proposal tesis rakhmad gusta revisi
DESCRIPTION
Proposal tesis yang mengusulkan metode baru untuk aplikasi robot pemahat materialTRANSCRIPT
PROPOSAL TESIS
PATH GENERATION DAN MOTION
PLANNING INDUSTRIAL ROBOT
UNTUK APLIKASI ROBOT PAHAT
RAKHMAD GUSTA PUTRA
NRP. 2211204002
DOSEN PEMBIMBING
Ir. Djoko Purwanto, M.Eng., Ph.D.
PROGRAM MAGISTER
BIDANG KEAHLIAN ELEKTRONIKA
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2012
LEMBAR PENGESAHAN
PROPOSAL TESIS
Judul : Path Generation dan Motion Planning Industrial Robot untuk
Aplikasi Robot Pahat
Oleh : Rakhmad Gusta Putra
NRP. : 2211204002
Telah diseminarkan pada :
Hari : Kamis
Tanggal : 14 Juni 2012
Jam : 09.30 WIB
Tempat : Ruang Lab. Elektronika Biomedika (B.205) - ITS
Mengetahui / menyetujui :
Dosen Penguji : Calon Dosen Pembimbing:
1. Achmad Arifin, ST., M.Eng., Ph.D 1. Ir. Djoko Purwanto, M.Eng., Ph.D NIP. 19710314 199702 1 001 NIP. 19651211 199002 1 002
2. Dr. Muhammad Rivai, ST., MT NIP. 19690426 199403 1 003
3. Dr. Tri Arief Sardjono, ST., MT NIP. 19700212 199512 1 001
4. Ronny Mardiyanto, ST., MT., Ph.D NIP. 19810118 200312 1 003
i
Path Generation dan Motion Planning Industrial Robot untuk Aplikasi Robot Pahat
Nama : Rakhmad Gusta Putra
NRP : 2211204002
Pembimbing : Ir. Djoko Purwanto, M.Eng.,Ph.D.
ABSTRAK
Robot pahat adalah robot dengan kemampuan untuk melakukan pemahatan benda kerja sesuai dengan bentuk target. Robot industri dua lengan Motoman SDA10D akan digunakan untuk memahat bentuk permukaan pada benda kerja. Robot dilengkapi dengan gripper yang akan digunakan untuk memegang tools. Satu lengan dimanfaatkan untuk memegang mesin milling dan lengan lainnya memegang blower yang berfungsi membersihkan sisa-sisa proses. Data bentuk target diperoleh dari pembangkitan komputer maupun dari hasil scanning 3-D. Penelitian ini akan ditekankan pada path generation dan pembangkitan motion planning robot. Proses milling akan dilakukan dengan dua tahapan yaitu roughing dan finishing. Orientasi cutter pada proses roughing akan searah dengan sumbu z mirip dengan mesin 3-axis. Sedangkan pada proses finishing orientasi cutter akan disesuaikan dengan bentuk target. Untuk meminimalkan panjang jalur proses, dalam penelitian akan digunakan Genetic Algorithm (GA) didalamnya. Dari penelitian ini diharapkan akan dihasilkan path generation dan motion planning robot industri secara otomatis berdasarkan bentuk target, tanpa harus melakukan proses teaching pada robot dengan panjang jalur proses terpendek.
Kata Kunci : Motion planning, path generation, industrial robot, robot pahat
iii
Path Generation and Motion Planning of Industrial Robot for Sculptor Robot Application
By : Rakhmad Gusta Putra
Student Identity Number : 2211204002
Supervisor: : Ir. Djoko Purwanto, M.Eng., Ph.D.
ABSTRACT
Sculptor robot is a robot with ability to sculpting a workpiece according to target form. Two-arm industrial robot Motoman SDA10D will be used to sculpt the shape of the surface on the workpiece. The robot is equipped with a gripper that will be used to hold tools. One arm will be used to hold a milling machine and the other arm hold a blower to clean the remnants of the process. Data target obtained from computer generation or from 3-D scanning results. This study will focus on the path generation and robot motion planning. Milling process will be done in two stages, roughing and finishing. Orientation of the cutter on the roughing process will be the same direction with the z axis as well as 3-axis machining. While in the finishing process, cutter orientation will adjust to the shape of the target. To minimize the length of line process, the research will use Genetic Algorithm (GA) in it. This research is expected to produce path generation and motion planning of industrial robot automatically based on the target form without teaching process on the robot with the shortest path length.
Keywords : Motion planning, path generation, industrial robot, robot sculptor
iv
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN......................................................................................i
ABSTRAK..............................................................................................................iii
ABSTRACT............................................................................................................iv
DAFTAR ISI............................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR.............................................................................................vii
DAFTAR TABEL...................................................................................................ix
BAB 1 PENDAHULUAN.......................................................................................1
1.1 Latar Belakang..............................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah......................................................................................3
1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian.....................................................................3
BAB 2 DASAR TEORI DAN KAJIAN PUSTAKA...............................................5
2.1 Industrial Robot Motoman SDA10D............................................................5
2.2 Robot Controller Motoman NX-100..................................................................7
2.2.2.1 Interpolasi Linier......................................................................................8
2.2.2.2 Interpolasi Circular...................................................................................8
2.2.2.3 Interpolasi Spline......................................................................................9
2.3 Milling Process..................................................................................................9
2.4 B-Spline...........................................................................................................10
2.5 Kinematik dan Invers Kinematik.....................................................................11
2.5.1 Direct Kinematics......................................................................................12
2.5.2 Inverse Kinematics....................................................................................13
2.6 Genetic Algorithm pada Rural Postman Problem............................................13
BAB 3 METODE PENELITIAN..........................................................................15
3.1 Rancangan Penelitian..................................................................................15
3.1.1 Perancangan Sistem.....................................................................................16
3.1.2 Penentuan Parameter Proses......................................................................18
3.1.2.1 Roughing.............................................................................................183.1.2.2 Finishing.............................................................................................20
3.1.3 Path Generation........................................................................................20
3.1.3.1 Genetic Algorithm untuk Mencari Jalur Terpendek Berdasarkan Open- RPP......................................................................................................21
3.1.4 Motion Planning........................................................................................24
3.2 Prosedur Pengambilan Data........................................................................25
3.3 Cara Analisis....................................................................................................25
3.4 Jadwal Kegiatan...............................................................................................26
DAFTAR PUSTAKA............................................................................................27
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Industrial robot motoman SDA10D yang akan digunakan.................6
Gambar 2.2 Spesifikasi Motoman SDA10D............................................................6
Gambar 2.3 Contoh manipulator robot dalam mode koordinat tool.......................7
Gambar 2.4 Manipulator pada mode interpolasi linier............................................8
Gambar 2.5 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) circular tunggal , (b)
continuous................................................................................................................8
Gambar 2.6 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) spline tunggal, (b) continuous
..................................................................................................................................9
Gambar 2.7 Beberapa tipe operasi milling............................................................10
Gambar 2.8 Cubic B-spline basis function...........................................................10
Gambar 2.9 Cubic B-spline curve dan kontrol poligonnya..................................11
Gambar 2.10 Planar manipulator lengan dengan dua joint....................................12
Gambar 2.11 Transformasi kinematik dari lengan 2 joint.....................................12
Gambar 2.12 Salah satu contoh penggunaan RPP untuk perencanaan jalur proses
................................................................................................................................14
Gambar 3.1 Diagram blok rencana penelitian.......................................................16
Gambar 3.2 Diagram blok sistem..........................................................................16
Gambar 3.3 Disain penempatan tools pada end-efector Motoman SDA10D........17
Gambar 3.4 Diagram blok alur proses...................................................................18
Gambar 3.5 Pembagian layer pada proses milling................................................18
Gambar 3.6 Pembagian layer pada proses roughing.............................................20
Gambar 3.7 Pengikisan pada roughing (a) dan finishing (b)................................20
Gambar 3.8 Alur proses path generation...............................................................21
Gambar 3.9. Jalur pengikisan iso-planar zig-zag (a) konvensional, (b) optimal
yang diharapkan.....................................................................................................22
Gambar 3.10 Parent Pi dan Psi untuk menyelesaikan open-RPP dengan enam jalur
garis........................................................................................................................23
vii
Gambar 3.11 Order crossover diaplikasikan untuk parent P1,P2 dan crossover biasa
diaplikasikan untuk parent PS1, PS2 menghasilkan sepasang C1, C2 dan CS1, CS2....23
Gambar 3.12 Konstruksi Motoman SDA10D........................................................23
Gambar 3.13 Mode interpolasi (a) garis, (b) spline...............................................25
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spesifikasi robot.......................................................................................6
Tabel 3.1 Jadwal kegiatan......................................................................................26
Halaman ini sengaja dikosongkan
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar BelakangRobot pahat atau 3D robot sculpturing adalah robot dengan kemampuan
untuk melakukan pemahatan benda kerja sesuai dengan bentuk target. Robot
lengan difungsikan untuk melakukan pemahatan dengan cara mengikis atau
milling. Robot memiliki kemampuan untuk melakukan proses berulang-ulang
tanpa lelah. Proses lebih cepat dengan akurasi yang lebih tinggi dibandingkan
dengan menggunakan tenaga manusia. Salah satu kegunaan dari robot pahat
adalah untuk mereplika benda. Dengan perangkat ini benda dapat direkonstruksi
ulang dengan komputer kemudian direplika. Untuk aplikasi mereplika benda
terdapat dua bagian utama yaitu bagian scanner 3D untuk memperoleh data
geometri dan robot sebagai aktuator. Yang menjadi perhatian disini adalah sisi
robot sebagai aktuator.
Fungsi yang mirip dengan sistem ini telah diaplikasikan dalam industri
berupa piranti computer numerical control (CNC). Terdapat kemiripan antara 3D
robot sculpturing technology dan CNC carving technology terutama pada path
generation dan process control (Niu dkk, 2007). Dengan workspace yang terbuka,
derajat kebebasan yang tinggi, simulasi dan fasilitas controller membuat 3D
sculpturing robot memiliki nilai lebih. Robot pahat dapat melakukan pemrosesan
pada benda kerja dengan ukuran yang lebih besar dibandingkan dengan mesin
CNC.
Untuk melakukan pemahatan bentuk 3D yang sempurna merupakan hal
tidak mudah. Detail yang tinggi membuat pergerakan robot akan sangat bervarisi
dan komplek. Sistem yang akan dibangun dalam penelitian ini adalah untuk
melakukan pemahatan bentuk permukaan 3D satu sisi. Sedangkan untuk metode
milling dan tools path planning telah banyak dikenalkan oleh para peneliti yang
memiliki kajian ilmu tersendiri. Terdapat beberapa strategi untuk distribusi jalur
1
mengikisan pada sistem, yang sering digunakan adalah strategi zig-zag curves,
contour curves, spiral curves, space filling curves (Niu dkk, 2007).
Robot pahat pada umumnya merupakan robot lengan 6-DOF yang ujungya
dimodifikasi dengan menambahkan mesin milling. Berbeda dengan penelitian-
penelitian yang sudah ada, robot yang akan digunakan adalah robot dua lengan
yang dilengkapi dengan gripper sehingga tool yang digunakan dapat diganti
dengan mudah. Lengan yang pertama digunakan untuk memegang mesin milling
sedangkan lengan kedua digunakan untuk memegang blower yang berfungsi
membersihkan sisa-sisa hasil pengikisan. Dengan sistem ini robot tidak perlu
dimodifikasi secara khusus dan masih bisa digunakan untuk keprluan lain.
Jenis robot yang akan digunakan adalah robot industri dua lengan
Motoman SDA10D. Robot industri ini memiliki dua lengan yang dapat bekerja
sama maupun bekerja mandiri, derajat kebebasan tinggi serta tersedia fasilitas
yang mempermudah user. Controller robot tersebut sudah menyediakan
coordinates control dan motion interpolation. Robot tersebut dapat difungsikan
sesuai dengan kebutuhan seperti untuk proses welding, painting, assembling dan
drilling dalam proses produksi.
Dalam penelitian ini akan mengadaptasi pada strategi pengikisan iso-
planar zig-zag yang merupakan metode yang mudah dan telah banyak
diaplikasikan. Untuk Mangoptimalkan waktu proses, strategi pengikisan iso-
planar zig-zag akan dioptimalkan untuk memperoleh jalur terpendek. Jalur-jalur
proses akan dimodelkan sebagai Open Rural Postman Problem (open RPP).
Penyelesaian open RPP akan menggunakan Genetic Algorithm (GA) untuk
mendapatkan jalur proses minimum seperti yang disampaikan dalam penelitian
sebelumnya (Tewolde, 2008, Romero, 2011).
Proses milling akan dibagi menjadi roughing dan finishing. Proses
roughing difungsikan untuk mempercepat proses dan mengurangi resiko
interferensi tool dengan benda kerja pada proses finishing. Penggunaan ukuran
cutter yang besar akan mempercepat proses roughing akan tetapi celah-celah kecil
akan sulit dijangkau. Oleh karena itu diperlukan pemilihan cutter yang tepat
sesuai dengan bentuk target. Pada proses finishing digunakan cutter yang lebih
2
kecil dengan orientasi cutter yang disesuaikan dengan bentuk permukaan target.
Hal ini dilakukan untuk membuat detail yang tinggi.
Penelitian tentang teknologi milling pada CNC maupun robot sebagian
besar dilakukan dengan data target yang dibangkitkan oleh komputer (Niu dkk,
2007, Wu,2008 ). Data dibangkitkan dari komputer oleh program CAD, sehingga
informasi penting terkait dengan titik-titik alur pengikisan akan didapat.
Berdasarkan informasi tersebut, pengikisan benda kerja akan presisi. Berbeda
dengan data yang dihasilkan komputer, data hasil scanning yang akan digunakan
merupakan array data diskrit.
1.2 Perumusan MasalahAdapun perumasan masalah yang dihadapi adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana memanfaatkan robot industri untuk proses pemahatan
benda kerja,
2. Bagaimana membangkitkan titik-titik jalur proses pengikisan benda
kerja dengan jalur proses terpendek,
3. Bagaimana membangkitkan motion planning robot yang sesuai untuk
proses pengikisan benda kerja,
4. Bagaimana tingkat akurasi dari sistem yang akan dibangun.
1.3 Tujuan dan Manfaat PenelitianTujuan dari penelitian ini adalah:
1. Memanfaatkan robot industri untuk melakukan pemahatan benda kerja,
2. Melakukan pembangkitan path atau jalur proses pemahatan benda
kerja dengan jalur proses terpendek,
3. Membangkitkan motion planning untuk melakukan pemahatan benda
kerja,
4. Mengetahui tingkat akurasi dari sistem yang akan dibangun.
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah dapat melakukan proses
pemahatan benda kerja sesuai dengan data target tanpa harus melakukan proses
teaching pada robot. Hal tersebut akan mempermudah pengoperasian robot dan
3
mempersingkat waktu pemrograman. Selain itu, diharapkan juga akan dihasilkan
path dengan jalur proses yang minimal dengan menggunakan GA.
4
BAB 2
DASAR TEORI DAN KAJIAN PUSTAKA
Perancangan path generation dan motion planning industrial robot untuk
aplikasi robot pahat tak lepas dari beberapa konsep dasar robot lengan dan proses
milling. Berikut adalah beberapa hal yang berkaitan dengan hal tersebut.
2.1 Industrial Robot Motoman SDA10DYaskawa Motoman SDA10D adalah robot dua lengan dengan 15 axis. Hal
tersebut membuat robot memiliki ketangkasan, kebebasan bergerak yang tinggi
dengan konsumsi ruang yang kompak. Kedua lengan dapat bekerja sama yang
membuat proses tooling pada end-efector robot lebih sederhana. Robot didisain
dengan aktuator berupa servo yang telah dipatenkan dan semua jalur perkabelan
berada didalam lengan. Robot yang akan digunakan ditunjukkan dalam Gambar
2.1. Sedangkan Tabel 2.1 dan Gambar 2.2 menunjukkan spesifikasi robot
Yaskawa Motoman SDA10D. Beberapa kelebihan dari robot ini adalah sebagai
berikut:
1. Disain dasar aktuator yang powerful membuat fleksibilitas menyerupai
manusia dan akselerasi yang cepat.
2. Ketangkasan yang tinggi dan dua lengan membuatnya ideal untuk
proses assembly, pemindahan part, pengepakan dan penangan tugas
lainnya yang sebelumnya hanya bisa dikerjakan oleh manusia.
3. Fleksibilitasnya yang tinggi, bergerak berdasarkan 15 axis (7 axis per
lengan dan satu axis berputar pada dasar robot).
4. Jalur kabel internal membuatnya bebas dari interferensi.
5. Beban yang dapat diterima masing-masing lengan 10 kg.
6. Kedua lengan dapat bekerjasama maupun operasi mandiri masing-
masing lengan.
5
Gambar 2.1 Industrial robot motoman SDA10D yang akan digunakan
Tabel 2.1 Spesifikasi robot
Jangkauan Rotasi Maksimum Kecepatan MaksimumRotation-Axis (Waist) ±170° Rotation-Axis 130°/sS-Axis (Lifting) ±180° S-Axis 170°/sL-Axis (Lower Arm) ±110° L-Axis 170°/sE-Axis (Elbow) ±170° E-Axis 170°/sU-Axis (Upper Arm) ±135° U-Axis 170°/sR-Axis (Upper Arm Twist) ±180° R-Axis 200°/sB-Axis (Wrist Pitch/Yaw) ±110° B-Axis 200°/sT-Axis (Wrist Twist) ±180° T-Axis 400°/s
Sumber : www.motoman.com
Gambar 2.2 Spesifikasi Motoman SDA10D
Sumber : www.motoman.com
6
2.2 Robot Controller Motoman NX-100Yaskawa Motoman seri NX-100 adalah kontroler robot yang multifungsi.
Kontroler tersebut telah menyediakan fasilitas yang cukup lengkap. Kontroler
robot ini dapat beroperasi dalam beberapa mode koordinat dan perintah interpolasi
gerak yang berbeda.
2.2.1 Sistem Koordinat
Terdapat beberapa mode koordinat yang disediakan yaitu joint coordinat,
kartesian coordinat, sylindrical coordinat dan tool coordinat. Jika bekerja pada
joint coordinat maka semua sudut axis robot akan dapat diatur dengan bebas
dalam satu waktu baik positif maupun negatif. Masing masing joint bebas
terhadap joint yang lainnya. Jika bekerja dalam koordinat kartesian, manipulator
bergerak paralel pada sumbu X, Y dan Z. Sedangkan ketika robot bekerja dalam
koordinat silindrikal, maka pergerakan dari manipulator berupa gerakan rotasi ke
kanan-kiri dan atas-bawah.
Koordinat tool didefinisikan pada ujung dari tool. Pada gerak pada
koordinat tool, manipulator dapat bergerak dengan arah tool yang efektif sebagai
referensi terlepas dari posisi dan orientasi manipulator. Gerakan ini yang paling
cocok ketika manipulator diperlukan untuk bergerak paralel dengan tetap
menjaga orientasi alat dengan benda kerja. Pergerakan dari tool ditunjukkan
dalam Gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3 Contoh manipulator robot dalam mode koordinat tool
Sumber : Yaskawa, 2004
7
Gambar 2.4 Manipulator pada mode interpolasi linier
Sumber : Yaskawa, 2004
2.2.2. Tipe Interpolasi dan play speed
Tipe interpolasi menentukan jalur pergerakan manipulator robot antar step.
Play speed adalah tingkat kecepatan gerak manipulator. Umumnya tiga elemen
dari data posisi, tipe interpolasi dan play speed diseting secara bersamaan dalam
proses teaching. Terdapat beberapa tipe interpolasi yang disediakan controller
dari Motoman NX100 yaitu:
2.2.2.1 Interpolasi Linier
Manipulator bergerak pada jalur linier dari step satu ke step berikutnya.
Interpolasi linier digunakan untuk pekerjaan seperti welding. Manipulator
otomatis bergerak mengubah posisi dari pergelangannya seperti dalam Gambar
2.4.
2.2.2.2 Interpolasi Circular
Pada mode interpolasi circular, manipulator bergerak membentuk busur
yang melewati tiga titik. Ketika diperlukan gerakan circular tunggal, diperlukan
tiga titik P1 sampai P3 seperti dalam Gambar 2.5 (a). Ketika diperlukan gerakan
continuous circular, kedua busur harus dipisahkan satu sama lain dengan step joint
atau linier interpolasi. Step ini harus disisipkan antara dua step pada titik yang
identik.
(a) (b)
Gambar 2.5 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) circular tunggal , (b)
continuous
Sumber : Yaskawa, 2004
8
(a) (b)
Gambar 2.6 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) spline tunggal, (b)
continuous
Sumber : Yaskawa, 2004
2.2.2.3 Interpolasi Spline
Ketika menjalankan operasi seperti welding dan cutting, menggunakan
interpolasi spline membuat proses untuk bendakerja dengan bentuk yang tidak
biasa menjadi lebih mudah. Jalur gerakan yang dibuat dengan spline adalah
parabola melewati tiga titik. Pada spline tunggal hanya diperlukan tiga titik yang
akan dilewati, yaitu P1 sampai P3 seperti dalam Gambar 2.7(a). Jika bekerja pada
mode continuous spline, manipulator bergerak melewati jalur yang dibuat dengan
kombinasi kurva parabolik. Hal ini berbeda dengan interpolasi circular dimana
titik yang identik tidak diperlukan pada persambungan antara dua kurva spline.
Hal ini ditunjukkan dalam Gambar 2.6 (b).
2.3 Milling ProcessMilling adalah operasi mesin dimana benda kerja dikikis oleh perangkat
silinder berputar dengan banyak tepi pemotong. Sumbu rotasi alat ini tegak lurus
dengan arah pengikisannya. Perangkat yang digunakan disebut milling cutter dan
tepi pemotongnya disebut gigi/ teeth. Kebanyakan permukaan bidang dibuat
melalui proses milling. Untuk setiap perputaran gigi dari milling cutter masuk dan
keluar dari benda kerja sehingga geometri dari cutter dan material harus dipilih
dengan hati-hati. Beberapa tipe operasi dari proses milling ditunjukkan dalam
Gambar 2.7.
9
Gambar 2.7 Beberapa tipe operasi milling
Sumber : http://classes.engr.oregonstate.edu
2.4 B-Spline
Spline fungsi piecewise polinomial yang banyak digunakan untuk
melakukan interpolasi dari data point atau untuk aproksimasi fungsi kurva dan
permukaan. Terdapat teknik yang efisien dari spline untuk proses komputasional
yang disebut B-splines, atau basic – splines. Basic spline diperoleh dari kombinasi
linier dari jumlah yang tepat dari basis function. Persamaan 2.1 dan 2.2 berikut
adalah persamaan b-spline basis function. Gambar 2.8 menunjukkan kurva b-
spline basis function.
N ik (u )=
u−ui
ui+k−1−ui
N ik −1 (u )+
ui+ k−u
ui+k−ui+1
N i+1k−1 (u ) (2.1)
N i1 (u )={1 ,u1≤ u<ui+1
0 , otherwise(2.2)
Dimana,
N ik = B-spline basis function ke-i dengan orde k
ui = non decreasing set of real number atau disebut knot
u = paramater variabel
Gambar 2.8 Cubic B-spline basis function
Sumber : Biagiotti, 2008
10
Gambar 2.9 Cubic B-spline curve dan kontrol poligonnya
Sumber : Biagiotti, 2008
B-spline merupakan hasil pemetaan elemen dari sekuensial knot dari
parametric space ke cartesian space. B-spline dipengaruhi oleh kurva kontrol
point, orde kurva dan B-spline basis function seperti dalam Persamaan 2.3.
Bentuk dari kurva B-spline dan poligon kontrolnya ditunjukkan dalam Gambar
2.9.
s (u )=∑i=0
n
d i N ik (u ) n≥ k−1 (2.3)
s(u) = titik pada kurva sebagai fungsi dari parameter u
di = control point atau weigh atau point coefficients
N ik = B-spline basis function ke-i pada orde k
2.5 Kinematik dan Invers Kinematik
Kinematik menjelaskan hubungan antara posisi, kecepatan dan percepatan
dari pengaturan tubuh robot, dalam hal ini adalah tautan lengan robot. Untuk
trajectory planning dari manipulator robot lengan, kinematik sangat penting. User
lebih suka memberikan perintah posisi robot pada koordinat kartesian (x,y,z).
Pada contoh berikut mengacu pada lengan robot yang ditunjukkan dalam Gambar
2.10. Sistem kontrol dari robot menggunakan pengaturan sudut dari joint (θ1 ,θ2).
Begitu juga sebaliknya, ketika mendapatkan nilai sudut dari joint dan ingin diubah
11
ke koordinat kartesian. Kedua hubungan antara kedua representasi koordinat ini
dijelaskan sebagai berikut.
Gambar 2.10 Planar manipulator lengan dengan dua jointSumber : Biagiotti, 2008
2.5.1 Direct Kinematics
Pada direct kinematic, nilai yang diberikan adalah nilai sudut joint (θ1 ,θ2)
sedangkan yang dicari adalah sesuai dengan koordinat kartesian (x,y) dari ujung
lengan. Dari gambar 2.10, ini bukan merupakan hal yang sulit untuk menentukan
ujung dari lengan robot berdasarkan sudut joint. Posisi ditentuka seperti dalam
Persamaan 2.4. Untuk mendapatkan kecepatan digunakan Persamaan 2.5.
X=[ xy ]=¿ (2.4)
X=[ xy ]=¿ (2.5)
Gambar 2.11 Transformasi kinematik dari lengan 2 joint
12
Sumber : Biagiotti, 2008
2.5.2 Inverse Kinematics
Pada inverse kinematik, diketahui koordinat kartesian (x,y) dari ujung
lengan sedang yang dicari adalah sudut joint (θ1 ,θ2). Persamaan posisi
ditunjukkan dalam Persamaan 2.6 dan 2.7.
cosθ2=x2+ y2−l1
2−l22
2 l1l2
(2.6)
θ1=tan−1 yx -tan−1 l2 sin θ2
l1+l2cosθ2 (2.7)
Pada inverse kinematik cara perhitungannya adalah relatif terhadap
konstruksi robot yang digunakan. Sehingga tidak ada persamaan yang pasti untuk
kesemua konstruksi robot.
2.6 Genetic Algorithm pada Rural Postman Problem
Rural Postman Problem (RPP) pada dasarnya adalah Arc Routing Problem
dengan banyak aplikasi. RPP mempunyai dua tepi yang digunakan dan yang
tidak digunakan. Tujuan dari RPP adalah untuk mencari nilai jalur dengan
minimum cost sehingga semua tepi dilalui minimum satu kali. Masalah RPP
banyak dijumpai dalam dunia nyata misalnya pada : Pengiriman koran,
mengantarkan surat, penyapu jalan, inspeksi pipa, dan sebagainya. Kasus RPP
klasik adalah masalah perjalanan yang berpindah melalui semua tepi yang yang
dibutuhkan dan memungkinkan beberapa tambahan tepi untuk menyusun
perputaran tertutup dengan minimum weigh.
Genetic Algorithm (GA) pertama kali diusulkan oleh Holland dalam
bukunya Adaptation in Natural and Artificial System yang mana ide tersebut
diaplikasikan dan dikembangkan oleh Goldberg. GA didasarkan pada teori
Darwin tentang evolusi dan seleksi alam. Secara umum teori tersebut diuraikan
13
sebagai berikut. Algorithm dimulai satu set solution, disandikan dalam bentuk
kromosom yang disebut initial population. Selanjutnya nilai (fitness) diberikan
dalam pada tiap-tiap kromosom dan yang terbaik (berdasarkan nilai fitness) dipilih
sebagai parents. Untuk menghasilkan generasi baru, parents akan dilakukan
crossing dengan probabilitas tertentu untuk menghasilkan kromosom baru yang
disebut children. Pada populasi baru, yang terburuk akan dieliminasi dan proses
akan berulang sampai nilai tertentu. Prinsip dasar GA didasarkan pada crossover
population (pertukaran bagian-bagian informasi, gen yang ada pada kromosom
parents). Ketika kromosom tidak diajukan untuk crossover, maka mereka tetap
tidak termodifikasi. Mutasi terlibat untuk modifikasi nilai dari beberapa gen
kromosom dengan probabilitas tertentu (probabilitas mutasi). Proses ini
mengenalkan kembali material genetik yang hilang atau yang belum terselidiki
kembali ke populasi, dengan tujuan mencegah konvergensi yang prematrur.
Proses ini berulang sampai stopping kondisi terpenuhi, biasanya jumlah dari
generation.
Pendekatan dengan menggunaka GA bertujuan untuk mencari semua
kemungkinan solusi untuk didapatkan solusi global yang optimal. Penggunaan
operasi evolusi yang random digunakan untuk mencegah terjebak dalam local
optima. Untuk menghasilkan metode yang efisien dan baik diperlukan
representasi yang baik dari solusi, misalnya struktur kromosom.
Gambar 2.12 Salah satu contoh penggunaan RPP untuk perencanaan jalur proses
Sumber : Tewolde, 2008
14
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Rancangan PenelitianDalam penelitian ini akan dilakukan disain eksperimental membangkitkan
path dan motion planning robot industri untuk memahat benda kerja. Penelitian
akan dilakukan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut:
1. Perancangan sistem,
2. Penentuan parameter proses,
3. Path Generation untuk pengikisan,
4. Pembangkitan motion planning robot,
5. Simulasi sistem,
6. Pemrograman pada robot,
7. Pengujian masing-masing bagian dan keseluruhan sistem
8. Diskusi dan analisa hasil pengujian
9. Penulisan paper dan buku tesis
Diagram blok dari rencana penelitian dan sistem ini ditampilkan dalam
Gambar 3.1. Perancangan sistem mencakup disain dari keseluruhan sistem yang
akan dibangun. Penentuan parameter proses mencakup parameter-parameter yang
diperlukan serta pemilihan cutter berdasarkan bentuk target. Path generation
mencakup strategi pengikisan yang dioptimalkan terhadap panjang jalur proses.
Pembangkitan motion planning dilakukan untuk menentukan pergerakan dari
robot. Untuk mengetahui kerja sistem sebelum diimplementasikan pada robot
dilakukan simulasi dengan menggunakan software. Tahap selanjutnya adalah
pengujian dan analisa.
15
Gambar 3.1 Diagram blok rencana penelitian
3.1.1 Perancangan SistemDalam penelitian ini, sistem terdiri dari tiga bagian utama yaitu komputer,
robot controller NX100 dan robot dual-arm motoman SDA10D. Komputer
dipergunakan untuk mengolah data, membangkitkan path dan motion planning
robot. Data keluaran dari komputer akan masuk ke kontroler robot, dimana
protokol dan perintah dari komputer disesuaikan dengan protokol dan perintah
kontroler. Kontroler akan secara langsung mengatur gerakan dari robot.
Gambar 3.2 Diagram blok sistem
16
Gambar 3.3 Disain penempatan tools pada end-efector Motoman
SDA10D
Dalam penelitian ini, robot industri dua lengan tipe Motoman SDA10D
dilengkapi gripper pada end-efector masing-masing lengan. Penggunaan gripper
ini akan memungkinkan robot berganti-ganti tools. Gripper tersebut selanjutnya
akan digunakan untuk memegang mesin milling dan blower. Mesin milling
digunakan untuk melakukan proses milling sedangkan blower digunakan untuk
membersihkan sisa-sisa hasil proses. Penempatan mesin milling dan blower pada
end-efector robot ditunjukkan dalam Gambar 3.3 berikut.
Tahapan alur kerja algoritma dari sistem path generation dan motion
planning robot industri untuk aplikasi robot pahat dibagi menjadi beberapa
tahapan seperti dalam Gambar 3.4. Secara garis besar sistem dibagi menjadi tiga
proses yaitu penentuan parameter proses, path generation dan motion planning.
Penentuan dari parameter proses akan mempengaruhi pembangkitan alur proses
pengikisan dan motion planning dari robot.
17
Gambar 3.4 Diagram blok alur proses
3.1.2 Penentuan Parameter Proses
Dalam meralisasikan sistem ini, proses pengikisan akan dilakukan
bertahap yaitu roughing/ pengikisan kasar dan finishing/ pengikisan akhir. Dalam
pengikisan kasar akan dibagi menjadi beberapa layer proses seperti ditunjukkan
dalam Gambar 3.5.
3.1.2.1 RoughingPada pengikisan kasar, robot digerakkan seperti halnya robot 3-axis
dimana orientasi ujung tools searah dengan sumbu z karena hasil akhir pengikisan
tidak akan terpengaruh oleh proses roughing. Proses roughing akan memakan
sebagian besar volume benda kerja dengan lebih cepat. Untuk mengoptimalkan
waktu proses pada roughing, akan dilakukan pemilihan cutter yang sesuai dengan
bentuk bidang yang diproses. Metode pemilihan cutter akan didasarkan pada
metode dynamic programming seperti yang disampaikan Y.H.Chen (1998).
Gambar 3.5 Pembagian layer pada proses milling
18
Dynamic programming dibangun untuk menghasilkan solusi yang optimal
pada pemilihan cutter dan penentuan bidang permukaan yang akan diproses.
Metode ini mengambil keputusan pada setiap tahapan atau layer yang akan
diproses secara berurutan. Setiap tahapan atau layer menggambarkan posisi dari
bidang yang akan diproses berdasarkan kondisinya. Pada setiap layer cutter
dipilih dan kedalaman pengikisan dari masing-masing cutter yang dipilih
ditentukan. Waktu proses pengikisan akan ditentukan disini. Berdasarkan cutter
yang tersedia, bentuk dan ukuran dari setiap layer maka akan diperinci semua
kombinasi yang mungkin untuk model yang optimal. Dengan melakukan iterasi
untuk kombinasi yang mungkin maka akan diperoleh waktu pengikisan yang
minimum untuk masing-masing layer.
Pada model ini diasumsikan kedalaman dari terget adalah h sedangkan
kedalaman dari cutter ke-i adalah di untuk nilai i=1,2,...,m. Sehingga nilai Δz akan
dapat ditentukan berdasrkan kedalaman dari cutter dan jumlah layer dapat
ditentukan dalam Persamaan 3.1.
S= h∆ z
(3.1)
Dimana:
S : Jumlah layer,
h : Target kedalaman pengikisan,
Δz : Kedalaman pengikisan pada setiap layer .
Seperti terlihat dalam Gambar 3.6, jumlah layer yang dihasilkan adalah:
0 ≤ s ≤ S. Tidak semua layer diproses menggunakan ukuran cutter yang berbeda.
Untuk meminimalkan waktu yang diperlukan untuk mengganti cutter, sebanyak
mungkin layer yang dapat diproses dengan ukuran cutter sama diperlukan.
Penentuan ukuran cutter didasarkan pada ukuran cutter paling besar yang
mungkin untuk luasan bidang tiap layer. Jika diasumsikan diameter cutter adalah
dc dan jarak kritis batasan dari sebuah luasan adalah b maka dc ≤ b harus dipenuhi.
19
Gambar 3.6 Pembagian layer pada proses roughing
3.1.2.2 FinishingProses finishing bertujuan untuk membuat detail yang tinggi untuk proses
pemahatan. Oleh karena itu pada proses ini digunakan ujung cutter yang lebih
kecil dan orientasi dari cutter akan dibuat menyesuaikan dengan kontur
permukaan target. Perbedaan dari orientasi cutter pada proses roughing dan
finishing ditunjukkan dalam Gambar 3.7 berikut.
3.1.3 Path Generation
Proses path generation atau pembangkitan jalur pengikisan dilakukan
dengan beberapa tahapan yang diantaranya adalah proses konversi koordinat dari
koordinat data ke koordinat robot dan benda kerja, hasil penentuan parameter-
parameter proses dan strategi pengikisan dengan GA. Proses ini ditunjukkan
dalam Gambar 3.8 berikut.
(a) (b)
Gambar 3.7 Pengikisan pada roughing (a) dan finishing (b)
20
Gambar 3.8 Alur proses path generation
Input dari sistem adalah data geometri target berupa bentuk 3-D. Data
tersebut diperoleh dari hasil scanning 3-D maupun pembangkitan langsung oleh
komputer. Format data yang akan digunakan adalah berupa data array yang
memuat nilai dalam koordinat kartesian x, y dan z. Dalam penelitian ini bentuk
yang akan diproses adalah bentuk 3D permukaan satu sisi. Data yang memuat
informasi dalam koordinat data x,y dan z dikonversi terlebih dahulu ke sistem
koordinat robot dan benda kerja. Proses konversi ini akan dilakukan secara
eksperimental. Beberapa hal yang berpengaruh terhadap parameter-parameter
konversi adalah penempatan benda kerja dan skala dimensi yang digunakan pada
data target.
3.1.3.1 Genetic Algorithm untuk Mencari Jalur Terpendek Berdasarkan Open- RPP
Pembangkitan jalur pengikisan atau sering disebut path generation adalah
masalah yang sangat sulit dan telah diteliti oleh banyak ilmuan di bidang
teknologi pemrosesan bahan. Dalam penelitian ini, strategi jalur pengikisan yang
akan digunakan mengadaptasi pada iso-planar zig-zag. Metode ini sederhana dan
telah banyak diimplementasikan. Strategi pengikisan akan dioptimalkan dengan
memodelkan sebagai open Rural Postman Problem (open-RPP) yang akan
diselesaikan dengan menggunakan Genetic Algorithm (GA). Gambaran metode
ini ditunjukkan dalam Gambar 3.9. Gambar 3.9 (a) menunjukkan strategi
pengikisan iso-planar zig-zag konvensional, sedangkan Gambar 3.9 (b)
meunjukkan panjang jalur yang dioptimalkan.
21
(a) (b)
Gambar 3.9. Jalur pengikisan iso-planar zig-zag (a) konvensional, (b) optimal yang diharapkan
Gerakan dari pengikisan teratur dengan interval pengikisan yang tetap
setiap kali proses. Proses ini berlaku untuk proses roughing dan finishing sesuai
dengan parameter proses yang dihasilkan. Jalur-jalur proses dibangkitkan
berdasarkan baris seperti dalam iso-plannar seperti dalam Gambar 3.9 (b). Jalur
proses akan diberi indek dari 1 sampai n berdasarkan struktur yang akan diproses.
Metode konvensional akan melakukan pengikisan urut berdasarkan berdasarkan
baris secara zig-zag dengan area tidak diproses juga akan dilewati. Dengan
menggunakan GA, urutan baris yang akan diproses akan dicari nilai minimumnya
sehingga diharapkan didapatkan jalur terpendek diperoleh.
Garis-garis proses tersebut dapat dimodelkan sebagai open-RPP. Open-
RPP adalah kasus RPP dengan titik akhir tidak harus kembali ke titik awal. Untuk
menyelesaikan masalah open-RPP, struktur kromosom berisikan gen yang
merepresentasikan nomor urut jalur yang ada. Jumlah jalur akan sangat
bergantung pada struktur target. Dikarenakan kasus open-RPP memiliki dua tepi,
maka diperlukan kromosom lagi yang merepresentasikan arah perpindahan dari
titik tepi satu ke dua atau sebaliknya.
22
Gambar 3.10 Parent Pi dan Psi untuk menyelesaikan open-RPP dengan enam jalur garis
Gambar 3.11 Order crossover diaplikasikan untuk parent P1,P2 dan crossover biasa diaplikasikan untuk parent PS1, PS2 menghasilkan sepasang C1, C2
dan CS1, CS2
Dimisalkan Pi adalah individu solusi untuk masalah jalur pada open-RPP
sedangkan Psi menyatakan arah menyisiran. Pada Psi nilai 1 menyatakan arah
penyisiran dari tepi satu ke tepi dua dan 0 menyatakan sebaliknya. Sebagai
contoh untuk kasus enam garis adalah ditunjukkan dalam Gambar 3.10. Pada
proses crossover akan digunakan order crossover seperti diilustrasikan dalam
Gambar 3.11. Mutasi diimplementasikan dengan menggunakan skema swapping
mutation. Cara ini dilakukan dengan memilih dua posisi secara acak dan
dilakukan pertukaran. Langkah berikutnya adalah menentukan nilai fitnessnya
didasarkan pada panjang jalur yang akan ditempuh.
Gambar 3.12 Konstruksi Motoman SDA10D
23
3.1.4 Motion Planning
Dari data target dan strategi jalur pengikisan yang digunakan selanjutnya
akan dilakukan proses smoothing untuk masing masing baris dengan
menggunakan kurva B-spline. Dari kurva hasil B-spline akan bisa didapatkan
titik-titik baru. Titik-titik tersebut akan menentukan pergerakan ujung cutter dan
orientasi cutter.
Motion planning dari robot mencakup alur gerakan robot dari posisi
standby, pengambilan tools, proses pengikisan berdasarkan path yang dihasilkan,
kecepatan pengikisan dan orientasi dari cutter. Motion planning akan dibangun
agar didapatkan gerakan yang efektif dan memungkinkan dalam prosesnya.
Orientasi dari cutter disesuaikan dengan parameter proses yang
sebelumnya telah dihasilkan. Pada proses roughing, orientasi cutter tetap searah
dengan sumbu z. Pada finishing dilakukan berdasarkan persamaan tangensial
dimana cutter akan selalu tegak lurus dengan permukaan target. Titik-titik posisi
dan orientasi selanjutnya akan menjadi acuan robot untuk melakukan gerak.
Untuk mengatur gerakan robot perlu memperhatikan konstruksi dari robot,
konstruksi tools dan proses invers kinematik. Proses invers kinematik akan
dilakukan secara analitis berdasarkan konstruksi robot. Jika diketahui titik dan
orientasi yang diinginkan dari ujung tools, maka titik point P akan bisa diketahui.
Dengan diketahuinya posisi point P, maka sudut dari masing-masing joint akan
dapat diketahui. Konstruksi robot ditunjukkan dalam Gambar 3.12
Perintah interpolasi pada robot mempunyai mode garis dan spline. Pola
gerak mode garis ditunjukkan dalam Gambar 3.13(a) , sedang pola gerak spline
ditunjukkan dalam Gambar 3.13(b) berikut. Setelah semua proses selesai akan
dibangkitkan program yang akan mengatur gerakan dari robot industri untuk
proses pengikisan benda kerja. Interpolasi yang digunakan pada robot adalah tetap
baik garis maupun spline dengan kecepatan yang diatur. Sebelum
diimplementasikan langsung ke robot, terlebih dahulu dilakukan simulasi proses
pada software.
24
(a) (b)
Gambar 3.13 Mode interpolasi (a) garis, (b) spline
3.2 Prosedur Pengambilan DataPengambilan data percobaan dilakukan dalam beberapa tahap pengujian
yaitu:
1. Pengujian panjang jalur pengikisan
Pengujian panjang jalur dan waktu pengikisan dilakukan secara
simulasi. Hasil dari proses dengan strategi pengikisan standar
dibandingkan dengan hasil pengoptimalan panjang jalur yang
dilakukan.
2. Pengujian akurasi robot
Pengujian akurasi robot dilakukan dengan melakukan proses gerakan
berdasarkan titik uji. Hasil dari proses dan input titik uji dibandingkan
untuk didapatkan tingkat akurasi robot.
3. Pengujian error pengikisan
Pengujian ini dilakukan dengan melakukan proses pengikisan benda
kerja sesuai dengan data bentuk target. Hasil dari proses yang berupa
bentuk 3D akan dibandingkan dengan data input.
3.3 Cara AnalisisCara analisis untuk penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Panjang jalur pengikisan
Analisa panjang jalur pengikisan dilakukan dengan cara
membandingkan panjang jalur dan waktu yang dihasilkan dari proses
dengan strategi pengikisan standar dibandingkan dengan hasil
pengoptimalan panjang jalur yang dilakukan.
25
2. Akurasi robot
Analisa untuk akurasi robot dilakukan dengan membandingkan titik uji
dengan titik yang dihasilkan oleh gerakan. Dari selisih kedua titik
tersebut akan didapatkan akurasi dari robot.
3. Error pengikisan
Analisa error pengikisan dilakukan dengan membandingkan bentuk
data target dan hasil proses pengikisan. Dari selisih dimensi maupun
bentuk yang dihasilkan akan didapatkan error pengikisan.
3.4 Jadwal KegiatanPenelitian direncanakan berlangsung selama enam bulan. Adapun jadwal
kegiatan dari penelitian yang akan dilakukan ditampilkan dalam Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Jadwal kegiatan
KegiatanBulan
1 2 3 4 5 6Studi LiteraturPath generationMembangkitkan motion planning robot dan orientasi tools dari komputerSimulasi programPemrograman pada robotPengujian sistemAnalisa pengujian pengikisanPenulisan paper dan buku tesis
26
DAFTAR PUSTAKA
Adel Olabi, Richard Bearee, Olivier Gibaru, Mohamed Damak. “Feedrate
planning for machining with industrial six-axis robots”, Control
Engineering Practice 18 hal. 471-482, 2010.
Biagiotti Luigi. “Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots”,
Berlin: Springer. 2008.
Chen Y.H., Lee Y.S., Fang S.C. “Optimal Cutter Selection and Machining Plane
Determination for Process Planning and NC Machining of Complex
Surfaces”, Journal of Manufacturing System Vol.17 No.5 Hal. 371-388,
1998.
Kurfes, Thomas R. “Robotics And Automation Handbook”, Washington DC:
CRC Press, 2005.
Langeron, J Marie, Emmanuel Duc, Claire Lartigue, Pierre Bourdet. “A New
format for 5-axis tool path computation, using Bspline curves”, Proceeding
of the Computer Aided Design 36, hal. 1219-1229, 2003.
Material and Manufactoring Process.. “Milling Process”, 2010.
http://classes.engr.oregonstate.edu/mime/winter2010/ie337001/Laboratorie
s/4a.Milling%20lab.pdf. Diakses tgl. 27 Maret 2012.
Niu Xuejuan, Liu Jingtai, Sun Lei, Liu Zheng, Chen Xinwei.”Robot 3-D
Sculpturing Based on Extracted NURBS ”, Proceeding of the 2007 IEEE
International conference on Robotics and Biomimetics, Sanya, China,
hal.1936-1941, 2007.
Romero J.R.M, Venegas H.A.M, Zuniga J.H.”An Evolution Hybrid Strategy for
Solving the Rural Postman Problem”, 2011 Electronics, Robotics and
Automation Mechanics Conference Hal.415-420, 2011.
Tewolde G.S. “Robot Path Integration in Manufacturing Processes: Genetic
Algorithm Versus Ant Colony Optimization”, IEEE Transactions On
Systems, Man, And Cybernetics—Part A: Systems And Humans, Vol. 38,
No. 2. Hal.278-287, 2008.
27
Wu, Fuzhong. “Five-Axis Tool Path Planning by Free Form Curve Offset in
Surface”, Proceeding of the IEEE International Converence on Automation
dan Logistics, Qingdao, China, hal.559-563, 2008.
Yaskawa Electric Corporation. Motoman NX100 Basic Programming, Japan,
2004.
28