
Leaf spring rocker
Trailing arm Trailing arm with coil spring
Spur Gear Helical gear
E. Transmisi Daya
E.1 Gear (Roda Gigi)
Planetary gear
Sun gear
Planets gear
(carrier)
Penyerut pensil
Ring gear
(output)
Bevel Gear
PUMA
(Programmable
Universal Machine
Assembly)
E.2 Velocity Ratio for gears
(2+n) r + n s - 2(1+n) p= 0
n = Ns/Np
r s
p
E.3 Belt and Chain
Continously Variable
Transmission
Velocity Ratio 1 : 2 = Φ2 : Φ1
= n2 : n1
1 2
Φ1 Φ2
Belt
pulley
Chain sprocket
Demo
Honda
Karya Mahasiswa
• Manipulator (Robot Arm)
LINK
JOINT • Manipulator berupa untaian LINK (rigid body) yang terhubung oleh JOINT
• JOINT adalah penghubung LINK yang memungkinkan pergerakan relatif antar LINK
• Setiap link memiliki satu joint
• Degree of Freedom (DOF) menyatakan jumlah JOINT yang dapat bebas digerakkan
2.3 Robot Manipulator
Spherical Joint
3 DOF ( Variables -
1, 2, 3)
Revolute Joint
1 DOF ( Variable - )
Prismatic Joint
1 DOF (linear)
(Variables - d)
• Tipe-tipe JOINT
Robot Manipulator Clasifications in terms of joint types:
• Cartesian P-P-P
• Cylindrical R-P-P
• Spherical R-R-P
• SCARA R-R-R-P
• Jointed/articulated/revolute R-R-R
SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Jointed/articulated/revolute
P = Prismatic, R = Revolute/Rotation
• Work Envelope :
• Work Envelope : The volume of space in which the arm can move
Contoh Work Envelope Fanuc RlMate 100i
• Manipulation: The act of grasping and or moving
an object.
• Gripper: Attaches to a robot to allow an object to
be picked up.
• End-Effector: Part of robot that affects the world.
This can be a gripper, a welding torch,
• Repeatability: Perbedaan antara posisi aktual setelah robot
kembali ke posisi yang sama secara berulang.
Indikator yang menunjukkan seberapa baik robot dapat
kembali keposisi yang sama.
• Accuracy: Perbedaan antara posisi aktual dengan posisi
yang dihitung (desired position) dari model kinematik
Indikator yang menunjukkan seberapa baik robot dapat
bergerak menuju sebuah titik dalam ruang
• Precision: Ukuran kenaikan posisi yang terkecil.
• Resolution: Sensor Increment
Desired
Position
Actual
Position Ajacent
Position
Precision Accuracy
Performansi Robot
Desired
Position
Actual
Position Ajacent
Position
Precision Accuracy
• Tipikal : accuracy > repeatability > resolution
• Batas paling atas (upper limits) precision = resolution dan
Accuracy = 1/2 the precision.
• Hampir pada semua robot repeatability, accuracy dan
precision berubah tergantung pada work envelope
Type Hozizontal Vertical
Catesian Uniform Uniform
Cylindircal Decreases Radially Uniform
Spherical Decreases Radially Decreases Radially
SCARA Varies Uniform
Articulated Varies Varies
KOMPONEN ROBOT MANIPULATOR
• Blok Diagram Sistem Robot
• Blok Diagram Sistem Robot
31
Lateral slip
Rolling motion
2.4 Robot Bergerak (Mobile Robot)
2.4.1 Tipe Roda
32
Steered Wheel • Steered wheel
– Orientasi dari sumbu rotasi roda dapat dikendalikan
33
Parameter Roda
• Parameter Roda:
– r = Jari2 Roda
– v = Kecepatan Linier Roda
– w = Kecepatan sudut roda
– t = Kecepatan pengemudian (steering)
34
Jenis Roda
Fixed wheel Centered orientable wheel
Off-centered orientable wheel
(Caster wheel) Swedish wheel:omnidirectional
property
35
• Instantaneous center of rotation (ICR) or
Instantaneous center of curvature (ICC)
– Titik temu (cross point) semua sumbu roda
2.4.2 Derajat Manuver
36
Derajat Mobilitas (Degree of Mobility)
• Derajat mobilitas
Derajat kebebasan pergerakan robot
• Degree of mobility : 0
• Degree of mobility : 2 • Degree of mobility : 3
• Degree of mobility : 1
Cannot move
anywhere (No ICR)
Fixed arc motion
(Only one ICR)
Variable arc motion
(line of ICRs)
Fully free motion
( ICR can be located
at any position)
37
Derajat Pengemudian (Degree of Steerability)
• Derajat Pengemudian Jumlah dari “centered orientable wheels” yang dapat dikemudikan secara bebas
• Degree of steerability : 0
• Degree of steerability : 2 • Degree of steerability : 1
No centered orientable wheels
One centered orientable wheel
Two mutually dependent centered orientable wheels
Two mutually independent centered orientable wheels
38
Degree of Maneuverability
Degree of Mobility 3 2 2 1 1
Degree of Steerability 0 0 1 1 2
• Jumlah keseluruhan derajat kebebasan :
• Contoh Jenis robot (degree of mobility, degree of steerability)
smM
39
• Differential Drive – two driving wheels (plus roller-ball for balance)
– simplest drive mechanism
– sensitive to the relative velocity of the two wheels (small error result in
different trajectories, not just speed)
• Steered wheels (tricycle, bicycles, wagon) – Steering wheel + rear wheels
– cannot turn 90º
– limited radius of curvature
• Synchronous Drive
• Omni-directional
• Car Drive (Ackerman Steering)
2.4.3 Tipe Mobile Robot
40
1. Differential Drive
D : panjang titik tengah robot dari awal menuju akhir pergerakan
41
1. Differential Drive Keuntungan
• Cukup murah untuk dibuat
• Mudah direalisasikan
• Desain cukup sederhana
Kerugian:
• Sukar untuk melakukan pergerakan lurus (speed control)
• Diameter roda yang tidak konsisten (knobie tires) dapat
menyebabkan kesalahan posisi
42
2. Tricycle
• Variabel Kendali :
– steering direction α(t)
– angular velocity of steering wheel ws(t)
ICC harus terletak
pada garis yang
melewati sumbu roda
belakang
43
3. Synchronous Drive
• Setiap roda dapat digerakkan dan dikemudikan
• Konfigurasi
– 3 roda kemudi dikonfigurasikan bersama namun
terpisah dengan roda putar
– Semua roda dikemudikan dan diputar bersamaan
44
Synchronous Drive
Advantages:
•Separate motors for translation and
rotation makes control easier
•Straight-line motion is guaranteed mechanically
Disadvantages:
•Complex design and implementation
45
4. Omnidirectional
Advantages:
•Allows complicated motions
Disadvantages:
•No mechanical constraints to require straight-line motion
•Complicated implementation
46
Omnidirectional
Swedish Wheel
47
5. Ackerman Steering
where
d = lateral wheel separation
l = longitudinal wheel separation
i = relative steering angle of inside wheel
o = relative steering angle of outside wheel
R=distance between ICC to centerline of the vehicle
R
SANDBOT
Kenapa dibuat robot berkaki?
• Dapat melewati berbagai macam bentuk rintangan.
• Meningkatkan manuver
• Tidak dibatasi oleh bidang datar.
Inovasi bentuk kaki yang sangat bervariasi
• Mempelajari sistem pergerakan
lain yang berhubungan dengan
biologi (menirukan pergerakan
makhluk hidup)
2.5 Robot Berkaki
Kelemahan Robot Berkaki
• Desain lebih kompleks
membutuhkan banyak aktuator dan Degree of Freedom
• Kestabilan yang sulit dicapai
mengkombinasikan berbagai bentuk aktuator secara bersamaan
• Kecepatan pergerakannya lamban
tidak secepat robot beroda
PERMASALAHAN
• BERJALAN/MELANGKAH
Perpindahan dari satu titik ke titik lain
• KESEIMBANGAN
Upaya menahan pusat gravitasi agar tidak
jatuh
KLASIFIKASI ROBOT
BERJALAN
• Kesetimbangan (statis atau dinamis)
• Jumlah kaki
• Derajat kebebasan masing-masing kaki
• Energi yang digunakan
• Gaya berjalan dan cara berdiri
• Ada 3 bidang yang
didefinisikan: sagital,
frontal, dan transverse
plane
• Ketiga bidang ini
merupakan daerah kerja
untuk pergerakan tertentu
• Untuk robot bipedal
planar, pergerakan hanya
dilakukan di bidang
sagital
BIDANG PERGERAKAN
Terminologi II
• Gait : pola pergerakan kaki
• Swing phase : fasa ketika kaki berada di
udara
• Stance phase : fasa ketika kaki dijejakan di
lantai
• Double support phase / Exchange of
Support (EOS) : fasa ketika kedua kaki
dijejakkan
Komponen Dasar Bipedal Walking Robot
• Boom
• Hip
• Upper-link
• Knee
• Lower-link
• Ankle
• Feet
Tahap Berjalan
• Pre-Swing-Phase
• Swing-Phase
• Heel-Contact-Phase (stance phase)
Tipe Dasar Gaya Berjalan
• Mamalian Stance
• Attila Stance
• Sprawled Stance
1.Mamalian Stance
• Digunakan kebanyakan
mamalia
• Kaki beroperasi pada
bidang vertikal,(sagital
plane) paralel terhadap
sumbu longitudinal badan
2. Attila Stance
• Seperti reptil, paling
banyak digunakan di
robot berjalan
• Kaki beroperasi pada
bidang vertikal
(frontal plane), tegak
lurus terhadap badan
3. Sprawled Stance
• Digunakan oleh serangga dan reptil kecil
• Kaki beroperasi pada bidang horizontal (transverse plane)
• Berjalan datar dan lebar sehingga meningkatkan stabilitas
KESEIMBANGAN
(BALANCING)
• STATIS
-efek stabilitas inersia diabaikan
-tidak ada umpan balik posisi seimbang
• DINAMIS
-efek stabilitas inersia menjadi dominan
-selalu ada umpan balik posisi keseimbangannya
Kenapa bisa stabil statis?
• Selalu ada paling sedikit 3 kaki menahan
pusat gravitasi
• Bisa saja 1 kaki, tapi kaki bertelapak besar
GAYA BERJALAN STABIL
STATIS YANG TERKENAL
• Alternating Tripod Gait
Pergerakan dibagi atas 2 set,masing-masing
bergerak secara bergantian
• Wave Gait
Pergerakan satu-satu kaki
Alternating Tripod Gait
• 2 kelompok kaki (merah dan hijau)
• Kaki kelompok merah bergerak
serentak,setelah itu baru kaki kelompok
hijau
• Perhatikan bahwa robot tidak pernah jatuh
Urutan pergerakan:
merah - hijau - merah - hijau - …
WAVE GAIT
1
2
3
4
5
6
• Pergerakan kaki satu-satu
• Lebih lambat dari Alternating
Tripod Gait
Urutan pergerakan :
1-2-3-4-5-6-1-2-3-4-5-6-1- …
• Aktuator/Penggerak Lengan Robot
Actuation
Type
Torque/Force
DensitySpeed
Positional
RepeatabilityControl Type Cons
Hydraulics Very High Slow Poor Variable ValveGood Linear
Some Rotation
Hydraulics
Leak, Control
Pneumatics Medium Fast Limited2 position or
PWM
Good Linear
Some Rotation
Life of Seals,
Control
Electrical Low Fast Good SimpleGood Linear
Good RotationPower Density
• Penggerak Motor Paling banyak digunakan
• Sistem Hidrolik biasanya digunakan pada robot las/welding atau pengoperasian bawah air.
• Sistem Pnematik digunakan pada gripper
2.6 Aktuator
• Aktuator/Penggerak Lengan Robot
Motor Type CommutationPower
Density
Fields
Rotor
Field
Stator
Torque
RippleThermal Amp Type Reliabilty Speed
Brush DC Mechanical HighDC
WindingsMagnets Low
Poor Windings
on Rotor
4
TransistorsBrushes Medium
Brushless DC 6
StepElectrical Halls High Magnets
3
Windings Medium
Good Windings
on Stator
6
TransistorsNone High
Brushless DC
SinusoidalSensor Based High Magnets
3
Windings Very Low
Good Windings
on Stator
6
TransistorsNone High
Stepper None MediumMagnets
or Iron
N
WindingsHigh Fair
N
TransistorsNone Low
Reluctance Sensor BasedMedium
LowIron
3
Windings Low Fair
6
TransistorsNone Medium
Inductance Sensor BasedMedium
LowInduced
3
Windings Very Low Fair
6
TransistorsNone Medium
• Tipe Penggerak
• Direct Drive
• Geared
– Belts, Gears, Harmonic Drives, Cycloidal Cam
Direct Drive Gear Reduced
Backlash None Can be Significant
Power Density Poor Can be Very Good
Speed High Suficient for Most Applications
Friction/Stiction Low Can be High
Disturbances Seen Directly Divided by Gear Ration
Inetia Changes Seen Directly Divided by Gear Ration Squared
Process Feedback Fealt Directly Is Masked by Stiction in Geartrain
Noise Low Can be Loud
Reliability Very Good Good to Poor
P:ostion Sensor Coaxial Can Take Advantage of Gear Ratio
Weight Heavy Low
X0
Y1
Z1
Y2
X2
Z3
Y3
Y4
Z4
X4
X5 Y5
Z5
1
3
5
6
4
Y0
Z2
d2
Z0
2
X1
X3
a2
d4
Robot Manipulator PUMA 260 di LSKK