BAB II ROBOT BERPINDAH (MOBILE ROBOT)
2.1 Gambaran Umum Mobile Robot Berdasarkan situs ensiklopedia Wikipedia, definisi mobile robot adalah jenis robot yang memiliki kemampuan bergerak bebas/berpindah di suatu lingkungan. Semua jenis robot yang telah diciptakan mengambil model/contoh dari manusia sebagai makhluk hidup. Walapun tidak memiliki kesamaan dalam bentuk fisik, namun memiliki kesamaan dengan manusia secara fungsional. Oleh karena itu, secara umum sebuah robot terdiri atas,
Mechanical device, seperti roda, tangan, dan konstruksi pendukung lainnya dalam berinteraksi dengan lingkungan.
Sensor yang berfungsi mengindera lingkungan dan memberikan feedback kepada sistem
Sistem yang memproses input dari sensor dan melakukan aksi sebagai respon dari keadaan lingkungan. Salah satu aspek terpenting pada mobile robot adalah locomotion system,
yaitu kontrol mekanisme yang mendukung robot bergerak dengan bebas dan efisien. Untuk tujuan tersebut maka mobile robot dilengkapi alat gerak, diantaranya kaki, roda, gabungan roda-kaki, dan track.
5
BAB II MOBILE ROBOT
1. Robot Berkaki (Legged Robot) Aplikasi alat gerak kaki pada robot ini meniru alat gerak kaki manusia, hewan ataupun serangga. Oleh karena itu, jenis robot ini dapat berjalan dengan sepasang kaki, dua pasang kaki, ataupun tiga pasang kaki. Pembuatan robot berkaki membutuhkan konstruksi yang mendetil dan kompleks sehingga kurang populer di dunia riset. Keseimbangan dinamis merupakan kondisi yang menuntut banyak perhatian pada robot berkaki. Robot berkaki empat atau enam lebih digemari karena memiliki keseimbangan yang lebih baik, sedangkan robot bipedal sering memunculkan kesulitan kompleks yang berkaitan dengan keseimbangan.
Gambar 2.1 Robot Berkaki Enam Gambar 2.2 Robot Bipedal
Keseimbangan dinamis bisa dicapai dengan memindahkan titik berat robot tiap kali kaki robot bergerak. Untuk tujuan tersebut digunakanlah algoritma
6
BAB II MOBILE ROBOT
dan mekanisme tertentu. Beberapa metoda berjalan pada robot bipedal diantaranya, yaitu Zero Moment Point, Passive Dynamics, dan Dynamics Balancing. Selain itu kesulitan lain yang muncul pada robot berkaki yaitu mengendalikan (steering) kaki robot karena derajat kebebasan yang terbatas. Walaupun demikian, alat gerak kaki memberikan kemudahan menaiki tangga.
2. Robot Beroda (Wheeled Robot) dan Tracked Robot Aplikasi roda paling banyak digunakan sebagai alat gerak pada robot karena menghasilkan efisiensi pergerakan yang tinggi di permukaan.
Robot beroda
merupakan jenis robot yang sesuai dengan berbagai aplikasi, misalnya robot penelitian, robot petarung, robot pembantu rumah-tangga, robot kursi roda untuk penyandang cacat, hingga ke dunia industri. Gaya gesek permukaan roda dengan lantai (tanah) memberikan gaya yang mendorong robot beroda untuk bergerak. Dengan kata lain, penggunaan roda sebagai alat gerak robot memberikan keuntungan yaitu memperkecil dampak negatif gesekan permukaan dengan aksi menggelinding. Gaya gesekan dengan permukaan akan semakin besar seiring bertambahnya beban pada robot sehingga akan mengurangi kemampuan bergerak mobile robot. Untuk mengatasi permasalahan ini, aplikasi alat gerak
roda banyak digunakan pada mobile robot. Selain itu roda lebih mudah
dikendalikan (steering) karena memiliki derajat kebebasan tak hingga. Salah satu
7
BAB II MOBILE ROBOT
kelemahan jenis robot beroda yaitu kesulitan mengembangkan kemampuan menaiki tangga. Tank Robot merupakan jenis tracked robot, robot ini memiliki daerah kontak yang lebih luas dibandingkan jenis robot lainnya sehingga lebih stabil.
Gambar 2.3 Tank Robot Robot ini memiliki kemampuan melewati tangga yang memiliki nosing, kondisi ini sulit dilewati oleh robot beroda biasa.
3. Robot Berkaki dan Beroda Biasanya robot berkaki tidak memiliki kemampuan berpindah secepat robot beroda, sedangkan pada robot beroda sulit dikembangkan kemampuan menaiki tangga. Dengan menggabungkan kelebihan yang dimiliki masing-masing alat gerak tersebut, saat ini telah dikembangkan robot tangga dengan alat gerak gabungan roda dan kaki. Salah satu contohnya adalah robot dengan alat gerak berupa kaki yang dilengkapi roda yang memungkinkan robot menaiki tangga.
8
BAB II MOBILE ROBOT
Gambar 2.4 Robot Shrimp
Selain faktor sistem gerak (locomotion system), sistem navigasi pada mobile robot juga menjadi faktor yang sangat penting. Beberapa sistem navigasi yang telah dikembangkan pada mobile robot diantaranya
Manual remote Navigasi ini melakukan pengontrolan sepenuhnya terhadap robot melalui joystick
Guarded Tele-Op Sistem
navigasi
ini
melengkapi
robot
dengan
kemampuan
mendeteksi/mengindera dan menghindar dari benda-benda penghalang, dengan kemampuan inilah robot diarahkan.
Line-Following Robot Cara kerja sistem navigasi ini yaitu menjejak garis yang terbentang di tengah sepasang sensor. Robot dengan sistem navigasi ini tidak bisa merubah arah jika menemukan penghalang, kecuali penghalang tersebut menutupi peta garis.
9
BAB II MOBILE ROBOT
Autonomously Randomized Robot Robot jenis ini melakukan gerakan acak yang arahnya dikontrol oleh benturan dengan penghalang (dinding).Roomba merupakan contoh robot dengan sistem navigasi ini
2.2 Mobile Robot Tangga Hingga saat ini kemampuan menaiki tangga telah dimiliki oleh robot dengan berbagai jenis alat gerak, diantaranya robot dua kaki (Asimo), robot berkaki enam (RHex), robot tank, serta gabungan kaki dan roda (Whegs). Hanya sedikit dari jenis robot beroda (wheeled robot) yang memiliki kemampuan menaiki dan menuruni tangga, diantaranya shrimp dan stairBot. Dalam pengembangan robot beroda dengan kemampuan naik tangga, ada dua aspek penting yang harus diperhatikan pada saat naik anak tangga/undakan yaitu teknik memindahkan roda ke/dari anak tangga/undakan dan teknik mempertahankan keseimbangan pada saat sebagian badan robot menapak anak tangga/undakan. Beberapa teknik memindahkan roda ke/dari anak tangga/undakan yang telah diterapkan, diantaranya
Aplikasi bidang miring berupa track pada robot tank
Aplikasi katrol
Aplikasi sendi pada robot berkaki yang dilengkapi roda, contohnya Shrimp
10
BAB II MOBILE ROBOT
Pada intinya teknik-teknik diatas merupakan pengembangan dari konsep pengungkit dalam memindahkan beban ke tempat yang lebih tinggi. Teknik mencapai keseimbangan dinamis bisa diantisipasi dengan menyiasati penempatan bagian-bagian robot pada saat tahap perancangan. Cara lain dengan memindahkan titik berat melalui algoritma dan mekanisme tertentu. Pada tugas akhir ini akan dibangun robot beroda naik tangga dengan metoda dan sistem kontrol robot yang sederhana. Keseimbangan dinamis robot saat menaiki anak tangga/undakan diabaikan karena ketinggiannya yang relatif kecil terhadap diameter roda. 2.3 Penggerak Robot Penggerak robot merupakan komponen terpenting dalam locomotion system pada robot dengan alat gerak kaki, roda, ataupun lainnya. Penggerak robot merupakan mesin yang memberikan gaya propulsif untuk menggerakkan anggota-anggota tubuh robot. Pemilihan penggerak robot sangat dipengaruhi oleh berat robot yang akan dibangun. Kondisi ini terkadang membatasi jumlah dan jenis penggerak pada robot yang diinginkan terutama pada jenis robot tangga. Hal ini dapat disiasati dengan pemilihan material badan robot yang lebih ringan, akan tetapi menimbulkan konsekuensi lain yaitu penambahan biaya.
11
BAB II MOBILE ROBOT
Penggerak robot yang dibangun pada tugas akhir ini meliputi penggerak roda belakang, penggerak roda depan dan penggerak penyangga (roda tengah). Penggerak yang digunakan adalah jenis motor dc yang terdiri atas R/C Servo, motor dc, dan motor dc gear. Penggerak roda depan dan penyangga ini dikendalikan sesuai input sensor jarak yang berfungsi sebagai indera penglihatan robot.
2.3.1 Motor Servo Robot dengan kemampuan menaiki tangga yang dibangun pada tugas akhir ini, dikembangkan dengan memanfaatkan motor servo sebagai komponen utama. Motor servo merupakan sejenis motor dc, ac, ataupun brushles dc motor yang dilengkapi sensor posisi (position sensing device). Servo dalam bahasa Yunani (servus) berarti pelayan, dinamai demikian karena
sistem
ini
(baca:
servomotor)
didesain
memiliki
respon
kecepatan/posisi yang sesuai dengan perintah/instruksi yang diberikan. Motor servo memiliki konstruksi ataupun prinsip kerja yang hampir sama dengan jenis motor induksi konvensional. Hanya saja motor servo didesain memiliki tingkat presisi yang tinggi terhadap posisi/kecepatan. Oleh karena itu, motor servo beroperasi dengan sistem kontrol tertutup. Pada tugas akhir ini jenis motor servo yang digunakan yaitu threewired dc servomotor atau lebih dikenal dengan R/C (radio-controlled) Servo. Jenis servo ini banyak digunakan dalam dunia robotik ataupun mainan radio
12
BAB II MOBILE ROBOT
controlled. R/C Servo juga beroperasi dalam sistem tertutup seperti jenis servomotor yang telah disebutkan diatas. Secara umum, R/C Servo meiliki tiga bagian pokok yaitu, motor dc, control board, dan feedback device berupa potensiometer. Berikut ini sistem kontrol tertutup pada R/C Servo,
Input Tegangan ea
Circuit/Control Board
Motor DC
Output Posisi θa
Sensor Posisi
Gambar 2.5 Sistem Kontrol Tertutup R/C Servo R/C Servo yang digunakan pada tugas akhir ini merupakan continuous servo yang diproduksi oleh Parallax, dengan spesifikasi sebagai berikut,
Sudut putaran shaft 360º
Input tegangan = 4.8-6 vdc
Torka maksimum 3.4 kg-cm
Kecepatan putaran rata-rata = 60 rpm (tanpa beban, 5vdc)
13
BAB II MOBILE ROBOT
Gambar 2.6 Parallax Continuous Servo Berdasarkan gambar diatas, R/C Servo memiliki tiga buah kabel yaitu merah (power) , hitam (ground), dan putih (control/command). Salah satunya
Gear/Gerigi Kasing Servo Sirkuit Kontrol
Potensiometer
Motor DC
Gambar 2.7 Bagian-Bagian R/C Servo Secara Umum
merupakan kabel yang berfungsi sebagai pengirim instruksi. R/C Servo memiliki standar khusus dalam pengontrolannya, yaitu menggunakan Pulse Width Modulation (PWM). R/C Servo memiliki karakteristik patuh terhadap instruksi, poros akan tetap berada pada posisi/arah putaran sesuai perintah
14
BAB II MOBILE ROBOT
walaupun diberi gangguan mekanik yang melawan poros servo. Hal ini akan terus berlangsung selama pulsa yang dikirimkan memiliki frekuensi 50 Hz. Berkaitan dengan gangguan mekanik, torka servo maksimum yang dihasilkan yaitu sekitar1kg/inch. Apabila gangguan mekanik melebihi batas tersebut maka servo akan keluar dari posisinya. Pada dasarnya, arah gerak servo dikontrol oleh lebar PWM. Apabila servo menerima pulsa dengan lebar 1.3 ms maka akan berputar searah jarum jam, sedangkan apabila diberi pulsa 1.7 ms maka akan berputar berlawanan arah jarum jam, dan apabila diberi pulsa 1.5 ms, servo tidak bergerak dan cenderung mempertahankan posisinya.
Gambar 2.8 Pulse Width Modulation
15
BAB II MOBILE ROBOT
2.3.2 Motor DC Motor dc yang digunakan yaitu motor dc 9 volt dan motor dc gear 12 volt, masing-masing bertujuan untuk menggerakan roda tengah naik-turun dan menggerakkan roda belakang. Motor dc yang digunakan sebagai penggerak roda tengah adalah motor dc keluaran Mabuchi Motor RF-500TB yang biasa digunakan pada tape recorder dengan kecepatan putaran berkisar 2500-3100 rpm. Fungsi penyangga (roda tengah) adalah menopang badan robot untuk menahannya tidak jatuh saat roda depan terangkat naik. Gambar 2.9(a) merupakan ilustrasi posisi roda menyentuh lantai pada saat motor OFF , sedangkan pada gambar 2.9(b) motor dc pada kondisi ON dan menggerakkan roda naik. Putar Kiri Putar Kanan
Badan Robot
Badan Robot y' Roda Tengah Naik
Roda Tengah Turun Lantai (a)
(b)
Gambar 2.9 Ilustrasi Roda Tengah Dan Motor DC Oleh karena itu, pengontrolan arah putaran motor dan pengaturan timing putaran poros motor sudah cukup untuk mencapai tujuan tersebut.
16
BAB II MOBILE ROBOT
Pengontrolan arah putaran motor dibangun dengan memanfaatkan rangkaian H-Bridge yaitu IC L293D. Kecepatan putaran motor dc diperkecil dengan memberi tegangan sebesar 5 volt. Pada bagian ini kecepatan motor dc tidak terlalu diperhitungkan tetapi akan sangat memudahkan proses pengaturan ketepatan waktu jika kecepatannya diperkecil. Khusus pada bagian belakang robot tidak dilengkapi dengan sistem kontrol karena hanya dibutuhkan gaya maksimum. Oleh karena itu, roda belakang hanya dapat berputar ke depan. Untuk menggerakkan roda belakang diperlukan torka yang cukup besar karena roda belakang ini menjadi satusatunya penggerak utama robot sehingga ia harus mampu melawan gaya gesek robot dengan lantai. Hal ini berarti penggerak roda belakang ini harus memiliki torka besar untuk menggerakkan roda yang dibebani dengan bobot keseluruhan robot termasuk penggerak tersebut. Oleh karena itu dipilihlah motor dc gear sebagai penggerak roda belakang. Motor dc gear ini memiliki karakteristik torka yang besar namun kecepatan yang rendah. Karakteristik ini sangat sesuai dengan fungsi yang akan dijalankan oleh roda belakang. Torka motor juga dipengaruhi oleh tinggi anak tangga/undakan yang akan dicapai dan diameter roda belakang dan akan dibahas pada bab ”Analisa Model Robot Tangga”.
17
