PROPOSAL TESIS
PATH GENERATION DAN MOTION PLANNING INDUSTRIAL ROBOT UNTUK
PAHAT
RAKHMAD GUSTA PUTRA NRP. 2211204002
DOSEN PEMBIMBING Ir. Djoko Purwanto, M.Eng., Ph.D.
PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN ELEKTRONIKA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2012
APLIKASI ROBOT
LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL TESIS
Judul
: Path Generation dan Motion Planning Industrial Planning Industrial Robot untuk Aplikasi Robot Pahat
Oleh
: Rakhmad Gusta Putra
NRP.
: 2211204002
Telah diseminarkan pada :
Hari
: Kamis
Tanggal
: 14 Juni 2012
Jam
: 09.30 WIB
Tempat
: Ruang Lab. Elektronika Biomedika (B.205) - ITS
Mengetahui / menyetujui : Dosen Penguji :
Calon Dosen Pembimbing:
1. Achmad Arifin, ST., M.Eng., Ph.D NIP. 19710314 19710314 199702 1 001 001
1. Ir. Djoko Purwanto, M.Eng., Ph.D NIP. 19651211 19651211 199002 1 002
2. Dr. Muhammad Rivai, ST., MT NIP. 19690426 19690426 199403 1 003 003
3. Dr. Tri Arief Sardjono, ST., MT NIP. 19700212 19700212 199512 1 001 001
4. Ronny Mardiyanto, ST., MT., Ph.D NIP. 19810118 19810118 200312 1 003 003
i
Path Generati on dan M otion Planning I ndustri al Robot untuk
Aplikasi Robot Pahat Nama
: Rakhmad Gusta Putra
NRP
: 2211204002
Pembimbing : Ir. Djoko Purwanto, M.Eng.,Ph.D.
ABSTRAK
Robot pahat adalah robot dengan kemampuan untuk melakukan pemahatan benda kerja sesuai dengan bentuk target. Robot industri dua lengan Motoman SDA10D akan digunakan untuk memahat bentuk permukaan pada benda kerja. Robot dilengkapi dengan gripper yang akan digunakan untuk memegang tools. Satu lengan dimanfaatkan untuk memegang mesin milling dan lengan lainnya memegang blower yang berfungsi membersihkan sisa-sisa proses. Data bentuk target diperoleh dari pembangkitan komputer maupun dari hasil scanning 3-D. Penelitian ini akan ditekankan pada path generation dan pembangkitan motion planning robot. Proses milling akan dilakukan dengan dua tahapan yaitu roughing dan finishing . Orientasi cutter pada proses roughing akan searah dengan sumbu z mirip dengan mesin 3-axis. Sedangkan pada proses finishing orientasi cutter akan disesuaikan dengan bentuk target. Untuk meminimalkan panjang jalur proses, dalam penelitian akan digunakan Genetic Algorithm (GA) didalamnya. Dari penelitian ini diharapkan akan dihasilkan path generation dan motion planning robot industri secara otomatis berdasarkan bentuk target, tanpa harus melakukan proses teaching pada robot dengan panjang jalur proses terpendek.
Kata Kunci : Motion planning, path generation, industrial robot , robot pahat
iii
Path Generation and Motion Planning of Industrial Robot for Sculptor Robot Application By
: Rakhmad Gusta Putra
Student Identity Number
: 2211204002
Supervisor:
: Ir. Djoko Purwanto, M.Eng., Ph.D.
ABSTRACT Sculptor robot is a robot with ability to sculpting a workpiece according to target form. Two-arm industrial robot Motoman SDA10D will be used to sculpt the shape of the surface on the workpiece. The robot is equipped with a gripper that will be used to hold tools. One arm will be used to hold a milling machine and the other arm hold a blower to clean the remnants of the process. Data target obtained from computer generation or from 3-D scanning results. This study will focus on the path generation and robot motion planning. Milling process will be done in two stages, roughing and finishing. Orientation of the cutter on the roughing process will be the same direction with the z axis as well as 3-axis machining. While in the finishing process, cutter orientation will adjust to the shape of the target. To minimize the length of line process, the research will use Genetic Algorithm (GA) in it. This research is expected to produce path generation and motion planning of industrial robot automatically based on the target form without teaching process on the robot with the shortest path length.
Keywords : Motion planning, path generation, industrial robot, robot sculptor
iv
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN ..................................................................................... i ABSTRAK ............................................................................................................. iii ABSTRACT ........................................................................................................... iv DAFTAR ISI ........................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ vii DAFTAR TABEL .................................................................................................. ix BAB 1 PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1.1
Latar Belakang ............................................................................................. 1
1.2
Perumusan Masalah ..................................................................................... 3
1.3
Tujuan dan Manfaat Penelitian .................................................................... 3
BAB 2 DASAR TEORI DAN KAJIAN PUSTAKA.............................................. 5 2.1
Industrial Robot Motoman SDA10D ........................................................... 5
2.2 Robot Controller Motoman NX-100................................................................. 7 2.2.2.1 Interpolasi Linier ..................................................................................... 8 2.2.2.2 Interpolasi Circular .................................................................................. 8 2.2.2.3 Interpolasi Spline ..................................................................................... 9 2.3 Milling Process ................................................................................................. 9 2.4 B-Spline .......................................................................................................... 10 2.5 Kinematik dan Invers Kinematik .................................................................... 11 2.5.1 Direct Kinematics ..................................................................................... 12 2.5.2 Inverse Kinematics ................................................................................... 13 2.6 Genetic Algorithm pada Rural Postman Problem........................................... 13 BAB 3 METODE PENELITIAN.......................................................................... 15 3.1
Rancangan Penelitian ................................................................................. 15
3.1.1 Perancangan Sistem .................................................................................... 16 3.1.2 Penentuan Parameter Proses ..................................................................... 18 3.1.2.1 Roughing ............................................................................................ 18 3.1.2.2 Finishing ............................................................................................ 20 3.1.3 Path Generation ....................................................................................... 20
v
3.1.3.1 Genetic Algorithm untuk Mencari Jalur Terpendek Berdasarkan Open RPP ................................................................................................................. 21 3.1.4 Motion Planning ....................................................................................... 24 3.2
Prosedur Pengambilan Data ....................................................................... 25
3.3 Cara Analisis ................................................................................................... 25 3.4 Jadwal Kegiatan............................................................................................... 26 DAFTAR PUSTAKA............................................................................................ 27
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Industrial robot motoman SDA10D yang akan digunakan ................ 6 Gambar 2.2 Spesifikasi Motoman SDA10D ........................................................... 6 Gambar 2.3 Contoh manipulator robot dalam mode koordinat tool ...................... 7 Gambar 2.4 Manipulator pada mode interpolasi linier ........................................... 8 Gambar 2.5 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) circular tunggal , (b) continuous ............................................................................................................... 8 Gambar 2.6 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) spline tunggal, (b) continuous ................................................................................................................................. 9 Gambar 2.7 Beberapa tipe operasi milling ........................................................... 10 Gambar 2.8 Cubic B-spline basis function .......................................................... 10 Gambar 2.9 Cubic B-spline curve dan kontrol poligonnya.................................. 11 Gambar 2.10 Planar manipulator lengan dengan dua joint ................................... 12 Gambar 2.11 Transformasi kinematik dari lengan 2 joint .................................... 12 Gambar 2.12 Salah satu contoh penggunaan RPP untuk perencanaan jalur proses ............................................................................................................................... 14 Gambar 3.1 Diagram blok rencana penelitian....................................................... 16 Gambar 3.2 Diagram blok sistem ......................................................................... 16 Gambar 3.3 Disain penempatan tools pada end-efector Motoman SDA10D ....... 17 Gambar 3.4 Diagram blok alur proses .................................................................. 18 Gambar 3.5 Pembagian layer pada proses milling ............................................... 18 Gambar 3.6 Pembagian layer pada proses roughing ............................................ 20 Gambar 3.7 Pengikisan pada roughing (a) dan finishing (b) ............................... 20 Gambar 3.8 Alur proses path generation............................................................... 21 Gambar 3.9. Jalur pengikisan iso-planar zig-zag (a) konvensional, (b) optimal yang diharapkan .................................................................................................... 22 Gambar 3.10 Parent P i dan Psi untuk menyelesaikan open-RPP dengan enam jalur garis ....................................................................................................................... 23
vii
Gambar 3.11 Order crossover diaplikasikan untuk parent P 1,P2 dan crossover biasa diaplikasikan untuk parent PS1, PS2 menghasilkan sepasang C1, C2 dan CS1, CS2.......................................................................................................................... 23 Gambar 3.12 Konstruksi Motoman SDA10D ....................................................... 23 Gambar 3.13 Mode interpolasi (a) garis, (b) spline ............................................... 25
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spesifikasi robot...................................................................................... 6 Tabel 3.1 Jadwal kegiatan ..................................................................................... 26
ix
Halaman ini sengaja dikosongkan
x
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Robot pahat atau 3D robot sculpturing adalah robot dengan kemampuan untuk melakukan pemahatan benda kerja sesuai dengan bentuk target. Robot lengan difungsikan untuk melakukan pemahatan dengan cara mengikis atau milling . Robot memiliki kemampuan untuk melakukan proses berulang-ulang tanpa lelah. Proses lebih cepat dengan akurasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan menggunakan tenaga manusia. Salah satu kegunaan dari robot pahat adalah untuk mereplika benda. Dengan perangkat ini benda dapat direkonstruksi ulang dengan komputer kemudian direplika. Untuk aplikasi mereplika benda terdapat dua bagian utama yaitu bagian scanner 3D untuk memperoleh data geometri dan robot sebagai aktuator. Yang menjadi perhatian disini adalah sisi robot sebagai aktuator. Fungsi yang mirip dengan sistem ini telah diaplikasikan dalam industri berupa piranti computer numerical control (CNC). Terdapat kemiripan antara 3D robot sculpturing technology dan CNC carving technology terutama pada path generation dan process control (Niu dkk, 2007). Dengan workspace yang terbuka, derajat kebebasan yang tinggi, simulasi dan fasilitas controller membuat 3D sculpturing robot memiliki nilai lebih. Robot pahat dapat melakukan pemrosesan pada benda kerja dengan ukuran yang lebih besar dibandingkan dengan mesin CNC. Untuk melakukan pemahatan bentuk 3D yang sempurna merupakan hal tidak mudah. Detail yang tinggi membuat pergerakan robot akan sangat bervarisi dan komplek. Sistem yang akan dibangun dalam penelitian ini adalah untuk melakukan pemahatan bentuk permukaan 3D satu sisi. Sedangkan untuk metode milling dan tools path planning telah banyak dikenalkan oleh para peneliti yang memiliki kajian ilmu tersendiri. Terdapat beberapa strategi untuk distribusi jalur
1
mengikisan pada sistem, yang sering digunakan adalah strategi zig-zag curves, contour curves, spiral curves, space filling curves (Niu dkk, 2007). Robot pahat pada umumnya merupakan robot lengan 6-DOF yang ujungya dimodifikasi dengan menambahkan mesin milling . Berbeda dengan penelitian penelitian yang sudah ada, robot yang akan digunakan adalah robot dua lengan yang dilengkapi dengan gripper sehingga tool yang digunakan dapat diganti dengan mudah. Lengan yang pertama digunakan untuk memegang mesin milling sedangkan lengan kedua digunakan untuk memegang blower yang berfungsi membersihkan sisa-sisa hasil pengikisan. Dengan sistem ini robot tidak perlu dimodifikasi secara khusus dan masih bisa digunakan untuk keprluan lain. Jenis robot yang akan digunakan adalah robot industri dua lengan Motoman SDA10D. Robot industri ini memiliki dua lengan yang dapat bekerja sama maupun bekerja mandiri, derajat kebebasan tinggi serta tersedia fasilitas yang mempermudah user . Controller robot tersebut sudah menyediakan coordinates control dan motion interpolation. Robot tersebut dapat difungsikan sesuai dengan kebutuhan seperti untuk proses welding, painting, assembling dan drilling dalam proses produksi. Dalam penelitian ini akan mengadaptasi pada strategi pengikisan iso planar zig-zag yang merupakan metode yang mudah dan telah banyak diaplikasikan. Untuk Mangoptimalkan waktu proses, strategi pengikisan iso planar zig-zag akan dioptimalkan untuk memperoleh jalur terpendek. Jalur-jalur proses akan dimodelkan sebagai Open Rural Postman Problem (open RPP). Penyelesaian open RPP akan menggunakan Genetic Algorithm (GA) untuk mendapatkan jalur proses minimum seperti yang disampaikan dalam penelitian sebelumnya (Tewolde, 2008, Romero, 2011). Proses milling akan dibagi menjadi roughing dan finishing . Proses roughing difungsikan untuk mempercepat proses dan mengurangi resiko interferensi tool dengan benda kerja pada proses finishing . Penggunaan ukuran cutter yang besar akan mempercepat proses roughing akan tetapi celah-celah kecil akan sulit dijangkau. Oleh karena itu diperlukan pemilihan cutter yang tepat sesuai dengan bentuk target. Pada proses finishing digunakan cutter yang lebih
2
kecil dengan orientasi cutter yang disesuaikan dengan bentuk permukaan target. Hal ini dilakukan untuk membuat detail yang tinggi. Penelitian tentang teknologi milling pada CNC maupun robot sebagian besar dilakukan dengan data target yang dibangkitkan oleh komputer (Niu dkk, 2007, Wu,2008 ). Data dibangkitkan dari komputer oleh program CAD, sehingga informasi penting terkait dengan titik-titik alur pengikisan akan didapat. Berdasarkan informasi tersebut, pengikisan benda kerja akan presisi. Berbeda dengan data yang dihasilkan komputer, data hasil scanning yang akan digunakan merupakan array data diskrit.
1.2 Perumusan Masalah
Adapun perumasan masalah yang dihadapi adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana memanfaatkan robot industri untuk proses pemahatan benda kerja, 2. Bagaimana membangkitkan titik-titik jalur proses pengikisan benda kerja dengan jalur proses terpendek, 3. Bagaimana membangkitkan motion planning robot yang sesuai untuk proses pengikisan benda kerja, 4. Bagaimana tingkat akurasi dari sistem yang akan dibangun.
1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Memanfaatkan robot industri untuk melakukan pemahatan benda kerja, 2. Melakukan pembangkitan path atau jalur proses pemahatan benda kerja dengan jalur proses terpendek, 3. Membangkitkan motion planning untuk melakukan pemahatan benda kerja, 4. Mengetahui tingkat akurasi dari sistem yang akan dibangun.
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah dapat melakukan proses pemahatan benda kerja sesuai dengan data target tanpa harus melakukan proses teaching pada robot. Hal tersebut akan mempermudah pengoperasian robot dan
3
mempersingkat waktu pemrograman. Selain itu, diharapkan juga akan dihasilkan path dengan jalur proses yang minimal dengan menggunakan GA.
4
BAB 2
DASAR TEORI DAN KAJIAN PUSTAKA
Perancangan path generation dan motion planning industrial robot untuk aplikasi robot pahat tak lepas dari beberapa konsep dasar robot lengan dan proses milling . Berikut adalah beberapa hal yang berkaitan dengan hal tersebut.
2.1 I ndustri al Robot Motoman SDA10D
Yaskawa Motoman SDA10D adalah robot dua lengan dengan 15 axis. Hal tersebut membuat robot memiliki ketangkasan, kebebasan bergerak yang tinggi dengan konsumsi ruang yang kompak. Kedua lengan dapat bekerja sama yang membuat proses tooling pada end-efector robot lebih sederhana. Robot didisain dengan aktuator berupa servo yang telah dipatenkan dan semua jalur perkabelan berada didalam lengan. Robot yang akan digunakan ditunjukkan dalam Gambar 2.1. Sedangkan Tabel 2.1 dan Gambar 2.2 menunjukkan spesifikasi robot Yaskawa Motoman SDA10D.
Beberapa kelebihan dari robot ini adalah sebagai
berikut: 1. Disain dasar aktuator yang powerful membuat fleksibilitas menyerupai manusia dan akselerasi yang cepat. 2. Ketangkasan yang tinggi dan dua lengan membuatnya ideal untuk proses assembly, pemindahan part , pengepakan dan penangan tugas lainnya yang sebelumnya hanya bisa dikerjakan ol eh manusia. 3. Fleksibilitasnya yang tinggi, bergerak berdasarkan 15 axis (7 axis per lengan dan satu axis berputar pada dasar robot). 4. Jalur kabel internal membuatnya bebas dari interferensi. 5. Beban yang dapat diterima masing-masing lengan 10 kg. 6. Kedua lengan dapat bekerjasama maupun operasi mandiri masingmasing lengan.
5
Gambar 2.1 Industrial robot motoman SDA10D yang akan digunakan
Tabel 2.1 Spesifikasi robot
Jangkauan Rotasi Maksimum Rotation-Axis (Waist) ±170°
Kecepatan Maksimum Rotation-Axis 130°/s
S-Axis (Lifting)
±180°
S-Axis
170°/s
L-Axis (Lower Arm) E-Axis (Elbow)
±110° ±170°
L-Axis E-Axis
170°/s 170°/s
U-Axis (Upper Arm) R-Axis (Upper Arm Twist) B-Axis (Wrist Pitch/Yaw)
±135° ±180° ±110°
U-Axis R-Axis B-Axis
170°/s 200°/s 200°/s
T-Axis (Wrist Twist)
±180°
T-Axis
400°/s
Sumber : www.motoman.com
Gambar 2.2 Spesifikasi Motoman SDA10D
Sumber : www.motoman.com
6
2.2 Robot Contr oll er Motoman NX-100
Yaskawa Motoman seri NX-100 adalah kontroler robot yang multifungsi. Kontroler tersebut telah menyediakan fasilitas yang cukup lengkap. Kontroler robot ini dapat beroperasi dalam beberapa mode koordinat dan perintah interpolasi gerak yang berbeda.
2.2.1 Sistem Koordinat
Terdapat beberapa mode koordinat yang disediakan yaitu joint coordinat , kartesian coordinat , sylindrical coordinat dan tool coordinat . Jika bekerja pada joint coordinat maka semua sudut axis robot akan dapat diatur dengan bebas dalam satu waktu baik positif maupun negatif. Masing masing joint bebas terhadap joint yang lainnya. Jika bekerja dalam koordinat kartesian, manipulator bergerak paralel pada sumbu X, Y dan Z. Sedangkan ketika robot bekerja dalam koordinat silindrikal, maka pergerakan dari manipulator berupa gerakan rotasi ke kanan-kiri dan atas-bawah. Koordinat tool didefinisikan pada ujung dari tool. Pada gerak pada koordinat tool, manipulator dapat bergerak dengan arah tool yang efektif sebagai referensi terlepas dari posisi dan orientasi manipulator. Gerakan ini yang paling cocok ketika
manipulator diperlukan untuk
bergerak paralel
dengan
tetap
menjaga orientasi alat dengan benda kerja. Pergerakan dari tool ditunjukkan dalam Gambar 2.3 berikut.
Gambar 2.3 Contoh manipulator robot dalam mode koordinat tool
Sumber : Yaskawa, 2004
7
Gambar 2.4 Manipulator pada mode interpolasi linier
Sumber : Yaskawa, 2004
2.2.2. Tipe Interpolasi dan play speed
Tipe interpolasi menentukan jalur pergerakan manipulator robot antar step. Play speed adalah tingkat kecepatan gerak manipulator. Umumnya tiga elemen dari data posisi, tipe interpolasi dan play speed diseting secara bersamaan dalam proses teaching. Terdapat beberapa tipe interpolasi yang disediakan controller dari Motoman NX100 yaitu: 2.2.2.1 Interpolasi Linier
Manipulator bergerak pada jalur linier dari step satu ke step berikutnya. Interpolasi linier digunakan untuk pekerjaan seperti welding. Manipulator otomatis bergerak mengubah posisi dari pergelangannya seperti dalam Gambar 2.4. 2.2.2.2 Interpolasi Circular
Pada mode interpolasi circular, manipulator bergerak membentuk busur yang melewati tiga titik. Ketika diperlukan gerakan circular tunggal, diperlukan tiga titik P1 sampai P3 seperti dalam Gambar 2.5 (a). Ketika diperlukan gerakan continuous circular, kedua busur harus dipisahkan satu sama lain den gan step joint atau linier interpolasi. Step ini harus disisipkan antara dua step pada titik yang identik.
(a)
(b)
Gambar 2.5 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) circular tunggal , (b)
continuous Sumber : Yaskawa, 2004
8
(a)
(b)
Gambar 2.6 Jalur gerakan pada mode interpolasi (a) spline tunggal, (b)
continuous Sumber : Yaskawa, 2004
2.2.2.3 Interpolasi Spline
Ketika menjalankan operasi seperti welding dan cutting, menggunakan interpolasi spline membuat proses untuk bendakerja dengan bentuk yang tidak biasa menjadi lebih mudah. Jalur gerakan yang dibuat dengan spline adalah parabola melewati tiga titik. Pada spline tunggal hanya diperlukan tiga titik yang akan dilewati, yaitu P1 sampai P3 seperti dalam Gambar 2.7(a). Jika bekerja pada mode continuous spline, manipulator bergerak melewati jalur yang dibuat dengan kombinasi kurva parabolik. Hal ini berbeda dengan interpolasi circular dimana titik yang identik tidak diperlukan pada persambungan antara dua kurva spline. Hal ini ditunjukkan dalam Gambar 2.6 (b).
2.3 M il li ng Pr ocess
Milling adalah operasi mesin dimana benda kerja dikikis oleh perangkat silinder berputar dengan banyak tepi pemotong. Sumbu rotasi alat ini tegak lurus dengan arah pengikisannya. Perangkat yang digunakan disebut milling cutter dan tepi pemotongnya disebut gigi/ teeth. Kebanyakan permukaan bidang dibuat melalui proses milling . Untuk setiap perputaran gigi dari milling cutter masuk dan keluar dari benda kerja sehingga geometri dari cutter dan material harus dipilih dengan hati-hati. Beberapa tipe operasi dari proses milling ditunjukkan dalam Gambar 2.7.
9
Gambar 2.7 Beberapa tipe operasi milling
Sumber : http://classes.engr.oregonstate.edu 2.4 B-Spline
Spline fungsi piecewise polinomial yang banyak digunakan untuk melakukan interpolasi dari data point atau untuk aproksimasi fungsi kurva dan permukaan. Terdapat teknik yang efisien dari spline untuk proses komputasional yang disebut B-splines, atau basic – splines. Basic spline diperoleh dari kombinasi linier dari jumlah yang tepat dari basis function. Persamaan 2.1 dan 2.2 berikut adalah persamaan b-spline basis function. Gambar 2.8 menunjukkan kurva bspline basis function.
() () () () { Dimana,
= B-spline basis function ke-i dengan orde k = non decreasing set of real number atau disebut knot
u = paramater variabel
Gambar 2.8 Cubic B-spline basis function
Sumber : Biagiotti, 2008
10
(2.1)
(2.2)
Gambar 2.9 Cubic B-spline curve dan kontrol poligonnya
Sumber : Biagiotti, 2008
B-spline merupakan hasil pemetaan elemen dari sekuensial knot dari parametric space ke cartesian space. B-spline dipengaruhi oleh kurva kontrol point, orde kurva dan B-spline basis function seperti dalam Persamaan 2.3. Bentuk dari kurva B-spline dan poligon kontrolnya ditunjukkan dalam Gambar 2.9.
() ∑ ()
(2.3)
s(u)
= titik pada kurva sebagai fungsi dari parameter u
di
= control point atau weigh atau point coefficients
= B-spline basis function ke-i pada orde k
2.5 Kinematik dan Invers Kinematik
Kinematik menjelaskan hubungan antara posisi, kecepatan dan percepatan dari pengaturan tubuh robot, dalam hal ini adalah tautan lengan robot. Untuk trajectory planning dari manipulator robot lengan, kinematik sangat penting. User lebih suka memberikan perintah posisi robot pada koordinat kartesian (x,y,z). Pada contoh berikut mengacu pada lengan robot yang ditunjukkan dalam Gambar 2.10. Sistem kontrol dari robot menggunakan pengaturan sudut dari joint (θ 1 ,θ2). Begitu juga sebaliknya, ketika mendapatkan nilai sudut dari joint dan ingin diubah ke koordinat kartesian. Kedua hubungan antara kedua representasi koordinat ini dijelaskan sebagai berikut.
11
Gambar 2.10 Planar manipulator lengan dengan dua joint Sumber : Biagiotti, 2008
2.5.1 Di rect K in ematics
Pada direct kinematic, nilai yang diberikan adalah nilai sudut joint (θ 1 ,θ2) sedangkan yang dicari adalah sesuai dengan koordinat kartesian (x,y) dari ujung lengan. Dari gambar 2.10, ini bukan merupakan hal yang sulit untuk menentukan ujung dari lengan robot berdasarkan sudut joint. Posisi ditentuka seperti dalam Persamaan 2.4. Untuk mendapatkan kecepatan digunakan Persamaan 2.5.
( )] [ ( ) ( ( )) ( ( )) ] ̇ ̇ [ ̇̇ ] [ ̇
Gambar 2.11 Transformasi kinematik dari lengan 2 joint Sumber : Biagiotti, 2008
12
(2.4) (2.5)
2.5.2 Inverse Kinematics
Pada inverse kinematik, diketahui koordinat kartesian (x,y) dari ujung lengan sedang yang dicari adalah sudut joint (θ 1 ,θ2). Persamaan posisi ditunjukkan dalam Persamaan 2.6 dan 2.7.
(2.6)
-
(2.7)
Pada inverse kinematik cara perhitungannya adalah relatif terhadap konstruksi robot yang digunakan. Sehingga tidak ada persamaan yang pasti untuk kesemua konstruksi robot.
2.6 Geneti c Al gori thm pada Rur al Postman Pr obl em
Rural Postman Problem (RPP) pada dasarnya adalah Arc Routing Problem dengan banyak aplikasi. RPP mempunyai dua tepi yang digunakan dan yang tidak digunakan. Tujuan dari RPP adalah untuk mencari nilai jalur dengan minimum cost sehingga semua tepi dilalui minimum satu kali. Masalah RPP banyak dijumpai dalam dunia nyata misalnya pada : Pengiriman koran, mengantarkan surat, penyapu jalan, inspeksi pipa, dan sebagainya. Kasus RPP klasik adalah masalah perjalanan yang berpindah melalui semua tepi yang yang dibutuhkan dan memungkinkan beberapa tambahan tepi untuk menyusun perputaran tertutup dengan minimum weigh. Genetic Algorithm (GA) pertama kali diusulkan oleh Holland dalam bukunya Adaptation in Natural and Artificial System yang mana ide tersebut diaplikasikan dan dikembangkan oleh Goldberg. GA didasarkan pada teori Darwin tentang evolusi dan seleksi alam. Secara umum teori tersebut diuraikan sebagai berikut. Algorithm dimulai satu set solution, disandikan dalam bentuk kromosom yang disebut initial population. Selanjutnya nilai ( fitness) diberikan dalam pada tiap-tiap kromosom dan yang terbaik (berdasarkan nilai fitness) dipilih
13
sebagai parents. Untuk menghasilkan generasi baru, parents akan dilakukan crossing dengan probabilitas tertentu untuk menghasilkan kromosom baru yang disebut children. Pada populasi baru, yang terburuk akan dieliminasi dan proses akan berulang sampai nilai tertentu. Prinsip dasar GA didasarkan pada crossover population (pertukaran bagian-bagian informasi, gen yang ada pada kromosom parents). Ketika kromosom tidak diajukan untuk crossover, maka mereka tetap tidak termodifikasi. Mutasi terlibat untuk modifikasi nilai dari beberapa gen kromosom dengan probabilitas tertentu (probabilitas mutasi). Proses ini mengenalkan kembali material genetik yang hilang atau yang belum terselidiki kembali ke populasi, dengan tujuan mencegah konvergensi yang prematrur. Proses ini berulang sampai stopping kondisi terpenuhi, biasanya jumlah dari generation. Pendekatan dengan menggunaka GA bertujuan untuk mencari semua kemungkinan solusi untuk didapatkan solusi global yang optimal. Penggunaan operasi evolusi yang random digunakan untuk mencegah terjebak dalam local optima. Untuk menghasilkan metode yang efisien dan baik diperlukan representasi yang baik dari solusi, misalnya struktur kromosom.
Gambar 2.12 Salah satu contoh penggunaan RPP untuk perencanaan jalur proses Sumber : Tewolde, 2008
14
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Rancangan Penelitian
Dalam penelitian ini akan dilakukan disain eksperimental membangkitkan path dan motion planning robot industri untuk memahat benda kerja. Penelitian akan dilakukan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut:
1. Perancangan sistem, 2. Penentuan parameter proses, 3. Path Generation untuk pengikisan, 4. Pembangkitan motion planning robot, 5. Simulasi sistem, 6. Pemrograman pada robot, 7. Pengujian masing-masing bagian dan keseluruhan sistem 8. Diskusi dan analisa hasil pengujian 9. Penulisan paper dan buku tesis
Diagram blok dari rencana penelitian dan sistem ini ditampilkan dalam Gambar 3.1. Perancangan sistem mencakup disain dari keseluruhan sistem yang akan dibangun. Penentuan parameter proses mencakup parameter-parameter yang diperlukan serta pemilihan cutter berdasarkan bentuk target. Path generation mencakup strategi pengikisan yang dioptimalkan terhadap panjang jalur proses. Pembangkitan motion planning dilakukan untuk menentukan pergerakan dari robot. Untuk mengetahui kerja sistem sebelum diimplementasikan pada robot dilakukan simulasi dengan menggunakan software. Tahap selanjutnya adalah pengujian dan analisa.
15
Perancangan Sistem
Pengujian
Penentuan Parameter Proses
Diskusi dan Analisa Hasil
Path Generation
Penulisan Paper dan Buku Tesis
Pembangkitan Motion Planning Robot
Simulasi Sistem
Pemrograman Robot
Gambar 3.1 Diagram blok rencana penelitian
3.1.1 Perancangan Sistem
Dalam penelitian ini, sistem terdiri dari tiga bagian utama yaitu komputer, robot controller NX100 dan robot dual-arm motoman SDA10D. Komputer dipergunakan untuk mengolah data, membangkitkan path dan motion planning robot. Data keluaran dari komputer akan masuk ke kontroler robot, dimana protokol dan perintah dari komputer disesuaikan dengan protokol dan perintah kontroler. Kontroler akan secara langsung mengatur gerakan dari robot. ROBOT COMPUTER
CONTROLLER
Data Geometri Target
Gambar 3.2 Diagram blok sistem
16
MOTOMAN SDA10D
Mesin Milling
Blower
Benda Kerja
Gambar 3.3 Disain penempatan tools pada end-efector Motoman
SDA10D
Dalam penelitian ini, robot industri dua lengan tipe Motoman SDA10D dilengkapi gripper pada end-efector masing-masing lengan. Penggunaan gripper ini akan memungkinkan robot berganti-ganti tools. Gripper tersebut selanjutnya akan digunakan untuk memegang mesin milling dan blower . Mesin milling digunakan untuk melakukan proses milling sedangkan blower digunakan untuk membersihkan sisa-sisa hasil proses. Penempatan mesin milling dan blower pada end-efector robot ditunjukkan dalam Gambar 3.3 berikut. Tahapan alur kerja algoritma dari sistem path generation dan motion planning robot industri untuk aplikasi robot pahat dibagi menjadi beberapa tahapan seperti dalam Gambar 3.4. Secara garis besar sistem dibagi menjadi tiga proses yaitu penentuan parameter proses, path generation dan motion planning . Penentuan dari parameter proses akan mempengaruhi pembangkitan alur proses pengikisan dan motion planning dari robot.
17
Penentuan Parameter Proses
Pembacaan Data Geometri Target
Path Generation
Motion Planning
Pembangkitan Program Robot
Motoman SDA10D Robot
Motoman NX100 Robot Controller
Gambar 3.4 Diagram blok alur proses
3.1.2 Penentuan Parameter Proses
Dalam meralisasikan sistem ini, proses pengikisan akan dilakukan bertahap yaitu roughing / pengikisan kasar dan finishing / pengikisan akhir. Dalam pengikisan kasar akan dibagi menjadi beberapa layer proses seperti ditunjukkan dalam Gambar 3.5.
3.1.2.1 Roughing Pada pengikisan kasar, robot digerakkan seperti halnya robot 3-axis
dimana orientasi ujung tools searah dengan sumbu z karena hasil akhir pengikisan tidak akan terpengaruh oleh proses roughing . Proses roughing akan memakan sebagian besar volume benda kerja dengan lebih cepat. Untuk mengoptimalkan waktu proses pada roughing , akan dilakukan pemilihan cutter yang sesuai dengan bentuk bidang yang diproses.
Metode pemilihan cutter akan didasarkan pada
metode dynamic programming seperti yang disampaikan Y.H.Chen (1998).
Gambar 3.5 Pembagian layer pada proses milling
18
Dynamic programming dibangun untuk menghasilkan solusi yang optimal pada pemilihan cutter dan penentuan bidang permukaan yang akan diproses. Metode ini mengambil keputusan pada setiap tahapan atau layer yang akan diproses secara berurutan. Setiap tahapan atau layer menggambarkan posisi dari bidang yang akan diproses berdasarkan kondisinya.
Pada setiap layer cutter
dipilih dan kedalaman pengikisan dari masing-masing cutter yang dipilih ditentukan. Waktu proses pengikisan akan ditentukan disini. Berdasarkan cutter yang tersedia, bentuk dan ukuran dari setiap layer maka akan diperinci semua kombinasi yang mungkin untuk model yang optimal. Dengan melakukan iterasi untuk kombinasi yang mungkin maka akan diperoleh waktu pengikisan yang minimum untuk masing-masing layer. Pada model ini diasumsikan kedalaman dari terget adalah h sedangkan kedalaman dari cutter ke-i adalah d i untuk nilai i=1,2,...,m. Sehingga nilai Δz akan dapat ditentukan berdasrkan kedalaman dari cutter dan jumlah layer dapat ditentukan dalam Persamaan 3.1.
(3.1)
Dimana: S
: Jumlah layer,
h
: Target kedalaman pengikisan,
Δz
: Kedalaman pengikisan pada setiap layer .
Seperti terlihat dalam Gambar 3.6, jumlah layer yang dihasilkan adalah: 0 ≤ s ≤ S. Tidak semua layer diproses menggunakan ukuran cutter yang berbeda. Untuk meminimalkan waktu yang diperlukan untuk mengganti cutter, sebanyak mungkin layer yang dapat diproses dengan ukuran cutter sama diperlukan. Penentuan ukuran cutter didasarkan pada ukuran cutter paling besar yang mungkin untuk luasan bidang tiap layer. Jika diasumsikan diameter cutter adalah d c dan jarak kritis batasan dari sebuah luasan adalah b maka d c
19
≤ b
harus dipenuhi.
Gambar 3.6 Pembagian layer pada proses roughing 3.1.2.2 Finishing Proses finishing bertujuan untuk membuat detail yang tinggi untuk proses
pemahatan. Oleh karena itu pada proses ini digunakan ujung cutter yang lebih kecil dan orientasi dari cutter akan dibuat menyesuaikan dengan kontur permukaan target. Perbedaan dari orientasi cutter pada proses roughing dan finishing ditunjukkan dalam Gambar 3.7 berikut.
3.1.3 Path Generati on
Proses path generation atau pembangkitan jalur pengikisan dilakukan dengan beberapa tahapan yang diantaranya adalah proses konversi koordinat dari koordinat data ke koordinat robot dan benda kerja, hasil penentuan parameter parameter proses dan strategi pengikisan dengan GA. Proses ini ditunjukkan dalam Gambar 3.8 berikut.
(a)
(b)
Gambar 3.7 Pengikisan pada roughing (a) dan finishing (b)
20
Data Target
Konversi Koordinat Data ke Koordinat Robot dan Benda Kerja
Titik-titik proses
Strategi pengikisan dengan Genetic Algorithm
Parameter Proses
Gambar 3.8 Alur proses path generation
Input dari sistem adalah data geometri target berupa bentuk 3-D. Data tersebut diperoleh dari hasil scanning 3-D maupun pembangkitan langsung oleh komputer. Format data yang akan digunakan adalah berupa data array yang memuat nilai dalam koordinat kartesian x, y dan z. Dalam penelitian ini bentuk yang akan diproses adalah bentuk 3D permukaan satu sisi. Data yang memuat informasi dalam koordinat data x,y dan z dikonversi terlebih dahulu ke sistem koordinat robot dan benda kerja. Proses konversi ini akan dilakukan secara eksperimental. Beberapa hal yang berpengaruh terhadap parameter-parameter konversi adalah penempatan benda kerja dan skala dimensi yang digunakan pada data target.
3.1.3.1 Genetic Algorithm untuk Mencari Jalur Terpendek Berdasarkan Open- RPP
Pembangkitan jalur pengikisan atau sering disebut path generation adalah masalah yang sangat sulit dan telah diteliti oleh banyak ilmuan di bidang teknologi pemrosesan bahan. Dalam penelitian ini, strategi jalur pengikisan yang akan digunakan mengadaptasi pada iso-planar zig-zag . Metode ini sederhana dan telah banyak diimplementasikan. Strategi pengikisan akan dioptimalkan dengan memodelkan sebagai open Rural Postman Problem (open-RPP) yang akan diselesaikan dengan menggunakan Genetic Algorithm (GA). Gambaran metode ini ditunjukkan dalam Gambar 3.9. Gambar 3.9 (a) menunjukkan strategi pengikisan iso-planar zig-zag konvensional, sedangkan Gambar 3.9 (b) meunjukkan panjang jalur yang dioptimalkan.
21
y
x
Jalur yang harus diproses Area kerja
Jalur yang harus diproses
Area kerja 1
3
2
5
4
. . . . . . . .
Area tidak diproses
Area tidak diproses
. . . . . . . .
n
Jalur cutter tanpa kontak dengan benda kerja
Jalur cutter tanpa kontak dengan benda kerja
(a)
(b)
Gambar 3.9. Jalur pengikisan iso-planar zig-zag (a) konvensional, (b) optimal yang diharapkan
Gerakan dari pengikisan teratur dengan interval pengikisan yang tetap setiap kali proses. Proses ini berlaku untuk proses roughing dan finishing sesuai dengan parameter proses yang dihasilkan. Jalur-jalur proses dibangkitkan berdasarkan baris seperti dalam iso-plannar seperti dalam Gambar 3.9 (b). Jalur proses akan diberi indek dari 1 sampai n berdasarkan struktur yang akan diproses. Metode konvensional akan melakukan pengikisan urut berdasarkan berdasarkan baris secara zig-zag dengan area tidak diproses juga akan dilewati. Dengan menggunakan GA, urutan baris yang akan diproses akan dicari nilai minimumnya sehingga diharapkan didapatkan jalur terpendek diperoleh. Garis-garis proses tersebut dapat dimodelkan sebagai open-RPP. OpenRPP adalah kasus RPP dengan titik akhir tidak harus kembali ke titik awal. Untuk menyelesaikan masalah open-RPP, struktur kromosom berisikan gen yang merepresentasikan nomor urut jalur yang ada. Jumlah jalur akan sangat bergantung pada struktur target. Dikarenakan kasus open-RPP memiliki dua tepi, maka diperlukan kromosom lagi yang merepresentasikan arah perpindahan dari titik tepi satu ke dua atau sebaliknya.
22
Pi = 3 1 2 5 4 6
Psi = 0 0 1 0 1 0
Gambar 3.10 Parent Pi dan Psi untuk menyelesaikan open-RPP dengan enam jalur garis P1 = 3 1 2 5 4 6 P2 = 6 3 4 2 1 5
Ps1 = 0 0 1 0 1 0 Ps2 = 1 1 0 1 0 1
‘
C1 = 6 3 2 5 4 5 C2 = 3 1 4 2 1 6 ‘
C1 = 6 3 2 5 4 1 C2 = 3 5 4 2 1 6
Cs1 = 1 0 1 0 0 1 Cs2 = 0 1 0 1 1 0
Gambar 3.11 Order crossover diaplikasikan untuk parent P 1,P2 dan crossover biasa diaplikasikan untuk parent P S1, PS2 menghasilkan sepasang C1, C2 dan CS1, CS2
Dimisalkan Pi adalah individu solusi untuk masalah jalur pada open-RPP sedangkan P si menyatakan arah menyisiran. Pada Psi nilai 1 menyatakan arah penyisiran dari tepi satu ke tepi dua dan 0 menyatakan sebaliknya.
Sebagai
contoh untuk kasus enam garis adalah ditunjukkan dalam Gambar 3.10. Pada proses crossover akan digunakan order crossover seperti diilustrasikan dalam Gambar 3.11. Mutasi diimplementasikan dengan menggunakan skema swapping mutation. Cara ini dilakukan dengan memilih dua posisi secara acak dan dilakukan pertukaran. Langkah berikutnya adalah menentukan nilai fitnessnya didasarkan pada panjang jalur yang akan ditempuh.
Gambar 3.12 Konstruksi Motoman SDA10D
23
3.1.4 M otion Planning
Dari data target dan strategi jalur pengikisan yang digunakan selanjutnya akan
dilakukan
proses smoothing untuk
masing
masing
baris
dengan
menggunakan kurva B-spline. Dari kurva hasil B-spline akan bisa didapatkan titik-titik baru. Titik-titik tersebut akan menentukan pergerakan ujung cutter dan orientasi cutter . Motion planning dari robot mencakup alur gerakan robot dari posisi standby, pengambilan tools, proses pengikisan berdasarkan path yang dihasilkan, kecepatan pengikisan dan orientasi dari cutter . Motion planning akan dibangun agar didapatkan gerakan yang efektif dan memungkinkan dalam prosesnya. Orientasi
dari cutter disesuaikan dengan parameter proses yang
sebelumnya telah dihasilkan. Pada proses roughing , orientasi cutter tetap searah dengan sumbu z. Pada finishing dilakukan berdasarkan persamaan tangensial dimana cutter akan selalu tegak lurus dengan permukaan target. Titik-titik posisi dan orientasi selanjutnya akan menjadi acuan robot untuk melakukan gerak. Untuk mengatur gerakan robot perlu memperhatikan konstruksi dari robot, konstruksi tools dan proses invers kinematik. Proses invers kinematik akan dilakukan secara analitis berdasarkan konstruksi robot. Jika diketahui titik dan orientasi yang diinginkan dari ujung tools, maka titik point P akan bisa diketahui. Dengan diketahuinya posisi point P, maka sudut dari masing-masing joint akan dapat diketahui. Konstruksi robot ditunjukkan dalam Gambar 3.12 Perintah interpolasi pada robot mempunyai mode garis dan spline. Pola gerak mode garis ditunjukkan dalam Gambar 3.13(a) , sedang pola gerak spline ditunjukkan dalam Gambar 3.13(b) berikut. Setelah semua proses selesai akan dibangkitkan program yang akan mengatur gerakan dari robot industri untuk proses pengikisan benda kerja. Interpolasi yang digunakan pada robot adalah tetap baik
garis
maupun
spline
dengan
kecepatan
yang
diatur.
Sebelum
diimplementasikan langsung ke robot, terlebih dahulu dilakukan simulasi proses pada software.
24
(a)
(b)
Gambar 3.13 Mode interpolasi (a) garis, (b) spline
3.2 Prosedur Pengambilan Data
Pengambilan data percobaan dilakukan dalam beberapa tahap pengujian yaitu: 1. Pengujian panjang jalur pengikisan Pengujian panjang jalur dan waktu pengikisan dilakukan secara simulasi. Hasil dari proses dengan strategi pengikisan standar dibandingkan dengan hasil pengoptimalan panjang jalur yang dilakukan. 2. Pengujian akurasi robot Pengujian akurasi robot dilakukan dengan melakukan proses gerakan berdasarkan titik uji. Hasil dari proses dan input titik uji dibandingkan untuk didapatkan tingkat akurasi robot. 3. Pengujian error pengikisan Pengujian ini dilakukan dengan melakukan proses pengikisan benda kerja sesuai dengan data bentuk target. Hasil dari proses yang berupa bentuk 3D akan dibandingkan dengan data input.
3.3 Cara Analisis
Cara analisis untuk penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Panjang jalur pengikisan Analisa
panjang
jalur
pengikisan
dilakukan
dengan
cara
membandingkan panjang jalur dan waktu yang dihasilkan dari proses dengan strategi pengikisan standar dibandingkan dengan hasil pengoptimalan panjang jalur yang dilakukan.
25
2. Akurasi robot Analisa untuk akurasi robot dilakukan dengan membandingkan titik uji dengan titik yang dihasilkan oleh gerakan. Dari selisih kedua titik tersebut akan didapatkan akurasi dari robot. 3. Error pengikisan Analisa error pengikisan dilakukan dengan membandingkan bentuk data target dan hasil proses pengikisan. Dari selisih dimensi maupun bentuk yang dihasilkan akan didapatkan error pengikisan.
3.4 Jadwal Kegiatan
Penelitian direncanakan berlangsung selama enam bulan. Adapun jadwal kegiatan dari penelitian yang akan dilakukan ditampilkan dalam Tabel 3.1. Tabel 3.1 Jadwal kegiatan
Kegiatan
1
Studi Literatur Path generation Membangkitkan motion planning robot dan orientasi tools dari komputer Simulasi program Pemrograman pada robot Pengujian sistem Analisa pengujian pengikisan Penulisan paper dan buku tesis
26
2
Bulan 3 4
5
6
DAFTAR PUSTAKA Adel Olabi, Richard Bearee, Olivier Gibaru, Mohamed Damak. ―Feedrate planning
for
machining
with
industrial
six-axis
robots‖,
Control
Engineering Practice 18 hal. 471-482, 2010. Biagiotti Luigi. ―Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots‖, Berlin: Springer. 2008. Chen Y.H., Lee Y.S., Fang S.C. ―Optimal Cutter Selection and Machining Plane Determination for Process Planning and NC Machining of Complex Surfaces‖, Journal of Manufacturing System Vol.17 No.5 Hal. 371 -388, 1998. Kurfes, Thomas R. ―Robotics And Automation Handbook‖, Washington DC: CRC Press, 2005. Langeron, J Marie, Emmanuel Duc, Claire Lartigue, Pierre Bourdet. ―A New format for 5-axis tool path computation, using Bspline curves‖, Proceeding of the Computer Aided Design 36, hal. 1219-1229, 2003. Material
and
Manufactoring
Process..
―Milling
Process‖,
2010.
http://classes.engr.oregonstate.edu/mime/winter2010/ie337001/Laboratorie s/4a.Milling%20lab.pdf. Diakses tgl. 27 Maret 2012. Niu Xuejuan, Liu Jingtai, Sun Lei, Liu Zheng, Chen Xinwei.‖Robot 3-D Sculpturing Based on Extracted NURBS ‖, Proceeding of the 2007 IEEE International conference on Robotics and Biomimetics, Sanya, China, hal.1936-1941, 2007. Romero J.R.M, Venegas H.A.M, Zuniga J.H.‖An Evolution Hybrid Strateg y for Solving the Rural Postman Problem‖, 2011 Electronics, Robotics and Automation Mechanics Conference Hal.415-420, 2011. Tewolde G.S. ―Robot Path Integration in Manufacturing Processes: Genetic Algorithm Versus Ant Colony Optimization‖, IEEE Transactions On Systems, Man, And Cybernetics — Part A: Systems And Humans, Vol. 38, No. 2. Hal.278-287, 2008.
27
