BAB 2 LANDASAN TEORI
2.1.
PENGERTIAN ROBOT Kata Robot berasal dari bahasa Cekoslowakia, yakni robota, yang berarti pekerja. Robot diciptakan atas dasar untuk mendukung dan membantu pekerjaan manusia. Istilah ini dikemukakan oleh Karel Carpec pada tahun 1920. Isaac Asimov mengajukan ada 3 hukum dari “robotics” dimana berguna untuk melindungi kita dari kecerdasan para robot. Hukum Pertama: Sebuah robot tidak diperbolehkan melukai manusia, atau berdiam diri membiarkan manusia celaka. Hukum Kedua: Sebuah robot harus mematuhi perintah yang diberikan oleh manusia kecuali perintah tersebut bertentangan dengan hukum yang pertama. Hukum Ketiga: Sebuah robot harus dapat melindungi dirinya sendiri selama itu tidak bertentangan dengan Hukum yang Pertama dan yang Kedua . Meski Hukum Robot ini hanya sebuah kutipan dari cerita fiksi yang dituliskan oleh Isaac Asimov, kita sudah tidak jauh lagi dari era dimana kita memang membutuhkan hukum yang dituliskan oleh Asimov, tidak ada keharusan untuk menurutinya, namun ini adalah ide yang baik. Berdasarkan Robotics Institute of America (RIA), definisi robot adalah “A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material,parts, tools, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks.” Bahwa robot adalah sebuah manipulator yang multifungsi dan bekerja untuk sebuah keahlian yang khusus, dimana robot juga harus dapat diprogram ulang.
6
7 Dari sudut pandang engineering, robot adalah sebuah benda kompleks dimana didalamnya terdapat struktur mekanik, kumpulan sistem sensorik dan sebuah sistem kontrol.
2.2 Klasifikasi Robot 2.2.1 Robot Berkaki. Robot berkaki merupakan sebuah robot yang dapat bergerak dengan leluasa karena memiliki kemampuan bergerak untuk berpindah posisi yang didukung oleh bentuk kaki yang dirancang sebagai alat penggeraknya. Penggunaan kaki dan bentuk tubuh, ini semua akan disesuaikan dengan medan yang akan dihadapi oleh robot dan juga harus sesuai dengan tugas yang akan dilaksanakan oleh robot nantinya. Pada penelitian yang dilakukan oleh Jin Bo et al, 2011 yang berjudul “Design and Configuration of a Hexapod Walking Robot.” menjelaskan mengenai gaya berjalan robot hexapod yang difokuskan pada berjalan lurus dengan meningkatkan kemampuan beradaptasi pada medan yang tidak rata menggunakan sensor pada ujung kaki yang ditujukan pada perhitungan kinematika. Berikut klasifikasi robot berkaki yang penulis gunakan.
a) Hexapod (Robot Berkaki Enam)
8
Gambar 2.1 Robot Hexapod (Sumber: http://www.mindcreators.com/Images/RO_HexapodRobot.gif) Robot Hexapod adalah robot yang bergerak dengan menggunakan 6 buah kaki. Karena robot secara statistik dapat stabil dengan menggunakan 3 kaki atau lebih, maka robot hexapod mempunyai fleksibilitas yang tinggi. Jika ada kaki yang tidak berfungsi, maka ada kemungkinan robot masih dapat berjalan. Terlebih lagi tidak semua kaki robot dibutuhkan untuk mencapai stabilitas, kaki lainnya dapat bergerak bebas untuk mencari tempat pijakan baru. Kelebihan : -
Dapat bergerak dibeberapa permukaan, kasar maupun halus.
-
Dengan jumlah kaki yang sama di tiap sisinya, maka bobot robot akan tertopang dengan baik.
-
Posisi tubuh robot diatas kaki, sehingga terhindar dari gesekan atau benturan dari permukaan. Kekurangan :
-
Memerlukan biaya riset yang cukup tinggi.
-
Pergerakan relatif lamban dikarenakan dibutuhkannya waktu untuk pengaturan koordinasi gait dari tiap servo.
9 2.2.2. Motor Penggerak Motor adalah sebuah motor elektris bertenaga AC (alternating current) atau DC (direct current), yang berperan sebagai bagian pelaksana dari perintah – perintah yang diberikan oleh otak robot. Berdasarkan fungsinya, terdapat beberapa macam motor yang biasa digunakan pada robot, yaitu motor DC untuk aplikasi yang membutuhkan kecepatan tinggi, motor stepper untuk aplikasi dengan akurasi tinggi, dan motor servo untuk gerakangerakan berupa gerakan sudut. Dalam mengendalikan motor-motor tersebut, otak robot tidak dapat langsung mengakses motor, kecuali motor servo yang sudah memiliki antarmuka. Namun demikian, dengan menggunakan antarmuka servo controller, maka proses pengendalian motor servo akan lebih mudah dilakukan.
2.2.3 Kontrol Motor Kontrol Robot Loop Terbuka Diagram kontrol loop terbuka pada sistem robot dapat dinyatakan dalam gambar berikut ini.
Gambar 2.2 Kontrol Loop Terbuka Dengan melihat diagram ini, dapat diketahui bahwa kontrol loop terbuka tidak memberikan feedback untuk memperbaiki output. Kontrol loop
10 terbuka atau umpan maju (feedforward control) dapat dinyatakan sebagai sistem kontrol yang outputnya tidak diperhitungkan ulang oleh kontroler. Keadaan apakah robot benar-benar telah mencapai target sesuai yang dikehendaki sesuai referensi, adalah tidak dapat mempengaruhi kinerja kontroler. Kontrol ini sesuai untuk sistem operasi robot yang memiliki aktuator yang beroperasi berdasarkan umpan logika berbasis konfigurasi langkah sesuai urutan, misalnya stepper motor. steppermotor tidak perlu dipasangi sensor pada porosnya untuk mengetahui posisi akhir. Jika dalam keadaan berfungsi baik dan tidak ada masalah beban lebih, maka stepper motor akan berputar sesuai perintah kontroler dan mencapai posisi target dengan tepat. Perlu digaris bawahi di sini bahwa kontrol sekuensi (urutan) dalam gerak robot dalam suatu tugas yang lengkap, misalnya memiliki urutan sebagai berikut: menuju ke posisi obyek, mengambil obyek, mengangkat obyek, memindahkan ke posisi tertentu, dan meletakkan obyek adalah tidak selalu semua langkah operasi ini termasuk dalam kontrol loop terbuka. Dapat saja langkah menuju posisi obyek dan memindah obyek menuju posisi akhir adalah gerak berdasarkan loop tertutup. Sedangkan yang lainnya adalah loop terbuka berdasarkan perintah langkah berbasis delay.
11 Kontrol Robot Loop Tertutup
Gambar 2.3 Kontrol Loop Tertutup Pada gambar di atas, jika hasil gerak aktual telah sama dengan referensi, maka input kontroler akan nol. Artinya kontroler tidak lagi memberikan sinyal aktuasi kepada robot karena target akhir perintah gerak telah diperoleh. Makin kecil error terhitung maka makin kecil pula sinyal pengemudian kontroler terhadap robot, sampai akhirnya mencapai kondisi tenang (steady state). Referensi gerak dan gerak aktual dapat berupa posisi (biasanya didefinisikan melalui kedudukan ujung lengan terakhir / end effector), kecepatan, akselerasi, atau gabungan di antaranya. Kontrol bersifat konvergen jika dalam rentang waktu pengontrolan nilai error menuju nol, dan keadaan dikatakan stabil jika setelah konvergen kontroler mampu menjaga agar error selalu nol. Dua pengertian dasar; konvergen dan stabil, adalah sangat penting dalam kontrol loop tertutup. Stabil dan konvergen diukur dari sifat referensinya. Posisi akhir dianggap konvergen bila makin lama gerakan makin perlahan dan akhirnya diam pada posisi seperti yang dikehendaki referensi, dan dikatakan stabil jika posisi akhir yang diam ini dapat dipertahankan dalam masa-masa berikutnya. Jika referensinya adalah kecepatan maka disebut stabil jika pada keadaan
12 tenang kecepatan akhirnya adalah sama dengan referensi (atau mendekati) dan kontroler mampu menjaga kesamaan ini pada masa-masa berikutnya. Dalam hal kecepatan, keadaan tenang yang dimaksud adalah bukan berarti output kontroler bernilai nol (tegangan 0 Volt) seperti keadaan sesungguhnya pada kontrol posisi, namun kontroler tidak lagi memberikan penguatan (amplify) atau pelemahan (attenuate) pada aktuator. Demikian juga bila referensinya adalah percepatan (akselerasi).
2.3. Struktur Kaki Struktur kaki terdiri dari tiga bagian utama yaitu coxa, femur dan tibia. Coxa atau pinggul mempunyai fungsi untuk menahan berat tubuh pada posisi statis (misalnya berdiri) dan dinamis ( misalnya berjalan atau berlari). Beban terberat terdapat di bagian ini. Femur atau tulang paha mempunyai fungsi sebagai penyambung antara coxa atau tulang pinggul dengan tibia atau tulang kering. Femur memberikan dukungan pada seluruh struktur rangka sehingga membantu dalam pergerakan kaki. Tibia atau tulang kering mempunyai fungsi membentuk engsel bersama dengan tulang paha yang disebut dengan lutut sehingga memungkinkan robot untuk berjalan, berlari dan menaiki tangga.Untuk memudahkan pengertian bagian-bagian tungkai makhluk hidup, berikut merupakan gambaran tungkai kaki manusia:
13
Gambar 2.4 Tungkai kaki manusia (Sumber:http://www.getbodysmart.com/ap/skeletalsystem/skeleton/appendicular /lowerlimbs/menu/menu.html) Berikut ini adalah gambaran untuk tungkai kaki serangga :
Gambar 2.5 Tungkai Kaki Belalang (Sumber: http://www.amentsoc.org/insects/glossary/terms/trochanter)
14
Analogi tungkai kaki belalang pada robot Hexapod :
Gambar 2.6 Perbandingan Kaki Robot Dan Kaki Serangga (Sumber:http://www.chaos.gwdg.de/~poramate/AMOSWD06.html)
2.3.1. Gait Gait merupakan pola pergerakan sendi, baik itu pada hewan maupun manusia. Gait pada hewan terbentuk berdasarkan kebutuhan akan kecepatan gerak, kondisi habitat, pergerakan (maneuver), dan pemakaian energi yang efisien. Pada robot berkaki, ada beberapa pilihan kombinasi gait , yaitu gait untuk 2 kaki (Bipedal), 4 kaki (Quadrapod), atau 6 kaki (Hexapod).
Gait 6 kaki (Hexapod) a. Tripod Gait Tripod gait terdiri dari kaki depan dan kaki belakang serta kaki tengah pada sisi lainnya. Untuk setiap tripod, kaki diangkat, diturunkan, dan digerakkan maju mundur secara bersamaan. Pada saat berjalan, hexapod menggunakan kedua tripod-nya mirip dengan biped yang melangkah dari satu
15 kaki ke kaki lain. Karena 3 kaki selalu berada di tanah, maka gait tersebut akan selalu stabil. Berikut adalah skema dari tripod gait :
Gambar 2.7 Skema Tripod gait (Sumber: http://www.ratstar.com/?v=variant)
b. Wave Gait Pada wave gait, kaki bergerak secara satu persatu dimulai dari kaki paling belakang, kemudian diulang oleh sisi yang lainnya. Karena hanya 1 kaki yang diangkat dan menyisakan 5 kaki di tanah, maka gait ini adalah gait yangpaling stabil. Tetapi dikarenakan pergerakan satu-persatu maka gait ini tidak dapat bergerak terlalu cepat. c. Ripple Gait Yang terakhir adalah ripple gait. Pada pandanganan pertama gait ini terlihat sangat rumit, untuk dapat mengerti maka kita harus mengetahui bahwa pada setiap sisi, sebuah gelombang yang non-overlapping dihasilkan untuk kaki yang diangkat. Dan kedua gelombang yang berlawanan tersebut mempunyai beda fase sebesar 180º. Berikut adalah skema dari ripple gait.
16
Gambar 2.8 Skema Gait Ripple (Sumber: http://www.ratstar.com/?v=variant) Berikut adalah bentuk sinyal PWM dari ketiga gait tersebut :
Gambar 2.9 Sinyal PWM dari Ketiga Gait Bentuk kaki yang digunakan oleh Hexapod :
Gambar 2.10 Kaki Hexapod (Sumber: http://www.robotshop.com/robot‐leg‐tutorial.html)
17
Hexapod robot biasanya dikonfigurasikan dengan menggunakan 2 baris 3 kaki (3+3) atau 60 derajat dari kaki sebelahnya dan jarak yang sama dari tengah bodi.
2.4
Forward Kinematic Berdasarkan “Penerapan Inverse Kinematic Pada Pengendalian Gerak Robot”
Danang (2012 : 1) Pada Gambar. 2.10 menunjukkan model 3-D dari sebuah robot berkaki enam yang digunakan dalam penelitian ini, Terdiri dari badan robot yang berbentuk persegi panjang dan enam kaki identik yang didistribusikan ke kedua sisi badan robot. Setiap kaki memiliki tiga derajat kebebasan. Desain persegi panjang adalah desain yang lebih mirip dengan bentuk binatang, desain ini cocok digunakan untuk gerakan maju, walaupun kurang fleksibel dalam berbelok, bergerak menyamping atau bergerak mundur [Woering R,2011].
Gambar 2.11 Robot Hexapod Phoenix Dari Lynxmotion
18
Gambar 2.12 Konstruksi Kaki Gambar 2 merupakan bentuk model dari kaki robot, Z0 adalah base frame dari kaki, 0 sedangkan Zb adalah framepusat dari robot yang terletak di tengah tengah badan. Parameter dari kaki robot ditunjukkan oleh Tabel 2.1
Tabel 2.1. Parameter D-H kaki robot Link 1
-90
0
2
0
0
3
0
0
Hasil dari transformasi matrik antara ujung kaki dengan base frame Z0 adalah sebagai berikut:
.............(1)
Dari matrik T diatas maka persamaan forward kinematic dari kaki 3DOF ini adalah
..........................................(2)
