Mohammad Iqbal Teknik Elektro Universitas Muria Kudus

Robotika

Robotika

Mohammad Iqbal iqbal.umk@gmail.com

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 seorang penulis berbangsa Czech (Ceko), Karl Capek, membuat pertunjukan dari lakon komedi yg ditulisnya pada 1921 yang

berjudul RUR (Rossum’s Universal Robot)

Diperkenalkan Robot Jerman dalam film Metropolis 1926 Dipamerkan dalam

New York World’s Fair 1939

Robot C3PO dalam film Star Wars pertama tahun 1977.

Sejarah

Menurut Fu, et al (1987), penelitian & pengembangan pertama yg berbuah

produk robotik dapat dilacak mulai tahun 1940-an ketika Argonne National

Laboratiries di Oak Ridge, Amerika

memperkenalkan sebuah mekanisme robotik yg dinamai “master-slave

manipulator” untuk menangani material radioaktif

Produk robot komersil pertama diperkenalkan oleh Unimation

Incorporated, Amerika tahun 1950-an dan selanjutnya diikuti oleh

perusahaan2 lain.

Sejarah

Pertengahan 1960, Setelah dunia menapak ke jaman industri &

kebutuhan akan otomasi makin

menjadi-jadi maka robotik diterima sebagai disiplin ilmu baru.

Pionir robot adalah negara2 yg sudah mapan kala itu, Amerika, Inggris,

Jerman dan Prancis.

Asia yg dimotori oleh Jepang. Yang akhirnya kemudian jepang-lah yg

dikenal paling produktif dalam menghasilkan 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

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

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 dengan

perkembangan padu mekanik dan elektronik

Mekatronik terdiri dari 4 disiplin ilmu :

◦ Mekanik ( mechanics )

◦ Elektronik

◦ Teknik Kontrol berbasis prosessor

◦ Pemrograman

Jd sebuah produk mekatronik belum tentu robotik, namun Robot adalah bagian 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

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

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

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

Konfigurasi Polar

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

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);

Bagaimana Robot kita dikendalikan ???

Sistem Kontrol robotik terbagi atas 2 yaitu :

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

Kontrol loop terbuka atau umpan maju (feedforward control) dapat dinyatakan sebagai sistem kontrol

yang outputnya tidak diperhitungkan ulang oleh kontroler.

Kontrol Loop Terbuka

Kontroler Robot

Referensi Gerak

• Pada gambar diatas, jika hasil gerak aktual telah sama dengan referansi maka input kontroler akan nol

• Artinya kontroler tidak lagi

membarikan sinyal aktuasi kepada robot karena target akhir perintah gerak telah diperoleh.

Kontrol Loop Tertutup

Kontroler Robot

Referensi 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.

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??

?????????????????????????????????????? ??

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)

Setelah redup tahun 1970-an, AI

kembali banyak dikaji tahun 1980-an

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

Kalau ANN didesain berdasarkan kajian cara otak biologis manusia bekerja (dari dalam), maka FL justru merupakan

justru merupakan representasi dari cara berfikir manusia yang tampak dari sisi luar

ANN dibuat berdasarkan model biologis teoritis, maka FL dibuat berdasarkan

model pragmatis praktis.FL adalah representasi logika berpikir manusia dalam bentuk kata-kata.

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”.

Metode AI lain yang berkembang

adalah Algoritma Genetika (genetic Algorithm,GA) yang dalam

pemrograman komputer dikenal dengan teori evolusi (evolitionary computation, EC).

Pertama kali diperkenalkan oleh Holland (1975), diilhami dari teori Darwin

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 y r + - 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.

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.

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

Berikut perbedaan atau spesifikasi kemampuan bekerja manusia vs

robot.

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 dalam

mengakomodasi pengalaman kerja

Pengetahuan bersifat global Pengetahuan tergantung program

Mengerti tugas secara alami (mudah beradaptasi)

Kemampuan adaptasi sangat terbatas

Rangkaian kontroller berbasis Prosessor/ Mikrokontroller dapat digambarkan sebagai berikut :

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).

Kontroller Berbasis prosessor dengan

User 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

Kontroller memerlukan komponen pengolah ADC untuk dapat

mengakomodasi input ini.

Ada mikrokontroller yg memiliki fasilitas ini dalam chip-nya.

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

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 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

MEKANIK ROBOT

Struktur robot sebagian besar dibangun berdasarkan konstruksi mekanik

Robot yang mempunyai kemampuan navigasi dan manipulasi secara relatif memiliki konstruksi mekanik yang lebih rumit dibanding dengan yang

berkemampuan navigasi saja, seperti mobile robot tanpa tangan yang hanya memiliki roda penggerak

Namun demikian, robot berjalan

(walking robot) seperti misalnya bi-ped (dua kaki) dapat memiliki konstruksi

mekanik yg rumit dibandingkan dengan robot tangan planar.

Mekanik Robot

Hal mendasar yang perlu diperhatikan dalam desain mekanik robot adalah

perhitungan kebutuhan torsi untuk menggerakkan sendi atau roda.

Motor, sebagai penggerak utama (prime-mover) yang paling sering dipakai

umumnya akan bekerja optimal ( torsi dan kecepatan putar paling ideal ) pada putaran yg relatif tinggi yg hal ini tidak sesuai bila porosnya dihubungkan langsung kesendi

gerak atau roda, sebab kebanyakan gerakan yg diperlukan pada sisi anggota badan

robot adalah relatif pelan namun bertenaga. Salah satu metode yang paling umum

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

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 atau USB

Modul GPS

Jalur paraller / Bus Kamera digital, rotary encoder

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.

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.

ROTARY / SHAFT ENCODER

Untuk pengukuran posisi putaran yang lebih presisi dapat

menggunakan rotary / shaft encoder. Prinsip kerjanya bisa diilustrasikan berikut :