Teknik Perancangan Robotika

Imam Ibnu Badri Robotika 05.53

Daftar Isi

Konsep Sistem Robot

Pendahuluan
Pengertian
Sejarah
Klasifikasi Robot
Mekatronik vs Robotik
Produk Mekatronik
Robotik vs Bio-science
Otomasi & Robotik Industri
Komponen Utama

Teknik Perancangan Robot

Bagian Sistem Robot dan orientasi
Bahan Dasar Robot
Sistem Kontroler
Komputer Personal sebagai kontroler
Jenis Mikrokontroler
Sistem Kontrol Manual

Konsep Sistem Robot

1 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

2 Pengertian

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.

3 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.
Penelitian intensif belum ada kala itu.
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.

4 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)

Kombinasi Mobile robot dan Non Mobile

Mobile Manipulator
Walking Robot dengan Manipulator
Climbing Robot

Humanoid, Animaloid, dan Exta Ordinary

Underwater Robot
Flying Robot
???

5 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

6 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

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.

7 Robotik 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.

8 Otomasi & Robotik 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 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

9 Komponen Utama

Manipulator
Sensor
Aktuator
Kontroler

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

Polar
Silindris
Cartesian
Sendi-lengan ( Joint-arm )
Manipulator Planar

Konfigurasi

Konfigurasi Polar
Konfigurasi ini cukup tegar karena sambungan lengan dan gerakan maju mundur cara yg secara mekanik sangat kokoh
Konfigurasi Silindris
Mempunyai jangkauan berbentuk selinder yg lebih baik.
Konfigurasi Cartesian
Yang paling kokoh dalah hal tugas mengangkat beban
Konfigurasi Sendi-sendi (joint-arm)
Paling populer untuk tugas2 reguler didalam pabrik
Manipulator Planar
Pengembangan dari sendi lengan, tapi dibuat secara horizontal shg tidak terpengaru dengan grafitasi

Teknik Perancangan Robot

1 Bagian Sistem Robot dan orientasi fungsi

Sistem kontroler
Mekanik robot
Sensor
Aktuator
Sistem Roda
Sistem kaki
Sistem tangan
Real Word

1.1 Sistem kontroler
Adalah rangkaian elektronik yang terdiri dari rangkaian processor (CPU, Memori, komponen interface Input/Output), signal conditioning untuk sensor (analog atau digital), dan driver untuk aktuator.

1.2 Mekanik robot
Adalah mekanik yang dapat terdiri dari sebuah fungsi gerak. Jumlah fungsi gerak disebut sebagai derajat kebebasan atau degree of freedom (DOF). Sebuah sendi yang diwakili oleh sebuah gerak actuator disebut sebagai satu DOF.

1.3 Sensor
Adalah perangkat atau komponen yang bertugas mendeteksi (hasil) gerakan atau fenomena lingkungan yang diperlukan oleh system kontroler.

1.4 Aktuator
Adalah perangkat elektro mekanik yang menghasilkan daya gerakkan. Dapat dibuat dari system motor listrik, sistem pneumatik dan perangkat hidrolik.

1.5 Sistem Roda
Adalah sistem mekanik yang dapat menggerakan robot untuk berpindah posisi. Dapat terdiri dari sedikitnya sebuah roda penggerak (drive dan steer), dua roda differensial (kiri-kanan), tiga roda, empat roda (seperti mobil) ataupun lebih

1.6 Sistem kaki
Pada dasarnya sistem kaki adalah gerakkan “roda” yang didisain sedemikian rupa hingga memiliki kemampuan gerak seperti mahluk hidup. Untuk robot binatang (animaloid) seperti serangga, jumlah kaki dapat didisain lebih dari empat.

1.7 Sistem tangan
Adalah bagian atau anggota badan robot selain sistem roda atau kaki. Dalam konteks mobile robot, bagian tangan ini lebih dikenal sebagai manipulator yaitu sistem gerak yang berfungsi untuk memanipulasi (memegang, mengambil, mengangkat, memindah atau mengolah) obyek.

1.8 Real Word
Real World atau dunia nyata didefinisikan sebagai daerah kerja (workspace) dari pada robot. Robot yang tersusun dari tangan/manipulator saja memiliki workspace yang terbatas sesuai panjang jangkauan tangannya. Untuk robot beroda atau berkaki, workspace-nya menjadi relative tak terbatas tegantung kemampuan jelajahnya.

Merancang sebuah robot dapat terlebih dahulu dalam bentuk kasar menggunakan software designer. Contohnya seperti 3ds Max, Google Sketchup, Autocad, d ll.

Gambar perancangan robot menggunakan software designer

Utamakan Bahan-bahan yang di pilih memiliki unsur berikut :
a. Ringan
b. Kuat
c. Anti-karat
d. Mudah diolah
e. Mudah digabung

2 Bahan Dasar Robot

Berikut ini adalah bahan-bahan dasar yang biasanya digunakan pada sebuah robot :

Kayu adalah bahan terbaik untuk robot. Kayu cukup ringan, cukup kuat dan mudah di bentuk.
Logam, Ada 80 macam logam murni yang berbeda dan masing-masing logam memiliki sifat yang berbeda.
Aluminium, pada umumnya tersedia dalam bentuk diekstrusi dalam berbagai bentuk. Ada paduan dari Aluminium disebut Duraluminium hampir sekuat bajaclembut tapi sangat ringan sehingga menjadikannya pilihan yang tepat untuk pembangunan robot.
Bahan Alumunium akan :
1 Berguna untuk robot berukuran kecil atau sedang.
2 Berguna untuk bagian non-beban bantalan, di robot besar.
3 Tidak sangat bagus untuk bantalan.
Baja, Umumnya baja yang tersedia adalah paduan dari besi. Berguna untuk robot besar dan robot yang direncanakan beroperasi dalam kondisi kasar.
Perunggu, Sangat baik untuk bantalan. Terlalu mahal dan berat untuk bahan robot.
Kuningan, Lebih berat dan lebih mahal dari aluminium Namun dapat disolder untuk penempelan antar kuningan.
Tembaga, Umumnya tersedia sebagai kawat atau as. Cukup berat, sangat baik untuk mengalirkan arus listrik (konduktor). Berguna untuk bagian-bagian khusus dan kabel.
Bahan Sintetis, Seperti baja, bahan sintetis adalah nama untuk sebuah kelompok bahan yang sangat besar.
a) PVC, PolyVinylChloride: Digunakan untuk tabung plastik.
b) Plexiglass, Bahan Transparan. Dapat membengkok ketika dipanaskan sampai 200 °C.
Bahan Komposit, Bahan polimer komposit adalah bahan yang terdiri dari polimer matriks dan material penguat. (polimer matriks adalah grid baja dan bahan yangmemperkuat yaitu beton).
Karton, Secara umum, karton dapat dipotong dengan pisau atau gunting dan disatukan dengan lakban atau lem. Dapat digunakan sebagai prototipe untuk papan sirkuit.

3 Sistem Kontroler

Gambar sistem robot dengan kontroler berbasis prosesor

Jika output menghendaki besaran analog maka kontroler perlu dilengkapi dengan komponen Analog to Digital Converter (ADC).

Gambar kontroler berbasis prosesor dengan user interface

Input ON/OFF Input kategori ini bekerja dalam dua keadaan, yaitu ON atau OFF (1/0) berdasarkan level tegangan TTL (Transistor-Transistor Logic) 5V untuk logika 1, dan 0V untuk logika 0.
Input AnalogKontroler memerlukan komponen pengolah ADC (Analog to Digital Converter) untuk dapat berakomodasi input analog ini. Beberapa tipe prosesor kelas mikrokontroler telah memiliki fasilitas ADC ini dalam chip IC-nya.
Output ON/OFF
Sinyal output yang beroperasi secara ON/OFF hanya memiliki dua keadaan, yaitu logika 1 sebagai representasi tegangan +5V (TTL) dan logika 0 sebagai representasi tegangan 0V. Level tegangan sesungguhnya tergantung dari standart IC yang digunakan.
Output Analog
Output analog berguna untuk mengemudikan aktuator yang bekerja berasaskan besaran linier, seperti misalnya motor DC/AC, heater, linier controlled valve untuk pneumatik maupun hidrolik, dan sebagainya.
User Interface
Untuk rancangan kontroler yang mudah diakses oleh operator, sistem perlu dilengkapi dengan perangkat user interface. User interface dapat dibedakan dalam dua macam, yaitu perangkat untuk mengakses kontroler (entry data), dan perangkat (visual) untuk mengetahui kinerja kontroler (monitoring data).

4 Komputer Personal sebagai kontroler

Dalam proses disain sistem kontroler robot yang kompleks, terutama yang berkenaan dengan algoritma control, seringkali dibutuhkan sistem komputer luar sebagai perangkat pengembangan sistem (system development apparatus). Pada dasarnya sistem robot yang mandiri menggunakan kontroler yang menyatu dengan tubuh robot.

Gambar Blok Diagram Konversi pada DAC

Sistem kontrol pada sebuah robot terdapat 3
jenis, yaitu:

Otomatis
Manual
Kombinasi Otomatis dan Manual

Sistem Kontrol Otomatis
Sistem kontrol otomatis adalah sistem yang berjalan secara otomatis atau berdiri sendiri. Untuk dapat robot bergerak dengan sendirinya dibutuhkan suatu chip untuk mengontrol keseluruhan mulai dari input hingga menjadi output yang disebut Mikrokontroler.

Sebuah chip mikrokontroler umumnya memiliki
fitur:

Central Processing Unit - mulai dari prosesor 4-bit yang sederhana hingga prosesor kinerja tinggi 64-bit.
Input/Output antarmuka jaringan seperti port serial (UART)
Antarmuka komunikasi serial lain seperti I²C, Serial Peripheral Interface and Controller Area Network untuk sambungan sistem
Periferal seperti timer dan watchdog
RAM untuk penyimpanan data
ROM, EPROM, EEPROM atau Flash memory untuk menyimpan program komputer
Pembangkit clock - biasanya berupa resonator rangkaian RC
Pengubah analog-ke-digital