tugas paper robotika pib

EII 2006

Robot Dalam Rumah Tinggal - Membangun Robot Cerdas Penghisap Debu

Kusprasapta Mutijarsa, [email protected] Suwandi Ahmad, [email protected]

Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung

Abstraksi

Dalam waktu yang tidak lama lagi, robot akan masuk ke dalam rumah tinggal. Demikian pendapat para pakar, seperti yang diulas pada beberapa majalah teknologi. Dikatakan juga bahwa saat ini robotika merupakan industri baru yang sedang lahir, seperti tiga dekade lalu ketika industri PC mulai berkembang dengan sangat pesat. Robot akan menjadi perangkat untuk membantu manusia dalam melakukan kehidupan sehari-hari, seperti misalnya robot penghisap debu (vacuum cleaner)

Pada makalah ini diulas hasil penelitian yang dilakukan dalam rangka membangun robot cerdas penghisap debu. Robot ini dapat bekerja secara mandiri membersihkan ruangan tanpa perlu pengendalian langsung dari manusia. Robot penghisap debu yang dibangun tersusun dari enam buah subsistem, yaitu subsistem pendeteksi lingkungan, subsistem pengendali, subsistem penggerak, subsistem penghisap debu dan penyapu, subsistem penghitung putaran, serta subsistem catu daya. Subsistem pendeteksi lingkungan terdiri dari sensor infra merah dan cliff sensor. Subsistem penggerak menggunakan dua buah motor DC yang menggerakkan dua buah roda, dengan sistem pergerakan differential drive. Subsistem penghisap dan penyapu menggunakan motor DC yang dihubungkan dengan kipas untuk menghisap debu dan sebuah sikat untuk menyapu debu yang ada di sekitarnya. Subsistem penghitung putaran menggunakan optical encoder untuk mengetahui posisi pergerakan robot. Subsistem catu daya memberikan daya untuk seluruh komponen robot. Seluruh subsistem tersebut diintegrasikan dan dikendalikan oleh subsistem pengendali yang menjadi otak utama robot penghisap debu ini. Pengendalinya menggunakan single chip microcomputer (microcontroller).

Robot penghisap debu ini dilengkapi dengan sistem navigasi yang membuat robot dapat secara mandiri bereksplorasi membersihkan ruangan, menghindar tabrakan bila selama melakukan eksplorasi menemui obyek yang menghalanginya, dan kembali lagi ke posisi awal (docking) setelah selesai menyelesaikan tugasnya.

Kata kunci: robot bergerak, cerdas, autonomous, rumah tinggal, penghisap debu

e-Indonesia Initiative 2008 (eII2008)Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia21-23 Mei 2008, Jakarta

1. Pendahuluan

Robotika adalah bidang ilmu yang sedang berkembang pesat dan memiliki masa depan besar. Dari robot manufaktur yang digunakan pada industri perakitan, robot terus berkembang seperti robot yang dapat melakukan operasi, robot pengintai, robot penjinak bom dan robot domestik yang digunakan di rumah tinggal. Perusahaan mainan elektronik membuat robot yang dapat meniru manusia, anjing atau binatang lainnya. Para penggemar robot dapat memuaskan keinginannya bereksperimen menggunakan Lego Mindstorm Robotic System.Sementara itu, para peneliti juga terus berusaha untuk mencari solusi untuk menyelesaikan masalah utama pada robotika, seperti pengenalan visual (visual recognition), navigasi dan machine learning. Hal ini sudah memperlihatkan hasil. Pada tahun 2004, Defence Advanced Research Projects

Agency (DARPA) menginisiasi suatu kompetisi kendaraan robot yang dapat bernavigasi secara mandiri sejauh 142 mil melalui Mojave Desert. Kompetisi ini disebut DARPA Grand Challenge. Pada kompetisi pertama tersebut, robot terdepan nyaris dapat mencapai tujuan, hanya terpaut 7,4 mil sebelum mengalami kerusakan. Setahun kemudian,2005, lima kendaraan dapat menyelesaikan misinya hingga selesai ke tujuan [1].Semangat yang sangat besar terlihat pada para peneliti di perguruan tinggi, mahasiswa hinggasiswa sekolah menengah. Tren saat ini menunjukkanbahwa robotika semakin konvergen dan akan menjadi bagian kehidupan manusia sehari-hari. Teknologi seperti komputasi terdistribusi, pengenalan suara dan visual, koneksi wireless broadband akan menyatu dengan perangkat autonomous robot. Dengan kata lain, komputer dapat membantu manusia untuk mengerjakan tugas tertentu yang berhubungan dengan dunia fisik. Ini berarti PC akan bangkit dari meja, dan menjadi

mata, telinga dan indra peraba tambahan manusia di tempat lain yang jaraknya cukup jauh dari manusia tersebut berada. Contoh dari terintegrasinya robot dan PC adalah aplikasi robot domestik, dimana seorang karyawan dapat mengawasi rumahnya, membersihkan lantai, merawat keluarganya yang sakit dengan memonitor beberapa robot rumah tinggal (household robot) dari PC-nya di kantor. Beberapa mesin atau robot dapat saling berkomunikasi secara wireless satu sama lain, dan juga dengan PC di rumah.

2. Robot Penghisap Debu

Salah satu aplikasi robot dalam rumah tinggal adalah robot penghisap debu (vacuum cleaner). Robot penghisap debu mampu bergerak membersihkan ruangan secara mandiri dan cerdas, tanpa dikendalikan oleh manusia. Robot ini mampu mengeksplorasi ruangan yang belum terpetakan, menghindar halangan yang ditemui selama pergerakannya, mampu mendeteksi perbedaan ketinggian (tangga) agar robot tidak jatuh, serta kembali ke tempat asalnya (docking) setelah menyelesaikan tugasnya untuk mengisi ulang batere (re-charge) dan membuang kotoran yang telah dikumpulkannya.Sejarah penghisap debu dimulai pada tahun1860an. Pada tahun 1865 ditemukan alat penghisap debu menggunakan prinsip putaran angin. Penelitian robot penghisap debu dimulai tahun 1995 oleh Dowideit dan Duffy yang menghasilkan robot bernama RoboVac. Robot ini melakukan eksplorasi ruangan menggunakan metoda wall following. Pada tahun 1998, Cheng melakukan penelitian untuk mengembangkan algoritma eksplorasi robot penghisap debu yang efektif. Tahun 2000an, beberapa perusahaan mulai memproduksi dan menjual robot penghisap debu komersial.Gambar 1 memperlihatkan vacuum cleaner robot (searah jarum jam dari kiri atas) iRobot Roomba Discovery, Karcher RC3000, ElectroluxTrilobite, dan iRobot Roomba Scheduler.

Gambar 1. Jenis-jenis robot penghisap debu

(diambil dari howstuffworks.com)

Untuk membangun sebuah robot penghisap debu, diperlukan enam buah subsistem yang saling terintegrasi untuk menghasilkan sebuah sistem yang optimal. Keenam subsistem tersebut adalah subsistem pendeteksi lingkungan, subsistem penyapu dan penghisap, subsistem pengendali, subsistem penggerak, subsistem penghitung putaran, dan subsistem catu daya.Subsistem pendeteksi lingkungan (sensor) berfungsi untuk meraba dan mengidentifikasi lingkungan kerja sekitar robot, membantupergerakan robot agar tidak bertabrakan denganrintangan yang ditemui atau terjatuh dari ketinggian (tangga). Subsistem pengendali merupakan komponen sentral robot, otak yang mengambil keputusan strategi pergerakan robot berdasarkan informasi yang diperoleh dari subsistem pendeteksi rintangan. Subsistem penggerak berfungsi untuk menggerakan tubuh robot. Subsistem penghitung putaran berfungsi menghitung putaran roda untuk mengetahui posisi relatif robot setiap saat terhadap posisi awal. Subsistem penyapu berfungsi untuk membersihkan kotoran pada lantai sebelum kotoran tersebut diangkat oleh subsistem penghisap. Subsistem penyapu ini menggunakan sebuat sikat yang dihubungkan dengan motor untuk memutar sikat. Catu daya adalah subsistem yang berfungsi sebagai sumber energi robot. Keenam subsistem tersebut saling terhubung seperti diperlihatkan pada gambar 2.

Gambar 2. Diagram blok robot penghisap debu

3. Desain Robot Penghisap Debu

Perangkat keras platform robot penghisap debu yang dibuat berbentuk lingkaran dengan diameter33 cm dengan tinggi 25 cm. Casis dibuat dari bahan akrilik. Sensor pendeteksi lingkungan menggunakan sembilan buah sensor infra merah Sharp GP2S28dan dua buah limit switch. Sensor infra merahdipasang di sekeliling badan robot, untuk mendeteksi obyek di sekitarnya. Limit switch dipasang di bagian bawah depan robot, untuk mendeteksi perbedaan ketinggian lantai agar robot tidak terjatuh (misalnya dari tangga).

Pengendali menggunakan single chip microcomputer (microcontroller) dari keluarga MCS-51, yaitu seri ATMEL 89S52. Chip tersebut adalah CPU 8 bit yang memiliki RAM internal 128 byte, kapasitas EPROM 4Kbyte, dan memiliki empat buah programmable I/O masing-masing 8 bit.


Penggerak menggunakan motor DC yang dihubungkan dengan susunan roda gigi (gear) untuk memperbesar torsi. Driver motor menggunakan H-Bridge IC L293D. Penyapu menggunakan motor untuk memutar sikat. Penghisap menggunakan kipas penghisap. Konstruksi dan implementasi subsistem penghisap dan penyapu diperlihatkan pada gambar 3 dan 4.

KipasPenghisap

CerobongDebu

KantongDebu

PenutupSikat

Gambar 3. Konstruksi penghisap dan penyapu

Gambar 4. Implementasi penghisap dan penyapu

Subsistem penghitung putaran digunakan menghitung putaran motor penggerak untuk mengetahui posisi terakhir robot dan jarak yang telah ditempuh dalam ruang kerjanya. Penghitung putaran ini menggunakan optocoupler tipe H21A1 dan sebuah optical incremental encoder sebagai penanda terjadinya pergerakan motor DC. Catu daya menggunakan sumber 12V untuk menggerakkan motor roda dan kipas penghisap. Juga digunakan sumber 5V untuk mencatu pengendali, dan sensor-sensor. Hasil implementasi dan integrasi keseluruhan komponen diperlihatkan pada gambar 5.

Gambar 5. Tampak atas robot

4. Navigasi Robot Penghisap Debu

Agar dapat bergerak secara mandiri dan cerdas, maka robot penghisap debu harus memiliki kemampuan sebagai berikut :1. mengetahui posisinya,2.mengetahui apa yang berada dalam lingkungannya,3.melakukan representasi / membuat model lingkungan kerjanya,4.membuat perencanaan tentang apa yang akan dilakukan berdasarkan representasi yangdimiliki,5.dapat membuat keputusan walaupun representasi yang diperoleh tidak sempurna atau memadai,6.dapat melaksanakan dan memonitor pelaksanaan tugas yang telah direncanakan.

Secara umum, kemampuan yang dibutuhkan dapat dikelompokkan dalam tiga bagian, yaitu persepsi, perencanaan dan aksi. Gambar 6 memperlihatkan arsitektur pengendalian platform robot yang secara garis besar terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bagian persepsi yang bertugas meraba lingkungan kerjanya dan kemudian diterjemahkan dalam peta persepsi robot. Bagian perencanaan berfungsi untuk melakukan komputasi tingkat tinggi, menggunakan konsep- konsep kecerdasan tiruan untuk merencanakan jalur agar robot dapat bergerak dari satu posisi ke posisi lain secara optimal, dan juga melakukan strategi penghindaran tabrakan ketika robot menemui rintangan dalam perjalanannya. Hasilnya diteruskan ke bagian aksi, yang menerjemahkan informasi bahasa tingkat tinggi menjadi bahasa pengendalian tingkat rendah untuk menentukan kecepatan dan arah motor penggerak roda.


Gambar 6. Arsitektur pengendalian robot

Secara rinci, sensor navigasi bertugas untuk melakukan penginderaan lingkungan kerja robot. Data yang diperoleh dari sensor kemudian diekstraksi dan dimodelkan menjadi persepsi robot mengenai lingkungannya. Seluruh hasil persepsi yang diperoleh dari hasil penginderaan dikumpulkan dan disusun oleh modul pembuat peta untuk mendapatkan model dunia atau pengetahuan tentang peta lingkungan kerja robot. Modul estimasi posisi bertugas untuk melakukan perhitungan posisi absolut wahana dalam lingkungannya. Estimasi posisi dilakukan sebelum robot membuat peta, sehingga robot dapat mengetahui posisi dan arahnya relatif terhadap peta yang dimilikinya. Modul perencanaan jalur. melakukan perhitungan untuk mencari jalur terbaik dari posisi awal ke posisi tujuan yang diinginkan. Jalur yang diperoleh ini diterjemahkan oleh modul kendali gerak menjadi sinyal-sinyal listrik ke aktuator atau roda penggerak. Bila selama perjalanan, wahana mendeteksi adanya rintangan, maka modul penghindaran tabrakan bertugas untuk mengantisipasi tabrakan yang mungkin terjadi dengan cara membuat jalur baru yang membimbing wahana menghindari rintangan tersebut, kemudian kembali lagi ke jalur semula. Keseluruhan modul ini membentuk suatu arsitektur sistem navigasi robot bergerak. Pada kegiatan penelitian ini, belum seluruh kemampuan navigasi direalisasikan. Robot sudah mampu melakukan estimasi posisi, melakukan eksplorasi ruangan, menghindar tabrakan dengan obyek yang ditemui selama eksplorasi dan kembali ke tempat semula setelah menyelesaikan tugasnya untuk melakukan docking. Robot belum memiliki kemampuan untuk membuat peta, dan belum mampu melakukan docking, mengisi ulang batere dan membuang kotoran secara otomatis.Kemampuan eksplorasi ruangan dikembangkan dari algoritma Depth First Search. Robot melakukan eksplorasi seperti diperlihatkan pada gambar 7.

Gambar 7. Algoritma eksplorasi

Penghindaran tabrakan menggunakan metoda wall following. Untuk kembali ke posisi awal digunakan metoda heuristik berdasarkan estimasi posisi yang diperoleh dari subsistem penghitung putaran. Robot kembali ke posisi semula seperti diperlihatkan pada gambar 8.

Gambar 8. Kembali ke posisi awal

Perangkat lunak diprogram menggunakan bahasa C, dengan compiler software side 51. Hasil kompilasi berbentuk file dengan ekstensi Hex. File tersebut adalah file yang akan di-upload ke mikrokontroler AT89S52.

Sensor koreksi gagal mendeteksi dinding

Beda putaran pada roda dan tidak ada koreksi terhadap dindingSlip pada roda dan pembacaan encoder kurang akurat

Gambar 9. Uji coba

5. Uji Coba

Gambar 9 memperlihatkan hasil ujicoba ketika robot kembali ke posisi awal. Robot berhasil untuk mencapai posisi awal walaupun terjadi kesalahan posisi akhir ketika berhenti. Perbedaan antara posisi akhir yang ditentukan dengan posisi sesungguhnya karena adanya perbedaan kecepatan antara motor kiri dan motor kanan, kekurangakuratan pembacaan pulsa pada encoder, slip antara roda dan lantai, kegagalan pendeteksian dinding oleh sensor.

6. Penutup

Komputer sudah tidak lagi menjadi perangkat komputasi yang terletak kaku di atas meja. Tren masa depan menunjukkan bahwa komputer akan dapat berinteraksi dengan manusia, dapat melihat, mendengar dan berbicara. Dengan menambahkan sensor-sensor, penggerak dan kecerdasan, komputer dapat berinteraksi dengan dunia nyata, dapat bergerak, berpindah tempat dan melakukan sesuatu secara fisik di dunia nyata.Perangkat komputer yang berwujud robot ini tidak lama lagi akan menjadi hal biasa dalam kehidupan sehari-hari, akan berada dalam rumahtinggal seperti perangkat komputer dewasa ini.Robot penghisap debu yang dibahas pada makalah ini adalah salah satu bentuk robot domestik yang akan banyak digunakan sehari-hari.

7. Ucapan Terima Kasih

Terima kasih diucapkan kepada seluruh peneliti di Autonomous Vehicle Research Group (AVRG) STEI ITB, khususnya yang menangani penelitian robot penghisap debu: Dhony Yulyardy, Donny Bayu Mundandar, Sony Christianto Octavianus, dan Vicky Adrian.

8. Referensi

[1] Gates, Bill, A Robot in Every Home, Scientific American Magazine, Jan 2007, pp44-51.[2] Killian, Modern Control Technology: Components and Systems 2nd edition, Delmar.[3] McComb, Gordon, The Robot BuildersBonanza, McGraw-Hill, 2000.[4] Miao, Kai X. dan Stewart, James W., The8051 Microcontroller Prentice Hall, 1992.[5] Russell, Stuart, Artificial Intelligence: A Modern Approach Prentice Hall, 1995.

tugas paper robotika pib

Documents