Robot Locomotif

73
Locomotion Movement (pergerakan) Travel (perjalanan) Moving from place to place Robot locomotion adalah studi tentang bagaimana mendesain anggota badan robot dan mekanisme interaksi fisik dengan lingkungannya untuk menghasilkan gerakan . II. Robot Locomotion contoh : robot beroda (wheeled robot) merupakan tipe pergerakan yang efisien pada lingkungan permukaan datar dan mudah dikendalikan Beberapa bentuk locomotion lain mungkin akan lebih baik untuk situasi medan (permukaan kasar, tebing, turun-naik/bergelombang) atau lingkungan (interaksi dengan obyek atau manusia) tertentu 2.1 Pendahuluan

Transcript of Robot Locomotif

Page 1: Robot Locomotif

Locomotion Movement (pergerakan) Travel (perjalanan)

Moving from place to place

Robot locomotion adalah studi tentang bagaimana mendesain anggota badan robot dan mekanisme interaksi fisik dengan lingkungannya untuk menghasilkan gerakan .

II. Robot Locomotion

contoh : robot beroda (wheeled robot)

merupakan tipe pergerakan yang efisien pada lingkungan permukaan datar dan mudah dikendalikan

Beberapa bentuk locomotion lain

mungkin akan lebih baik untuk situasi medan (permukaan kasar, tebing, turun-naik/bergelombang) atau lingkungan (interaksi dengan obyek atau manusia) tertentu

2.1 Pendahuluan

Page 2: Robot Locomotif

crawling Sliding/snaking running jumping

walking rolling gliding flying

swimming propulsion Branchiating/

climbing

LOCOMOTION (alam)

Page 3: Robot Locomotif

Mechanics of Soft Materials Laboratory

http://ase.tufts.edu/msml/researchInchBot.asp

crawling sliding

running jumping

walking

Bigdog

half-swimming-

half walking

salamander

LOCOMOTION (buatan)

Page 4: Robot Locomotif
Page 5: Robot Locomotif

• Mekanisme : Perangkat yang mentransformasikan

pergerakan menjadi pola tertentu yang diinginkan

dan mentrasmisikan daya (power) kecil

• contoh : stapler, kunci pintu, wiper

• Mesin : Merupakan sejumlah mekanisme yang

dibangun untuk menghasilkan gaya (force) yang

besar dan mentansmisikan daya yang tinggi

• contoh : mesin kendaraan, crane, robot

Page 6: Robot Locomotif

2.2 Mekanisme Dasar :

A.1 4 link/bar - joint

Bar atau Link

Joint

Multi

loop

Single

loop

Open

loop

Page 7: Robot Locomotif

A.2 Mekanisme Slider Crank

Crank : link atau bar yang

berputar relatif terhadap

sebuah frame (kerangka)

Digunakan untuk merubah gerakan translasi menjadi rotasi

Page 8: Robot Locomotif

A.3 Mekanisme Crank-slider invers

Mesin pompa air

(mekanisme crank-slide invers yang mana ?)

Rocker : Link yang

diam

Digunakan untuk merubah gerakan rotasi menjadi translasi

Page 9: Robot Locomotif

B. Mekanisme Rack And Pinion

Jalur Kereta Api yang dilengkapi rack

pada saat menanjak

Rack (straight or flat gear)

Pinion (wheel gear)

Contoh yang lain mekanisme

tutup-buka (eject) pada CD

player

Page 10: Robot Locomotif

C. Cam and Crank

Prinsip Pergerakan

Mesin Kendaraan

(Motor Bakar)

Page 11: Robot Locomotif

– Coil spring atau Helical spring – dibuat dengan melilit bahan

metal pada batang silinder

Tension springs, memanjang pada saat diberi beban

Compression springs, memendek bila diberi beban

Torsion springs, memuntir (twist) bila diberi beban

D. Spring

Spiral spring atau 'clock spring' – digunakan pada jam konvensional, maupun gauge pada alat ukur

Leaf spring – berbentuk lembar datar digunakan pada kendaraan lama/berat.

Centilever spring – leaf spring dengan salah satu ujung tetap (fixed)

Page 12: Robot Locomotif

Leaf spring rocker

Trailing arm Trailing arm with coil spring

Page 13: Robot Locomotif

Spur Gear Helical gear

E. Transmisi Daya

E.1 Gear (Roda Gigi)

Planetary gear

Sun gear

Planets gear

(carrier)

Penyerut pensil

Ring gear

(output)

Bevel Gear

Page 14: Robot Locomotif

PUMA

(Programmable

Universal Machine

Assembly)

Page 15: Robot Locomotif
Page 17: Robot Locomotif

E.3 Belt and Chain

Continously Variable

Transmission

Velocity Ratio 1 : 2 = Φ2 : Φ1

= n2 : n1

1 2

Φ1 Φ2

Belt

pulley

Chain sprocket

Page 18: Robot Locomotif
Page 19: Robot Locomotif

Demo

Honda

Karya Mahasiswa

Page 20: Robot Locomotif

• Manipulator (Robot Arm)

LINK

JOINT • Manipulator berupa untaian LINK (rigid body) yang terhubung oleh JOINT

• JOINT adalah penghubung LINK yang memungkinkan pergerakan relatif antar LINK

• Setiap link memiliki satu joint

• Degree of Freedom (DOF) menyatakan jumlah JOINT yang dapat bebas digerakkan

2.3 Robot Manipulator

Page 21: Robot Locomotif

Spherical Joint

3 DOF ( Variables -

1, 2, 3)

Revolute Joint

1 DOF ( Variable - )

Prismatic Joint

1 DOF (linear)

(Variables - d)

• Tipe-tipe JOINT

Page 22: Robot Locomotif

Robot Manipulator Clasifications in terms of joint types:

• Cartesian P-P-P

• Cylindrical R-P-P

• Spherical R-R-P

• SCARA R-R-R-P

• Jointed/articulated/revolute R-R-R

SCARA Selective Compliance Assembly Robot Arm Jointed/articulated/revolute

P = Prismatic, R = Revolute/Rotation

Page 23: Robot Locomotif

• Work Envelope :

Page 24: Robot Locomotif

• Work Envelope : The volume of space in which the arm can move

Contoh Work Envelope Fanuc RlMate 100i

Page 25: Robot Locomotif

• Manipulation: The act of grasping and or moving

an object.

• Gripper: Attaches to a robot to allow an object to

be picked up.

• End-Effector: Part of robot that affects the world.

This can be a gripper, a welding torch,

Page 26: Robot Locomotif

• Repeatability: Perbedaan antara posisi aktual setelah robot

kembali ke posisi yang sama secara berulang.

Indikator yang menunjukkan seberapa baik robot dapat

kembali keposisi yang sama.

• Accuracy: Perbedaan antara posisi aktual dengan posisi

yang dihitung (desired position) dari model kinematik

Indikator yang menunjukkan seberapa baik robot dapat

bergerak menuju sebuah titik dalam ruang

• Precision: Ukuran kenaikan posisi yang terkecil.

• Resolution: Sensor Increment

Desired

Position

Actual

Position Ajacent

Position

Precision Accuracy

Performansi Robot

Page 27: Robot Locomotif

Desired

Position

Actual

Position Ajacent

Position

Precision Accuracy

• Tipikal : accuracy > repeatability > resolution

• Batas paling atas (upper limits) precision = resolution dan

Accuracy = 1/2 the precision.

• Hampir pada semua robot repeatability, accuracy dan

precision berubah tergantung pada work envelope

Type Hozizontal Vertical

Catesian Uniform Uniform

Cylindircal Decreases Radially Uniform

Spherical Decreases Radially Decreases Radially

SCARA Varies Uniform

Articulated Varies Varies

Page 28: Robot Locomotif

KOMPONEN ROBOT MANIPULATOR

Page 29: Robot Locomotif

• Blok Diagram Sistem Robot

Page 30: Robot Locomotif

• Blok Diagram Sistem Robot

Page 31: Robot Locomotif

31

Lateral slip

Rolling motion

2.4 Robot Bergerak (Mobile Robot)

2.4.1 Tipe Roda

Page 32: Robot Locomotif

32

Steered Wheel • Steered wheel

– Orientasi dari sumbu rotasi roda dapat dikendalikan

Page 33: Robot Locomotif

33

Parameter Roda

• Parameter Roda:

– r = Jari2 Roda

– v = Kecepatan Linier Roda

– w = Kecepatan sudut roda

– t = Kecepatan pengemudian (steering)

Page 34: Robot Locomotif

34

Jenis Roda

Fixed wheel Centered orientable wheel

Off-centered orientable wheel

(Caster wheel) Swedish wheel:omnidirectional

property

Page 35: Robot Locomotif

35

• Instantaneous center of rotation (ICR) or

Instantaneous center of curvature (ICC)

– Titik temu (cross point) semua sumbu roda

2.4.2 Derajat Manuver

Page 36: Robot Locomotif

36

Derajat Mobilitas (Degree of Mobility)

• Derajat mobilitas

Derajat kebebasan pergerakan robot

• Degree of mobility : 0

• Degree of mobility : 2 • Degree of mobility : 3

• Degree of mobility : 1

Cannot move

anywhere (No ICR)

Fixed arc motion

(Only one ICR)

Variable arc motion

(line of ICRs)

Fully free motion

( ICR can be located

at any position)

Page 37: Robot Locomotif

37

Derajat Pengemudian (Degree of Steerability)

• Derajat Pengemudian Jumlah dari “centered orientable wheels” yang dapat dikemudikan secara bebas

• Degree of steerability : 0

• Degree of steerability : 2 • Degree of steerability : 1

No centered orientable wheels

One centered orientable wheel

Two mutually dependent centered orientable wheels

Two mutually independent centered orientable wheels

Page 38: Robot Locomotif

38

Degree of Maneuverability

Degree of Mobility 3 2 2 1 1

Degree of Steerability 0 0 1 1 2

• Jumlah keseluruhan derajat kebebasan :

• Contoh Jenis robot (degree of mobility, degree of steerability)

smM

Page 39: Robot Locomotif

39

• Differential Drive – two driving wheels (plus roller-ball for balance)

– simplest drive mechanism

– sensitive to the relative velocity of the two wheels (small error result in

different trajectories, not just speed)

• Steered wheels (tricycle, bicycles, wagon) – Steering wheel + rear wheels

– cannot turn 90º

– limited radius of curvature

• Synchronous Drive

• Omni-directional

• Car Drive (Ackerman Steering)

2.4.3 Tipe Mobile Robot

Page 40: Robot Locomotif

40

1. Differential Drive

D : panjang titik tengah robot dari awal menuju akhir pergerakan

Page 41: Robot Locomotif

41

1. Differential Drive Keuntungan

• Cukup murah untuk dibuat

• Mudah direalisasikan

• Desain cukup sederhana

Kerugian:

• Sukar untuk melakukan pergerakan lurus (speed control)

• Diameter roda yang tidak konsisten (knobie tires) dapat

menyebabkan kesalahan posisi

Page 42: Robot Locomotif

42

2. Tricycle

• Variabel Kendali :

– steering direction α(t)

– angular velocity of steering wheel ws(t)

ICC harus terletak

pada garis yang

melewati sumbu roda

belakang

Page 43: Robot Locomotif

43

3. Synchronous Drive

• Setiap roda dapat digerakkan dan dikemudikan

• Konfigurasi

– 3 roda kemudi dikonfigurasikan bersama namun

terpisah dengan roda putar

– Semua roda dikemudikan dan diputar bersamaan

Page 44: Robot Locomotif

44

Synchronous Drive

Advantages:

•Separate motors for translation and

rotation makes control easier

•Straight-line motion is guaranteed mechanically

Disadvantages:

•Complex design and implementation

Page 45: Robot Locomotif

45

4. Omnidirectional

Advantages:

•Allows complicated motions

Disadvantages:

•No mechanical constraints to require straight-line motion

•Complicated implementation

Page 46: Robot Locomotif

46

Omnidirectional

Swedish Wheel

Page 47: Robot Locomotif

47

5. Ackerman Steering

where

d = lateral wheel separation

l = longitudinal wheel separation

i = relative steering angle of inside wheel

o = relative steering angle of outside wheel

R=distance between ICC to centerline of the vehicle

R

Page 48: Robot Locomotif

SANDBOT

Page 49: Robot Locomotif

Kenapa dibuat robot berkaki?

• Dapat melewati berbagai macam bentuk rintangan.

• Meningkatkan manuver

• Tidak dibatasi oleh bidang datar.

Inovasi bentuk kaki yang sangat bervariasi

• Mempelajari sistem pergerakan

lain yang berhubungan dengan

biologi (menirukan pergerakan

makhluk hidup)

2.5 Robot Berkaki

Page 50: Robot Locomotif

Kelemahan Robot Berkaki

• Desain lebih kompleks

membutuhkan banyak aktuator dan Degree of Freedom

• Kestabilan yang sulit dicapai

mengkombinasikan berbagai bentuk aktuator secara bersamaan

• Kecepatan pergerakannya lamban

tidak secepat robot beroda

Page 51: Robot Locomotif

PERMASALAHAN

• BERJALAN/MELANGKAH

Perpindahan dari satu titik ke titik lain

• KESEIMBANGAN

Upaya menahan pusat gravitasi agar tidak

jatuh

Page 52: Robot Locomotif

KLASIFIKASI ROBOT

BERJALAN

• Kesetimbangan (statis atau dinamis)

• Jumlah kaki

• Derajat kebebasan masing-masing kaki

• Energi yang digunakan

• Gaya berjalan dan cara berdiri

Page 53: Robot Locomotif

• Ada 3 bidang yang

didefinisikan: sagital,

frontal, dan transverse

plane

• Ketiga bidang ini

merupakan daerah kerja

untuk pergerakan tertentu

• Untuk robot bipedal

planar, pergerakan hanya

dilakukan di bidang

sagital

BIDANG PERGERAKAN

Page 54: Robot Locomotif

Terminologi II

• Gait : pola pergerakan kaki

• Swing phase : fasa ketika kaki berada di

udara

• Stance phase : fasa ketika kaki dijejakan di

lantai

• Double support phase / Exchange of

Support (EOS) : fasa ketika kedua kaki

dijejakkan

Page 55: Robot Locomotif

Komponen Dasar Bipedal Walking Robot

• Boom

• Hip

• Upper-link

• Knee

• Lower-link

• Ankle

• Feet

Page 56: Robot Locomotif

Tahap Berjalan

• Pre-Swing-Phase

• Swing-Phase

• Heel-Contact-Phase (stance phase)

Page 57: Robot Locomotif

Tipe Dasar Gaya Berjalan

• Mamalian Stance

• Attila Stance

• Sprawled Stance

Page 58: Robot Locomotif

1.Mamalian Stance

• Digunakan kebanyakan

mamalia

• Kaki beroperasi pada

bidang vertikal,(sagital

plane) paralel terhadap

sumbu longitudinal badan

Page 59: Robot Locomotif

2. Attila Stance

• Seperti reptil, paling

banyak digunakan di

robot berjalan

• Kaki beroperasi pada

bidang vertikal

(frontal plane), tegak

lurus terhadap badan

Page 60: Robot Locomotif

3. Sprawled Stance

• Digunakan oleh serangga dan reptil kecil

• Kaki beroperasi pada bidang horizontal (transverse plane)

• Berjalan datar dan lebar sehingga meningkatkan stabilitas

Page 61: Robot Locomotif

KESEIMBANGAN

(BALANCING)

• STATIS

-efek stabilitas inersia diabaikan

-tidak ada umpan balik posisi seimbang

• DINAMIS

-efek stabilitas inersia menjadi dominan

-selalu ada umpan balik posisi keseimbangannya

Page 62: Robot Locomotif

Kenapa bisa stabil statis?

• Selalu ada paling sedikit 3 kaki menahan

pusat gravitasi

• Bisa saja 1 kaki, tapi kaki bertelapak besar

Page 63: Robot Locomotif

GAYA BERJALAN STABIL

STATIS YANG TERKENAL

• Alternating Tripod Gait

Pergerakan dibagi atas 2 set,masing-masing

bergerak secara bergantian

• Wave Gait

Pergerakan satu-satu kaki

Page 64: Robot Locomotif

Alternating Tripod Gait

• 2 kelompok kaki (merah dan hijau)

• Kaki kelompok merah bergerak

serentak,setelah itu baru kaki kelompok

hijau

• Perhatikan bahwa robot tidak pernah jatuh

Urutan pergerakan:

merah - hijau - merah - hijau - …

Page 65: Robot Locomotif

WAVE GAIT

1

2

3

4

5

6

• Pergerakan kaki satu-satu

• Lebih lambat dari Alternating

Tripod Gait

Urutan pergerakan :

1-2-3-4-5-6-1-2-3-4-5-6-1- …

Page 66: Robot Locomotif

• Aktuator/Penggerak Lengan Robot

Actuation

Type

Torque/Force

DensitySpeed

Positional

RepeatabilityControl Type Cons

Hydraulics Very High Slow Poor Variable ValveGood Linear

Some Rotation

Hydraulics

Leak, Control

Pneumatics Medium Fast Limited2 position or

PWM

Good Linear

Some Rotation

Life of Seals,

Control

Electrical Low Fast Good SimpleGood Linear

Good RotationPower Density

• Penggerak Motor Paling banyak digunakan

• Sistem Hidrolik biasanya digunakan pada robot las/welding atau pengoperasian bawah air.

• Sistem Pnematik digunakan pada gripper

2.6 Aktuator

Page 67: Robot Locomotif

• Aktuator/Penggerak Lengan Robot

Motor Type CommutationPower

Density

Fields

Rotor

Field

Stator

Torque

RippleThermal Amp Type Reliabilty Speed

Brush DC Mechanical HighDC

WindingsMagnets Low

Poor Windings

on Rotor

4

TransistorsBrushes Medium

Brushless DC 6

StepElectrical Halls High Magnets

3

Windings Medium

Good Windings

on Stator

6

TransistorsNone High

Brushless DC

SinusoidalSensor Based High Magnets

3

Windings Very Low

Good Windings

on Stator

6

TransistorsNone High

Stepper None MediumMagnets

or Iron

N

WindingsHigh Fair

N

TransistorsNone Low

Reluctance Sensor BasedMedium

LowIron

3

Windings Low Fair

6

TransistorsNone Medium

Inductance Sensor BasedMedium

LowInduced

3

Windings Very Low Fair

6

TransistorsNone Medium

Page 68: Robot Locomotif

• Tipe Penggerak

• Direct Drive

• Geared

– Belts, Gears, Harmonic Drives, Cycloidal Cam

Direct Drive Gear Reduced

Backlash None Can be Significant

Power Density Poor Can be Very Good

Speed High Suficient for Most Applications

Friction/Stiction Low Can be High

Disturbances Seen Directly Divided by Gear Ration

Inetia Changes Seen Directly Divided by Gear Ration Squared

Process Feedback Fealt Directly Is Masked by Stiction in Geartrain

Noise Low Can be Loud

Reliability Very Good Good to Poor

P:ostion Sensor Coaxial Can Take Advantage of Gear Ratio

Weight Heavy Low

Page 69: Robot Locomotif

X0

Y1

Z1

Y2

X2

Z3

Y3

Y4

Z4

X4

X5 Y5

Z5

1

3

5

6

4

Y0

Z2

d2

Z0

2

X1

X3

a2

d4

Robot Manipulator PUMA 260 di LSKK

Page 70: Robot Locomotif
Page 71: Robot Locomotif
Page 72: Robot Locomotif
Page 73: Robot Locomotif