BAB 3 PERANCANGAN SISTEM 3.1 Metodologi Penelitian Pada bab ini, dibahas mengenai tahapan perancangan robot dimulai dari perancangan model 3D robot menggunakan Autocad Inventor hingga simulasi dan pengambilan data model kinematik robot menggunakan SIMULINK/SimMechanics. 3.1.1 Pemodelan Robot Dengan Software Autocad Inventor Robot ular yang kami jadikan sebagai basis perancangan gait adalah robot ular 3-DOF yang terdapat di paper [5]. Berdasarkan [5], kami merancang model 3D robot menggunakan software Autocad Inventor 2011. Perancangan model 3D hanya sebatas pemodelan kinematik robot.model 3D kinematika robot diperlukan untuk mengekspor parameter-parameter kinematika seperti panjang linkage dan posisi joint-joint terhadap koordinat World ke SimMechanics. Pemodelan 3D yang telah dibuat kemudian diekspor ke SIMULINK (SimMechanics) menggunakan add-on SMLink. Toolbox SimMechanics yang berjalan di platform SIMULINK dipakai untuk mensimulasikan sistem kinematik yang parameter-parameternya sudah diberikan oleh Autocad Inventor. 27
28 Gambar 3.1 Segmentnama robot beserta parameter-parameternya yang diambil dari [5] Keterangan Gambar : K 0 : lower plate K 1 : upper plate R : jari jari plate L : panjang linkage B 1 : spherical joint 1 pada folding linkage 1 B 2 : spherical joint 2 pada folding linkage 2 B 3 : spherical joint 3 pada folding linkage 3 O 0 : origin frame lower plate terhadap world O 1 : origin frame upper plate terhadap lower plate α 1 : sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage A terhadap lower plate α 2 : sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage B terhadap lower plate α 3 : sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage C terhadap lower plate
29 Robot serpentine ini mempunyai 4 buah segmen yang masing-masing segmen dibentuk oleh upper plate dan lower plateyang berbentuk lingkaran. Dalam sebuah segmen, diantara upper plate dan lower plate disangga oleh tiga buah folding linkage yang terpisah sebesar 120 derajat. Gambar 3.2 Penampang Atas Segment Folding linkage yang menghubungkan antara upper plate dan lower plate terdiri dari dua buah link, yaitu upper linkage dan lower linkage yang dihubungkan oleh sendi spherical. Untuk menghubungkan antara link dengan upper maupun lower plate, digunakan sendi revolute. Gambar 3.3 Penampang 3-Dimensi Segment Robot
30 Berikut ini adalah keterangan dimensi robot 50mm 50mm 50mm Gambar 3.4 Dimensi Robot Dalam perancangan ini, software Autocad Inventor digunakan untuk mendesain parameter kinematik robot. Parameter seperti radius segment, panjang linkage, sudut awal yang dibentuk oleh linkage, dan posisi masing-masing komponen terhadap koordinat World kami desain di Autocad Inventor. Alur perancangan dalam Autocad Inventor adalah: Diagram 3.1 Alur perancangan model robot Perancangan model sistem secara lengkap tidak bisa dilakukan secara langsung tetapi harus bertahap dimulai dari menentukan komponen mana yang digunkan untuk membentuk sebuah sistem lengkap.
31 Pada perancangan robot kami, komponen yang membentuk sistem robot lengkap adalah: Segment atas dan segment bawah Upper linkage dan lower linkage Komponen-komponen tersebut kami desain satu-persatu didalam file yang terpisah. Tahap selanjutnya dalam perancangan model 3-Dimensi adalah menggabungkan komponen-komponen yang telah dibuat dengan menggunakan fitur Constraint. Fitur constraint digunakan untuk membentuk joint. Joint dibentuk dengan mengaplikasikan beberapa constraint terhadap komponen. Proses penggabungan ini menghasilkan bentuk lengkap robot yang terdiri dari 4 buah segment. Setelah robot lengkap, tahap selanjutnya adalah mengekspor model robot ke SimMechanics menggunakan add-on SMLink. 3.2. Implementasi pada Autocad Inventor Gambar 3.5 Model 3D Lower linkage
32 Gambar 3.6Model 3D Upper linkage Gambar 3.7 Model Plate
33 Gambar 3.8Desain kinematik segment robot menggunakan Autocad Inventor berdasarkan referensi [5] Gambar 3.9 Desain kinematik robot dengan 4 buah segment menggunakan Autocad Inventor.
34 3.3 SIMULINK/SimMechanics SIMULINK adalah platform yang digunakan untuk mensimulasikan sistem dinamis, tetapi dapat juga digunakan untuk mensimulasikan sistem kinematik seperti pada penelitian kami. Terdapat banyak toolbox yang dapat digunakan untuk mensimulasikan sistem, tetapi dalam perancangan ini kami hanya menggunakan toolbox SimMechanics dan toolbox umum sebagai pendukung. Toolbox SimMechanics berisi part-part yang digunakan untuk mensimulasikan sistem mekanik seperti Rigid Body, Joint, Machine Environment, dan lain lain. Gambar 3.10 Potongan tampilan model forward kinematik robot hasil export dari Autocad Inventor (Detil gambar pada lampiran 1)
35 Model robot terdiri dari empat buah segment yang direpresentasikan oleh block Body. Setiap block body terhubung ke tiga buah folding linkage yang masing-masing terdapat didalam block link. Gambar 3.11 Model dari salah satu folding linkage (Link 1A) Pada model linkage di atas, dapat dilihat secara berurutan dari sebelah kiri bahwa upper linkage terhubung dengan revolute joint yang merupakan joint penghubung upper linkage dengan upper plate. Selain itu, upper linkage terhubung dengan spherical joint yang menjadi sendi antara upper linkage dengan lower linkage. Seperti upper linkage, lower linkage juga terhubung dengan revolute joint yang menjadi penghubung linkage pada lower plate. Pada revolute joint bagian bawah, terdapat joint actuator untuk menggerakkan linkage dengan input berupa degree atau besar sudut yang harus dibentuk oleh linkage.
36 B Gambar 3.12(a) Model demux input dari model inverse kinematik ke masingmasing linkage A B Gambar 3.12(b) Model inverse kinematik beserta inputnya
37 A Gambar 3.12(c) Scope yang digunakan untuk membaca output inverse kinematik masing-masing linkage Keterangan Gambar : A[n]A : sudut α pada segment [n] linkage A A[n]B : sudut α pada segment [n] linkage B A[n]C : sudut α pada segment [n] linkage C Gambar 3.13 Model Invers Kinematik (gambar selengkapnya terlampir di Lampiran)
38 Gambar di atas menunjukkan skema perumusan inverse kinematik sesuai dengan [5]. Blok diagram di atas merupakan model persamaan inverse kinematik menggunakan simulink berdasarkan persamaan di bawah ini: (3.1) Dimana q i0,q i1, dan q i2 adalah sebagai berikut, (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) Pada rumus diatas, s berarti sin dan c berarti cos. Gamma (γ) adalah sudut yang dibentuk antara folding linkage yang pada robot ini yang berarti 0 o untuk γ 1, 120 o untuk γ 2, dan 240 o untuk γ 3. α i adalah sudut yang harus dibentuk oleh lower linkage terhadap segment tempatnya menempel. Variabel θ menunjukkan besarnya sudut yang harus dibentuk antara upper plate dengan lower plate. Sedangkan variabel φ menunjukkan orientasi sumbu gerak antara upper plate dengan lower plate. Pada model kami, nilai φ selalu 0 karena simulasi pergerakan robot kami hanya di bidang planar. Variabel U,V, u, dan v adalah hasil dari perkalian elemen matriks. Untuk variabel U berasal dari perkalian antara
39 Rdengan cos γ i, sedangkan V berasal dari perkalian antara R dengan sinγ i. Variabel u adalah hasil perkalian antara L dengan sin(γ i +γ 0 ) dan variabel v adalah hasil perkalian antara L dengan cos(γ i +γ 0 ). Variabel L dan R merujuk pada radius segment dan panjang linkage. Pada robot yang dirancang, nilai L dan L adalah 50mm. Variabel ω i adalah hasil perkalian antara L dengan sinα i. Gambar 3.14 diagram Phi, Theta dan r dalam sistem koordinat spherical Pada gambar 3.14, terdapat 3(tiga) buah blok Q yang masing-masing berisi subsystem yang menggambarkan pengaruh gerakan salah satu linkage terhadap posisi dan orientasi dari linkage lainnya. Detil isi blok q1, q2 dan q3 terdapat di Lampiran.