Robot Bergerak

Pendahuluan Robot: static dan mobile Static robot : Manipulator Mobile robot: Wheeled (roda) Mobile Robot Legged (kaki) Mobile Robot * Bipedal Walking Robot mobile robot menggunakan dua kaki

Pertimbangan Desain Sistem Design Tradeoffs Pertimbangan Desain Sistem Maneuverability (kemampuan Bergerak, maju/mundur lurus, berputar) Controllability (Dapat dikendalikan) Traction (Daya tarik/Power) Climbing ability (Kemampuan memanjat) Stability (Kestabilan) Efficiency (Efisiensi) Maintenance (Pemeliharaan) Environmental impact (pengaruhnya terhadap lingkungan, obstacle minor boleh ditabrak, hanya bisa dihindari, atau di geser) Navigational (navigasi/pengenalan posisi) Robotika

Tipe Wheeled Mobile Robots (WMR) Differential Drive Skid Steering Synchro Drive Omni Wheel Tricycle Steering Ackerman Steering Articulated Drive Robotika

1. Differential Drive Steering D : panjang titik tengah robot dari awal menuju akhir pergerakan Robotika

1. Differential Drive Steering Keuntungan Cukup murah untuk dibuat Mudah direalisasikan Desain cukup sederhana Kerugian: Sukar untuk melakukan pergerakan lurus (speed control) Diameter roda yang tidak konsisten (knobie tires) dapat menyebabkan kesalahan posisi Robotika

2. Skid (menggelincir) Steering Keuntungan: Sistem penggerak (drive) sederhana Kerugian: Slippage and poor odometry results Requires a large amount of power to turn Robotika

3. Synchro Drive Steering Advantages: Separate motors for translation and rotation makes control easier Straight-line motion is guaranteed mechanically Disadvantages: Complex design and implementation Pictures from “Navigating Mobile Robots: Systems and Techniques” Borenstein, J. Robotika

4. Omni Wheels Steering Advantages: Allows complicated motions Disadvantages: No mechanical constraints to require straight-line motion Complicated implementation Robotika

5. Tricycle Steering Advantages: Disadvantages: No sliding Non-holonomic planning required Robotika

6. Ackerman Steering Advantages: Simple to implement Simple 4 bar linkage controls front wheels Disadvantages: Non-holonomic planning required Robotika

7. Articulated Drive Advantages: Simple to implement except for turning mechanism Disadvantages: Non-holonomic planning is required Robotika

Kenapa dibuat robot berkaki? Dapat melewati berbagai macam bentuk rintangan. Meningkatkan manuver Tidak dibatasi oleh bidang datar. Inovasi bentuk kaki yang sangat bervariasi Mempelajari sistem pergerakan lain yang berhubungan dengan biologi (menirukan pergerakan makhluk hidup) Robotika

Kelemahan Robot Berkaki Desain lebih kompleks  membutuhkan banyak aktuator dan Degree of Freedom Kestabilan yang sulit dicapai  mengkombinasikan berbagai bentuk aktuator secara bersamaan Kecepatan pergerakannya lamban  tidak secepat robot beroda Robotika

PERMASALAHAN BERJALAN/MELANGKAH Perpindahan dari satu titik ke titik lain KESEIMBANGAN Upaya menahan pusat gravitasi agar tidak jatuh Robotika

KLASIFIKASI ROBOT BERJALAN Kesetimbangan (statis atau dinamis) Jumlah kaki Derajat kebebasan masing-masing kaki Energi yang digunakan Gaya berjalan dan cara berdiri Robotika

Terminologi I Keterangan Ada 3 bidang yang didefinisikan: sagital, frontal, dan transverse plane Ketiga bidang ini merupakan daerah kerja untuk pergerakan tertentu Untuk robot bipedal planar, pergerakan hanya dilakukan di bidang sagital Robotika

Terminologi II Gait : pola pergerakan kaki Swing phase : fasa ketika kaki berada di udara Stance phase : fasa ketika kaki dijejakan di lantai Double support phase / Exchange of Support (EOS) : fasa ketika kedua kaki dijejakkan Robotika

Komponen Dasar Bipedal Walking Robot Boom Hip Upper-link Knee Lower-link Ankle Feet Robotika

Tahap Berjalan Pre-Swing-Phase Swing-Phase Heel-Contact-Phase (stance phase) Robotika

Tipe Dasar Gaya Berjalan Mamalian Stance Attila Stance Sprawled Stance Robotika

1.Mamalian Stance Digunakan kebanyakan mamalia Kaki beroperasi pada bidang vertikal,paralel terhadap sumbu longitudinal badan Robotika

2. Attila Stance Seperti reptil, paling banyak digunakan di robot berjalan Kaki beroperasi pada bidang vertikal,tegak lurus terhadap badan Robotika

3. Sprawled Stance Digunakan oleh serangga dan reptil kecil Kaki beroperasi pada bidang horizontal Berjalan datar dan lebar sehingga meningkatkan stabilitas Robotika

KESEIMBANGAN (BALANCING) STATIS -efek stabilitas inersia diabaikan -tidak ada umpan balik posisi seimbang DINAMIS -efek stabilitas inersia menjadi dominan -selalu ada umpan balik posisi keseimbangannya Robotika

Kenapa bisa stabil statis? Selalu ada paling sedikit 3 kaki menahan pusat gravitasi Bisa saja 1 kaki, tapi kaki bertelapak besar Robotika

GAYA BERJALAN STABIL STATIS YANG TERKENAL Alternating Tripod Gait Pergerakan dibagi atas 2 set,masing-masing bergerak secara bergantian Wave Gait Pergerakan satu-satu kaki Robotika

Alternating Tripod Gait 2 kelompok kaki (merah dan hijau) Kaki kelompok merah bergerak serentak,setelah itu baru kaki kelompok hijau Perhatikan bahwa robot tidak pernah jatuh Urutan pergerakan: merah - hijau - merah - hijau - … Robotika

WAVE GAIT Pergerakan kaki satu-satu Lebih lambat dari Alternating Tripod Gait Urutan pergerakan : 1-2-3-4-5-6-1-2-3-4-5-6-1- … Robotika

BEBERAPA CONTOH ROBOT KAKI (ditinjau dari sisi kaki) Robotika

1. Robot Genghis Robot paling sederhana Berkaki enam (hexapod) Stabil statis Derajat kebebasan setiap kaki = 2 Wave gait (pergerakan kaki satu-satu) Motor servo sebagai aktuator utama Robotika

Robot Genghis Robotika

Robot Genghis mampu memanjat Kemiringan maksimum sekitar 30° (tergantung kekuatan servo) Robotika

2. Robot MHex Berkaki enam Aktuator kaki berupa servo motor Derajat kebebasan setiap kaki = 2 Pergerakan lebih halus dari robot Genghis sebelumnya, sebab didukung oleh susunan mekanik kaki (paralel 4 bar linkage),sehingga pergerakan servo sedikit menghasilkan pengangkatan kaki yang tinggi Robotika

Robotika

Paralel 4 Bar Linkage Robotika

3. Robot Arnold 3 derajat kebebasan Ada fasilitas pengereman Robotika

3 derajat kebebasan robot Arnold Menggunakan belt dari pangkal paha ke siku Robotika

Robotika

Mekanisme lutut robot arnold Robotika

Mekanisme pengereman Robotika

4. Robot Kaki Carl Lewis Robotika

Gerakan maju dan mengkopel lutut Robotika

Tampak atas Robotika

Pegas menarik kaki ke atas Robotika

4. ASIMO ASIMO : robot humanoid dua kaki yang mampu berjalan, diharapkan dapat membantu manusia dalam kehidupan sehari-hari di rumah. ASIMO singkatan dari: Advanced Step in Innovative Mobility Robotika

ASIMO Design Concept The robot's size was chosen to allow it to operate freely in the human living space and to make it people-friendly. This size allows the robot to operate light switches and door knobs, and work at tables and work benches. Its eyes are located at the level of an adult's eyes when the adult is sitting in a chair. A height of 120cm makes it easy to communicate with. Honda feels that a robot height between 120cm and that of an adult is ideal for operating in the human living space. Robotika

ASIMO Fitur utama ASIMO: Lightweight and compact size Advanced, flexible walking technology Expansive range of arm movement Simplified operation People-friendly design Robotika

ASIMO Bagian-bagian ASIMO: Kepala Mata Leher Tas/ransel Badan Bagian tengah Tangan Pinggul Kaki Robotika

Perkembangan E0 1986 E1, E2, E3 1987 – 1991 E4, E5, E6 1991 – 1993 P1, P2, P3 1993 – 1997 ASIMO 2000 Robotika

Perkembangan… Robotika

Perkembangan… Robotika

Perkembangan… Robotika

Perkembangan… ` Robotika

Struktur Catu daya ASIMO dicatu oleh batere nickel metal hydride 40V. ASIMO bisa beroperasi selama 30 menit dengan batere tunggal Dibutuhkan waktu 4 jam untuk mengisi ulang(recharge) batere ASIMO Robotika

Struktur… Robotika

Struktur… Robotika

Struktur… Robotika

Struktur… Arm technology Robotika

Struktur… ASIMO berjalan dengan “prediction motion control”. ASIMO mampu merubah arah secara halus (smooth) ASIMO mampu berputar tanpa berhenti ASIMO mampu berjalan pada slope(kemiringan) dan berjalan mundur ASIMO mampu menapaki dan menuruni tangga Robotika

Struktur… Walking Technology The introduction of intelligent, real-time, flexible-walking technology allowed ASIMO to walk continuously while changing directions, and gave the robot even greater stability in response to sudden movements. Robotika

Struktur… Walking Technology Earlier Ways of Walking 1. In the past, different patterns were used for straight walking and for turning, and a slight pause was required during the transition. 2. Walking stripes (time per step) were limited to only a few variations Straight [A] Temporary Pause Turn [B] [C] Robotika

Struktur… Walking Technology Intelligent, real-Time, Flexible Walking 1. Continous movement possible without pauses. 2. In addition to changes in foot placement and turning, the stride (time per step) can be change freely. Straight Ahead Turning Robotika

Struktur… Walking Technology Intelligent, real-Time, Flexible Walking ASIMO creates walking pattern in real time and can change foot placement and turning angle at will. ASIMO movement much more natural. Robotika

5. Contoh Konstruksi Robot Bipedal Tinggi 48 mm, m 1.8Kg Rangka dari Aluminium CCD quickcam Hitech servo HS-300 Extension spring Mikrokontroller eyebot platform (68332 + flashROM + RAM + IO + LCD) Robotika

Contoh Konstruksi Robot Bipedal (cont. I) Shoulder digunakan untuk pengaruhi letak COM Hips memiliki 2 DOF, untuk pergerakan pada bidang sagital (untuk maju) dan horisontal (untuk gerak memutar) Torso memiliki joint untuk memindahkan proyeksi COM ke kaki kanan dan kiri Knee memiliki 1 DOF Ankles bersifat pasif dengan 1 DOF pada bidang sagital, terdapat spring dan rubber strip pada telapak kaki Robotika

Model Kaki Robot Bipedal (I) Catatan : Merupakan model robot bipedal planar Model dapat berbeda-beda untuk tiap robot Rumusan kinematika biasanya mengambil referensi dari tapak kaki stance leg Robotika

Contoh Rumus Kinematika x21 = l1 sin θ11 + l2 sin (θ11+θ12) + l4 sin (θ11+θ12+θ13+θ23) + l5 sin (θ11+θ12+θ13+θ23+θ22) y21 = l1 cos θ11 + l2 cos (θ11+θ12) + l4 sin (θ11+θ12+θ13+θ23) + l5 cos (θ11+θ12+θ13+θ23+θ22) --- Dengan base frame x11, y11 ------ Robotika

Parameter Dalam Pergerakan Robot Bipedal Planar FC/Hm : jarak vertikal maksimum ketika kaki diangkat dari lantai SL : jarak horisontal antara peletakan kaki yang sama VF : kecepatan horisontal pusat masa robot (pada hip) HR : variasi tinggi pinggul (hip) f : frekuensi step (cycle time) Robotika

Kinematika Trajektori Untuk pergerakan yang mulus Pergerakan tapak kaki swing-leg dalam arah x Sedangkan arah y : Dapat dianalogikan sebagai pergerakan gerak end-effector manipulator dengan frame tapak kaki stance-leg sebagai frame referensi Sudut-sudut joint didapat dari inverse kinematika dengan memperhatikan berbagai constraint agar robot dapat stabil dalam bergerak Robotika

Model Kaki Robot Bipedal (II) Robotika

Fungsi-fungsi Objektif Pergerakan Erect body posture: Overall progression velocity: Trajectory of the swing limb during the single support phase: Robotika

Fungsi-fungsi Objektif Pergerakan (II) … dengan nilai konstanta: Dalam koordinat joint, dirumuskan menjadi: Robotika

Fungsi-fungsi Objektif Pergerakan (III) 4. Bias of the stance knee adalah sudut joint pada lutut (knee) pada phase stance yang harus dipenuhi . 5. Coordination of the motion of the limbs: Robotika

Human Gait Cycle Human Gait terdiri dari 7 bagian, al : Initial Contact (Loading respon) Opposite toe eff (mid stance) Heel rise (terminal stance ) Opposite Initial Contact (pre swing) Toe off (Initial swing) Feet adjacent (mid swing) Tibia vertical (terminal swing) Robotika

Human Gait Cycle (II) Keterangan: Pada saat bergerak, letak proyeksi COM akan berpindah dari kaki ke kaki. Robotika

Trajektori Human Gait Robotika

6. Robot Kaki Sapien Terdapat 6 DOF di tiap kaki Aktuator pasif pada telapak kaki Menyerupai telapak kaki manusia Robotika

Dimensi Kaki Robot Sapien Robotika

Aktuator Menggunakan motor servo DC Menggunakan tambahan shaft untuk meningkatkan stabilitas Robotika

SENSOR-SENSOR YANG SERING DIGUNAKAN PADA ROBOT BERJALAN Sensor halangan (obstacle avoidance) Sensor penanda bahwa kaki sudah turun di bawah Sensor untuk kaki yang tertahan oleh sesuatu (motor yang tak bisa digerakkan karena terhalang) Sensor posisi untuk ketepatan posisi kaki (ketepatan posisi motor) Robotika

Sensor - sensor Sensor gaya Ada 8 buah Diletakkan di 4 sudut telapak kaki Untuk menentukan kemiringan telapak kaki Robotika

Sensor - sensor Sensor kemiringan Diletakkan di bagian badan atas Mempunyai 2 sumbu (axis) Untuk mengetahui kemiringan badan robot Robotika

Sensor - sensor Kompas digital Diletakkan di bagian badan atas Untuk menentukan orientasi arah pergerakan Robotika

Sensor - sensor Video kamera Diletakkan di bagian badan atas Untuk penginderaan lingkungan di sekitar robot Robotika

Konfigurasi Sistem Kendali Struktur 2 level kontrol High level control: memproses data sensor (kamera video, inframerah, kompas digital), mengontrol 2 motor pada kamera dan 2 motor pada inframerah Low level control: mengontrol pergerakan jalan, memproses data sensor (sensor kemiringan dan sensor gaya) Robotika

Konfigurasi Sistem Kendali Robotika

Simulasi Software Yobotics 3 parameter: Pinggul (hip) Lutut (knee) Tumit (ankle) Film: Naik tangga Robotika

Trayektori Menaiki Tangga Robotika

Simulasi hip joint di permukaan datar Robotika

Simulasi knee joint di permukaan datar Robotika

Simulasi ankle joint di permukaan datar Robotika

Two Link Leg Robotika

Pantograph Design Robotika

Hasil Perbandingan Robotika

Body Diagram Robotika

Robotika

Robotika

Robotika

Cara Kerja Kaki Robotika

Persamaan Kinematik Robotika

Persamaan Kinematik Robotika

Simulasi Robotika

Hasil Simulasi Robotika

Perbandingan Model Dengan Kenyataan Robotika

Kontroler Robotika

Sistem Robotika

Jalan Normal Robotika

Simulasi Navigasi Robotika

8. Framewalker: Advantages: Separate actuation of translation and rotation Straight-line motion is guaranteed mechanically Disadvantages: Complex design and implementation Translation and rotation are excusive Robotika

9. Snake Robots Advantages: Many applications Hyper-redundant Disadvantages: Complex control and planning Robotika

10. Legged Robots Are legs better than wheels? Advantages: Can traverse any terrain a human can Disadvantages: Large number of degrees of freedom Maintaining stability is complicated Are legs better than wheels? Robotika