...

Membangun Robot Cerdas Penghisap Debu

by user

on
Category: Documents
0

views

Report

Comments

Transcript

Membangun Robot Cerdas Penghisap Debu
Robot Dalam Rumah Tinggal Membangun Robot Cerdas Penghisap Debu
Kusprasapta Mutijarsa, [email protected]
Adang Suwandi Ahmad, [email protected]
Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut Teknologi Bandung
Abstraksi
Dalam waktu yang tidak lama lagi, robot akan masuk ke dalam rumah tinggal. Demikian pendapat para pakar,
seperti yang diulas pada beberapa majalah teknologi. Dikatakan juga bahwa saat ini robotika merupakan
industri baru yang sedang lahir, seperti tiga dekade lalu ketika industri PC mulai berkembang dengan sangat
pesat. Robot akan menjadi perangkat untuk membantu manusia dalam melakukan kehidupan sehari-hari, seperti
misalnya robot penghisap debu (vacuum cleaner)
Pada makalah ini diulas hasil penelitian yang dilakukan dalam rangka membangun robot cerdas penghisap
debu. Robot ini dapat bekerja secara mandiri membersihkan ruangan tanpa perlu pengendalian langsung dari
manusia. Robot penghisap debu yang dibangun tersusun dari enam buah subsistem, yaitu subsistem pendeteksi
lingkungan, subsistem pengendali, subsistem penggerak, subsistem penghisap debu dan penyapu, subsistem
penghitung putaran, serta subsistem catu daya. Subsistem pendeteksi lingkungan terdiri dari sensor infra merah
dan cliff sensor. Subsistem penggerak menggunakan dua buah motor DC yang menggerakkan dua buah roda,
dengan sistem pergerakan differential drive. Subsistem penghisap dan penyapu menggunakan motor DC yang
dihubungkan dengan kipas untuk menghisap debu dan sebuah sikat untuk menyapu debu yang ada di sekitarnya.
Subsistem penghitung putaran menggunakan optical encoder untuk mengetahui posisi pergerakan robot.
Subsistem catu daya memberikan daya untuk seluruh komponen robot. Seluruh subsistem tersebut diintegrasikan
dan dikendalikan oleh subsistem pengendali yang menjadi otak utama robot penghisap debu ini. Pengendalinya
menggunakan single chip microcomputer (microcontroller).
Robot penghisap debu ini dilengkapi dengan sistem navigasi yang membuat robot dapat secara mandiri
bereksplorasi membersihkan ruangan, menghindar tabrakan bila selama melakukan eksplorasi menemui obyek
yang menghalanginya, dan kembali lagi ke posisi awal (docking) setelah selesai menyelesaikan tugasnya.
Kata kunci: robot bergerak, cerdas, autonomous, rumah tinggal, penghisap debu
1. Pendahuluan
Robotika adalah bidang ilmu yang sedang
berkembang pesat dan memiliki masa depan besar.
Dari robot manufaktur yang digunakan pada
industri perakitan, robot terus berkembang seperti
robot yang dapat melakukan operasi, robot
pengintai, robot penjinak bom dan robot domestik
yang digunakan di rumah tinggal. Perusahaan
mainan elektronik membuat robot yang dapat
meniru manusia, anjing atau binatang lainnya. Para
penggemar robot dapat memuaskan keinginannya
bereksperimen menggunakan Lego Mindstorm
Robotic System.
Sementara itu, para peneliti juga terus berusaha
untuk mencari solusi untuk menyelesaikan masalah
utama pada robotika, seperti pengenalan visual
(visual recognition), navigasi dan machine
learning. Hal ini sudah memperlihatkan hasil. Pada
tahun 2004, Defence Advanced Research Projects
Agency (DARPA) menginisiasi suatu kompetisi
kendaraan robot yang dapat bernavigasi secara
mandiri sejauh 142 mil melalui Mojave Desert.
Kompetisi ini disebut DARPA Grand Challenge.
Pada kompetisi pertama tersebut, robot terdepan
nyaris dapat mencapai tujuan, hanya terpaut 7,4 mil
sebelum mengalami kerusakan. Setahun kemudian,
2005, lima kendaraan dapat menyelesaikan misinya
hingga selesai ke tujuan [1].
Semangat yang sangat besar terlihat pada para
peneliti di perguruan tinggi, mahasiswa hingga
siswa sekolah menengah. Tren saat ini menunjukkan
bahwa robotika semakin konvergen dan akan
menjadi bagian kehidupan manusia sehari-hari.
Teknologi
seperti
komputasi
terdistribusi,
pengenalan suara dan visual, koneksi wireless
broadband akan menyatu dengan perangkat
autonomous robot. Dengan kata lain, komputer
dapat membantu manusia untuk mengerjakan tugas
tertentu yang berhubungan dengan dunia fisik. Ini
berarti PC akan bangkit dari meja, dan menjadi
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2008)
Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
mata, telinga dan indra peraba tambahan manusia
di tempat lain yang jaraknya cukup jauh dari
manusia
tersebut
berada.
Contoh
dari
terintegrasinya robot dan PC adalah aplikasi robot
domestik, dimana seorang karyawan dapat
mengawasi rumahnya,
membersihkan lantai,
merawat keluarganya yang sakit dengan memonitor
beberapa robot rumah tinggal (household robot)
dari PC-nya di kantor. Beberapa mesin atau robot
dapat saling berkomunikasi secara wireless satu
sama lain, dan juga dengan PC di rumah.
3. Robot Penghisap Debu
Salah satu aplikasi robot dalam rumah tinggal
adalah robot penghisap debu (vacuum cleaner).
Robot penghisap debu mampu bergerak
membersihkan ruangan secara mandiri dan cerdas,
tanpa dikendalikan oleh manusia. Robot ini mampu
mengeksplorasi ruangan yang belum terpetakan,
menghindar halangan yang ditemui selama
pergerakannya, mampu mendeteksi perbedaan
ketinggian (tangga) agar robot tidak jatuh, serta
kembali ke tempat asalnya (docking) setelah
menyelesaikan tugasnya untuk mengisi ulang
batere (re-charge) dan membuang kotoran yang
telah dikumpulkannya.
Sejarah penghisap debu dimulai pada tahun
1860an.
Pada tahun 1865 ditemukan alat
penghisap debu menggunakan prinsip putaran
angin. Penelitian robot penghisap debu dimulai
tahun 1995 oleh Dowideit dan Duffy yang
menghasilkan robot bernama RoboVac. Robot ini
melakukan eksplorasi ruangan menggunakan
metoda wall following. Pada tahun 1998, Cheng
melakukan penelitian untuk mengembangkan
algoritma eksplorasi robot penghisap debu yang
efektif. Tahun 2000an, beberapa perusahaan mulai
memproduksi dan menjual robot penghisap debu
komersial.
Gambar 1 memperlihatkan vacuum cleaner
robot (searah jarum jam dari kiri atas) iRobot
Roomba Discovery, Karcher RC3000, Electrolux
Trilobite, dan iRobot Roomba Scheduler.
Untuk membangun sebuah robot penghisap
debu, diperlukan enam buah subsistem yang saling
terintegrasi untuk menghasilkan sebuah sistem yang
optimal. Keenam subsistem tersebut adalah
subsistem pendeteksi lingkungan, subsistem
penyapu dan penghisap, subsistem pengendali,
subsistem penggerak, subsistem penghitung putaran,
dan subsistem catu daya.
Subsistem pendeteksi lingkungan (sensor)
berfungsi untuk meraba dan mengidentifikasi
lingkungan kerja sekitar robot, membantu
pergerakan robot agar tidak bertabrakan dengan
rintangan yang ditemui atau terjatuh dari ketinggian
(tangga).
Subsistem
pengendali
merupakan
komponen sentral robot, otak yang mengambil
keputusan strategi pergerakan robot berdasarkan
informasi yang diperoleh dari subsistem pendeteksi
rintangan. Subsistem penggerak berfungsi untuk
menggerakan tubuh robot. Subsistem penghitung
putaran berfungsi menghitung putaran roda untuk
mengetahui posisi relatif robot setiap saat terhadap
posisi awal. Subsistem penyapu berfungsi untuk
membersihkan kotoran pada lantai sebelum kotoran
tersebut diangkat oleh subsistem penghisap.
Subsistem penyapu ini menggunakan sebuat sikat
yang dihubungkan dengan motor untuk memutar
sikat. Catu daya adalah subsistem yang berfungsi
sebagai sumber energi robot. Keenam subsistem
tersebut saling terhubung seperti diperlihatkan pada
gambar 2.
Gambar 2. Diagram blok robot penghisap debu
3. Desain Robot Penghisap Debu
Gambar 1. Jenis-jenis robot penghisap debu
(diambil dari howstuffworks.com)
Perangkat keras platform robot penghisap debu
yang dibuat berbentuk lingkaran dengan diameter
33 cm dengan tinggi 25 cm. Casis dibuat dari bahan
akrilik. Sensor pendeteksi lingkungan menggunakan
sembilan buah sensor infra merah Sharp GP2S28
dan dua buah limit switch. Sensor infra merah
dipasang di sekeliling badan robot, untuk
mendeteksi obyek di sekitarnya. Limit switch
dipasang di bagian bawah depan robot, untuk
mendeteksi perbedaan ketinggian lantai agar robot
tidak terjatuh (misalnya dari tangga).
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2008)
Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
Pengendali
menggunakan
single
chip
microcomputer (microcontroller) dari keluarga
MCS-51, yaitu seri ATMEL 89S52. Chip tersebut
adalah CPU 8 bit yang memiliki RAM internal 128
byte, kapasitas EPROM 4Kbyte, dan memiliki
empat buah programmable I/O masing-masing 8
bit.
Penggerak menggunakan motor DC yang
dihubungkan dengan susunan roda gigi (gear)
untuk
memperbesar
torsi.
Driver
motor
menggunakan H-Bridge IC L293D. Penyapu
menggunakan motor untuk memutar sikat.
Penghisap
menggunakan
kipas
penghisap.
Konstruksi dan implementasi subsistem penghisap
dan penyapu diperlihatkan pada gambar 3 dan 4.
Gambar 5. Tampak atas robot
4. Navigasi Robot Penghisap Debu
Gambar 3. Konstruksi penghisap dan penyapu
Gambar 4. Implementasi penghisap dan penyapu
Subsistem penghitung putaran digunakan
menghitung putaran motor penggerak untuk
mengetahui posisi terakhir robot dan jarak yang
telah ditempuh dalam ruang kerjanya. Penghitung
putaran ini menggunakan optocoupler tipe H21A1
dan sebuah optical incremental encoder sebagai
penanda terjadinya pergerakan motor DC. Catu
daya
menggunakan
sumber
12V
untuk
menggerakkan motor roda dan kipas penghisap.
Juga digunakan sumber 5V untuk mencatu
pengendali, dan sensor-sensor. Hasil implementasi
dan integrasi keseluruhan komponen diperlihatkan
pada gambar 5.
Agar dapat bergerak secara mandiri dan cerdas,
maka robot penghisap debu harus memiliki
kemampuan sebagai berikut :
1. mengetahui posisinya,
2. mengetahui
apa
yang
berada
dalam
lingkungannya,
3. melakukan representasi / membuat model
lingkungan kerjanya,
4. membuat perencanaan tentang apa yang akan
dilakukan berdasarkan representasi yang
dimiliki,
5. dapat
membuat
keputusan
walaupun
representasi yang diperoleh tidak sempurna
atau memadai,
6. dapat
melaksanakan
dan
memonitor
pelaksanaan tugas yang telah direncanakan.
Secara umum, kemampuan yang dibutuhkan
dapat dikelompokkan dalam tiga bagian, yaitu
persepsi, perencanaan dan aksi.
Gambar
6
memperlihatkan
arsitektur
pengendalian platform robot yang secara garis besar
terdiri dari tiga bagian utama, yaitu bagian persepsi
yang bertugas meraba lingkungan kerjanya dan
kemudian diterjemahkan dalam peta persepsi robot.
Bagian perencanaan berfungsi untuk melakukan
komputasi tingkat tinggi, menggunakan konsepkonsep kecerdasan tiruan untuk merencanakan jalur
agar robot dapat bergerak dari satu posisi ke posisi
lain secara optimal, dan juga melakukan strategi
penghindaran tabrakan ketika robot menemui
rintangan dalam perjalanannya. Hasilnya diteruskan
ke bagian aksi, yang menerjemahkan informasi
bahasa tingkat tinggi menjadi bahasa pengendalian
tingkat rendah untuk menentukan kecepatan dan
arah motor penggerak roda.
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2008)
Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
Gambar 7. Algoritma eksplorasi
Gambar 6. Arsitektur pengendalian robot
Secara rinci, sensor navigasi bertugas untuk
melakukan penginderaan lingkungan kerja robot.
Data yang diperoleh dari sensor kemudian
diekstraksi dan dimodelkan menjadi persepsi robot
mengenai lingkungannya. Seluruh hasil persepsi
yang
diperoleh
dari
hasil
penginderaan
dikumpulkan dan disusun oleh modul pembuat peta
untuk mendapatkan model dunia atau pengetahuan
tentang peta lingkungan kerja robot. Modul
estimasi posisi bertugas untuk melakukan
perhitungan posisi absolut wahana dalam
lingkungannya. Estimasi posisi dilakukan sebelum
robot membuat peta, sehingga robot dapat
mengetahui posisi dan arahnya relatif terhadap peta
yang dimilikinya. Modul perencanaan jalur.
melakukan perhitungan untuk mencari jalur terbaik
dari posisi awal ke posisi tujuan yang diinginkan.
Jalur yang diperoleh ini diterjemahkan oleh modul
kendali gerak menjadi sinyal-sinyal listrik ke
aktuator atau roda penggerak. Bila selama
perjalanan, wahana mendeteksi adanya rintangan,
maka modul penghindaran tabrakan bertugas untuk
mengantisipasi tabrakan yang mungkin terjadi
dengan cara membuat jalur baru yang membimbing
wahana menghindari rintangan tersebut, kemudian
kembali lagi ke jalur semula. Keseluruhan modul
ini membentuk suatu arsitektur sistem navigasi
robot bergerak.
Pada kegiatan penelitian ini, belum seluruh
kemampuan navigasi direalisasikan. Robot sudah
mampu melakukan estimasi posisi, melakukan
eksplorasi ruangan, menghindar tabrakan dengan
obyek yang ditemui selama eksplorasi dan kembali
ke tempat semula setelah menyelesaikan tugasnya
untuk melakukan docking. Robot belum memiliki
kemampuan untuk membuat peta, dan belum
mampu melakukan docking, mengisi ulang batere
dan membuang kotoran secara otomatis.
Kemampuan
eksplorasi
ruangan
dikembangkan dari algoritma Depth First Search.
Robot melakukan eksplorasi seperti diperlihatkan
pada gambar 7.
Penghindaran tabrakan menggunakan metoda
wall following. Untuk kembali ke posisi awal
digunakan metoda heuristik berdasarkan estimasi
posisi yang diperoleh dari subsistem penghitung
putaran. Robot kembali ke posisi semula seperti
diperlihatkan pada gambar 8.
Gambar 8. Kembali ke posisi awal
Perangkat lunak diprogram menggunakan
bahasa C, dengan compiler software side 51. Hasil
kompilasi berbentuk file dengan ekstensi Hex. File
tersebut adalah file yang akan di-upload ke
mikrokontroler AT89S52.
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2008)
Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
Sensor koreksi
gagal
mendeteksi
dinding
Gambar 9. Uji coba
5. Uji Coba
Gambar 9 memperlihatkan hasil ujicoba ketika
robot kembali ke posisi awal. Robot berhasil untuk
mencapai posisi awal walaupun terjadi kesalahan
posisi akhir ketika berhenti. Perbedaan antara
posisi akhir yang ditentukan dengan posisi
sesungguhnya karena adanya perbedaan kecepatan
antara
motor
kiri
dan
motor
kanan,
kekurangakuratan pembacaan pulsa pada encoder,
slip antara roda dan lantai, kegagalan pendeteksian
dinding oleh sensor.
6. Penutup
Komputer sudah tidak lagi menjadi perangkat
komputasi yang terletak kaku di atas meja. Tren
masa depan menunjukkan bahwa komputer akan
dapat berinteraksi dengan manusia, dapat melihat,
mendengar dan berbicara. Dengan menambahkan
sensor-sensor,
penggerak
dan
kecerdasan,
komputer dapat berinteraksi dengan dunia nyata,
dapat bergerak, berpindah tempat dan melakukan
sesuatu secara fisik di dunia nyata.
Perangkat komputer yang berwujud robot ini
tidak lama lagi akan menjadi hal biasa dalam
kehidupan sehari-hari, akan berada dalam rumah
tinggal seperti perangkat komputer dewasa ini.
Robot penghisap debu yang dibahas pada
makalah ini adalah salah satu bentuk robot
domestik yang akan banyak digunakan sehari-hari.
Beda putaran
Slip pada roda
pada roda dan
dan pembacaan
tidak ada
encoder kurang
koreksi
akurat
terhadap
dinding
7. Ucapan Terima Kasih
Terima kasih diucapkan kepada seluruh peneliti
di Autonomous Vehicle Research Group (AVRG)
STEI ITB, khususnya yang menangani penelitian
robot penghisap debu: Dhony Yulyardy, Donny
Bayu Mundandar, Sony Christianto Octavianus, dan
Vicky Adrian.
8. Referensi
[1] Gates, Bill, “A Robot in Every Home”,
Scientific American Magazine, Jan 2007, pp
44-51.
[2] Killian,
“Modern
Control
Technology:
Components and Systems 2nd edition”, Delmar.
[3] McComb, Gordon, “The Robot Builder’s
Bonanza”, McGraw-Hill, 2000.
[4] Miao, Kai X. dan Stewart, James W., “The
8051 Microcontroller” Prentice Hall, 1992.
[5] Russell, Stuart, “Artificial Intelligence: A
Modern Approach” Prentice Hall, 1995.
e-Indonesia Initiative 2008 (eII2008)
Konferensi dan Temu Nasional Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia
21-23 Mei 2008, Jakarta
Fly UP