GAIT ROBOT ULAR DENGAN EKSPANSI LINIER YANG MEMILIKI SENDI DENGAN TIGA DERAJAT KEBEBASAN

GAIT ROBOT ULAR DENGAN EKSPANSI LINIER

YANG MEMILIKI SENDI DENGAN TIGA DERAJAT KEBEBASAN

Daniel; Mohammad Iman Alamsyah; Erwin; Sofyan Tan; Handy Muljoredjo

Computer Engineering Department, Faculty of Engineering, Binus University Jl. K.H. Syahdan No. 9, Palmerah, Jakarta Barat 11480

dhdhenielz939@gmail.com; mohammad.alamsyah@gmail.com; rwinz123@yahoo.co.id; sofyan@binus.edu; lily_fas@hotmail.com

ABSTRACT

In this study, author introduces gait of a serpentine robot with linear expansion mechanism where the robot varies its length using joints with three degrees of freedom. This gait is important for robots designed to explore ruins of disasters where the working spaces are very tight. For maximum flexibility of the serpentine robot, adopted a joint design with three parallel linear actuators, so that the joint is able to do linear movement in forward axis as well as yaw and pitch rotational movements. The designed gaits enable forward movement when the robot is posing straight and curved.

Keywords: gait, linear expansion, kinematics, serpentine robot.

ABSTRAK

Dalam studi ini penulis memperkenalkan gait atau cara gerakan dari suatu robot berbentuk ular dengan mekanisme ekspasi linier di mana robot dapat mengubah panjangnya dengan menggunakan sendi dengan tiga derajat kebebasan. Gait ini penting bagi robot-robot yang dirancang untuk mengeksplorasi lokasi reruntuhan akibat bencana di mana area gerak robot sangat sempit. Agar robot berbentuk ular tersebut memiliki fleksibilitas tinggi, diadopsi rancangan sendi dengan tiga penggerak linier yang terhubung paralel, sehingga sendi dapat melakukan gerakan linier pada sumbu maju robot dan gerakan rotasi yaw serta pitch. Gait yang dirancang memungkinkan robot berbentuk ular tersebut bergerak maju dalam pose lurus maupun melingkar.

PENDAHULUAN

Bencana alam seperti gempa bumi dan tanah longsor, maupun bencana akibat kecelakaan maupun kesengajaan manusia seperti kebakaran dan ledakan, seringkali mengakibatkan runtuhnya bangunan yang menimpa korban manusia. Pada bencana dengan skala yang besar umumnya sulit untuk menemukan seluruh korban dalam waktu yang cukup singkat sehingga korban masih dapat diselamatkan jiwanya. Pencarian korban umumnya dilakukan oleh sekelompok orang dalam tim

search and rescue (SAR) dengan peralatan manual untuk membuka jalan bagi orang ataupun anjing terlatih khusus untuk masuk ke dalam puing-puing reruntuhan. Sebelum orang dapat memasuki reruntuhan, observasi dan tindakan untuk memperkokoh struktur reruntuhan perlu dilakukan untuk memastikan bahwa kemungkinan runtuhnya struktur lebih jauh adalah kecil. Seringkali untuk membuka jalan bagi tim penyelamat dibutuhkan alat berat untuk mengangkat puing-puing. Proses ini membutuhkan banyak orang, peralatan, dan membutuhkan waktu yang lama bila harus dilakukan pada area reruntuhan yang luas. Untuk itu akan sangat membantu apabila terdapat banyak robot yang dapat masuk ke celah-celah reruntuhan yang tidak dapat dimasuki oleh manusia dan memberikan informasi kepada manusia dalam mengambil keputusan untuk masuk ke dalam reruntuhan.

Dalam skenario terburuk seperti pada reruntuhan gedung World Trade Center akibat serangan teroris pada 11 September 2001 (Murphy, 2004), celah yang terbuka ke permukaan umumnya memiliki lebar kurang dari 1 meter. Di samping itu terdapat banyak puing-puing yang tidak kokoh seperti abu atau kertas yang dapat menenggelamkan robot ke lubang yang lebih dalam. Robot berbentuk ular cocok untuk kondisi yang seperti ini karena: bentuknya yang ramping dan sederhana membuatnya dapat bergerak melalui celah yang sempit; bentuknya yang memanjang membuatnya dapat mendaki halangan yang jauh lebih tinggi dari tinggi badan robot, bahkan halangan yang vertikal ke atas; lebarnya permukaan robot yang menyentuh tanah ketika bergerak membuatnya lebih stabil dan memiliki daya dorong yang lebih baik; dan jumlah segmennya yang banyak membuat robot lebih handal menghadapi kegagalan pada salah satu atau lebih segmennya (Hopkins, et al., 2009).

Lebih jauh lagi robot juga harus dapat bergerak di antara puing-puing yang berbentuk panjang dan tipis, sehingga robot dengan bentuk luar yang kompleks menjadi tidak menguntungkan karena dapat tersangkut pada puing (Kinagasa, et al., 2010).

Berawal dari niat untuk meningkatkan efisiensi tim SAR dalam menyelamatkan korban bencana alam, kami merancang gait robot serpentine (robot ular) yang dapat beroperasi di medan berat untuk memetakan sekaligus mencari korban yang selamat. Berdasarkan hasil studi paper dan latar belakang yang ada, maka diputuskan untuk membuat model robot berbentuk ular dengan sendi 3-DOF untuk menghadapi area bencana. Model robot ini dipilih karena dengan sendi 3-DOF dan multi-joint yang dimiliki, dapat memudahkan robot untuk melakukan gerakan dengan manuver yang diinginkan. Area bencana yang dimaksud adalah area bencana pada bidang daratan seperti gempa bumi, kebakaran, dan beberapa bencana lain yang mengharuskan robot bergerak masuk melalui jalan alternatif tanpa mengakibatkan kerusakan lebih lanjut pada area bencana. Sebagai contoh, robot harus masuk ke dalam saluran pipa yang meliuk dengan diameter yang relatif kecil dan rapat dengan ukuran robot di mana robot berkaki akan sulit untuk melalui bidang tersebut atau masuk melalui puing-puing reruntuhan.

Dengan menggunakan ekspansi linear, robot tidak membutuhkan roda/tread maupun kaki sehingga seluruh badan robot dapat tertutup rapat, menghindari masuknya partikel atau bahkan air dari luar. Masuknya partikel atau bahkan air sangat mengganggu kinerja robot yang menggunakan roda/tread atau kaki (Borenstein, et al., 2007).

METODE

Penulis melakukan modeling kinematik dari sistem tidak secara analitik, di mana digunakan AutoCAD Inventor untuk memodelkan bentuk 3D (tiga dimensi) dari robot. Selanjutnya model dikonversi ke format untuk SimMechanics MATLAB agar dapat dilakukan simulasi gait dengan mengendalikan gerakan dari masing-masing aktuator linier.

Pemodelan Robot dengan Software Autocad Inventor

Robot ular yang kami jadikan sebagai basis perancangan gait adalah robot ular 3-DOF yang terdapat di paper (Behrens, et al., 2011). Penulis merancang model 3D robot menggunakan

software Autocad Inventor 2011. Perancangan model 3D hanya sebatas pemodelan kinematik robot.Model 3D kinematika robot diperlukan untuk mengekspor parameter-parameter kinematika seperti panjang linkage dan posisi joint-joint terhadap koordinat World ke SimMechanics. Pemodelan 3D yang telah dibuat kemudian diekspor ke SIMULINK (SimMechanics) menggunakan add-on SMLink.

Toolbox SimMechanics yang berjalan di platform SIMULINK dipakai untuk mensimulasikan sistem kinematik yang parameter-parameternya sudah diberikan oleh Autocad Inventor. Rangka dari sendi yang dirancang digambarkan pada Gambar 1.

Gambar 1Segment robot beserta parameter-parameternya yang diambil dari (Behrens, et al., 2011) Keterangan Gambar:

K0 : lower plate

K1 : upper plate

R : jari – jari plate L : panjang linkage

B1 : spherical joint 1 pada folding linkage 1

B2 : spherical joint 2 pada folding linkage 2

B3 : spherical joint 3 pada folding linkage 3

O0 : origin frame lower plate terhadap world

O1 : origin frame upper plate terhadap lower plate

α1 : sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage A terhadap lower plate

α2 : sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage B terhadap lower plate

α3 : sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage C terhadap lower plate

Robot serpentine ini mempunyai empat buah segment yang masing-masing segment

upper plate dan lower plate disangga oleh tiga buah folding linkage yang terpisah sebesar 120 derajat. Folding linkage yang menghubungkan antara upper plate dan lower plate terdiri dari dua buah link, yaitu upper linkage dan lower linkage yang dihubungkan oleh sendi spherical. Untuk menghubungkan antara link dengan upper maupun lower plate, digunakan sendi revolute. Penampang sendi ditunjukkan di Gambar 2 dan Gambar 3 (versi 3 dimensi), di mana panjang

segment atas, segment bawah, lingkage atas, dan lingkage bawah adalah 50 mm.

Gambar 2Penampang atas segment

Gambar 3Penampang 3-dimensi segment robot

Dalam perancangan ini, software Autocad Inventor digunakan untuk mendesain parameter kinematik robot. Parameter seperti radius segment, panjang linkage , sudut awal yang dibentuk oleh

linkage , dan posisi masing-masing komponen terhadap koordinat World kami desain di Autocad Inventor. Alur perancangan dalam Autocad Inventor ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4Alur perancangan model robot

Perancangan model sistem secara lengkap tidak bisa dilakukan secara langsung tetapi harus bertahap dimulai dari menentukan komponen mana yang digunkan untuk membentuk sebuah

sistem lengkap. Pada perancangan robot kami, komponen yang membentuk sistem robot lengkap adalah segment atas, segment bawah, upper linkage , dan lower linkage . Di mana k omponen-komponen tersebut kami desain satu-persatu didalam file yang terpisah.

Tahap selanjutnya dalam perancangan model 3-Dimensi adalah menggabungkan komponen-komponen yang telah dibuat dengan menggunakan fitur Constraint. Fitur constraint digunakan untuk membentuk joint. Joint dibentuk dengan mengaplikasikan beberapa constraint terhadap komponen. Proses penggabungan ini menghasilkan bentuk lengkap robot yang terdiri dari empat buah segmen. Setelah robot lengkap, tahap selanjutnya adalah mengekspor model robot ke SimMechanics menggunakan add-on SMLink.

Hasil pemodelan dengan Autocad Inventor untuk satu sendi ditunjukkan pada Gambar 5, sedangkan gabungan beberapa sendi menjadi robot berbentuk ular ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 5 Desain kinematik segment robot menggunakan autocad inventor berdasarkan referensi (Behrens, et al., 2011)

Simulasi menggunakan SIMULINK/SimMechanics

SIMULINK adalah platform yang digunakan untuk mensimulasikan sistem dinamis, tetapi dapat juga digunakan untuk mensimulasikan sistem kinematik seperti pada penelitian kami. Terdapat banyak toolbox yang dapat digunakan untuk mensimulasikan sistem, tetapi dalam perancangan ini kami hanya menggunakan toolbox SimMechanics dan toolbox umum sebagai pendukung. Toolbox SimMechanics berisi part-part yang digunakan untuk mensimulasikan sistem mekanik seperti Rigid Body, Joint, Machine Environment, dan lain lain.

Model simulasi robot terdiri dari empat buah segment yang direpresentasikan oleh block body. Setiap block body terhubung ke tiga buah folding linkage yang masing-masing terdapat di dalam block link. Sepotong bagian model simulasi robot pada SimMechanics ditunjukkan pada Gambar 7, di mana untuk setiap segment terdapat tiga folding linkage . Detil model dari tiap folding linkage ditunjukkan pada Gambar 8. Folding linkage terdiri dari upper linkage dan lower linkage

yang terhubung melalui sebuah sendi spherical. Upper dan lower linkage terhubung ke segment

Gambar 6 Desain kinematik robot dengan empat buah segment menggunakan Autocad Inventor

Gambar 7 Potongan tampilan model forward kinematik robot hasil export dari Autocad Inventor Pada model linkage di Gambar 8, dapat dilihat secara berurutan dari sebelah kiri bahwa

upper linkage terhubung dengan revolute joint yang merupakan joint penghubung upper linkage

dengan upper plate. Selain itu, upper linkage terhubung dengan spherical joint yang menjadi sendi antara upper linkage dengan lower linkage . Seperti upper linkage , lower linkage juga terhubung dengan revolute joint yang menjadi penghubung linkage pada lower plate. Pada revolute joint

bagian bawah, terdapat joint actuator untuk menggerakkan linkage dengan input berupa degree atau besar sudut yang harus dibentuk oleh linkage .

Gambar 8 Model dari salah satu folding linkage (Link 1A)

Gambar 9 Model Inverse Kinematic

Gambar 9 di atas menunjukkan skema perumusan inverse kinematik sesuai dengan (Behrens, et al., 2011). Blok diagram di atas merupakan model persamaan inverse kinematik menggunakan simulink berdasarkan persamaan di bawah ini:

Pada rumus diatas, S berarti sin dan C berarti cos. Gamma (γ) adalah sudut yang dibentuk antara folding linkage yang pada robot ini yang berarti 0° untuk γ1, 120° untuk γ2, dan 240° untuk

γ3. αi adalah sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage terhadap segment tempatnya menempel.

Variabel θ menunjukkan besarnya sudut yang harus dibentuk antara upper plate dengan lower plate. Sedangkan variabel φ menunjukkan orientasi sumbu gerak antara upper plate dengan lower plate. Pada model kami, nilai φ selalu 0° karena simulasi pergerakan robot kami hanya di bidang planar. Variabel U, V, u, dan v adalah hasil dari perkalian elemen matriks. Untuk variabel U berasal dari perkalian antara R dengan cos γi, sedangkan V berasal dari perkalian antara R dengan sin(γi). Variabel u adalah hasil perkalian antara L dengan sin(γi+γ0) dan variabel v adalah hasil perkalian antara L dengan cos(γi+γ0). Variabel L dan R merujuk pada radius segment dan panjang linkage . Pada robot yang dirancang, nilai L dan R adalah 50 mm. Variabel ωi adalah hasil perkalian antara L

dengan sin(αi).

Pada gambar 10 terdapat tiga buah blok Q yang masing-masing berisi subsystem yang menggambarkan pengaruh gerakan salah satu linkage terhadap posisi dan orientasi dari linkage

lainnya.

Gambar 10 Diagram Phi, Theta dan r dalam sistem koordinat spherical

HASIL DAN PEMBAHASAN

Evaluasi Inverse Kinematik Pose Manuver

Pada pengujian melakukan simulasi, robot harus melakukan manuver yang terbagi menjadi dua macam manuver, yaitu gerakan maju secara normal dan gerakan maju sambil berbelok. Dalam bergerak maju secara normal, robot bergerak secara bergantian di mana per dua segment bergerak paralel dengan beda fase 180° antara segment ganjil dengan segment genap. Diasumsikan pada saat segment bergerak maju, maka bagian segment yang bersentuhan dengan bidang alas memiliki koefisien friksi minimum (mendekati nol), sedangakan ketika segment bergerak mundur, maka bagian segment yang bersentuhan dengan bidang alas memiliki koefisien friksi maksimum.

Dalam melakukan manuver maju, robot melakukan gerakan: segment ganjil dan genap bergerak secara bergantian dengan beda fase 180° antara keduanya, seperti ditunjukkan pada Gambar 11.

Gambar 11Gerakan Maju secara normal di mana segment bergerak secara bergantian dengan beda fase 180o (warna merah menunjukkan bagian segment yang bergerak maju)

Untuk maneuver maju sambil berbelok, panjang r maksimal masing-masing segment

adalah 20 mm. Perubahan nilai Δr masing-masing segment dilihat berdasarkan time step yang dibaca dari kiri ke kanan. Gambar 12 di buat berdasarkan pergerakan di mana segment ganjil dan genap bergerak bergantian dengan beda fase 180°.

(b)

Gambar 12 Tahapan gerakan robot dalam melakukan manuver maju sambil berbelok secara berurutan dari kiri ke kanan untuk 4 langkah

Dalam melakukan manuver maju sambil berbelok, robot harus melalui beberapa tahap bersamaan dengan gerakan maju. Tahapan yang di lakukan robot adalah:

1. Saat pasangan segment IV (head) dan segment II bergerak maju, maka bagian head berbelok dengan sudut (n)°.

2. Gerakan selanjutnya disusul oleh pasangan segment III dan segment I (tail) yang bergerak maju, sehingga secara perlahan akan membentuk pose seperti yang terlihat pada gambar 4.5.

Detil nilai r dan θ untuk masing-masing segment di setiap time step ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1 Data Δr masing-masing segment ketika robot bergerak maju sambil berbelok

Time Step 1 2 3 4 Theta (o) r (mm) Theta (o) r (mm) Theta (o) r (mm) Theta (o) r (mm) Segment 4 0 20,717 30 27,071 12.4 20,707 _{12.4 27,071} Segment 3 0 27,071 0 20,717 17.6 27,071 _{7.2 21,063} Segment _{2 0 20,717 0 27,071 0 20,717 1 27,071} Segment _{1 0 27,071 0 20,017 0 27,071 0 20,717}

Gambar 13 menunjukkan geometris sudut yang harus dibentuk pada saat robot bergerak maju sambil berbelok.

Gambar 13Model perhitungan saat Robot melakukan Manuver Maju sambil berbelok Pada Gambar 13 nilai θ2o, r1, r1o dan r2o sudah diketahui, maka perhitungannya menjadi:

θ2 = 180 – θ1 – (180 - θ2o) A = r10 B = tan θ2o atau . . θ2 = θ2o – θ1 2 2o 1x ∆ 1y

Berdasarkan perhitungan di atas, maka dapat dihitung nilai theta θ untuk masing-masing segment apabila robot bergerak dengan nilai θ2o tertentu. Sebagai contoh, untuk nilai θ2o = n°,

perhitungan dilakukan dengan propagasi dari segment paling depan (head) hingga segment paling belakang (tail) dengan asumsi segment III dan segment I bergerak memanjang secara bersamaan, dan kemudian segment IV dan segment II bergerak memanjang secara bersamaan juga setelah segment III dan II selesai memanjang (beda fase 180o).  

PENUTUP

Diskusi di atas menjelaskan bagaimana penulis membangun model kinematika robot berbentuk ular dengan multi-segment. Model forward kinematik didapatkan dengan menggambarkan kerangka robot pada perangkat lunak Autocad Inventor. Model ini kemudian dikonversi untuk dapat dilanjutkan dengan proses simulasi forward kinematic pada perangkat lunak SimMechanics.

Dengan mengadopsi hasil perhitungan inverse kinematik internal segment sesuai dengan (Behrens, et al., 2011), penulis melakukan simulasi inverse kinematic untuk menghitung sudut pada

Penulis selanjutkan merumuskan perhitungan sudut kemiringan masing-masing segment

terhadap segment sebelumnya untuk menghasilkan baik gerakan maneuver maju lurus maupun maneuver maju sambil berbelok.

DAFTAR PUSTAKA

Behrens, R., Kuchler, C., Forster, T., & Elkmann, N. (2011). Kinematik Analysis of a 3-DOF Joint

for a Novel Hyper-Redundant Robot Arm. IEEE International Conference on Robotics and Automation: 3224, Shanghai.

Borenstein, J., Hansen, M., & Borrell, A. M. (2007). The OmniThread OT-4 Serpentine Robot - Design and Performance. Journal of Field Robotics, 601.

Hopkins, J. K., Spranklin, B., & Gupta, S. (2009). A survey of Snake-inspired Robot Designs.

Bioinspiration and Biomimetics, 4(2): 1-19.

Kinagasa, T., Otani, I., Haji, T., Yoshida, K., Osuka, K., & Amano, H. (2010). Flexible Monothread Mobile Track (FMT). Robotics 2010: Current and Future Challenges, 241. Murphy, R. R. (2004). Trial By Fire. IEEE Robotics and Automation Magazine: 50-61.