Sensor Robot Nuryono S.W., S.T.,M.Eng. 1
Pendahuluan Sensor adalah piranti untuk mengukur besaran tertentu (devices for measuring a quantity) Dalam sistem robotika umumnya sensor mengubah besaran tertentu ke dalam besaran elektris(arus, tegangan, isyarat elektris/elektronis) 2
Karakteristik Sensor Akurasi (Kesesuaian nilai aktual dan nilai terukur) Resolusi (Perubahan terkecil pd besaran terukur yg masih bisa dideteksi oleh sensor) Repeatability (Variasi nilai terukur ketika suatu besaran yg sama diukur secara berulang-ulang) 3
Karakteristik Sensor Linearity (Hubungan antara perubahan input terhadap perubahan output) Sensitivity (Rasio perubahan output terhadap perubahan input/kepekaan) Range (Batas bawah&atas variabel yg masih bisa dikur oleh sensor) Respon 4
Perlunya Sensor Agar robot punya awareness thdp dirinya dan lingkungan Agar robot dapat berinteraksi dengan lingkungannya Keamanan dan Keselamatan, pencegahan kerusakan Kemampuan untuk mencapai target atau tujuan Membuat robot lebih cerdas 5
Besaran yg diukur Cahaya Warna, Intensitas, Arah Suara Frekuensi, Intensitas, Arah Panas Suhu, panjang gelombang, kuantitas, arah Bahan kimia Object Proximity dan jarak dan arah benda Orientasi fisik, gerakan, posisi Magnitude, pitch, roll, yaw, koordinat 6
Besaran yg diukur Medan Magnet & Medan Listrik Resistan (electrical, secara tdk langsung dari V/I) Capacitance (melalui excitation/oscillation) Inductance (melalui excitation/oscillation) 7
Contoh Sensor Robot Feelers (Whiskers, Bumpers) Mekanis Photoelectric Infrared Ultrasonic Resistive/Capacitive/Inductive 8
Contoh Sensor Robot Visual Cameras & Arrays (Active & Passive) Color Sensors (Active & Passive) Magnetic (Active & Passive) Orientation (Pitch & Roll) GPS (location, altitude) Compass (orientation, bearing) Voltage Electric Field Sensors Current Magnetic Field Sensors Chemical Smoke Detectors, Gas Sensors 9
Sensor Feelers Whiskers (sungut) Senar gitar/piano yg diletakkan di antara conductive hoop Adanya defleksi menyebabkan kontak dengan hoop Kawat yg lentur yg menyentuh suatu batang konduktor ketika terdefleksi Menjangkau di depan robot dalam beberapa cm Sederhana, murah, keluaran biner Bumpers & Guards Sensor benturan/tumbukan Impact/Collision sensor, mendeteksi adanya tekanan/kontak Microswitch & kawat Sederhana, murah, keluaran biner 10
Desain 11
Feelers - Whiskers 12
Feelers - Bumpers & Guards 13
Sensor-Feeler&bumper Koneksi 14
Sensors IR Aktif (emitting) Oscillator membangkitkan Pulsa IR, memantul ketika bertemu benda/obyek Filtered receiver mencari pantulan tsb Pulsa dienkode untuk deteksi yg lebih efektif Frekuensi yg digunakan sekitar 40KHz Tidak terlalu baik ketika bertemu obyek yg gelap Pasif (hanya sensor tanpa emitting) Pyro-electric (heat sensor) Mencari emisi IR dari manusia dan binatang Biasa dipakai pd sistem keamanan dan deteksi gerakan 15
Proximity VS Ranger/distance 16
Infrared - Active 17
Spek Active IR Sensor Sensor type = Reflective IR IR detector = Panasonic PNA4602M IR LED type = Narrow focus 10º I/O required = 3 digital lines: 2 outputs, 1 input Range = Sekitar 4 to 26" (10 cm s/d 65cm) Input voltage = 5vdc regulated @ 8mA PC board size = 2.3" x.75" 18
Contoh IR-active 19
Sharp GP2Dxx (satu contoh) ~4 to 30cm Range Output Analog atau Digital Linear Array IR Range Sensors 20
Prinsip kerja Linear Array IR Range Sensors 21
22
Laser Range Sensors USB Interface 240º Field of View 0.36º Angular Resolution 10Hz Refresh Rate 20mm s/d 4m $2695 23
Passive IR Pyro-Electric 24
Sensor Ultrasonic Aktif Membangkitkan pulsa dan menunggu pantulannya pulses & listen for echos Terkait dengan kecepatan rambat di udara (~1ft/mS) Bisa menjangkau daerah yg jauh dari robot ( bisa s/d 3m) Prinsip kerja sederhana, tidak murah, keluaran analog atau digital Directional; tidak semua benda memantulkan Pasif Senso mendengarkan adanya gelombang ultrasonic Rangkaian Electronik mengubahnya ke frekuensi atau modulasi Software melakukan analisis (FFT dsb) 25
Ultrasonic - Aktif $27 $49 $134 26
Sensor Ultrasonic Pasif - Beacon & Sensor Beacons menunggu RF command untuk memancarkan Cahaya atau gelombang suara Robot mencari & mendengarkan setiap beacon Robot mengetahui lokasi tiap beacon Kompas pada robot memberi informasi tentang arah (orientasi) beacon tersebut Robot dapat menghitung posisinya 27
Sensor Ultrasonic Beacon1 Sound Pulse Sound Pulse Light Pulse Beacon3 Light Pulse BEACON Robot RF Receiver ROBOT IR Emitter RF Transmitter Ultrasonic Emitter IR Receiver Ultrasonic Receiver Light Pulse Sound Pulse Beacon2 28
Sonic (Acoustic) Pasif TI (Burr-Brown) UAF42 Universal Active Filter http://focus.ti.com/lit/an/sbfa002/sbfa002.pdf 29
Sensor Resistan Contoh Potentiometer 30
Potensiometer Menggunakan konsep pembagi tegangan 31
Tipe Potensiometer Wirewound Wiper/penyapu bergeser/bergerak pada suatu lilitan kawat Ni-Crome Mudah rusak, peka terhadap suhu Cermet Wiper bergeser pada jalur keramik konduktif Lebih baik dibanding wirewound Plastic film Resolusi tinggi Tahan lama dan tahan perubahan suhu 32
Linear Potensiometer Sesuai untuk pergerakan linear 33
Penggunaan Potensiometer Keuntungan Low Cost(murah) Sinyal kendali bisa menggunakan isyarat analog Informasi yg dibutuhkan adalah informasi posisi secara absolute Kerugian Kerusakan akibat suhu dan keausan Tidak cocok untuk daerah berdebu 34
Sensor Proximity Capasitif & Induktif Sensor Induktif menggunakan perubahan medan magnet untuk mendeteksi adanya obyek logam Sensor Capasitif menggunakan perubahan capasitans yg disebabkan obyek bukan logam Umumnya utk jarak dekat Cukup Kuat& reliable 35
Sensor Induktif 36
Sensor Induktif 37
Sensor Capasitif 38
Sensor Kapasitif 39
Sensor Visual CMUCam Linear Optical Array 40
Sensor Warna http://robotroom.com/colorsensor.html 41
Sensor Orientasi (arah gerak) Rate Gyros Output proporsional dengan kecepatan angular rotation Diintegralkan untuk menentukan posisi Didifferensialkan untuk menentukan akselerasi/percepatan Accelerometer Output proporsional dengan percepatan 42
Sensor Percepatan Akselerasi diukur melalui gaya yg ditimbulkan oleh massa yg berakselerasi Distorsi Piezo Pergerakan Cantilever Strain ataupun Restrain massa Akselerometer biasa pula digunakan utk mengukur vibrasi 43
Tri-axial Accelerometer Tipe ini biasa digunakan pada Sistem Mobile Mobil Balap Rotating elemen pada turbin Elemen pesawat terbang Mengukur besarnya vibrasi Data posisi sesaat 44
Sensor Gerakan Rate Gyro Silicon Sensing Systems Servo Accel Sensorland.com 45
Sensor Posisi/Lokasi Encoder Global Positioning System 46
Encoder Nubotics.com, $27 Jun 98, Oct 2000 Encoder 47
Optical Encoder Encoder adalah Sensor Digital yg umum digunakan untuk memberikan feedback posisi untuk suatu aktuator Tersusun atas Disc/ cakram kaca/plastik yg berputar di antara sumber cahaya(led) dan photo-detector Disk diencode dengan bagian yg gelap& terang sehingga muncul pulsa ketika disk berputar 48
Struktur Internal Encoder 49
Incremental Encoder Pulsa dr LED dihitung utk menentukan posisi rotasi 2 Detektor digunakan utk menentukan arah putar(quadrature) Pulsa index sebagai titik awal 50
Absolute Encoder Absolute Encoder memiliki kode tertentu sehingga setiap posisi angulat yg berbeda dapat diketahui Biasa menggunakan Kode Gray Lebih kompleks&mahal dibanding Incremental Encoder 51
Encoder Processing Diperlukan Rangkaian Squaring untuk mendigitalkan sinyal Monitor Index & Counter Tersedia dlm bentuk Chip IC Algoritma kendali diletakkan pada chip lain 52
Sensor Posisi/Lokasi Parallax.com $80 53
Sensor Kompas (Orientation) L: Parallax.com, $30 R: Dinsmoresensors.com, $13-$37 54
Sensor arus Pengukuran secara seri dengan Hall Effect device Current loop (coil) Magnetoresistive (Wheatstone bridge) 55
Sensor arus 56
Sensor arus 57
Sensor Kimia Smoke Detectors Gas concentration sensors - CO, H 4 S, CH 4, 58
Sensor Vendor/Info Links http://www.dinsmoresensors.com http://www.fluke.com http://www.howstuffworks.com http:// www.lynxmotion.com http://www.magnetometer.org http:// www.nubotics.com http:// www.parallax.com http://www.raztec.co.nz http:// www.robotics.com http:// www.robotroom.com http://www.sensorland.com http://www.seattlerobotics.org/encoder http:// www.solarbotics.com 59
Contoh Sensor-sensor lain 60
Tachogenerator Biasa digunakan untuk mengukur kecepatan putar Prinsip operasinya merupakan generator dc Tegangan yang dihasilkan proporsional dengan kecepatan yang diukur Biasa terpasang secara Piggybacked pada motor untuk sinyal feedback analog 61
Sensor Gaya&Tekanan Gaya& Tekanan umumnya diukur secara tdk langsung melui defleksi suatu bahan Mekanismenya antara lain: Sistem pergerakan fisik berikut pengukurannya menggunakan LVDT Strain Gauge( logam yg berubah resistansinya ketika ditekan) yg ditempelkan pada silinder/ plat logam dgn bentuk tertentu Piezoelectric sensor 62
LVDT Load Cell 63
Strain Gauge Bridge 64
Contoh Load Cell 65
Sub-Miniature Load Cell 66
Piezo Load Cell Distorsi Kristal, Quartz ataupun BaTiO 3 Untuk pengukuran akurat beban atau gaya yg kecil Tersedia dlm bentuk: Single axis Load washers Multiple axis Load washers 67
Sensor Tekanan Tekanan diukur dengan: Tabung Pitot Deformasi membran tetap Deformasi diukur dgn metode yg sama dgn gaya, yaitu menggunakan: Pegas(Manometer) Distorsi Piezo Strain Gauges 68
Sensor Proximity Umum digunakan di Automasi Industri Jalur Conveyor (Counting, Jam, Detection, dsb) Machine tools (Safety Interlock, Sequencing) Biasanya sensor digital(on-off) mendeteksi ada atau tidaknya suatu benda/obyek Terdiri atas: Sensor:Optical, Inductive, Capacitive Rangkaian Detektor Amplifier Rangkaian Output 69
Saklar Proximity Mekanis Seperti halnya saklar biasa Operasi On-Off 2 Mode Normally Close(NC) Normally Open(NO) 70
Contoh Saklar Proximity Mekanis 71
Ada Kontak fisik Penggunaan Saklar Proximity Mekanis Posisi yg disensing sudah tertentu Lingkungan tidak memungkinkan penggunaan sensor optical atau inductive 72
Sensor Proximity Optis Terdiri atas sumber cahaya(led) dan detektor cahaya(phototransistor) Sinyal dimodulasi untuk mengurangi pengaruh cahaya sekitar Tegangan operasi:12-30v dc, 24-240V ac Output: TTL, Industrial Standard, dsb 73
Mode Operasi Through Beam Long Range(20m) Aligment sangat penting Retro-reflective Range 1-3 m Populer& murah Diffuse-reflective Range 12-300mm Murah & Mudah 74
Contoh 75
Contoh 76
Keunggulan Penggunaan Sensor Proximity Optis Non-kontak, non-moving part, kecil Fast Switching, tidak terjadi switch bounce Tahan Getaran dan kejutan Kerugian Membutuhkan alignment Dapat terganggu oleh cahaya sekitar Lingkungan harus bebas debu, air dan asap 77
Aplikasi Sensor Proximity Optis Stack height control/ box counting Kendali Level cairan Deteksi kemacetan dan kerusakan 78
Piranti Optis yg lain 79
Sensor Proximity Ultrasonic Menngunakan pulsa ultrasonic Mengukur amplitudo dan time of flight Bisa mengukur jarak Frekuensi yg digunakan 40KHz- 2MHz 80
Penggunaan Sensor Ultrasonic Dibutuhkan informasi jarak obyek Monitoring ketinggian cairan maupun zat padat Approach Warning(peringatan tabrakan) Bisa bekerja pada daerah berdebu maupun di dalam air 81
Aplikasi 82
Referensi Yoram Koren, Robotics for Engineers, McGrawHill International halaman 229-253 Saeed B Niku, Introduct. To Robotics Analysis, Systems, Appl., Prentice Hall halaman 219-242 Ulrich Nehmzov, Mobile Robotics A practical Intro., Springer halaman 23-38 83