## Perancangan Dan Pola   Gerak  Robot Quadruped  Menggunakan Metode Invers Kinematik
Amperawan 1* , Masayu Anisah 2 , Sabilal Rasyad 3 , Faisal Damsi 4 , Sengon Andrean 5
1,2,5 Program Studi Teknik Elektro, Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang, Indonesia
3,4 Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang, Indonesia *e-mail : amperawan@polsri.ac.id

## ABSTRAK
Quadruped robot adalah multi-legged robot yang digerakkan dengan 4 kaki  menggunakan  12 dynamixel servo AX-12. Robot quadruped masih banyak dikembang oleh para peneliti dibidang lomba robot dan membantu manusia  dalam bencana alam yang beresiko tinggi. Tujuan menggunakan Invers  Kinematik pada  robot  quadruped    untuk  mempercepat  gerakan  dan  waktu  lebih  singkat  dalam  navigasinya.  pada penilitian ini digunakan metode invers kinematic pada pergerakan kaki robot quaruped. Selama ini cara menggerakkan  kaki  robot  adalah  dengan  memberi  nilai  langsung  pada  setiap  joint  /  sendi    akibatnya membutuhkan  waktu  yang  lebih  lama.  Permasalahan  waktu    yang  lama  diatasi  menggunakan  inverse kinematic. Inverse kinematics dapat mempercepat proses pendefinisian pose kaki dengan data masukkan berupa  titik  koordinat  dan  hasil  keluaran  berupa  nilai  untuk  setiap  joint  (dendi  robot).  Robot menggunakan dynamixel servo AX-12 sebagai aktuator dan kerangka mengikuti pola                     susunan 3 DOF / 1 kaki. Penelitian ini  gerakan robot  dalam satu siklus langkah terdapat 4 step langkah dan mencari nilai sudut posisi  kaki pada tiap stepnya. Pada penelitian ini rata-rata error ketepatan titik koordinat perstep kaki  adalah  sebesar  3.51%,      pengujian  jalan  lurus  maju,  menunjukkan  bahwa  robot  memiliki  nilai simpangan rata-rata terbesar 7.14 %, sedangkan pada jalan lurus samping sebesar 3.76%. Kecepatan rata- rata  robot sebesar 17,27 cm/detik  dalam berjalan  maju.
Kata Kunci : Robot Kaki Empat, Invers Kinematik,  Pola Berjalan,  dynamixel Servo AX-12

## Design And Motion Pattern Of A Quadruped Robot Using The Inverse Kinematics Method

## ABSTRACT
Quadruped  robot  is  a  multi-legged  robot  that  is  moved  by  4  legs  using  dynamixel  12  AX-12  servos. Quadruped robots are still being developed by researchers in the field of robot competitions and helping humans in high-risk natural disasters. The aim of using Inverse Kinematics on quadruped robots is to speed up movement and reduce navigation time.  In this research, the inverse kinematic method is used to move the legs of a quaruped robot. So far, the way to move the robot's legs is to give a direct value to each joint, so it takes longer. The long time problem is solved using inverse kinematic. Inverse kinematic can speed up the process of defining leg poses with input data in the form of coordinate points and output results in the form of values for each joint (robot joint). The robot uses an dynamixel AX-12 servo as an actuator and a frame following a 3 DOF / 1 leg arrangement pattern. In this research, the robot moves in one step cycle, there are 4 steps and looks for the angle value of the foot position at each step. In this research, the average error in the accuracy of the coordinate points per foot step was 3.51%, testing on a straight forward road showed that the robot had the largest average deviation value of 7.14%, while on a straight side road it was 3.76%. The average speed of the robot is 17.27 cm/second in moving forward. Keywords : Quadruped Robot, Inverse Kinematics, Walking Pattern,  dynamixel Servo AX-12
Correspondence author : Amperawan, Program Studi Teknik Elektro, Politeknik Negeri Sriwijaya Palembang, Indonesia.
E-Mail: amperawan@polsri.ac.id
Jurnal Ampere licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License

## PENDAHULUAN
Robot  merupakan  suatu  perangkat  mekanik  yang  mampu  menjalankan  tugas-  tugas  fisik, baik  dibawah  kendali  dan  pengawasan  manusia,  ataupun  yang  dijalankan  dengan  serangkaian program  yang  telah  didefinisikan  terlebih  dahulu  dengan  kecerdasan  buatan  ( artificial intelligence ).  Penelitian  dibidang  robotika sudah  berkembang  pesat,  robot  sudah  banyak menggantikan pekerjaan manusia bukan hanya diindustri, namun juga pada kehidupan sehari-hari ada  sebagai  peramu  saji,  sebagai  peralatan  rumah  tangga,  dan  ada  juga  yang  hanya  dijadikan sebagai hobi semata. Robot terbagi dalam berbagai jenis, sesuai dengan bentuk, alat gerak dan fungsinya. Berdasarkan alat geraknya robot dibagi menjadi dua macam yaitu robot beroda dan robot berkaki. Salah satu robot berkaki yaitu robot quadruped . Robot quadruped merupakan robot berkaki  empat  yang  terdiri  dari  dua  belas  motor  servo.  Pada penelitian  ini robot  quadruped menerapkan metode invers kinematics pada analisa perancangan pergerakan kaki robot. Robot ini menggunakan dynamixel servo AX-12 sebagai aktuator dengan pemasangan kerangka mengikuti pola susunan 3 DOF / 1 kaki dan OpenCM-9.04 sebagai kontrol. Metode invers kinematics ini merupakan metode analisa untuk dapat menentukan besar  sudut  pada  setiap joint  dengan  nilai end-effector sudah  diketahui.  Setiap  kaki  pada robot  hexapod tersusun  dari  3  sudut  penggerak atau Degree of Freedom (DOF). Tiap DOF dibentuk oleh servo sebagai motor penggerak yang dihubungkan dengan link coxa , femur dan tibia [1]
Dalam membangun robot quadruped, perlu dilakukan perancangan pola langkah (gait) kaki robot. Dalam perancangan gait kaki robot ini dapat menerapkan metode forward kinematic dan i inverse kinematics . Masukan perhitungan inverse kinematics berupa posisi end of effector yang terletak pada ujung kaki dalam bentuk nilai koordinat. Hasil perhitungan Inverse kinematics ini menghasilkan nilai sudut yang harus ditempuh oleh servo pada tiap DOF [2]. Jadi bisa dikatakan metode invers kinematika ini merupakan kebalikan dari trial-error .
Kinematika  robot  adalah  studi  analisis  pergerakan  kaki  atau  lengan  robot terhadap  sistem kerangka koordinat acuan yang diam atau bergerak tanpa memperhatikan gaya yang menyebabkan pergerakan  tersebut.  Model  kinematika  merepresentasikan hubungan end  effector dalam  ruang tiga dimensi dengan variabel sendi dalam ruang sendi.

## Gambar 1. Model Kinematika  Robot
Dalam  kinematika  dikenal  istilah forward kinematika  dan inverse  kinematics . Forward kinematika  adalah metode  untuk  menentukan orientasi dan posisi end effector dari besarnya sudut sendi  dan  panjang  link  kaki  robot.  Sedangkan  invers  kinematika  merupakan  kebalikan dari forward kinematika  yaitu  metode  untuk  mengetahui  nilai  sudut  pada  sendi-sendi  yang diperlukan  agar end effector dapat mencapai posisi yang dikehendaki.
Robot  Quadruped merupakan robot  multi-  legged robot  yang digerakkan  dengan  4 kaki. Sistem ini dirancang sesederhana mungkin, dengan hanya membutuhkan satu mikrokontroler dan  satu  jenis  aktuator.  Sistem  yang  sederhana  membantu  robot  dapat  berjalan  dengan  baik, dikarenakan  berat  yang  ringan.  Masukan  dari  sistem  ini  berupa  koordinat  yang  dimasukkan secara manual melalui PC/ Komputer. Selanjutnya perhitungan inverse kinematics diproses pada mikrokontroler OpenCM 9.04. Perhitungan inverse kinematics menghasilkan nilai sudut yang
dirubah menjadi format gerakan dan dikirimkan ke servo sehingga servo bergerak                               sesuai  yang diharapkan.  Gambar 2 menunjukkan diagram blok sistem yang dibangun pada penelitian  ini.
Gambar 2. Blok Diagram Sistem Robot Quadruped
OpenCM  9.04 merupakan  papan  mikrokontroler  yang  dirancang  oleh            ROBOTIS  untuk dapat  mengontrol Dynamixel seri  AX,  MX,  dan  XL. OpenCM  9.04 dapat  diprogram menggunakan  Robotis  IDE  dan  Arduino  IDE.  Robotis  IDE  merupakan software yang dikembangkan  oleh  pihak  Robotis  untuk  para  pengguna  agar  dapat  memprogram mikrokontroler yang akan dikembangkan[3-4].

## Gambar 3. OpenCM 9.04
Motor  servo  dynamixel  AX-12A  adalah  aktuator  dan  modular  yang  terdiri  atas gear reducer ,  motor  DC  ( Direct  Current ),  dan  kontroler  dengan  kemampuan  komunikasi.  Setiap motor  servo  AX-12A  memiliki  dua  buah  konektor  yang  masing-  masing  konektor  tersebut terdapat tiga pin. Seperti yang terlihat pada gambar 4, pin  ketiga diantaranya adalah Vdd, GND, dan data. Pin data pada konektor yang digunakan dalam komunikasi dengan kontroler. koneksi sumber umumnya diberikan dengan rentang antara 9 hingga 12 volt DC[3-4].

## Gambar 4. Dynamixel Motor Servo AX- 12A
Dynamixel  Servo menggunakan  protokol  komunikasi  data  serial  UART.  Instruksi  data perintah  gerakan  dapat  dilihat  dari byte pertama  berisi  nilai  0xFF  sebagai  tanda  dimulainya paket,  ID  servo, panjangnya  data pada nilai parameter.                                   Parameter  sendiri  berisi  nilai  gerakan servo berupa hexadesimal , kemudian diakhiri checksum, urutan protokolnya paket data yaitu : 0xFF-ID-Length-Parameter-Checksum.
Penggunaan end-effector dari robot lengan ke posisi tertentu, maka diperlukan metode gerak invers kinematics . Metode ini menggunakan masukan posisi koordinat berupa X, Y, dan Z. Hasil keluaran dari inverse kinematics merupakan sudut yang terbentuk pada joint. Robot quadruped
Jurnal Ampere licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License
memiliki 3 joint pada tiap kakinya. Sudut yang dibentuk oleh setiap joint tersebut, yaitu sudut coxa (A 0 ), sudut femur (A 1 ), sudut tibia (A 2 ). Lalu nilai sudut-sudut tersebut dikonversi menjadi nilai PWM untuk menggerakkan servo.  Fungsi invers kinematics yang dirancang membutuhkan masukan  koordinat X, Y, dan Z. Besaran X merupakan arah sumbu koordinat yang memiliki arah ke depan dan kebelakang robot. Besaran Y merupakan arah sumbu koordinat yang memiliki arah ke kanan dan ke kiri robot. Besaran Z merupakan arah sumbu koordinat yang memiliki arah ke atas dan ke bawah robot.
Pembahasan  rumus  sudut  yang  dihasilkan  dari  fungsi inverse  kinematics akan  dijelaskan pada bagian kaki kanan depan pada robot quadruped . Pertama dimasukan nilai koordinat X, Y, dan  Z.  Untuk  mendapatkan  ketiga  sudut  pada  joint  maka  digunakan  pendekatan  aljabar  dan geometri.  Perhitungan  yang  pertama  dilakukan  adalah  mencari  nilai  sudut coxa (A 0 ),  yaitu menggunakan arcus tangen pada persamaan 1[5-6]:
𝐴𝑜 = 𝑡𝑎𝑛 −1 ( 𝑦 𝑥 )       ............................................................. (1)
Untuk mencari sudut femur (A 1) dan sudut tibia (A 2 ), maka dijelaskan dengan Gambar 5  yang memperlihatkan robot quadruped dari samping dimana ukuran femur adalah panjang 4,5 cm,  tibia adalah   panjang 8 cm.
Gambar 5. Rancangan   Kaki   Robot Quadruped
Selanjutnya dicarilah nilai resultan besaran dari X dan Y dengan persamaan : .
XY= √𝑋 2 + 𝑌 2 ......................................................... (2)
Dikarenakan pengaruh dari mekanik yang tidak dapat membuat sudut coxa (A0) dan sudut femur (A1) menjadi satu titik, maka pada perhitungan menyebut offset dari gambar 7,  L0 merupakan jarak  dari  joint coxa ke  joint femur secara  tegak  lurus.  Pada  perhitungan  selanjutnya  disebut sebagai R, yaitu 𝑋𝑌 kurangi dengan L0, seperti pada persamaan (3)
𝑅 = √𝑋 2 + 𝑌 2 − 𝐿 0    ......................................................... (3) 𝐴 2 = 𝑐𝑜𝑠 −1 {(R 2 + Z 2 - L 1 2 – L 2 2 )/ (2L 1 2L 2 )}  ........................................................(4) 𝐴1 =    (tan − 1 𝑍 𝑅 ) - (tan − 1 (𝐿2 sin 𝐴2)
(𝐿1)+(𝐿2 cos 𝐴2) )  ....................................................(5)

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini      diawali  dengan  diagram  flowchart  agar  lebih  mudah  dalam  melakukan penelitian,  Dimana flowchart seperti gambar dibwah ini :
Jurnal Ampere licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License
PENGUMPULAN DATA SHEET ROBOT Y N PENGUMPULAN KOMPONEN ROBOT DAN BODY ROBOT PENGUJIAN DAN PENGAMBILAN DATA ROBOT PENGUJIAN MASING-MASING BLOCK ROBOT PERANCANGAN RANGKAIAN ELEKTRONIK, SIMULASI, DAN DESAIN BODY ROBOT STOP ANALISA DATA DAN KESIMPULAN START Gambar 6. Flowchart Penelitian
Metode  peneliatian  ” PERANCANGAN  DAN  POLA     GERAK ROBOT  QUADRUPED
MENGGUNAKAN    METODE INVERS KINEMATIK”  yang  akan  dilakukan  sebagai berikut:
1. Mengumpilan data sheet dan merancang rangkaian robot quadruped.
2. Menentukan komponen yang dikomponen digunakan dan body robot quadruped.
3. Perancang elektronik setiap blok,  body dan simulasi robot quadruped , menentukan ID servo, pengaturan urutan coxa , femur dan tibia dari  servo.
4. Pengujian jalan lurus robot   menggunakan metode invers kinematics .
5. Analisa hasil pengujian dan mengambil kesimpulan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan dan gerakan robot quadruped ada 2 yaitu  perancangan hardware dan pengujian metode inverse kinematics pada servo  untuk gerakan robot.
Pada Gambar 7 rancangan rangkaian modul OpenCM terhubung dengan Dynamixel Servo AX-
Jurnal Ampere licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License
12A pada Robot. Untuk 1 kaki urutan servo 1 dari dibawah tibia ,  servo 2  ditengah femur dan servo 3 diatas/ menyatu  body robot coxa untuk kaki 1 di kiri depan.
Gambar 7. Rancangan Modul  OpenCM  Terhubung  Dynamixel  Servo AX- 12A Pada Robot
Perancangan pada gambar 8 koneksi masing-masing komponen dengan modul OpenCM 9.04 dari sistem robot quadruped.
Gambar 8. Koneksi Masing-Masing Komponen Dengan Modul OpenCM 9.04
Hasil penelitian  dirancang robot quadruped sudah dapat dibuat pada gambar 9  dan dari  hasil pengujian  sesuai dengan rancangan dan teori yang dari robot quadruped.
Jurnal Ampere licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License
Gambar 9. Robot Quadruped Yang Sudah Dirancang Dapat Di Implentasikan
Setelah hardware robot quadruped sudah dibuat setelah itu dilakukan pengujian robot quadruped dan  p ola  jalan  lurus  yang  dirancang  dan  diimplementasikan  menggunakan inverse  kinematics pada saat robot quadruped bergerak, data terlihat tabel 1 Pola Langkah,  tabel 2 Data Pengujian Akurasi End of Effector dimana pengujian ini dilakukan untuk mengetahui                         tingkat akurasi gerakan kaki pada tiap stepnya dari koordinat end of effector pada tiap kaki. Pada Tabel 3. Data Pengujian akurasi  jalan  lurus    untuk  memastikan  akurasi  dari  robot  dan  Tabel  4    Data  pengujian  waktu tempuh mengetahui kecepatan dari robot dengan metode invers kinematics .
Tabel 1. Pola Langkah
Kaki Step 1 Step 2 Step 3 Step 4 1 Angkat Maju Turun Mundur 2 Turun Mundur Angkat Maju 3 Angkat Maju Turun Mundur 4 Turun Mundur Angkat Maju
Pada gambar 5 saat pergerakan kaki robot  dengan penomoran kaki 1 (kaki kiri depan), 2  (kaki kanan depan), 3 (kaki kanan belakang), dan 4 (kaki kiri belakang)  pada robot quadruped.
Gambar 10. Penomoran Urutan Kaki Robot
Jurnal Ampere licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License
Tabel 2 Data Pengujian Akurasi End of Effector
Masukan Keluaran Error % x y z x Y z x y Z -3.5 5 -8 -3.6 5.6 -8 2.85 12 0 -1 4.65 -8 -1 4.9 -8 0 5.38 0 -1 4.65 -6 -1 4.8  -6.15 0 3.32 2.5 -1 4.65 -6 -1 4.8  -6.15 0 3.32 2.5 -3.5 5 -6 -3.3 5.1 6.15    5.72 2 2.5
Tabel 3. Data Pengujian akurasi jalan lurus
No Jarak Melenceng Sudut Melenceng Error 1 19 cm 11.01ᵒ 6.12 % 2 13 cm 7.49ᵒ 4.16 % 3 30 cm 17.72ᵒ 9.84 % 4 17 cm 9.83ᵒ 5.46 % 5 9 cm 5.17ᵒ 2.87 % 6 21 cm 12.21ᵒ 6.78 % 7 40 cm 14.62ᵒ 8.12 % 8 15 cm 24.21ᵒ 1.34 % 9 30 cm 8.66ᵒ 4.8 % Tabel 4. Data Data pengujian waktu tempuh Uji Ke Tegangan Baterai Waktu Tempuh 1 11,99 V 5.5 DETIK 2 11,58 V 5.42 DETIK 3 11,50 V 5.55 DETIK 4 11,40 V 5.57 DETIK 5 11,35 V 5.63 DETIK 6 11,29 V 5.90 DETIK 7 11,20 V 5.90 DETIK
Pada gambar 11  grafik pengaruh tegangan  batere terhadap waktu tempuh memiliki trend yang terus menurun.
Gambar 11. Grafik waktu terhadap tegangan
Jurnal Ampere licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License

## KESIMPULAN
Robot  quadruped  sudah  dapat  di  implementasikan  dengan  menggunakan  12  buah Dynamixel servo AX-12 dengan modul OpenCM 9.04 yang disuplai menggunakan batere lithium polymer 12                                               volt. Jalan  robot  quadruped menggunakan  menggunakan inverse  kinematics terbukti berhasil untuk membuat  robot dapat berjalan  sesuai yang diharapkan.                     Ketepatan  koordinat  kaki pada tiap step memiliki error rata-rata sebesar 3.51 %. Pengujian akurasi jalan lurus menghasilkan error rata-rata sebesar 5,79 %. Akurasi jalan lurus dipengaruhi akumulasi error koordinat dalam total langkah kaki. Robot memiliki  kecepatan rata-rata sebesar 14.27 cm/detik.  Kecepatan dan waktu robot bergerak sewaktu berjalan dipengaruhi juga oleh  tegangan dari batere.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]    Sutawati,  L. A.,  KumaraI,  N.  S.,  Widiadha,W.“Pengembangan Three Degree of  Freedom Hexapod sebagai Robot Pemadam Api dengan Sensor UVTron Hamamatsu”. 2018. Majalah Ilmiah Teknologi Elektro.
[2]    Habibi,  D.Y.    “Penerapan  Invers   Kinematik  Terhadap  Pergerakan    Kaki  Pada  Robot Hexapod” .  Jurnal    ITS Undergraduate Paper.
[3]    Agusma.    W,  Rheo.  M,  Supriadi.  Achmad.  F.,”  Optimization  of  Humanoid  Robot  Leg Movement Using Open CM 9.04”. Journal of Robotics and Control (JRC) , ,  Vol. 3,  p.p 702- 703, 2022
[4]   Ulfa. W, Thamrin. “ Perancangan Pergerakan  Kaki Robot  Humanoid Menggunakan  Servo Dynamixel  Berbasis OpenCM 9.04 “  J. Voteknika, vol.7, no.3, p.p 77-78, 2019.
[5]   Rofiq, C. P.,  Aris, T., Sumardi.” Perancangan  Robot  Berkaki  4 ( QUADRUPED ) Dengan Stabilization  Algorithm Pada Uneven  Floor Menggunakan  6-DOF IMU Berbasis Invers Kinematic ” J. Transient, vol.7, no. 2, p.p 545-546, 2018.
[6]    Ahmad,  I.  N.,  Khairul,    A.,  M.,  Agung,    P.,  “Evaluasi  Inverse  Kinematics  untuk  Robot Quadruped Menggunakan Sensor Accelerometer” J. Rekayasa Elektrika, vol. 15, no. 3, p.p 189,  2019.