1.1. Latar Belakang BAB I PENDAHULUAN Interaksi manusia-robot (human-robot interaction) atau disingkat HRI adalah suatu bidang studi yang didedikasikan untuk pemahaman, perancangan dan mengavaluasi sistem robot untuk dapat digunakan oleh manusia [1]. Saat ini bentuk interaksi manusia dengan robot, tidak hanya dapat dijumpai pada dunia industri atau manufaktur sebuah pabrik saja, melainkan telah dapat ditemui dalam kehidupan sehari-hari, diantaranya adalah berbagai peran robot dalam bidang kesehatan, militer, rumah tangga dan lain sebagainya, dengan tujuan dapat membantu dan memudahkan tugas manusia dalam mengerjakan sebuah pekerjaan. Salah satu bentuk interaksi yang umum dikerjakan atau dilakukan antara manusia dengan robot berupa sebuah perintah atau pengontrolan pada robot, dalam kondisi ini robot akan bekerja sesuai dengan apa yang akan diinstruksikan atau diperintahkan oleh user. Pada dasarnya untuk dapat berinteraksi dengan robot dibutuhkan sebuah media interaksi yang dapat menjembatani hubungan antara manusia dengan robot, sehingga user dapat berinteraksi dengan robot. Saat ini telah ada beberapa media interaksi yang banyak digunakan oleh user dalam hal melakukan sebuah perintah atau pengontrolan pada robot yang pada umumnya berupa atau berbentuk sebuah perangkat interaksi berbasis tombol (button) on/off, remot kontrol baik itu secara nirkabel atau menggunakan kabel serta tampilan visual pada komputer. Namun di satu sisi, penggunaan beberapa media interaksi tersebut membutuhkan pembelajaran atau pelatihan secara khusus, terlebih lagi bagi pengguna pemula, sehingga membutuhkan bebera waktu masa transisi dalam menggunakan atau mengoperasikan beberapa perangkat interaksi tersebut. Sementara itu, peran robot dalam kehidupan manusia khususnya masyarakat terus mengalami peningkatan yang sangat tinggi, baik itu dari segi fungsi maupun kegunaannya, oleh karena itu pengembangan berbagai bentuk perancangan media interaksi manusia-robot menjadi sebuah topik penelitian yang terus mengalami 1
perkembangan hingga saat ini, salah satu topik penelitian interaksi manusia-robot yang sangat berkembang saat ini adalah bentuk interaksi manusia-robot secara alamiah (natural), hal ini tidak terlepas dari sebuah tujuan untuk menghasilakan dan menerapkan berbagai bentuk media interaksi yang dapat dengan mudah digunakan, aman, efektif dan efisien dalam berinteraksi dengan robot. Mengacu pada kondisi perkembangan tersebut, penelitian ini akan mengembangkan, merancang dan membangun sebuah pemodelan interaksi manusia dengan robot, dalam bentuk pemanfaatan pendeteksian gerakan alamiah tangan dan lengan manusia berbasis sensor. Sensor adalah perangkat yang dapat mendeteksi atau mengukur kuantitas fisik [2], sedangkan definisi sensor sesuai dengan Instrumen Society of America adalah, sebuah perangkat yang dapat memberikan output untuk dapat digunakan sebagai respon terhadap besaran ukur tertentu [3]. Sensor yang akan digunakan sebagai alat pendeteksian gerak adalah sensor accelerometer jenis ADXL335 dan sensor flex jenis 4,5. Pemilihan jenis sensor accelerometer ADXL335 tidak lepas dari ukuran sensor yang kecil serta memiliki fungsi yang dapat melakukan penginderaan grafitasi (g) pada sumbu X, Y dan Z dengan skala minimal ± 3g, sedangkan sensor flex 4,5 memiliki karakteristik perubahan nilai resistansi pada setiap bentuk lekukan sensor, selain itu kedua jenis sensor mudah ditemukan dipasaran dengan biaya yang murah (low cost) namun dengan kinerja yang baik, sehingga sensor accelerometer ADXL335 dan sensor flex 4,5 banyak diexplorasi oleh para peneliti hingga saat ini, khususnya dalam berbagai bentuk pengembangan dan perancangan dengan menggunakan sensor. Oleh karena itu diharapkan penggunaan jenis sensor tersebut pada penelitian ini dapat dimodelkan menjadi sebuah perancangan bentuk interaksi yang dapat diimplementasikan sebagai media interaksi manusia-robot yang dapat mengikuti gerakan user, dengan menerapkan metode pendeteksian gerak berbasis sensor. Pada penelitian ini, pendeteksian gerak yang akan dikerjakan dikhususkan pada gerak tangan dan lengan manusia, dengan pembagian fungsi diantaranya gerak tangan (hand) dan jari tangan khususnya jari telunjuk (pointer finger) serta lengan bawah (forearm). Tiga buah sensor digunakan dalam perancangan ini, 2
dengan pembagian fungsi sensor diantaranya, dua buah sensor accelerometer digunakan untuk melakukan pendeteksian posisi gerak tangan dan lengan bawah sedangkan satu buah sensor flex digunakan untuk melakukan pendeteksian gerak jari telunjuk, sehingga bentuk interaksi secara terstruktur pada pendeteksian gerak alamiah lengan bawah hingga pada jari tangan manusia dapat dimodelkan dan diimplementasikan secara riil. Gambar 1.1 memperlihatkan posisi pada lengan bawah, tangan dan posisi jari telunjuk dalam bentuk sebuah gambar 3D. Gambar 1.1 Lengan bawah (forearm), tangan (hand) serta jari telunjuk (Pointer Finger) [4] Untuk memudahkan pendeteksian gerak, sebuah sarung tangan dan satu buah gelang elastis yang telah dilengkapi oleh sensor dibentuk sedemikan rupa agar nantinya dapat dikenakan oleh pengguna (user), hal ini dikarenakan perancangan model pendeteksian gerak mengacu pada pembacaan secara real time orientasi posisi pada setiap sumbu sensor accelerometer serta pembacaan nilai resistansi sensor flex, sehingga diharapkan hasil pendeteksian gerak dapat mendekati keadaan atau kondisi riil yang sebenarnya. Hasil dari setiap bentuk pendeteksian gerak nantinya, akan diolah dan diprogram pada mikrokontroler (Arduino MEGA2560), dengan tujuan agar dapat 3
dipersepsikan setiap pendeteksian gerak ke dalam bentuk pergerakan robot, selain itu proses akusisi data juga perlu dilakukan secara real time, sehingga karakteristik dari setiap bentuk pendeteksian gerak yang dilakukan oleh sensor accelerometer dan flex dapat diketahui. Robot yang akan digunakan sebagai objek interaksi pada penelitian ini adalah lengan robot (Six-servo Robot Arm) [5], robot ini memiliki fungsi gerak menyerupai tangan dan lengan manusia yang memiliki pergerakan enam derajat kebebasan. Jumlah fungsi gerak disebut sebagai derajat kebebasan atau DOF (degree of freedom) [6]. Pada penelitian ini, perancangan lima fungsi gerak robot akan dihasilkan oleh sensor accelerometer sedangkan perancangan fungsi keenam gerak robot dihasilkan oleh sensor flex untuk menggerakkan gripper robot yang menyerupai jari tangan manusia. Setiap bentuk gerak robot digerakkan menggunakan 6 buah motor servo DC (direct current) dengan yang dapat berputar dengan membentuk sudut 0 0 hingga 180 0 dan telah terpasang pada masing-masing bagian robot. Gambar 1.2 memperlihatkan tipe robot arm yang akan digunakan sebagai media objek interaksi. Gambar 1.2 Six-servo robot arm [5] Sistem yang dibangun diharapkan natinya mampu menghasilkan sebuah bentuk interaksi manusia-robot secara alamiah, yaitu dengan memanfaatkan gerakan alamiah tangan dan lengan manusia berbasis sensor accelerometer dan flex, sehingga pengguna (user) dapat berinteraksi dengan robot dengan hanya menggerakkan lengan bawah, tangan dan jari telunjuk secara intuitif tanpa harus menggunakan berbagai bentuk perangkat interaksi yang membutuhkan 4
pembelajaran atau pelatihan secara khusus dalam mengoprasikanya, serta mampu memberikan nuansa baru dalam berinteraksi dengan robot. 1.2. Perumusan Masalah Pada saat ini, umumnya media interaksi manusia-robot masih menggunakan berbagai bentuk perangkat interaksi khususnya berbasis tombol (button) on/off, remote control (RC) baik itu secara nirkabel atau menggunakan kabel, serta berbasis tampilan visual pada layar komputer. Cara-cara ini masih memerlukan dan membutuhkan masa transisi, sehingga dalam hal ini, user masih membutuhkan pembelajaran dan pelatihan secara khusus, khususnya lagi bagi para pengguna pemula. Di sisi lain pemanfaatan gerakan alamiah manusia untuk berinteraksi atau menggerakkan robot masih sangat terbatas. 1.3. Keaslian Penelitian Pada perkembanganya telah ada beberapa penelitian sebelumnya yang telah membahas pendeteksian gerakan berbasis sensor acceleromer dan flex dalam merancang berbagai bentuk interaksi, antarmuka (interface) dan pengontrolan. Beberapa penelitian yang telah ada sangat membantu dalam penelitian ini, karena penelitian selanjutnya akan menggunakan sensor accelerometer dan flex sebagai pendeteksian gerak tangan dan lengan yang nantinya akan diimplementasikan sebagai media interaksi manusia dan robot, sehingga penelitian-penelitian yang telah ada sebelumnya dapat digunakan sebagai referensi dalam penelitian ini. Sistem pendeteksian gerak berbasis sensor merupakan salah satu metode yang dapat digunakan dalam hal pengenalan gerak selain dari bentuk pengenalan gerak berbasis penglihatan (vision). Terdapat beberapa kemiripan dan perbedaan antara penelitian yang telah ada sebelumnya dengan penelitian yang akan dikerjakan saat ini, khususnya jika dilihat dari bentuk pemanfaatan fungsi sensor accelerometer dan flex [7], [8], [9], [10], [11], namun tujuan dan implementasi dari tiap-tiap penelitian yang telah ada memiliki perbedaan antara satu dan lainnya. 5
Sebuah sistem interaksi yang dapat mengikuti gerakan tangan pengguna secara real time berbasis sensor telah dilakukan oleh T. Kanesalingam [7], dengan mengembangkan sebuah sarung tangan (glove) yang dapat melakukan model pelacakan gerakan dasar tangan manusia dengan menggunakan satu buah sensor accelerometer dan gyroscope, namun pada implementasinya penelitian yang telah dilkukan oleh T. Kanesalingam [7], masih dalam bentuk simulasi. Sedangkan penggunaan sensor accelerometer dan sensor flex untuk melakukan pendeteksian gerakan telah dilakukan oleh M. A. S. Ponraj [10], yang diimplementasikan dalam perancangan sebuah antarmuka (interface) manusia dan komputer dalam bentuk pengenalan gerak tangan dan jari dengan menggunakan satu buah sensor accelerometer dan dua buah sensor flex untuk melakukan pengontrolan gerakan mouse pada komputer. Pada pengontrolan robot berbasis sensor, penelitian ini memiliki kemiripan dengan penelitian X.-H. Wu [8], M. K. P. Kumar [9], dan penelitian A. Syed [11], khususnya dalam bentuk penggunaan sensor, pada penelitian X.-H. Wu [8], satu buah sensor accelerometer digunakan untuk merekam (record) gerak dan sikap tangan pengguna untuk dapat diimplementasikan dalam mengontrol atau mengendalikan navigasi mobil robot. Penelitian M. K. P. Kumar [9], satu buah sensor accelerometer digunakan untuk menangkap perilaku lengan manusia untuk mengontrol pergerakan lengan robot dan dua buah sensor flex digunakan untuk mengontrol gerakan gripper robot, sedangkan penelitian A. Syed [11], merancang sebuah pengontrolan lengan robot berdasarkan dua buah sensor flex yang digunakan untuk gerakan jari dan pergelangan tangan, sedangkan satu buah sensor accelerometer digunakan untuk gerakan siku. Walaupun terdapat kemiripan khususnya pada penggunaan sensor, namun penelitian ini memiliki beberapa perbedaan yang mendasar, diantaranya ialah bentuk interaksi pada robot, implementasi penggunaan sensor, jumlah pendeteksian gerak dan jumlah penggunaan sensor. Pada penelitian ini dua buah sensor accelerometer digunakan untuk melakukan pendeteksian posisi gerak lengan bawah dan tangan sedangkan satu buah sensor flex digunakan untuk pendeteksian posisi pergerakan jari telunjuk, hal ini membuat fungsi tambahan 6
dalam hal pendeteksian gerak yang tidak hanya berfokus pada beberapa bagian gerakan tertentu saja, oleh karena itu bentuk dan jumlah pendeteksian gerakan pada penelitian ini, lebih banyak dan berfariasi dari penelitian sebelumnya, sehingga bentuk interaksi terstruktur pada pendeteksian gerakan alamiah lengan hingga pada jari tangan manusia dapat direalisasikan sebagai bentuk interaksi manusia-robot, selain itu bentuk interaksi yang akan dikerjakan pada penelitian ini dalam hal melakukan pengontrolan lengan robot menuntut agar robot dapat mengikuti atau menirukan gerakan alamiah tangan dan lengan manusia secara riil (tidak dalam bentuk simulasi), dengan mengacu pada pembacaan data secara real time orientasi posisi sumbu sensor accelerometer dan nilai resistansi sensor flex, dalam hal melakukan pendeteksian gerakan user. 1.4. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah merancang, membuat dan menguji model interaksi manusia dan robot dengan memanfaatkan gerak alamiah tangan dan lengan manusia berbasis sensor accelerometer dan flex. 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat yang diporeleh pada penelitian ini diantaranya sebagai berikut: 1. Dapat memanfaatkan gerak alamiah lengan bawah (forearm), tangan (hand) dan jari telunjuk (pointer finger) sebagai bentuk media interaksi manusia dan robot dengan berbasiskan sensor accelerometer dan flex sebagai pendeteksi gerak. 2. Dapat menambahkan bentuk interaksi manusia dengan robot, selain dari bentuk interaksi yang telah umum digunakan saat ini. 3. Bagi akademisi, penelitian ini dapat dikembangkan lagi pada perancangan pemodelan interaksi yang dapat diaplikasikan pada bidang lainya, sehingga dapat memberikan manfaat pada penelitian selanjutnya. 7