MECHATRONIC AND ROBOTIC ANALISIS KESTABILAN ROBOT SEPAKBOLA BERODA DALAM MENGEJAR BOLA DENGAN METODE INVERSE KINEMATIC

234

MECHATRONIC AND ROBOTIC

ANALISIS KESTABILAN ROBOT SEPAKBOLA BERODA DALAM

MENGEJAR BOLA DENGAN METODE INVERSE KINEMATIC

Muhamad Hafizh Islami Sidiq1_{, Amperawan}2_{, Yudi Wijanarko}3

1_{Jurusan Teknik Elektro Program Studi Sarjana Terapan Teknik Elektro}

Konsentrasi Mekatronika Politeknik Negeri Sriwijaya

apisislami@gmail.com, amperawan230567@gmail.com, yudiwijanarko3@gmail.com

ABSTRACT

With the increasing widespread and widespread technological insight today, it has opened up opportunities for robot technology to keep trying to innovate. One of them is the innovation of robot applications into the world of sports such as football. A soccer robot has the exact same concept as a human being to be able to follow or pursue a ball object. However, the obstacle that often arises is how to design a soccer robot in order to move with the right steps to pursue and follow wherever the position of the object is located. To be able to realize it, then in this research is designed a wheeled soccer robot equipped with camera sensor to capture the point of position of the ball in the angle x, y and Ѳ and equipped with 3 wheel or 3 wheel holonomic system. As a determinant of the direction of movement to be pursued during the pursuit of a spherical object kinematic inverse method used to produce the right rotation speed wheel, right and left rhythm is appropriate for the step taken by the robot to be stable and not deviate. This research shows that by applying kinematic inverse method in wheeled soccer robot can give the speed of every motor that is accurate.

Keywords: 3 wheel holonomic, ball detection, encoder, inverse kinematic

ABSTRAK

Dengan semakin marak dan luasnya wawasan teknologi sekarang ini, telah membuka peluang bagi teknologi robot untuk terus mencoba melakukan inovasi baru. Salah satunya adalah inovasi aplikasi robot ke dalam dunia olahraga seperti sepak bola. Sebuah robot sepak bola memiliki konsep yang sama persis layaknya seorang manusia untuk dapat mengikuti atau mengejar objek bola. Namun, kendala yang sering muncul adalah bagaimana merancang sebuah robot sepak bola agar dapat bergerak dengan langkah yang tepat untuk mengejar dan mengikuti dimanapun posisi objek bola tersebut berada. Untuk dapat merealisasikan hal tersebut, maka pada penelitian kali ini dirancanglah sebuah robot sepak bola beroda yang dilengkapi dengan sensor kamera untuk menangkap titik sudut posisi bola x, y dan Ѳ serta dilengkapi sistem 3 roda atau 3 wheel holonomic. Sebagai penentu arah gerakan yang akan ditempuh selama mengejar objek bola digunakan metode inverse kinematic untuk menghasilkan nilai kecepatan putar roda kanan, kiri dan belakang yang sesuai agar langkah yang ditempuh robot menjadi stabil dan tidak menyimpang. Penelitian ini menunjukkan dengan diterapkannya metode inverse kinematic pada robot sepak bola beroda dapat memberikan kecepatan tempuh tiap motor yang akurat.

235

PENDAHULUAN

Aplikasi robot sekarang ini telah berkembang sangat pesat dan mulai memasuki era dunia baru. Pada dunia yang baru ini, banyak sekali aplikasi robot mulai diterapkan pada berbagai macam bidang ilmu dalam kehidupan sehari – hari. Seperti dalam bidang ilmu olahraga, kesehatan, sosial budaya dan lain sebagainya. Salah satunya yaitu sedang marak diteliti dan dikembangkan akhir – akhir ini adalah robot sepak bola dalam dunia olahraga.

Penelitian mengenai robot sepak bola terus berlangsung hingga saat ini. Hampir semua negara di dunia melakukan penelitian tentang robot sepak bola, termasuk Indonesia. Walaupun tergolong baru di Indonesia, penelitian mengenai robot ini menjadi sangat diperhatikan oleh para penggiat ilmu dibidang teknologi, sehingga banyak penggiat ilmu berinovasi dan melakukan kolaborasi lintas jurusan dengan tujuan menghasilkan sebuah robot sepak bola yang dapat memainkan bola layaknya manusia. Walaupun demikian, untuk dapat membuatnya diperlukan suatu desain khusus dan metode yang tepat untuk dapat bergerak mengikuti dan mengejar layaknya seperti robot sepak bola.

Beberapa penelitian yang pernah dilakukan mengenai robot sepak bola antara lain : Robot pengikut bola dengan sistem pendeteksi target berdasarkan pengenalan pola dan warna (Jana Utama, Deden Riki, 2017). Penelitian ini

menjelaskan tentang pendeteksian bola

menggunakan kamera, yang kemudian hasil tangkapan gambar akan diproses oleh GUI untuk diolah citra. Hasil data ini akan dikirimkan ke mikrokontroler Arduino untuk menggerakkan aktuator robot bergerak mengikuti dimanapun target bola.

Implementasi sistem gerak holonomic pada robot sepak bola beroda 2017 (Muliady, G. Arisandy, 2017) dengan hasil penelitian menunjukkan keterbatasan pergerakan yang tidak efisien dapat diatasi menggunakan sistem gerak holonomic berupa mecanum drive dengan 5 arah (kiri, kanan, maju, mundur dan diagonal) tanpa mengubah oritentasi robot.

Dynamical models for omni – directional robots with 3 and 4 wheels (H. Oliveira, A.Sousa, A. Moreira

et al., 2008) dengan penjelasan memodelkan suatu robot omni 3 dan 4 roda dengan menggunakan persamaan kinematic dan dynamic agar gerakannya lebih terarah.

3 wheel holonomic merupakan satu dari berbagai

macam desain tata letak roda pada mobile robot. Desain jenis ini menggunakan 3 roda sebagai penggeraknya. Desain 3 wheel holonomic

membentuk roda seperti 3 sisi segitiga sama sisi

dengan sudut antar motornya yaitu 120º. Desain ini dipilih karena robot membutuhkan kecepatan dan ketepatan untuk bergerak bebas kesegala arah. Salah satu mobile robot yang menggunakan desain jenis 3 wheel holonomic adalah robot sepak bola beroda.

Robot sepak bola beroda membutuhkan strategi untuk melakukan pergerakan yang efisien agar dapat menyerang dengan cepat dan mencetak gol sehingga dapat memenangkan pertandingan. Karena efisiensi pergerakan robot sangat penting pada robot sepak bola beroda, penulis bermaksud menerapkan metode inverse kinematic pada robot sepak bola beroda sebagai penentu arah gerak robot agar gerakan yang dilakukan oleh 3 wheel holonomic pada robot ini menjadi lebih efisien.

Metode Inverse Kinematic

Kinematika merupakan pembelajaran tentang perpindahan tanpa memperhatikan gaya, torsi, maupun moment yang menyebabkan pergerakan. Kinematik pada robot dapat dihitung berdasarkan struktur mekaniknya.

Gambar 1. 3 Wheel Holonomic

Sumber: Dynamical Models for Omni-directional Robots with 3 and 4 Wheels/researchgate.net

Model sebuah robot omnidirectional pada suatu lokasi (x, y, θ) dapat ditulis dengan vx(t) = dx(t)/dt, vy(t) = dy(t)/dt, dan ω(t) = dθ(t)/dt. Persamaan 1 di bawah ini menunjukan transformasi dari kecepatan linear vx dan vy pada frame koordinat bumi ke kecepatan linear v dan vn pada frame koordinat robot [3]. XR =

[

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

]

; X0 =

[

𝑣𝑥(𝑡)

𝑣𝑦(𝑡)

ω(t)

]

XR =

[

_{−𝑠𝑖𝑛 (𝜃(𝑡)) 𝑐𝑜𝑠 (𝜃(𝑡)) 0}

𝑐𝑜𝑠 (𝜃(𝑡))

𝑠𝑖𝑛 (𝜃(𝑡)) 0

0

0

1

] .

X0

Persamaan 1. Transformasi dari kecepatan linear Vx dan Vy pada frame koordinat robot

Kecepatan roda v0, v1, dan v2 bergantung dengan

kecepatan robot v, vn, ω seperti pada persamaan 2 [3].

236

[

𝑣

0

(𝑡)

𝑣

1

(𝑡)

𝑣

2

(t)

] = [

−𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3) 𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 𝑑

0

−1

𝑑

𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3)

𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 𝑑

] . [

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

]

Persamaan 2. Kecepatan masing – masing roda

Kecepatan masing-masing roda disimbolkan dengan v0 sebagai roda kiri, v1 sebagai roda belakang, dan v2 sebagai roda kanan. Kecepatan roda yang telah didapat kemudian diterapkan pada masing-masing roda. Untuk mendapatkan kecepatan robot setelah bergerak, digunakan persamaan 3 [3]

.

𝑣(𝑡) = (

√3

3

) . (𝑣

2

(𝑡) − 𝑣

0

(𝑡))

𝑣𝑛(𝑡) = (

1

3

) . (𝑣

2

(𝑡) + 𝑣

0

(𝑡)) − (

2

3

) . 𝑣

1

(𝑡)

ω(𝑡) = (

1

(3. 𝑑)

) . (𝑣

0

(𝑡) + 𝑣

1

(𝑡) + 𝑣

2

(𝑡))

Persamaan 3. Kecepatan robot setelah bergerak

Hall Effect Encoder

Hall Effect Encoder merupakan perangkat yang

digunakan untuk mengkonversi posisi sudut yang dihasilkan oleh perputaran motor menjadi kode

digital. Perangkat ini sering digunakan dibidang

robotika untuk mengetahui putaran motor yang terjadi dalam satuan waktu tertentu. Encoder jenis ini menggunakan medan magnet untuk pembacaan putaran pada motor dc. Hasil pembacaan yang didapat dari penggunaan hall effect encoder ini tidak jauh berbeda dengan hasil pembacaan dengan

encoder jenis lain.

Gambar 2. Hall Effect Encoder Timing Diagram Sumber: Datasheet PG 45/brontoseno.com

BTS 7960

Driver motor merupakan komponen yang

digunakan untuk menggerakkan sebuah motor.

Driver motor DC ini dapat mengeluarkan arus hingga

43A, dengan memiliki fungsi kontrol kecepatan motor dengan menggunakan PWM hingga 25 kHz. Tegangan sumber DC yang dapat diberikan antara 5.5V-27V DC, sedangkan tegangan input level antara 3.3V-5V.

Gambar 3. BTS 7960

Sumber: instructables.com Motor DC

Motor arus searah (motor DC) adalah aktuator yang dapat mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis. Didalam sebuah motor DC terdapat lilitan kawat. Lilitan ini berfungsi sebagai pemberi gaya pada rotor. Saat motor dc diberi tegangan, lilitan akan dialiri arus. Arus listrik yang mengalir pada suatu kawat yang ditekuk akan menghasilkan gaya yang berlawanan pada masing-masing ujung tekukannya. Gaya ini membuat rotor berputar terhadap stator. Rotor yang terhubung dengan shaft berputar terus menerus selama ada arus yang cukup untuk memberikan efek medan magnet pada rotor. Hal ini terjadi berulang kali sehingga shaft berputar dan membuat motor bekerja.

Gambar 4. Brushed Motor DC Sumber: pinterest.com

METODE

Penelitian pada robot soccer ini bertujuan untuk mencari dan mengikuti objek bola yang banyak diaplikasikan pada kontes robot sepak bola beroda di lapangan. Pada robot soccer ini dalam mencari keberadaan bola digunakan beberapa tahapan pengujian agar robot dapat mengejar dan mengikuti bola dengan tepat. Adapun tahapan tersebut dapat terlihat pada blok diagram berikut.

237

Gambar 5. Blok Diagram Pengambilan dan Pengujian Data

Berdasarkan blok diagram di atas, pengambilan data gambar berupa objek bola menggunakan kamera dengan lensa 270o_{. Kamera juga dilengkapi}

dengan sebuah cermin cembung yang berguna untuk memperluas jangkauan objek gambar yang akan ditangkap. Setelah objek gambar berupa bola didapat, gambar akan dikonversikan ke dalam bentuk nilai koordinat. Nilai koordinat disini dalam bentuk x, y dan Ѳ. Titik koordinat ini kemudian akan dikonversikan ke kecepatan motor pada roda robot dengan menggunakan metode inverse kinematic. Kecepatan motor pada roda robot ini sangat mempengaruhi terhadap gerak robot dalam mengejar dan mengikuti objek bola.

Untuk menentukan perancangan sistem

keseluruhan robot diperlukan sebuah diagram aliran untuk mengetahui sistem kerja robot soccer dalam mengejar bola seperti pada gambar di bawah ini.

Gambar 6. Flowchart

ANALISA DAN PEMBAHASAN

Hasil dari penelitian ini adalah pengujian dilakukan di arena ukuran 250 x 300 cm. Pengujian dilakukan pada 3 posisi bola yang berbeda dimana robot berada dalam posisi sudut (0,0). Adapun beberapa pengujian terlihat seperti pada gambar berikut.

238

Gambar 8. Posisi Bola Berada Pada Titik (4,-3)

Gambar 9. Posisi Bola Berada Pada Titik (2,-4)

Setelah kamera menangkap objek bola, titik

koordinat bola tersebut akan langsung

dikonversikan oleh mikrokontroler Arduino ke kecepatan motor pada 3 roda robot (kiri, kanan dan belakang). Adapun konversi titik koordinat ke kecepatan motor roda robot terlihat pada beberapa tampilan Arduino berikut.

Gambar 10. Tampilan Kecepatan Motor Pada Titik Bola (4,0)

Adapun untuk mengkonversikan titik koordinat bola ke 3 kecepatan motor (V0, V1, V2) robot yaitu

dengan metode Inverse Kinematic yang dilakukan seperti pada perhitungan di bawah ini,

[

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

] = [

−𝑠𝑖𝑛 (0) 𝑐𝑜𝑠 (0) 0

𝑐𝑜𝑠 (0)

𝑠𝑖𝑛 (0) 0

0

0

1

] x [

4

0

0

]

[

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

] = [

4

0

0

]

[

𝑣

0

(𝑡)

𝑣

1

(𝑡)

𝑣

2

(t)

] = [

−𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3) 𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 0.2

0

−1

0.2

𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3)

𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 0.2

] . [

4

0

0

]

[ 𝑣0(𝑡) 𝑣1(𝑡) 𝑣₂(t)] = [ −3.464 0 3.464 ]

Terlihat bahwa kecepatan motor roda kiri adalah V0 = -3,4 m/s, roda kanan V2 = 3,4 m/s dan motor

belakang V1 = 0 m/s untuk menempuh posisi bola di

titik (4,0). Kedua roda kiri dan kanan mengalami kecepatan yang sama dikarenakan posisi objek bola yang berada di depan sehingga tidak diperlukan roda belakang untuk berputar. Pada Arduino, perubahan yang terjadi pada tampilan data di gambar 10 menunjukkan adanya proses penstabilan kecepatan roda. Dimana saat kecepatan akan distabilkan maka pada roda kiri dan kanan akan mengalami bouncing dari 21,05 dan -21,05 m/s ke 0 m/s. Ini dikarenakan rentang kecepatan yang dapat mengimbangi roda tersebut adalah 0 m/s begitu pula dengan nilai PWM dari masing – masing roda akan terus mengalami bouncing sampai dengan robot berhenti saat mencapai objek bola.

Gambar 11. Robot Mencapai Bola Pada Titik Koordinat (4,0) Dengan Kecepatan Konversi Inverse Kinematic

239

Gambar 12. Tampilan Kecepatan Motor Pada Titik Bola (4,-3)

Dengan inverse kinematic :

[

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

] = [

𝑐𝑜𝑠 (0)

𝑠𝑖𝑛 (0) 0

−𝑠𝑖𝑛 (0) 𝑐𝑜𝑠 (0) 0

0

0

1

] x [

−3

4

0

]

[

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

] = [

4

−3

0

]

[

𝑣

0

(𝑡)

𝑣

1

(𝑡)

𝑣

2

(t)

] = [

−𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3) 𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 0.2

0

−1

0.2

𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3)

𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 0.2

] . [

4

−3

0

]

[

𝑣

0

(𝑡)

𝑣

1

(𝑡)

𝑣

2

(t)

] = [

−4.964

3

1.964

]

Terlihat bahwa kecepatan motor roda kiri adalah V0 = -4,9 m/s, roda kanan V2 = 1,9 m/s dan motor

belakang V1 = 3 m/s untuk menempuh posisi bola di

titik (4,-3). Pengstabilan kecepatan kali ini terjadi pada 3 roda (kiri, kanan dan belakang) karena dalam menempuh posisi bola, robot bergerak secara diagonal sehingga kecepatandan kestabilan roda belakang lebih besar dari roda kiri dan kanan.

Bouncing yang terjadi pada kecepatan roda 21,05,

-21,05 dan 21,43 m/s ke 0 m/s karena kecepatan selanjutnya yang dapat mengimbangi roda terhadap roda lainnya hanya 0 m/s.

Gambar 13. Robot Mencapai Bola Pada Titik Koordinat (4,-3) Dengan Kecepatan Konversi Inverse Kinematic

Gambar 12. Tampilan Kecepatan Motor Pada Titik Bola (2, -4)

Dengan inverse kinematic :

[

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

] = [

𝑐𝑜𝑠 (0)

𝑠𝑖𝑛 (0) 0

−𝑠𝑖𝑛 (0) 𝑐𝑜𝑠 (0) 0

0

0

1

] x [

−4

2

0

]

[

𝑣(𝑡)

𝑣𝑛(𝑡)

ω(t)

] = [

2

−4

0

]

[

𝑣

0

(𝑡)

𝑣

1

(𝑡)

𝑣

2

(t)

] = [

−𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3) 𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 0.2

0

−1

0.2

𝑠𝑖𝑛 (𝜋/3)

𝑐𝑜𝑠 (𝜋/3) 0.2

] . [

2

−4

0

]

[

𝑣

0

(𝑡)

𝑣

1

(𝑡)

𝑣

2

(t)

] = [

−3.732

4

−0.268

]

Terlihat bahwa kecepatan motor roda kiri adalah V0 = -3,7 m/s, roda kanan V2 = -0,2 m/s dan motor

240

titik (2,-4). Kecepatan yang dibutuhkan dan bounce

yang terjadi saat kecepatan distabilkan pada ketiga roda sama seperti pada pengujian sebelumnya dimana kecepatan roda belakang dan kestabilan yang dibutuhkan lebih besar dari roda kiri dan kanan.

Gambar 11. Robot Mencapai Bola Pada Titik Koordinat (2,-4) Dengan Kecepatan Konversi Inverse Kinematic

KESIMPULAN DAN SARAN

Dari hasil beberapa pengujian, perubahan data yang terjadi merupakan bagian dari proses penstabilan kecepatan. Hal ini dapat terjadi dikarenakan nilai yang terbaca oleh encoder pada motor akan membaca kecepatan motor yang lebih dari kecepatan sesungguhnya. Pembacaan nilai dari encoder dapat dibandingkan dengan melihat data yang ditampilkan seperti pada contoh gambar tampilan melalui Arduino.

Perbandingan antara nilai encoder yang ditampilkan dari Arduino dengan perhitungan inverse kinematic tidak terlalu sama persis dan akurat dikarenakan pembacaan dari sensor encoder yang masih terdapat error.

Untuk pengembangan robot soccer beroda berikutnya, penulis memberikan saran untuk pemilihan encoder yang lebih baik dari segi pembacaan data dan langsung terhubung dengan roda agar nilai yang didapat lebih akurat.

REFERENSI

A. S. Conceição, A. P. Moreira, and P. J. Costa, “Trajectory tracking for Omni-Directional mobile robots based on restrictions of the motor’s velocities,” in IFAC Proceedings

Volumes (IFAC-PapersOnline), 2006, vol. 8,

no. PART 1.

F. Ribeiro, I. Moutinho, P. Silva, C. Fraga, and N. Pereira, “Controlling Omni-directional Wheels of a MSL RoboCup Autonomous Mobile Robot,” in Scientific Meeting of the Portuguese

Robotics Open, 2004.

F. Tajti, G. Szayer, B. Kovács, and P. Korondi, “Robot base with holonomic drive,” in IFAC

Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline),

2014, vol. 19, pp. 5715–5720.

H. P. Oliveira, A. J. Sousa, A. P. Moreira, and P. J. Costa, “Dynamical Models for Omni-directional Robots with 3 and 4 Wheels,” Proc. 5th Int.

Conf. Informatics Control. Autom. Robot., no.

May, pp. 189–196, 2008.

I. I. Incze, A. Negrea, M. Imecs, and C. Szabó, “Incremental Encoder Based Position and Speed Identification: Modeling and Simulation,” Acta Univ. Sapientiae Electr.