sensor robot · 2017-12-15 · . th22452 robotika 30 sensor resistan ... sensor proximity capasitif...
TRANSCRIPT
TH22452 Robotika 1
Sensor Robot
Nuryono S.W., S.T.,M.Eng.
TH22452 Robotika 2
Pendahuluan
• Sensor adalah piranti untuk mengukurbesaran tertentu (devices for measuring a quantity)
• Dalam sistem robotika umumnya sensor mengubah besaran tertentu ke dalambesaran elektris(arus, tegangan, isyaratelektris/elektronis)
TH22452 Robotika 3
Karakteristik Sensor
• Akurasi(Kesesuaian nilai aktual dan nilai terukur)
• Resolusi(Perubahan terkecil pd besaran terukur ygmasih bisa dideteksi oleh sensor)
• Repeatability (Variasi nilai terukur ketika suatu besaranyg sama diukur secara berulang-ulang)
TH22452 Robotika 4
Karakteristik Sensor
• Linearity(Hubungan antara perubahan input terhadapperubahan output)
• Sensitivity(Rasio perubahan output terhadap perubahaninput/kepekaan)
• Range(Batas bawah&atas variabel yg masih bisa dikuroleh sensor)
• Respon
TH22452 Robotika 5
Perlunya Sensor
• Agar robot punya “awareness” thdpdirinya dan lingkungan
• Agar robot dapat berinteraksi denganlingkungannya
• Keamanan dan Keselamatan, pencegahan kerusakan
• Kemampuan untuk mencapai target atau tujuan
• Membuat robot lebih “cerdas”
TH22452 Robotika 6
Besaran yg diukur
• Cahaya– Warna, Intensitas, Arah
• Suara– Frekuensi, Intensitas, Arah
• Panas– Suhu, panjang gelombang, kuantitas, arah
• Bahan kimia
• Object Proximity dan jarak dan arah benda• Orientasi fisik, gerakan, posisi
– Magnitude, pitch, roll, yaw, koordinat
TH22452 Robotika 7
Besaran yg diukur
• Medan Magnet & Medan Listrik• Resistan (electrical, secara tdk langsung
dari V/I)• Capacitance (melalui excitation/oscillation)• Inductance (melalui excitation/oscillation)
TH22452 Robotika 8
Contoh Sensor Robot
• Feelers (Whiskers, Bumpers) – Mekanis• Photoelectric • Infrared• Ultrasonic • Resistive/Capacitive/Inductive
TH22452 Robotika 9
Contoh Sensor Robot
• Visual – Cameras & Arrays (Active & Passive)
• Color Sensors (Active & Passive)• Magnetic (Active & Passive)
• Orientation (Pitch & Roll)• GPS (location, altitude)
• Compass (orientation, bearing)• Voltage – Electric Field Sensors
• Current – Magnetic Field Sensors• Chemical – Smoke Detectors, Gas Sensors
TH22452 Robotika 10
Sensor – Feelers• Whiskers (sungut)
– Senar gitar/piano yg diletakkan di antara conductive “hoop”
– Adanya defleksi menyebabkan kontak dengan “hoop”– Kawat yg lentur yg menyentuh suatu batang konduktor
ketika terdefleksi– Menjangkau di depan robot dalam beberapa cm– Sederhana, murah, keluaran biner
• Bumpers & Guards– Sensor benturan/tumbukan Impact/Collision sensor,
mendeteksi adanya tekanan/kontak– Microswitch & kawat– Sederhana, murah, keluaran biner
TH22452 Robotika 11
• Desain
TH22452 Robotika 12
Feelers - Whiskers
TH22452 Robotika 13
Feelers - Bumpers & Guards
TH22452 Robotika 14
Sensor-Feeler&bumper
• Koneksi
TH22452 Robotika 15
Sensors – IR• Aktif (emitting)
– Oscillator membangkitkan Pulsa IR, memantul ketikabertemu benda/obyek
– Filtered receiver mencari pantulan tsb– Pulsa dienkode untuk deteksi yg lebih efektif– Frekuensi yg digunakan sekitar 40KHz– Tidak terlalu baik ketika bertemu obyek yg gelap
• Pasif (hanya sensor tanpa emitting)– Pyro-electric (heat sensor)– Mencari emisi IR dari manusia dan binatang– Biasa dipakai pd sistem keamanan dan deteksi gerakan
TH22452 Robotika 16
Proximity VS Ranger/distance
TH22452 Robotika 17
Infrared - Active
TH22452 Robotika 18
Spek Active IR Sensor
• Sensor type = Reflective IR
• IR detector = Panasonic PNA4602M • IR LED type = Narrow focus 10º
• I/O required = 3 digital lines: 2 outputs, 1 input • Range = Sekitar 4“ to 26" (10 cm s/d 65cm)
• Input voltage = 5vdc regulated @ 8mA
• PC board size = 2.3" x .75"
TH22452 Robotika 19
Contoh IR-active
TH22452 Robotika 20
Linear Array IR Range Sensors
• Sharp GP2Dxx (satucontoh)
• ~4 to 30cm Range• Output Analog atau
Digital
TH22452 Robotika 21
Linear Array IR Range Sensors
• Prinsip kerja
TH22452 Robotika 22
TH22452 Robotika 23
Laser Range Sensors
• USB Interface• 240º Field of View• 0.36º Angular
Resolution• 10Hz Refresh Rate• 20mm s/d 4m• $2695
TH22452 Robotika 24
Passive IR – Pyro-Electric
TH22452 Robotika 25
Sensor Ultrasonic• Aktif
– Membangkitkan pulsa dan menunggu pantulannya pulses & listen for echos
– Terkait dengan kecepatan rambat di udara (~1ft/mS)– Bisa menjangkau daerah yg jauh dari robot ( bisa s/d 3m)– Prinsip kerja sederhana, tidak murah, keluaran analog atau
digital– Directional; tidak semua benda memantulkan
• Pasif– Senso “mendengarkan” adanya gelombang ultrasonic – Rangkaian Electronik mengubahnya ke frekuensi atau
modulasi– Software melakukan analisis (FFT dsb)
TH22452 Robotika 26
Ultrasonic - Aktif
$27
$134$49
TH22452 Robotika 27
Sensor Ultrasonic
• Pasif - Beacon & Sensor– Beacons menunggu RF command untuk
memancarkan• Cahaya atau gelombang suara• Robot mencari & mendengarkan setiap beacon
– Robot mengetahui lokasi tiap beacon
– Kompas pada robot memberi informasitentang arah (orientasi) beacon tersebut
– Robot dapat menghitung posisinya
TH22452 Robotika 28
Beacon1
Beacon2
Sound Pulse
Sound Pulse
Robot
Light Pulse
BEACON
RF Receiver
IR Emitter
Ultrasonic Emitter
Beacon3
Light Pulse
Sound Pulse
ROBOT
RF Transmitter
IR Receiver
Ultrasonic Receiver
Light Pulse
Sensor Ultrasonic
TH22452 Robotika 29
Sonic (Acoustic) Pasif
TI (Burr-Brown) UAF42 Universal Active Filter
http://focus.ti.com/lit/an/sbfa002/sbfa002.pdf
TH22452 Robotika 30
Sensor Resistan
• Contoh Potentiometer
TH22452 Robotika 31
Potensiometer
• Menggunakan konsep pembagi tegangan
TH22452 Robotika 32
Tipe Potensiometer
• Wirewound– Wiper/penyapu bergeser/bergerak pada suatu lilitan
kawat Ni-Crome– Mudah rusak, peka terhadap suhu
• Cermet– Wiper bergeser pada jalur keramik konduktif– Lebih baik dibanding wirewound
• Plastic film– Resolusi tinggi– Tahan lama dan tahan perubahan suhu
TH22452 Robotika 33
Linear Potensiometer
• Sesuai untuk pergerakan linear
TH22452 Robotika 34
Penggunaan Potensiometer
• Keuntungan– Low Cost(murah)– Sinyal kendali bisa menggunakan isyarat
analog– Informasi yg dibutuhkan adalah informasi
posisi secara absolute
• Kerugian– Kerusakan akibat suhu dan keausan– Tidak cocok untuk daerah berdebu
TH22452 Robotika 35
Sensor Proximity Capasitif & Induktif
• Sensor Induktif menggunakan perubahanmedan magnet untuk mendeteksi adanyaobyek logam
• Sensor Capasitif menggunakanperubahan capasitans yg disebabkanobyek bukan logam
• Umumnya utk jarak dekat• Cukup Kuat& reliable
TH22452 Robotika 36
Sensor Induktif
TH22452 Robotika 37
Sensor Induktif
TH22452 Robotika 38
Sensor Capasitif
TH22452 Robotika 39
Sensor Kapasitif
TH22452 Robotika 40
Sensor Visual
• CMUCam• Linear Optical Array
TH22452 Robotika 41
Sensor Warna
http://robotroom.com/ColorSensor.html
TH22452 Robotika 42
Sensor Orientasi (arah gerak)
• Rate Gyros– Output proporsional dengan kecepatan angular
rotation – Diintegralkan untuk menentukan posisi– Didifferensialkan untuk menentukan
akselerasi/percepatan
• Accelerometer– Output proporsional dengan percepatan
TH22452 Robotika 43
Sensor Percepatan
• Akselerasi diukur melaluigaya yg ditimbulkan olehmassa yg berakselerasi
• Distorsi Piezo• Pergerakan Cantilever• Strain ataupun Restrain
massa• Akselerometer biasa pula
digunakan utk mengukurvibrasi
TH22452 Robotika 44
Tri-axial Accelerometer
• Tipe ini biasadigunakan padaSistem Mobile– Mobil Balap– Rotating elemen pada
turbin– Elemen pesawat
terbang
• Mengukur besarnyavibrasi
• Data posisi sesaat
TH22452 Robotika 45
Sensor GerakanRate Gyro – Silicon Sensing Systems
Servo Accel – Sensorland.com
TH22452 Robotika 46
Sensor Posisi/Lokasi
• Encoder• Global Positioning System
TH22452 Robotika 47
Encoder
• Nubotics.com, $27
• Jun 98, Oct 2000 Encoder
TH22452 Robotika 48
Optical Encoder
• Encoder adalah Sensor Digital yg umum digunakanuntuk memberikan feedback posisi untuk suatuaktuator
• Tersusun atas Disc/ cakram kaca/plastik yg berputardi antara sumber cahaya(LED) dan photo-detector
• Disk diencode dengan bagian yg gelap& terangsehingga muncul pulsa ketika disk berputar
TH22452 Robotika 49
Struktur Internal Encoder
TH22452 Robotika 50
Incremental Encoder
• Pulsa dr LED dihitungutk menentukanposisi rotasi
• 2 Detektor digunakanutk menentukan arahputar(quadrature)
• Pulsa index sebagaititik awal
TH22452 Robotika 51
Absolute Encoder
• Absolute Encoder memiliki kode tertentusehingga setiap posisiangulat yg berbedadapat diketahui
• Biasa menggunakan“Kode Gray”
• Lebihkompleks&mahaldibanding Incremental Encoder
TH22452 Robotika 52
Encoder Processing
• Diperlukan RangkaianSquaring untukmendigitalkan sinyal
• Monitor Index & Counter
• Tersedia dlm bentukChip IC
• Algoritma kendalidiletakkan pada chip lain
TH22452 Robotika 53
Sensor Posisi/Lokasi
• Parallax.com• $80
TH22452 Robotika 54
Sensor Kompas (Orientation)
• L: Parallax.com, $30• R: Dinsmoresensors.com, $13-$37
TH22452 Robotika 55
Sensor arus• Pengukuran secara seri dengan Hall Effect device
• Current loop (coil)• Magnetoresistive (Wheatstone bridge)
TH22452 Robotika 56
Sensor arus
TH22452 Robotika 57
Sensor arus
TH22452 Robotika 58
• Smoke Detectors • Gas concentration sensors - CO, H4S, CH4,
Sensor Kimia
TH22452 Robotika 59
Sensor Vendor/Info Links
http://www.dinsmoresensors.comhttp://www.fluke.comhttp://www.howstuffworks.comhttp:// www.lynxmotion.comhttp://www.magnetometer.orghttp:// www.nubotics.comhttp:// www.parallax.comhttp://www.raztec.co.nzhttp:// www.robotics.comhttp:// www.robotroom.comhttp://www.sensorland.comhttp://www.seattlerobotics.org/encoderhttp:// www.solarbotics.com
TH22452 Robotika 60
Contoh Sensor-sensor lain
TH22452 Robotika 61
Tachogenerator
• Biasa digunakan untukmengukur kecepatanputar
• Prinsip operasinyamerupakan generator dc
• Tegangan yang dihasilkan proporsionaldengan kecepatan yang diukur
• Biasa terpasang secara“Piggybacked” padamotor untuk sinyal feed-back analog
TH22452 Robotika 62
Sensor Gaya&Tekanan
• Gaya& Tekanan umumnya diukur secaratdk langsung melui defleksi suatu bahan
• Mekanismenya antara lain:– Sistem pergerakan fisik berikut
pengukurannya menggunakan LVDT– Strain Gauge( logam yg berubah
resistansinya ketika ditekan) yg ditempelkanpada silinder/ plat logam dgn bentuk tertentu
– Piezoelectric sensor
TH22452 Robotika 63
LVDT Load Cell
TH22452 Robotika 64
Strain Gauge Bridge
TH22452 Robotika 65
Contoh Load Cell
TH22452 Robotika 66
Sub-Miniature Load Cell
TH22452 Robotika 67
Piezo Load Cell
• Distorsi Kristal, Quartz ataupunBaTiO3
• Untuk pengukuranakurat beban ataugaya yg kecil
• Tersedia dlm bentuk:– Single axis Load
washers– Multiple axis Load
washers
TH22452 Robotika 68
Sensor Tekanan
• Tekanan diukur dengan:– Tabung Pitot– Deformasi membran tetap
• Deformasi diukur dgnmetode yg sama dgngaya, yaitumenggunakan:– Pegas(Manometer)– Distorsi Piezo– Strain Gauges
TH22452 Robotika 69
Sensor Proximity
• Umum digunakan di Automasi Industri– Jalur Conveyor (Counting, Jam, Detection, dsb)– Machine tools (Safety Interlock, Sequencing)
• Biasanya sensor digital(on-off) mendeteksi adaatau tidaknya suatu benda/obyek
• Terdiri atas:– Sensor:Optical, Inductive, Capacitive– Rangkaian Detektor– Amplifier– Rangkaian Output
TH22452 Robotika 70
Saklar Proximity Mekanis
• Seperti halnya saklarbiasa
• Operasi On-Off
• 2 Mode– Normally Close(NC)– Normally Open(NO)
TH22452 Robotika 71
Contoh Saklar Proximity Mekanis
TH22452 Robotika 72
Penggunaan Saklar Proximity Mekanis
• Ada Kontak fisik• Posisi yg disensing sudah tertentu• Lingkungan tidak memungkinkan
penggunaan sensor optical atau inductive
TH22452 Robotika 73
Sensor Proximity Optis
• Terdiri atas sumber cahaya(LED) dan detektorcahaya(phototransistor)
• Sinyal dimodulasi untuk mengurangi pengaruh cahayasekitar
• Tegangan operasi:12-30V dc, 24-240V ac• Output: TTL, Industrial Standard, dsb
TH22452 Robotika 74
Mode Operasi
• Through Beam– Long Range(20m)– Aligment sangat
penting
• Retro-reflective– Range 1-3 m– Populer& murah
• Diffuse-reflective– Range 12-300mm– Murah & Mudah
TH22452 Robotika 75
Contoh
TH22452 Robotika 76
Contoh
TH22452 Robotika 77
Penggunaan Sensor Proximity Optis
• Keunggulan– Non-kontak, non-moving part, kecil
– Fast Switching, tidak terjadi switch bounce– Tahan Getaran dan kejutan
• Kerugian– Membutuhkan alignment
– Dapat terganggu oleh cahaya sekitar– Lingkungan harus bebas debu, air dan asap
TH22452 Robotika 78
Aplikasi Sensor Proximity Optis
• Stack height control/ box counting
• Kendali Level cairan• Deteksi kemacetan dan kerusakan
TH22452 Robotika 79
Piranti Optis yg lain
TH22452 Robotika 80
Sensor Proximity Ultrasonic
• Menngunakan pulsaultrasonic
• Mengukur amplitudodan time of flight
• Bisa mengukur jarak• Frekuensi yg
digunakan 40KHz-2MHz
TH22452 Robotika 81
Penggunaan Sensor Ultrasonic
• Dibutuhkan informasi jarak obyek
• Monitoring ketinggian cairan maupun zat padat• Approach Warning(peringatan tabrakan)
• Bisa bekerja pada daerah berdebu maupun didalam air
TH22452 Robotika 82
Aplikasi
TH22452 Robotika 83
Referensi
• Yoram Koren,”Robotics for Engineers”, McGrawHill International halaman 229-253
• Saeed B Niku, Introduct. To Robotics Analysis, Systems, Appl.”, Prentice Hall halaman 219-242
• Ulrich Nehmzov,”Mobile Robotics A practical Intro.”, Springer halaman 23-38