sensor robot · 2017-12-15 · . th22452 robotika 30 sensor resistan ... sensor proximity capasitif...

TH22452 Robotika 1

Sensor Robot

Nuryono S.W., S.T.,M.Eng.

TH22452 Robotika 2

Pendahuluan

• Sensor adalah piranti untuk mengukurbesaran tertentu (devices for measuring a quantity)

• Dalam sistem robotika umumnya sensor mengubah besaran tertentu ke dalambesaran elektris(arus, tegangan, isyaratelektris/elektronis)

TH22452 Robotika 3

Karakteristik Sensor

• Akurasi(Kesesuaian nilai aktual dan nilai terukur)

• Resolusi(Perubahan terkecil pd besaran terukur ygmasih bisa dideteksi oleh sensor)

• Repeatability (Variasi nilai terukur ketika suatu besaranyg sama diukur secara berulang-ulang)

TH22452 Robotika 4

Karakteristik Sensor

• Linearity(Hubungan antara perubahan input terhadapperubahan output)

• Sensitivity(Rasio perubahan output terhadap perubahaninput/kepekaan)

• Range(Batas bawah&atas variabel yg masih bisa dikuroleh sensor)

• Respon

TH22452 Robotika 5

Perlunya Sensor

• Agar robot punya “awareness” thdpdirinya dan lingkungan

• Agar robot dapat berinteraksi denganlingkungannya

• Keamanan dan Keselamatan, pencegahan kerusakan

• Kemampuan untuk mencapai target atau tujuan

• Membuat robot lebih “cerdas”

TH22452 Robotika 6

Besaran yg diukur

• Cahaya– Warna, Intensitas, Arah

• Suara– Frekuensi, Intensitas, Arah

• Panas– Suhu, panjang gelombang, kuantitas, arah

• Bahan kimia

• Object Proximity dan jarak dan arah benda• Orientasi fisik, gerakan, posisi

– Magnitude, pitch, roll, yaw, koordinat

TH22452 Robotika 7

Besaran yg diukur

• Medan Magnet & Medan Listrik• Resistan (electrical, secara tdk langsung

dari V/I)• Capacitance (melalui excitation/oscillation)• Inductance (melalui excitation/oscillation)

TH22452 Robotika 8

Contoh Sensor Robot

• Feelers (Whiskers, Bumpers) – Mekanis• Photoelectric • Infrared• Ultrasonic • Resistive/Capacitive/Inductive

TH22452 Robotika 9

Contoh Sensor Robot

• Visual – Cameras & Arrays (Active & Passive)

• Color Sensors (Active & Passive)• Magnetic (Active & Passive)

• Orientation (Pitch & Roll)• GPS (location, altitude)

• Compass (orientation, bearing)• Voltage – Electric Field Sensors

• Current – Magnetic Field Sensors• Chemical – Smoke Detectors, Gas Sensors

TH22452 Robotika 10

Sensor – Feelers• Whiskers (sungut)

– Senar gitar/piano yg diletakkan di antara conductive “hoop”

– Adanya defleksi menyebabkan kontak dengan “hoop”– Kawat yg lentur yg menyentuh suatu batang konduktor

ketika terdefleksi– Menjangkau di depan robot dalam beberapa cm– Sederhana, murah, keluaran biner

• Bumpers & Guards– Sensor benturan/tumbukan Impact/Collision sensor,

mendeteksi adanya tekanan/kontak– Microswitch & kawat– Sederhana, murah, keluaran biner

TH22452 Robotika 11

• Desain

TH22452 Robotika 12

Feelers - Whiskers

TH22452 Robotika 13

Feelers - Bumpers & Guards

TH22452 Robotika 14

Sensor-Feeler&bumper

• Koneksi

TH22452 Robotika 15

Sensors – IR• Aktif (emitting)

– Oscillator membangkitkan Pulsa IR, memantul ketikabertemu benda/obyek

– Filtered receiver mencari pantulan tsb– Pulsa dienkode untuk deteksi yg lebih efektif– Frekuensi yg digunakan sekitar 40KHz– Tidak terlalu baik ketika bertemu obyek yg gelap

• Pasif (hanya sensor tanpa emitting)– Pyro-electric (heat sensor)– Mencari emisi IR dari manusia dan binatang– Biasa dipakai pd sistem keamanan dan deteksi gerakan

TH22452 Robotika 16

Proximity VS Ranger/distance

TH22452 Robotika 17

Infrared - Active

TH22452 Robotika 18

Spek Active IR Sensor

• Sensor type = Reflective IR

• IR detector = Panasonic PNA4602M • IR LED type = Narrow focus 10º

• I/O required = 3 digital lines: 2 outputs, 1 input • Range = Sekitar 4“ to 26" (10 cm s/d 65cm)

• Input voltage = 5vdc regulated @ 8mA

• PC board size = 2.3" x .75"

TH22452 Robotika 19

Contoh IR-active

TH22452 Robotika 20

Linear Array IR Range Sensors

• Sharp GP2Dxx (satucontoh)

• ~4 to 30cm Range• Output Analog atau

Digital

TH22452 Robotika 21

Linear Array IR Range Sensors

• Prinsip kerja

TH22452 Robotika 22

TH22452 Robotika 23

Laser Range Sensors

• USB Interface• 240º Field of View• 0.36º Angular

Resolution• 10Hz Refresh Rate• 20mm s/d 4m• $2695

TH22452 Robotika 24

Passive IR – Pyro-Electric

TH22452 Robotika 25

Sensor Ultrasonic• Aktif

– Membangkitkan pulsa dan menunggu pantulannya pulses & listen for echos

– Terkait dengan kecepatan rambat di udara (~1ft/mS)– Bisa menjangkau daerah yg jauh dari robot ( bisa s/d 3m)– Prinsip kerja sederhana, tidak murah, keluaran analog atau

digital– Directional; tidak semua benda memantulkan

• Pasif– Senso “mendengarkan” adanya gelombang ultrasonic – Rangkaian Electronik mengubahnya ke frekuensi atau

modulasi– Software melakukan analisis (FFT dsb)

TH22452 Robotika 26

Ultrasonic - Aktif

$27

$134$49

TH22452 Robotika 27

Sensor Ultrasonic

• Pasif - Beacon & Sensor– Beacons menunggu RF command untuk

memancarkan• Cahaya atau gelombang suara• Robot mencari & mendengarkan setiap beacon

– Robot mengetahui lokasi tiap beacon

– Kompas pada robot memberi informasitentang arah (orientasi) beacon tersebut

– Robot dapat menghitung posisinya

TH22452 Robotika 28

Beacon1

Beacon2

Sound Pulse

Sound Pulse

Robot

Light Pulse

BEACON

RF Receiver

IR Emitter

Ultrasonic Emitter

Beacon3

Light Pulse

Sound Pulse

ROBOT

RF Transmitter

IR Receiver

Ultrasonic Receiver

Light Pulse

Sensor Ultrasonic

TH22452 Robotika 29

Sonic (Acoustic) Pasif

TI (Burr-Brown) UAF42 Universal Active Filter

http://focus.ti.com/lit/an/sbfa002/sbfa002.pdf

TH22452 Robotika 30

Sensor Resistan

• Contoh Potentiometer

TH22452 Robotika 31

Potensiometer

• Menggunakan konsep pembagi tegangan

TH22452 Robotika 32

Tipe Potensiometer

• Wirewound– Wiper/penyapu bergeser/bergerak pada suatu lilitan

kawat Ni-Crome– Mudah rusak, peka terhadap suhu

• Cermet– Wiper bergeser pada jalur keramik konduktif– Lebih baik dibanding wirewound

• Plastic film– Resolusi tinggi– Tahan lama dan tahan perubahan suhu

TH22452 Robotika 33

Linear Potensiometer

• Sesuai untuk pergerakan linear

TH22452 Robotika 34

Penggunaan Potensiometer

• Keuntungan– Low Cost(murah)– Sinyal kendali bisa menggunakan isyarat

analog– Informasi yg dibutuhkan adalah informasi

posisi secara absolute

• Kerugian– Kerusakan akibat suhu dan keausan– Tidak cocok untuk daerah berdebu

TH22452 Robotika 35

Sensor Proximity Capasitif & Induktif

• Sensor Induktif menggunakan perubahanmedan magnet untuk mendeteksi adanyaobyek logam

• Sensor Capasitif menggunakanperubahan capasitans yg disebabkanobyek bukan logam

• Umumnya utk jarak dekat• Cukup Kuat& reliable

TH22452 Robotika 36

Sensor Induktif

TH22452 Robotika 37

Sensor Induktif

TH22452 Robotika 38

Sensor Capasitif

TH22452 Robotika 39

Sensor Kapasitif

TH22452 Robotika 40

Sensor Visual

• CMUCam• Linear Optical Array

TH22452 Robotika 41

Sensor Warna

http://robotroom.com/ColorSensor.html

TH22452 Robotika 42

Sensor Orientasi (arah gerak)

• Rate Gyros– Output proporsional dengan kecepatan angular

rotation – Diintegralkan untuk menentukan posisi– Didifferensialkan untuk menentukan

akselerasi/percepatan

• Accelerometer– Output proporsional dengan percepatan

TH22452 Robotika 43

Sensor Percepatan

• Akselerasi diukur melaluigaya yg ditimbulkan olehmassa yg berakselerasi

• Distorsi Piezo• Pergerakan Cantilever• Strain ataupun Restrain

massa• Akselerometer biasa pula

digunakan utk mengukurvibrasi

TH22452 Robotika 44

Tri-axial Accelerometer

• Tipe ini biasadigunakan padaSistem Mobile– Mobil Balap– Rotating elemen pada

turbin– Elemen pesawat

terbang

• Mengukur besarnyavibrasi

• Data posisi sesaat

TH22452 Robotika 45

Sensor GerakanRate Gyro – Silicon Sensing Systems

Servo Accel – Sensorland.com

TH22452 Robotika 46

Sensor Posisi/Lokasi

• Encoder• Global Positioning System

TH22452 Robotika 47

Encoder

• Nubotics.com, $27

• Jun 98, Oct 2000 Encoder

TH22452 Robotika 48

Optical Encoder

• Encoder adalah Sensor Digital yg umum digunakanuntuk memberikan feedback posisi untuk suatuaktuator

• Tersusun atas Disc/ cakram kaca/plastik yg berputardi antara sumber cahaya(LED) dan photo-detector

• Disk diencode dengan bagian yg gelap& terangsehingga muncul pulsa ketika disk berputar

TH22452 Robotika 49

Struktur Internal Encoder

TH22452 Robotika 50

Incremental Encoder

• Pulsa dr LED dihitungutk menentukanposisi rotasi

• 2 Detektor digunakanutk menentukan arahputar(quadrature)

• Pulsa index sebagaititik awal

TH22452 Robotika 51

Absolute Encoder

• Absolute Encoder memiliki kode tertentusehingga setiap posisiangulat yg berbedadapat diketahui

• Biasa menggunakan“Kode Gray”

• Lebihkompleks&mahaldibanding Incremental Encoder

TH22452 Robotika 52

Encoder Processing

• Diperlukan RangkaianSquaring untukmendigitalkan sinyal

• Monitor Index & Counter

• Tersedia dlm bentukChip IC

• Algoritma kendalidiletakkan pada chip lain

TH22452 Robotika 53

Sensor Posisi/Lokasi

• Parallax.com• $80

TH22452 Robotika 54

Sensor Kompas (Orientation)

• L: Parallax.com, $30• R: Dinsmoresensors.com, $13-$37

TH22452 Robotika 55

Sensor arus• Pengukuran secara seri dengan Hall Effect device

• Current loop (coil)• Magnetoresistive (Wheatstone bridge)

TH22452 Robotika 56

Sensor arus

TH22452 Robotika 57

Sensor arus

TH22452 Robotika 58

• Smoke Detectors • Gas concentration sensors - CO, H4S, CH4,

Sensor Kimia

TH22452 Robotika 59

Sensor Vendor/Info Links

http://www.dinsmoresensors.comhttp://www.fluke.comhttp://www.howstuffworks.comhttp:// www.lynxmotion.comhttp://www.magnetometer.orghttp:// www.nubotics.comhttp:// www.parallax.comhttp://www.raztec.co.nzhttp:// www.robotics.comhttp:// www.robotroom.comhttp://www.sensorland.comhttp://www.seattlerobotics.org/encoderhttp:// www.solarbotics.com

TH22452 Robotika 60

Contoh Sensor-sensor lain

TH22452 Robotika 61

Tachogenerator

• Biasa digunakan untukmengukur kecepatanputar

• Prinsip operasinyamerupakan generator dc

• Tegangan yang dihasilkan proporsionaldengan kecepatan yang diukur

• Biasa terpasang secara“Piggybacked” padamotor untuk sinyal feed-back analog

TH22452 Robotika 62

Sensor Gaya&Tekanan

• Gaya& Tekanan umumnya diukur secaratdk langsung melui defleksi suatu bahan

• Mekanismenya antara lain:– Sistem pergerakan fisik berikut

pengukurannya menggunakan LVDT– Strain Gauge( logam yg berubah

resistansinya ketika ditekan) yg ditempelkanpada silinder/ plat logam dgn bentuk tertentu

– Piezoelectric sensor

TH22452 Robotika 63

LVDT Load Cell

TH22452 Robotika 64

Strain Gauge Bridge

TH22452 Robotika 65

Contoh Load Cell

TH22452 Robotika 66

Sub-Miniature Load Cell

TH22452 Robotika 67

Piezo Load Cell

• Distorsi Kristal, Quartz ataupunBaTiO3

• Untuk pengukuranakurat beban ataugaya yg kecil

• Tersedia dlm bentuk:– Single axis Load

washers– Multiple axis Load

washers

TH22452 Robotika 68

Sensor Tekanan

• Tekanan diukur dengan:– Tabung Pitot– Deformasi membran tetap

• Deformasi diukur dgnmetode yg sama dgngaya, yaitumenggunakan:– Pegas(Manometer)– Distorsi Piezo– Strain Gauges

TH22452 Robotika 69

Sensor Proximity

• Umum digunakan di Automasi Industri– Jalur Conveyor (Counting, Jam, Detection, dsb)– Machine tools (Safety Interlock, Sequencing)

• Biasanya sensor digital(on-off) mendeteksi adaatau tidaknya suatu benda/obyek

• Terdiri atas:– Sensor:Optical, Inductive, Capacitive– Rangkaian Detektor– Amplifier– Rangkaian Output

TH22452 Robotika 70

Saklar Proximity Mekanis

• Seperti halnya saklarbiasa

• Operasi On-Off

• 2 Mode– Normally Close(NC)– Normally Open(NO)

TH22452 Robotika 71

Contoh Saklar Proximity Mekanis

TH22452 Robotika 72

Penggunaan Saklar Proximity Mekanis

• Ada Kontak fisik• Posisi yg disensing sudah tertentu• Lingkungan tidak memungkinkan

penggunaan sensor optical atau inductive

TH22452 Robotika 73

Sensor Proximity Optis

• Terdiri atas sumber cahaya(LED) dan detektorcahaya(phototransistor)

• Sinyal dimodulasi untuk mengurangi pengaruh cahayasekitar

• Tegangan operasi:12-30V dc, 24-240V ac• Output: TTL, Industrial Standard, dsb

TH22452 Robotika 74

Mode Operasi

• Through Beam– Long Range(20m)– Aligment sangat

penting

• Retro-reflective– Range 1-3 m– Populer& murah

• Diffuse-reflective– Range 12-300mm– Murah & Mudah

TH22452 Robotika 75

Contoh

TH22452 Robotika 76

Contoh

TH22452 Robotika 77

Penggunaan Sensor Proximity Optis

• Keunggulan– Non-kontak, non-moving part, kecil

– Fast Switching, tidak terjadi switch bounce– Tahan Getaran dan kejutan

• Kerugian– Membutuhkan alignment

– Dapat terganggu oleh cahaya sekitar– Lingkungan harus bebas debu, air dan asap

TH22452 Robotika 78

Aplikasi Sensor Proximity Optis

• Stack height control/ box counting

• Kendali Level cairan• Deteksi kemacetan dan kerusakan

TH22452 Robotika 79

Piranti Optis yg lain

TH22452 Robotika 80

Sensor Proximity Ultrasonic

• Menngunakan pulsaultrasonic

• Mengukur amplitudodan time of flight

• Bisa mengukur jarak• Frekuensi yg

digunakan 40KHz-2MHz

TH22452 Robotika 81

Penggunaan Sensor Ultrasonic

• Dibutuhkan informasi jarak obyek

• Monitoring ketinggian cairan maupun zat padat• Approach Warning(peringatan tabrakan)

• Bisa bekerja pada daerah berdebu maupun didalam air

TH22452 Robotika 82

Aplikasi

TH22452 Robotika 83

Referensi

• Yoram Koren,”Robotics for Engineers”, McGrawHill International halaman 229-253

• Saeed B Niku, Introduct. To Robotics Analysis, Systems, Appl.”, Prentice Hall halaman 219-242

• Ulrich Nehmzov,”Mobile Robotics A practical Intro.”, Springer halaman 23-38