Teknik Desain Robot [PDF]

Citation preview

Teknik Desain Robot 1. Sistem Robot dan Orientasi Fungsi Pada awalnya robot dibuat dengan tujuan untuk membantu pekerjaan manusia pada area yang sangat berbahaya seperti tambang, pengelasan, dll. Namun, sekarang ini banyak robot dibuat untuk membantu pekerjaan rumah tangga. Pembuatan robot secara massif untuk membantu proses pekerjaan dalam industry besar menimbulkan banyak pertanyaan terkait pekerja manusia yang akan menganggur terkhusus pada Negara berkembang yang memiliki banyak tingkat pengangguran. Sehingga perkembangan robotika memiliki dampak secara ekonomi yaitu pada pihak industry dan masyarakat. System robot secara umum memiliki konstruksi yang sama yaitu terdiri dari controller, sensor dan mekanik. Pengembangan jenis robot berdasarkan fungsi baik yang sederhana maupun yang kompleks menggunakan berbagai jenis sensor dan actuator yang berbeda-beda dan tentu saja disesuaikan dengan kemampuan controller dalam membaca dan mengendalikan jenis actuator tersebut. Gambar 1 berikut ini mengilustrasikan tentang sebuah diagram system robotik yang berhubungan dengan “dunia nyata” (real world). Bagian-bagian robot diterangkan dalam Gambar 1 berikut: Sistem Robot Sistem Kontroller



Aktuator



Mekanik Robot



Sensor



Sistem Aktuator



Sistem Roda



Sistem Kaki



Kamera



Untuk Navigasi (Gerak Berpindah)



Sistem Tangan



Kamera



Untuk Manipulasi (Gerak Penanganan)



Real World    



Mengikuti Jalur Berdasarkan objek statik atau bergerak (menuju objek, menghindari objek atau halangan) Berbasis vision, proximity dll Berdasarkan urutan perintah (refrensi trajektori)



   



Ujung tangan (posisi TIP): Mengikuti referensi trajektori Mengikuti objek (Berbasis vision, proximity, dll) Memegang, mengambil, mengangkat, memindah atau mengolah objek.



Gambar 1: Sistem Robot dan orientasi fungsi



Real World atau dunia nyata didefinisikan sebagai daerah kerja (workspace) daripada robot. Robot yang tersusun dari tangan/manipulator saja memiliki workspace yang terbatas sesuai panjang jangkauan tangannya. Untuk robot beroda atau berkaki, workspace-nya menjadi relatif tak terbatas tergantung kemampuan jelajahnya. Dengan menggabung robot tangan ke atas mobile robot maka daerah kerja untuk navigasi dan manipulasi dapat digabung dengan baik. Navigasi dasar dapat berupa mengikuti jalur di jalan (seperti line-follower atau route-runner robot, model labirin pada robot tikus, robot marka jalan berbasis vision, dsb.), berjalan menuju ke obyek atau sasaran (menggunakan sensor radar, sonar, kamera, proximity, dsb.), ataupun berjalan menuju sasaran dengan menghindari halangan (obstacle). Untuk bagian tangan, tugasnya dapat berupa tracking mengikuti referensi trajektori, menuju atau menghindari obyek berbasis vision, dan segala terminologi manipulasi yang mungkin dilakukan sesuai dengan tool pada posisi TIP atau ujung/pergelangan tangan. 2. Sistem Kontroller Sistem kontroller adalah rangkaian elektronik yang setidaktidaknya terdiri dari rangkaian prosesor (CPU, Memori, komponen interface Input/Output), signal conditioning untuk sensor (analog dan atau digital), dan driver untuk aktuator. Bila diperlukan bisa dilengkapi dengan sistem monitor seperti seven segment, LCD (liquid crystal display) ataupun CRT (cathode raytube). Salah satu jenis controller yang banyak digunakan adalah Mikrokontroller. Mikrokontroler adalah versi mini dan untuk aplikasi khusus dari mikrokomputer atau Komputer! Berikut saya berikan kembali daftar kesamaan yang pernah ditulis sebelumnya dengan menekankan pada perbedaan antara Mikrokontroler dan Mikrokomputer: 







CPU pada Mikrokomputer berada eksternal dalam suatu sistem, sampai saat ini kecepatan operasionalnya sudah mencapai tingkat lebih dari 2 GHz, sedangkan CPU pada Mikrokontroler berada internal dalam sebuah chip, kecepatan bekerja masih cukup rendah, dalam orde MHz (misalnya, 24 MHz, 40 MHz dan lain sebagainya). Kecepatan yang relatif rendah ini sudah mencukupi untuk aplikasi-aplikasi berbasis mikrokontroler. Jika CPU pada mikrokomputer menjalankan program dalam ROM atau yang lebih dikenal dengan BIOS pada saat awal dihidupkan, kemudian mengambil atau menjalankan program yang tersimpan dalam hard disk. Sedangkan mikrokontroler sejak awal menjalankan program yang tersimpan dalam ROM internal-nya (bisa berupa Mask ROM atau Flash PEROM). Sifat memori program ini non volatile, artinya tetap akan tersimpan walaupun tidak diberi catu daya.















RAM pada mikrokomputer bisa mencapai ukuran sekian MByte dan bisa diupgrade ke ukuran yang lebih besar dan berlokasi di luar chip CPU-nya, sedangkan RAM pada mikrokontroler ada di dalam chip mikrokontroler yang bersangkutan dan ukurannya sangat minim, misalnya 128 byte, 256 byte dan seterusnya dan ukuran yang relatif kecil inipun dirasa cukup untuk aplikasiaplikasi mikrokontroler. Keluaran dan masukan pada mikrokomputer jauh lebih kompleks dibandingkan dengan mikrokontroler, yang jauh lebih sederhana, selain itu, pada mikrokontroler tingkat akses keluaran dan masukan bisa dalam satuan per bit. Jika diamati lebih lanjut, bisa dikatakan bahwa Mikrokomputer atau Komputer merupakan komputer serbaguna atau general purpose computer, bisa dimanfaatkan untuk berbagai macam aplikasi (atau perangkat lunak). Sedangkan mikrokontroler adalah special purpose computer atau komputer untuk tujuan khusus, hanya satu macam aplikasi saja.



Perhatikan gambar berikut agar Anda mendapatkan gambaran tentang mikrokontroler.



Gambar 2.13 Skema Mikrokontroller (agfi.staff.ugm.ac.id) ALU, Instruction Decoder, Accumulator dan Control merupakan Otak-nya mikrokontroler yang bersangkutan. Jantungnya berasal dari detak OSC (lihat gambar sebelah kiri atas). Sedangkan di sekeliling ‘Otak’ terdapat berbagai macam periferal seperti SFR (Special Function Register yang bertugas menyimpan datadata sementara selama proses berlangsung), Memori RAM (tugas hampir sama seperti SFR hanya saja tidak berhubungan langsung selama proses operasional mikrokontroler), ADC (untuk mengubah data-data analog menjadi digital untuk diolah atau diproses lebih lanjut), EEPROM (sama seperti RAM hanya saja tetap



akan menyimpan data walaupun tidak mendapatkan sumber listrik/daya) dan port-port I/O untuk masukan/luaran, untuk melakukan komunikasi dengan pihakpihak eksternal mikrokontroler (sensor dan aktuator). Ciri khas mikrokontroler lainnya, antara lain:  ‘Tertanam’ (atau embedded) dalam beberapa piranti (umumnya merupakan produk konsumen) atau yang dikenal dengan istilah embedded system atau embedded controller;  Terdedikasi untuk satu macam aplikasi saja (lihat contoh-contoh yang akan saya terangkan pada bagian berikutnya);  Hanya membutuhkan daya yang rendah (low power) sekitar 50 mWatt (Anda bandingkan dengan komputer yang bisa mencapai 50 Watt lebih);  Memiliki beberapa keluaran maupun masukan yang terdedikasi, untuk tujuan atau fungsi-fungsi khusus;  Kecil dan relatif lebih murah (seri AT89 di pasaran serendah-rendahnya bisa mencapai Rp. 15.000,00 sedangkan Basic Stamp bisa mencapai Rp. 500.000,00);  Seringkali tahan-banting, terutama untuk aplikasi-aplikasi yang berhubungan dengan mesin atau otomotif atau militer. 3. Mekanika Robot Adalah sistem mekanik yang dapat terdiri dari setidak-tidaknya sebuah fungsi gerak. 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 holonomic atau non-holonomic. Roda gigi (gear) merupakan komponen penting saat membuat robot. Penggunaan roda gigi dalam robot memengaruhi 2 parameter penting, yaitu torsi dan kecepatan. 3.1 Torsi Torsi merupakan perkalian dari f gaya (beban) dengan d jari-jari (panjang lengan dari poros). Contoh, jika beban yang harus diputar sebesar 10 N dan panjang lengan 10 cm, maka besar torsi adalah sebesar 1 Nm. Jika ukuran beban dan panjang lengan sesuai contoh di atas dan motor yang Anda miliki hanya memiliki torsi maksimum sebesar 0.75 Nm, maka dapat dipastikan bahwa motor Anda akan tidak berputar. Permasalahan tersebut dapat diselesaikan menggunakan kombinasi roda gigi.



f



Gambar 3.1 Torsi 3.2 Torsi vs Kecepatan Kecepatan dan torsi adalah 2 parameter dasar yang menjadi ukuran bagi suatu motor. Dua hal tersebut dapat kita temui pada datasheet dari motor. Sering kali, torsi atau kecepatan yang dihasilkan oleh motor yang dijual di pasar tidak memenuhi aktuator untuk robot. Di sinilah peran roda gigi untuk mengonversi torsi dan kecepatan supaya sesuai dengan keinginan kita. Salah satu keuntungan dari pemakaian roda gigi adalah kita dapat mengubah kecepatan tinggi menjadi torsi yang tinggi. Torsi 1 x kecepatan 1 = torsi 2 x kecepatan 2 Torsi 1 dan kecepatan 1 merupakan parameter output dari motor, sedangkan torsi 2 dan kecepatan 2 merupakan parameter output dari roda gigi pada poros output (biasanya yang terhubung ke roda). Contoh, jika motor mempunyai parameter output sesuai datasheet, torsi sebesar 3 Nm dan kecepatan sebesar 2000rps (round persecond) dengan kecepatan minimum sebesar 1000rps, sedangkan Anda menginginkan torsi sebesar 20 Nm, maka sesuai perhitungan, kecepatan yang kita dapatkan sebesar 300rps. Dapat kita amati dari contoh tersebut bahwa untuk mendapatkan torsi yang ideal, (lebih besar) kita harus mengorbankan kecepatan (kecepatan menjadi berkurang). Berdasarkan perhitungan di atas dan spesifikasi dari motor, maka Anda dapat memperkirakan bahwa motor yang Anda gunakan tidak sesuai dengan desain yang Anda inginkan. Hal yang perlu diperhatikan dalam desain mekanik robot adalah perhitungan kebutuhan torsi untuk menggerakkan sendi atau roda. Salah satu metode yang paling umum ialah menggunakan sistem gear seperti gambar di bawah yang menggunakan dua buah gear.



Gambar 3.2 Transmisi gear hubungan langsung motor DC Gambar di atas N1 adalah jumlah gigi pada gear poros motor, N2 ialah jumlah gigi pada poros output, T1 ialah torsi pada poros motor dan T2 ialah torsi pada poros output. Torsi output dapat dihitung dengan rumus:



Sedangkan putaran output dapat dihitung: Putaran out = Nl/N2 x Putaran Motor 3.3 Arah Putaran Roda Gigi Saat membuat system roda gigi, kita harus dapat memperkirakan arah putaran roda gigi. Contoh, apabila kita mempunyai 2 buah roda gigi yang terhubung secara langsung, bila salah satu berputar searah jarum jam, maka yang lain pasti berputar berlawanan arah jarum jam. Kemudian, bagaimana arah dari roda gigi terakhir apabila system roda gigi tersebut mempunyai 20 buah roda gigi yang saling berhubungan secara langsung? Rumus yang digunakan adalah, bila jumlah roda gigi genap, maka putaranroda gigi terakhir akan belawanan arah dengan roda gigi pertama. Sedangkan apabila jumlah roda gigi ganjil, maka putaran roda gigi terakhir akan selalu seaah dengan roda gigi pertama. 3.4



Gear Chain



Gear chain adalah gabungan beberapa roda gigi yang terhubung berurutan. Arah putaran dari roda gigi terakhir berlawanan arah dengan roda gigi pertarna karena jurnlah keseluruhan roda gigi adalah genap. Untuk konfigurasi roda gigi seperti pada garnbar di atas, rasionya adalah perbandingan antara jurnlah gerigi roda gigi pertarna dengan roda gigi terakhir tanpa rnernperhitungkan roda gigi yang berada diantaranya. Efisiensinya dihitung dengan cara: Efisiensi total = efisiensi roda gigi ^ (jurnlah roda gigi - 1) Contoh, jika Anda rnernpunyai 5 buah roda gigi disusun secara spur rnaka:



Efisiensi total = 0.9^(5-1)= 65.6%



Gambar 3.3 Gear Chain



Gambar 3.4 Penerapan Gear Chain Pada garnbar 3.14 kita rnernpunyai 8 buah roda gigi. Roda gigi A dan B merupakan pasangan Crown and Pinion sedangkan roda gigi C-D, roda gigi E- F roda gigi G- H rnerupakan pasangan Spur Gear. Roda gigi B-C, roda gigi D- E, roda gigi F -G berada pada satu poros. Roda gigi A berada pada poros input dan roda gigi H berada pada poros output. Jumlah roda gigi A= 10, roda gigi B=36, roda gigi C=14, roda gigi D=36, roda gigi E=14, roda gigi F=36, roda gigi G=14, roda gigi H=36. Rasio A-B adalah 1:3.6 sedangkan 3 rasio lainnya C-D, E-F,G-H adalah 36:14 atau 2.57:1. Sehingga rasio roda gigi keseluruhan adalah 1 : (3.6x2.57 x2.57 x2.57) = 1:61. 3.5 Compund Gear Compound Gear adalah 2 buah roda gigi terhubung pada poros yang sarna. Kita dengan rnudah rnengetahui bahwa 2 roda gigi tersebut akan berputar dengan kecepatan yang sarna. Pada gambar 3.15, roda gigi 2 dan 3 merupakan compound gear.



Gambar 3.5 Compound Gear 3.6 Jenis Roda Gigi 3.6.1 Spur Gears Kombinasi roda gigi ini banyak dipakai karena pemasangannya yang mudah dan efisiensinya yang cukup tinggi. Salah satu bentuk penggunaan yang harus dihindari digunakan pada beban berat karena dapat merusak geriginya. Efisiensi yang diberikan oleh kombinasi roda gigi ini berkisar ~90% tergantung datasheet komponen.



Gambar 3.6 Spur gear



Gambar 3.7 Helical Gear



3.6.2 Helical Gears Kombinasi roda gigi ini beroperasi seperti spur gear tetapi dengan pergerakan yang lebih lembut. Efisiensi roda gigi ini sebesar ~90% tergantung datasheet komponen. Barga komponen ini cukup mahal karena bentuk geriginya yang kompleks. 3.6.3 Sproket Gears dengan Ranta; Kombinasi antara dua buah roda gigi dengan menggunakan rantai atau menggunakan belt (timing belt) dapat dianggap sebagai kombinasi antara tiga buah roda gigi. Arah putaran dari salah satu roda gigi selalu sarna seperti roda gigi lainnya karena jumlah roda gigi setara dengan 3 Kombinasi ini bergerak seperti spur gear tetapi mempunyai efisiensi yang sangat rendah dikarenakan besarnya area kontak sehingga friksi yang terjadi meningkat. Efisiensi sebesar ~80%.



Gambar 3.8 Sproket Gear 3.6.4 Bevel Gears Kombinasi bevel sangat bagus digunakan untuk operasi yang membutuhkan perubahan sudut rotasi tetapi mempunyai efisiensi yang cukup buruk sekitar ~70%. Jadi direkomendasikan untuk tidak memakai kombinasi roda gigi ini. 3.6.5 Rack and Pinion Kombinasi roda gigi ini banyak ditemukan dalam sistem pengemudian. Kombinasi roda gigi ini sangat bagus untuk mengubah gerak rotasi menjadi gerak translasi. Efisiensi sebesar ~ 90%.



3.6.6 Worm Gears Efisiensi kombinasi roda gigi ini cukup rendah sekita ~70%. Kombinasi ini mempunyai rasio yang cukup tinggi. Keuntungan lainnya adalah tidak bisa backdriveable sehingga yang bisa memutar roda gigi (worm gear) adalah worm yang terpasang pada motor Anda sehingga hal seperti gravitasi atau gaya lainnya tidak bisa memutar roda gigi. Keuntungan ini hampir mirip motor servo yang biasa digunakan untuk menahan beban pada robot tangan. 3.6.7



Planetary Gears



Kombinasi roda gigi mempunyai rasio roda gigi yang sangat tinggi (bergantung jenis produk) dan mempunyai efisiensi sekitar ~80%. 3.6.8 Crown and pinion gear Crown and Pinion adalah roda gigi berjenis reduction gear dengan posisi poros dari pinion (roda gigi yang lebih kecil) tidak searah dengan poros Town. Sebagai contoh roda gigi pinion di atas mempunyai 10 gigi sedangkan crown mempunyai 50 gigi sehingga rasionya adalah 5:1. Roda gigi yang lebih kecil berputar lebih cepat 5x daripada roda gigi yang lebih besar.



Gambar 3.9 Bevel gear



Gambar 3.11 Planetary gear



Gambar 3.10 Rack and Pinion



Gambar 3.12 Worm Gears



3.3.9



Roda Pulley



Roda pulley berbentuk seperti rada gigi tetapi tidak mempunyai gerigi dengan rongga di sisi luarnya. Fungsinya untuk mentransmisikan gaya pada jarak jauh. [ika diameter antara 2 buah pulley berbeda, maka fungsinya sama dengan rantai rada gigi. Dua buah pulley terhubung satu sama lain menggunakan belt drive yang elastis. Hal ini juga didukung dengan keelastisan dari belt drive yang membuat pulley dapat dihubungkan pada jarak berapa pun asalkan belt drive tidak slip atau putus. Belt-drive dapat terpasang terbalik dan dapat digunakan untuk menghubungkan pulleys yang mempunyai sudut ratasi yang berbeda sesuai posisi paras. Kelemahan penggunaan pulley yang hams diwaspadai adalah putusnya pulley karena beban terlalu berat atau slip karena jarak antar pulley terlalu dekat.



Gambar 3.13 Crown and Pinion



Gambar 3.14 Konfigurasi Pulley Wheel Pada pengembangan robot humanoid, diperlukan komponen yang mampu bergerak cepat ke segala arah untuk persendian robot (Joint Structure) yang dapat dipenuhi menggunakan servo torsi tinggi Dynamixel seperti pada gambar robot KHR-2 berikut:



Gambar 3.25 Struktur joint dari robot KHR-2 4. Sensor Adalah 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. 5. Aktuator Adalah 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, dsb.), sistem pneumatik (perangkat kompresi berbasis udara atau gas nitrogen), dan perangkat hidrolik (berbasis bahan cair seperti oli). Untuk meningkatkan tenaga mekanik actuator atau torsi gerakan dapat dipasang sistem gearbox, baik system direct-gear (sistem lurus, sistem ohmic/worm-gear, planetary gear, dsb.), sprochet-chain (gir-rantai, gir-belt, ataupun system wireroller, dsb.) a. Sistem roda Adalah 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 sistem holonomic), empat roda (Ackermann model/car like mobile robot ataupun sistem mecanum wheels) ataupun lebih. b. Sistem kaki Pada dasarnya sistem kaki adalah gerakan “roda” yang didisain sedemikian rupa hingga memiliki kemampuan gerak seperti mahluk hidup. Robot berjalan dengan sistem dua kaki atau biped robot memiliki struktur kaki seperti manusia setidaktidaknya mempunyai sendi-sendi yang mewakili pergelangan kaki, lutut, dan pinggul. Dalam konfigurasi yang ideal pergerakan pada pinggul dapat terdiri dari multi DOF dengan kemampuan gerakan memutar seperti orang menari jaipong. Demikian juga pada pergelangan kaki, idealnya adalah juga memiliki kemampuan gerakan polar. Untuk robot binatang (animaloid) seperti serangga, jumlah kaki dapat didisain lebih dari empat. Bahkan robot ular dapat memiliki DOF yang lebih dari 8 sesuai dengan panjang robot (ular) yang didefinisikan. c.



Sistem tangan



Adalah 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, dsb.) ataupun mengaduk (kontrol proses). Untuk robot tangan, disain sendi-lengan diukur berdasarkan DOF. Lengan dapat dibuat kaku/tegar (rigid) ataupun fleksibel (flexible manipulator). Sistem tangan memiliki bagian khusus yang disebut sebagai gripper atau grasper (pemegang). Untuk grasper yang didisain seperti jari tangan manusia, derajat kebebasannya dapat terdiri lebih dari 16 DOF (3 DOF untuk jari kelingking, manis, tengah, telunjuk, dan 4 DOF untuk jari jempol), tidak termasuk gerakan polar pada sendi pergelangan.



Tugas Buatlah desain robot Sederhana (line follower atau wall follower (Avoider)) dengan mendeskripsikan semua jenis komponen apa yang digunakan termasuk sensor, actuator dan controller, serta power supply. (Desain yang dibuat 2D atau 3D (Lebih Utama) dan Skema Rangkaian Elektronik).