Konsep Dasar Robot

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