ROBOTIKA
Sejarah Robotika
Keunggulan dalam teknologi robotik tak dapat dipungkiri telah lama dijadikan ikon kebanggan negara-negara maju di dunia. Kecanggihan teknologi yang dimiliki, gedung-gedung tinggi yang mencakar langit, tingkat kesejahteraan rakyatnya yang tinggi, kota-kotanya yang modern, belumlah terasa lengkap tanpa popularitas kepiawaian dalam dunia robotik.
Kata robot yang berasal dari bahasa Czech, robota, yang berarti pekerja, mulai menjadi populer ketika seorang penulis berbangsa Czech, (Ceko), karl Capek, membuat pertunjukan dari lakon komedi yang ditulisnya pada tahun 1921 yang berjudul RUR (Rossum’s Universal Robot). Ia bercerita tentang mesin yang menyerupai manusia, tapi mampu bekerja terus-menerus tanpa lelah. Istilah robot ini kemudian memperoleh sambutan dengan diperkenalkannya robot jerman dalam film Metropolis tahun 1926 yang sempat dipamerkan dalam New York World’s Fair 1939. Film ini mengisahkan tentang robot berjalan mirip manusia beserta hewan peliharaannya. Kembali atas jasa insane film, istilah robot ini makin popular dengan lahirnya robot C3Po dalam film Star Wars pertama pada tahun 1977.
Menurut fu, et al. (1987) penelitian dan pengembangan pertama yang berbuah produk robotik dapat dilacak mulai dari tahun 1940-an ketika Argone National Laboratories di Oak Ridge, Amerika, memperkenalkan sebuah mekanisme robotik yang dinamai master-slave manipulator. Robot ini digunakan untuk menangani material radioaktif. Kemudian produk pertama robot komersial diperkenalkan oleh Unimation Incorporated, Amerika pada tahun 1950-an. Hingga belasan tahun kemudian langkah komersial ini telah diikuti oleh perusahaan-perusahaan lain. Namun demikian, seperti ditulis dalam beberapa sumber, penelitian intensif dibidang teknologi robotika dan niatan menjadikan robotik sebagai sebuah disiplin ilmu kala itu belum terpikirkan.
Baru setelah dunia mulai menapak ke jaman industri pada pertengahan tahun 60-an kebutuhan akan otomasi makin menjai-jadi. Pada saat itulah robotik diterima sebagai disiplin ilmu baru yang mendampingi ilmu-ilmu dasar dan teknik yang telah mapan sebelumnya. Di negara-negara yang telah mapan kala itu, seperti Amerika, Inggris, Jerman dan Perancis mulai bermunculan grup-grup riset yang menjadikan robotik sebagai temanya, kemudian diikuti oleh Jepang, yang dipelopori oleh ilmuwan-ilmuwan yang baru pulang dari menimba ilmu di Amerika. Bahkan, di kemudian hari Jepang-lah yang tercatat sebagai negara yang paling produktif dalam mengembangkan teknologi robot. Hal ini tidak lain karena jepang gigih dalam melakukan penelitian teknologi infrastruktur seperti komponen dan piranti mikro (microdevices) yang akhirnya bidang ini terbukti sebagai inti dari pengembangan robot modern.
Dewasa ini mungkin definisi robot industri itu sudah tidak sesuai lagi karena teknologi mobile robot sudah dipakai secara meluas sejak tahun 80-an. Seiring itu pula kemudian muncul istilah robot humanoid, animaloid, dan sebagainya. Bahkan kini dalam industri spesifik seperti industri perfilman, industri angkasa luar dan industri pertahanan atau mesin perang, robot arm atau manipulator bisa jadi hanya menjadi bagian saja dari sistem robot secara keseluruhan.
Penelitian di Bidang Robotik
Robotik memiliki unsur yang sedikit berbeda dengan ilmu-ilmu dasar atau terapan yang lain dalam berkembang. Ilmu dasar biasanya berkembang dari suatu asa atau hipotesis yang kemudian diteliti secara metodis. Ilmu terapan dikembangkan setelah ilmu-ilmu yang mendasarinya berkembang dengan baik. Sedangkan ilmu robotik lebih sering berkembang melalui pendekatan secara praktis pada awalnya. Kemudian melalui suatu pendekatan atau perumpamaan dari hasil pengamatan perilaku mahluk hidup atau benda/mesin/peralatan bergerak lainnya dikembangkanlah penelitian secara teoritis. Dari teori kembali kepada praktis, dan dari robot berkembang menjadi lebih canggih.
Mekatronik vs Robotik
Mekatronik adalah istilah umum yang menjadi popular seiring dengan perkembangan padu mekanik dan elaktronik. Mekatronik terdiri dari 4 disiplin ilmu, yaitu mekanik (mechanics), elektronik, teknik kontrol berbasis prosesor serta pemrograman seperti halya dalam bidang robotik. Sebuah produk mekatronik belum tentu robotik, namun robot pasti mekatronik. Banyak produk mekatronik disekeliling kita, misalnya mesin cuci, CD/DVD/ video/cassette player, walkman hingga vacuum cleaner. Dalam bidang otomotif produk mekatronik yang diterapkan pada mobil yaitu ABS (anti lock breaking Sistem), active suspension sistem, dsb. Dalam dunia industri, perdagangan dan gedung-gedung perkantoran dikenal berbagai peralatan otomatis seperti pintu otomatis, lift, escalator, mesin fotocopy, dan masih banyak lagi.
Robotik vs Bio-Science
Penelitian bidang robotik dalam kehidupan organik (bio science) juga semakin mendalam dan bahkan cenderung tak teduga arahnya. Jika dalam dunia kedokteran telah dikenal teknik kloning mahluk hidup yang kontroversial itu, maka dalam dunia robotik juga dikenal suatu proyek penelitian yang disebut sebagai implant sensor/actuator atau implant interface. Interface berupa chip IC berukuran micro ditanamkan ke dalam mahluk hidup dengan tujuan agar komputer dapat di luar dapat mengendalikan dan atau memonitor kegiatan saraf organic manusia secara langsung di dalam pembuluh darah atau saraf tubuh.
Macam-macam Robot
- Berdasarkan sifat-sifat fisik terdiri dari:
Non-mobile
Robot Arm (Manipulator)
Sendi-lengan
Planar
Polar
Cartesian
Selinder
Mobile
Mobile robot beroda
Tipe holonomic
Tipe non-holonomic
Mobile robot berkaki
Jumlah kaki
Jumlah DOF
Kombinasi Mobile dan Non-mobile
Mobile manipulator
Walking robot dengan manipulator
Humanoid, Animaloid
Under water robot
Flying robot
- Berdasarkan cara pengontrolan terdiri dari:
Manual
Otomatis
Sistem Robot dan Orientasi Fungsi
Sistem Sistem
Roda Kaki
Sistem
Aktuator
Sistem
Kontroler
Mekanik
Robot
Sistem Tangan
Sistem Robot
Untuk Navigasi
(gerak berpindah)
Untuk Navigasi
(gerak berpindah)
Ujung tangan
· Mengikuti urutan perintah
· Mengikuti obyek (berbasis vision, proximity, dll.
· Memegang, mengambil, mengangkat, memindahatau mengolah obyek
· Mengikuti jalur
· Berdasarkan obyek static atau bergerak (menuju obyek,menghindari objek/halangan)
berbasis vision, proximity, dll.
· Berdasarkan urutan perintah
Real world
Mata
Kamera
Mata
Kamera
Aktuator
Sensor
Sistem Kontroler
Adalah rangkaian elektronik yang setidak-tidaknya terdiri dari rangkaian prosesor (CPU, Memori, komponen interface Input/output), signal conditioning untuk sensor (analog dan atau digital), serta driver untuk aktuator. Bila diperlukan bisa dilengkapi dengan sistem monitor seperti seven segment, LCD (liquid crstal display) ataupun CRT (cathode ray_tube).
Mekanik Robot
Adalah sistem mekanik yang dapat terdiri dari setidak-tidaknya sebuah sistem gerak. Jumlah fungsi gerak disebut sebagai derajat kebebasan atau degree of freedom (DOF). Sebuah sendi yang diwakili oleh sebuah gerak actuator disebut sebagai satu DOF. Sedangkan derajat kebebasan pada struktur roda dan kaki diukur berdasarkan fungsi holonomic atau non-holonomic.
Sensor
Adalah perangkat atau komponen yang bertugas mendeteksi (hasil) gerakan atau fenomena lingkungan yang diperlukan oleh sistem kontroller. Dapat dibuat dari sistem yang paling sederhana seperti sensor ON/OFF menggunakan limit switch, sistem analog, sistem bus parallel, sistem bus serial, hingga sistem mata kamera.
Aktuator
Adalah perangkat elektromekanik yang menghasilkan daya gerakan. Dapat dibuat dari sistem motor listrik(motor DC (permanent magnet, brushless, motor DC servo, motor DC stepper, solenoid, dsb.), sistem pneumatic (perangkat kompresi berbasis udara atau gas nitrogen), dan perangkat hidrolik (berbasis bahan cair seperti oli). Untuk meningkatkan tenaga mekanik aktuator atau torsi gerakan dapat dipasang sistem gearbox, baik sistem direct-gear (sistem lurus, sistem ohmic/worm-gear dsb.), sprochet-chain (gir-rantai, gir-belt, ataupun sistem wire-roller, dsb.)
Sistem Roda
Adalah sistem mekanik yang dapat menggerakkan robot untuk berpindah posisi. Dapat terdiri dari sedikitnya sebuah roda penggerak (drive atau steer) dua roda deferensial (kiri kanan independent ataupun sistem belt seperti tank), tiga roda (synchro drive atau sistem holonomic), empat roda (Ackermann model/car like mobile robot atau sistem mecanum wheels) ataupun lebih.
Sistem Kaki
Pada dasarnya sistem kaki adalah gerakan ‘roda’ yang didesain sedemikian rupa hingga memiliki kemampuan gerak seperti makhluk hidup. Robot berjalan dengan sistem dua kaki atau biped robot memiliki struktur kaki seperti manusia setidak-tidaknya memiliki sendi-sendi yang mewakili pergelangan kaki, lutut dan pinggul. Dalam konfigurasi yang ideal pergerakan pada pinggul dapat terdiri dari multi DOF dengan kemampuan gerakan memutar seperti orang menari jaipong. Demikian juga pada pergelangan kaki, idealnya adalah juga memiliki kemampuan gerakan polar. Untuk robot binatang, (animaloid) seperti serangga, jumlah kaki dapat didesain lebih dari empat. Bahkan robot ular yang memiliki DOF yang lebih dari 8 sesuai dengan panjang robot (ular) yang didefinisikan.
Sistem Tangan
Adalah bagian atau anggota badan robot selain sistem roda atau kaki. Dalam konteks mobile robot, bagian tangan ini dikenal sebagai manipulator yaitu sistem gerak yang berfungsi untuk memanipulasi (memegang, mengambil, mengangkat, memindah atau mengolah) obyek. Pada robot industri fungsi mengolah ini dapat berupa perputaran (memasang mur-baut, mengebor/ drilling, dll.), tracking (mengelas, membubut, dsb) ataupun mengaduk (control proses). Untuk robot tangan didesain sendi lengan diukur berdasarkan DOF. Lengan dapat dibuat kaku atau tegar (rigid) ataupun fleksibel (flexible manipulator).
Real World
Real world atau dunia nyata didefinisikan sebagai daerah kerja (workspace) daripada robot. Robot yang tersusun dari tangan/manipulator saja memiliki workspace yang terbatas sesuai panjang jangkauan tangannya. Untuk robot beroda/berkaki, workspacenya menjadi relatif tak terbatas tergantung kemampuan jelajahnya. Dengan menggabung robot tangan ke atas mobile robot maka daerah kerja untuk navigasi dasar dapat berupa mengikuti jalur di jalan (seperti linefollower atau route-runner robot, model labirin pada robot tikus, robot marka jalan berbasis vision, dsb.), berjalan menuju ke obyek atau sasaran (menggunakan sensor radar, sonar, kamera, proximity, dsb.), ataupun berjalan menuju sasaran dengan menghindari halangan (obstacle). Untuk bagian tangan, tugasnya dapat berupa tracking mengikkuti referensi trajektori, menuju atau menghindari obyek berupa vision, dan segala terminology manipulasi yang mungkin dilakukan sesuai dengan tool pada posisi TIP atau ujung/pergelangan tangan.
Kontrol Robotik
Kontrol adalah bagian yang amat penting dalam robotik, tanpa kontrol hanya akan menjadi benda mekatronik yang mati. Dalam system kontrol robotik, terdapat dua bagian, yaitu perangkat keras elektronik dan perangkat lunak yang berisi program kemudi serta algoritma kontrol.
Mekanik
Mekanik
Kontrol
Sistem Robotik
Artificial Intelligent
Dalam gambar diatas, kontrol adalah bagian yang tak terpisahkan dalam sistem robotik. Dalam hal ini, system control bertugas mengkolaborasikan system elektronik dan mekanik dengan baik agar mencapai fungsi seperti yang dikehendaki. Tanda dalam interseksi adalah posisi atau bagian dimana terjadi interaksi antara ketiga bagian itu.
Sistem kontroler sendiri memiliki mekanisme kerja seperti yang diilustrasikan berikut ini. Tiga prosedur utama, yaitu baca sensor, memproses data sensor, dan mengirim sinyal aktuasi ke aktuator adalah tugas utama kontroler. Ilustrasi ini mengisyaratkan bahwa sebenarnya tugas kontroler adalah sederhana. Dengan membaginya menjadi tiga bagian maka seorang enginer akan lebih mudah dalam melakukan analisa tentang bagaimana kontroler yang didesainnya bekerja. Meski dalam program kemudi robot secara kompleks namun sebenarnya tetap dapat dibagi ke dalam tiga bagian besar itu
Baca sensor
Memproses data (algorithma kontrol dalam program kemudi)
Tulis data (sinyal aktuasi ke aktuator)
Algorithma Artificial Intelligent
Dalam aplikasi, prosedur “baca sensor” dapat terdiri dari berbagai teknik yang masing-masing membawa dampak kerumitan dalam pemrograman. Setidak-tidaknya ada dua macam teknik yang digunakan kontroler dalam menghubungi sensor, yaitu polling dan interrupt. Teknik polling adalah prosedur membaca data berdasarkan pengalamatan langsung yang dapat dilakukan kapan saja kontroler menghendaki. Sedang pada teknik interrupt, kontroler melakukan pembacaan jika sistem sensor melakukan interupsi, yaitu dengan memberikan sinyal interrupt ke kontroler (via perangkat keras) agar kontroler (CPU) melakukan proses pembacaan. Selama tidak ada interrupt maka kontroler tidak akan mengakses sensor tersebut.
Bagian yang berfungsi untuk memproses data sensor adalah bagian yang paling penting dalam program kontroler. Di sinilah para peneliti dan enginer dapat dengan leluasa mengembangkan berbagai ide, teori dan teknik bagaimana membuat robot dapoat bekerja sesuai harapan. Berbagai algoritma kontrol mulai dari teknik klasik dapat diterapkan. Jika dikehendaki kontrol yang lebih pintar dan dapat beradaptasi dapat memasukkan berbagai algorithma kontrol adaptive hingga teknik artificial intelligent.
Bagian ketiga, yaitu prosedur “tulis data” adalah bagian yang berisi pengalamatan ke aktuator untuk proses penulisan data. Dalam konteks rangkaian elektronik, data ini adalah sinyal aktuasi ke kontroler seperti berapa besar tegangan dan arus yang masuk ke motor, dsb.
Macam-macam sistem kontrol
Kontrol Konvensional
ON/Off
Sequential
Proportional (P)
Proportional dan Integral (PI)
Proportional dan Derivatif (PD)
Proportional, Integral dan Derivatif (PID)
Kontrol Cerdas
Neural Networks
Artificial Fuzzy Control
Expert Systems
Genetic Control
Hybrid Systems
Hybrid Systems
Kontrol On/Off
Sistem kontrol On/Off, kadangkala disebut sebagai “bang-bang control”, adalah kontrol yang paling dasar dalam robotik input sensor dan output pada aktuator dinyatakan dalam dua keadaan yaitu ON/OFF atau logika 1 dan 0. kestabilan gerak gerak yang diperoleh hanya hanya berdasarkan pada rule sederhana tetapi mampu menjaga robot dari gerakan yang menyebabkan tracking error (TE) menjadi membesar. Sebagai contoh, robot-robot yang dibuat untuk mengikuti garis atau line follower, serta robot pada Kontes Robot Indonesia (KRI).
Gambar berikut mengilustrasikan diagram kontrol loop tertutup berdasarkan ON/OFF.
Kontroler ON/Off
Robot
1/0
1/0
1/0
1/0
+
-
Sebagai contoh bahasan, berikut ini ditampilkan sebuah kasus control ON/OFF pada robot line follower.
SL
SR
MR
ML
Emitter
Line
Algorithma dari robot line follower diatas adalah:
IF SL=0 AND SR=0 THEN {ML=1; MR=1}
IF SL=0 AND SR=1 THEN {ML=1; MR=0}
IF SL=1 AND SR=0 THEN {ML=0; MR=1}
IF SL=1 AND SR=1 THEN {ML=0; MR=0}
