Geri Dön

Simulation and design of one legged three dimensional hopping robot

Üç boyutta hareket eden tek ayaklı robotun simülasyonu ve tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 323904
  2. Yazar: ERCÜMENT BAŞ
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. S. MURAT YEŞİLOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 71

Özet

Hepimizin bildiği gibi teknoloji günümüzde oldukça gelişmiştir ve gelişmeye devam etmektedir. Bu gelişmede en büyük pay hiç şüphesiz robotlarındır. Robotlar insan hayatını kolaylaştırmanın yanı sıra insanın çalışmasının mümkün olmadığı veya çok zor olduğu şartlarda da çalışabildiği için oldukça popülerdir. Bu da bizi pek çok türde robot olduğunu gösterir.Bu tezde tek bacaklı zıplayan robot ele alınmıştır. Bu konuyu seçmemin sebebi yürüyen robotların temelini teşkil etmesidir. Yürüyen robotların tasarımında temel teşkil ettiği için zıplayan robotlar iyi analiz edildiği takdirde değişik türde yürüyen robot tasarımı daha kolay yapılabilir.Tekerlekli vb. diğer türde robotlardan farklı olarak ayaklı robotlar hemen her türde hareket edebilme ve minimum enerji ilkesiyle çalışma gibi avantajlara sahip olduğu için sıklıkla tercih edilmiştir.Tek bacaklı zıplayan robotlar konusunda ilk çalışmalar 1980 yıllarında Raibert tarafından yapılmıştır. Bu tarihlerden itibaren pek çok araştırmacı bu konuda çalışmıştır.İlk olarak yatay ve düşey hareketin modellenmesi yapılmıştır. Hız denklemeleri yatay ve düşey yer değiştirme denklemlerinin iki kere türev alınmasıyla elde edilmiştir. Daha sonra bu hareket sırasında meydana gelen kuvvetler tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu kuvvetler robotun yere temas ettiği noktada ve eklem noktasında yatay ve düşey kuvvetler olarak tespit edilmiştir. Ardından robotun hareket çevrimi ele alınmıştır. Havadaki ve yerdeki anlar olmak üzere iki kısımda incelenebileceği görülmüştür. Sistemin hareketi için önemli olduğundan bir turda geçirilen zaman öğrenilmeye çalışılmıştır.Bütün bu bilgilerden sonra zıplama hareketinin matematik modellenmesine çalışılmıştır. Bu modelleme Lagrange dinamiği yöntemi ile yapılmıştır. Sistemin ilk temas, temas, kopma ve havada olmak üzere dört hali için ayrı ayrı denklemler çıkarılmıştır. Bunlardan hareketin temelin oluşturan yerde ve havada olduğu durumların durum-uzay denklemleri çıkarılmıştır.Daha sonra sistemin sadece düşey hareketi incelenmiş ve bu hareketin dinamik denklemleri elde edilmiştir. Bu sistemin kontrol edilmesi gerektiğinden bu işin nasıl yapılması gerektiği önem kazanmıştır. Bunun için Lineer Kuadratik Regülatör (LQR) yönteminin uygun olabileceği görülmüştür. Bu yöntem minimum enerji prensibine göre çalıştığından sistemin kontrolü için yeterlidir. Bu yöntemin nasıl elde edildiği ve denklemlerin nasıl çıkarıldığı araştırılmıştır. Önceden elde ettiğimiz düşey harekete ait dinamik denklemler bu yönteme uygulanmıştır. Durum-uzay formatına getirilen sistemin kontrol edilebildiği ve gözlemlenebildiği tespit edilmiştir.Zıplama hareketi incelendikten sonra sistemden beklediğimiz diğer hareket olan yürüme hareketine geçilmiştir. Sistemin havada ve yerdeki durumlarında nasıl hareket etmesi gerektiği incelenmiştir. Yürüme anında sistemin davranışının nasıl olduğu ve yürümenin kararlı bir şekilde olması için simetri kavramı ortaya çıkmıştır. Sistemin yürümesinin hızlı veya yavaş bir şekilde nasıl olabileceği nört nokta ile açıklanmıştır. Bütün bu analizlerden görülmüştür ki sistemin yürümesi pek çok parametrenin uygun bir şekilde bir araya gelmesi sonucu olmaktadır.Şimdiye kadar elde edilen bilgiler ışığında üç boyutta hareket eden robot tasarımı yapılmıştır. Tasarım yapılırken CATIA programından faydalanılmıştır.Sistemin çalışma prensibi temel olarak yay yüklü ters sarkaç (SLIP) tasarımı üzerine geliştirilmişir. Çalışma prensibi belli bir yükseklikte bırakılan sistemin içinde bulunan yayı kullanarak sıkışması ve sıkışma sonucu depoladığı enerjiyi yeniden aynı yüksekliğe çıkmak için kullanması şeklinde açıklanabilir. Sistemin yürümesi ise içinde bulunan elektrik motorlarının uzunluk ve açılarının kontrol edilmesi sonucu mümkündür. Elektrik motorlarının üçü birden aynı anda hareket ettirilirse sisteme yerdeyken yay sıkışması sonucu oluşan kuvvet dışında ekstra kuvvet sağlar.Sistemin tasarımında belli parametrelere dikkat edilmiştir. Bunun başında sistemin toplam ağırlığı gelir.Sistem ne kadar hafif olursa yerda kalma süresi o kadar kısa olur ve havada daha fazla kalır. Bu da yürümenin daha kolay kontrol edilmesi anlamına gelir.Sistemi oluşturan parçaları daha detaylı incelersek, temel parça olarak bacak, yay, mesnet, elektrik motorları ve tabandır.Sistemin toplam serbestlik derecesine baktığımız zaman motorların alt ve üst bağlantı noktalarındaki üniversal mesnetten dolayı 6, toplamda 18; ayağın sıkışması ve üç yöne hareketinden oluşan 4 olmak üzere toplam 22 serbestlik derecesi mevcuttur. Fakat sistem motorların ve ayağın birbirine bağlı olmasından dolayı paralel yapıdadır ve son olarak sistemin serbestlik derecesi 4 olarak görülür.Sistemi oluşturan temel parçaları incelediğimiz zaman ayak yapısının en önemli parçası olduğunu görürüz. En uçta yerle teması sağlayan birinci parçadır. Bu parçanın enerji kayıplarını en aza indirmek için ince ve boru şeklinde olması düşünülmüştür. Birinci ve ikinci parça arasındaki yay temas anında sıkışmayı sağlar. Üçüncü parça tabana bağlıdır ve dönme hareketini gerçekleştirir. Ayak yapısı tasarlanırken uzun ve ağır olmamasına dikkate dilmiştir. Çünkü ağır sistem havada kalma süresini kısaltır ve uzun olursa sistemin kendi ve diğer ekipmanların ağırlığından dolayı eğilme problemi görülebilir. Bu nedenlerden ötürü ayak yapısının imal edilmesi aşamasında alüminyumun daha uygun olabileceği öngörülmüştür.Sistemdeki diğer önemli parça elektrik motorlarıdır. Sistemin istenilen yönde hareketini sağlar ve sıkışma sırasında sisteme eksta kuvvet verir. Dairesel hereketi doğrusal harekete çevirir. Sistemin temas anı kısa olduğu için seçilen motorlar hızlı olmalıdır. Bunun yanında motor seçiminde dikkate edilmesi gereken diğer parametreler uzun çalışma aralığı, hafiflik ve fiyattır. Bu ihtiyaçları karşılayan SKF-CARE33H modeli elektrik motorun uygun olacağı düşünülmektedir.Motor ve ayakların üç boyutta hareketi mesnetler tarafından sağlanır. Üniversal olarak tasarlanan mesnetler ayağa ve tabana bağlıdır. Tabana bağlı mesnet ayağın dönmesine yardımcı olurken ayağa bağlı mesnetler motorun dönme hareketini öteleme hareketine çevirmesine yardımcı olur. Mesnetlerin tasarımı CATIA programı kullanılarak yapılmıştır.Sisteme ait taban olarak adlandırdığımız parça ayak, motorlar ve diğer ekipmanları ( batarya, sensör vb. ) taşıyan kısmıdr. Mümkün olduğu kadar hafif olması gerektiği için et kalınlığı ince dairesel halka şeklinde tasarlanmıştır. Tasarım yapılırken zıplama ve yürüme esnasında sistemin devrilebileceği öngörüldüğü için çemberin çapı büyük düşünülmemiştir.Tasarımdan sonra sistemin simülasyonları yapılmıştır. Simülasyonlar yapılırken MATLAB ve SIMULINK programları kullanılmıştır.Öncelikle sistemin sadece kütle ve yaydan ibaret olduğu temel durum ele alınmıştır. Bu durumda sistemde herhangi bir kayıp yoktur ve sistem aynı yüksekliğe tekrar yükselir. İkinci durumda sisteme damper eklenir. Bu durumda sistemin enerjisi sönümleneceği için hareket belli bir süre sonra durur. Sistemin normal hareketi bu olduğu için aynı yüksekliğe ulaşmak içi dışarıdan bir kuvvet eklenmesi gerketiği görülür. Bu kuvvetin nasıl ve ne zaman ekleneceği araştırılmıştır. Sisteme gereken bu kuvvetin yere temas ettiği anda elektrik motorlarına rampa fonksiyonu şeklinde girişinin uygun olacağı düşünülmüş ve simülasyon sonuçları ile görülmüştür.Sonuç olarak bu çalışma neticesinde elde edilen bilgiler ışığında tek ayaklı robotun zıplama ve daha sonrasında yürümesinin pek çok parametreye bağlı olduğu görülmüştür. Bu parametrelerin uygun şekilde seçilmesi neticesinde daha kararlı bir hareket elde edilmesi mümkün olacaktır. Bu hareketin sağlanmasından sonra üç boyutta hareketin kontrollü bir şekilde yapılması daha kolay olacaktır.

Özet (Çeviri)

As a result of improving in technology, we can see many machines around us. And for specifically, robots started new era in this field. Now we use robots places where human is not able to work or can be dangerous to work there.But we should not think that all robots work all places. For example, we cannot use wheeled robots in ever area. Because of this, there are many type of robots which used in many places. So we see the advantage of legged locomotion after knowing this fact.Legged locomotion has been widely used because of its easy mobility in rough terrain and it is the least constrained walking. The planar one-legged robots have attracted many researchers due to the simplicity of its mechanical design. It was thought that the analysis and experiments of the one-legged robots would enlighten the designing of biped, quadruped, and multi-legged robots.The field of dynamically stable legged locomotion has made great strides in 1980s, led primarily by Marc Raibert. The study of one-legged hopping problem has fascinated many scholars and researchers since then.The aim of this thesis , after looking to past researches, is to create a prototype of one legged hopping robot which can be able to walk in three dimensions. It used the energy stored in the spring when the time of touchdown and stance . It moves in three dimensions by its electrical motors placed in 120 degrees around the base.Before this , we need model of the system. Because dynamics of the system is different in stance and flight, it is hard to control it properly. So we should make sum assumptions.Another important job of the system is to walk. After jumping, system should walk in dimension we want to move. It can be done by controlling the length and angle of the electrical motors.In this study, CATIA software is used to create the prototype of the system, MATLAB and SIMULINK is used for simulations.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    334630

    İnsansı bir robot için üç boyutlu benzetim ortamı geliştirme

    Three-dimensional simulation environment for the development of a humanoid robot

    GÜRKAN GÜRGÜZE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolFırat Üniversitesi

    Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZÜHTÜ HAKAN AKPOLAT

  2. Tez No

    872226

    FPGA based hardware accelerator for euler equations with finite volume method

    Euler denklemleri için sonlu hacimler yöntemi ile FPGA tabanlı donanım hızlandırıcı

    EMİNE ELİF YİĞİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ

  3. Tez No

    488065

    Amaca uygun olarak yansıma ve iletim karakteristikleri değiştirilebilen yapısal yüzey malzemesi

    Design for the structural surface material at which reflection and transmission characteristics can be controlled

    BORA DÖKEN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MESUT KARTAL

  4. Tez No

    629368

    Küre üzerinde dengede durabilen robot tasarımı

    Design of a robot balancing on a sphere

    AVNİ HİLMİ PAZARBAŞI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN

  5. Tez No

    46360

    En uygun hayat sigortası poliçesi seçimini sağlayan bir karar modeli

    A Decision model for selecting the optimum insurance policy

    H.BÜLENT CERİT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. RAMAZAN EVREN

Geri Dön