BIPEDAL WALKING ROBOT

Transkripsi

1 BIPEDAL WALKING ROBOT Iman H. Kartowisastro Jurusan Sistem Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Bina Nusantara, Jln. K.H. Syahdan No. 9, Kemanggisan, Palmerah, Jakarta Barat ABSTRACT Bipedal walking robot in this mobile based on microcontroller, which uses AVR ATMega835 to control the movement of servo motor in robot s legs. The purpose of this research is to get robot characteristics in walking like a human. The research method uses in thesis compiling is done in two ways: library research and experimental research towards system planning result. The planning covered balance statistical analysis. From the result, it found that the four gaits (the way robot walks) have different movement order of servo motor. The four gaits result: gait 1 moved out of line or turned so it did not reach the final destination, meanwhile gait 2, 3, and 4 reach the final destination each 75%, 55%, and 100%. The robot of this research result could be developed for the future in fixing the robot structure and developing robot s movement and other additional component. Based on the result, it is suggested to develop biped robot walking straight and curved. Keywords: Bipedal walking robot, mobile robot, ATMega8535, statistical balance, gait, servo. ABSTRAK Bipedal walking robot pada mobile ini berbasiskan mikropengendali, menggunakan AVR ATMega8535 yang berfungsi untuk mengatur pergerakan dari motor servo yang terdapat pada kaki robot. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan karakteristik robot ketika berjalan menyerupai manusia. Metodologi penelitian yang dilakukan dalam penyusunan skripsi ini dilakukan dengan 2 cara, yaitu metode kepustakaan dan metode eksperimen terhadap hasil rancangan sistem. Perancangan dibatasi dengan analisa keseimbangan statis. Dari hasil penelitian didapatkan keempat gait (cara gerak jalan robot), mempunyai urutan pergerakan motor servo yang berbeda-beda. Berdasarkan hasil percobaan yang disimpukan dari keempat gait tersebut ialah gait 1 bergerak menyimpang jauh atau berbelok sehingga tidak dapat mencapai tujuan, sedangkan gait 2, 3 dan 4 dapat mencapai tujuan dengan tingkat keberhasilan masingmasing yaitu 75%, 55%, dan 100%. Robot dari hasil penelitian ini bisa lebih dikembangkan lagi untuk masa mendatang, dengan memperbaiki struktur bangunannya serta pengembangan gerak robot dan penambahan komponen lainnya. Berdasarkan hasil yang diperoleh, maka dapat dilakukan pengembangan biped robot yang dapat berjalan lurusan dan berbelok. Kata kunci: Bipedal walking robot, mobile robot, ATMega8535, keseimbangan statik, gait, servo. Bipedal Walking Robot (Iman H. Kartowisastro) 109

2 PENDAHULUAN Perkembangan robotika di Jepang mengalami kemajuan yang pesat dalam 30 tahun terakhir ini. Perusahaan-perusahaan elektronik berlomba melahirkan berbagai macam robot dengan segala keistimewaannya. Sebut saja Sony dengan Aibo si robot anjing, Honda dengan robot 2 kaki Asimo-nya yang membutuhkan waktu pengembangan sekitar 15 tahun ( ), ataupun Toyota dengan robot peniup trompetnya. Hal ini ditandai dengan beragamnya robot-robot yang lahir dari riset yang dilakukan universitas di Jepang. Pemerintah Jepang juga gencar membantu dan mendukung baik dari segi dana maupun fasilitas untuk kemajuan robot di negeri ninja ini. Melihat hal-hal diatas, tidak heran Jepang berhasil mendorong dan menyamai prestasi Negara-negara barat seperti Amerika dan Jerman dalam kemajuan riset robot. Trend robot mengalami perubahan, dari yang dulunya hanya sebagai buruh di pabrik menjadi robot sebagai partner ataupun teman manusia. Hal ini bisa dilihat dengan munculnya berbagai macam robot berbentuk manusia (humanoid robot) yang berparas lucu serta dilengkapi dengan kemampuan yang cukup menakjubkan. Robot-robot ini sebagian besar berfungsi sebagai entertainment robot (robot hiburan) seperti Toyota yang membuat robot yang bisa meniup terompet dan menjadi dirigen, sony yang membuat robot anjing yang mempunyai 6 ragam emosi, Honda yang membuat robot yang bisa berlari, menaiki tangga, membantu manusia mengangkat barang maupun sebagai service robot seperti actroid yang mempunyai wajah menyerupai manusia. Salah satu jenis yang paling intens dikembangkan adalah robot humanoid. Ada yang menjadi resepsionis, perawat, asisten pribadi bahkan ada yang menjadi penyelamat prajurit. Tapi, beberapa di antara mereka masih berukuran besar. Mungkin baru GeStream yang bisa membuat robot terkecil. Tidak hanya kecil, robot itu diklaim pembuatnya sebagai yang terkecil di dunia. Sebelum ini, pemegang rekor robot terkecil adalah i-sobot. Robot buatan Tomy Takara tersebut mempunyai tinggi 16,5 cm. Ia pun mendapatkan penghargaan dari Guinness World Record sebagai robot terkecil di dunia. Sementara itu, Robot buatan GeStream mempunyai tinggi 15 cm dengan berat 250 gram. Robot mungil tersebut juga mempunyai beragam kemampuan. Ia mampu melakukan gerakan layaknya manusia. Gerakan lain yang bisa dilakukan adalah push-up, main sepak bola, menghormat ala Jepang, dan menari. Penelitian pada bipedal walking robot dilakukan karena ingin mempelajari dan memahami bagaimana karakteristik dari pergerakan robot dengan dua kaki, yang memerlukan keseimbangan semaksimal mungkin untuk dapat berdiri diantara kedua kaki tersebut, sehingga robot dapat bergerak atau berjalan kedepan menyerupai manusia. PEMBAHASAN Karakteristik Pada Biped Robot Pada biped robot, menjaga keseimbangan badan dalam keadaan diam maupun dalam keadaan berjalan merupakan hal yang mendasar. Ada dua jenis keseimbangan yang dapat dimiliki oleh robot, pertama adalah keseimbangan statis. Pada jenis keseimbangan ini robot berhenti didalam melakukan pergerakan tanpa terganggu keseimbangannnya. Sedangkan pada jenis yang kedua, yaitu keseimbangan dinamis, robot dapat menjaga keseimbangannya selama bergerak untuk mencapai keadaan stabilnya dan dalam keadaan ini robot dapat kehilangan keseimbangan bila pergerakannya dihentikan. Perancangan bipedal walking robot ini dilakukan dengan tujuan agar robot dapat berjalan menyerupai manusia, tetapi tidak untuk berlari dan dapat melakukan beberapa 110 Jurnal Teknik Komputer Vol. 18 No. 2 Agustus 2008:

3 pergerakan. Sehingga robot mampu berjalan menyeimbangkan tubuhnya ketika berjalan dan tidak mudah terjatuh. Dengan kondisi rancangan tubuh robot dibuat seperti Gambar 1, diharapkan robot dapat menjaga keseimbangan dan bergerak sesuai yang diinginkan. Untuk lebih jelas, struktur tubuh biped robot yang akan di rancang ialah sebagai berikut: Gambar 1 Struktur tubuh biped robot Keseimbangan Robot Keseimbangan Robot Bertumpu pada Kedua Kaki Analisa keseimbangan sangat diperlukan dalam merancang sebuah robot berkaki, dan dalam kegiatan ini dibatasi hanya dalam keseimbangan statik. Tujuan dari analisa ini adalah mempelajari keseimbangan robot berdasarkan jumlah kaki yang menapak di tanah sehingga dapat diketahui dalam kondisi apa robot memiliki keseimbangan terbaik dan dalam kondisi apa robot tidak memiliki keseimbangan. Dengan mengasumsikan badan (badan pada robot ini adalah ukuran pada platform pada gambar di bawah ini dalam posisi horizontal) dan kaki robot diasumsikan merupakan sebuah garis dimana kaki robot dianggap tidak bermasa dan badan robot diasumsikan memiliki distrubusi masa homogen, maka gambar rancang robot dapat disederhakan seperti berikut (Gambar 2): Gambar 2 Rancangan robot bertumpu pada dua kaki Bipedal Walking Robot (Iman H. Kartowisastro) 111

4 Dengan melihat Gambar 2, dapat dilihat adanya gaya-gaya yang bekerja pada tubuh robot, antara lain N A dan N B merupakan gaya normal dari setiap kaki untuk menahan beban tubuh robot. W merupakan berat dari tubuh robot (titik P merupakan titik pusat massa tubuh robot), L merupakan panjang dari titik A ke titik B (lebar robot). Dengan menggunakan parameter-parameter diatas dan rumusan momen gaya maka dapat ditentukan persamaan matematis keseimbangan dari tubuh robot, yaitu jumlah momen gaya terhadap sumbu X yang bekerja pada setiap kaki sama dengan nol. Persamaan 1: Persamaan 2: Dari kedua persamaan diatas didapat bahwa: Persamaan diatas menggambarkan bahwa kedua kaki menerima beban yang sama. Untuk dapat meningkatkan kesetimbangan, maka titik pusat masa diusahakan serendah mungkin dengan batasan fisik yang ada, namun diusahakan agar titik pusat masa dapat serendah mungkin. Kondisi ini merupakan kondisi yang ideal karena seperti layaknya manusia ketika berdiri tegak merasa lebih seimbang dari pada berdiri dengan mengangkat kaki satu. Dilihat dari segi keseimbangan ketika robot bertumpu pada kedua kaki lebih baik karena besar beban yang dihasilkan di setiap kaki sama. Keseimbangan Robot Bertumpu pada satu Kaki Saat robot ini berjalan, titik tumpu berada pada salah satu kaki sementara kaki yang satunya mengangkat (tidak menapak sehingga tidak memiliki gaya normal), sehingga seolah-olah robot berdiri dengan 1 kaki. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 3: P L Gambar 3 Rancangan robot bertumpu pada satu kaki 112 Jurnal Teknik Komputer Vol. 18 No. 2 Agustus 2008:

5 Persamaan 3: M A 1 = W. L 0 2 Sehingga bila keadaan robot seperti Gambar 3 maka yang akan terjadi adalah robot berada pada posisi tidak seimbang, dikarenakan M A 0. hal ini disebabkan kerena tidak ada gaya normal pada titik B (kaki tidak menapak). Agar robot dapat seimbang, maka jarak sepanjang sumbu X dari titik A ke pusat masa P perlu dibuat nol. Keadaan ini dapat diperoleh apabila robot memiliki postur sebagai terlihat pada Gambar 4. Pada posisi diatas robot dapat menjaga keseimbangannya hal ini di sebabkan P (pusat massa) berada segaris dengan N A (gaya normal pada titik A). Didapat persamaan N A = W dan N B = 0 (gaya normal pada titik B). Untuk itu joint yang terdapat pada telapak kaki dibuat bergerak ke kanan dan ke kiri untuk dapat menyeimbangkan tubuh robot ketika melangkah. Perancangan Mekanik Perancangan mekanik ini dibuat untuk menentukan bagaimana bentuk robot yang akan dibuat dalam hal ini biped robot. Pada tahap-tahap penelitian ini ditentukan posisi kaki. Posisi kaki yang di maksud tataletak dan arah dari pergerakan servo agar robot dapat berjalan sesuai yang diinginkan. Pada perancangan robot berkaki dua ini terdapat 6 buah motor servo yang berfungsi sebagai sendi atau joint dan terhubung oleh 7 link (termasuk telapak kaki), ketujuh link tersebut menghubungkan Servo 1 hingga Servo 6. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 5 berikut ini: Gambar 4 Rancangan seimbang robot bertumpu pada satu kaki Gambar 5 Perancangan mekanik robot Adapun posisi motor servo (S) yang dipasang pada robot dengan dihubungkan oleh link (L) menurut gambar diatas, antara lain: S1 (Joint 1) dan S6 (Joint 6) berfungsi untuk bergerak ke kiri dan ke kanan juga dapat digunakan sebagai keseimbangan ketika robot akan melangkah atau berjalan. Selain itu S1 Bipedal Walking Robot (Iman H. Kartowisastro) 113

6 (Joint 1) dan S6 (Joint 6) merupakan titik yang paling berat menahan gaya yang dihasilkan pada setiap robot melakukan gerakan. S2 (Joint 2) dan S5 (Joint 5) berfungsi untuk menggerakkan lutut robot, selain itu juga dapat berfungsi menahan gaya yang dihasilkan oleh S3 (Joint 3) dan S4 (Joint 4) ketika sedang melakukan gerakan. S3 (Joint 3) dan S4 (Joint 4) merupakan base dari masing masing kaki sehingga pergerakannya mempengaruhi pada perubahan posisi dari S1 (Joint 1), S2 (Joint 2), S5 (Joint 5), S6 (Joint 6). Platform Elektronik Platform elektronik dirancang sebagai tempat menampung komponen-komponen elektronik yang terdapat pada modul on-board controller beserta baterai. Bentuk rancangan platform ini menggunakan persegi panjang karena untuk bisa mendapatkan posisi pada kedua kaki dengan cara menarik garis dari masing-masing sudut persegi panjang (diagonal). Perancangan Elektronik Gambar 6 Rancangan platform elektronik Perancangan elektronik dibuat sesuai dengan fungsi masing-masing komponen yang ada pada modul. Adapun Gambar 7 blok diagram sistem keseluruhan dari robot berkaki dua ini sebagai berikut: Gambar 7 Diagram sistem keseluruhan robot berkaki dua 114 Jurnal Teknik Komputer Vol. 18 No. 2 Agustus 2008:

7 On-Board Controller Modul pengendali pada robot yang akan terhubung langsung dengan servo penggerak didasarkan pada penggunaan ATMEGA8535 yang memiliki 40 pin. Dalam perancangan ini output yang digunakan hanya 6 pin, yaitu PORTD.0 sampai PORTD.4 dan PORTD.6 yang digunakan untuk mengontrol pergerakan servo melalui pemberian pulsa PWM. Berdasarkan pin PORTD sebagai output controller, jika dihubungkan dengan motor servo sebagai joint dapat dilihat pada Tabel 1: Sedangkan input yang digunakan sebanyak 5 pin, yaitu PORTC.0 sampai PORTC.4 yang di hubungkan dengan push button, berfungsi sebagai pemilihan pergerakan yang telah terprogram di dalam on-board controller. Untuk lebih jelas skematik dapat dilihat pada Gambar. Tabel 1 Hubungan pin output controller dengan joint robot JOINT PORTD 1 PD.1 2 PD.2 3 PD.4 4 PD.6 5 PD.3 6 PD.0 Gambar 8 Skematik On-Board Controller Bipedal Walking Robot (Iman H. Kartowisastro) 115

8 Perancangan Software Perancangan software menggunakan program CodeVisionAVR. Program ini merupakan program yang ada di dalam mikropengendali ATmega8535 dan berfungsi mengolah sinyal PWM. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar berikut (Gambar 9). Gambar 9 Flowchart On-Board Controller Pengujian Pola Berjalan Pola pengujian lintasan dilakukan untuk mengetahui batasan-batasan yang akan diukur pada setiap percobaan, terdapat dua kategori dalam pengujian lintasan berdasarkan Gait yang akan diuji. Lintasan pertama digunakan untuk menguji Gait 1, Gait 2, Gait 3 dan Gait 4 yang merupakan Gait berjalan lurus sehingga dapat diperoleh hasil berupa waktu dan simpangan yang terjadi jika robot berjalan tidak lurus. Dengan kondisi lintasan yang datar dan memiliki panjang 100 cm Gait 1 Setelah dilakukan percobaan robot ini dengan menggunakan lintasan pertama, data yang didapat bahwa pada Gait ini robot tidak dapat mencapai tujuan (100 cm) seperti yang diinginkan, dikarenakan robot menyimpang terlalu jauh dari garis normal. Oleh karena itu, pada saat percobaan robot dibiarkan bergerak terus-menerus dengan cara memberikan workspace pergerakan dari robot terhadap area pengujian. Setelah robot di biarkan berjalan terus-menerus ternyata robot membentuk sebuah elips, dari 10 kali percobaan data yang akan diambil ialah diameter maksimum dan diameter minimum dari sebuah elips. Pada Gambar 10, gambar lintasan yang dihasilkan oleh robot dengan menggunakan Gait 1 dan Tabel 2 data yang diperoleh saat melakukan pengujian: 116 Jurnal Teknik Komputer Vol. 18 No. 2 Agustus 2008:

9 Gambar 10 Bentuk lintasan yang dihasilkan gait 1 Berdasarkan Gambar 10 lintasan yang dihasilkan Gait 1, h adalah tinggi maksimum dari garis start, garis y adalah garis normal sumbu y yang diukur saat bertemu dengan garis x, dan garis x itu sendiri di ukur dari titik temu saat robot melintas. Tabel 2 Percobaan Gait 1 Berdasarkan hasil percobaan pada Tabel 2, pada pengambilan data percobaan ke 8, 9 dan 10, nilai y tidak mendapatkan data, dikarenakan pada percobaan gait 1 tersebut robot keluar dari lintasan sehingga pengukuran yang dilakukan pada lintasan elips yaitu diameter maksimum dan diameter minimum tidak memiliki nilai. Jika dilihat dari hasil persentase percobaan tabel di atas, tingkat keberhasilan robot membentuk lintasan elips sebesar 70 % dari 10 kali percobaan. 30 % dari tabel percobaan robot dianggap gagal. Gait 2 Percobaan Tinggi (cm) Berdasakan data yang telah dikumpulkan untuk Gait 2 dapat dihasilkan sebuah grafik seperti Gambar Jarak Simpangan (cm) Waktu (menit) Diameter (cm) Baterai (V) y h X t D min D max SImpangan (Derajat) Percobaan Ke Gambar 11 Grafik simpangan (derajat) Bipedal Walking Robot (Iman H. Kartowisastro) 117

10 Gambar 11 menunjukkan grafik percobaan robot secara keseluran. Dapat dilihat pada percobaan ke 16 hingga percobaan ke 20 bentuk grafk menanjak tajam. Hal ini di sebebkan kondisi batrai yang mulai melemah sehingga servo sudah tidak lagi mampu bergerak secara maksimal. Gambar 12 menunjukkan grafik perubahan tegangan pada baterai motor servo Batere (Volt) Percobaan Ke Gambar 12 Grafik perubahan tegangan Gait 2 Grafik diatas menujukan bahwa pada gait ini robot banyak memerlukan power sehingga perubahan tegangan pada setiap percoban terlihat besar Simpangan (Derajat) Percobaan ke Gambar 13 Grafik simpangan (bagi yang berhasil) Grafik diatas menujukan keberhasilan robot berjalan mencapai tujuan, sebesar 25% ketidakberhasilan robot mancapai lokasi yang di tentukan. 118 Jurnal Teknik Komputer Vol. 18 No. 2 Agustus 2008:

11 Gait 3 Berdasarkan data yang telah dikumpulkan untuk gait 3 dihasilkan sebuah grafik sepertti Gambar SImpangan (Derajat) Percobaan Ke Gambar 14 Grafik simpangan gait 3 (seluruh percobaan) Grafik di atas menunjukkan percoban Gait 3 secara keseluruhan, pada kenyataannya pada Gait ini tidak lebih baik dari pada Gait 2, yang tingkat keberhasilanya hanya sebesar 55% dari 20 percobaan yang dilakukan pada Gait ini. Grafik pada Gambar 15 menunjukkan perubahan tegangan Batere (Volt) Percobaan Ke Gambar 15 Perubahan tegangan Gait 3 gait 2. Bila dilihat perubahan tegangan, gait ini tidak memerlukan power yang besar seperti pada Bipedal Walking Robot (Iman H. Kartowisastro) 119

12 Simpangan (Derajat) Percobaan ke Gambar 16 Grafik simpangan (bagi yang berhasil) Penyimpangan terbesar pada percobaan ini terdat pada percobaan ke 15 dimana simpangannya sebesar 15. Bila dilihat berdsarkan data yang dikumpulkan bahwa pada Gait ini, penyimpangan yang terjadi bukan karena kondisi batrai yang tidak mampu manggerakan servo secara maksimal melainkan pada Gait ini sendiri, sehingga pada beberapa percobaan tidak dapat mencapai tujuan. Gait 4 Berdasarkan data yang telah dikumpulkan untuk gait 4, dihasilkan sebuah grafik pada Gambar Simpangan (Derajat) Percobaan ke Gambar 17 Grafik simpangan gait 4 Grafik di atas menujukkan pada gait ini merupakan gait yang baik bila dibandingkan dengan gait-gait sebelumnya. Dalam 20 kali percobaan robot dapat mencapai tujuan. 120 Jurnal Teknik Komputer Vol. 18 No. 2 Agustus 2008:

13 Batere (Volt) Percobaan Ke Gambar 18 Grafik perubahan tegangan Pada Gait ini perubahan tegangan dari kondisi maksimal hingga percobaan terkhir terlihat tidak mangalami perubahan yang besar pada setiap percobaan. Bila di bandingkan dengan Gait 3 perubahan tegangan pada Gait ini relatif sama. PENUTUP Penelitian walking robot merupakan topik yang terus berkembang karena masih banyak ruang untuk melakukan perbaikan untuk dapat menyerupai makhluk hidup. Bipedal walking robot dalam penelitian ini masih belum sempurna. Penelitian ini diharapkan dapat menjadi contoh untuk pengembangan cara berjalan (gait) berikutnya. Dari penelitian bipedal walking robot ini dapat diambil simpulan, yaitu: pertama struktur mekanik mempengaruhi simpangan gerak berjalan. Kedua, cara berjalan mempengaruhi kecepatan, keseimbangan, dan simpangan robot dalam berjalan. Dalam proses pembuatan robot, sebelumnya melakukan perancangan secara menyuluruh dan hasil dari perancangan tersebut sangat membantu dalam proses akhir. Saran untuk penelitian berikutnya yaitu pembuatan mekanik sebaiknya dikerjakan kepada ahlinya sehingga assumsi distribusi massa homogen dapat ditercapai. DAFTAR PUSTAKA Design Robot, 29 Mei 2008, =article&sid=19 GeStream, 23 Mei 2008, Guan, Xu; Zheng, Haojun; Zhang, Xiuli (2004). BIOLOGICALLY INSPIRED QUADRUPED ROBOT BIOSPOT: MODELLING, SIMULATION AND EXPERIMENT. Tsinghua University, Beijing. Humanoid Robots, Bipedal Walking Robot (Iman H. Kartowisastro) 121

14 Septiarini, Zweisty; Budiono, Isnan; Indrapramasto, Jati (2007). Holonomic Walking Robot. Universitas Bina Nusantara, Jakarta. Seattle Robotics Society, 25 Mei 2008, servos.html Sulistyowati, Fransiska; Suhandi; Kurniadhi, Yosafat (2006). Walking Robot dengan Servo. Universitas Bina Nusantara, Jakarta. Rudianto, Aan; Lumban Raja, Denny (2002). Pengembangan Walking Robot. Universitas Bina Nusantara, Jakarta. 122 Jurnal Teknik Komputer Vol. 18 No. 2 Agustus 2008: