About Technology: Robotic Mechanical

MEKANIKA ROBOTIKA

1. Pendahuluan Mekanika

2. Mekanisme Aktuator

3. Komponens Sistem Penggerak : Roda gigi (Gir) & sabuk / rantai

4. End effector

1. PENDAHULUAN MEKANIKA

Istilah Dasar :

• Poros gerakan : adalah mekanisme yang memungkinkan robot untuk bergerak secara lurus atau berotasi

• Derajat kebebasan : adalah jumlah arah yang idenpenden dimana end-effector dari sebuah robot dapat bergerak.

Robot dengan 3 poros gerakan & 6 derajat kebebasan yang mungkin

3 derajat kebebasan bagi sebuah obyek

Robot dengan 4 poros gerakan & Pergelangan robot dengan

3 derajat kebebasan 3 derajat kebebasan

Geometri robot :

1. Anthropomorphic : memiliki kesamaan dengan manusia, misalnya lengan Anthropomorphic akan serupa dengan lengan manusia dalam hal bagaimana setiap bagian dihubungkan. Lengan ini memiliki manuver paling besar dans eringkali menjadi pilihan untuk pengecatan, namun jenis ini pergerakannya paling lambat dan akan mengalami kesulitan untuk menggerakkan ujung lengan dalam garis lurus.

2. Cartesian : dapat bergerak 3 arah yang idependen yaitu sumbu X, Y dan Z. Biasanya lengan ini akan bekerja pada kerangka overhead yang dibentuk oleh sumbu x membentuk suatu lingkup kerja persegi panjang. Geometri ini digunakan untuk pekerjaan yang memiliki cakupan area yang luas dimana gerakan-gerakan yang rumit tidak terlalu dipentingkan.

2. Silindris : Serupa dengan cartesian, kecuali bahwa ia tidak memiliki gerakan sepanjang sumbu X, sebagai gantinya, lengan dapat bergerak rotasi. Terdapat 3 poros gerakan yaitu Y, Z dan θ. Dimana θ adalah sudut rotasi.

4. Kutup : Hampir sama dengan silindris, lengan dengan geometri kutup memiliki sumbu Y dan θ, perbedaannya terletak pada adanya poros yang memungkinkan lengan tersebut berotas / berputar pada bidang vertikal, sebagai ganti gerakan ke atas atau ke bawah sepanjang sumbu Z. Lingkup kerjanya seperti bagian permukaaan dari sebuah bola (spherical).

5. SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) : pada SCARA persendian putar lengannya berotasi pada sumbu vertikalnya. Pemakaiannya meluas untuk pengoperasian perakitan khususnya pada bidang elektronika.

Lingkup kerja :

Adalah area maksimal yang dapat dijangkau dengan pergerakan sudut persendian tertentu. Contoh :

2. MEKANISME AKTUATOR (PENGGERAK)

• Aktuator : Istilah yang digunakan untuk mekanisme yang menggerakkan lengan robot. Aktuator dapat berupa hidrolik dan pneumatik yang digunakan untuk mengendalikan persendian prismatik karena dapat menghasilkan gerakan linier secara langsung (sering disebut dengan penggerak linier)., atau pula aktuator motor listrik yang menghasilkan gerakan rotasi.

• Macam Aktuator :

1. Hidrolik : Tahun 1653, ilmuwan Blaise Pascal menyatakan teori : apabila tekanan eksternal dikenakan ke sejumlah fluida (bisa gas ataupun cairan), maka tekanan tersebut akan dipindahkan seluruhnya ke semua bagian dari fluida tersebut.

Gaya * selisih jarak masukan = Gaya * selisih jarak keluaran

Usaha mekanis yang masuk = Usaha mekanis yang keluar

Contoh Aktuator Hidrolik :

􀂃 Praktis

􀂃 Piston berpegas

􀂃 Silinder Double acting

􀂃 Katup transfer hidrolik : merupakan metode pengendalian yang sangat teliti yang diterapkan pada silinder double acting dengan menggunakan katup transfer hidrolik.

2. Pneumatik : jika hdrolik menggunakan fluida dalam bentuk cairan, pneumatik menggunakan udara yang ternya memiliki kaidah yang sama dalam hubungannya dengan gaya dan luas area. Perbedaannya adalah bahwa udara yang ditekan atau dimampatkan, volumenya akan berubah. Maka, untuk membangkitkan tekanan yang dibutuhkan dalam pengoperasian piston, pompa harus melakukan pekerjaan tambahan yaitu memampatkan udara.

Usaha mekanis yang masuk =

Usaha mekanis yang keluar + Panas

Kelebihan Pneumatik :

􀂃 Lebih murah.

􀂃 Dalam hidrolik tidak boleh ada kebocoran sedikitpun karena mengakibatkan tumpahnya cairan, sedangkan pada pneumatik kebocoran kecil masih dapat diterima.

􀂃 Memiliki respon yang lebih cepat dibandingkan hidrolik.

3. Motor listrik, terdapat beberapa Istilah yaitu dasar yaitu :

􀂃 Daya : terdapat 2 daya dalam satuan yang sama yaitu WATT, daya listrik (=satuan listrik yang digunakan oleh motor) dan daya mekanik (=satuan daya yang dihasilkan oleh motor). Efisiensi motor idealnya 100%, artinya 1 watt daya listrik menghasilkan 1 watt daya mekanik, namun pada prakteknya efisiensi motor kurang dari 50%, berarti 1 daya listrik hanya menghasilkan ½ atau lebih kecil lagi daya mekanik, sisanya berupa panas dan derau.

􀂃 Torsi : kekuatan atau gaya puntir yang dihasilkan satuannya Nm (Newton meter), defenisinya adalah gaya dikalikan dengan jarak terpendek yang diukur dari sumbu rotasi ke garis di sepanjang gaya tersebut bekerja.

Pada gambar di atas : Torsi sebesar 2Nm diperlukan untuk mengangkat beban dengan menggunakan katrol. Diperlukan torsi yang lebih besar untuk mengangkat beban ini karena jarak yang ditempuh untuk setiap putaran / revolusi katrol juga lebih besar. Jika Gaya F adalah 2kg (20 Newton) dan r adalah 0,1 meter, maka torsi = 20 x 0,1 = 2 Nm

Pada gambar di atas : Torsi semakin berkurang apabila beban bergerak ke arah poros motor.

􀂃 Kecepatan : dinyatakan dalam rpm (revolution per minute) adalah penghubung antara daya dan torsi. Kita dapat menghitung berapa torsi T (dalam Newton meter)

bila mengetahui daya mekanik P (dalam watt) dan jumlah revolusi per menit R dengan formula :

T = 10P / R newton meter

Jenis Motor listrik :

1. Motor AC, dioperasikan oleh arus listrik bolak-balik.

2. Motor DC , dioperasikan oleh arus listrik searah.

3. Motor stepper, dioperasikan oleh pulsa-pulsa listrik

Motor DC :

Terdapat 2 bagian utama, yaitu bagian yang tetap dan menghasilkan medan magnet dari koilnya yang disebut STATOR dan bagian yang berputar disebut ROTOR atau armature berupa koil dimana arus listrik mengalir.

Prinsip motor DC

Konstruksi Motor

Jenis motor dikenali berdasrkan pengaturan listrik di dalamnya dan kontruksi fisiknya. 3 Cara dasar membentuk motor listrik :

Kontruksi Motor Standar

Kontruksi Motor Bell

Kontruksi Motor Disc

Motor magnet permanen

Motor dimana medan magnet di dalam stator dihasilkan oleh magnet permanen. Kekuatan medan magnetnya terbatas sehingga membatasi pula besar torsi yang mampu dihasilkannya. Macam motor magnet permanen :

1. Motor dengan lilitan Seri (motor universal) : bekerja baik dengan DC maupun AC, berputar lambat jika dikenai beban berat (torsi tinggi)

2. Motor lilitan paralel : Kecepatannya tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan torsi yang terjadi, tetapi hanya dipengaruhi perubahan tegangan yang dikenakan kepada rotor.

3. Motor dengan lilitan gabungan : Medan magnet dalam stator dihasilkan melalui 2 koil yang terpisah.

Motor Stepper

Prinsip Motor Stepper

Pengoperasian motor jenis ini berdasarkan pulsa-pulasa listrik. Setiap kali mengirim pulsa ke pengontrol elektronik, maka motor akan bergerak ‘selangkah’, yaitu satu putaran sudut kecil. Ukuran langkah tergantung pada perancangan motor dan dapat sekecil 1,5 derajat atau maksimal 30 derajat. Kecepatan pengiriman pulasa maksimum 2000 pulsa per detik.

3. KOMPONEN SISTEM PENGGERAK

• Komponen yang dimanfaatkan mekanismenya dalam mengalihkan gerakan linier menjadi rotasi maupun sebaliknya yang dihasilkan oleh aktuator.

1. Roda gigi

Prinsip Dasar

Gambar disamping adalah Penggerak pendamping (pinion) kecil dan roda gigi pemacu (spur Wheel).

Pitch (puncak gigi) : jarak antara titik tengah sebuah gigi dengan titik tengah gigi berikutnya. Perumusannya :

PCD roda gigi 1 PCD roda gigi 2

-------------------- + --------------------

2 2

Pitch Circle diameter (PCD) : garis tengah efektif dari roda gigi yang digunakan dalam merancang perhitungan.

Rasio roda gigi (rasio transmisi) dari sepasang roda gigi adalah rasio / perbandingan antara jumlah satu putaran penuh roda gigi masukan dengan jumlah satu putaran penuh roda gigi keluaran. Selam berputar, roda gigi yang lebih banyak akan membuat putaran yang lebih kecil dibandingkan dengan roda gigi yang lebih kecil.

Jika misalnya roda digi masukan memiliki 20 gigi dan roda gigi keluaran memiliki 100 gigi, maka rasio roda gigi 100 : 20 atau 5:1. Perumusannya :

Gigi pada roda gigi masukan

-----------------------------------

Gigi pada roda gigi keluaran

Jika roda gigi lebih dari 2 (misalnya 4), untuk medapatkan rasio keseluruhan menggunakan rumus :

Gigi pada roda gigi 4 Gigi pada roda gigi 2

------------------------- x --------------------------

Gigi pada roda gigi 3 Gigi pada roda gigi 1

Jika roda gigi lebih dari 2 (misalnya 6), untuk medapatkan rasio keseluruhan menggunakan rumus :

Gigi pada roda gigi 6 Gigi pada roda gigi 4 Gigi pada roda gigi 2

------------------------- x -------------------------- x --------------------------

Gigi pada roda gigi 5 Gigi pada roda gigi 3 Gigi pada roda gigi 1

Pengalihan Torsi

Pada motor listrik, jika kita melipatgandakan kecepatan, maka torsi akan menjadi setengahnya dan begitu pula sebaliknya. Jika ini diterapkan pada roda gigi, maka :

Karena rasio roda gigi adalah :

maka :

Torsi keluaran x rpm = torsi masukan x rpm

rpm masukan

-----------------

rpm keluaran

torsi masukan = rasio roda gigi x torsi keluaran

Black Slash :

Timbul saat dua roda gigi saling bertaut, maka harus terdapat jarak ruangan (clearance) di antara gigi untuk menghindari adanya kemacetan pada roda gigi.

Jenis Penggerak roda gigi :

2. Sabuk dan rantai

Rasio transmisi penggerak sabuk dapat dihitung dari rasio peredaran katrol-katrolnya. Karena peredaran lingkaran sebanding dengan garis tengahnya, dapat dikatakan bahwa rasio transmisinya adalah rasio garis tengah katrol-katrolnya.

Garis tengah katrol efektif :

Sabuk bergerigi :

Rumusnya :

Jumlah gigi pada katrol besar

------------------------------------

Jumlah gigi pada katrol kecil

Penggerak kabel bermanik :

4. END EFFECTOR :

• Defenisi : Piranti yang terpasang pada lengan robot untuk melaksanakan fungsi-fungsi tertentu.

• Jenis end effector :

1. Gripper (pencengkram) : piranti untuk memegang dan mencengkram obyek, misalnya : tangan mekanik, piranti pengait, magnet atau penghisap.

2. Tool (peralatan) : Piranti yan digunakan robot untuk melakukan operasi pada suatu obyek. Misalnya : bor, penyemprot cat, gerinda, alat las dan lain-lain.

• Gerakan robot pada end effector

1. Point to point control (Gripper)

2. Continous path control (Tool)

• Jenis Gripper :

1. Kontak (jig) : Robot melakukan aktivitas terhadap suatu obyek tertentu, seperti melakukan pengelasan, pemotongan, pengeboran.

2. Gripper kasar : Tidak membutuhkan ketepatan.

3. Gripper presisi : Memerlukan penempatan yang presisi

4. Perakitan : Posisi yang akurat dan umpan balik sensor yang memungkinkan robot memantau dan memperbaiki gerakan yang dilakukannya.

• Gripper mekanik :

1. Bantalan (pad) gripper

Lapisan ini umumnya dibuat dari plyurethane (sejenis plastik) yang dipasang pada pencengkram, agar gesekan yang didapatkan menjadi lebih besar, namun lapisannya mesti lentur agar tidak merusak benda yang dipegangnya.