SISTEM ROBOT

A. Pendahuluan

Kata robot berasal dari bahasa Czech, robota, yang berarti pekerja [1].

Pada dasarnya robot dibuat untuk mendukung dan membantu pekerjaan

manusia, seperti yang banyak terlihat dibidang industri dimana robot dapat

meningkatkan hasil produksi industri tersebut.  Robot diklasifikasikan ke

dalam 4 bagian, yaitu [2] : 

1. Non mobile robot

  Robot ini tidak dapat berpindah posisi dari satu tempat ke tempat

lainnya, sehingga robot tersebut hanya dapat menggerakkan beberapa

bagian dari tubuhnya dengan fungsi tertentu yang telah dirancang. Contoh

nyata dari robot ini adalah robot manipulator berlengan.

2. Mobile robot

 Mobile dapat diartikan bergerak, sehingga robot ini dapat

memindahkan dirinya dari satu tempat ke tempat lain. Robot ini

merupakan robot yang paling populer dalam dunia penelitian robotik. Dari

segi manfaat, robot ini diharapkan dapat membantu manusia dalam

melakukan otomasi dalam transportasi, platform bergerak untuk robot

industri , eksplorasi tanpa awak, dan masih banyak lagi.

3. Gabungan mobile robot dan non mobile robot

 Robot ini merupakan penggabungan dari fungsi-fungsi pada

robot mobile dan non-mobile. Sehingga keduanya saling melengkapi

dimana robot nonmobile dapat terbantu fungsinya dengan bergerak dari

satu tempat ke tempat lain.

4. Humanoid

 Robot ini sengaja dirancang dengan menirukan manusia. Fungsi-

fungsi tubuh manusia baik lengan, kaki, mata, dan pergerakan sendi kepala

dan bagian lainnya sebisa mungkin diterapkan dirobot ini. Contoh robot ini

adalah robot ASIMO buatan Jepang.

1

Berdasarkan pengendaliannya robot dibedakan menjadi :

1. Robot Otomatis (automatic robot)

Robot otomatis dapat bergerak sendiri berdasarkan perintah-

perintah yang ditulis dalam program pengendalinya. Robot jenis ini dapat

mengetahui kondisi lingkungan di sekitarnya karena dilengkapi dengan

alat sensor.

2. Robot Teleoperasi (teleoperated robot)

Robot jenis ini bergerak berdasarkan perintah-perintah yang

dikirimkansecara manual, baik tanpa kabel atau dengan kabel.

B. Sistem Robot

Untuk dapat disebut sebagai sistem robot, sebuah robot sedikitnya

terdiri dari tigahal utama yaitu [3]:

a. Sensor

Merupakan bagian yang berfungsi untuk mengenali kondisi lingkungan

yang akan menjadi informasi umpan balik pada pengendali robot.

b. Aktuator

Berfungsi sebagai sumber tenaga untukmenggerakkan manipulator.

Aktuator padarobot dapat memakai sistem hidrolik, sistempneumatik, motor

DC, motor AC, motor stepperdan berbagai jenis penggerak lainnya.

c. Prosesor (Kontrol)

Merupakan otak dari robot, berfungsi untukmenyimpan dan memproses

(kontrol) setiap urutangerakan pada robot. Biasanya bagian prosesorini

memungkinkan robot untuk melakukanberbagai jenis tugas yang

diprogramkankepadanya.

Klasifikasi Sistem Robot Berdasarkan Tipe Kontrol

Berdasarkan tipe kontrolnya, suatu robotdapat dibedakan menjadi dua jenis

[3], yaitu:

a. Sistem loop terbuka (open-loop system)

Dalam sistem loop terbuka, robot hanya dapatbergerak berdasarkan

input yang diterima.Output yang dihasilkan tidak dikembalikanuntuk

2

mengubah input. Contoh dari sistem inimisalnya adalah tegangan yang

diaplikasikanpada sebuah motor. Disini tegangan berfungsisebagai input dan

kecepatan gerak motorsebagai output. Jika tegangan diberikan makamotor

akan mulai bergerak dengan kecepatantertentu. Semakin tinggi tegangan

yangdiberikan, maka kecepatan motor juga akansemakin tinggi.

Namun jika pada motordiberikan beban maka kecepatan motor

akanberkurang dan situasi ini akan menyebabkanterjadinya error, karena

kecepatan yangdiinginkan tidak tercapai akibat faktor beban.

Gambar 1. Open-loop system

b. Sistem loop tertutup (closed-loop system)

Sistem loop tertutup memperbaiki kelemahanyang timbul pada sistem

loop terbuka yang telahdijelaskan di atas. Sesuai dengan contoh di

atas,perubahan kecepatan akibat beban tersebut akandikembalikan untuk

dibandingkan denganvariabel input, sehingga variabel input dapatdiubah

untuk menyesuaikan diri terhadapperubahan beban tersebut, dan output

yangdiinginkan akan tercapai.

Gambar 2. Close-loop system

Salah satu jenis pengendali (controller) yang paling populer dan telah lama

digunakan adalah pengendali Proportional Integrator Differentiator (PID).

3

Pengendali Proportional Integrator Differentiator (PID)

Pengendali PID merupakan pengendali konvensional tetapi masih

sangat banyak dijumpai pada dunia industri dan bidang-bidang kendali yang

lain [7].

a. Integral control action (I)

Pada pengontrol ini, kecepatan perubahan sinyal kontrol sebanding dengan

sinyal error.

Jika e(t) diduakalikan, maka kecepatan perubahan u(t) adalah dua

kali semula. Selama sinyal error masih ada, maka sinyal kontrol akan beraksi

terus. Ketika sinyal error nol, u (t) tetap stasioner. Dengan demikian, aksi

kontrol integral akan menghilangkan steady state error.

Artinya output sistem akan selalu mengejar set point sedekat

mungkin. Aksi kontrol integralsering disebut automatic reset control.

Kerugian dari aksi kontrol ini adalah terjadi osilasisehingga mengurangi

kestabilan sistem.

b.Proportional plus integral control action (PI)

Kp adalah gain proporsional, Ti adalah integral time. Integral time mengatur

aksi kontrol integral sedangkan Kp akan mempengaruhi baik bagian integral

maupun proporsional. Kebalikan dari Ti disebut reset rate yang artinya

jumlah waktu per menit dimana bagian proporsional dari aksi kontrol

diduplikasi.

4

c. Proportional plus derivative control action (PD)

Td adalah derivative time. Aksi kontrol derivative sering disebut rate control

karena kecepatan perubahan error sebanding dengan sinyal kontrol. Artinya,

apabila ada perubahan error, maka sinyal kontrol beraksi. Aksi kontrol ini

memberikan respon terhadap perubahan sinyal error dan mampu

mengoreksinya sebelum error bertambah besar. Aksi kontrol ini mampu

mengantisipasi error, mempercepat respon sistem dan meningkatkan stabilitas

sistem. Dengan demikian, apabila ada gangguan tiba-tiba, output akan

berubah secara tiba-tiba menjauhi set point, menghasilkan perubahan error.

Perubahan error yang tiba-tiba akan menghasilkan sinyal kontrol antisipasi

sebelum error bertambah besar dan berusaha mengembalikan ke keadaan

steady. Kekurangan dari aksi ini adalah terdapat steady state error karena

error yang konstan tidak akan menghasilkan sinyal kontrol (sistem yang

sudah steady tidak menghasilkan aksi kontrol walaupun jauh dari set point).

d. Proportional plus integral plus derivative control action (PID)

Ini adalah kombinasi dari ketiga aksi kontrol:

Aksi kontrol gabungan seperti ini menghasilkan performansi serta

keuntungan gabungan dari aksi kontrol sebelumnya. PID mempunyai

karakteristik reset control dan rate control yaitu meningkatkan respon dan

stabilitas sistem serta mengeliminasi steady state error.

5

Parameter-parameter tuning dari pengendali PID antara lain :

1. Kp : Proportional Gain : Nilai Kp yang besar menunjukkan tanggapan

sistem yang semakin cepat karena peningkatan nilai kesalahan,

peningkatan nilai umpan balik untuk dikompensasi. Nilai Kp yang

terlalu besar dapat menyebabkan ketidakstabilan proses.

2. Ki : Integral Gain : Nilai Ki yang besar menunjukkan bahwa galak

tunak akan dieleminasi lebih cepat. Akibatnya adalah besarnya nilai

overshoot, beberapa kesalahan negatif yang terintegrasi selama

tanggapan transient sistem harus diintegrasikan kembali oleh

kesalahan positif sebelum tercapainya keadaan tunak.

3. Kd : Derivative Gain : Nilai Kd yang besar akan menurunkan

overshoot tetapi akan memperlambat tanggapan transient sistem dan

dapat membawa ketidakstabilan sistem.

Klasifikasi Sistem Robot Berdasarkan Pemodelan Robot

Ada dua tahapan dalam memodelkan sebuah robot, yaitu: model

kinematika danmodel dinamika [6].

Kinematika robot adalah studi analitis pergerakan lengan robot

terhadapsistem kerangka koordinat acuan yang diam/bergerak tanpa

memperhatikan gaya yangmenyebabkan pergerakan tersebut. Model

kinematika merepresentasikan hubungan endeffectordalam ruang tiga dimensi

dengan variabel sendi dalam ruang sendi. Persamaankinematika maju

mendeskripsikan posisi dan orientasi end-effector yang dinyatakan

dalamposisi sendi. Sedangkan persamaan kinematika balik mendeskripsikan

konfigurasi posisisendi untuk menghasilkan posisi dan orientasi end-effector

tertentu.

Dinamika robot adalah formulasi matematis yang menggambarkan

tingkah laku dinamis darimanipulator dengan memperhatikan gaya yang

menyebabkan pergerakan tersebut. Persamaandinamika maju digunakan

untuk menghitung nilai posisi, kecepatan dan percepatan darisetiap sendi

apabila diberikan gaya/torsi pada setiap sendi. Sedangkan persamaan

dinamikamundur digunakan untuk menghitung nilai gaya/torsi setiap sendi

6

apabila diberikan posisi,kecepatan dan percepatan dari setiap sendi. Dinamika

robot ini digunakan untuk simulasipergerakan lengan robot, perancangan

strategi dan algoritma kendali agar lengan robotmemenuhi tanggapan serta

kinerja yang diinginkan, dan mengevaluasi perancangankinematika dan

struktur dari lengan robot.

a. Konsep Kinematika

Pengendali dinyatakan sebagai pengendali kinemaik karena

mengandung komponen transformasi ruang kartesian ke ruang sendi. Dengan

demikian diperoleh keluaran pengendali u yang bekerja dalam ruang sendi,

u(q1, q1,…, qn). Sebaliknya, pengendali memerlukan umpan balik dalam

bentuk koordinat karena acuan diberikan dalam bentuk koordinat [6].

b. Konsep Dinamika

Robot secara fisik adalah suatu benda yang memiliki struktur tertentu

dengan massa tertentu,sehingga dalam pergerakannya tunduk kepada hukum-

hukum alam yang berkaitan dengangrafitasi dan atau massa/kelembaman.

Jika robot berada di permukaan bumi, maka grafitasidan massa akan

mempengaruhi kualitas gerakan. Sedangkan bila robot berada di luar

angkasayang bebas grafitasi, maka massa saja yang dapat menimbulkan efek

inersia/kelembaman.Setiap struktur dan massa yang berbeda akan

memberikan efek inersia yang berbeda pulasehingga penanganan dalam

pemberian torsi pada tiap sendi seharusnya berbeda pula[6].

Gambar 3. Diagram model dinamika robot

7

C. Turunan Persamaan Kontrol Aktuator yang Dikendali Sebuah Penggerak

[4]

eb(t)=Kb

dθ (t)dt

Kb sθ (s )=Eb ( s )

Jd2θ(t )

d t2 +bdθ (t)

dt=T ( t)=K ia(t)

( J s2+bs )θ ( s )=T ( s)=K la ( s )

la (s )=(J s2+bs) θ ( s)

K

La

d ia(t)dt

+Ra ia(t)+eb(t)=ea(t)

( La s+Ra ) la (s )+Eb (s )=Ea (s )

Ea ( s)=( Ls s+ Ra )( J s2+bs ) θ (s )

K+Kbsθ ( s )

Ea ( s) K=( L s s+Ra ) (J s2+bs) θ (s )+Kbsθ (s ) K

Ea (s )θ (s )

=( Ls s+Ra ) (J s2+bs)+K2 bs

K

Ea (s )θ (s )

=La J s3+La sbs+Ra J s2+Rabs+K2 bs

K

Ea (s )θ (s )

=s [ La J s2+ Labs+Ra Js+Ra b+K 2b ]

K

Ea (s )θ (s )

=s [ La J s2+ ( La b+Ra J ) s+Ra b+KKb ]

K

8

θ (s )Ea (s )

= K

s [La J s2+(La b+Ra J )s+Ra b+KKb ]

D. Sistem Kontrol Loop Tertutup

Menggunakan PID controller

Dimana :

K p=18

T i s=1,405

T d s=0,3512

Gc (s )=K p(1+1

T i s+T d s)

Gc (s )=18(1+ 11,405 s

+0,35124 s )Gc (s )=18+ 18

1,405 s+6,32232 s

Gc (s )=25,29 s+18+8,882 s2

1,405 s

Gc (s )=18 s+12,811+6,32232 s2

s

Gc (s )=6,32232 s2+18 s+12,811s

9

[5]

C(s)R(s)

=G(s)

1+G ( s ) H (s)

C (s )R (s )

=

6,32232 s2+18 s+12,811s

.1

s ( s+1 ) (s+5 )

1+ 6,32232 s2+18 s+12,811s

.1

s (s+1 ) ( s+5 )

C (s )R (s )

=

6,32232 s2+18 s+12,811s4+6 s3+5 s2

s4+6 s3+5 s2

s4+6 s3+5 s2+ 6,32232 s2+18 s+12,811

s4+6 s3+5 s2

C (s )R (s )

=

6,32232 s2+18 s+12,811s4+6 s3+5 s2

s4+6 s3+11,32232s2+18 s+12,811

s4+6 s3+5 s2

C (s )R (s )

= 6,32232 s2+18 s+12,811s4+6 s3+11,32232 s2+18 s+12,811

PROGRAM MATLAB

num=[0 0 6.32232 18 12.811];

den=[1 6 11.32232 18 12.811];

step(num,den)

grid

10

Hanya menggunakan kontrol P

Dimana P=18

Gc ( s)=k p(1+1

T i s+Td s)

Gc ( s)=18

C (s )R (s )

=18 .

1

s3+6 s2+5 s

1+18 .1

s3+6 s2+5 s

C (s )R (s )

=

18

s3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 s

+ 18s3+6 s2+5 s

C (s )R (s )

=

18

s3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 s+18

s3+6 s2+5 s

11

C (s )R (s )

= 18

s3+6 s2+5 s+18

PROGRAM MATLAB

Num =[0 0 0 18];

Den =[0 6 5 18];

step(num,den);

grid

Hanya menggunakan I

Dimana I=1,405

Gc ( s)=k p(1+1

T i s+Td s)

12

Gc ( s)=1+ 11,405 s

Gc ( s)=1,405 s+11,405 s

Gc ( s)=1,405 s+0,71171,405 s

C (s )R (s )

=

1,405 s+0,7117s

.1

s3+6 s2+5 s

1+ 1,405 s+0,71171,405 s

.1

s3+6 s2+5 s

C (s )R (s )

=

1,405 s+0,7117

s4+6 s3+5 s2

s3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 s

+1,405 s+0,7117s3+6 s2+5 s

C (s )R (s )

=

1,405 s+0,7117

s4+6 s3+5 s2

s4+6 s3+5 s2+1,405 s+0,7117s4+6 s3+5 s2

C (s )R (s )

= 1,405 s+0,7117

s4+6 s3+5 s2+1,405 s+0,7117

PROGRAM MATLAB

Num=[0 0 0 1,405 0,7117];

Den= [1 6 5 1,405 0,7117];

step(num,den);

grid

13

Hanya menggunakan D

Dimana D= 0,3512

Gc ( s)=k p(1+1

T i s+Td s)

Gc ( s)=1+0,3512 s

C (s )R (s )

=(1+0,3512 s). 1

s3+6 s2+5 s

1+((1+0,3512 s) .1

s3+6 s2+5 s )

C (s )R (s )

=

1+0,3512 s

s3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 s

+( 1+0,3512 ss3+6 s2+5 s )

C (s )R (s )

=

1+0,3512 s

s3+6 s2+5 ss3+6 s2+5,3512 s+1

s3+6 s2+5 s

C (s )R (s )

= 1+0,3512 s

s3+6 s2+5,3512 s+1

14

PROGRAM MATLAB

Num =[0 0 0,3512 1];

Den =[1 6 5,3512 1];

step(num,den);

grid

Hanya menggunakan PI

Dimana P=18 dan I= 1,405

Gc ( s)=k p(1+1

T i s+Td s)

Gc ( s)=18+ 181,405 s

1,405 s .Gc ( s )=25.29 s+18

Gc ( s)=25.29 s+181,405 s

Gc ( s)=18 s+12,811s

C (s )R (s )

=

18 s+12,811s

.1

s3+6 s2+5 s

1+ 18 s+12,811s

.1

s3+6 s2+5 s

15

C (s )R (s )

=

18 s+12,811

s4+6 s3+5 s2

s4+6 s3+5 s2

s4+6 s3+5 s2 +18 s+12,811s4+6 s3+5 s2

C (s )R (s )

=

18 s+12,811

s4+6 s3+5 s2

s4+6 s3+5 s2+18 s+12,811s4+6 s3+5 s2

C (s )R (s )

= 18 s+12,811

s4+6 s3+5 s2+18 s+12,811

PROGRAM MATLAB

Num =[0 0 0 18 12,811];

Den =[1 6 5 18 12,811];

step(num,den);

grid

16

Hanya menggunakan PD

Dimana P=18 dan D=0,3512

Gc ( s)=k p(1+1

T i s+Td s)

Gc ( s)=18 (1+0,3512 )

Gc ( s)=18+6,312 s

C (s )R (s )

=(18+6,312 s) . 1

s3+6 s2+5 s

1+ (18+6,312 s ) . 1s3+6 s2+5 s

C (s )R (s )

=

18+6,312 s

s3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 ss3+6 s2+5 s

+ 18+6,312 ss3+6 s2+5 s

C (s )R (s )

=

18+6,312 s

s3+6 s2+5 ss3+6 s2+11,312 s+18

s3+6 s2+5 s

17

C (s )R (s )

= 6,312 s+18

s3+6 s2+11,312s+18

PROGRAM MATLAB

Num =[ 0 0 6,312 18 ];

Den =[ 1 6 11,312 18 ];

step(num,den);

grid

E. Contoh Soal

1. Sebutkan fungsi dari P, I & D dalam sebuah controler robot menggunakan

motor DC?

Jawab :

1. Kp : Proportional Gain : Nilai Kp yang besar menunjukkan tanggapan

sistem yang semakin cepat karena peningkatan nilai kesalahan,

18

peningkatan nilai umpan balik untuk dikompensasi. Nilai Kp yang

terlalu besar dapat menyebabkan ketidakstabilan proses.

2. Ki : Integral Gain : Nilai Ki yang besar menunjukkan bahwa galak

tunak akan dieleminasi lebih cepat. Akibatnya adalah besarnya nilai

overshoot, beberapa kesalahan negatif yang terintegrasi selama

tanggapan transient sistem harus diintegrasikan kembali oleh

kesalahan positif sebelum tercapainya keadaan tunak.

3. Kd : Derivative Gain : Nilai Kd yang besar akan menurunkan

overshoot tetapi akan memperlambat tanggapan transient sistem dan

dapat membawa ketidakstabilan sistem.

2. Coba jelaskan bagaimana sistem robot bekerja?

Jawab :

Sebuah Robot dapat Bekerja dengan baik di butuhkan Komponen dasar,

sedikitnya terdiri dari tigahal utama yaitu:

a. Sensor

Merupakan bagian yang berfungsi untuk mengenali kondisi lingkungan

yang akan menjadi informasi umpan balik pada pengendali robot.

b. Aktuator

Berfungsi sebagai sumber tenaga untukmenggerakkan manipulator.

Aktuator padarobot dapat memakai sistem hidrolik, sistempneumatik,

motor DC, motor AC, motor stepperdan berbagai jenis penggerak lainnya.

c. Prosesor (Kontrol)

Merupakan otak dari robot, berfungsi untukmenyimpan dan memproses

(kontrol) setiap urutangerakan pada robot. Biasanya bagian prosesorini

memungkinkan robot untuk melakukanberbagai jenis tugas yang

diprogramkankepadanya.

3. Apa perbedaan dari Konsep dinamik dan kinematic?

19

Jawab :

Konsep Dinamik : Konsep yang sercara fisik Membahas benda yang

memiliki struktur tertentu dengan massa tertentu,sehingga dalam

pergerakannya tunduk kepada hukum-hukum alam yang berkaitan

dengangrafitasi dan atau massa/kelembaman. Misalnya pada robot berada

di permukaan bumi, maka grafitasidan massa akan mempengaruhi kualitas

gerakan. Sedangkan bila robot berada di luar angkasayang bebas grafitasi,

maka massa saja yang dapat menimbulkan efek inersia/kelembaman.Setiap

struktur dan massa yang berbeda akan memberikan efek inersia yang

berbeda pulasehingga penanganan dalam pemberian torsi pada tiap sendi

seharusnya berbeda pula

Konsep Kinematik : Konsep ini membahas komponen transformasi ruang

kartesian ke ruang sendi. Dengan demikian diperoleh keluaran pengendali

u yang bekerja dalam ruang sendi, u(q1, q1,…, qn). Sebaliknya,

pengendali memerlukan umpan balik dalam bentuk koordinat karena

acuan diberikan dalam bentuk koordinat.

4. Apa saja komponen pada rangkaian elektrik Robot?

Jawab : pada dasarnya di dalam rangkaian Elektrik Robot terdapat

komponen yang penting yaitu : Resistor, Induktor , Dioda, Transistor, IC

L293, Akuator, Mickrocontroller, LED indikator.

5. Apa perbedaan antara robot holonomik dan non holonomik?

20

Jawab :

Robot Holonomik : robot yang memiliki derajat 2 atau lebih Kebeasan,

yang membuatnya bisa bergerak ke segalah arah.

Robot non Holonomik : Robot yang hanya memiliki 1 derajad kebebasan

yang hanya bisa bergerak 1 arah saja.

21