ANALISIS KINEMATIKA MOBILE MANIPULATOR PADA EXCAVATOR BACKHOE

Transkripsi

1 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: ANALISIS KINEMATIKA MOBILE MANIPULATOR PADA EXCAVATOR BACKHOE Randis ), Suhalena 2), Risti Jayanti 2) Teknik Mesin Alat Beat, Politeknik Negei Balikpapan 2 Teknik Elektonika, Politeknik Negei Balikpapan [email protected] Abstak Eksavato bachoe meupakan alat beat yang paling umum digunakan di bidang petambangan kaena lincah dalam melakukan bebagai jenis pekejaan. Mesin ini juga meupakan alat beat yang paling seba-guna kaena mampu menangani bebagai macam pekejaan alat beat yang lain. Penelitian ini betujuan untuk menghitung kinematika manipulato dan mobile pada eksavato bachoe. Pengambilan data dilakukan di PT.United Tacto Makassa. Data yang diambil adalah panjang boom, am dan bucket, jai-jai oda, leba tack backhoe, dan jaak antaa titik tengah pada 2 oda. Data yang dipeoleh, digunakan dalam pehitungan kinematika lengan dan eksavato mobile. Dai poses pengukuan dipeoleh dimensi utama yaitu jaak sumbu oda (2.2 m), leba tack (.637 m) dan jai-jai oda (.44 m). Aea keja dai boom adalah m, untuk am adalah m dan untuk bucket adalah.482 m. Hasil penelitian pehitungan kinematika lengan dipeoleh posisi x, y dan z pada end effecto xt ( m), yt (4.556 m) dan zt (3.5 m). Kecepatan yang dipeoleh adalah (.56 π ad/sec), (6.26 ππad/s), dan (3.33 πad/s). Pecepatan yang dipeoleh adalah ( 4.79 π ad/sec²), ( 7.79 π ad/sec²), dan ( 4.79 π ad/sec²). Kata Kunci: kinematika manipulato, kinematika mobile, eksavato backhoe, kecepatan, pecepatan Abstact The analysis of the kinematic on the manipulato mobile on the backhoe excavato. The backhoe excavato is the most common heavy equipment used in the mining industies as its ability to agile in doing vaious kinds of wok. The machine is also the most vesatile machine, because it can handle a wide vaiety of othe heavy equipment jobs. This study aims to calculate the kinematics of the manipulato and mobile on the machine. The data is collected in PT. United Tacto Makassa. The data ae the length of the boom, am and bucket, the wheel spokes, the tack backhoe wide, and the distance between the midpoint of 2 wheels. The data obtained is used in the calculation of the kinematics of am and mobile excavatos. Fom the measuement pocess, it deives the main dimensions, including the wheelbase (2.2 m), the width of tack (,637 m), and the adius of the wheel (44 m). The woking ange of boom is m, while that of am is m and that of bucket is,482 m. The esults of the eseach of the am kinematics calculations show the position x, y and z on the end effectos xt ( m), yt (4.556 m) and zt ( 3.5 m). The velocity obtained is (.56 π ad/sec), (6.26 π ad/sec), and (3.33 π ad/sec). The acceleation mobile obtained is ( 4.79 π ad/sec), ( 7.79 π ad/sec), and ( 4.79 π ad/sec²). Keywods :, manipulato kinematics, mobile kinematic, backhoe excavato, velocity, acceleation. Pendahuluan Excavato (ekskavato) adalah alat beat yang tedii dai boom (bahu), lengan (am), seta alat keuk (bucket) dan digeakkan oleh tenaga hidolis yang dimotoi oleh mesin diesel dan beada di atas oda antai (tackshoe). Sesuai dengan namanya (excavation), alat beat ini memiliki fungsi utama untuk pekejaan penggalian (Lidiawati, 23). Pada bidang petambangan, eksavato digunakan untuk mengangkut mateial ke dalam tuck untuk selanjutnya dipindahkan ke tempat yang telah di sediakan. Dalam melaksanakanya, pekejaan 25

2 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: dilakukan secaa beulang dengan siklus dan uang geak yang sama dalam satuan waktu tetentu, sehingga memungkinkan melakukan kontol otomatis sepeti obot-obot yang ada di industi maju dan bekembang guna meningkatkan tingkat efektifitas dan efisiensi (Muphy,22). Kontol otomatis sangat efektif dan efisien dibandingkan dengan sistem kontol manual. Hal ini disebabkan pada kontol dengan sistem manual, opeato haus beada di kabin dengan tingkat esiko yang sangat besa, sedangkan dengan kontol otomatis, eksavato dapat begeak secaa otomatis sesuai dengan peintah pogam yang telah disematkan ke dalam modul atau chipnya (Caig, 26). Kontol otomatis dapat diteapkan pada suatu alat atau unit dengan bantuan pogam, dimana dapat memeintah dan mengendalikan unit untuk melakukan pekejaan sesuai dengan kehendak dan keinginan dai sebuah pogam yang teintegasi. Di dalam suatu pogam, tedapat bebeapa fomulasi dan pesamaan numeik yang di-compile ke dalam bahasa pogam aga dapat dieksekusi dan dijalankan oleh unit yang besangkutan (Enda, 26). Fomulasi dan pesamaan numeik dapat diteapkan dengan bantuan pesamaan Denenvit- Hatenbeg (Caig, 26 dan Jacob, 26) untuk mengetahui posisi end efecto (dalam hal ini adalah bucket dai excavato). Dengan mengetahui end efecto dai excavato beati dengan fungsi invest, dapat pula ditentukan sudut posisi end efecto yang dimaksud. Pada penelitian sebelumnya yang menyangkut mengenai masalah ini (Idam, 24), telah diancang dan dihitung kinematika lengan dan mobile model eksavato pneumatic dengan menggunakan manipulato 4-Joint (DOF) yang didapat dengan metode DH Paamete dengan sistem kontol bebasis wieless. Kendala yang muncul dalam penelitian ini adalah dimensi dai lengan dan unde caiage yang tidak dapat mempesentasikan ukuan dan dimensi yang sebenanya dai PC 2 kaena ancangan hanya beupa model/pototype. Tujuan penelitian ini adalah untuk melakukan pehitungan kinematika untuk lengan dan mobile PC 2 dengan menggunakan pesamaan Denenvit Hatenbeg 2. Kajian Pustaka Konsep Kinematika Sebuah lengan dapat dianggap sebagai sebuah lengan manipulato obot, dimana konsep dan analisis kinematika dapat diteapkan sebagaimana konsep dan analisis kinematika yang umumnya diteapkan pada manipulato obot. Gamba. Tansfomasi Kinematik Maju dan Kinematik Balik (Afandi, 22) Bedasakan Gamba dipeoleh infomasi bahwa jika jai-jai dan dai suatu stuktu obot n-dof diketahui, maka posisi yang dinyatakan dengan P(x,y,z) dapat dihitung. Jika meupakan sebuah fungsi bedasakan waktu (t), maka posisi dan oientasi P(t) dapat dihitung juga secaa pasti. Tansfomasi koodinat ini dikenal sebagai kinematika maju (Afandi, 22). Selanjutnya jika posisi dan oientasi P(t) diketahui maka, (t) tidak langsung dapat dihitung tanpa mendefinisikan beapa DoF stuktu obot tesebut. Jumlah sendi n dai n-dof yang dapat dibuat untuk melaksanakan tugas sesuai dengan posisi dan oientasi P(t) itu dapat benilai n(m,m+, m+2,,m+p), dimana m adalah jumlah sendi minimum dan p adalah jumlah sendi yang dapat ditambahkan. Tansfomasi ini dikenal sebagai kinematika balik (Afandi, 22). Kinematika obot adalah studi analitis pegeakan kaki atau lengan obot tehadap sistem keangka koodinat acuan yang diam/begeak tanpa mempehatikan gaya yang menyebabkan pegeakan tesebut. Model kinematika meepesentasikan hubungan end effecto dalam uang tiga dimensi dengan vaiabel sendi (joint) dalam uang sendi. Pemodelan kinematik ini 26

3 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: diklasifikasikan ke dalam kinematik maju (fowad kinematic) dan kinematik balik (invese kinemtic). Kinematika maju mendeskipsikan posisi dan oientasi end effecto yang dinyatakan dalam posisi sendi, sedangkan kinematika balik mendeskipsikan konfiguasi posisi sendi untuk menghasilkan posisi dan oientasi end effecto tetentu (Afandi, 22). Kinematika Manipulato Kinematika adalah ilmu geak yang mempelakukan geak tanpa mempehatikan gaya yang menyebabkannya. Dalam ilmu kinematika satu studi posisi, kecepatan dan pecepatan meupakan tuunan ode tinggi dai vaiabel posisi tehadap waktu atau vaiabel lain. Oleh kaena itu, studi tentang kinematika manipulato mengacu pada semua popeti geometis dan bebasis waktu geak. Hubungan antaa geakan, gaya dan tosi yang menyebabkan meeka adalah masalah dinamika. Kaitannya dengan geometi manipulato yang kompleks dibuat bebagai keangka kemudian digambakan hubungan antaa keangkakeangka tesebut. Studi tentang kinematika manipulato melibatkan, antaa lain, bagaimana lokasi keangka-keangka ini beubah sebagai mekanisme (Caig, 26, Jacob, 26). Denenvit-Hatenbeg Analisis pesamaan kinematik dapat diselesaikan dengan metoda Denenvit-Hatenbeg Paametes (DH Paamete). Denavit dan Hatenbeg mempekenalkan pendekatan sistematik dan pendekatan umum dengan menggunakan matiks algeba untuk menyatakan dan menunjukkan geometi spasial pada link pada lengan obot dengan fame yang tetap. DH paamete ini menggunakan matiks homogeneous tansfomation 4 x 4 untuk menyatakan hubungan spasial antaa dua link yang behubungan seta menyedehanakan masalah fowad kinematics pada matiks tansfomasi homogeneous yang behubungan dengan penempatan spasial dai fame koodinat lengan tehadap fame koodinat efeensi. Matiks tansfomasi homogeneous dinyatakan dengan matik tansfomasi T pada sendi ke-i (Caig, 26). Suatu caa khas epesentasi analisa hubungan geak otasi dan tanslasi antaa lengan-lengan yang tehubung dalam suatu manipulato telah dipekenalkan oleh Denenvit dan Hatenbeg pada tahun 955. Meskipun telah lima dasawasa yang lalu, metoda ini masih banyak digunakan utamanya untuk pemogaman obot-obot manipulato di industi (Caig, 26). Gamba 2 : Paamete Denenvit-Hatenbeg (Caig, 26) Gamba 2 menunjukan paamete Denenvit- Hatenbeg. Dai gamba dapat dilihat bahwa yang diuku sepanjang sumbu i, dimana a i l bepotongan dengan sumbu panjang angka (a i l ), adalah jaak antaa sumbu i dengan sumbu i-l. Peputaan angka (α i l ) adalah sudut yang diuku dai sumbu i-l ke sumbu i. Link offset (d i ) adalah jaak i, dan dimana a i bepotongan dengan sumbu i. Penggunaan Denenvit-Hatenbeg Pinsip dasa epesentasi D-H adalah melakukan tansfomasi koodinat anta dua link yang bedekatan. Hasilnya adalah suatu matix (4 x 4) yang menyatakan system koodinat dai suatu link dengan link yang tehubung pada pangkalnya (link sebelumnya) (Enda, 26). Dalam konfiguasi seial, koodinat (ujung) link- dihitung bedasakan sendi- atau sendi pada tubuh obot. Sistem koodinat link-2 dihitung bedasakan posisi sendi- yang beada di ujung link- dengan mengasumsikan link- adalah basis geakan link-2, sedemikian seteusnya, (link-3 dihitung bedasakan link-2, hingga link ke-(n) dihitung bedasakan link ke-(n-)) (Enda, 26). Teakhi, posisi koodinat (end effecto) akan dapat diketahui. Repesentasi DH paamete menggunakan 4 buah paamete, yaitu, α, d dan a. Untuk obot dengan n-dof maka keempat paamete itu ditentukan hingga yang ke-n. 27

4 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: Batasan-batasan dai paamete Denenvit- Hatenbeg dapat dilihat pada Tabel (Enda, 26) Tabel. Batasan Paamete Denenvit-Hatenbeg a i Jaak dai Z i Ke Z i+ Diuku sepanjang i Sudut antaa d i Jaak dai X i i Sudut antaa Z i Z i+ Diuku sekita X i Ke X i Diuku sepanjang dan X i Diuku sekita Aplikasi pehitungan DH paamete dapat dilihat pada pehitungan-pehitungan paamete pada Manipulato Tiga Sendi. Rumus umum DH Paamete adalah (Enda, 26) c i s i α i i s T i cα i c i cα i sα i sα i d i i () s i sα i c i sα i cα i cα i d i I Tabel 2. DH Paamete a i i- 2 L 3 L 2 d i i 2 3 X i X i Z i Z i Kinematika Mobile Mobile obot beati obot yang dapat begeak ke tempat lain, dengan jaak yang agak jauh. Mobile obot banyak digunakan pada aplikasi petahanan dan keamanan, dan penjelajahan lingkungan yang ekstim. Rescue obot dai Intenational Rescue System Institute (IRS) meupakan salah satu mobile obot yang dipegunakan untuk kepeluan SAR (Seach and Rescue), khususnya pada bangunan yang mengalami keusakan akibat gempa bumi dan ledakan. Robot ini dikendalikan oleh seoang opeato (Caig, 26). Mobile obot dengan opeato oiented adalah pengenalan geakan dai obot yang membutuhkan seoang opeato. Jadi seluuh geakan obot untuk memindahkan tubuhnya tegantung dai instuksi yang dibeikan oleh seoang opeato. Sistem ini lebih banyak dipakai untuk aplikasi dilapangan, dibandingkan sistem otomatis penuh, disebabkan oleh keadaan lingkungan yang tidak dapat ditebak (Caig, 26). Mobile Robot adalah konstuksi obot yang cii khasnya mempunyai aktuato beupa oda untuk menggeakkan keseluuhan badan obot tesebut, sehingga obot tesebut dapat melakukan pepindahan posisi dai satu titik ke titik yang lain (Enda, 26). Menuut Jacob (26) umus umum DH Paamete adalah: i ci sc i T ssi s i c c c s i i s c i i a i- si di c idi (2) Bedasakan Tabel DH Paamete didapat tansfomasi matiks sebagai beikut (Jacob, 26) T T 2T 3T 4T Px Py P z (3) Gamba 3. DDMR pada medan 2D catesian (Enda, 26) Mobile obot yang dimaksud di sini adalah mobile obot bepenggeak dua oda kii-kanan yang dikemudikan tepisah (Diffeentially Diven Mobile Robot, disingkat DDMR) (Enda, 26). Pada Gamba 2, obot diasumsikan beada dalam kawasan 2D pada koodinat Catesian XY. Paamete-paamete dalam gamba adalah (sudut aah hadap obot), 2b (leba obot yang 28

5 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: diuku dai gais tengah oda ke oda), (Jai-jai oda (oda kii dan kanan adalah sama dan sebangun)), d (jaak antaa titik tengah antaa 2 oda, G dengan titik acuan F), dan x,y ( koodinat acuan di tubuh obot tehadap sumbu XY) (Enda, 26). Dalam kajian kinematik ini obot diasumsikan begeak elatif pelan dan oda tidak slip tehadap pemukaan jalan. Maka komponen x dan y dapat diekspeesikan dalam suatu pesamaan nonholonomic sebagai beikut (Caig, 26) x G sin φ y G cos φ (4) Untuk titik F sebagai acuan analisa, pesamaan di atas dapat ditulis, (Caig, 26) x G sin φ y G cos φ + φ d (5) obotika, begitupula untuk analisis dinamikanya. Posedu penelitian dilakukan dengan menyiapkan data pime dan sekunde yang akan digunakan dalam pelaksanaan pehitungan D-H Paamete dan menghitung pesamaan kinematika dalam poses pegeakan model eksavato dengan sistem hidolik. 4. Hasil Penelitian Pehitungan Kinematika Lengan Dai data pengukuan yang dipeoleh di lapangan, maka dapat dibuat tabel DH Paamete sebagai beikut : Tabel 3. DH Paamete dai hasil pengukuan Masalah klasik dalam kontol kinematik DDMR ini adalah bahwa kontol ini memiliki dua aktuato, namun paamete kontolnya lebih dai dua, yaitu x untuk geakan ke aah X ( DOF). Inilah cii khas dai sistem non-holonomic (Enda, 26). Bentuk umum pesamaan kinematik untuk DDMR ini dapat dinyatakan dalam pesamaan kecepatan sebagai beikut: (Caig, 26) q t T NH q t (6) dimana q adalah sistem koodinat umum obot, q adalah,, φ T, adalah kecepatan adial (v Kecepatan linie dan ω Kecepatan sudut), adalah v, ω T, dan T NH adalah matiks tansfomasi non-holonomic. 3. Metoda Penelitian Pengukuan dan pengambilan data dilakukan di PT. United Tacto Makassa, sedangkan untuk pengolahan/analisis data dilaksanakan pada di Politeknik Negei Balikpapan. Analisis kinematika diselesaikan dengan Metoda Denenvit-Hatenbeg Paametes (DH Paamete), suatu caa khas epesentasi analisa hubungan geak otasi dan tanslasi antaa lengan-lengan yang tehubung dalam suatu manipulato. Matiks Jacobian juga dapat digunakan untuk mengkaji pesamaan geak dengan efisien. Dalam bidang obotika, Jacobian matiks menguaikan hubungan antaa sudut engsel ( N), putaan dan otasi kecepatan dai end effekto (x ). Dengan matiks Jacobian dapat ditemukan pesamaanpesamaaan untuk kecepatan dan pecepatan i - i α (i ) a (i ) d i i Gamba 4. Konfiguasi model Excavato Bachoe Tansfomasi matiks untuk sumbu, dituliskan sebagai beikut IT (7) Tansfomasi matiks untuk sumbu 2, dituliskan sebagai beikut 29

6 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: T (8) Tansfomasi matiks untuk sumbu 3, dituliskan sebagai beikut 2 3T (9) Tansfomasi matiks untuk sumbu 4, dituliskan sebagai beikut 3 4T () Tabel 4. Data pengukuan excavato backhoe No Paamete Nilai 2b 22 mm 2.2 m 2 R 44 mm.44 m 3 d 637 mm.637 m 4 45 o 5 L R pm 3.33 π ad s , π 2 ad s 2 Pegeakan lengan-lengan dai dasa (base) sampai sumbu 4 dapat dilihat pada pesamaan beikut: 2 3 4T T 2T 3T 4 T () Atau 4T (2) Pegeakan lengan dai dasa (base) menuju endeffecto, sehingga posisi x, y dan z pada end effecto (Bucket) adalah x T (), y T (4.556 m) dan z T (3,5m) Pehitungan Kinematika Mobile untuk Kecepatan Excavato Backhoe Dai data pengukuan excavato backhoe yang dilakukan, maka dipeoleh data sebagi beikut : Gamba 5. DDMR pada medan 2D Catesian Bentuk umum pesamaan kinematika untuk kecepatan excavato backhoe sepeti telihat pada pesamaan: atau x T y T z T cos sin 45 sin cos π 3.33π π 3.33π.482 (3) (4) (5) Dai pesamaan di atas, didapatkan nilai x T (m), y T (4.556m) dan z T (3.5m). 3

7 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: π 6.26π 3.33π (6) Pehitungan Kinematika Mobile untuk Pecepatan Excavato Backhoe Bentuk umum pesamaan kinematika untuk kecepatan Excavato backhoe sepeti telihat pada pesamaan beikut: sin cos d cos + d sin cos sin d sin d cos. L R sin 45 cos cos sin 45 cos45 sin sin cos Kesimpulan dan Saan (7). L R (8). L R (9) (2) (2) Dai hasil analisis data pada pembahasan di atas, beikut adalah bebeapa kesimpulan. Kinematika lengan excavato backhoe yang dipeoleh pada posisi x, y dan z pada end effecto adalah x T (m), y T (4.556m) dan z T (3.5m). Pesamaan kinematika mobile excavato backhoe untuk kecepatan dipeoleh sebagai beikut.56π 6.26π 3.33π Pesamaan kinematika mobile excavato backhoe untuk kecepatan dipeoleh : Dai kesimpulan di atas dan seiing pekembangan teknologi yang begitu pesat saat ini maka disaankan aga penilitian selanjutnya dapat dikembangkan dengan metode analisis menggunakan fenite element sehingga distibusi tegangan dan dampaknya pada sistem jika dibei beban pada bagian-bagian pada excavato backhoe dapat diketahui. Penelitian selanjutnya juga dihaapkan dapat mengembangkan ke aah otomasi pada excavato backhoe dengan dasa dan landasan pada pehitungan kinematika yang telah dibuat. Dafta Pustaka Afandi MI, 22, Pemodelan Kinematika Sistem Pengaahan Misil dengan Pehitungan Gangguan pada Landasa, LIPI Tanggeang. Caig. J. 26.Intoduction to obotics: mechanics and contol/john J. Caig.-3d ed. USA: Peason Education Intenational. Enda, P. 26. Disain, contol, dan Kecedasan Buatan XE Kecedasan, buatan.yogyakata: Andi Yogyakata Jacob, R, 26, Models of obot manipulation EE 543. Idam. 24. Rancang bangun model excavato dengan system pneumatic. Univesitas Hasanuddin Makassa. Lidiawati I. 23. Definisi Excavato. diakses 2 Novembe. Available fom: vato-adalah.html Muphy. L.22. Digge Blog. Diakses 6 Januai 25. Avalaible fom: constuctionindex.co.uk/the-diggeblog/view excavato-becomes-a-bagain-basementmachine.html. 3

8 Vol. 7, No., Novembe 25 ISSN: