LAPORAN AKHIR PERANCANGAN MODUL BODY ROBOT MELATA DAN MANUFAKTUR DENGAN TEKNOLOGI 3D-PRINTING

Perjanjian No: III/LPPM/2016-02/72-P

LAPORAN AKHIR PERANCANGAN MODUL BODY ROBOT MELATA DAN MANUFAKTUR DENGAN TEKNOLOGI 3D-PRINTING

Disusun Oleh: Dr.Ir. Bagus Arthaya Hanky Fransiscus ST., MT.

Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Katolik Parahyangan 2016

Laporan Penelitian – LPPM UNPAR

1

DAFTAR ISI ABSTRAK ……………………………………………………………………………………………………………………… 3 BAB I. PENDAHULUAN

……………………………………………………………………………………………

4

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

………………………………………………………………………………

5

BAB III. METODE PENELITIAN

………………………………………………………………………………

14

BAB IV. JADWAL PELAKSANAAN

………………………………………………………………………………

15

BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN ………………………………………………………………………………

17

BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN …………………………………………………………………..………….

15

DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………………………………………………………………

29


2

ABSTRAK Dalam bahasa Inggris, ulat disebut sebagai Caterpilar, atau The Geometrids atau Inchworm atau Loopers, karena cara mereka berjalan. Geometrid berarti mengukur bumi (bahasa Yunani), dimana ulat berjalan seolah-olah mengukur berapa panjang bumi ini dimana setiap segmen tubuhnya akan berpindah dari satu titik ke titik di depannya secara berurutan. Model fisik dari ulat ini akan direalisasi dalam bentuk robot melata dan akan dikembangkan untuk dapat meniru gerak dasar yang dilakukan oleh seekor ulat dengan cara membuat modul-modul segmen yang memiliki ukuran dan karakteristik gerak mirip sekali antara satu dengan lainnya. Penerapan jangka panjangnya adalah adanya robot ulat yang sudah lebih canggih dimana perangkat kamera dan kemampuan maneuver yang baik digunakan untuk menjelajah daerah-daerah korban bencana dimana petugas keselematan tidak dapat menjangkaunya dengan aman. Perancangan modul body robot melata dan manufaktur fisiknya dengan teknologi 3D-printing merupakan penelitian multidisiplin yang dilakukan di Laboratorium Otomasi Sistem Produksi Prodi TI Unpar. Penelitian ini bertujuan untuk merancang modul body robot melata untuk mengakomodasi pola gerakan malata layaknya seekor ulat dan untuk melaksanakan proses pembuatan modul body dengan menggunakan mesin 3D-printing yang tersedia di laboratorium tersebut. Target khusus yang diharapkan dari penelitian ini adalah perancangan model dari robot melata dimana sebuah robot dibangun dari modul-modul body yang dapat mengakomodasi dan merealisasi konsep gerak melata (merayap). Setiap modul body diharapkan mampu mengakomodasi gerakan roll, pitch dan yaw atau setidaknya dua kombinasi dari ke-3 macam gerakan tersebut. Struktur fisik modul body akan dirancang untuk merealisasi 3 gerakan dasar di atas dan juga dapat mengakomodasi penempatan komponen-komponen elektronika serta unit penggerak yang diperlukan. Secara fisik, modul body ini dibuat dengan teknologi 3Dprinting dengan tujuan untuk kemudahan proses pembuatan dan memanfaatkan teknik perakitan yang sederhana tetapi kokoh. Hasil penelitian ini diuji dengan mengamati hasil proses printing 3D dari model CAD yang masih sangat ditentukan oleh ukuran produk yang terlalu besar, kemudahan pembuatan produk yang sangat tergantung dari fitur yang akan dibuat. Kerapatan komponen elektronik yang dipasang di dalam modul body terakhir menjadi keunggulan untuk mencengkeram akan tetapi juga menjadi kendala saat harus melakukan/mengawali gerakan maju.


3

BAB I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Permasalahan Robot industri merupakan suatu perangkat/fasilitas produksi yang sangat penting pada kegiatan manufaktur untuk menghasilkan suatu produk bersama-sama dengan perangkat pendukung produksi lainnya seperti mesin perkakas CNC, AGV (Automated Guided Vehicle), ASRS (Automated Storage/Retrieval System) dan lain sebagainya. Dengan konsep kolaborasi dan teknik koordinasi yang tepat dan terkendali, maka semua perangkat pendukung produksi dapat berfungsi secara maksimal dan aman. Dari berbagai bentuk robot industri, robot melata merupakan suatu bentuk fisik robot yang sangat menarik perhatian para peneliti robotika akhir-akhir ini. Gerakan melata dapat direalisasi dengan berbagai modus gerak, seperti gerak peristaltik, gerakan sejenis concertina-like, gerakan menekuk segmen tubuh, gerakan melenggang-lenggok dan lain-lain. Dalam penelitian ini, gerakan menekuk segmen tubuh robot melata (Gambar 1) akan dibahas secara lebih mendalam sehingga dihasilkan gerakan lincah dalam merealisasi manuver roll, pitch dan yaw.

Gambar 1. Contoh gerakan sederhana ulat untuk bergerak maju Ulat yang dikenal dengan nama caterpillar dapat melakukan gerakan yang cukup rumit bila harus ditiru oleh suatu robot ulat melata. Gerakan maju dimulai dari segmen paling belakang bergerak maju dengan segmen di depannya harus terangkat untuk memberi ruang kepada segmen akhir. Setalah maju sejengkal, segmen belakang ini mencengkram posisinya sehingga segmen depan bila dijatuhkan kembali akan menyebabkan gerakan maju sejengkal demi sejengkal. Gerakan itu kemudian diulang-ulang oleh semua segmen-segmen secara berulang.


4

Analisis gerak dari robot melata akan dikaji secara rinci dan dilakukan secara bertahap dari aspek analisis kinematik, aspek material dan pembuatan, aspek elektronik dan aspek kendali. Pada tahap awal, analisis kinematik dilakukan pada segmen dasar dari body robot melata. Satu segmen body akan dikaji secara kinematik sehingga tiap segmen akan mampu melakukan gerakan standar yang pada akhirnya secara keseluruhan dan bersama-sama semua segmen body akan dapat merealisasi manuver roll, pitch dan yaw. Robot melata (ular/ulat) ini merupakan contoh robot dengan tingkat redundasi sangat tinggi, dimana jenis robot ini cocok digunakan untuk lingkungan yang sangat terbatas dan rumit serta memiliki tingkat risiko bahaya yang tinggi. Robot melata layaknya ulat ini dapat digunakan pada penjelajahan berbagai kawasan berbeda dan rumit, seperti lubang-lubang kecil, celah-celah sempit, area yang mengalami kebakaran, yang umumnya tidak mampu dilewati oleh wahana robot berkaki maupun beroda. Industri perminyakan juga sangat memerlukan jenis robot ini dalam proses perawatan pipa saluran minyak dan instalasi pengeboran. Robot melata umumnya memiliki derajat kebebasan gerak lebih dari cukup untuk menyelesaikan suatu pekerjaan, sehingga hal ini menyebabkan konfigurasi robot memiliki tingkat redundansi yang tinggi. Beberapa contoh model dan penerapan robot melata (yang terinspirasi dari ular/ulat) telah dikembangkan dan dihasilkan serta digunakan pada berbagai bidang akan tetapi bentuk rancangan yang ada satu dengan lainnya bisa sangat bervariasi. Dalam Gambar 2 ditunjukkan aplikasi robot ular pada ujung lengan robot industri, dimana mafaat utamanya adalah peningkatan fleksibilitas end-effector dari robot tersebut dalam rangka mencapai titik-titik yang sangat susah dicapai dengan cara konvensional baik dari sisi posisi maupun orientasi. Fleksibilitas gerak robot ular ini dapat direalisasi dengan perakitan beberapa segmen body yang memiliki setidaknya 2 derajat kebebebasan seperti pada Gambar 2 berikut.

Gambar 2. Contoh-contoh model robot melata yang sudah berhasil digunakan/direalisasi [www.mmindustri.co.id dan https://iel.ucdavis.edu/] Hasil dari analisis kinematik, akan dimanfaatkan untuk pembuatan segmen body secara cepat dari suatu model CAD yang dirancang khusus untuk itu. Dalam aplikasi tertentu, sangat diperlukan adanya visualisasi dari pada produk model CAD 3D yang masih berupa data digital dalam bentuk nyata 3 dimensi. Untuk membuat produk nyata dengan cara konvensional akan membutuhkan persiapan yang tidak mudah, waktu yang lama serta biaya yang besar terutama


5

bila ingin membuat hanya sejumlah kecil produk Pembuatan produk/part secara cepat ini sering disebut dengan istilah “Rapid Prototyping” (RP) dimana suatu representasi produk atau sistem dapat dibuat dengan cepat dari suatu model CAD yang ada sebelum produk atau sistem tersebut dikomersialisasikan. Pembuatan produk dalam hal ini adalah segmen body dengan cara ini tidak memerlukan perencanaan proses seperti pada umumnya proses pembuatan produk, tetapi hanya berdasarkan informasi model 3D-nya saja. Banyak institusi/perusahaan yang mulai memanfaatkan teknik RP ini untuk membuat perkakas/komponen/part secara cepat. Kualitas model RP (dari segi ketahanan, akurasi, kemampuan dibuat ulang) yang ada akhir-akhir ini menyebabkan hal ini sangat disukai oleh pengguna. Gambar 3 menunjukkan bidang (area) kajian penerapan RP yang sangat luas, dimana sekitar 50% digunakan untuk urusan penerapan produk/model fungsional, perangkat visualisi barang teknik serta penerapan terait toleransi dan suaian. Lebih dari 25% digunakan untuk sebagai pola untuk prototipe perkakas dan pengecoran logam. Selebihnya digunakan untuk tujuan pembuatan produk secara langsung dan sejenisnya [Raja, 2005].

Gambar 3. Penerapan model RP di berbagai area aplikasi Salah satu teknik yang banyak digunakan untuk menerapkan RP adalah 3D printing mengunakan metoda FDM (Fused Deposition Modeling). Saat ini laboratorium Otomasi di Jurusan TI Unpar telah memiliki 2 unit mesin printing 3D yang dapat bekerja menggunakan material ABS ataupun PLA. Penguasaan teknologi printing 3D untuk mendukung proses perancangan dan pembuatan produk secara cepat merupakan suatu keunggulan yang telah dimiliki oleh para peneliti di laboratorium tersebut. Model segmen body robot akan dibuat dengan teknik ini dan kemudahan perakitan komponen di dalamnya menjadi perhatian utama dalam kasus ini. 1.2 Tujuan Umum dan Khusus Tujuan umum dari penelitian ini adalah kajian besar dan medasar terhadap model robot melata dan teknik pembuatan body robot yang direalisasi dengan proses menufaktur pada mesin printing 3D XYZ DaVinci yang terdapat di laboratorium Otomasi Jur. TI Unpar. Disamping itu,


6

penelitian ini sebagian merupakan lanjutan dari penelitian internal Unpar (LPPM) tahun lalu yang berjudul: “Eksplorasi Kemampuan dan Kapasitas Mesin 3D printing dalam Pengembangan Modul Rakitan dan Komponen Uji” Sedangkan tujuan khusus yang ingin dicapai dalam penelitian ini meliputi: 1. mengeksplorasi/mengkajian konsep kinematika terhadap model segmen body robot, 2. mengkajian konsep perakitan sub-assembly untuk penempatan/pemasangan semua part pedukung segmen body robot, 3. menyiapkan data digital dari model segmen body robot, memanufaktur model segmen body secara cepat dan presisi dengan mesin printing 3D. 1.3 Urgensi Penelitian Dalam rangka mengembangkan kompetensi keilmuan yang lebih terfokus dan terarah, maka diharapkan setiap peneliti di lingkungan Jurusan Teknik Mekatronika Unpar harus mengikuti peta jalan penelitian yang disajikan pada Gambar 4. Penelitian ini termasuk dalam akar penelitian Robotika, dengan kajian khusus tentang unmanned system. Penelitian ini akan menciptakan jalan awal bagi kegiatan penelitian yang berkelanjutan dimana tahapan-tahapan penelitian untuk membangun model robot melata dapat dilakukan. Pada tahap awal ini, konsep dasar kinematik gerakan robot melata dijabarkan dengan rinci dan bagaimana peran segmen body robot untuk menghasilkan gerakan melata suatu robot ulat secara utuh. Penelitian ini akan menjadi medan permainan bagi peneliti dan mahasiswa Teknik Mekatronika dalam mendalami konsep perancangan robot industri, khusus robot melata. Penelitian tentang robot melata ini akan banyak memberikan kesempatan kepada peneliti dan mahasiswa untuk menerapkan konsep-konsep perancangan mekanik maupun elektronik yang sangat diperlukan untuk mendukung unjuk kerja robot secara keseluruhan. 1.4 Inovasi dan Target yang Diharapkan Penelitian ini akan sangat bermanfaat bagi institusi pendidikan dalam bentuk pengembangan ilmu terutama untuk memperkaya materi perkuliahan yang tidak bisa dipisahkan dari fenomena perancangan rekasaya dan penerapan teknologi printing 3D yang semakin banyak ditemui di masyarakat. Penelitian ini akan melibatkan sejumlah mahasiswa Teknik Mekatronik / Teknik Industri dimana mereka dapat mempelajari secara lebih mendetail bagaimana proses perancangan dan pembuatan prototipe suatu produk robot yang sebenarnya. Pengetahuan yang didapat dapat digunakan untuk menumbuhkan kesadaran mahasiswa betapa pentingnya teknologi ini dalam membantu industri yang masih berada jauh dari kemampuan teknologi dan modal kerja. Wawasan tentang pentingnya kemampuan merancang dan membuat produk secara cepat dapat menjadi inspirasi bagi mahasiswa untuk membuka usaha mandiri suatu saat setelah mereka menyelesakan pendidikannya nanti. Target lain yang diharapkan adalah terlaksananya penelitian ini adalah terlaksananya skripsi mahasiswa yang mengkaji proses perancangan robot dan peran/kemampuan mesin printing 3D


7

untuk membuat suatu struktur body robot yang ringan tetapi kuat. Saat ini sedang dilaksanakan skripsi mahasiswa Prodi Teknik Industri dengan kajian dalam perancangan modul CAD body robot melata ini dan kajian penempatan komponen pengerak serta layouting setiap modul untuk mengakomodasi penempatan unit kendali. Disamping itu seorang mahasiswa Prodi Teknik Mekatronia juga terlibat dalam proses pemrograman motor penggerak bagi setiap modul body robot. Draft karya ilmiah yang membahas proses perancangan segmen body robot melata serta proses pembuatannya juga dihasilkan. Harapan untuk mengadakan dua (2) topik srikpsi yang dilaksanakan sejalan dengan penelitian ini tidak dapat dilaksanakan karena beberapa kendala teknis.

Gambar 4. Peta jalan penelitian di Jurusan Teknik Mekatronika Unpar


8

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Penelitian di bidang robotika telah berjalan sekian lama dan umumnya berfokus pada pengendalian gerakan lengan robot industri untuk melakukan proses manufaktur, seperti welding, painting, assembling dan lain sebagainya. Kesuksesan pengendalian gerak robot ini kadangkala masih belum cukup pada kondisi tertentu. Terdapat berbagai kondisi kerja tertentu, dimana end-effector dari suatu lengan robot tidak mampu menjangkau area yang sangat rumit dan sesak oleh tumpukan benda, lorong sempit yang panjang, celah tipis dan lain-lain, tetapi suatu pekerjaan/gerak manipulasi harus dilakukan di sana. Oleh karena itu, para peniliti robotika melirik keunggulan gerak suatu ular yang dijadikan inspirasi untuk membangun robot melata (ular). Ulat/ular memiliki mekanisme gerak rambat (locomotion) yang sangat unik dan bervariasi, antara lain adalah: merangkak, merayap di dalam lubang, hingga memanjat dan bahkan berenang. Ukuran fisik robot melata bisa bervariasi dari beban yang ringan sekali hingga beban yang sangat berat, bisa berukuran panjang sekali atau hanya pendek saja. Gerakan umum yang dilakukan oleh seekor robot adalah gerak pitch (mengangguk/menekuk ke depan) dan gerak yaw (menggeleng/melenggok) dan sangat jarang binatang ular/ulat melakukan gerak menggelinding (roll). Beberapa keunggulan yang ditawarkan oleh robot melata antara lain adalah [Hopkins, 2009]: 1. Karena struktur fisik ular yang tidak memiliki kaki, maka robot ular dapat masuk ke celah-celah dan lubang-lubang yang sempit 2. Gaya cengkeraman yang dihasilkan pada tumpuan selama bergerak sangat kuat, karena hampir seluruh tubuh robot bersentuhan dengan lintasan selama robot berjalan. Hal ini membuat traksi yang dihasilkan sangat besar dan selalu ada saat berjalan, yang sangat berbeda dengan robot berkaki atau robot beroda yang sering kehilangan kesetimbagan saat berjalan 3. Betuk ular memiliki tingkat redundansi yang tinggi dan terdiri dari segmen-segmen body yang sama. Apabila ada segmen body yang gagal melakukan fungsinya, secara keseluruhan struktur robot masih dapat melakukan fungsinya utamanya, karena struktur ini tidak memiliki konfigurasi kritis layaknya lengan robot pada umumnya 4. Bentuk khusus yang dimiliki robot ular adalah adanya kemampuan mengikat, melilit dan merangkak yang tidak dimiliki oleh bentuk robot lain. Adanya kemampuan melakukan berberapa fungsi berbeda dan cukup signifikan ini, tapi tidak memerlukan rancangan mekanis yang khusus, membuat struktur ini sangat menarik untuk diteliti 5. Secara umum penggunaan energi oleh robot ular (melata) tidak lebih banyak dari pada struktur robot lainnya, karena perpindahan anggota tubuh secara keseluruhan tidak signifikan dibandingkan dengan robot berkaki dan sebagainya. Berbagai keunggulan khusus ditawarkan oleh konstruksi menyerupai bentuk ular ini, maka robot melata semakin banyak mendapat perhatian dari para peneliti robotika. Disadari dan ditemukan bahwa pada kondisi-kondisi tertetu hanya konstruksi robot ini yang dapat melakukan fungsi-fungsi khusus, misalnya untuk menginspeksi saluran-saluran minyak mentah dalam pipa minyak yang sangat panjang dan sangat rumit. Fungsi yang sama diperlukan pada


9

industri penyulingan minyak bumi dan industri proses lainnya untuk menginspeksi kondisi instalasi pipa yang sangat rumit dan merupakan fasilitas utama/penting. Bererapa contoh konfigurasi robot ular yang telah dikembangkan menunjukkan variasi yang sangat tinggi dari konstruksi robot yang pernah dibuat. Robot melata dengan gerakan seperti concertina diciptakan oleh Y. Shan di tahun 1993 seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Robot ini dirancang untuk dapat berjalan pada lintasan yang banyak dihalangi oleh benda-benda di atas lantai. Layaknya ular alami, robot ini berasaha melintas disela-sela benda tanpa boleh menyentuh benda yang tersebar pada lintasannya. Untuk mendapatkan kemampuan ini, maka berbagai sensor diperlukan untuk dapat mengetahui posisi badannya relatif terhadap posisi benda yang akan dilewatinya. Disamping itu, unit penggerak yang tepat harus disiapkan untuk dapat menghasilkan gerakan maju yang stabil dan kemampuan manuver yang rumit. Yang tidak kalah pentingnya adalah sistem kendali yang dibangun tentu sangat rumit dan sangat presisi dalam menghasilkan gerakan merayap.

Gambar 5. Contoh robot melata dengan gerakan robot seperti “Concertina” [Shan, 1993] Sementara perusahan besar NEC Jepang memanfaatkan rancangan Ikeda dan Takanashi di tahun 1995 menciptakan ular dengan sambungan universal (joints) aktif seperti pada Gambar 6. Robot ini dipakai saat terjadi gampa bumi untuk melacak dan menemukan para korban yang selamat tetapi tertimpa dan terhimpit dalam reruntuhan gedung. Di ujung kepala robot dipasang camera dan digunakan oleh operator untuk mengendalikan gerak robot saat melakukan tugasnya. Jadi cara kerja robot ini adalah semacam gerak teleoperasi dimana operator dapat mengendalikan arah tujuan gerakan robot.


10

Gambar 6. Jenis robot ular menggunakan universal joint [Ikeda, 1987] Sementara robot yang dirancang oleh Nilsson menunjukkan hasil teknik pembelajaran gerakan melata dengan memanfaatkan perbedaan antara gesekan statis dan dinamis. Segmen body yang dimiliki oleh robot ini sangat berbeda konstruksinya dibandingkan dengan jenis robot ular pada umumnya. Setiap segmen body diberikan kemampuan berguling, sementara derajat kebebasan yang dibangun hanya berderajat satu. Hal ini membuat rancangan robot ular ini sangat rumit dan tidak banyak ditiru atau dirujuk oleh para peneliti robotika lainnya. Contoh segmen body robot ini disajikan pada Gambar 7.

Gambar 7. Contoh segmen body robot ular yang bisa berguling [Nilsson, 1995] Bentuk ular juga dapat direalisasi seperti kereta api yang sedang berjalan di atas rel. Perangkat yang dikenal dengan nama coupled-mobility devices atau overland trains, adalah contoh robot ular yang menyerupai rangkaian kereta api. Secara keseluruhan, segmen body robot ini bersifat pasif dan segmen tersebut hanya meluncur di atas lintasan di atas roda bersifat aktif yang telah disiapkan. Salah satu contoh robot overland train adalah buatan Odetics ATMS (All-Terrain Mobility System) seperti ditunjukkan pada Gambar 8. Karena menggunakan roda, maka semua


11

keunggulan robot ular tidak dapat diwujudkan, akan tetapi keunggulan penggerak roda menghasilkan keunggulan lain.

Gambar 8. Contoh robot overland-train yang mirip dengan kereta api [Odetics, 1988] Salah seorang peneliti robot yang sangat terkenal adalah Y. Fukuda, seorang profesor dari Nagoya University mengenalkan mini robot yang disebut cellular robot di tahun 1990. Keunggulan dari robot ini adalah struktur robot dibangun dari sejumlah robot cell yang memiliki otonomi untuk melakukan tugas khusus. Akan tetapi secara keseluruhan robot ini dapat melakukan gerakan terkoordinasi dan tersinkronisasi berbagi informasi yang dimiliki oleh masing-masing cell (Gambar 9).

Gambar 9. Cellular robot dengan otonomi pada masing-masing segmen body [Fukuda-Kawauchi, 1990 ] Bentuk-bentuk robot melata (ular) juga telahbanyak dikebangkan dengan berbagai macam jenis penggerak. Salah satu jenis penggerak yang dikenal adalah penggerak peristaltik untuk menghasilkan gerak maju mundur dengan memperpanjang dan memperpendek segmen tubuh [Dowling, 1997]. Gerak megombak ke samping (lateral undulation) merupakan contoh gerakan melata yang lain dan paling umum digunakan untuk menghasilkan lokomosi dari semua ular yang ada di alam. Semua bagian tubuh bergerak secara bersamaan, dan mengalami kontak


12

sliding dengan lantai secara kontinyu. Gerak lurus (rektilinear) secara progresi menggunakan kulit terhadap tulang (skleton) untuk mengahasilkan gerak ‘rachet’ body sepanjang lantai/tanah. Gerak rektilinear merupakan gerak yang lambat, gerak merangkat (creeping motion) menggunakan sisi perut untuk menghasilkan traksi dengan menjejak/menjangkar dan umumnya digunakan bagi ular-ular yang besar. Lokomosi (gerakan) tanpa anggota kaki (limbless locomotion) meliputi gerakan seperti dorong samping (slidepushing), melompat-lompat (saltation), menggali lubang lintasan (burrowing) dan memanjat (climbing). Slidepushing adalah gerakan yang digunakan pada waktu stress dimana gelombang propagasi secara anterior bergerak secara lebih cepat untuk arah mundur dari pada arah maju. Masalah utama pada aksi sliding dan gerakan maju terjadi tanpa progresi gerak maju. Saltation (melompat) adalah gerakan lompat near-vertical walls and trunks of trees. Some saltating snakes can leap gaps of a meter or more, sometimes vertically. This requires storage and release of a lot of energy and, additionally, involves a ballistic phase of motion during which control is difficult. Other extraordinary modes are used by certain asian tree snakes that glide through the air by opening the rib cage to form a gliding surface. The amazing thing abogerkut this mode of snake travel it is not how well it flies, but that it flies at all! These modes are exotic and I do not explore these forms of locomotion in robots.


13

BAB III. METODE PENELITIAN

Pada penelitian ini dilakukan kajian medasar tentang perancangan konsep gerak robot melata dengan tahap awal merancang modul bodynya serta teknik pembuatannya. Kegiatan ini dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut: 1.

2.

3.

4.

5. 6. 7.

Melakukan studi literatur serta pemahaman konsep robot melata (ular) yang sudah banyak dikembangkan oleh peneliti di tempat lain, serta memposisikan dimana letak penelitian ini dalam peta penelitian robotika Melakukan survey dan pengumpulan data yang terkait dengan ketersediaan komponen pendukung, baik dari aspek elektronik maupun mekanik beserta harga-harga komponen yang diperlukan. Melakukan identifikasi alternatif serta pembuatan konsep awal rancangan. Dari berbagai kemungkinan rancangan yang ada, maka dipilih satu rancangan yang paling layak untuk dibuat setelah mempertimbangkan semua aspek terkait, seperti mekanisme gerak, material yang digunakan, kondisi lingkugan yang ada, teknik pembuatan yang dipilih dll Melakukan evaluasi dan/atau simulasi konsep awal rancangan pada perangkat lunak CAD yang ada (SolidWorks) sehigga semua kemungkinan kesalahan dapat diantisipasi semaksmal mungkin Pembuatan prototipe rancangan modul body robot danpemasangan komponen elektronik dan mekaniknya Evaluasi prototipe yang telah dibuat Penulisan laporan penelitian


14

BAB IV. JADWAL PELAKSANAAN Penelitian ini akan dilaksanakan di Laboratorium Otomasi Sistem Produksi, Jurusan TI Unpar. Kegiatan penelitian ini dilaksanakan dalam waktu satu tahun, dengan waktu pelaksanaan efektif adalah delapan bulan dari bulan Februari 2016 hingga bulan Oktober 2016. Kegiatan tersebut meliputi: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Studi literatur dan pemahaman konsep robot melata Survey dan pengumpulan data serta harga komponen Identifikasi alternatif rancangan Pembuatan konsep awal rancangan Evaluasi dan/atau simulasi konsep awal rancangan Pembuatan prototipe Evaluasi prototipe Penulisan laporan penelitian

Kedelapan aktivitas ini dijabarkan pada Gambar 10 di halaman berikut ini.


15

Gambar 10. Rencana jadwal kegiatan penilitian


BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN 5.1 Konsep Dasar Gerakan Robot Melata Pada penelitian ini, akan dirancang suatu model robot melata yang dapat dikatakan merupakan kombinasi dari bentuk ATMS dan Cebot yang telah dibahas pada subbab sebelumnya. Kemunculan ciri AMTS dapat dilihat bahwa setiap segmen body merupakan unit-unit bergerak dengan sistem penggerak di dalamnya. Sementara konsep cellular robot juga muncul pada setiap segmen body yang memiliki otonomi untuk melakukan gerakan khusus/spesifik. Pada tahap awal fitur otonomi ini belum jelas terlihat, tetapi konsep awal bahwa setiap modul memiliki unit pengendali secara mandiri untuk mengatur gerakannya. Setiap segmen akan melakukan fungsi gerak dasar dan sama untuk semua segmen. Model gerak yang dikembangkan dalam penelitian ini disajika pada Gambar 11.

Gambar 11. Konsep gerak robot melata yang dirancang dalam penelitian ini Untuk dapat bergerak maju, langkah pertama dilakukan oleh segmen body terakhir yakni segmen-M0 dengan memutar joint depan sebesar + dan secara bersamaan segmen-M1 memutar joint depan sebesar -. Konsekuesi dari koordinasi gerakan ini adalah segmen-M0 akan berpindah sejauh x ke depan. Akan tetapi gerakan linier ke depan segmen-M0 akan menyebabkan gesekan yang besar bagi sistem. Hambatan itu akan terjadi bila segmen-M0 harus bergerak translasi kedepan, maka faktor gesekan dengan lantai harus ditangani dengan tepat. Oleh karena itu dirancang strategi khusus untuk segmen-M0 ini agar tidak menghasilkan gesekan bagi pergerakan sistem. Gesekan dapat dihindari dengan cara menyediakan roda pada segmen-M0 pada saat harus


17

melakukan gerakan maju. Sementara saat tidak bergerak, segmen ini harus memiliki gaya gesek penahan yang cukup besar untuk menghindari gagalnya gerakan maju pada sistem. Dengan demikian keberadaan roda hanya dibutuhkan saat bergerak kedepan saja. Oleh karena itu dirancang mekanisme mengeluarkan sepasang roda pada segmen-M0 sebelum gerakan maju dilakukan. Pada Gambar 12 dilakukan 3-langkah untuk penarikan roda keluar dari dudukannya (rumahnya) sehingga seluruh body segemen-M0 terangkat oleh roda dan siap bergerak maju tanpa menimbulkan gesekan.

Gambar 12. Langkah angkat Segmen-M0 sebelum gerakan maju Gerakan maju segmen-M0 akibat menaikkan lengan depan ke atas (joint sebesar +) tidak mendapat perlawan dari lantai karena segmen sudah terangkat oleh roda. Setelah pergerakan maju +x dicapai, maka roda segera dimasukkan kembali ke posisi dudukannya di dalam segmen-M0. Dengan demikian konfigurasi baru bagi segmen-M0 dan segmen-M1 serta segmenM2 disajikan pada Gambar 13. Untuk menjaga konfigurasi ini tetap stabil (statis), maka bagian luar dari setiap segmen digulung dengan pita karet, sehingga gaya gesek antara segmen dengan lantai menjadi tinggi sekali dan cukup kuat untuk menahan kecenderungan gerak yang terjadi.

Gambar 13. Konfigurasi baru hasil 1 siklus maju segment-M0 Dengan cara yang sama, gerakan ini dilakukan oleh segmen-M1 turun dan segmen-M2 naik secara berturutan dan diikuti oleh segme-M3 dan seterusnya hingga segmen-M4 terdepan. Pada saat segmen-M4 terangkat, segmen ini justru harus menggerakkan joint belakang degan sudut -. Lagkah ini akan menyebabkan segmen terdepan bisa bertahan pada orientai horizontal, untuk menjaga agar kamera dimasa yang akan datang terpasang selalu bisa melihat ke depan. Pada saat ini, kegiatan mengangkat segmen-M1 dan gerak maju segmen-M0 dapat dilakukan, sehingga gerakan maju +x yang ke-dua dicapai lagi. Cara ini akan menghasilkan gelombang gerak dari ujung belakang robot ke bagian depan. Secara keseluruhan segmen body robot melata ini dapat melakukan gerakan terkoordinasi dan tersinkronisasi seperti pada Gambar 11. Tugas dari setiap segmen body adalah menghasilkan konfigurasi joint depan sebesar sudut + atau -. Sudut ini harus dihasilkan oleh motor


18

penggerak yang dipasang di dalam masing-masing unit segmen body. Secara umum satu segmen body akan memiliki universal joint dibagian depan dan pin kaku dibagian belakang untuk disambungkan dengan segmen selanjutnya (Gambar 14). Penggunaan universal joint adalah untuk mengakomidasi putaran roll, pitch dan jaw (RPY), sehingga secara keseluruhan, robot melata akan bisa menekuk badan secara vertikal untuk maju, melenggokkan badan untuk berbelok dan berguling kesamping kiri atau kanan. Di dalam segmen body ini akan dipasang perangkat elektronik yang diperlukan dan juga aktuator yang sesuai. Pada tahap awal penelitian ini, hanya gerakan pitch saja yang diakomodasi dengan mengatur gerakan motor perggerak.

Gambar 14. Aktuasi utama yang dihasilkan oleh setiap segmen body 5.2 Analisis Beban Statika Beban statis yang muncul saat komponen terpasang dan saat beberapa konfigurasi posisi harus dipertahankan, maka akan terjadi beban yang harus dilawan untuk menjaga kesetimbangan konfigurasi. Dua konfigurasi yang paling utama harus diperhatikan adalah: 1. Pengangkatan segmen-M0 sebelum memulai gerakan maju pada ujung akhir robot. Beban utama yang harus dilawan oleh motor penggerak adalah berat segmen-M0 beserta semua komponen elektronik dan mekanik yang terpasang di dalamnya. Secara global, kondisi pembebanan pada segmen-M0 digambarkan dengan Diagram Benda Bebas berikut ini.

Gambar 15. Kondisi pembebanan dan Diagram Benda Bebas segmen-M0 Beban mg akan ditahan oleh gaya A dan gaya B yang nilainya bersesuaian dengan dimensi


19

fisik yang dihasilkan dari rancangan robot (Gambar 15). Secara kasar didapat berat total segmen-M0 dimana motor servo, baterai dan komponen pnggerak terpasang didalamnya meililiki nilai 15 N. Pada tahap ini, konsep perhitungan gaya disajikan seperti pada gambar dan proses perhitunganya mengikuti aturan kesetimbangan biasa. o Gaya FA = o Gaya By = -A o Momen M = c. FA ; dari perhitungan kasar didapat momen yang dibutuhkan untuk mengangkat segmen-M0 ini adalah 1,5kgcm. Momen pengangkat dihasilkan oleh motor DC servo penggerak yang dipasang di dalam segmen-M0. Momen utama yang dihasilkan langsung digunakan untuk menangkat roda agar segmen-M0 bisa bertumpu di atas roda dan siap bergerak maju. 2. Pengangkatan segment-M1 dan segmen selanjutnya. Akibat segmen tengahan diangkat pada posisi seperti Gambar 16, maka sebagian beban mg1 yang dihitung secara kasar bernilai

sekitar 3N, akan ditumpu oleh batang 2 gaya dari segmen-M0 dan segmen-M2 dari arah yang berlawanan sehigga total gaya resultan sama dengan nol (0).

Gambar 16. Kondisi pembeban saat pengangkatan beban segmen tengahan Gaya pada batang miring (batang 2-gaya) akan ditumpukan pada segmen-M0, dan akan diterjemahkan menjadi gaya tekan ke lantai dan gaya dorong ke belakang. Oleh karena itu segmen-M0 harus mampu menahan dorongan ke belakang, bila tidak maka gerakan maju sistem robot tidak akan pernah terjadi. Dari kondisi pembebanan ini, maka gaya gesek yang diperlukan pada bagian dasar segmen-M0 dapat dihitung sebagai berikut: o Gaya norma N = mg0 + Fbatang-y o

Gaya gesek Fgesek =  . (mg0 + Fbatang-y)

Untuk mendapatkan gaya gesek yang cukup besar untuk menahan gaya dorong dari batang 2-gaya, maka setiap segmen-Mi dilengkapi dengan dudukan karet yang dipasang mengelilingi segmen body robot. Pada kondisi-kondisi pengangkatan yang lain, semua segmen body akan selalu mendapat dorongan gaya dari batang 2-gaya di masing-masing unit terpasang. 5.3 Model CAD Segmen Robot Model CAD dari setiap komponen pembentuk segmen body robot dikerjakan pada perangkat lunak SolidWorks. Modul-modul body secara umum disiapkan antara lain adalah:


20



Modul plat dasar tempat motor penggerak roda bertumpu, tempat jalur kendali batang roda dan slot untuk menyimpan unit baterai untuk pemasok energi listrik bagi semua segmen body.

 

Modul dinding kiri dan kanan penutup segmen-M0 Modul dinding depan dilengkapi lubang untuk tuas penggerak dan dudukan bagi motor penggerak lengan depan dan modul bagian belakang

 

Modul dinding penutup segment-M0 (belum disiapkan) Komponen untuk memegang rakitan roda dan tuas-tuas penggerak roda penumpu segmen-M0, antara lain tuas lengan, batang penekan roda dll

5.4 Komponen Elektronik dan Kendali Motor Beberapa komponen elektronik telah disiapkan untuk dapat menggerakkan semua fungsi yang harus mampu dilaksanakan pada robot. Komponen yang ada adalah kompone elektronik berupa:  Arduino  Motor penggerak servo DC  Baterai Semua komponen ini dimiliki oleh semua segmen-Mi untuk menghasilkan gerakan sesuai


21

dengan rancangan yang disiapkan sejak awal. Gambar berikut menunjukkan komponen yang diperlukan.

5.5 Komponen Body Hasil 3D-Printing Untuk menguji kemampu-buatan (manufacturability) prototipe segmen body ini, maka teknologi 3D-printing digunakan mengingat di Lab. Otomasi Prodi TI Unpar telah tersedia sebuah mesin yang cukup canggih. Manfaat menggunakan teknolog ini adalah keterkaitan yang sangat tinggi antara sistem CAD untuk merancang segmen body beserta semua komponen elektronik dan mekanik yang diperlukan. Disamping itu, teknik perakitan yang mudah dan kokoh dapat dipersiapkan pada sistem CAD yang tersedia. Selanjutnya, dengan mesin printing-3D model segmen dapat segera dibuat dan uji fisik selanjutnya dapat dikerjakan. Beberapa modul body sudah diprint tetapi ternyata masih banyak masalah yang muncul dari proses printing tersebut. Ukuran modul yang diprint di atas meja mesin sangat mempenguruhi kualitas hasil printing. Disamping itu, kualitas lem sebagai material pengikat produk pertama kali juga sangat menentukan hasil printing. Beberapa produk dari berbagai hasil printing dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Masalah utama yang masih dihadapi dalam pembuatan lempengan yang cukup lebar tetapi ketebalannya minimal, adalah adanya fenomena melenting permukaan yang ada. Daerah yang mengalami fenomena ini umumnya bagian ujung produk. Salah satu masalanya adalah kualitas pengeleman pada saat awal proses printing dilakukan, dimana kemampuan merekat/menahan bagian printing awal tidak dapat terlaksana dengan baik.


22

Pada pembuatan komponen dalam segmen body robot sebenarnya tidak menjadi masalah saat proses printing. Yang utama adalah penentuan arah mana yang harus dipilih saat printing, karena hal utama yang sangat penting dalam 3D-Priting adalah penghindaran terjadinya cavity yang memerlukan support saat fitur harus dibuat (diprint). Secara umum komponen di atas relatif masih mudah dibuat karena pembuatan lubang pada produk dapat dikerjakan tanpa harus menyiapkan support dalam pembuatannya.

Rakitan yang telah dicobakan untuk modul plat dasar dengan dinding penutup belakang. Masalah utama yang masih dihadapi adalah penentuan kerapatan antara poros dan lubang pasagan. Seperti halnya pada penelitian sebelumnya, masalah suaian antara poros dan lubang masih belum dapat sepenuhnya diselesaikan dengan sempurna.


23

5.6 Program Awal Komunikasi Segmen-M0 dan Segmen-M1 Pada tahap awal program komputer Arduino Atmega disiapkan untuk mengendalikan gerakan yang paling sederhana antara segmen-M0 dengan segmen-M1. Fitur-fitur yang perlu diuji pada tahap awal adalah:  Perintah gerak bagi motor servo, untuk menurunkan roda segmen-M0 agar bisa mengangkat seluruh beban segmen-M0 sebelum segmen ini bergerak maju  Setelah motor servo penggerak roda selesai berkerja, maka digenerate perintah untuk mengirim kode kepada segmen depan (segmen-M1) agar segera bergerak menurunkan joint depan sebesar sudut -  Pada saat yang bersamaan, segmen-M0 juga bergerak menaikkan joint depannya sebesar sudut +  Langkah ini diulang-ulang, untuk menguji konsistensi gerak kedua motor servo dan koordinasi perintah antar 2 Arduino yang digunakan.


24

Berikut ini adalah list program awal yang digunakan untuk menggerakka 2 buah motor servo oleh dua buah Arduino Atmega.

***************************************** //MODUL BELAKANG (segmen-M0) #include <Servo.h> const int Roda = 1; const int Batang = 2; const int NextModul = 7; const int feedback0=8; //untuk menjalankan seluruh oprasi const int feedback1=9; //untuk meningkatkan kemiringan menjadi 60 //servo declaration Servo RodaModul; Servo BatangAngkat; void setup() { RodaModul.attach(Roda); //penempatan motor roda BatangAngkat.attach(Batang); //penempatan motor batang pinMode(NextModul, OUTPUT); //komnunikasi kepada modul depan pinMode(feedback0, INPUT_PULLUP); //terima input dari modul depan untuk memulai program pinMode(feedback1, INPUT_PULLUP); //terima input untuk menambahkan sudut batang } void loop() { int f1=0, f2=45; RodaModul.write(0); //reset mula - mula delay(40); BatangAngkat.write(0); //reset mula - mula delay(40); digitalRead(feedback0); //untuk memulai isi dari program while (feedback0 != HIGH){ //penjaminan kondisi siklus robot ular cocok dengan pemerosesan dibawah RodaModul.write(45); //RODA modul ON delay(40); digitalWrite(NextModul, HIGH); //kirim sinyal untuk modul depan (ke pin waiting) delay(20); for(f1=0; f1<=45; f1++){ BatangAngkat.write(f1); //batang naik menuju 45 delay(30);


25

} RodaModul.write(0); delay(40); digitalRead(feedback1); //digitalRead dilakukan untuk menjalankan program dibawah disaat yang bersamaan dengan modul depan if (feedback1 == HIGH){ for(f2=45; f2<=60; f2++){ BatangAngkat.write(f2); //batang naik menuju 60 delay(30); } else if (feedback1 == LOW){ BatangAngkat.write(45); //kembali menuju 45 delay(30); } } } digitalRead(feedback0); if(feedback0 == LOW){ //reset pada titik semula BatangAngkat.write(0); delay (40); RodaModul.write(0); delay(40); } //proses reset ganda, diakhir dan diawal }

***************************************** //MODUL TENGAH (segmen-M1) #include <Servo.h> const int BatangDepan=1; const int NextModul = 7; const int BeforeModul = 8; const int feedback = 4; const int waiting = 5; //deklarasi servo Servo BatangD; void setup() { BatangD.attach(BatangDepan); pinMode(NextModul, OUTPUT); pinMode(BeforeModul, OUTPUT); pinMode(feedback, INPUT_PULLUP); pinMode(waiting, INPUT_PULLUP); //masukan dari modul belakang (next modul)


26

} void loop() { int f1=0, f2=0; digitalRead(waiting); if(waiting == HIGH){ for(f1=0; f1>=-45; f1--){ BatangD.write(f1); delay(30); } digitalWrite(BeforeModul, HIGH); //masukan kemodul sebelumnya feedback1 delay(20); for(f2=-45; f2<=-30; f2++){ BatangD.write(f2); delay(30); } } }


27

BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN Dari kajian awal tentang penelitian perancangan robot melata dan proses pembuatan modul menggunakan 3D Printing, didapat beberapa kesimpulan awal sebagai berikut: 1. Modul CAD robot awal dibuat dengan menggunakan perangkat lunak SolidWorks dan dapat dirancang untuk penempatan 5-unit baterai penggerak semua modul dan 2 buah motor servo penggerak. Mekanisme penggerak pertama adalah konsep pengangkatan roda dan unti pengangkat joint segmen di depannya 2. Setiap segmen body harus dilengkapi dengan karet dasar untuk menghasilkan gaya gesek yang cukup besar untuk melawan kecenderungan gaya berat dari segmen yang sedang terangkat mendorong segmen-segmen tetangganya untuk kembali ke posisi horizontal sebelum bergerak 3. Konsep perakitan dari setiap komponen body dilakukan dengan konsep pasangan lubangporos, walaupun tidak sepenuhnya lubang sempurna tersedia. Konsep ini membantu dalam proses pemasangan dan pelepasan pada saat diperlukan 4. Koordinasi antar modul dilakukan dengan konsep koordinasi dengan saling mengirim signal perintah kapan gerakan-gerakan dasar harus dilakukan. Bersarnya sudut-sudut gerak yang harus dilakukan oleh servo motor masih dilakukan dari hasil perhitungan goneometri dan dimensi komponenkomponen yang terlibat, dan belum berdasarkan sensor-sensor yang harusnya terpasang pada setiap joint penggerak


28

DAFTAR PUSTAKA [1] Dowling , K. J., “Limbless Locomotion:Learning to Crawl with a Snake Robot,” Dissertaition for Doctor of Philosophy in Robotics, The Robotics Institute, Carnegie Mellon University, 5000 Forbes Avenue, Pittsburgh, 1997 [2] Gibson I., D. W. Rosen, B. Stucker, “Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing”, Springer, New York, 2010 [3] Hopkins J.K., B.W. Spranklin, and S.K. Gupta. A survey of snake-inspired robot designs. Bionispiration and Biomimetics, 4(2):021001, 2009 [4] Ikeda, H., Takanashi, N., Joint Assembly Moveable Like a Human Arm, US Patent 4683406, July 28, 1987. Assignee: NEC Corporation [5] Nilsson, M., Ojala, J., “‘Self-awareness’ in Reinforcement Learning of Snakelike Robot Locomotion,” Proceedings of the Third IASTED International Conference on Robotics and Manufacturing, June 14-16, 95, Cacun, Mexico, pp. 244-247 [6] Odetics, Articulated Transporter/Manipulator System, Video, Anaheim, CA.1988 [7] Raja V., and K. J. Fernandes (Eds.), “Reverse Engineering: An Industrial Perspective”, Springer-Verlag London Limited, 2008 [8] Ryland, G., Cheng, H.H., “Novel Locomotion of iMobot, an Intelligent Reconfigurable Mobile Robot”, https://iel.ucdavis.edu/, diakses Maret 2016 [9] Shan, Y., et al., “Design and Motion Planning of a Mechanical Snake,” IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Vol 23. No. 4, July/August 1993, pp. 1091-1100 [10] ___, www.mmindustri.co.id, diakses 2 Februari 2016


29

LAMPIRAN PERANCANGAN KONSEP SYSTEM ROBOT MELATA


30


31


32


33


34


35


36


37


38


39


40


41


42


43


44


45


46


47

LAPORAN AKHIR PERANCANGAN MODUL BODY ROBOT MELATA DAN MANUFAKTUR DENGAN TEKNOLOGI 3D-PRINTING

Recommend Documents