BAB III PERANCANGAN · 2017. 6. 13. · 11 BAB III . PERANCANGAN . Pada bab ini akan dibahas perancangan tugas akhir yang meliputi mekanik robot . yang . dibuat, sistem kontrol robot,

11

BAB III

PERANCANGAN

Pada bab ini akan dibahas perancangan tugas akhir yang meliputi mekanik robot yang

dibuat, sistem kontrol robot, dan algoritma perangkat lunak pada robot.

3.1. Bagian Perangkat Keras

Pada bagian mekanik akan dijelaskan bentuk dan ukuran robot, hardware yang

digunakan dan cara kerja hardware.

3.1.1. Robot Humanoid Kondo KHR-3HV

Basis perancangan menggunakan robot Kondo KHR-3HV yang merupakan robot

humanoid yang dirakit oleh Jepang dan digunakan sebagai robot petarung di negara

asalnya. Kondo KHR-3HV merupakan edisi ketiga dari robot Kondo Kagaku.

Pemilihan Kondo KHR-3HV karena harga robot dan suku cadang lebih terjangkau,

badan robot yang kokoh, dan pada dasarnya robot digunakan untuk bertarung. Robot

ini mampu menggerakkan servo motor hingga 22 Degree of Freedom (DOF). Saat

mengikuti kompetisi KRSBI, robot ini hanya menggunakan 20 DOF. Dengan rincian

dua servo motor untuk kepala dan leher, tiga pasang servo motor untuk dua lengan,

dan enam pasang servo motor untuk dua kaki.

Bagian mekanik robot memiliki tinggi 48 cm, lebar 20,5 cm dan sudah

memenuhi aturan ukuran robot maksimal pada KRSBI. Pada tugas akhir ini hanya

menggunakan kaki robot saja untuk mengaplikasikan kinematika balik. Ukuran kaki

robot memiliki panjang 26 cm dan digunakan sebagai besaran perhitungan

kinematika balik, dengan enam servo pada masing-masing kaki. Gambar 3.1

menunjukkan ukuran panjang kaki robot tiap frame dan arah perputaran servo.

12

Berikut adalah foto robot :

Gambar 3.1 Robot Kondo KHR-3HV tampak depan

Gambar 3.2 Robot Kondo KHR-3HV tampak samping

Gambar 3.3 Ukuran Panjang Kaki Robot dan Arah Perputaran Servo

13

3.1.2. Servo Motor ICS KRS-2552RHV

Servo yang digunakan adalah dua belas servo KRS-2552RHV (Gambar 3.4)

dengan torsi sebesar 14 kgfcm dan besar perputaran sudut maksimal 270o. Gambar

3.5 menunjukan nama setiap servo kaki yang terpasang.

Gambar 3.4 Servo KRS-2552RHV

Gambar 3.5 Penamaan Servo Motor

14

3.1.3. Serial USB Adapter High Speed

Serial USB Adapter High Speed (HS) (Gambar 3.6) merupakan USB bawaan dari

robot Kondo KHR-3HV yang digunakan untuk memberi nomor identitas ke servo

KRS-2552RHV. Namun USB adapter ini juga bisa digunakan sebagai pengirim data

dari Odroid XU4 ke servo motor ICS KRS-2552RHV. Data yang dikirim berupa nilai

servo yang dikonversi dari derajat ke nilai yang bisa dibaca servo yaitu sebagai

berikut : untuk data dari Odroid XU4 berupa derajat dari 0o hingga 270o, di mana 270o

merupakan perputaran sudut maksimum dari servo KRS-2552RHV. Sedangkan nilai

yang dapat diterima oleh servo KRS-2552RHV adalah angka offset servo yaitu angka

dari 3500 hingga 11500. Maka dilakukan konversi dengan cara dibandingkan 0o

dengan 3500 dan 270o dengan 11500.

Gambar 3.6 Serial USB Adapter HS

15

3.1.4. Odroid XU4

Odroid XU4 (Gambar 3.7) adalah mini PC yang digunakan sebagai prosesor

algoritma dan kontroler servo motor. Odroid XU4 merupakan sebuah Single Board

Computer (SBC) yang terdiri dari satu buah board dengan kemampuan operasi

layaknya komputer personal. Odroid XU4 dipilih karena ukurannya kecil yaitu 82 x

58 x 22 mm dan kecepatan proses 1.5Ghz quad core. Odroid XU4 akan diisi sistem

operasi Linux dengan distro Ubuntu. Odroid XU4 ini mampu memproses algoritma

dengan ringan dan cepat serta dapat mengontrol servo motor. Pada perancangan

digunakan komunikasi serial antara mini PC dengan ke 12 servo kaki melalui Serial

USB Adapter HS. Pada Odroid hanya digunakan Port USB saja dan disambungkan

ke Serial USB Adapter HS. Supply Odroid menggunakan Battery Turnigy 2.2mah

11.1Volt 3 cells yang telah dipotong menjadi 5 Volt menggunakan Regulator UBEC

Turnigy 5 Volt.

Gambar 3.7 Odroid XU4

16

3.1.5. Bagan Perangkat Keras

Gambar 3.8 Bagan Skematik Sistem

Gambar 3.8 adalah bagan pada sistem yang dibuat, terdapat board PCB yang

tidak dijelaskan pada diagram blok sistem. Pada board PCB terdapat rangkaian

supply dari battery menuju regulator ke Odroid XU4 dan servo, serta rangkaian untuk

pengiriman data dari Serial USB Adaptor HS ke servo.

17

3.2. Bagian Sistem dan Algoritma

3.2.1. Bagian Sistem

Gambar 3.9 Diagram Blok Sistem

Sistem terdiri dari Power Supply, Voltage Regulator, Odroid XU4, Serial USB

Adapter, dan 12 Servo KRS-2552RHV. Sistem dimulai dari Odroid XU4 yang

bekerja sebagai prosesor algoritma dan kontroler servo. Odroid XU4 dicatu dengan

daya sebesar 5 Volt dari Battery 2.2mAh 11.1 Volt melalui Voltage Regulator UBEC

5 Volt. Data masukan Odroid merupakan input melalui program atau data dari

pembangkit pola gerakan kemudian diproses sehingga didapat hasil nilai-nilai sudut

servo yang akan dikomunikasikan ke servo KRS-2552RHV melalui Serial USB

Adapter HS yang terhubung dengan Odroid XU4 melalui USB Port. Serial USB

Adapter HS akan mengirimkan nilai ke masing-masing servo KRS-2552RHV. Servo

KRS-2552RHV dicatu menggunakan Battery 2.2mAh 11.1Volt tanpa menggunakan

regulator.

18

Pada Diagram Blok Sistem (Gambar 3.8) terdapat dua jenis anak panah,

warna putih dan warna hitam. Anak panah warna putih menunjukan distribusi

tegangan dari Battery ke Servo KRS-2552RHV dan Odroid XU4. Anak panah warna

hitam menunjukan aliran data dari Odroid XU4 ke Serial USB Adapter HS kemudian

ke setiap servo KRS-2552-RHV.

3.2.2 Kinematika Balik

Untuk memudahkan perhitungan kinematika balik digunakan pendekatan

geometri segitiga untuk mencari besar sudut pada konfigurasi setiap rantai

kinematika. Pertama diketahui adalah panjang kaki robot yaitu 260 mm, akan

digunakan sebagai posisi standby pada sumbu y. Panjang frame 1 dan frame 2

masing-masing 65 mm (Gambar 3.10).

Gambar 3.10 Gambar Frame Kaki Robot

Pergerakan kaki dalam tiga dimensi (x, y, z) akan dihitung dan dibagi menjadi

tiga tahap. Perhitungan dimulai dari bidang yang memakai DOF yang paling sedikit

ke bidang yang memakai DOF yang paling banyak, pada masing-masing bagian yaitu

bidang X-Y memakai satu DOF, bidang Y-Z dua DOF, dan bidang X-Y memakai

tiga DOF. Berikut adalah gambar urutan servo yang akan digunakan dalam penjelasan

diagram kartesian dan perhitungan matematis.

19

Gambar 3.11 Gambar Urutan Servo Kaki dan Pergerakan Kaki

Tahap pertama perhitungan arah hadap atau heading dan gerak kaki pada bidang

X-Z. Pada tahap ini, nilai-nilai input yang harus diketahui adalah Heading, px, dan pz.

Untuk heading hanya menggunakan input nilai sudut saja. Heading, px, dan pz adalah

input nilai bisa berasal dari perhitungan pembangkit pola gerakan langkah atau

diinput melalui program. Terdapat empat buah frame pada setiap kaki, dan panjang

frame dari servo 0 ke servo 2, servo 2 ke servo 3, servo 3 ke servo 4, dan servo 4 ke

telapak kaki masing-masing adalah sama yaitu 65 mm (Gambar 3.11). Berikut adalah

gambar joint space pada bidang X-Z :

Gambar 3.12 Pemodelan Kinematika pada bidang X-Z

20

Gambar di atas adalah pemodelan kinematika tampak atas dari kaki robot jika

kaki robot digerakkan pada bidang X-Z. Dapat diketahui (px, pz) adalah titik (point =

p) input algoritma, Ɵ1 adalah besar sudut untuk heading (servo 0) yang dituju, Rxz

adalah resultan gerak kaki pada sumbu (x) dan sumbu (z). B adalah besar sudut untuk

mencari arah orientasi gerak kaki (ax, az) menuju sumbu (z). ax dan az akan memiliki

nilai jika terdapat nilai input heading tidak sama dengan 0. Berikut adalah persamaan-

persamaan yang dipakai untuk mencari nilai-nilai diatas :

𝜃1 = ℎ𝑒𝑎𝑑𝑖𝑛𝑔 (1)

𝑅𝑥𝑧 = √𝑝𝑥2 + 𝑝𝑧2 (2)

𝐵 = 𝑡𝑎𝑛−1 (𝑝𝑧

𝑝𝑥) − ℎ𝑒𝑎𝑑𝑖𝑛𝑔 (3)

𝑎𝑧 = 𝑅𝑥𝑧 × 𝑠𝑖𝑛𝐵 (4)

𝑎𝑥 = 𝑅𝑥𝑧 × 𝑐𝑜𝑠𝐵 (5)

Tahap kedua berisi perhitungan gerak kaki pada bidang Y-Z yaitu gerakan kaki

mengangkat (y) dan ke arah samping (z). Pada tahap ini, nilai-nilai input yang harus

diketahui adalah nilai py, ay, dan az. Nilai az sudah diketahui dari perhitungan tahap

pertama. Pada perhitungan ini menggunakan pergerakan servo 1 (Ɵ2) dan servo 5 (Ɵ6)

pada Gambar 3.11. Nilai sudut yang dihasilkan adalah sama antara nilai Ɵ2 dan Ɵ6

namun orientasi perputaran servo berbeda. Hal ini disebabkan konfigurasi kaki robot

yang mengharuskan telapak kaki harus tetap mendatar agar robot dapat berdiri.

Berikut adalah gambar pemodelan kinematika pada bidang Y-Z.

21

Gambar 3.13 Pemodelan Kinematika pada bidang Y-Z

Dari gambar di atas dapat dilihat Ɵ2 dan Ɵ6 memiliki besar sudut yang sama, dan

nilai Ɵ2 dapat dicari besar sudut yang terbentuk dari frame ay dengan az, ay adalah

panjang frame yang bergerak dari servo 1 ke servo 5 sepanjang sumbu y (Gambar

3.10), dan Ryz adalah resultan gerak kaki pada sumbu (y) dan sumbu (z). by dan bz

adalah panjang garis bantu untuk menghitung resultan gerak kaki yang memiliki titik

tumpu yang berbeda pada bidang Y-Z dan X-Y. Berikut adalah persamaan 6 untuk

mencari nilai diatas:

𝑎𝑦 = 𝑝𝑦 − 25𝑚𝑚 − 25𝑚𝑚 (6)

𝜃2 = 𝜃6 = 𝑡𝑎𝑛−1 (

𝑎𝑧

𝑎𝑦) (7)

𝑏𝑦 = 𝑐𝑜𝑠𝜃2 × 40𝑚𝑚 (8)

𝑏𝑧 = 𝑠𝑖𝑛𝜃2 × 40𝑚𝑚 (9)

22

Tahap terakhir adalah perhitungan kinematika pada bidang X-Y yang akan

mengatur gerak kaki robot melangkah ke depan sumbu (x) dan mengangkat sumbu

(y). Pada tahap ini, nilai-nilai input yang harus diketahui adalah py, ax, az, by,dan bz.

Nilai ax dan az sudah diketahui dari perhitungan tahap pertama, sedangkan nilai by,

dan bz, diketahui dari perhitungan tahap kedua.

Gambar 3.14 Pemodelan Kinematik pada bidang X-Y

Tahap ini merupakan tahap yang paling panjang karena memiliki tiga DOF.

Pergerakan kaki pada bidang X-Y akan terjadi pada servo 2, servo 3, dan servo 4

(Gambar 3.11), di mana servo 3 adalah lutut robot. Ryz adalah resultan gerak antara

sumbu (y) dan sumbu (z). Selanjutnya dapat dilihat dari Gambar 3.14 bahwa Ɵ3

terbentuk dari penjumlahan sudut sA dengan sudut sB. sA terbentuk dari sudut antara

Rxy dengan panjang garis antara servo 2 dengan servo 4 atau Rb, Rb didapat dari

pitagoras Ry dengan ax. Ɵ4 dapat diketahui dari sudut 180o yang dikurangi oleh sudut

yang terbentuk antara frame1 dengan frame2 dengan panjang yang sama. Kemudian

Ɵ5 dapat diperoleh dari selisih Ɵ4 dengan Ɵ3, atau bisa dilihat dari persamaan berikut:

𝑅𝑦𝑧 = √(𝑝𝑦 − 50𝑚𝑚 − 2 × 𝑏𝑦)2

+ (𝑎𝑧 − 2 × 𝑏𝑧)2 (10)

𝑅𝑥𝑦 = √𝑅𝑦𝑧2 + 𝑎𝑥2 (11)

𝑠𝐴 = sin−1(𝑎𝑥/𝑅𝑥𝑦) (12)

23

𝑠𝐶 = cos−1 (𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒2+𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒2−𝑅𝑥𝑦2

2×𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒×𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒) (13)

𝑠𝐵 = sin−1 (𝑓𝑟𝑎𝑚𝑒×sin 𝑠𝐶

𝑅𝑥𝑦) (14)

𝜃3 = 𝑠𝐴 + 𝑠𝐵 (15)

𝜃4 = 180 − 𝑠𝐶 (16)

𝜃5 = 𝜃4 − 𝜃3 (17)

3.2.3 Bagian Algoritma

Gambar 3.15 Diagram Alir Algoritma

Algoritma dimulai dari deklarasi nilai seperti phi dan radian, inisialisasi variabel

seperti nama sudut, dan variabel untuk menyimpan perhitungan matematis.

Nilai posisi final diinput ke dalam program atau mendapat masukan dari

perhitungan pembangkit pola gerakan langkah, kemudian masuk ke perhitungan

kinematika balik yang berisi algoritma penghitungan yang menghasilkan nilai sudut-

sudut yang akan membentuk posisi akhir end-effector.

Setelah melakukan perhitungan, selanjutnya masuk ke koversi nilai hasil

perhitungan yang berupa nilai sudut akan dikonversi ke nilai offset servo agar servo

24

dapat menerima nilai tersebut. Konversi nilai dan pengaturan orientasi servo

dilakukan secara bersamaan. Pengaturan orientasi servo akan mengatur arah

perputaran servo, yaitu ke arah putaran clockwise atau counter-clockwise agar

perputaran servo berputar sesuai pergerakan kaki manusia.

Langkah selanjutnya adalah mengirimkan nilai offset servo ke servo agar servo

dapat bergerak sesuai nilai perhitungan algoritma. Pengiriman data nilai merupakan

protokol pengiriman dari Serial USB Adapter HS. Pergerakan langkah akan

disempurnakan dengan algoritma keseimbangan dan algoritma selesai.

25