RobotikaRobotika

Mohammad Iqbaliqbal.umk@gmail.com

Teknik Elektro – Universitas Muria Kudus

Robotika?

Robotika ���� Robotic ���� Robot

Apa itu Robot?

Pendahuluan

�Keunggulan dalam teknologi robotik tak dapat dipungkiri telah lama dijadikan ikon kebanggaan negara –negara maju.

�Kecanggihan teknologi yg dimiliki, gedung-gedung tinggi yg mencakar langit, tingkat kesejahteraan rakyatnya yg tinggi, kota-kotanya yg modern, belumlah lengkap tanpa popularitas kepiawaian dalam duna robotik

Pengertian & Sejarah

� Kata “Robot” berasal dari bahasa Czech, robota, yg berarti pekerja.

� Mulai menjadi populer ketika seorangpenulis berbangsa Czech (Ceko), Karl Capek, membuat pertunjukan dari lakonkomedi yg ditulisnya pada 1921 yang berjudul RUR (Rossum’s Universal Robot)

� Diperkenalkan Robot Jerman dalam film Metropolis 1926 ���� Dipamerkan dalamNew York World’s Fair 1939

� Robot C3PO dalam film Star Wars pertama tahun 1977.

Sejarah

� Menurut Fu, et al (1987), penelitian & pengembangan pertama yg berbuahproduk robotik dapat dilacak mulai tahun1940-an ketika Argonne National Laboratiries di Oak Ridge, Amerikamemperkenalkan sebuah mekanismerobotik yg dinamai “master-slave manipulator” untuk menangani material radioaktif

� Produk robot komersil pertamadiperkenalkan oleh UnimationIncorporated, Amerika tahun 1950-an dan selanjutnya diikuti olehperusahaan2 lain.

� Penelitian intensif belum ada kala itu.

Sejarah

� Pertengahan 1960, Setelah duniamenapak ke jaman industri & kebutuhan akan otomasi makinmenjadi-jadi maka robotik diterimasebagai disiplin ilmu baru.

� Pionir robot adalah negara2 yg sudahmapan kala itu, Amerika, Inggris, Jerman dan Prancis.

� Asia yg dimotori oleh Jepang. Yang akhirnya kemudian jepang-lah ygdikenal paling produktif dalammenghasilkan robot.

Klasifikasi Robot

�Non Mobile

�Mobile

�Kombinasi Mobile robot dan Non Mobile

�Humanoid, Animaloid, dan Exta Ordinary

Non Mobile

�Robot Arm ( Manipulator )

� Hingga N-Joint (DOF/Sendi)� Rigit arm atau Flexible arm� Non redundant atau redundant arm

Mobile

�Mobile Robot Beroda

� Tipe holonomic� Tipe non holonomic

�Mobile Robot Berkaki

� Jumlah Kaki � Bi-ped, Hexa-Pod� Jumlah DOF (sendi kaki)

Mobile Robot Beroda

Holomonic / omniwheel

Kombinasi Mobile Robot & Non Mobile

�Mobile Manipulator

�Walking Robot dengan Manipulator

�Climbing Robot

Humanoid, Animaloid, Extra Ordnary

�Underwater Robot

�Flying Robot

�???

Mekatronik vs Robotik

� Mekatronik adalah istilah umum yang menjadi populer seiring denganperkembangan padu mekanik danelektronik

� Mekatronik terdiri dari 4 disiplin ilmu :

◦ Mekanik ( mechanics )◦ Elektronik◦ Teknik Kontrol berbasis prosessor◦ Pemrograman

� Jd sebuah produk mekatronik belumtentu robotik, namun Robot adalahbagian dari mekatronik

Produk Mekatronik

� Mesin Cuci� CD/DVD/Video/Cassette Player� Walkman� Vacum Cleaner� Mobil yang dilengkapi dengan sistem

parkir otomatis tanpa sopir� ABS (anti lock braking system)� Active suspension system� Pintu otomatis� Lift� Eskalator� Mesin fotocopy

Produk Mekatronik

�Dibidang kontrol cerdas (intelligent control)

� Mesin cuci berbasis control fuzzy� Mesin penjual minuman otomatis � jst� Sistem printer,scanner dan fotocopy

dalam satu alat.

�Penelitian dibidang mekatronik hampir tidak bisa dipisahkan dengan penelitian dibidang roobotik itu sendiri.

Robotika vs Bio-science

�Dalam dekade terakhir penelitian robotik dalam dunia kehidupan organik (bio-science) semakin mendalam dan bahkan cenderung tak terduga arahnya.

�Dalam dunia kedokteran dikenal teknologi kloning, dalam dunia robotik dikenal implant sensor/actuator atau implant interface.

Implant sensor – Implant Interface

�Interface berupa chip IC berukuran Mikro.

�Ditanamkan kedalam tubuh makhluk hidup dengan tujuan agar komputer di luar dapat mengendalikan dan atau memonitor kegiatan saraf organik manusia secara langsung didalam pembuluh darah atau saraf tubuh

�( Warwick,2005) Mempubilkasikan dalam papernya tentang sebuah eksperimen pengendalian tikus agar berjalan sesuai dgn perintah komputer. Chip ditanam dikepalanya.

OTOMASI & ROBOT INDUSTRI

�Otomasi : Dapat didefinisikan sebagai teknologi yang berlandaskan pada aplikasi sistem mekanik, elektronik dan komputer

�Robot Industri : adalah Komponen utama dalam teknologi otomasi yang dapat berfungsi seperti layaknya buruh/pekerja manusia dalam pabrik namun memiliki kemampuan bekerja yang terus-menerus tanpa lelah.

Otomasi

�Otomasi Tetap : Mesin otomatis dibuat hanya untuk satu keperluan produksi saja, tdk dapat digunakan untuk produk lain.

�Otomasi semi tetap : Mesin dibuat untuk memproduksi atau menangani satu macam produk atau tugas, namun dalam beberapa parameter (ukuran, bentuk dan bagian produk) dapat diatur secara terbatas.

Otomasi

�Otomasi Fleksibel : Perangkat mesin dibuat dapat digunakan untuk berbagai produ, sistem otomasi lebih besifat menyeluruh, bagian2 produk dapat diproduksi pada waktu yg bersamaan dalam sistem otomasi.

Robot Industri

�Robot Industri yg di ilustrasikan ini adalah robot tangan yang memiliki tangan yang memiliki dua lengan dan pergelangan

Komponen Utama

�Manipulator

�Sensor

�Aktuator

�Kontroler

Manipulator

�Secara klasik konfigurasi manipulator dapat dibagi dalam 4 Kelompok, yaitu :

� Polar� Silindris� Cartesian� Sendi-lengan ( Joint-arm )

Konfigurasi Polar

� Konfigurasi ini cukup tegar karena sambungan lengan dan gerakan maju mundur cara yg secara mekanik sangat kokoh

Konfigurasi Silinder

� Mempunyai jangkauan berbentuk selinder yg lebih baik.

Konfigurasi Cartesian

� Yang paling kokoh dalah hal tugas mengangkat beban

Konfigurasi sendi-lengan

Paling populer untuk tugas2 reguler didalam pabrik

Manipulator Planar

� Pengembangan dari sendi lengan, tapi dibuat secara horizontal shg tidak terpengaru dengan grafitasi

DOF (degree of freedom)

�Translation:

� Moving up and down (heaving);� Moving left and right (swaying);� Moving forward and backward (surging);

�Rotation

� Tilting forward and backward (pitching);� Turning left and right (yawing);� Tilting side to side (rolling).

DOF

�Bagaimana Robot kita dikendalikan???

�Sistem Kontrol robotik terbagi atas 2 yaitu :

� Sistem Kontrol Loop terbuka (open loop)� Sistem Kontrol Loop tertutup ( close loop)

SISTEM KONTROL ROBOTIK

�Kontrol loop terbuka atau umpan maju (feedforward control) dapat dinyatakan sebagai sistem kontrol yang outputnya tidak diperhitungkan ulang oleh kontroler.

Kontrol Loop Terbuka

Kontroler RobotReferensi

Gerak

• Pada gambar diatas, jika hasil gerakaktual telah sama dengan referansimaka input kontroler akan nol

• Artinya kontroler tidak lagimembarikan sinyal aktuasi kepadarobot karena target akhir perintahgerak telah diperoleh.

Kontrol Loop Tertutup

Kontroler RobotReferensi

Gerak

Hasil gerak sesungguhnya

(dibaca oleh sensor)

�Kontrol Cerdas (Intelligent Control) adalah sistem kontrol yang berdasarkan algoritma yang dipandang cerdas

�Kata Intelligent control telah menjadi baku dalam dunia kontrol setelah berbagai teori dan algoritma pemrograman yang dapat meniru “kecerdasan Manusia” berhasil dikaji dengan baik.

KONTROL CERDAS

�Kecerdasan buatan dalam robotik adalah suatu algoritma (yang dipandang) cerdas yang diprogramkan ke dalam kontroller robot.

�Sejak ribuan tahun yg lalu para filsuf mencoba memahami dua pertanyaan mendasar (Negnevitsky,2004):

� Bagaimanakan pikiran manusia itu bekerja?� Dapatkah yg bukan-manusia itu berpikir????????????????????????????????????????

??

Kecerdasan Buatan Robotik

�Alan Turing, matematikawan asal Inggris (1937) dianggap sbg Pionir dalam mengembangkan mesin cerdas dgn paper tentang konsep mesin universal

�Warren McCulloch, filsuf dan ahli pengobatan dari Colombia University dan Walter Pitts, seorang matematikawan muda (1943) yg pertama kali memperkenalkan istilah AI ���� Jaringan saraf tiruan (ANN)

Sejarah AI (Artificial Intelegence)

� Setelah redup tahun 1970-an, AI kembali banyak dikaji tahun 1980-an

� Metode selain ANN, muncul yaitu Fuzzy Logic (FL).

� Kalau ANN didesain berdasarkan kajiancara otak biologis manusia bekerja (daridalam), maka FL justru merupakanjustru merupakan representasi dari caraberfikir manusia yang tampak dari sisiluar

� ANN dibuat berdasarkan model biologisteoritis, maka FL dibuat berdasarkanmodel pragmatis praktis.FL adalahrepresentasi logika berpikir manusiadalam bentuk kata-kata.

Sejarah AI

�Lukazewicz, seorang filsuf (1930-an) yang pertama menkaji logika berfikir manusia dalam beberapa representasi matematik tentang “kekaburan” (fuzziness).

�1965, Lotfi Zadeh (Professor di Univesity of California, Berkeley US, mempublikasikan papernya yg terkenal “Fuzzy sets”.

Sejarah AI

�Metode AI lain yang berkembangadalah Algoritma Genetika (genetic Algorithm,GA) yang dalampemrograman komputer dikenaldengan teori evolusi (evolitionarycomputation, EC).

�Pertama kali diperkenalkan olehHolland (1975), diilhami dari teoriDarwin

�Pernah jg mengalami masa vacum

Sejarah AI

�Penggunaan AI dalam kontroller dilakukan untuk mendapatkan sifat dinamik kontroller “secara cerdas”.

Aplikasi AI dalam Dunia Robotik

Kontoler

Berbasis AI

Sistem

Robot

yr +

- e u

�Kehadiran robot dalam kehidupan manusia makin hari disadari makin banyak manfaatnya.

�Interaksi manusia dan Robot atau mesin (human-machine Interactions) dapat dinyatakan dalam tiga tingkatan yaitu :

� Manusia sebagai kontroller robot sepenuhnya.� Manusia sebagai manager dari operasi robot,

dan � Manusia dan robot berada dalam kesetaraan.

Interaksi Manusia dan Robot

Manusia sebagai kontroller

Manusia sebagai kontroller

�Tugas secara detail dilakukan oleh robot, sedang tugas secara keseluruhan dilakukan oleh operator.

�Dalam hal tertentu sudah dimuati kemanpuan kontrol secara otomatis (umpan balik), seperti kontrol posisi tiap sendi, kontrol kecepatan rotasi dan kontrol torsi

�Dari segi operasional,dalam tugas2 tertentu robot dalam kelas ini masih memerlukan arahan dan operator.

Manusia sbg Manager robot

�Konsep ini masih tetap berpegang pada prinsip bahwa robot adalah pembantu manusia

�Berikut perbedaan atau spesifikasi kemampuan bekerja manusia vs robot.

Robot & Manusia dalam kesetaraan

MANUSIA ROBOT

Mudah Letih Tidak pernah letih

Kurang presisi Sangat presisi

Kualitas kerja tidak stabil Kualitas kerja stabil

Pengalaman banyak dan Dinamis Sukar dibuat dinamis dalammengakomodasi pengalamankerja

Pengetahuan bersifat global Pengetahuan tergantung program

Mengerti tugas secara alami(mudah beradaptasi)

Kemampuan adaptasi sangatterbatas

� Rangkaian kontroller berbasis Prosessor/ Mikrokontroller dapat digambarkan sebagai berikut :

Sistem Kontroller

�Terminal input output kontroller diatas adalah interpretasi besaran dari sistem interfacing yang digunakan.

�Jika output menghendaki besaran analog maka kontroller perlu dilengkapi dengan DAC (Digital to Analog Converter)

�Jika dikehendaki pengolahan data sensor Analog, maka kontroller harus dilengkapi dengan Analog to Digital Converter (ADC).

Sistem Kontroller

Kontroller Berbasis prosessor denganUser interface

�Input kategori ini bekerja dalam dua Keadaan, yaitu ON atau OFF (1/0) berdasarkan level tegangan TTL (Transistor-Transistor Logic)

�5 V untuk logika 1 ���� CMOS 3,5 – 5 V

�0 V untuk logika 0 ���� CMOS 0 – 0,7 V

Input ON/OFF

�Kontroller memerlukan komponen pengolah ADC untuk dapat mengakomodasi input ini.

�Ada mikrokontroller yg memiliki fasilitas ini dalam chip-nya.

Input Analog

� Beberapa macam sensor tidak dapat langsung dihubungkan ke input port digital ataupun analog tanpa bantuan rangkaian penyelaras atau konverter khusus.

� Sebagai contoh, sinyal output sensor kecepatan dan atau posisi motor servo biasanya berbentuk pulsa yang nilainya sebanding dengan putaran poros motor.

� Penggunaan kamera digital juga memerlukan perlakuan khusus dalam interfacing-nya.

� Ini juga termasuk dalam kategori sensor yang dihubungkan dengan perlakuan bus

Pengolah Khusus Sistem BUS

�Sama halnya dengan Input ON/OFF

�Output kategori ini bekerja dalam dua Keadaan, yaitu ON atau OFF (1/0) berdasarkan level tegangan TTL (Transistor-Transistor Logic)

�5 V untuk logika 1 ���� CMOS 2,3 – 3,3 V

�0 V untuk logika 0 ���� CMOS 0 – 0,5 V

OUTPUT ON/OFF

�Output analog berguna untuk mengemudikan aktuator yang bekerja berdasarkan linier, seperti misalnya motor DC/AC, heater, linear controlled valve

�Karena kontroller beroperasi pada digital, maka perlu DAC

Output Analog

MEKANIK ROBOT

� Struktur robot sebagian besar dibangunberdasarkan konstruksi mekanik

� Robot yang mempunyai kemampuannavigasi dan manipulasi secara relatifmemiliki konstruksi mekanik yang lebihrumit dibanding dengan yang berkemampuan navigasi saja, sepertimobile robot tanpa tangan yang hanyamemiliki roda penggerak

� Namun demikian, robot berjalan(walking robot) seperti misalnya bi-ped(dua kaki) dapat memiliki konstruksimekanik yg rumit dibandingkan denganrobot tangan planar.

Mekanik Robot

� Hal mendasar yang perlu diperhatikandalam desain mekanik robot adalahperhitungan kebutuhan torsi untukmenggerakkan sendi atau roda.

� Motor, sebagai penggerak utama (prime-mover) yang paling sering dipakaiumumnya akan bekerja optimal ( torsi dankecepatan putar paling ideal ) pada putaranyg relatif tinggi yg hal ini tidak sesuai bilaporosnya dihubungkan langsung kesendigerak atau roda, sebab kebanyakan gerakanyg diperlukan pada sisi anggota badanrobot adalah relatif pelan namun bertenaga.

� Salah satu metode yang paling umumadalah menggunakan sistem GEAR

Transmisi Gear Hubungan langsung

•Transmisi gir hubungan langsung ini dikenal cukup mudah instalasinya, namun memiliki kelemahan utama yaitu jeda gerakan ketika dikemudikan dalam arah yang berlawanan (backlash).•Kelemahan lain yg sering muncul adalah masalah friksi antar gir dan friksi poros.•Paling banyak dipakai karena untuk mendapatkan ratio gir yang besar arsitekturnya dapat dibuat ringkas dalam “satu rumah”

Transmisi Gear Hubungan ohmic

• Memiliki keunggulan dari segi efisiensi mekanik karena rasio gir yang dihasilkan dari perbandingan antara jumlah gigi gir pada poros motor dan poros output dapat dibuat relatif sangat besar dengan hanya sekali konversi.

Gear Belt

• Gir terbuat dari material plastik komposit sedangkan belt terbuat dari karet berserat nylon.

• Keunggulan dari segi back-lash karena konstruksi belt yang ketat dapat menghilangkan jeda dalam pangemudian arah berlawanan.

SENSOR

�Terdapat berbagai macam sensor yang digunakan dalam teknik robotik.

�Cara pengukuran

�Cara interfacing ke kontroller

Klasifikasi sensor berdasarkan tipe output

Output Sensor Contoh Aplikasi / sensor

Biner (1/0) Sensor tactile (limit switch, TX-RX infra - Merah

Analog, misal ( 0 – 5 ) V Sensor Temperature, accelerometer

Pulsa , misal PWM Giroskop digital

Data Serial, misal RS232C atauUSB

Modul GPS

Jalur paraller / Bus Kamera digital, rotary encoder dilengkapi IC HCTL2000/2020

SENSOR BINER

�Sensor biner menghasilkan output 1 atau 0 saja.

�Setiap perangkat sensor pada dasarnya dapat dioperasikan secara biner dengan menggunakan sistem threshold atau komparasi pada outputnya.

�Contoh : limit switch yang dioperasikan sebagai sensor tabrakan yg dipasang pada buner robot.

SENSOR ANALOG

�Fenomena analog yg biasa diukur di dalam sistem internal robot berhubungan dengan posisi, kecepatan, percepatan, kemiringan / kecondongan, dsb.

�Yg diukur dari luar sistem robot banyak berhubungan dengan penetapan posisi koordinat robot terhadap referensi ruang kerja. Mis : posisi robot terhadap garis lintang dan bujur bumi.

�Contoh : sensor GPS

SENSOR KAMERA

�Penggunaan kamera (digital) dalam dunia robotik dikenal sebagai robotics vision.

�Seperti halnya mata pada manusia, kamera dapat didesain sebagai mata robot.

�Kemampuan kamera digital biasanya diukur dari resolusi tangkapan gambarnya dalam pixels/inch atau pixels/cm. Makin besar resolusi maka makin akurat tangkapan gambarnya.

Contoh Kamera Mikro

Aplikasi Kamera

ROTARY / SHAFT ENCODER

�Untuk pengukuran posisi putaran yang lebih presisi dapat menggunakan rotary / shaft encoder.

�Prinsip kerjanya bisa diilustrasikan berikut :

Bentuk Fisik Rotary encoder