i ROBOT MANIPULATOR REHABILITASI ANGGOTA GERAK TUBUH BAGIAN AT AS DENGAN KONTROL IMPEDANSI GERAK BAHU FLEKSI-EKSTENSI PENGIKUT JALUR TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung Oleh ADE HASAN SUMARSO NIM: 23817008 Program Studi Instrumentasi dan Kontrol INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG AGUSTUS 2019 i ROBOT MANIPULATOR REHABILITASI ANGGOTA GERAK TUBUH BAGIAN AT AS DENGAN KONTROL IMPEDANSI GERAK BAHU FLEKSI-EKSTENSI PENGIKUT JALUR Oleh : Ade Hasan Sumarso NIM : 23817008 (Program Studi Magister Instrumentasi dan Kontrol) Institut Teknologi Bandung Menyetujui Tim Pembimbing Tanggal : 12 Agustus 2019 Pembimbing I Pembimbing II Augie Widyotriatmo, S.T., M.T., Ph.D. Irwan Purnama, S.Si., M.Sc.Eng., Ph.D. ii ABSTRAK ROBOT MANIPULATOR REHABILITASI ANGGOTA GERAK TUBUH BAGIAN AT AS DENGAN KONTROL IMPEDANSI GERAK BAHU FLEKSI-EKSTENSI PENGIKUT JALUR Oleh Ade Hasan Sumarso NIM : 23817008 (Program Studi Instrumentasi dan Kontrol) Penelitian ini menyajikan kontrol posisi dan torsi dengan skema impedansi untuk robot rehabilitasi pasien pasca stroke bagian upper limb untuk gerakan fleksi pada bahu lengan. Robot yang dipakai dalam penelitian ini adalah robot swaproduksi yang dibangun berbasis robot manipulator 3 DOF (Degree of Freedom). Robot manipulator ini menggunakan absolut enkoder sebagai sensor posisi sudut, load cell sebagai sensor gaya dan motor BLDC (Brushless Direct Current) sebagai aktuator. Pemodelan kinematik robot manipulator menggunakan DH (Denavit Hartenberg) parameter dan pemodelan dinamiknya menggunakan persamaan lagrange.. Skema impedansi ini terdiri dari masukan berupa gaya luar dan suatu nilai impedansi. Masukan gaya luar berasal dari load cell pada ujung robot (end effector) yang di hasilkan oleh gaya dari subjek/pasien, yang terdiri dari 2 arah kartesian yang akan mempengaruhi besaran torsi dari dinamik robot untuk sumbu x dan sumbu y, sedangkan besaran nilai impedansi pada sistem robot di berikan pada sebuah nilai yang konstan. Nilai impedansi ini akan mempengaruhi sistem karena nilainya merupakan presentase perkalian dari inersia robot, sehingga sistem akan mengikuti karakteristik impedansi. Pada penelitian ini dilakukan simulasi terhadap sistem kontrol karakteristik impedansi dari robot. Dalam simulasi penelitian diberikan nilai gaya eksternal sebesar 10%, 100%, 150% dan 170% dari torsi motor, dan sebuah nilai impedansi yang konstan (50 % dari inersia robot). Dalam simulasi berikutnya di berikan nilai impedansi sebesar 100%, 200%, 300% dan 500% dari nilai inersia robot dan nilai gaya eksternal yang konstan (170% dari torsi motor). Dari hasil simulasi ini di dapatkan karakteristik hubungan antara besarnya gaya luar dari pasien, nilai impedansi yang diberikan dengan sistem dinamika robot. Semakain besar nilai masukan gaya luar dari pasien maka sistem semakin berosilasi, untuk menjaga sistem agar stabil maka nilai impedansi perlu diperbesar. Karakteristik ini dapat di gunakan untuk pasien stroke yang memiliki kondisi otot kaku. Dengan mengetahui karakteristik tersebut, robot dapat berinteraksi dengan pasien dengan berbagai macam kondisi pasien stroke dengan berbagai tingkat kekakuan otot. iii Setelah melakukan simulasi dilakukan implemantasi system kontrol pada robot. Kontrol robot menggunakan 3 parameter kontroler 2+ yaitu 2 5=0,8, 2 6=0,8, 2 7=3 dan 6 Ü5=200, 6 Ü6=200, 6 Ü7=350 masing-masing parameter berfungsi sebagai penjejak eror sudut dan eror torsi skema impedansi untuk masing masing motor penggerak arah x, y, dan z. Robot ini memiliki Workspace/Range of Motion uut Q N Q ssrtá r Q î Q {rá @=Jvw Q Î Q suw dan nilai performa dari kontroler adalah memiliki error Gs¹. Gerakan robot pada rehabilitasi berdasarkan pengikut jalur dimana robot digerakan mengikuti pola gerakan yang telah ditetapkan tanpa dipengaruhi oleh waktu. Ketika pergerakan subjek/pasien tidak dapat mengikuti pengikut jalur rehabilitasi, maka akan menyebabkan ada suatu gaya terukur oleh sensor gaya pada end effector, sehingga besaran gaya tersebut dapat memberikan feedback pada motor berupa complians (motor akan bergerak sesuai arah dan besar gaya pada end effector), selanjutnya jika sudah tidak ada gaya eksternal pada end effector, robot akan memberikan respon untuk membantu subjek mengoreksi pengikut jalur. Kata Kunci : Robot manipulator, End effector, Gaya eksternal, Skema impedansi, Kontroler PI. iv ABSTRAK REHABILITATION ROBOT MANIPULATOR UPPER LIMB WITH IMPEDANCE CONTROL FOR FLEXION -EXTENTION PATH FOLLOWING MOTION Oleh Ade Hasan Sumarso NIM : 23817008 (Program Studi Instrumentasi dan Kontrol) This research studies about impedance control on rehabilitation robot for stroke rehabilitation. Rehabilitation robot base on 3 DOF (Degree of Freedom) is used together with absolute encoder as angle position censor, load cell as force censor, and BLDC (Brushless Direct Current) motor as an actuator. DH (Denavit Hartenberg) parameter is used to kinematic model on robot manipulator, and lagrange equations is used to dynamic model on robot manipulator. Rehabilitation robot for patients after stroke period is focused at upper limb body to move some flexion-extension movements on the shoulder. This research provides position and torque control with impedance scheme for a rehabilitation robot for post-stroke patients. Impedance schema consist of external force and impedance value. Force external is obtained by load cell at end effector robot that is produced by force from the subject/patient which is consists of 2(two) directions in cartesian axis x and y. Impedance value on the robot system is given constant value, and it would impact to the systems because impedance value is percentage value from robot inertia, so the systems would follow impedance characteristics. The robot system is simulated by giving external force variations at 10%, 100%, 150%, and 170% from the motor torque, and constant impedance value (50% from inertia robot). Next simulation the robot system is given impedance value variations at 100%, 200%, 300%, 500% from the robot inertia value and constant external force value (170% from motor torque). Results of this simulations obtained the relationships between external force from patients, impedance value is given to the system, and dynamic robot systems. While external force value from patients increasing, therefore the systems get oscillating. In order to keep the systems to be stable, then the impedance value needs to be enlarged. This characteristic could be used for stroke patients on stiff muscle characteristics. As per understand the characteristic above, robot could interact with patients on many conditions and different stiffness muscle condition. Implementation system control on the robot is applied after simulating process. Controlling robot uses 3 parameters PI controller 2 5=0,8, 2 6=0,8, 2 7=3 and 6 Ü5=200, 6 Ü6=200, 6 Ü7=350. Each parameter is function to error angle tracking, and error torque impedance tracking for each motor torque x, y, z directions. This robot has workspace/range of motion uut Q N Q ssrtá r Q î Q {rá @=Jvw Q v Î Q suw and performa value from controller gets 1 degree as error. Robot is moved by the patient based on following path in this rehabilitation. When robot moves, it follows to fixed moving pattern without affected by time. When the movements of the subject/patients could not follow path rehabilitation planning, it causing some force measured by force censor on end effector. This force value measured will give the feedback to the motor as a compliant (motor could move as directions and force value at end effector). If external force has stopped at end effector, robot would respose to assist the subject/patients to correcting path planning. Keywords: Robot manipulator, End effector, Externals force, Impedance scheme, Path following, PI controller. vi PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Sitasi hasil penelitian tesis ini dapat ditulis dalam bahasa Indonesia sebagai berikut: Sumarso, A.H.