Robot Bergerak

1
Robot Bergerak
2
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

3
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)

4
Tipe Wheeled Mobile Robots (WMR)

1. Differential Drive
2. Skid Steering
3. Synchro Drive
4. Omni Wheel
5. Tricycle Steering
6. Ackerman Steering
7. Articulated Drive

5
1. Differential Drive Steering
D panjang titik tengah robot dari awal menuju
akhir pergerakan
6
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

7
2. Skid (menggelincir) Steering

• Keuntungan
• Sistem penggerak (drive) sederhana
• Kerugian
• Slippage and poor odometry results
• Requires a large amount of power to turn

8
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.
9
4. Omni Wheels Steering

• Advantages
• Allows complicated motions
• Disadvantages
• No mechanical constraints to require
  straight-line motion
• Complicated implementation

10
5. Tricycle Steering

• Advantages
• No sliding

• Disadvantages
• Non-holonomic planning required

11
6. Ackerman Steering

• Advantages
• Simple to implement
• Simple 4 bar linkage controls
• front wheels

• Disadvantages
• Non-holonomic planning required

12
7. Articulated Drive

• Advantages
• Simple to implement except for turning mechanism
• Disadvantages
• Non-holonomic planning is required

13
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)

14
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

15
PERMASALAHAN

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

16
KLASIFIKASI ROBOT BERJALAN

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

17
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

18
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

19
Komponen DasarBipedal Walking Robot

• Boom
• Hip
• Upper-link
• Knee
• Lower-link
• Ankle
• Feet

20
Tahap Berjalan

• Pre-Swing-Phase
• Swing-Phase
• Heel-Contact-Phase (stance phase)

21
Tipe Dasar Gaya Berjalan

• Mamalian Stance
• Attila Stance
• Sprawled Stance

22
1.Mamalian Stance

• Digunakan kebanyakan mamalia
• Kaki beroperasi pada bidang vertikal,paralel
  terhadap sumbu longitudinal badan

23
2. Attila Stance

• Seperti reptil, paling banyak digunakan di robot
  berjalan
• Kaki beroperasi pada bidang vertikal,tegak lurus
  terhadap badan

24
3. Sprawled Stance

• Digunakan oleh serangga dan reptil kecil
• Kaki beroperasi pada bidang horizontal
• Berjalan datar dan lebar sehingga meningkatkan
  stabilitas

25
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

26
Kenapa bisa stabil statis?

• Selalu ada paling sedikit 3 kaki menahan pusat
  gravitasi
• Bisa saja 1 kaki, tapi kaki bertelapak besar

27
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

28
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 -

29
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-

30
BEBERAPA CONTOH ROBOT KAKI(ditinjau dari sisi
kaki)
31
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

32

• Robot Genghis

33

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

34
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

35
(No Transcript)
36

• Paralel 4 Bar Linkage

37
3. Robot Arnold

• 3 derajat kebebasan
• Ada fasilitas pengereman

38

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

39
(No Transcript)
40

• Mekanisme lutut robot arnold

41

• Mekanisme pengereman

42
4. Robot Kaki Carl Lewis
43

• Gerakan maju dan mengkopel lutut

44

• Tampak atas

45

• Pegas menarik kaki ke atas

46
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

47
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.

48
ASIMO

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

49
ASIMO

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

50
Perkembangan

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

51
Perkembangan
52
Perkembangan
53
Perkembangan
54
Perkembangan

55
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

56
Struktur
57
Struktur
58
Struktur
59
Struktur

• Arm technology

60
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

61
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.

62
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

63
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.

64
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.

65
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)

66
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

67
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

68
Contoh Rumus Kinematika

• x21 l1 sin ?11 l2 sin (?11?12) l4 sin
  (?11?12?13?23) l5 sin (?11?12?13?23?22)
• y21 l1 cos ?11 l2 cos (?11?12) l4 sin
  (?11?12?13?23) l5 cos (?11?12?13?23?22)
• --- Dengan base frame x11, y11 ------

69
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)

70
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

71
Model Kaki Robot Bipedal (II)
72
Fungsi-fungsi Objektif Pergerakan

• Erect body posture
• Overall progression velocity
• Trajectory of the swing limb during the single
  support phase

73
Fungsi-fungsi Objektif Pergerakan (II)

• dengan nilai konstanta
• Dalam koordinat joint, dirumuskan menjadi

74
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

75
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)

76
Human Gait Cycle (II)

• Keterangan
• Pada saat bergerak, letak proyeksi COM akan
  berpindah dari kaki ke kaki.

77
Trajektori Human Gait
78
6. Robot Kaki Sapien

• Terdapat 6 DOF di tiap kaki
• Aktuator pasif pada telapak kaki
• Menyerupai telapak kaki manusia

79
Dimensi Kaki Robot Sapien
80
Aktuator

• Menggunakan motor servo DC
• Menggunakan tambahan shaft untuk meningkatkan
  stabilitas

81
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)

82
Sensor - sensor

• Sensor gaya
• Ada 8 buah
• Diletakkan di 4 sudut telapak kaki
• Untuk menentukan kemiringan telapak kaki

83
Sensor - sensor

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

84
Sensor - sensor

• Kompas digital
• Diletakkan di bagian badan atas
• Untuk menentukan orientasi arah pergerakan

85
Sensor - sensor

• Video kamera
• Diletakkan di bagian badan atas
• Untuk penginderaan lingkungan di sekitar robot

86
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)

87
Konfigurasi Sistem Kendali
88
Simulasi

• Software Yobotics
• 3 parameter
• Pinggul (hip)
• Lutut (knee)
• Tumit (ankle)
• Film

Naik tangga
89
Trayektori Menaiki Tangga
90
Simulasi hip joint di permukaan datar
91
Simulasi knee joint di permukaan datar
92
Simulasi ankle joint di permukaan datar
93
Two Link Leg
94
Pantograph Design
95
Hasil Perbandingan
96
Body Diagram
97
(No Transcript)
98
(No Transcript)
99
(No Transcript)
100
Cara Kerja Kaki
101
Persamaan Kinematik
102
Persamaan Kinematik
103
Simulasi
104
Hasil Simulasi
105
Perbandingan Model Dengan Kenyataan
106
Kontroler
107
Sistem
108
Jalan Normal
109
Simulasi Navigasi
110
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

111
9. Snake Robots

• Advantages
• Many applications
• Hyper-redundant
• Disadvantages
• Complex control and
• planning

112
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?