Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

SISTEM PENGUKURAN VISUAL SECARA 3 DIMENSI

Oleh : Budhy Basuki, DjuhanaPusHt KIM-LIPI Kompleks Puspiptek Serpong 15314

ABSTRAK

ISSN 1693-3346

Kapabilitas pengukuran pandangan mesin menawarkan kekuatan (robustness) and

tleksibilitas yang memiliki berbagai kelebihan dibandingkan dengan metrolog yang

konvensional. Hal ini mengarah pad a penggunaan teknik ini di berbagai industri untuk

pemeriksaan secara waktu nyata dan off line. Sejumlah kemampuan ditawarkan termasuk

pengukuran ukuran dan perpindahan, warna dan· tekstur. Banyak Aplikasi melibatkan

pengolahan lebih lanjut untuk mengidentifikasikan bentuk dan partikel seperti sifat

lainnya. Tulisan ini memusatkan perhatian pada pengukuran perpindahan dan mampu

ulang mesin dan membahas perluasan teknik dua dimensi ke tiga dimensi.

ABSTRACT

The measurement capabil ities of machine vision offer robustness and flexibility, which is

superior to many conventional metrology tehniques. This has led to its adaption in many

disparate industries for real time and off line inspection tasks. A wide range of capabilities

exists including measurement of size and displacement, color, and texture. Many

applications involve further processing to identify shapes and particles. as well as other

properties. This paper concentrates on the measurement of displacement and machine

repeatability, and discusses the extension of simple two-dimensional techniques into three

dimensions.

263

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

1. PENDAHULUAN

ISSN 1693-3346

Banyak teknik metrologi yang telah dikembangkan untuk mengatasi berbagai

permasalahan pengukuran. Beberapa teknik tersebut kurang memiliki sifat kekuatan

(robustness) dan tleksibilitas walaupun diterapkan di laboratorium, namun beberapa

teknik yang lain menawarkan kekuatan dan tleksibilitas sehingga digunakan secara luas

di industri seperti yang dilakukan dalam penelitian.

Oalam melakukan tugas pemeriksaan mesin produksi, pengukuran posisi dan

sikap merupakan hal yang penting untuk diperhatikan. Beberapa teknik telah

dikembangkan untuk melakukan tugas seperti itu contohnya Co-Ordinate Measuring

Machines (CMM), teodolit laser dan photogrammetry.

Kemajuan teknologi kamera dan televisi dalam aspek optik, akusisi citra dan

elektronika pengolahan citra memungkinkan penyamplingan dilakukan dengan cepat

dan pengolahan citra secara canggih serta dengan biaya yang relatif rendah.

Penggunaan teknologi dengan pengolahan citra sebagai solusi masalah

pengukuran memiliki beberapa keuntungan yaitu penyamplingan yang cepat, kalibrasi

dan pengukuran dilakukan dengan perangkat lunak, prosedur yang relatif murah dan

membutuhkan waktu yang relatif pendek.

Penelitian sebelumnya yang mempelajari alur produksi yang dilakukan robot

secara otomatis menunjukkan bahwa masalah utama dalam mengurangi waktu adalah

kesalahan posisi. Kegagalan ini mengarah pada kesalahan yang dapat dikompensasi

dan dikoreksi. Instrumentasi konvensional seperti probe pengukuran perpindahan tidak

cocok digunakan karena penggunaan beberapa transduser membutuhkan biaya yang

relatif tinggi.

Suatu solusi pengukuran telah dikembangkan berdasarkan pada analisa citra

video yang diperoleh pada jarak yang relatif jauh dibandingkan metode konvensional

dan secara luas telah dicoba di industri. Untuk tujuan percobaan metode ini dilakukan

dengan menggunakan satu kamera dan satu derajat tunggal kebebasan. Metode ini

digunakan untuk mengembangkan sistem pengukuran secara optik lebih lanjut untuk

digitasi non kontak dan evaluasi kesalahan untuk aplikasi umum. Teknik terse but

diarahkan pada strategi koreksi kesalahan untuk robot-robot industri.

264

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

2. LATAR BELAKANG PERMASALAHAN PENGUKURAN

ISSN 1693-3346

Robot-robot industri telah digunakan secara luas untuk berbagai aplikasi, sebagai

contoh yaitu untuk pengelasan, penanganan komponen, pemasangan dan aplikasi seal.

Untuk aplikasi demikian performasi robot tergantung pada kemampuan untuk

mencapai mampu ulang (repeatability) yang tinggi dalam hal posisi dan postur. Untuk

beberapa aplikasi, robot diperlukan untuk mencapai lintasan mampu ulang yang tinggi.

Standar BS228: 1991 telah mengidentifikasi beberapa parameter yang penting untuk

robot yang digunakan dalam berbagai aplikasi dan menganjurkan penggunaan metode

kalibrasi yang mungkin untuk diterapkan [I}. Banyak metode demikian yang telah

diturunkan dari teknik-teknik yang dikembangkan di laboratorium namun beberapa

metode mungkin akan sulit untuk diterapkan dalam lingkungan indutri.

Mampu ulang atau akurasi yang buruk akan menghasilkan kesalahan posisi yang

ditunjukkan oleh kerja yang tertinggal, pemrograman ulang yang tak terjadwal,

tabrakan, dan kesalahan berurut. Deteksi kecenderungan kegagalan berikutnya sulit

dilakukan di tempat kerja karena beberapa masalah yang berhubungan dengan robot

pengukuran. Teknik monitoring kondisi yang dikembangkan seperti vibrasi, termal dan

analisa pelumas (lubricant) untuk mesin konvensional (terutama yang berotasi) [2]

tidak cocok digunakan untuk robot karena sifat operasi dan konfigurasi robot, yaitu [3]:

• Mesin tersebut tidak beroperasi secara kontinu sehingga sulit untuk memperoleh

sinyal sampel yang konsisten-.

• Kegagalan tidak dibatasi dengan sedikit komponen yang diketahui.

• Mesin tersebut dianggap bergerak ketika beroperasi dan instrumentasi apakah on

atau off dengan robot, tidak boleh menghalangi pergerakan robot.

• Mesin tersebut memiliki banyak sumbu yang membutuhkan instrumentasi

tersendiri untuk teknik monitoring tertentu sebagai contoh transduser vibrasi harus

diletakkan dekat bearing yang diamati.

Metode monitoring kondisi yang dikembangkan tidak ditujukan untuk kelompok utama

kegagalan. Pengukuran kesalahan posisijuga memiliki beberapa maslah praktis. Robot

dijaga untuk menghindari bahaya terhadap manusiayang mengarah pada timbulnya

kesulitan untuk mengakses. Hal lain yang juga penting adalah bahwa pengukuran tidak

265

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

menginterupsi produksi. Instrumentasi industri yang konvensional untuk pengukuran

perpindahan membutuhkan probe pengukuran yang diletakkan sangat dekat atau

hampir bersentuhan dengan obyek bergerak dimana hal ini tidak praktis untuk

digunakan pada peralatan dengan kecepatan tinggi dan kuat. Instrumentasi berkabel

mungkin sangat mahal karena penyimpanan yang dibangkitkan oleh sistem monitoring

harus melebihi keluaran. Pengguna yang besar yang memiliki lebih dari 200 robot

dalam industri tidak mungkin melakukan instalasi perangkat keras pad a setiap robot

sehingga sistem pengukuran harus bersifat portable.

3. SOLUSI SECARA OPTIK

Persyaratan sistem pengllkllran yang diterangkan diatas merekomendasikan

penggunaan metode optik untuk pengukuran jarak jauh obyek yang diukur dan untuk

memperoleh portabilitas yang dibutuhkan. Beberapa teknologi telah dikembangkan

berdasarkan pada sistem pengukuran yang berbeda-beda.

3.1. Sistem Teodolit Laser

Sistem ini menggunakan probe laser jarak dengan resolusi panjang gelombang

hingga orde 10.9 m yang dipasangkan dengan metode triangulasi. Beberapa teodolit

laser dibutuhkan untuk diletakkan di sekita obyek yang diukur dan posisinya dihitung

relatif satu dengan lainnya dan acuan yang diketahui. Tiap titik yang berurutan harus

discan dan dihitung secara terpisah. Untuk membuat sebuah peta permukaan atau

obyek, harus dilakukan scan banyak titik

3.2. Photogrammetry

Teknik ini menggunakan cetakan fotografi terkalibrasi yang dibuat denngan lensa dan

kamera khusus yang akurat secara geometri untuk mengukur jarak relatif pada skala

yang besar (dapat mencapai ratusan mil melintang dalam kasus fotografi udara) [4].

Teknik ini biasanya digunakan pad a mikroskopi dan gambar astronomi. Fotografi

stereoskopik tersinkronisasi yang diambil secara simultan dari dua lokasi pad a jarak

yang diketahui, dapat diketahui dimensi ketiga pad a cetakan dua dimensi datar.

Biasanya operator yang terlatih mampll melihat kedua fotografi dengan pandangan

mata stereoskopik, namun teknik komputer yang telah berkembang mampu membantu

interprestasi perhitungan dan citra seperti itll untuk dimensi ketiga.

266

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

3.3. Frinji Moire

Metode ini memproyeksikan cahaya monokromatik melalui celah (grating) harus yang

membangkitkan pota interferensi atau frinj i untuk mendeteksi perpindahan.

Perpindahan secara fisik yang menjauh dari permukaan ditunjukkan sebagai

perpindahan serangkaian garis-garis yang melintang pada permukaan. Dari geometri

proyeksi dan sistem penglihatan yang diketahui kemudian digunakan untuk

menghitung dimensi ketiga [5,6]. Teknik ini sensitive terhadap perubahan keeil yang

disebabkan oleh komponen perpindahan dan distorsi dan telah terbukti berhasil

diterapkan dalam aplikasi seperti analisa sirip turbin [7]. Keterbatasan teknik ini adalah

bahwa proyeksi cahaya pada permukaan membutuhkan lingkungan yang terkontrol dan

teknik ini umumnya terbatas pada laboratorium. lnterprestasi dan pengukuran lain dan

teknik perekaman seperti fotografi atau holografi.

3.4. Pengolahan Citra Secara Digital

Teknik ini memungkinkan analisa gambar secara cepat dan tleksibel. Teknik ini

memiliki kelebihan dibandingkan dengan fotogrametry dan telah digunakan dalam

aplikasi bidang kedokteran, astronomi dan proses industri [8]. Aplikasi untuk robot

menggunakan pandangan mesin (Machine Vision) sebagai panduan dan identifikasi

komponen. Pengolahan susunan citra digital digital dengan resolusi yang tinggi

umumnya membutuhkan biaya yang relatif mahal. Namun sekarang ini telah tersedia

kartu add-on dengan biaya yang rendah untuk laboratorium standar dan platform

kompuetr kantor (gambar I). Keuntungan teknik ini adalah sebagai berikut [9]:

• Penyamplingan dilakukan secara cepat. membutuhkan waktu 20 ms untuk

mendigitasi citra

• Citra dapat diperoleh dengan cepat untuk penggunaan dengan komputer

• Banyak titik digitasi secara simultan, memungkinkan pengolahan seeara waktu

nyata atau off line yang secara relatif membutllhkan biaya yang sedikit serta

jumlah dan kerapatan titik pengukuran.

• Kalibrasi dan pengukuran dilakukan dengan perangkat Ilinak (software).

Beberapa teknik pengukuran dengan optik menawarkan spesifikasi yang berbeda,

eontohnya akurasi yang tinggi pad a laju penyamplingan yang rendah atau

sebaliknya, dan variasi tingkat kemudahan implementasi. Dengan menggabungkan

267

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

dua atau lebih teknik akan menghasilkan tingkat akurasi, kecepatan titik

pengukuran dan kecepatan pengukuran yang diharuskan.

c=CJKa,",,'.

I::J[

l -------...._-_. __ ..__ ._._--~

Gambar I. Pengolahan citra dengan platform biaya yang relatif rendah

4. PENGUKURAN DENGAN PENGOLAHAN CITRA DIGITAL DALAM 2D

Suatu so\usi pengolahan citra telah diterapkan pada platform PC dengan menggunakan

sebuah kartu akuisisi citra dual frame buffer. Sistem ini telah diuji secara luas di pabrik

otomotif di \nggris dan Jerman. Sebuah citra yang diperoleh dengan menggunakan

sistem ini ditunjukkan pad a gambar 2. Hal yang cukup penting dalam menggunakan

sistem ini adlah digunakannya lensa jarak jauh (tetefala) yang panjang dengan

pembesaran yang sesuai dari jarak pandang yang tepat.

Garnbar 2. Citra bagian senjata sebuah robot pengelasan titik

Fitur yang sesuai harus dipilih dari citra tersebut untuk kalibrasi dan untuk deteksi

ujung. Sekali citra dikalibrasi, demikian juga utntuk semua citra pada daerah fokus

yang sarna. Kesalahan kecil seperti yang disebabkan oleh marnpu ulang parallel yang

buruk terhadap surnbu pad a lensa secara signifikan tidak mempengaruhi pengukuran.

Pada posisi tegak lurus terhadap sumbu, resolusi sistem ini dibatasi oleh buffer

pengolahan citra secara tipikal 512 x 512. Sebuah citra tipikal yang rnengukur

268

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN t 693-3346

50 x 50 m menawarkan resolusi pengukuran 0, I mm. Resolusi tersebut tergantung pada

optik dan dapat diperhalus atau lebih kasar bila diperlukan.

Performansi robot menurut spesifikasi pembuatnya mencapai mampu ulang lebih baik

dari 0,1 mm, namun ban yak aplikasi dalam industri otomotif hanya membutuhkan

1 mm. Penurunan performansi tidak diketahui hingga mampu ulang ini dilewati dan

seringkali dicatat oleh kontrol kualitas daripada oleh fungsi produksi. Akhimya robot

berjalan mendekati kegagalan dengan menabrak komponen, peralatan atau robot

lainnya.

Gambar 3 menunjukkan hasil pengukuran sebuah robot pengelasan titik pada piringan

(flange) berukuran 10 mm dan diamati menghasilkan kualitas kerja yang buruk.

Kesalahan puncak ke puncak (peak-la-peak) 2-3 mm diukur lebih dari 3 jam.

Pengukuran berakhir karena robot gagal yaitu kehilangan piringan secar lengkap.

Elektroda-elektroda tersebut dibawa bersama dalam sebuah rangkaian pendek dan

keamanan cut-cut dioperasikan untuk mencegah kerusakan. Titik akhir merupakan

sebuah perk iraan karena posisi robot telah melebihi scan pengukuran seitar 100%.

11

10

EE

14: 12

\Vaklu

15:2-1 l(d6

Gambar 3. Kesalahan posisi seiring dengan beroperasinya robot mendekati kegagalan

5. PENGUKURAN

Citra 20 menawarkan pengukuran perpindahan paling sedikit pad a tiga sumbu yaitu

perpindahan vertikal pada bidnag citra, perpindahan horizontal dan rotasi sekitar sumbu

yang tegak lurus terhadap bidang citra. Pengukuran perpindahan pada citra tersebut

dapat diukur secara jelas.

269

Prosiding Pertemuan I1miah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

Proyeksi pada bidang citra (contohnya yaitu perpindahan pada sudut yang diketahui)

dapat dikoreksi dan perspektif pada sudut yang rendah dapat dikompensasi. Namun

proyeksi pada sudut yang besar tidak dapat dikompensasi secara akurat dan

perpindahan yang tegak turus dengan bidang citra sulit untuk didetekdi (contohnya

yaitu perubahan jarak dari kamera). Sinar terstruktur memberikan informasi tambahan

dengan memproyeksikan sebuah garis-garis pada sebuah obyek dalam perilaku yang

mirip dengan teknik frinji namun memiliki keterbatasan yang sarna.

Pandangan 3D (stereoskopik) menghasilakn perkiraan jarak yang baik dengan

membandingkan dua citra yang diambil dari titik pandang yang berbeda. Kapabilitas

ini dibatasi dengan jarak pemisahan titik pandang dibandingkan dengan ukuran citra

(gambar 4). Secara ideal pandangan ini dilakukan pada dua titik pandang dengan sudut

yang tepat.

Kamera I

Kamera 1

Obyek

Gambar 4. Pandangan stereoskopik

Adanya citra dengan jumlah lebih dari satu menimbulkan masalah dalam

merekonstruksi informasi yang terkandung dalam setiap citra. Beberapa titik

diduplikasi dalam citra lain, namun beberapa titik bersifat khas pad a pandangan

tertentu. Kombinasi data dari berbagai pandangan menghasilkan beberapa strategi

untuk menghasilkan citra yang dibutuhkan yang pad a masa lalu dibatasi oleh

ketersediaan dan harga perangkat keras [10].

Adapun sumber data yang diperoleh, hal yang penting dalam pengukuran secara 3D

adalah merekonstruksi sejumlah besar titik (atau awan-awan titik) atau garis dan

permukaan untuk memunculkan citra tiga dimensi. Masalah ini diatasi dengan

270

Prosiding Pertemuan Ilmiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

penggunaan sistem pengukuran koordinat dimana telah dilakukan penelitian untuk

mengembangkan metoda yang standar dengan membandingkan data terukur dengan

data rancangan [11,12]. Penelitian menyarankan sebuah standar namun beberapa

kemungkinan metode sedang dalam pertimbangan sebagai contoh DMIS dan antar

muka yang umum seperti DXf dan IGES [13].

6. KESIMPULAN

Beberapa teknologi pengukuran telah dikembangkan untuk mengidentifikasi titik,

garis, permukaan dan bentuk dalam tiga dimensi. Teknik-teknik terse but memiliki

keterbatasan dan suatu metode yang efektif dapat diperoleh dengan menggabungkan

beberapa pengukuran. Pengukuran dapat berasal dari beberapa sensor yang identik

seperti kamera video atau sensor yang berbeda seperti kamera dan laser penentu jarak.

Hal yang penting dalam pengukuran citra secara digital adalah pengukuran harus dapat

menghasilkan data dalam format standar ke sistem induk. Pengukuran mungkin hams

diumpanbalikkan ke pengendali mesin, sistem kontrol proses statistik atau sistem

informasi pabrik. Standar industri yang sesuai akan diadopsi.

Masalah yang dihadapi dalam rekonstruksi 3 0 yaitu kesulitan dalam menampilkan

hasil pengukuran. Pengukuran yang demikian membutuhkan kapabilitas pemodelan

padat atau teknik realitas maya.

Beberapa standar yang muncul disetujui secara internasional dan de facto untuk

mengatasi permasalahan pada bidang-bidang tertentu pengukuran secara optik.

Perangkat keras dan lunak dipilih untuk mendapatkan keuntungan yang maksimum dan

Iingkungan pengembangan yang cepat dan terpadu.

271

Prosiding Pertemuan IImiah Nasional Rekayasa Perangkat NuklirSerpong, 20 Nopember 2007

ISSN 1693-3346

DAFTAR PUST AKA

[1]. BS7228: 1991, Manipulating Industrial Robots - Performance Criteria and Related

Test Methods (British Standards Institution, London)

[2]. Neale MJ & Ass., 1979, A Guide to Condition Monitoring of Machinery, Pub.

HMSO, ISBN 0-11-512126-9.

[3]. Moore T.N., 1986, Automated Diagnostiesfor Robot Based Assembly sistems, Proe.

Asme Prod. Eng. Div. V23 pp 323-331.

[4]. Halliwell NA" 1989, Fringe Analysis for Engineers. Professional Enggineering

October, 1989

[5]. Braggins D., 1987, Machine Vision Flexes Its Muscle, Chartered Mechanical

Engineer Juloy/ Agust.

[6]. Peggs GN, 1989, Creating a Standard Infrastructure for Co-Ordinate Measuring

Technology in The UK, CIRP Annals pp 521-523

272