Perancangan Bentuk Geometri dan Derajat Kebebasan dan Analisa Kestabilan Robot Humanoid Makara 1

Transkripsi

1 Peranangan Bentuk Geometri dan Derajat Kebebaan dan Analia Ketabilan obot Humanoid Makara Gandjar K, Filipu K, Yohanne TT, Galih S., Akthur F Departemen Teknik Mein - Univerita Indoneia - Kampu Baru UI Depok gandjar_kiwanto@eng.ui.a.id Abtrak iet dibidang robotika didunia teru berkembang, namun perkembangan ini kurang diraakan di Indoneia. Hal inilah yang menjadi alaan diperlukannya ebuah langkah awal riet di bidang robotika. Salah atu bentuk riet terebut adalah riet robot humanoid. iet mengenai robot humanoid ini merupakan riet awal yang edang dikembangkan Fakulta Teknik Univerita Indoneia berama Departemen Teknik Mein UI. Seara gari bear penelitian ini meliputi lima tahapan yaitu penelitian ranangan bentuk geometri erta derajat kebebaan, analia kekuatan truktur tatik dan dinamik, analia ketabilan tatik maupun dinamik, peranangan proe manufaktur dan perakitan, dan peranangan dan pengembangan item kontrol. Pada makalah ini, ditampilkan peranangan bentuk geometri dan penentuan derajat kebebaan dari robot humanoid yang diberi nama Makara kemudian diikuti dengan analia ketabilan tatik. Dalam peranangan bentuk geometri ini dilakukan beberapa tahap, analia karakteritik geometri propori tubuh manuia, analia karakteritik gerakan manuia, dan peranangan analogi item joint dan link manuia pada bentuk item dan komponen mekanik penyuun humanoid ehingga diperoleh ranangan detail model 3D. Sedangkan, penentuan derajat kebebaan dilakukan berdaarkan tudi literatur, dan tudi karakteritik gerakan manuia yang telah dilakukan ebelumnya. Dari hail analia ketabilan terlihat bahwa hail peranangan dapat dipakai ebagai auan dalam penelitian elanjutnya. Kata kuni : robot humanoid, bentuk geometri, derajat kebebaan, ketabilan I. PENDAHULUAN Dilihat dari unur pembentuk katanya, robot humanoid terdiri dari kata robot dan humanoid. Definii robot adalah "An automati devie that perform funtion normally aribed to human or a mahine in the form of a human."[4]. Sedangkan definii dari humanoid adalah egala euatu yang memiliki truktur menyerupai manuia []. Maka robot humanoid dapat didefiniikan ebagai ebuah robot yang memiliki bentuk dan ejumlah karakteritik menyerupai manuia, baik keeluruhan truktur maupun pergerakan dari robot itu endiri. Seperti telah diebutkan ebelumnya, robot humanoid memiliki ejumlah karakteritik menyerupai manuia. Adapun karakeritik yang dimakud antara lain ara berjalan, pergerakan organ tubuh, bahkan emoi erta ara berpikir yang menyerupai manuia. Salah atu jeni robot yang memiliki pergerakan berdaarkan pergerakan manuia, tepatnya pergerakan tangan manuia, adalah robot manipulator. obot manipulator yang biaa diebut robot indutri ini merupakan uatu manipulator mekanik yang teruun dari beberapa kerangka batang kaku yang terhubung eara eri oleh item penyambung revolute atau primati. Salah atu ujung rangkaian dihubungkan dengan pangkalan penopang (upporting bae) dan ujung yang lain berupa ujung beba dilengkapi dengan peralatan yang diebut end-effetor eperti gripper, welding gun, pray gun, dan ebagainya [6]. Dalam tahap peranangan pembuatan robot humanoid juga diperlukan pemahaman lebih jauh mengenai karakteritik manuia. Untuk itu diperlukan data-data eperti bentuk dan geometri tubuh erta pergerakan manuia. Dari data-data terebut, nantinya akan diperoleh geometri tiap rua (link), jumlah, erta letak tiap endi (joint) yang digunakan dalam peranangan robot humanoid. II. PEANCANGAN BENTUK DAN GEOMETI MAKAA Tahap pertama yang dilakukan dalam peranangan bentuk dan geometri erta pergerakan dari robot humanoid adalah dengan memahami bentuk dan karakteritik manuia. Pemahaman ini dilakukan dengan ara mengambil data ukuran tubuh dan pergerakan daar manuia dari ejumlah ampel.

2 Setelah mendapatkan eluruh rata-rata data, elanjutnya rata-rata etiap bagian dibandingkan dengan rata-rata data tinggi dari ujung kaki ampai dengan bahu. Sehingga diperoleh data yang diambil ebagai propori perentae panjang tiap link dari robot humanoid. Perentae panjang tiap link nantinya akan dipakai ebagai pauan peranangan tiap link. Dalam peranangan pergerakan robot humanoid, diperlukan data pergerakan daar dari manuia. Pergerakan daar ini nantinya akan digunakan ebagai auan pergerakan yang memungkinkan robot humanoid melakukan pergerakan terebut. Seperti telah dijelakan mengenai ara pengambilan data pergerakan, maka diperoleh data-data ebagai berikut : Karakteritik pergerakan (jalan tampak amping) : Gambar : Pergerakan jalan tampak amping Karakteritik pergerakan badan aat melangkah (jalan tampak amping) : Gambar : Pergerakan badan aat melangkah Dari data-data di ata diperoleh letak dan jumlah titik-titik umbu pergerakan pada eluruh bagian tubuh manuia baik pada bagian kaki, badan maupun tangan. Titik-titik umbu ini nantinya dipakai ebagai titik poro putar dari tiap link dan juga diperoleh jumlah derajat kebebaan yang dibutuhkan dalam peranangan pergerakan robot humanoid endi pangkal beti roll. endi pangkal beti pith 3. endi lutut 4. endi pangkal paha pith. endi pangkal paha roll 6. endi pinggul 7. endi perut 8. endi badan 9. endi pundak pith. endi pundak roll. endi lengan yaw. endi lengan pith 3. link badan 4. link lengan ata. link lengan bawah 6. link paha 7. link pinggul 8. link beti 9. link telapak Gambar 3: Penamaan link dan endi robot humanoid Makara Seperti telah diebutkan ebelumnya bahwa peranangan truktur dan geometri robot humanoid berdaar pada truktur dan geometri manuia. Salah atunya adalah peranangan panjang tiap link pada robot humanoid. Panjang tiap link dieuaikan dengan nilai perbandingan link terebut dengan tinggi total dari daar ampai bahu. Untuk itu dibutuhkan peranangan tinggi total robot yakni etinggi 4 mm. Selain itu dalam peranangan model bentuk detail geometri juga dieuaikan dengan kerangka ranangan yang berii letak dan arah putar tiap endi dalam peranangan robot humanoid Makara. Kerangka ini juga menunjukkan jumlah derajat kebebaan (DOF degree of freedom) robot humanoid Makara yakni ebanyak DOF. Dalam peranangan bentuk dan geometri ini menggunakan alah atu oftware CAD. Berikut ini adalah deain kontruki dan geometri bentuk dari robot humanoid Makara.

3 Link Telapak Kaki, Beti dan Pinggul Gambar 4: Link Telapak Kaki (kiri), Beti Kaki kiri (tengah), link Pinggul (kanan) Link Paha, Badan, Lengan Ata, dan Lengan Bawah Gambar : Link paha kiri (kiri), badan (tengah), lengan ata(tengah), lengan bawah (kanan) Link badan Link lengan ata Link pinggul Link lengan bawah Link paha Link beti Link telapak Gambar 6: Potur Makara aat berjalan III. PEANCANGAN STABILITAS STATIK KONDISI BEJALAN Seara ederhana ketabilan tatik aat berjalan, diapai dengan menyeimbangkan (membuat menjadi nol) emua gaya-gaya/momen yang bekerja/terjadi. Hal ini, pada penelitian yang edang dilakukan ini, diapai dengan meranang potur tabil dari ara berjalan (walking poture) robot humanoid (Makara ) terebut. Pada tahap pertama, eluruh perhitungan dilakukan dengan penyederhanaan Makara dengan menghilangkan tangan dan kepala karena dianggap tidak mengalami pergerakan, ehingga dianggap belum memiliki efek terhadap proe tabiliai. Hal yang haru dipertimbangkan dalam meranang table walking poture eara gari berar adalah ebagai berikut : ) Support Polygon : walking poture diperoleh dengan menempatkan proyeki vertikal dari total COG dari robot humanoid untuk elalu berada di dalam upport polygon phae []. Support polygon (Gambar 7) di definiikan ebagai onvex hull dari ontat point dari kaki humanoid. Selama ingle upport phae, gari terluar yang menghubungkan kaki dianggap ebagai upport polygon [3,4]. 3

4 4 Gambar 7 : Polygon double upport phae (kiri) dan frame efereni (kanan) ) Koordinat COG dan maa komponen: Seluruh perhitungan pergerakan di lakukan pada koordinat frame eperti pada Gambar 8. Letak poii dan maa dari komponen dihitung dengen mempertimbangkan material dan geometri bentuk komponen terebut. Sebagai ontoh, pada kondii diam, COG total berada pada [mm], 3.98[mm],.7[mm] terhadap frame refereni, dengan total berat.69 [kg]. Gambar 8. Frame Koordinate. 3) Tranformai Link : Pada bagian ini, poii dan orientai dari frame koordinat diaumikan egari dengan umbu joint. Hal ini perlu dilakukan untuk menghitung ketabilan maa komponen Makara terhadap frame refereni. Dari inilah etiap pergerakan kontinyu akan dibagi menjadi gerakan dikrit (ekeil mungkin, tergantung reolui yang dipeifikaikan) untuk mengetahui perubahan poii puat maa eluruh komponen. Setiap potur gerakan berjalan akan dilihat ketabilannya, bila tidak tabil maka potur lain akan diari hingga terapai ketabilan di etiap gerakan dikrit. Oleh karena itu, poii dan orientai yang telah didapat kemudian digunakan untuk menentukan matrik tranformai yang tepat untuk etiap frame koordinat berdaarkan peramaan berikut :. P P P B BOG A A B A dimana A B untuk joint-n yang berotai pada umbu : X ; Y ; Z ; BOG A P z y x p p p P x, P y dan P z adalah koordinat dari frame n yang ditranlai ke n+. Hail dari alah atu koordinat frame adalah ebagai berikut :

5 T 3 T T Setelah emua tranformai matrik diketahui, maka tranformai link dapat dihitung dengan mengalikan tranformai yang berhubungan terebut. Seluruh perhitungan diata hanya digunakan untuk menari perhitungan aat kaki kiri melangkah dan kaki kanan tetap. Untuk hal ebaliknya, proedur perhitungan yang ama haru dilakukan. III. HASIL DAN ANALISA A. Sudut potur berjalan dari joint Maka diranang untuk berjalan dalam 4 tahap. Setiap tahap haru dietimbangkan terlebih dahulu, dengan melakukan proyeki vertikal COG didalam polygon upport. Pergerakan COG terlihat pada Gambar 9, dan. Gambar 9. Poii koordinat COG dan Maa dari etiap komponen Gambar. Pergerakan COG pandangan X-Y (kiri) dan pergerakan COG pandangan X-Z (kanan) Gambar. COG Movement 3D (kiri) dan walking pattern (kanan) B. Sitem Kontrol dan Keepatan Angular motor Setiap link Makara, bergerak eara imultan elama berjalan, ehingga metode kontrol dibuat edemikian rupa ehingga pergerakan eleai pada waktu yang ama. Akhir dari kontrol motor ini

6 adalah pengendalian keepatan angular dari etiap motor. Contoh keepatan angular dari beberapa motor terlihat pada Gambar dibawah ini. Servo Servo Angular Speed (deg/) Angular Speed (deg/) Time () Time () Gambar. Profil keepatan dari beberapa motor(kiri dan tengah) C. Analia Gaya Seaat etelah keepatan angular diperoleh, gaya yang terjadi karena keepatan awal (initial veloity) dan akelerai kemudian dihitung untuk menghitung gaya-gaya yang terjadi (pada tiga umbu Gambar kanan) karena hal terebut dan dihubungkan dengan gaya yang terjadi karena potur aat itu (Gambar 3). Bila terjadi ketidaktabilan maka perubahan koreki terhadap keepatan motor dan potur diperbaiki. Ketabilan dianggap terapai bila gaya total yang terjadi (gaya terekitai) lebih keil dari total gaya karena gaya gravitai. Oleh karena itu, keepatan berjalan Makara maih angat lambat. Selain perhitungan yang ukup komplek juga karena algoritma item kontrol yang maih haru dikembangkan. 3 Time Fy Fxz 3 Time 4 Fy Fxz 3 Fore (N) Fore (N) Time () Time () Gambar 3. Gaya ekitai pada kondii tabil (kiri) dan tidak etabil (kanan) IV. KESIMPULAN Potur tabil jalan Makara, melalui ketabilan momen dengan mempertimbangkan keepatan dan poii COG telah dapat dihailkan. Salah atu kondii yang diyaratkan adalah proyeki vertikal COG haru berada pada polygon upport. Potur gerakan berjalan yang didapat ini menjadi template gerakan utama robot untuk melakukan perbaikan potur bila Makara mengalami gangguan ketabilan (diturbane) aat berjalan. DAFTA PUSTAKA ACUAN [] Antonio Pikel, Control for a Biped obot with Minimal Number of Atuator, November - May 3. [] Erik V. Cueva, Daniel Zaldivar, aul oja, Bipedal obot Deription, January, [3] Toby Daniel Low, Ative Balane for a Humanoid obot, Shool of Information Tehnology and Eletrial Engineering, The Univerity of Queenland, Otober 9, 3. [4] Kenji Kaneko, et.al, Deign of Prototype Humanoid oboti Platform for HP Proeeding of the IEEE/SJ, Intl. Conferene on Intelligent obot and Sytem EPFL, Lauanne, Switzerland Otober. [] Paul C., Yokoi H., Matuhita K., Deign and Control of Humanoid obot Loomotion with Paive Leg and Upper Body Atuation, Artifiial Intelligene Lab. Univerity of Zurih, Switzerland. 6

7 7