Geri Dön

Üç serbestlik dereceli silindirik bir manipulatörün tasarımı, simülasyonu ve kontrolu

Design simulation and control of a cylindirical 3dof manipulator

  1. Tez No: 14293
  2. Yazar: S.HAYDAR İÇLİ
  3. Danışmanlar: PROF.DR. AHMET KUZUCU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1990
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

ÖZET Tez konusunu oluşturan manipülatör, cam endüstrisinde belli bir is istasyonunda kullanılmak üzere programlanmış tır. Yapılacak iş, üretim hattına bağlı konveyörden gelen sıcak cam mamullerin tavlama fırınına giden ikinci konveyör üzerindeki tur net olarak isimlendirilen tutuculara yeri eştirilmesidir. Ancak transfer işleminin yapılacağı konveyörler senkronize çalışmadıkları için olay bir izleme yakalama problemine dönüşmektedir. Senkronizasyonun sağlanması için turnetierin bulunduğu gidiş konveyörü üzerine detektörler yerleştirilerek bunlardan gerekli bilgilerin alınması düşünülmüştür. Manipülatör boyutları ve özellikleri ortaya çıktıktan sonra kinematik, statik ve dinamik analizler yapılmış, robot dinamiğini veren ifade Lagrange Euler bağıntısından kapalı formda bulunmuştur. Manipülatörün kontrolü için dört değişik kontrol algoritması incelenmiştir. Bunlar, 1 -Tek girişli tek çıkışlı sistem yaklaşımıyla hız üzerin den PI kontrol algoritması, 2-Hesaplanmış moment yöntemi ile PD kontrol algoritması, 3-Kayan ufuklu hesaplanmış moment yöntemi algoritması, 4-Çok girişli çok çıkışlı sistem yaklaşımı ile il eri beslemeli PD kontrol algoritmasıdır. Simülasyon programı PASCAL dilinde yazılmış ve integrasyon metodu olarak lineer olmayan sistemlerin çözümünde tatmin edici sonuçlar veren RUNGE-KUTTA IV metodu kullanılmıştır. İncelenen kontrol algoritmalarının performanslarını karşılaştırmak için eksponansiyel ve kübik ifadelerden oluşan yörünge senaryoları kullanılmıştır. Simülasyon sonuçlarından en uygun kontrol algoritmasının "Çok girişli çok çıkışlı sistem yaklaşımı ile PD kontrol algoritması olduğu görülmüştür. Cam mamul transferi sırasında izlenecek yörüngenin planlanmasında kübik polinomlar kullanılmıştır. Transfer işleminin simülasyonu için iki değişik senaryo uygulanmıştır. Bunlardan birincisinde normal çalışma şartlarına göre simülasyon yapılırken ikincisinde tur neti er in abartılı ölçüde düzensiz hareket ettikleri varsayılmıştır. Elde edilen sonuçlardan geliştirilen algoritmanın düzensiz çalışma koşullarında bile işleyeceği görülmüştür.

Özet (Çeviri)

SUMMARY DESIGN SIMULATION AND CONTROL OF A CYLINDIRICAL 3DOF MANIPULATOR The robot constituting the subject of the thesis has been designed to be used at a particular work station in glass industry. The description of the work is, briefly, placing the products which are coming from the production line conveyor onto special holders on a second conveyor going to the furnace for heat treatment. However, since the conveyors are not synchronized, the application becomes a follow-and-catch problem rather than a point to paint transfer. If the manipulator would take the glass product from the first conveyor and came ta a fixed point on the axis of the second conveyor, it couldn't catch the holder because of the unsynchranized motion. Thus, the manipulator should know the position of the holder before or during its motion and plan the trajectory according to this information. Placing detectors on the second conveyor to receive necessary information seems a suitable solution for this problem. A cyl indi rical manipulator design has been chosen due to the description of the work. DC servo-motors have been preferred far driving the manipulator and the rotational motion has been transformed into transl ati anal motion by the use of ball -screws. Harmonic drive which provides high reduction ratios has been used at the base joint and timing belt has been used at the horizontal joint. Thin section bearings which has very rigid construction have been used for the bearing of the base joint. Kinematic, static and dynamic analyses have been done after determining the dimensions and specifications of the robot. Direct and inverse kinematic solutions giving the relation between the base and the end effector coordinate systems have been found, the Jacobian matrix which gives the relation between joint speeds and robot end effector speed has been obtained and static calculations have been done for the worst case. The equations for robot dynamics have been found in the closed form using Lagrange-Euler formulation. Motor dynamics was also included in the calculations to find the general dynamic equation. The VISolutions of the analyses are indicated below. Direct Kinematic Solution: The position and orientation of the robot end effector far specific values of the joint variables have been formulated by Denavit-Hartenberg parameters as follows. T= n n n where t D tangential vector of the end effector, normal vector of the end effector, approach vector of the end effector perpendicular to the normal vector, P : position vector of the gripper, C =cosö, S =sin© 1 1 Ö : first joint variable, d : second joint variable, 2 d : third joint variable. Inverse Kinematics Solution: Inverse kinematics problem is to find the joint variables to provide the end effector to be at the desired position and orientation. By inverse transformation; C13> C23 C33 C40 VIIAs one can see from the definition, the Jacobian matrix gives the relation between the joint variables and small displacements of the robot end effector. After analyses, Jacobian matrix has been found to be; J» asin9-rcos9 O -sin9 -acosS-rsine O cos9 0 10 C50 Statical Analysis: The relation between the joint torques and the output torque or force acted by the robot end effector is as follows * = JT P From CcO ceo asin9-rcos9 -acos9-rsin9 0 -si n9 cos© 0 and t =F CasinQ-d cos93 -F Cacos9+d sin93 C8.a3 IX 3 y 3 T =F C8.W Z Z T =-F sin9 + F cos9 C8. cD 3 x y Since the only external force is the weight, it is found that F =F = O consequently t =t =0, t =F =mg. xy ^ J l 3 z y ^ Dynamical Analysis: Lagrange-Euler method which is an easy and systematic method has been used in the dynamic analysis of the cylindrical manipulator. Due to this method, dynamic equations for each of the links are as follows; Link 1 : CB1+J39 + CA2+2m Cr-1 Dr38 = All t 3 C3 1 Link 2 : Li nk 3 : B2z + A4z + AS ? A3I B3r + A7r + m Cr-1 38 = A6I 3 C3 3 C9.aD C9. W C9. c3 VTIIWhere Bl =NZJ, B2=m +m +NZJ, B3=m +NZJ, Al-N K 1 ml z 3 z mz 3 3 m3 1 ml A3=NZB, A3=N K, A4=N §, A5=Cm tm )g, 1 ml Z MZ Z mZ Z 3 A6=N K, A7=NZB, J =J +J +m lZ+m Cr -1 3Z 3 m3 3 m3 t 1 Z 3 3 3 C3 9,z and r are joint variables. A special attention is paid to the control problem because a trajectory control is necessary during the transfer application and it is desired that the tolerances should be within narrow limits. Thus, four different control algorithms have been investigated. PI Control Using Velocity Feedback By The Approach Of SI SOC Single Input Single Output? System: In this approach, the control law was found by modeling each of the joints as decoupled systems. Also, the non-linear effects have not been considered and the control parameters have been chosen by the approach of a second order linear system. Generally, the robot dynamics can be expressed as follows: MCqDq + NCq.qD + GCqD = T = K I C103 m for each link; mC qD q. + nC q, qD + gC qD = k. I. i=l.. 3 CUD i mi t and the control law: t. I = K CCq. -q3+ 1/T / Cq. - q 3 J C1ED ı p troft to ıraf t Substituting equationC123> into equationC113, the control parameters K and t, are found by any one of the pole P t placement methods. PD Control Algorithm with Computed Torgue Technigue; Salving Eqn.ClOD for joint accelerations one obtains: q = M_1CqDCT-k] C13D where k = NCq,q3 + GCqD The essential of computed torque technique is to take the joint accelerations as commands. Thus, equationC133 turns out to be; IXq = u q. = u. 1=1.. 3 CI 43 The choice of u, the input vector, according to PD control algorithm has been proposed: u.= K.Cq. -q.3 + K.Cq. -q. 3 + q., \. pt, iref v vx. vr©ft iref CI S3 Rearranging equationC153 using q = u, e. = q. -q. V t "öl *# e. - q., -q. e. = q. -q.,one obtains the following equation in simple form: t + K e. + K e, = O i v t pi cie3 2 2 From the resemblance of equationC153 and s +2Çw s+w =0 o o K = w. pi 91 and K = 2Ç w VI \. oi CI 73 The control parameters might be calculated with relation to the desired values of w and Ç. o Receding Horizon Computed Torque Technique: Consider the decoupled linear model CI 43 and assume that the desired trajectory for joint i is given by q. fct3 q. fct3 q,Ct3 =rCt3. Defining the model state variables related to joint i as x = q., -q. > l ^Iref V 1 eads to x = q.,-q. 2 vref v dt O C183 The suboptimal solution of the minimum energy terminal control defined by C183 and the performance criterion J=l/2/ u.dt o t C193 C203 gives the control law, u = 6VTZCq. -q.3 + 4/TCq.,-q. 3 + Y. where the values of the time varying optimal feedback gains are selected and kept constant as a suboptimal solution. The generalized torque vector is obtained asT = MCqD C8/T Cq.,-q D + 4/TCq q 3 + y 3 + k iref ı % r©f % ' i, C213 From u. = K x + K x + y C22D v p\. i VI 2 I, one can obtain the following; wZ = K =S/T2.... w = Vfe/T op o 2Cw = K = 4/T.... T = 2/V6 = 0. 82 o v ^ PD Control with MI MO System Approach: Linearized Model of Robot Dynamics: In equatianClOD expanding N and G about the operating /N /?% I*. /\ point P=CT,q,q3 using Taylor series and assuming MCq+6cp = MCq3 for small joint position perturbation oq Eq. 10 can be linearized as A6qCt3+BaqCt3+CöqCtD=TCt3 C233 where the constant nxn matrices A, B and C are defined by A=CM] ; B=C - - ] ; C=[ ] P p p dq dq Eq. 23 gives a set of coupled linear time-invariant differential equations which describe the incremental behavior of the robot dynamics for perturbations in the neighborhood of the nominal operating point P. Multi variable Controller Design: The total control law is given by TCt3=T+K C6q -oqD +K C6q - and D = diag-Cw > are the constant nxn matrices. The damping ratio and the undamped natural frequency of each tracking error e =£q. Ct3-

Benzer Tezler

  1. Tez No

    352388

    İnsansı robotlarda yürüme

    Humanoid walking

    SABRİ YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN GÖKAŞAN

  2. Tez No

    23952

    Hidrolik tahrikli robot kol

    Başlık çevirisi yok

    M. SEFA YILDIRIM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1992

    Makine MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Makine Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM UZMAY

  3. Tez No

    424256

    Esnek üretim sisteminde zeki yükleme ve depolama otomasyonu

    Intelligent loading and storage automation of flexible manufacturing system

    MUSTAFA AYYILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Teknik EğitimKarabük Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KERİM ÇETİNKAYA

  4. Tez No

    559419

    Magnus etkisi ile çalışan dairesel kesitli silindirik bir yalpa sönümleyici sistemin performansının tam ölçekli bir motoryat üzerinde hesaplamalı olarak incelenmesi

    Investigation of the performance of a circular cross-section roll stabilizer system working with a Magnus effect on a full-scale motoryacht

    DENİZ ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN AKYILDIZ

  5. Tez No

    406389

    Uzay kafes tipi açık deniz yapılarının dinamik analizi

    Dynamic analysis of lattice type offshore structures

    İSMAİL ERGİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    İnşaat MühendisliğiCelal Bayar Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ALİ YURDUSEV

    YRD. DOÇ. DR. ENGİN GÜCÜYEN

Geri Dön