RANCANG BANGUN ROBOT

PERMAINAN CATUR

BERBASIS KAMERA

TUGAS AKHIR

Oleh :

Ian Agung Prakoso

2204100060

Dosen Pembimbing :

Ir. Djoko Purwanto, M.Eng., Ph.D.

Bidang Studi Elektronika | Jurusan Teknik Elektro

| FTI – ITS | Surabaya

2010

Outline

� Latar Belakang� Tujuan� Perumusan Masalah� Perencanaan dan Pembuatan Alat� Pengujian software dan hardware

Latar Belakang

� Salah satu konstruksi awal robot permainan catur adalah Turk yang dibuat pada tahun 1976 oleh Wolfgang Von Kompelen yang sebenarnya digerakkan oleh manusia di dalam robot tersebut.

� Salah satu sistem robot permainan catur adalah chesster[1]

[1].Meppelink, David J. dan Martin, Fred., 2003. A Tangible Interface to Computerized Chess. University of Massachusetts Lowell. <URL:http: //teaching.cs.uml.edu/techrpts/Papers/Me ppelinkMartinChesster.pdf >

Sistem Permainan Catur yang menjadi latar belakangTugas Akhir

Tujuan

� Membuat robot manipulator untuk menggerakkan buah catur

� Membuat sistem image processing untuk mengetahui keberadaan buah catur pada papan catur yang sebenarnya.

Perumusan Masalah� Pendeteksian posisi dari papan catur melalui sensor

visual.� Pengubahan sebuah gerakan buah catur yang kita

inginkan menjadi serangkaian urutan perintah dan data untuk menggerakkan lengan robot.

� Pendeteksian keberadaan dan warna buah catur pada kotak hitam atau putih yang kita inginkan.

� Kamera sebagai sensor visual yang digunakan sebanyak 1 buah dan terletak statis di atas papan catur.

� Lengan robot yang digunakan bertipe 3 DOF robot.� Papan catur yang digunakan berukuran 50x50 cm2.

Perencanaan dan Pembuatan

Alat

Diagram Blok Sistem

� Sistem Mekanik� Sistem Elektrik

Perancangan Perangkat Keras

Sistem Mekanik� Konfigurasi robot yang digunakan adalah

konfigurasi SCARA 3 DOF (Degree of Freedom). � Open loop system untuk sistem kontrol geraknya. � Kemudian digunakan motor stepper sebagai

penggerak. Terdapat sensor limit switch sebagai pembatas gerak robot namun bukan sebagai feedback sistem secara keseluruhan.

Perancangan Perangkat Keras

Perancangan Perangkat KerasMekanik Robot Permainan Catur Berbasis Kamera

Sistem mekanik Gripper

Posisi webcam

Sistem mekanik robot manipulator

Perancangan Perangkat Keras

Sistem Elektrik� Rangkaian sistem minimum mikrokontroler ATMega 32

sebagai penyimpan program kontroler.� Rangkaian driver motor stepper bertipe bipolar.� Rangkaian driver solenoid sebagai penggerak gripper� Rangkaian power supply untuk menyuplai tegangan

motor stepper dan solenoide� Rangkaian Limit Switch untuk mereset dan inisialisasi

robot .� Jalur komunikasi serial standar RS232.

Perancangan Perangkat KerasRangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler ATMega 32

� Mikrokontroler ATMega 32 sebagai rangkaianpenerjemah data serial dariPC menjadi firing sequence untukmengontrol motor Stepper dan mengontrol ON/OFF solenoide

Perancangan Perangkat KerasJalur Komunikasi Serial RS 232

� Komunikasi serial RS-232antara uc dengan PC menggunakan IC max232

Perancangan Perangkat KerasRangkaian Driver Motor Stepper

Rangkaian Driver Motor Stepper tipe Bipolar Menggunakan rangkaian H-Bridge

Motor Stepper Universal difungsikansebagai tipe bipolar

Perancangan Perangkat KerasRangkaian Driver Solenoide

Rangkaian Driver Solenoide menggunakan Transistor Switching

Rangkaian Power Supply untuk driver solenoid

� Program pada PC (MS. Visual C++ 2008 & Open CV)� Program Mikrokontroler (Code Vision AVR)

Perancangan Perangkat

Lunak

Diagram Alir Program Pada Komputer

Perancangan Perangkat Lunak

Program pada PC� Akuisisi Citra oleh Web Camera *� Inisialisasi chessboard *� Deteksi buah catur *� Path Planner *� Inverse Kinematik **

*Blok Computer Vision**Robot Interface

Perancangan Perangkat LunakAkuisisi Citra oleh Web Camera

Program akan mengakuisisi citra tersebut dengan skala RGB dengan nama ”frame”kemudian dilakukan proses Perspective Transform pada Open CV untuk mendapatkan citra baru bernama ”dst”.

(a) Image sebelum prosesPerspective Transform.

(b) Image setelah proses

Prespective Transform.

void cvWarpPerspective(const CvArr* src,

CvArr* dst,const CvMat* map_matrix,

int flags = CV_INTER_LINEAR + CV_WARP_FILL_OUTLIERS,

CvScalar fillval = cvScalarAll(0));

Perancangan Perangkat LunakInisialisasi chessboard

Inisialisasi chessboard diperlukan untukmendapatkan koordinat titik tengah dari tiapkotak hitam-putih dari papan catur.

Setiap c orner disini didefinisikan sebagai titik tengah dalam setiap 4 kotak dalam chessboard

Koordinat Pixel

Sebuah corner

int cvFindChessboardCorners(const void* image,CvSize pattern_size,CvPoint2D32f* corners,

int* corner_count = NULL,int flags =

CV_CALIB_CB_ADAPTIVE_THRESH);

void cvFindCornerSubPix(const CvArr* image,

CvPoint2D32f* corners,int count,CvSize win,

CvSize zero_zone,CvTermCriteria criteria);

Perancangan Perangkat LunakDeteksi buah catur

� Algoritma deteksi buah catur digunakan untuk menentukan kondisi suatu petak apakah kosong ataukah terisi buah catur hitam ataukah terisi buah catur putih.

� Algoritma deteksi buah catur dibuat menggunakan prinsip filter warna yang diterapkan pada citra berskala RGB yang telah diubah ke dalam skala HSV oleh Open CV.

� Filter warna menggunakan proses thresholding nilai Hue, Saturation, Valuesetiap pixel pada ROI ( Region of Interest) citra berskala HSV.

� Kemudian dilakukan penghitungan jumlah pixel warna merah dan warna biru melalui nilai counter

Perancangan Perangkat LunakPath Planner

� Pola pergerakan buah catur dengan metode Continuous Path sesuai dengan hasil path yang dihasilkan dari algoritma Path Planner.

� Pergerakan robot harus diinisialisasi pada awalnya agar robot manipulator mulai bergerak pada posisi awal yang telah ditentukan. Inisialisasi menggunakan fungsi dari limit switch.

� Pada Tugas akhir ini setiap robot manipulator selesai melakukan fungsi place maka robot akan me-resetposisinya sendiri kembali ke posisi awal yang telah ditentukan. Kemampuan repeatibility robot ditentukan berdasarkan kemampuan robot untuk kembali mendekati posisi awal yang telah ditentukan.

Perancangan Perangkat LunakInverse Kinematik

� Inverse Kinematic adalah analisa kinematik untuk mendapatkan besar su dut dari masing – masing joint jika kita mempunyai data koord inat posisi (x,y,z).

� P(x,y) dimana,

1θ

2θ β

α

( )21211 coscos θθθ ++= llx ( )21211 sinsin θθθ ++= lly

−−+= −

21

22

21

221

2 2cos

ll

llyxθ( )( ) 22221

2222111 sincos

sin.costan

θθθθθ

ylllx

lxlly

++−+

= −

Perancangan Perangkat Lunak

Program Mikrokontroler� Fungsi Konversi_data ()

� Fungsi Konversi_data() merubah paket data serial yang telah dirubah ke array karakter2[k] menjadi array karakter 1[i][j].

� Karakter1[i][0] merupakan bagian array yang menentu kan apakah gerakan robot merupakan gerak motor stepper atau so lenoid.

� Karakter1[i][1] merupakan bagian array yang menentu kan jumlah delay ketika motor stepper bergerak.

� Karakter1[i][2] merupakan bagian array yang menentu kan arah gerak motor stepper dan solenoid.

� Karakter1[i][3] merupakan bagian array yang menentu kan jumlah

counter (firing sequence) pada motor stepper.

� Fungsi Run_Motor()� Fungsi Run_motor() merupakan fungsi untuk mengirimkan firing

sequence yang berupa pulsa dari mikrokontroler ke driver motor st epper

dan driver solenoid

Pengujian Alat

� Penghitungan Resolusi Gerak Robot� Pengujian Perangkat Keras � Pengujian Perangkat Lunak� Pengujian Gabungan

Pengujian Alat

Penghitungan Resolusi Gerak Robot (1)

� Penghitungan pertama untuk gerakan translasi naik denganmemberikan setiap kenaikannya 2000 step dengan delay per-stepsebesar 3 ms sehingga persamaan garis lurusnya untuk gerak translasi naik adalah

y=0.016+0.000248x

� Penghitungan kedua untuk gerakan translasi turun dengan memberikan setiap penurunannya 2000 step dengan delay per-stepsebesar 3 ms dan persamaan garis lurusnya untuk gerak translasi turun adalah

y=0.018+0.000249x

Penghitungan Resolusi Gerak Robot untuk Gerakan Translasi pada DOF-1

Penghitungan Resolusi Gerak Robot (2)

� Perhitungan pertama untuk gerakan rotasi searah jarum jam pada DOF-2 dengan memberikan 10 step dan delay per-stepsebesar 60 ms untuk setiap gerakan dan persamaan garis lurusnya untuk gerak rotasi searah jarum jam pada DOF-2 adalah

y=-2.47937+0.78269x

� Perhitungan kedua untuk gerakan rotasi berlawanan jarum jam pada DOF-2 dengan memberikan 10 step dan delay per-stepsebesar 60 ms untuk setiap gerakan dan persamaan garis lurusnya untuk gerak rotasi berlawanan jarum jam pada DOF-2 adalah

y=-2.11365+0.778512 x

Penghitungan Resolusi Gerak Robot untuk Gerakan Rotasi pada DOF-2

Penghitungan Resolusi Gerak Robot (3)

� Perhitungan pertama untuk gerakan rotasi searah jarum jam padaDOF-3 dengan memberikan 20 step dan delay per-step sebesar 60 ms untuk setiap gerakan dan persamaan garis lurusnya untuk gerak rotasi searah jarum jam pada DOF-3 adalah

y= -9.68166+0.146789x

� Perhitungan kedua untuk gerakan rotasi berlawanan jarum jam padaDOF-3 dengan memberikan 20 step dan delay per-step sebesar 60 ms untuk setiap gerakan dan persamaan garis lurusnya untuk gerakrotasi berlawanan jarum jam pada DOF-3 adalah

y=-8.83001+0.145455x

Penghitungan Resolusi Gerak Robot untuk Gerakan Rotasi pada DOF-3

Penghitungan Resolusi Gerak Robot (4)Kalibrasi Pixel dengan Area Kerja Robot

Koordinat Pixel (dimulai dari pojok kiri bawah) dankoordinat kartesian robot (dimulai dari pojok kiri atas)

Persamaan untuk mengubah koordinat suatu titik P(xp,yp) menjadi P(xr,yr)dalam koordinat kartesian robot,

( ) bpixelpanjangxy pr += 1*

( )( ) apixelpanjangycx pr +−= 1*

)81(

)81(1

aaTengahJarakTitik

aaTengahJarakTitikpixel

cmpixelpanjang−−

=

Pengujian Perangkat KerasPengujian Pengiriman Data Serial

Berhasil12345681234567

Berhasil1000000999999

Berhasil10000099999

Berhasil100009999

Berhasil1000999

Berhasil200199

Berhasil10099

Berhasil2019

Berhasil109

Berhasil21

KategoriData Terima

Data Kirim

Tabel .Pengujian Pengiriman Data Serial

Pengujian Perangkat LunakPengujian Inisialisasi Chessboard

Tujuan :�Mendapatkan kondisi yang optimal untukdeteksi corner chessboard terutama dari sisipengaturan pencahayaan. �Mendapatkan parameter perspective transformagar tampilan chessboard pada image yang akan diolah mendekati bentuk persegi.

Tabel 3. Nilai optimal variabel pada proses perspective transform

0dstQuad[3].y

frame->widthdstQuad[3].x

0dstQuad[2].y

-10dstQuad[2].x

(frame->height)*1dstQuad[1].y

((frame->width)*(1))+5dstQuad[1].x

(frame->height)*(1.04)dstQuad[0].y

-5dstQuad[0].x

NilaiVariabel

Pengujian Perangkat LunakPengujian Deteksi Buah Catur

Tabel. Range Nilai Hue, Saturation,Value

V>10560<S<20080<H<115Biru

V>165S>30H<10;H>150

Merah

Value(V)

Saturation(S)

Hue(H)

Warna

Tabel. Range counter untuk warna merah dan warna biru

Counter biru > 280Biru

Counter merah > 190Merah

CounterWarna

Tujuan :�Mendapatkan range nilai Hue, Saturation, Value yang optimal dalam pendeteksian buahcatur hitam (warna merah) dan pendeteksianbuah catur putih (warna biru) serta range nilaicounter warna merah dan warna biru untukpenentuan kategori isi tiap petak.

Pengujian Perangkat LunakPengujian Path Planner (1)Tujuan :

�Mengetahui seberapa akurat algoritma untukmenghasilkan path

�Pengujian ini dilakukan dengan memberikanhalangan pada jalur pergerakan buah catur.

Gambar. Hasil Path Planner

Pengujian Perangkat LunakPengujian Path Planner (2)

Tabel. Hasil PengujianPath Planner

10020c7

10020b6

10020b4

10020c3

10020e3

10020f4

10020f6

10020e7

d5Knight

9520h1

10020c2

10020a8

10020h7

e4Bishop

10020e1

10020h5

10020a5

10020e8

e5Rock

9520c3

10020b3

10020a3

b2Pawn

AkhirAwalType

ProsentasePengujianPosisiPosisiBuahCatur

Dari table pengujian didapatkanrata – rata keberhasilan algoritmapath planner sekitar 99,6%.

Pengujian Penggabungan

Tujuan :� Mengetahui hasil pergerakan yang dilakukan oleh robot

manipulator sesuai dengan posisi yang diberikan.� Mengetahui repeatability dari robot manipulator

Terdiri atas :�Pengujian repeatability�Pengujian error posisi

Pengujian Penggabungan

Pengujian repeatability (1)

� Repeatability adalah kemampuan robot untuk kembali pada posisi yang sama.

� Selisih error didapat dengan menghitung selisih antara error posisidengan error posisi pertama.

� Pada pengujian ini buah catur digerakkan dari d4 ke e4 sebanyak 10 kali lalu dihitung error posisinya menggunakan algoritma template matching pada Open CV.

Tabel Hasil pengujian repeatability

45010

9459

1538

7477

5496

4585

0544

4583

1552

541

Selisih error(pixel)

error posisi (pixel)

Pengujian ke-

� Nilai rata-rata selisih error adalah 4 pixel.

� Berdasarkan hasil kalibrasi pixel didapatkan panjang pixel sebesar 1/9 pixel/cm sehingga selisih error rata-rata adalah 0.4444 cm.

� Nilai repeatibility untuk robot manipulator ini adalah 0.4444cm.

Pengujian Penggabungan

Pengujian repeatability (2)

Pengujian PenggabunganPengujian error posisi (1)

� Pengujian hasil pergerakan juga dilakukan denganmenghitung error posisi rata-rata dari 10 pergerakanyang berbeda.

� Error posisi juga dihitung dengan menggunakanalgoritma template matching pada Open CV.

Pengujian PenggabunganPengujian error posisi (2)

Tabel. Hasil pengujian error posisi

11c1-d111

10c2-d210

7c3-d39

9c5-d58

8c4-d47

5d3-e36

7d2-e25

9d1-e14

11d6-e63

10d5-e52

8d4-e41

error posisi(pixel)Pergerakan

Pengujianke-

� Didapatkan nilai error posisi rata-rata sebesar 9.5 pixel atau sebesar 1.06 cm.

Kesimpulan

� Kesimpulan yang diperoleh dalam Tugas Akhir ini adalah:� Dalam prosedur Inisialisasi chessboard parameter

brightness webcam yang optimal berada pada nilai 4.� Filter warna HSV dengan metode thresholding cukup baik

digunakan dalam pendeteksian warna merah dan biru.� Rata – rata keberhasilan algoritma path planner sekitar

99,6%.� Error posisi rata – rata hasil pergerakan sebesar 1.06 cm.� Nilai repeatibility untuk robot manipulator ini adalah

0.4444cm.

Kesimpulan

SEKIAN

terima kasih