Apa itu degrees of freedom (mekanika)?
Dalam mekanika, degrees of freedom (DOF) adalah jumlah variabel independen yang mendefinisikan posisi atau gerakan yang mungkin dari sebuah sistem mekanis di ruang. Perhitungan DOF mengasumsikan mekanisme bersifat kaku (rigid) dan tidak terikat (unconstrained), baik yang beroperasi di ruang dua dimensi maupun tiga dimensi. Jumlah DOF sama dengan total jumlah perpindahan independen atau aspek gerakan yang mungkin terjadi.
Degrees of freedom berlaku untuk dua jenis gerakan: translasi dan rotasi. Translasi berarti perpindahan linear tanpa rotasi, sedangkan rotasi adalah kebalikannya. Sebuah mekanisme rigid dan unconstrained di ruang dua dimensi (planar space) bisa memiliki tiga DOF: dua translasi dan satu rotasi.
Sebagai contoh, Gambar 1 menunjukkan sebuah blok di ruang planar. Blok ini—yang bisa mewakili mekanisme rigid dan unconstrained apa pun—bisa bergerak maju-mundur sepanjang sumbu-x, atau bergerak kiri-kanan sepanjang sumbu-y. Kedua gerakan ini dikategorikan sebagai gerakan translasi. Blok juga bisa berotasi terhadap sumbu-z, yang berarti mendukung gerakan rotasi. Namun, blok tidak bisa berotasi terhadap sumbu-x atau sumbu-y, dan juga tidak bisa bergerak naik-turun sepanjang sumbu-z.
Sementara itu, mekanisme di ruang tiga dimensi bisa mendukung hingga enam DOF: tiga translasi dan tiga rotasi. Gambar 2 menunjukkan blok yang sama di ruang tiga dimensi, tetapi kali ini mencakup satu gerakan translasi tambahan dan dua gerakan rotasi tambahan.
Karena berada di ruang tiga dimensi, blok bisa bergerak linear di sepanjang ketiga sumbu, dan juga bisa berotasi terhadap ketiga sumbu.
- Blok bisa bergerak maju-mundur sepanjang sumbu-x, dan berotasi terhadap sumbu-x. Dalam istilah nautika, gerakan ini disebut surge (translasi) dan roll (rotasi).
- Blok bisa bergerak kiri-kanan sepanjang sumbu-y, dan berotasi terhadap sumbu-y. Dalam istilah nautika, ini disebut sway (translasi) dan pitch (rotasi).
- Blok bisa bergerak naik-turun sepanjang sumbu-z, dan berotasi terhadap sumbu-z. Dalam istilah nautika, ini disebut heave (translasi) dan yaw (rotasi).
Dengan istilah nautika ini, mudah dipahami bagaimana sebuah kapal memiliki enam DOF. Kapal berada di ruang tiga dimensi, dan mampu melakukan tiga translasi serta tiga rotasi.
Tidak semua mekanisme di ruang tiga dimensi memiliki enam DOF. Kursi kantor biasa, misalnya, hanya punya empat DOF: tiga translasi dan satu rotasi. Kursi bisa bergerak linear ke segala arah (termasuk naik-turun terbatas), serta bisa berputar pada sumbu tempat duduknya.
Degrees of freedom dalam robotika
Istilah degrees of freedom banyak digunakan untuk mendefinisikan kapabilitas gerakan robot, termasuk android (robot humanoid). Dalam konteks ini, istilah DOF umumnya mengacu pada jumlah joint atau sumbu gerakan pada robot.
Ambil contoh lengan robot yang dirancang menyerupai lengan manusia:
- Bahu bisa berotasi ke segala arah, sehingga punya tiga DOF rotasi.
- Siku hanya bisa menekuk ke satu arah, menghasilkan satu DOF rotasi.
- Pergelangan tangan bisa berotasi ke segala arah, menambah tiga DOF rotasi lagi.
Jenis lengan robot ini dianggap memiliki tujuh DOF. Namun, robot bisa punya lebih dari tujuh. Android, misalnya, biasanya memiliki dua lengan, dua kaki, dan satu kepala, masing-masing dengan DOF sendiri.
Android yang fully-functional dan robot mobile berkaki banyak bisa memiliki lebih dari 20 DOF. Contohnya, robot Nao dari SoftBank Robotics adalah android pintar untuk pasar konsumen, yang bentuknya mirip boneka futuristik, dan memiliki 25 DOF.
Lihat juga: mathematical symbols, robotics, uncanny valley, mobile robot, social robot, probabilistic robotics, smart robot, robot economy, mechatronics, 3D modeling