Transcript Robot Bergerak

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
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)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
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:
•No sliding
Disadvantages:
•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
Robotika
sagital
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
•
•
•
•
•
•
•
Robotika
Boom
Hip
Upper-link
Knee
Lower-link
Ankle
Feet
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
3
6
2
5
1
4
• 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
Robotika
kekuatan servo)
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 4Robotika
Bar Linkage
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, P31993 – 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.
Straight
[A]
Temporary
Pause
Turn
[B]
Temporary
Pause
Straight
[C]
2. Walking stripes (time per step) were limited to
only a few variations
Robotika
Struktur…
Walking Technology
Intelligent, real-Time, Flexible Walking
1. Continous movement possible without pauses.
Straight Ahead
Turning
Straight Ahead
2. In addition to changes in foot placement and
turning, the stride (time per step) can be
change freely.
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
Robotika + LCD)
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 berbedabeda untuk tiap robot
• Rumusan kinematika
biasanya mengambil
referensi dari tapak
kaki stance leg
Robotika
Contoh Rumus Kinematika
l1 sin θ11 + l2 sin (θ11+θ12) + l4 sin
(θ11+θ12+θ13+θ23) + l5 sin (θ11+θ12+θ13+θ23+θ22)
• x21 =
• 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
Robotika
time)
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
1. Erect body posture:
2. Overall progression velocity:
3. 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
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
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
cos(1 )
 sin(  )
1
0

A1 
 0

 0
0 sin( 1 ) 0

0  cos(1 ) 0
1
0
0

0
0
1
Robotika
cos( 2 )  sin(  2 )
 sin(  ) cos( )
2
2
1
A2  
 0
0

0
 0
Robotika
0   cos( 2 )
0  sin(  2 ) 

1
0

0
1

cos( 3 )  sin(  3 )
 sin(  ) cos( )
3
3
2
A3  
 0
0

0
 0
Robotika
0  cos( 3 )
0  sin(  3 ) 

1
0

0
1

Cara Kerja Kaki
Robotika
Persamaan Kinematik
F  Kp.P.(l  lmin )
F  Kp.lo .P.( K max  K )
lo  l
k 
lo
Fa  Fp
Pa.(la  lmin )  Pp .(l p  lmin )
Fa  Fs  Fp
Robotika
Persamaan Kinematik
  p  
, Pp  Ps
   med : Pa  Ps .
  a 
  a 
, Pp  Ps
   med : Pa  Ps .




 p

Pp .( p   n )  Pa .( n   a )
Fs 
( p   )
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
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