bab ii robot berpindah (mobile robot) - · pdf filegerak roda banyak digunakan pada mobile...
TRANSCRIPT
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 three-
wired 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,
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
Input Tegangan ea
Output Posisi θa
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
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.
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 satu-
satunya 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