Robot Humanoid. Andi Susilo,

Transkripsi

1 Robot Humanoid Semarang, 4 Februari 2003 Andi Susilo, andi.susilo@mail.com Berkaitan dengan slogan Honda The Power of Dreams, Honda menetapkan sendiri tujuan ambisius untuk menciptakan sebuah robot yang berjalan diatas dua kaki dengan mengembangkan teknologi baru yang revolusioner. Riset yang mulai dengan memimpikan bentuk robot ideal bagi penggunaannya di lingkungan manusia. Robot diperlukan untuk bisa bermanuver diantara objek-objek di dalam ruangan, mampu menaiki dan menuruni tangga dan bisa berjalan di dasar yang tidak rata. Untuk alasan ini robot harus memiliki dua kaki persis manusia. Tahun 1986 robot dua kaki pertama dibuat dengan nama E0 Robot dua kaki dibuat untuk berjalan. Berjalan dengan mengangkat satu kaki secara bergantian. Bagaimanapun juga membutuhkan sedikitnya lima detik diantara langkahnya, berjalan dengan sangat lambat pada lintasan lurus. Untuk meningkatkan kecepatan langkah atau memungkinkan berjalan pada permukaan yang tidak rata atau miring, berjalan dengan cepat harus bisa direalisasikan. Tahun : E1, E2 dan E3 Cara berjalan manusia sepenuhnya diselidiki dan dianalisa. Berdasarkan pada data ini, program robot dua kaki yang berjalan cepat diciptakan, sebagai masukan dari robot dan eksperimen-eksperimen dimulai. Robot E2 bisa berjalan cepat mencapai kecepatan 1,2 Km/Jam pada permukaan datar. Tahap berikutnya direalisasikan dengan cepat, berjalan dengan stabil pada lingkungan kehidupan manusia, khususnya pada permukaan yang tidak rata, miring dan bertingkat tanpa jatuh. 1

2 Tahun : E4, E5, E6 Honda menyelidiki teknik-teknik kestabilan berjalan, dan mengembangkan tiga teknik kontrol: Floor Reaction Control Target ZMP Control Foot Planting Location Control Robot E5 Honda mencapai kestabilan, berjalan dengan dua kaki, bahkan pada permukaan bertingkat atau miring. Tahapan berikutnya adalah untuk mengaitkan kaki ke tubuh dan menciptakan sebuah robot manusia (humanoid robot). Tahun : P1, P2 dan P3 P1 mampu menghidupkan dan mematikan listrik eksternal dan saklar komputer, menekan tombol pintu, dan memungut serta membawa barang-barang. Robot P1 memiliki tinggi 1,91m dan berat 175 kg. P2, mampu mengatur dirinya sendiri pertama di dunia, robot humanoid dua kaki, pemunculan pertamanya bulan Desember, Menggunakan teknik wireless (tanpa kabel), batang tubuhnya berisi komputer, pengendali motor, baterai, wireless radio, seluruhnya dikemas didalamnya. Memiliki tinggi 1,82m, dan berat 210 kg. P3, Dalam bulan September 1997 (the two-legged humanoid walking robot) robot humanoid P3 selesai. Ukuran dan beratnya dikurangi dengan mengubah bahan-bahan komponennya dan dengan mendesentralisasikan sistem kontrol. Ukuran yang lebih kecil akan lebih baik disesuaikan didalam pemanfaatan di lingkungan manusia. Memiliki tinggi 1,60m dan berat 130 kg. 2

3 Tahun 2000: ASIMO Menggunakan pengetahuan bagaimana memperkuat prototipe P2 dan P3, riset dan pengembangannya mulai dengan teknologi baru untuk penggunaan aktual. ASIMO mewakili keberhasilan dari pengejaran pengetahuan ini. Beratnya dikurangi menjadi 43 kg dan tingginya 1,20 m. Konsep Dalam tahun 1986, Honda memulai program pengembangan dan riset humanoid robot. Kunci ke pengembangan robot mencakup Inteligensia dan Mobilitas. Honda mulai dengan konsep dasar bahwa robot seharusnya berdampingan dan bekerjasama dengan keberadaan manusia, dengan mengerjakan apa yang tidak mampu dikerjakan oleh manusia dan dengan mengolah dimensi baru didalam mobilitasnya pada akhirnya membawa manfaat di lingkungan sosial. Hal ini menyediakan sebuah garis petunjuk pengembangan jenis baru robot yang bekerja sehari-hari, lebih daripada hanya robot yang dibangun untuk operasi-operasi khusus. Sekitar satu tahun dihabiskan secara sendirian pada awal penentuan konsep seperti apakah seharusnya robot dibangun. Robot harus mampu melakukan fungsinya seperti bergerak terus-menerus memperlengkapi ruang dengan perabiot-perabot rumah tangga, menaiki dan menuruni tangga saat dirancang untuk penggunaan rumah. Di saat yang sama, tim perancang memutuskan bahwa robot seharusnya memakai teknologi dua kaki yang mudah bergerak untuk membuatnya kompatibel dengan berbagai jenis daerah (tempat), termasuk permukaan yang sangat kasar. Dengan ide-ide ini didalam pikiran, insinyur-insinyur Honda memulai program pengembangan, memusatkan pada fungsi mobil yang berjalan dengan kaki yang berkorespondensi kepada dasar-dasar mobilitas 3

4 manusia. Seperti yang mungkin bisa Anda bayangkan, terdapat sejumlah tantangantantangan teknis untuk memperjelasnya sebelum menciptakan robot. Tentu saja, perhatian khusus harus dibayar kepada bagaimana cara kerja kaki manusia. Maka, fase pertama program ini diabdikan kepada analisa bagaimana seorang manusia menggunakan kaki untuk berjalan. Spesifikasi utama P2/P3 Maximum walking speed (km/h) Maximum working load (kg/hand) P2 2.0 P Operation time (min) ca.15 ca.25 Weight (kg) Height (mm) 1,820 1,600 Depth (mm) Width (mm) (Degree of Freedom=DOF) Leg DOF Arm DOF 6 x 2 = 12 7 x 2 = 14 Hand DOF Actuator 2 x 2 = 4 1 x 2 = 2 Harmonic decelerator+dc servo Link material Aluminum Magnesium CPU Sensors Transmitter Battery Microspec II x 4 Microspec II (110MHz) x 2 Gyrometers, G-force sensors, six-axis force sensors(at ankles)and vision cameras Wireless ethernet system 138V 6Ah(Ni-Zn) 4

5 Tampilan depan dan samping Robot P3 Specifications Max. work weight Running time Weight Degree of Freedom (DOF) Actuators Sensors Transmitter Battery 5kg per hand about 15min. 210kg Leg's DOF:6x2=12 Arm's DOF:7x2=14 Hand's DOF:2x2=4 DC servo motors (+Harmonic Drives) Gyrometers G-sensors Six axis force sensors on wrists and feet Vision cameras Wireless ethernet modem 136V7Ah(Ni-Zn) 5

6 Studi tentang fungsi robot kaki manusia 1. Pergerakan persendian kaki saat berjalan (Movements of leg/foot joints when walking) Tim insinyur telah menetapkan bahwa ketiadaan jari kaki tidak mempunyai efek yang signifikan mempengaruhi jalannya robot. Yang lebih penting, dukungan yang dipastikan oleh bagian dasar jari kaki seperti jantung dari kaki, dan bagian-bagian persendian. Satu yang bukan hanya mendapatkan kritikan kepada ketidakstabilan gerakan maju dan mundur, tetapi juga kekurangstabilan saat menyeberang secara diagonal melalui permukaan mendaki. Juga tidak mungkin untuk mendaki dan menuruni tangga tanpa persendian lutut. Hasil dari pengujian-pengujian, dipilih untuk mengintegrasikan coxae, persendian lutut dan articulation pedis didalam robot humanoid. 2. Pensejajaran persendian (Joint alignment) Pensejajaran persendian ditentukan untuk membuat kesamaan struktur tulang tengkorak manusia. 3. Jangkauan pergerakan persendian (Movable ranges of joints) Jangkauan pergerakan persendian saat berjalan ditentukan sesuai dengan pengukuran-pengukuran uji berjalan diatas permukaan rata dan berjenjang. 4. Dimensi, berat, dan pusat gravitasi tiap-tiap kaki dan bagian pijakan (Dimensions, weights, and centers of gravity of each leg and foot part) Bagian pijakan pusat gravitasi tiap-tiap bagian ditentukan dengan mengacu kepada tubuh manusia. 5. Penerapan torsi kepada persendian ketika berjalan (Torque application to the joints when walking) Torsi yang bekerja pada persendian dioptimalkan berdasarkan pengukuranpengukuran dari pergerakan persendian manusia selama berjalan dan vektor-vektor reaksi dari kontak permukaan. 6. Sistem-sistem sensor yang dibutuhkan saat berjalan (Sensor systems required for walking) 6

7 Indera ekuilibrium kami diyakinkan oleh mekanisme tiga penginderaan. Deteksi percepatan disediakan oleh satolith. Tiga kanal semicircular mendeteksi kecepatan angular. Otot-otot bathyesthesia dan kulit bertanggung jawab dalam deteksi sudut, kecepatan angular, dinamisasi otot (muscular dynamism), Tekanan-tekanan pada tumbuh-tumbuhan (plantae) dan indera peraba. Yang juga penting adalah indera penglihatan, yang mendukung dan kadang-kadang memberi kompensasi kepada indera ekuilibrium. Juga menyediakan informasi yang dibutuhkan agar berjalan secara normal. Maka sistem robot kami diperlukan untuk menggabungkan gaya gravitas (G-force) dan sensor-sensor gaya 6 axis untuk mendeteksi kondisi kaki saat melangkah, dan sebuah inclinometer dan sensor-sensor sudut persendian untuk mendeteksi seluruh sikap badan. 7. Pendaratan yang berpengaruh kuat saat berjalan (Landing impact when walking) Seorang manusia dengan mudah berpengaruh kuat berjalan dengan kombinasi struktur-struktur dan fungsi-fungsi pergerakan. Awalnya mencakup kehalusan kulit, pergelangan-pergelangan kaki dan struktur-struktur yang mirip telapak kaki terdiri dari beberapa tulang pada persendian jari kaki. Terakhir dipastikan oleh gerakangerakan menikung pada persendian ketika plantae hadir saat kontak dengan permukaan jalan. Studi-studi cara berjalan manusia menyingkapkan bahwa reaksi permukaan cenderung naik sepanjang kenaikan kecepatan berjalan, bahkan dengan fungsi-fungsi keringanan dari shock yang disebutkan diatas. Ketika berjalan pada kecepatan 2-4 km/jam, beban kaki adalah 1,2-1,4 kali lebih besar dari berat badan. Pada kecepatan 8 km/jam, reaksi beban melampaui 1,8 kali beratnya. Meskipun robot harus mengutamakan mekanisme penyerapan goncangan (shock) yang sama (similar shock-absorption mechanisms), pengukuran struktural tidak aktif karena mereka barangkali telah mengurangi kestabilan robot. Pengaruh kuat penyerapan maka dijamin melewati pengendalian presisi komponen masing-masing. Berdasarkan hasil dari analisa, kami menentukan spesifikasi kaki-kaki robot. Perkembangan Robot Dua Kaki Berdasarkan rancangan prototipe, yang dihasilkan selama studi-studi fungsi kaki, dibuat tiga fungsi yang harus dipenuhi yaitu: kecepatan berjalan yang berkorespondensi 7

8 kepada manusia (misalnya 3 km/jam). Ketentuan dukungan struktural bagi mekanisme tingkat atas, yang dinamai arms dan hands. Kemampuan untuk menaiki dan menuruni tangga biasa. Program dimulai dengan berjalan secara statis (walking static) yang kemudian bergeser ke berjalan secara dinamis (Dynamic walking), gaya yang mendominasi cara berjalan manusia. Lazimnya, program robot berjalan dikembangkan menurut data dari cara berjalan manusia. Program berjalan aktif kemudian diintegrasikan kedalam sistem manajemen robot. Program studi berlanjut berangsur-angsur mengijinkan kami menentukan spesifikasinya. Kami menanggapi ini dengan menjamin operasi berjalannya dua kaki yang stabil dan akhirnya berjalannya dua kaki atas kepentingan sendiri. Static walking (berjalan statis): pusat gravitasi dipertahankan dengan dukungan area dasar kaki. Langkah kaki lebih kecil dan kecepatan lambat. Dynamic walking (berjalan dinamis): pusat gravitasi luar mendukung area dasar kaki. Manuver dalam berjalan dimana keseimbangan statis secara sengaja ditentukan. For Freer Walking Untuk basis operasi dua kaki, spesifikasi ditentukan bagi pergerakan dinamik lurus ke depan (straightforward) pada sebuah permukaan yang rata. Tahapan logika berikutnya adalah akan melaksanakan program riset dan pengembangan untuk freer walking. Robot yang dikembangkan didalam tingkatan berikut ini harus mampu berjalan diatas kondisi bergelombang dan penuh dengan tonjolan, yang cenderung kepada permukaannya dan tingkatan, sebaik berjalan sendiri lebih stabil tanpa resiko jatuh. Tantangan-tantangan teknis untuk menjamin kestabilan robot dipusatkan pada tiga faktor berikut ini: 1. Sebuah teknologi kontrol yang memudahkan pengaruh kuat pendaratan (landing impact) dan tidak dipengaruhi oleh tonjolan diatas permukaan jala. Fungsi semacam ini harus didukung oleh mekanisme komponen keseluruhan. 2. Sebuah strategi kontrol sikap tubuh untuk mengatur kembali robot setelah pergerakan yang tak menguntungkan yang hampir membuat robot jatuh. 3. Sebuah strategi kontrol adaptif dan variabel yang dengan tepat menempatkan kaki pada titik pendaratan sesuai dengan keadaannya. Titik pendaratan secara otomatis ditentukan sebagai hasil dari beragam faktor-faktor manajemen. Kami mencoba 8

9 untuk melengkapi teknologi masing-masing sebelum mengkombinasikannya untuk menjamin manajemen pergerakan dua kaki secara luas. Petunjuk Teknis untuk kestabilan berjalan Manusia berusaha untuk memulihkan sikap badan mereka dengan menerapkan tekanan kepada bagian dari plantae untuk menghindari jatuh saat berjalan dan bertahan. Jika mereka menilai bahwa aplikasi tekanan tidak cukup, mereka mampu mengubah lokasi pusat gravitasi oleh pergerakan struktur dan/atau oleh langkahnya. Aksi yang sama dibutuhkan bagi robot buat mempertahankan stabilisasi postur. Prinsip-prinsip dasar bagi kontrol postur Robot pada dasarnya dikendalikan untuk mengikuti sudut persendian untuk menemukan sebuah pola berjalan spesifik. Gaya resultan dari inertia dan gaya berat ditetapkan oleh pola ini yang disebut dengan target overall inertia. Titik dimana target inertia keseluruhan menjadi nol didefinisikan sebagai target ZMP. Gaya yang dikombinasikan antara reaksi lantai ke kiri dan kanan plantae disebut dengan actual overall floor reaction. Titik dimana reaksi lantai keseluruhan aktual berharga nol dihormati sebagai sebuah central point of the actual overall floor reaction. Target ZMP serupa dengan titik pusat dari reaksi lantai aktual keseluruhan selama robot berjalan secara ideal. Dua titik, bagaimanapun juga, cenderung berbeda satu dengan yang lain selama berjalan aktual karena efek-efek tonjolan dan inklinasi, meskipun postur tubuh yang tinggi memenuhi target dan sudut persendian dengan tepat dikontrol menurut target. Pada kondisi semacam ini, terdapat perbedaan didalam garis tindakan dimana hasilnya dari reaksi lantai dan titik tindakan dari inertia target keseluruhan. Hal ini mengarah ke beberapa generasi yang bertindak terhadap robot dengan kecenderungannya. Beberapa gaya didefinisikan sebagai sebuah moment of falling force, satu dari rintanganrintangan yang paling sulit untuk menjamin kontrol yang berjalan stabil. Strategi Honda didasarkan kepada sebuah ide inovatif membuat penggunaan terbaik dari momen gaya jatuh. Secara spesifik, perbedaan didalam ZMP target dan titik pusat reaksi lantai keseluruhan aktual adalah secara dinamis dikontrol melewati aplikasi momen gaya jatuh 9

10 (falling force moment). Kecenderungan tubuh dikompensasikan oleh momen gaya jatuh, yang secara khas menjadi sebuah faktor masalah didalam kendali postur. (Andi Susilo, Dosen Teknik Komputer, STIMIK-AKI, Semarang) Sumber: 1. Intro. A Two Legged Walking Robot. URL: Akses 4 Februari Humanoid Robot. (Copyright, 2003 Honda Motor Co., Ltd). URL: Akses 5 Februari