Makalah Robot Manipulator [PDF]

Citation preview

MAKALAH ROBOT MANIPULATOR Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Robotika Dosen Pengampu : Dede Irawan Putra ST., MT Disusun oleh :



I.



Cecep Andi Mulyadi



2211141100



Muhammad Yogi Guntara P



2211141120



ABSTRAK Lengan robot manipulator adalah suatu sistem mekanik yang digunakan dalam memanipulasi pergerakan mengangkat, memindahkan, dan memanipulasi benda kerja untuk meringankan kerja manusia. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisa pergerakan sistem robot dengan menggunakan analisa kinematik maju dan kinematik balik. Model kinematika merepresentasikan hubungan end effector dalam ruang tiga dimensi dengan variabel sendi dalam ruang sendi. Metode Denavit-Harternberg merupakan sebuah metode yang digunakan untuk membentuk persamaan kinematik yang menggunakan 4 parameter yaitu θ, α, d dan a. Hasil dari penelitian ini didapat persamaan kinematik maju dan kinematik balik yang dapat digunakan sebagai acuan dalam memprogram gerakan lengan robot ke dalam sistem control. Dalam penelitian terdapat nilai kesalahan dari perbandingan hasil perhitungan dengan pengukuran sebenarnya. Nilai kesalahan rata-rata yang terjadi pada sumbu x sebesar 7,52%, pada sumbu y sebesar 7,75%, dan pada sumbu z sebesar 14,81%. Kata kunci: lengan robot manipulator, forward kinematik, invers kinematik



II.



PENDAHULUAN



2.1 LATAR BELAKANG Robot manipulator adalah sebuah robot yang secara mekanik dapat difungsikan untuk memindahkan, mengangkat dan memanipulasi benda kerja[11]. Model dinamika dari robot manipulator direpresentasikan dengan sistem persamaan matematika yang sifatnya non-linier. Selain dari itu, manipulator memiliki parameter-parameter inersia yang bergantung pada beban robot dan sifat fisis lainnya yang nilainya sulit diketahui secara pasti[5]. Tujuan utama kajian dinamika ini adalah untuk memperoleh rancangan kendali yang kokoh sehingga mampu meredam gangguan dengan baik. Masih banyak struktur-struktur robot yang komplek belum dikaji secara mendalam model



1



dinamikanya oleh karena rumitnya persoalan pemodelan matemaika sistem robot, sifat fisik alami (friksi pada poros aktuator, backlash pada gearbox, noise pada sensor, non-linieritas dari aktuator, dan sebagainya. 2.2 TUJUAN 1. Memberikan pengetahuan dari robot manipulator 2. Mengetahui manfaat-manfaat robot pada dunia industri III.



PEMBAHASAN 3.1 Degree of Freedom (DOF) Degree of Freedom dalam konteks mekanik secara spesifik didefinisikan dalam mode perangkat mekanik atau sistem yang bisa bergerak. Jumlah dari DOF sama dengan jumlah total perpindahan atau aspek gerak independen. Sebuah mesin dapat dioperasikan dalam dua atau tiga dimensi, tetapi mempunyai lebih dari tiga DOF. Istilah DOF ini sering digunakan untuk menentukan kemampuan gerak robot. Sebuah robot lengan dibuat menyerupai fungsi lengan manusia. Pergerakan bahu dan pergelangan tangan dapat bergerak ke atas dan ke bawah saja atau ke kiri dan ke kanan saja. Pergerakan siku hanya dapat bergerak ke atas dan ke bawah saja. Gearakan berputan (rotasi) bisa saja dibuat untuk bagian pergelangan tangan dan bahu. Sebuah robot lengan mempunyai lima sampai tujuh DOF. Sedangkan untuk sebuah robot yang kompleks yang mempunyai dua buah lengan, jumlah DOF adalah dua kali lipatnya. Pada sebuah android, penambahan DOF dilakukan pada ujung efektor, lengan dan kepala. Android dengan fungsi yang lengkap dan mobile robot berkaki dapat mempunyai lebih dari 20 DOF. Contohnya adalah Project Nao, sebuah smart phone (android) yang didesain untuk pasar konsumen yang mempunyai 25 DOF. 3.2 Pengenalan Robot industri tertentu melakukan beberapa tugas seperti mengambil dan menempatkan objek, pergerakan diadaptasi dari mengamati kesaaman yang dilakukan oleh tangan manusia dalam menangani tugas-tugas yang dikerjakan secara manual. Robot lengan juga dikenal sebagai robot manipulator.



2



Kumpulan dari segmen sliding dan joint ditempatkan secara bersamaan dalam benuk manipulator serupa dengan lengan yang dapat secara otomatis memindahkan objek sesuai dengan jumlah DOF yang diberikan. Setiap robot manipulator komersil mempunyai sebuah kontroler dan sebuah lengan manipulator. Kinerja dari manipulator tergantung dari kecepatannya, berat alatnya serta ketelitiannya. Namun, jangkauan ujung efektornya, keseluruhan bidang kerja dan orientasi kerjanya ditentukan oleh struktur dari manipulatornya sendiri. 3.3 Kinematika dari Robot Manipulator Robot manipulator dibuat menggunakan sambungan (link) kaku yang dihubungkan dengan sendi (joint) dengan salah satu ujung tetap dan ujung lainnya bebas untuk melakukan tugas yang diberikan (misalnya untuk memindahkan kotak dari posisi satu ke posisi lainnya). Joint dari robot manipulator merupakan komponen penggerak, yang memungkinan gerakan relatif antar link yang bersebelahan (adjoining links). Pada robot monipulator terdapat dua linear joint untuk memastikan gerakan tidak berputar (non-rational) antar sambungan, dan terdapat tiga rotary joint yang berfungsi untuk melakukan gerakan perputaran antara link yang berdekatan (adjacent links). Robot manipulator dibagi menjadi 2 bagian yang masing-masing mempunyai fungsi yang berbeda, yaitu : a. Bagian lengan dan tubuh (Arm and Body) Bagian lengan dan tubuh dari robot terdiri dari tiga joint yang terhubung dengan link yang besar. Bagian ini digunakan untuk memindahkan atau menempatkan objek. b. Bagian pergelangan tangan (Wrist) Bagian Wrist ini berfungsi untuk menyusun objek. Karakteristik struktural dari robot bagian Wrist ini mempunyai dua atau tiga joint yang padat.



3.4 Konfigurasi lengan Robot Manipulator Robot manipulator dikelompokkan dalam beberapa jenis berdasarkan kombinasi joint, yaitu sebagai berikut :



3



a. Lengan Kartesian Geometri Lengan ini membuat prismatic joint menjangkau semua posisi dalam bidang kerja segiempat dengan menggunakan gerakan Kartesian dari link. b. Lengan Silinder Geometri Lengan ini terbentuk oleh pergantian waist joint (joint pinggang) dari Lengan Kartesian dengan sebuah revolute joint. Lengan ini dapat diperpanjang ke semua sisi dalam bidang kerja silinder (tabung) dengan menggunakan kombinasi translasi dan rotasi. c. Lengan Spherical Geometri Ketika sebuah shoulder joint (joint bahu) dari Lengan Kartesian digantikan dengan revolute joint, maka terbentuklah sebuah lengan Spherical Geometri. Letak ujung efektornya dideskripsikan menggunakan koordinat polar. d. Lengan Articulated Gometri Menggantikan elbow joint (joint siku) dari Lengan Kartesian dengan bentuk revolute joint, sebuah Lengan Articulated berkerja pada bagian luar dari bulatan dinding tebal yang kompleks. e. SCARA (Selective Compliance Automotic Robot Arm) Robot lengan ini mempunyai 2 revolute joint dalam sebuah bidang horizontal, yang memungkinkan lengan dapat diperpanjang dalam bidang kerja horizontal. Robot TH650A SCARA oleh TM Robotics adalah salah satu contoh robot paling bagus untuk mendemonstrsikan fungsi pengambilan dan penempatan objek oleh robot manipulator.



3.5 Konfigurasi Pergelangan Tangan (Wrist) Terdpata 2 jenis utama dari desain wrist, yaitu : a. Roll-pitch-roll atau spherical wrist b. Pitch-yaw-roll Spherical wrist lebih umum karena secara mekanis mempunya desain yang lebih sederhana. Spherical wrist mempunya 6 DOF dan mempunyai sebuah shoulder joint (Joint bahu) yang diikuti oleh joint siku (elbow Joint) yang berputar.



4



3.6 Jenis-Jenis Joint dan Cara Kerjanya Membandingkan dengan objek lain, sebuah joint mempunyai kerangka acuan. Pertama, kerangka acuan reguler yang tetap dan objek lain juga memilikinya. Kerangka acuan yang kedua tidak tetap, dan akan berpindah sesuai dengan kerangka acuan pertama tergantung pada posisi joint (atau nilai joint) yang ditentukan pada konfigurasinya. Terdapat 4 jenis joint, yaitu Revolute joint, prismatic joint, screw dan spherical joint.



Gambar 1. Revolute joint, prismatic joint, screws, dan spherical joint



a. Revolute Joints Revolute joints mempunyai satu DOF dan digunakan untuk medeskripsikan pergerakan rotasi antar objek. Konfigurasinya ditentukan oleh satu nilai yang mewakili jumlah perputaran kerangka acuan pertama dari z-axis. Revolute joints dapat digunakan sebagai pasif joint ataupun sebagai aktif joint (motor). b. Prismatic Joints Prismatic joint mempunya satu DOF dan digunakan untuk mendeskrpsikan pergerakan translasional antar objek. Konfigurasinya ditentukan oleh nilai yang mewakili jumlah translasi sepanjang kerangka acuan pertama dari zaxis. Prismatic joints dapat digunakan sebagai pasif joint ataupun aktif joint pula. c. Screws Screws dapat dikatakan sebagai kombinasi dari revolute joints dan prismastic joits (dengan nilai yang terhubung), mempunyai satu DOF dan digunakan



5



untuk mendeskripsikan pergerakan yang seperti sekrup. Parameter pitch menentukan jumlah translasi terhadap jumlah rotasi yang diberikan. Screws dapat pula digunakan sebagai pasif joints atau aktif joints. d. Spherical Joints Spherical joints mempunyai tiga DOF dan digunakan untuk mendeskripsikan pergerakan memutar (rotasi) antar objek. Konfigurasinya ditentukan oleh tiga nilai yang mewakili jumlah perputaran kerangka acuan pertama dari x-, ydan z-axis. Ketiga nilai tersebut menentukan konfigurasi sebuah spherical joint yang secara spesifik dikenal dengan Euler Angles. Spherical joints merupakan pasif joint, dan tidak dapat digunakan sebagai aktif joint (motor).



Gambar 2. Dua kesamaan mekanisme (dalam hal konfigurasi) : spherical joint (kiri) dan 3 revolute joint (kanan)



Gambar 3. Dua perbedaan mekanisme : konfigurasi spherical joint lebih singular



6



Sebuah joint dapat merupakan salah satu dari mode kontrol berikut : a. Mode Pasif Dalam mode ini, joint tidak secara langsung terkontrol dan akan bertindak sebagai link tetap. User dapat mengubah posisi joint dengan panggilan fungsi



API



yang



sesuai



(contoh



:



simSetJointPosition



atau



simSetSphericalJointMatrix). b. Mode Inverse Kinematics Dalam mode ini, Joint bertindak sebgai pasif joint, tetapi digunakan (menyesuaikan) selama perhitungan inverse kinematics. c. Mode Dependent Dalam mode ini, posisi joint langsung terhubung (tergantung) dengan posisi joint lainnya melalui persamaan linear. d. Mode Torque or Force Dalam mode ini, joint disimulasikan oleh modul dinamik, jika dan hanya jika secara dinamis diaktifkan. Ketika diaktifkan secara dinamis, sebuah joint dapat bebas atau di kontrol pada gaya, kecepatan atau posisi. Screws tidak dapat digunakan dalam mode ini (nama memungkinkan untuk mempunyai hasil yang sama dengan menghubungkan sebuah revolute dan prismatic joint secara terprogram), dan spherical joint hanya dapat bebas dalam mode torque or force ini. Ketika motor joint dinonaktifkan, maka joint bebas dan hanya dipengaruhi oleh limit dari joint itu sendiri. Sedangkan ketika motor joint dan kontrol perulangan dinonaktifkan, maka joint akan mencoba untuk menjangkau kecepatan target yang diinginkan dengan syarat pemberian gaya maksimum yang dapat diampaikan. Ketika gaya maksimum sangat tinggi, kecepatan target secara langsung terjangkau dan joint berkerja dalam kontrol kecepatan, selain itu dapat bekerja pada gaya tertentu hingga mencapai kecepatan yang diinginkan.



Ketika motor joint diaktifkan dan perulangan kontrol diaktifkan, maka user mempunyai tiga mode kontrol, yaitu : a. Custom control



7



Sebuah script pemanggil kontrol joint akan bertugas mengontrol perilaku dinamis sebuah joint, yang memungkinkan user untuk mengontrol joint dengan algoritma yang diinginkan. b. Position control (PID) Joint akan dikontrol pada posisi melalui sebuah PID controller yang akan menyesuaikan kecepatan joint dengan cara berikut (pembagi Δt berfungsi untuk menjaga kontroler independen dari kontroler waktu yang dipilih):



c. Spring-damper mode joint akan dianggap seperti sebuah sistem spring-damper melalui sebuah modul force/torque :



Ketika joint dalam mode pasif, mode inverse kinematics atau mode dependent, dapat juga dioperasikan dalam sebuah hybrid fashion: operasi hibrid memungkinkan joint dioperasikan secara biasa, namun sebelum perhitungan dinamis, posisi joint saat ini akan di salin ke posisi joint tujuan. Kemudian selama perhitungan dinamis, joint akan berfungsi sebagai motor pada kontrol posisi (jika dan hanya jika secara dinamis diaktifkan. Fitur ini memungkinkan untuk mengontrol kaki robot humanoid dengan hanya menentukan posisi kaki yang diinginkan. Perhitungan terkait posisi joint kemudian akan digunakan sebagai nilai kontrol posisi untuk pergerakan kaki dinamis. IV.



KESIMPULAN Kesimpulan dari pembahasan diatas bisa dikatakan bahwa robot manipulator sangatlah bermanfaat bagi manusia. Manusia bisa memanfaatkan robot untuk mengefektifkan pekerjaan manusia. Untuk masalah cara kerja robot, intinya robot itu hanya merespon rangsangan yang diterimanya dari lingkungan sekitar, maksudnya lingkungan memberikan rangsangan yang akan diterima sensor, kemudian sensor akan mengirim sinyal ke pusat pengolah data dari robot



8



(chip-nya), kemudian chip dari robot memproses rangsangan tersebut kemudian memutuskan komponen mana yang akan bekerja. Komponen yang dipilih chip akan memberikan respon ke lingkungan seolah-olah robot paham dan mengerti rangsangan dari lingkungan.



9



References [1] R. Z. Amani, “Robot Manipulator,” [Online]. Available: https://www.academia.edu/22295498/MAKALAH_ROBOT_MANIPULAT OR. [Diakses 27 Oktober 2017]. [2] BARRET, “Pergerakan Robot Manipulator,” [Online]. Available: http://www.undana.ac.id/jsmallfib_top/JURNAL/TEKNIK%20MESIN/TEK NIK%20MESIN%202013/ANALISA%20PERGERAKAN%20LENGAN% 20ROBOT%20MANIPULATOR.pdf. [Diakses 27 Oktober 2017]. [3] Anonim, “Robot Manipulator,” [Online]. Available: http://elib.unikom.ac.id/files/disk1/494/jbptunikompp-gdl-asephendra24693-4-unikom_a-i.pdf. [Diakses 27 Oktober 2017].



10