Robot Inspeksi Otonom Biaya Rendah: Desain, Pengembangan, dan Validasi Lapangan

1. Pendahuluan

Infrastruktur di seluruh negeri membusuk dengan cepat, namun belum ada sistem inspeksi otomatis yang komprehensif untuk jembatan, tangki limbah, pipa, reaktor, kulit kapal, atau tanker minyak. Inspeksi manual berbahaya, jarang dilakukan, dan mahal. Proyek ini menghadirkan prototipe kecil, ringan, dan murah yang mampu melekat pada permukaan ferrous, menavigasi struktur kompleks, dan menyediakan data visual waktu nyata.

Seri prototipe berkembang dari rig tes LEGO EV3 menjadi robot berbasis Raspberry Pi dengan roda magnet, beberapa kamera, dan sensor ultrasonik. Setiap iterasi mencakup perhitungan mekanika teknik, refinemen CAD, dan pengujian lapangan dengan para ahli industri dari Washington River Protection Solutions dan Pacific Northwest National Laboratory.

2. Tinjauan Pustaka

Solusi inspeksi yang ada terbagi menjadi dua kategori: probe stasioner dan robot mobile. Probe stasioner menawarkan resolusi tinggi tetapi kurang mobilitas, sementara robot mobile cenderung spesifik tugas dan mahal. Contoh yang layak termasuk robot bawah air AQUA, drone udara AETOS, sepeda magnet MagneBike, Robot Magnet Multi-Segmen Angkatan Laut AS (MSMR), dan Mikrobot Tembok Omni-Direksional. Tidak ada yang menjawab kombinasi biaya rendah, kemampuan memanjat dinding, dan navigasi multi-kamera yang diperlukan untuk struktur besar yang membusuk.

Sistem roda magnet mendominasi pustaka karena adhesinya yang kuat dan desain mekanis yang sederhana. Namun, mencapai torsi yang cukup pada permukaan vertikal sambil memelihara chassis ringan dan hemat biaya tetap merupakan tantangan.

3. Spesifikasi Persyaratan

• Ukuran: ≤25 cm × 25 cm × 25 cm untuk mengakses ruang sempit.
• Berat: ≤0,3 kg untuk mengurangi konsumsi daya dan memudahkan penanganan.
• Pelepasan: Roda magnet atau badan untuk menempel pada baja, baja ringan, atau besi.
• Daya: Terkabel untuk transfer data kontinu dan pengambilan darurat.
• Visi: Setidaknya tiga kamera (depan, belakang, dan melingkar ke bawah) untuk navigasi dan inspeksi.
• Biaya: ≤$200 per unit untuk memungkinkan penerapan flot.

4. Desain dan Pengembangan

4.1 Prototipe 1 – Rig Tes LEGO EV3

Eksperimen awal menggunakan pengontrol EV3 dan motor LEGO untuk memvalidasi pelepasan roda magnet. Magnets neodymium D51-N52 dililit di sekitar roda plastik, dan duct tape mengganti ban karet untuk menjaga tarikan magnet. Prototipe ini berat 0,92 kg dan biaya >$400, melebihi keterbatasan ukuran, berat, dan anggaran. Ini membuktikan bahwa adhesi magnet viable tetapi menyoroti kebutuhan akan desain yang lebih kompak dan hemat biaya.

4.2 Prototipe 2a – Raspberry Pi & Chassis Jadi

Menggunakan Raspberry Pi 3, driver motor L298N, dan motor DC 6 V, iterasi ini berat 0,66 kg dan biaya $120. Robot memiliki satu kamera NoIR dan roda magnet yang diperkuat dengan duct tape. Perhitungan mekanika teknik menentukan gaya magnet minimal 14,5 N; dua baris magnes D51-N52 per roda memenuhi persyaratan ini. Prototipe bisa memanjat ke bawah tetapi kesulitan memanjat dinding vertikal karena torsi yang tidak cukup.

4.3 Prototipe 2b – Peningkatan Motor & Perluasan Kamera

Mengganti motor 6 V dengan motor gear Pololu 12 V torsi tinggi dan menambahkan kamera belakang serta kamera endoskop meningkatkan berat menjadi 0,71 kg tetapi memungkinkan penanjakan dinding vertikal penuh. Robot biaya $170 dan menyediakan tiga aliran video bersamaan. Pengendali SNES mengganti pengendali Xbox untuk solusi input USB yang lebih ringan dan diberi daya. Prototipe memenuhi semua persyaratan ukuran, berat, biaya, dan multi-kamera.

4.4 Prototipe 3 – Chassis Polycarbonat Kustom

Chassis polycarbonat 6 cm × 11 cm mengurangi berat menjadi 0,26 kg dan biaya menjadi $175. Robot menggabungkan dua motor 12 V torsi tinggi, kamera sudut lebar, kamera NoIR belakang, kamera inspeksi endoskop, dan sensor ultrasonik HC-SR04 untuk deteksi proximitas. Roda magnet dengan double-sided tape dan duct tape mencapai gaya adhesi 14,5 N yang diperlukan. Robot mencapai kecepatan pendakian 0,18 m s⁻¹, yang tercepat di antara semua prototipe.

4.5 Perhitungan Rekayasa

Persamaan gaya dan torsi yang berasal dari pustaka mengonfirmasi bahwa setiap motor roda depan harus menghasilkan ≥0,08 N·m untuk mengatasi gravitasi pada dinding vertikal. Dua baris magnes D51-N52 (≈5,6 N masing-masing) per roda memberikan margin keamanan di atas gaya magnet 14,5 N yang dihitung.

4.6 Pengujian dan Validasi Lapangan

Semua prototipe diuji pada pintu baja dan balok jembatan. Prototipe 3 berhasil menavigasi permukaan vertikal, menangkap gambar resolusi tinggi, dan mempertahankan daya terkabel selama inspeksi 15 menit. Umpan balik dari Washington River Protection Solutions dan Pacific Northwest National Laboratory mengonfirmasi keandalan dan kemudahan operasi robot.

5. Kesimpulan

Prototipe akhir menunjukkan bahwa robot inspeksi yang terlekat magnet dan hemat biaya dapat memenuhi persyaratan yang menuntut dari inspeksi infrastruktur. Chassis ringannya, adhesi magnet yang kuat, sistem visi multi-kamera, dan suplai daya terkabel menjadikannya solusi praktis untuk inspeksi jembatan, tangki, pipa, dan kulit kapal. Pekerjaan masa depan akan difokuskan pada integrasi sensor canggih (misalnya, LIDAR, termografi inframerah) dan menjelajahi algoritma navigasi otonom.

Sumber: Desain dan Pengembangan Robot Inspeksi Biaya Rendah