konsep dasar robot
TRANSCRIPT
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Konsep Dasar Robot
Robot berasal dari bahasa Czech, robota, yang berarti pekerja. Pada dasarnya robot dibuat untuk mendukung dan membantu pekerjaan manusia, seperti yang banyak terlihat dibidang industri dimana robot dapat meningkatkan hasil produksi industri tersebut. Robot diklasifikasikan ke dalam 4 bagian, yaitu :
Non mobile robot
Robot ini tidak dapat berpindah posisi dari satu tempat ke tempat lainnya, sehingga robot tersebut hanya dapat menggerakkan beberapa bagian dari tubuhnya dengan fungsi tertentu yang telah dirancang.Contoh nyata dari robot ini adalah robot manipulator berlengan.
Mobile robot
Mobile dapat diartikan bergerak, sehingga robot ini dapat memindahkan dirinya dari satu tempat ke tempat lain. Robot ini merupakan robot yang paling populer dalam dunia penelitian robotik. Dari segi manfaat, robot ini diharapkan dapat membantu manusia dalam melakukan otomasi dalam transportasi, platform bergerak untuk robot industri , eksplorasi tanpa awak, dan masih banyak lagi. Robot line follower yang akan dirancang dalam proyek ini juga termasuk kedalam mobile robot.
Gabungan mobile robot dan non mobile robot
Robot ini merupakan penggabungan dari fungsi-fungsi pada robot mobile dan non-mobile. Sehingga keduanya saling melengkapi dimana robot nonmobile dabat terbantu fungsinya dengan bergerak dari satu tempat ke tempat lain.
Humanoid
Robot ini sengaja dirancang dengan menirukan manusia. Fungsi-fungsi tubuh manusia baik lengan, kaki, mata, dan pergerakan sendi kepala dan bagian lainnya sebisa mungkin diterapkan dirobot ini. Contoh robot ini adalah robot ASIMO buatan Jepang. Robot line follower merupakan robot yang termasuk ke dalam mobile robot. Robot ini difungsikan untuk dapat
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
mengikuti garis pada suatu lantai dan kemudian bergerak sesuai dengan pola garis tersebut. Robot ini menggunakan sensor yang memancarkan cahaya yang kemudian ditangkap oleh photodiode, yang apabila terkena garis putih photodiode akan menerima cahaya pantulan dengan maksimal. Sebaliknya jika terkena garis hitam, photodiode akan
menerima cahaya yang minimum sehingga dihasilkan tegangan yang kecil.
Teknik Desain Robot
Dalam mendesain sebuah robot, perlu disesuaikan dengan fungsi dan kepentingan pembuatan robot tersebut. Misalkan seperti gambar di bawah, robot dengan menggunakan sistem roda dan sistem kaki biasanya digunakan sebagai navigasi (gerak berpindah) :
Mangikuti jalur
Berdasarkan obyek statik atau bergerak (menuju obyek, menghindari obyek /
halangan), berbasis vision, proximity, dll.
Berdasarkan urutan perintah (referensi trajektori) Sedangkan robot dengan menggunakan sistem tangan sering digunakan sebagai manipulasi (gerak penanganan) :
Mengikuti posisi trajektori
Mengikuti obyek (berbasis vision, proximity, dll.)
Memegang, mengambil, mengangkat, memindah, atau mengolah obyek
Bagian-bagian dalam gambar dibawah ini dapat dijelaskan sebagai berikut :
Sistem Kontroler
Merupakan rangkaian elektronik yang setidak-tidaknya terdiri dari rangkaian prosesor ataupun mikrokontroler, signal conditioning untuk sensor (analog dan atau digital), dan driver untuk actuator.Bila diperlukan dapat dilengkapi dengan sistem monitor seperti seven segment, LCD (liquid crystal display),
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
atau CRT (cathode ray-tube).
Mekanik Robot
Merupakan system mekanik yang dapat terdiri dari setidak-tidaknya sebuah fungsi. Jumlah fungsi gerak disebut sebagai derajat kebebasan atau degree of freedom (DOF). Sebuah sendi yang diwakili oleh sebuah gerak aktuator disebut sebagai satu DOF. Sedangkan derajat kebebasan pada struktur roda dan kaki diukur
berdasarkan fungsi holomic atau nonholomic.
Sensor
Merupakan perangkat atau komponen yang bertugas mendeteksi (hasil) gerakan atau fenomena lingkungan yang diperlukan oleh sistem kontroler. Dapat dibuat dari sistem yang paling sederhana seperti sensor ON/OFF menggunakan limit switch, sistem analog, sistem bus parallel, sistem bus serial, hingga sistem mata kamera.
Aktuator
Merupakan perangkat elektromekanik yang menghasilkan daya gerakan. Dapat dibuat dari sistem motor listrik (motor DC (permanent magnet, brushless, shunt dan series), motor DC servo, motor DC stepper, ultrasonic motor, linear motor, torque motor, solenoid, dll.), system pneumatic (perangkat kompresi berbasis udara atau gas nitrogen), dan perangkat hidrolik (berbasis bahan cair seperti oli). Untuk meningkatkan tenaga mekanik aktuator atau torsi gerakan dapat dipasang sistem gearbox,
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
baik sistem direct-gear (sistem lurus, sistem ohmic/worm-gear, planetary gear, dll.), spochet-chain (gir-rantai, gir-belt, ataupun system wire-roller, dll.).
Sistem Roda
Merupakan sistem mekanik yang dapat menggerakkan robot untuk berpindah posisi. Dapat terdiri dari sedikitnya sebuah roda penggerak (drive dan steer), dua roda differensial (kiri-kanan independen ataupun sistem belt seperti tank), tiga roda (synchro drive atau sisem holonomic), empat roda (Ackermann model / car like mobile robot ataupun sistem mecanum wheels) atupun lebih.
Sistem Kaki
Pada dasarnya sistem kaki adalah gerakan “roda” yang didesain sedemikian rupa hingga memiliki kemampuan gerak seperti mahluk hidup. Robot berjalan dengan sistem dua kaki atau biped robot memiliki struktur kaki seperti manusia setidak-tidaknya memiliki sendi-sendi yang mewakili pergelangan kaki, lutut, dan pinggul. Dalam kondisi yang ideal pergerakan pada pinggul dapat terdiri dari multi DOF dengan kemampuan gerakan memutar seperti orang menari. Demikian juga pada pergelangan kaki, idealnya adalah juga memiliki kemampuan gerakan polar. Untuk robot binatang (animaloid) seperti serangga, jumlah kaki dapat didesain lebih dari empat. Bahkan robot ular dapat memiliki DOF yang lebih dari 8 sesuai dengan panjang robot (ular) yang didefinisikan.
Sistem Tangan
Merupakan bagian atau anggota badan robot selain sistem roda atau kaki. Dalam konteks mobile robot, bagian tangan ini dikenal sebagai manipulator yaitu sistem gerak yang berfungsi untuk memanipulasi (memegang, mengambil, mengangkat, memindah, atau mengolah) obyek. Pada robot industri fungsi mengolah ini dapat berupa perputaran (memasang mur-baut, mengebor/drilling, milling, dll.), tracking (mengelas, membubut, dll.) ataupun mengaduk (control proses). Untuk robot tangan, desain sendi-lengan diukur berdasarkan DOF. Lengan dapat dibuat kaku / tegar (rigid) ataupun fleksibel (fleksibel manipulator). Sistem tangan memiliki bagian khusus yang disebut sebagai gripper atau grasper(pemegang). Untuk grasper yang didesain seperti jari manusia, derajat kebebasannya dapat terdiri lebih dari 16 DOF (3 DOF untuk jari kelingking, manis, tengah, telunjuk, dan 4 DOF untu jari jempol), tidak termasuk gerakan polar pada
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
sendi pergelangan.
Sistem Kontrol Robot
Kontrol adalah bagian yang amat penting dalam robotik. Sistem robotik tanpa kontrol hanya akan menjadi benda mekatronik yang mati. Dalam sistem kontrol robotik terdapat dua bagian yaitu perangkat keras elektronik dalam perangkat lunak yang berisi program kemudi dan algoritma kontrol. Secara garis besar, suatu sistem robotik terdiri dari 3 bagian seperti dinjukkan gambar di bawah ini.
Dalam gambar di atas, kontrol adalah bagian yang tak terpisahkan dalam sistem robotik. Sistem control bertugas mengkolaborasikan sistem elektronik dan mekanik dengan baik agar mencapai fungsi seperti yang dikehendaki. Tanda dalam interseksi adalah posisi atau bagian dimana terjadi interaksi antara ketiga bagian itu. Misal, poros motor dan sendi pada mekanik berhubungan dengan rangkaian kontrolerdan rangkaian interface / driver ke motor, dan bagian program kontroler yang melakukan penulisan data ke alamat motor.
Sistem motor sendiri memiliki mekanisme kerja seperti yang diilustrasikan pada gambar berikut ini.
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Tiga prosedur utama, yaitu baca sensor, memproses data sensor, dan mengirim sinyal aktuasi ke aktuator adalah tugas utama kontroler. Dengan membaginya menjadi tiga bagian maka seorang enginer akan lebih mudah dalam melakukan analisa tentang bagaimana kontroler yang didesainnya bekerja. Dalam aplikasi, prosedur “baca sensor” dapat terdiri dari berbagai teknik yang masing-masing membawa dampak kerumitan dalam pemprograman. Ada dua macam teknik yang digunakan kontroler dalam menghubungi sensor, yaitu polling dan interrupt. Teknik polling adalah prosedur membaca data berdasarkan pengamatan langsung yang dapat dilakukan kapan saja kontroler menghendaki. Sedang pada teknik interrupt, kontroler melakukan pembacaan jika sistem sensor melakukan interupsi yaitu dengan memberikan sinyal interrupt ke kontroler (via perangkat keras) agar kontroler (CPU) melakukan proses pembacaan. Selama tidak ada interrupt maka kontroler tidak akan mengakses sensor tersebut. Bagian yang berfungsi untuk memproses data sensor adalah bagian yang paling penting dalam program kontroler. Di sini berbagai algoritma kontrol mulai dari teknik klasik seperti kontrol P, I, dan D dapat diterapkan jika dikehendaki yang lebih pintar dan dapat beradaptasi dapat memasukkan berbagai algoritma control adaptive hingga teknik artificial intelligent seperti fuzzy kontrol, neural network, genetik algoritma, dll. Bagian ketiga, yaitu prosedur “tulis data” adalah bagian yang berisi pengalamatan ke aktuator untuk proses penulisan data. Data ini adalah sinyal aktuasi ke kontroler seperti berapa besar tegangan atau arus yang masuk ke motor, dsb. Untuk program kontroler sistem robotik yang melibatkan teknik komunikasi dengan dunia luar tidak termasuk dalam diagram seperti yang telah diterangkan melalui gambar di atas tadi. Namun demikian, segala aktifitas program yang berkenaan dengan koleksi atau penerimaa data dapat dimasukkan sebagai bagian “baca data / sensor”, sedang yang berhubungan dengan aktifitas pengiriman data dapat dikategorikan sebagai “tulis data”. Ini dimaksudkan untuk mempermudah analisa dalam desain program kontroler secara keseluruhan.
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Berbagai macam bentuk robot Dan kontrol yang digunakan pada robot
Macam-macam Bentuk Robot
1. Robot Mobile
Robot Mobil atau Mobile Robot adalah konstruksi robot yang ciri khasnya
adalah mempunyai aktuator berupa roda untuk menggerakkan keseluruhan
badan robot tersebut, sehingga robot tersebut dapat melakukan
perpindahan posisi dari satu titik ke titik yang lain.
Robot mobil ini sangat disukai bagi orang yang mulai mempelajari robot. Hal
ini karena membuat robot mobil tidak memerlukan kerja fisik yang berat.
Untuk dapat membuat sebuah robot mobile minimal diperlukan pengetahuan
tentang mikrokontroler dan sensor-sensor elektronik.
Base robot mobil dapat dengan mudah dibuat dengan menggunakan
plywood /triplek, akrilik sampai menggunakan logam ( aluminium ). Robot
mobil dapat dibuat sebagai pengikut garis ( Line Follower ) atau pengikut
dinding ( Wall Follower ) ataupun pengikut cahaya.
2. Robot jaringan
Robot jaringan adalah pendekatan baru untuk melakukan kontrol robot
menggunakan jaringan internet dengan protokol TCP/IP.
Perkembangan robot jaringan dipicu oleh kemajuan jaringan dan internet
yang pesat. Dengan koneksi jaringan, proses kontrol dan monitoring,
termasuk akuisisi data bila ada, seluruhnya dilakukan melalui jaringan.
Keuntungan lain, koneksi ini bisa dilakukan secara nirkabel.
Di Indonesia, pengembang robot jaringan belum banyak, meski pengembang
dan komunitas robot secara umum sudah banyak. Hal ini disebabkan
tuntutan teknis yang jauh lebih kompleks. Salah satu robot jaringan yang
sudah berhasil dikembangkan adalah LIPI Wireless Robot (LWR)[1] yang
dikembangkan oleh Grup Fisika Teoritik dan Komputasi –GFTK LIPI.
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Seperti ditunjukkan di LWR, seluruh proses kontrol dan monitoring bisa
dilakukan melalui perambah internet. Lebih jauh, seluruh sistem dan
protokol yang dikembangkan untuk LWR ini telah dibuka sebagai open-
source dengan lisensi GNU Public License (GPL) di SourceForge dengan
nama openNR[2].
3. Robot Manipulator ( tangan )
Robot ini hanyak memiliki satu tangan seperti tangan manusia yang
fungsinya untuk memegang atau memindahkan barang, contoh robot ini
adalah robot las di Industri mobil, robot merakit elektronik dll.
4. Robot Humanoid
Robot yang memiliki kemampuan menyerupai manusia, baik fungsi maupun
cara bertindak, contoh robot ini adalah Ashimo yang dikembangkan oleh
Honda. Robot adalah sebuah alat mekanik yang dapat melakukan tugas fisik,
baik menggunakan pengawasan dan kontrol manusia, ataupun
menggunakan program yang telah didefinisikan terlebih dulu (kecerdasan
buatan). Robot biasanya digunakan untuk tugas yang berat, berbahaya,
pekerjaan yang berulang dan kotor. Biasanya kebanyakan robot
industri digunakan dalam bidang produksi. Penggunaan robot lainnya
termasuk untuk pembersihan limbah beracun, penjelajahan bawah air dan
luar angkasa, pertambangan, pekerjaan “cari dan tolong” (search and
rescue), dan untuk pencarian tambang. Belakangan ini robot mulai
memasuki pasaran konsumen di bidang hiburan, dan alat pembantu rumah
tangga, seperti penyedot debu, dan pemotong rumput.
5. Robot Berkaki
Robot ini memiliki kaki seperti hewan atau manusia, yang mampu
melangkah, seperti robot serangga, robot kepiting dll.
6. Flying Robot (Robot Terbang)
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Robot yang mampu terbang, robot ini menyerupai pesawat model yang
deprogram khusus untuk memonitor keadaan di tanah dari atas, dan juga
untuk meneruskan komunikasi.
7. Under Water Robot (Robot dalam air)
Robot ini digunakan di bawah laut untuk memonitor kondisi bawah laut dan
juga untuk mengambil sesuatu di bawah laut.
Ada beberapa unjuk kerja robot yang perlu diketahui, antara lain:
Resolusi adalah perubahan gerak terkecil yang dapat diperintahkan
oleh sistem kontrol pada lingkup kerja manipulator.
Akurasi adalah besarnya penyimpangan/deviasi terhadap masukan
yang diketahui
Repeatability adalah kemampuan robot untuk mengembalikan end
effector (pemegang/griper) pada posisinya semula
Fleksibilitas merupakan kelebihan yang dimiliki oleh robot secara
umum jika dibandingkan dengan mesin konvensional. Hal ini pun
tergantung kepada pemprogram dalam merencanakan pola geraknya.
contoh-contoh sistem kontrol pada robot
Membuat robot tak lepas dari namanya sistem kontrol. Yang umum dipakai
ada 3, yaitu:
1. ON-OFF
2. PID
3. Penerapan Soft Computing
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Sistem kontrol digunakan untuk mengontrol pergerakan / navigasi robot. Kita
ambil contoh robot line follower. Misal kita ingin menerapkan sistem kontrol
ON-OFF pada robot dengan 2 sensor garis. Sistem kontrol yang diterapkan
adalah switching aktuator (motor DC) ON dan OFF berdasarkan kondisi
sensor kiri dan kanan, yaitu set motor kanan ON dan motor kiri OFF saat
sensor kiri mendapatkan garis, demikian sebaliknya untuk sensor kanan.
Pergerakan akan terlihat zigzag jika hanya menggunakan dua sensor ini dan
hanya diterakan sistem kontrol ON-OFF. Dengan menerapkan sistem kontrol
PID kita bisa memperbaiki pergerakan robot menjadi lebih smooth. Sistem
kontrol PID adalah mekanisme umpan balik berulang tertutup. Kontrol PID
digunakan untuk mengkoreksi error dari pengukuran variabel proses (dalam
kasus ini adalah sensor) agar output sistem sesuai dengan nilai set point
melalui perhitungan parameter Proportional (P) + Integral (I) + Derivative (I).
Silahkan googling dan wikiing untuk mengetahui PID lebih jauh. Contoh
kasus penerapan PID pada robot line follower bisa di baca di sini. Dadank
juga pernah membuat robot semar mesem dengan penerapan PID
sederhana, silahkan tilik di sini. Sedangkan penerapan soft computing bisa
berupa fuzzy logic dan NN (dua ini yang lazim digunakan untuk KRCI).
Penerapan soft computing cocok untuk granular data yang kompleks, misal
data dari banyak sensor ultrasonic untuk mengontrol aktuator. Jika mapping
data sensor dengan PWM motor dengan cara sederhana sudah tidak bisa
diterapkan, maka penerapan “komputasi halus” perlu diterapkan. Untuk
masalah soft computing lebih spesifik mungkin bisa dibahas dithread
selanjutnya.
Autonomous Robot System-ARS
Untuk membiarkan sistem robot mandiri (ARS) bekerja pada dunia nyata,
kontrol dan sistem sensor harus memperhatikan tantangan yang diakibatkan
oleh keitdakpastian observasi terhadap lingkungan dan kondisi tugasnya.
Oleh karena itu, harus diperhatikan seberapa jauh kebutuhan sistem kontrol
yang akan digunakan untuk mendesaian sistem robot mandiri. Ada beberapa
aspek yang harus diperhatikan, diantaranya :
Sistem kontrol robot bersifat sensor driven
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Satu masalah yang dihadapi pada lingkungan yang tidak terstruktur adalah
tidak mungkin memperkirakan hasil dari tiap aksi secara tepat. Kondisi ini
juga menunjukkan sedikitnya kemungkinan menemukan deret aksi yang
akan memecahkan tugas yang diberikan berdasarkan semua kemungkinan
yang telah diperhitungkan sebelumnya.
Oleh karena itu sistem kontrol robot harus dikendalikan sensor(sensor
driven) dan mengijinkan robot untuk bereaksi terhadap kejadian (event)
yang tidak diharapkan secara on line. Pendekatan kontrol reaktif seperti ini
dapat menjadi robust dengan mempertimbangkan gangguan yang terbatas
dan dapat memperbaiki diri secara mandiri terhadap gangguan yang tak
dapat dimodelkan tanpa memerlukan perencanaan ulang. Hal ini
memberikan respon level rendah yang lebih fleksibel terhadap situasi baru
dan mengijinkan robot untuk melakukan tugas pada konsidi munculnya noise
pada sensor dan terjadinya perubahan kondisi lingkungan.
Arsitektur kontrol yang adpatif
Untuk mengatasi perubahan yang besar pada lingkungan saat run-time
sebagaimana juga perubahan pada misi/tugas yang terus menerus, ARM
harus mampu mengubah kebijakan kontrolnya untuk menyesuaikan dengan
semua kondisi baru. Secara umum, hal ini membutuhkan arsitekrut sistem
kontrol adapatif. Bergantung pada kondisi operasi, variasi yang luas dari
mekanisme machine-learning dapat digunakan untuk melakukan adaptasi.
Pada misi yang mengijinkan pengawasan oleh operator luar, metode
pengajaran dapat dilakukan dan juga dengan memodifikasi strategi kontrol
yang telah diprogram sebelumnya untuk melakukan tugas yang diperlukan.
Namun, pada banyak aplikasi diluar, guidance tidak tersedia. Pada situasi ini,
sistem belajar mandir yang lebih baik sehingga strategi kontrol dapat
menyesuaikan dengan kontek lingkungan tanpa masukan guru. Aplikasi yang
seperti ini, berkisar dari aplikasi di daerah terpencil atau lingkungan
berbahaya yang tidak memfasilitasi kehadiran manusia, sampai pada
aplikasi untuk urusan rumah tangga yang bekerja sesuai dengan keinginan
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
pemilik tanpa melakukan akses ke robot yang telah dilatih oleh
operator/guru.
Memenuhi batasan keamanan
Spesifikasi dasar untuk arsitektur kontrol untuk keperluan ARS adalah ia
memenuhi batasan keamanan tertentu untuk menghindari kegagalan besar
dan tak dapat diperbaiki. Hal ini khususnya penting ketika tugas baru
dilatihkan tanpa pengawasan dan ketika pengaruh perbedaan aksi harus
ditentukan melaui uji coba. Namun, mekansime untuk memenuhi kebutuhan
keamanaa dapat dimanfaatkan untuk sistes teleoperasi yang besar yang
dapat membantu mengurangi resiko kerusakan dan kegagalan menyeluruh
karena kesalahan operator. Arsitektur kontrol untuk sistem robot
seyogyanya menyediakan mekanisme yang membatasi sistem behavior agar
dapat mengakomodasi kebutuhan keamanan dan kekokohan. Oleh kerena
itulah dibituhkan sarana/alat yang dapat membatasi proses belajar dengan
tujuan untuk menghindari aksi yang dapat mengganggu sifat-sifat kritis dari
sistem behavior.
Kemampuan Belajar
Sifat arsitektur yang lain yang mendukung autonomy dan adaptasi adalah
kemampuan untuk menggabungkan pengatahuan awal atau pengetahuan
yang diperoleh untuk mempercepat proses belajar. Untuk membuat adaptasi
mandiri lebih praktis, pembelajaran harus menghasilkan kebijakan
sensorimotor yang bermanfaat untuk sebagian besar tugas. Untuk mencapai
efisiensi dan fleksibiltas yang demikian, arsitektur kontrol haurs mengijinkan
robot untuk memperoleh keuntungan dari semua informasi luar yang
tersedia pada kontek tertentu.
Galih Suangga/ 6309018 1 Ti - 10
Penggunaan yang efektif dari pengetahuan kontrol luar dapat menghasilkan
mode operasi yang berbeda. Khususnya, jika pengetahuan awal tersedia
cukup, dimungkinkan untuk menentukan kebijakan kontrol yang tepat
sebelumnya, mengurangi kebutuhan belajar secara on-line. Jika tidak ada
informasi yang tersedia, arsitektur kontrol harus mampu menentukan
kebijakan kontrol secara mandiri (autonomously). Untuk sepenuhnya
menggunakan pengetahuan kontrol, sistem kontrol seharunya mendukung
operasi pada berbagai tingkatan otonomi, dari terprogram penuh yang
perilakunya sebagain dikendalikan oleh operator sampai ke otonomi penuh,
berjalan secara bebas, terbebas dari intervens