Indirect force control in 6 dof humanoid robot arm using impedance controller
Empedans kontrolünü kullanarak 6 serbestlik insansı robot kolunun dolaylı güç kontrolü
- Tez No: 374039
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ, YRD. DOÇ. DR. PINAR BOYRAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Robot kavramı ve uygulamaları, insan konforu ve güvenliğiyle ilgili temel kavramlarda ve uygulama niteliklerinde ilkesel değişimlere yol açacak bilimsel ve teknolojik bir adımdır. Günümüzde insansı robotların insanlara benzer davranışlar sergilemeleri, bu robotların endüstriyel robotlardan farklı olmalarına neden olmuştur. Her geçen gün gelişen teknoloji, günlük hayatta belli işlevleri insansız yerine getirebilecek birçok urun gelişimine imkân sağlamaktadır. İnsan seklindeki robotların insanlar tarafından sosyal bir varlık olarak algılanmalarının, insana benzemeyen robotlarla karsılaştırdığında daha kolay olacağı kabul edilmektedir. Bu tespitler robot biliminin bu alanda gittikçe yoğunlaşan araştırmalarını motive etmektedir. Bu araştırmalarda konum kontrolü ve robotun farklı ortamlarla yapacağı etkileşim (temas, çarpışma) kontrolünün önemi günümüzde giderek artmaktadır. Robot kolunun çevresi ile temasta bulunduğu uygulamalarda ise temasta bulunulan ortamın geometrik ve dinamik olarak hassas bir modeli elde edilmeden pozisyon kontrol metotları kullanılamaz. Ortamın geometrik ve dinamik olarak hassas bir şekilde modellenmesi ise çoğu uygulamada mümkün değildir. Bu durumda robot kolu çevresi ile temasta iken gerekli etkileşim şartlarını sağlayabilen Kuvvet Kontrol, Hibrid Kontrol ve İmpedans Kontrol gibi kontrol teknikleri kullanılmalıdır. İnsansı robotların insanin yardımcıları olarak işlevsel olabilmeleri için elleri vasıtasıyla cevre ile etkileşebilmeleri, nesneleri tutabilmeleri, itebilmeleri, taşıyabilmeleri, onların yerlerini değiştirebilmeleri gerekmektedir. Bu etkileşim sayesinde robotik alanında konum ve yörünge kontrolünün yanında kuvvet ve empedans kontrolü de önemli bir yer kapsamaktadir. Özellikle dinamik ortamlarda çalışan servis amaçlı robotlarda, beklenmeyen etkileşimlerden dolayı kuvvet kontrolü daha önemli bir probleme dönüşmektedir. Beklenmeyen etkileşimlerin modellenmeyip kontrol edilmemesi halinde, robot kolu gideceği yerde kararsızlık yaşayıp, kendisine ve etrafındaki ortama zarar verebilir. Bu nedenden dolayı, robotlar ve insanların bir arada çalıştığı ortamın güvenliğini sağlamak için kuvvet kontrolünü uygulamak büyük bir önem taşımaktadır. Robot kuvvet kontrolü için bazı temel yöntemler geliştirilmiştir. Bunlar sertlik (stiffness, katılık), empedans, admitans, melez konum/kuvvet, melez empedans, paralel konum/kuvvet, dolaylı ve dolaysız kuvvet kontrol yöntemleri olarak sıralanabilir. Istanbul Teknik Universitesinde, Mekatronik Eğtim ve Araştirma merkezinde yapilmakta olan insansı robot, UMAY, altı serbestlik kol ve yedi serbestlik bir kafaya sahip olan, zihinsel engeli olan çocuklara yardımcı olmak amacıyla tasarlanan bir insansı robottur. Çocuklarla etkileşimde olan UMAY için uygun bir güç kontrol mekanizmasına sahip olmak büyük bir önem taşımaktadır ve bu tezin amacı empedans kontrolünü kullanarak, UMAY'ın altı serbestlik dereceli kolu için güç kontrolünü sağlamaktır. Empedans kontrol yöntemi Hogan tarafından geliştirilmiş bir yöntemdir ve güç kontrolünden daha çok bir etkileşim (interaction) kontrol yöntemi olarak tanımlanabilir. Bu metoda göre empedans kontrolünün temel amacı, manipülatör denetleyici tasarımının yalnızca yörünge takibine göre değil, ayni zamanda manipülatörün mekanik empedansı regüle edecek şekilde tasarlanmasıdır. Kuvvet ve hareket ilişkisine göre empedans denetleyici tasarımı sıfır, bir ve ikinci dereceden bir dinamik model kullanılarak yapılabilir. Robotla cisim arasındaki mekanik empedans ise ikinci dereceden bir sistem olan kütle-yay-damper sistemiyle ifade edilmektedir. Bir robot mekanizmasını analiz ve kontrol etmek için en doğru kinematik ve dinamik modeli hesaplamak çok önemli bir konu sayılmaktadır ve şimdiye kadar yapılan araştırmalar sonucunda, fiziksel sistemler için vektör analizini kullanmanın çok yararlı olduğu ispat edilmiştir. Uzaysal operatör cebir, karmaşık topolojik sistemlerin matematiksel analizine açılan yeni bir yoldur. Uzaysal operatör cebri, aralarında bağ bulunan çok gövdeli sistemlerin matematiğinde kullanılan yeni bir yöntemdir ve yüksek performanslı robotik manipülatörler için gerekli olan hesaplamaları verimli bir şekilde organize etmektedir. Bu yöntemin en önemli avantajı matematiksel karmaşıklığı azaltmasıdır ve bu özelliği sayesinde son zamanlarda robotik alana en temel katkıları yapmıştır. Her bir uzaysal operatör, serbestlik derecesi ile doğrusal olarak gelişen ve aritmetik işlemler gerektiren bir algoritma ile mekanize edilmiştir. Buna göre sistemin karmaşıklığı arttıkça hesaplama yükü sadece doğrusal bir şekilde artmaktadır. Böylece manipülatörün dinamik ve kinematik davranışını tanımlamak ve denetlemek için yüksek seviyeli bir çalışma ortamı sağlanmış olmaktadır. Açıklamaların matematiksel bir çerçevede yorumlanması, manipülatör dinamiği ve kinematiğinin, kavramsal ve fiziksel tanımlamalarının geliştirilmesine öncülük etmiştir. Metodun basitliği göz önüne alınırsa programlanması oldukça kolaydır. Bütün bu nedenlerden dolayı UMAY'ın robot kolunun kinematik ve dinamik parametrelerini elde etmek için uzaysal operatör cebri metodu kullanılmıştır. Dinamiklerin benzetimi ve mekanik sistemler için denetleyici tasarımı çoğu zaman karmaşık uygulamalardır. Üzerinde çalıştığımız problem, denetleyici ile uyumlu olacak şekilde, yeterince hızlı bir dinamik sistem modeli elde etmektir. Bunu elde etmek için, çoklu gövde dinamikleri MATLAB/SimMechanics ile modellenmiştir. SimMechanics, Simscape tabanında çalışan bir programdır ve dinamik sistemlerin fiziksel prensiplere göre tasarlanması ve modellenmesi için kullanılmaktadır. Simscape, Simulink ve MATLAB üzerinde eş zamanlı çalışan bir programdır. Matematiksel operatörleri ve sinyalleri ifade eden Simulink bloklarının aksine Simscape blokları, fiziksel elemanları veya ilişkileri tanımlarlar. SimMechanics kullanarak gövdelerin kütle özellikleri, olası hareketleri, kinematik sınırlandırmaları, koordinat sistemleri ve gövde hareketleri tanımlanabilmektedir. Mekanik modeldeki bütün gövdeler SimMechanics tarafından otomatik olarak görselleştirilmektedir. Bu özellik, mekanik sistemin hareket kabiliyetini benzetim sırasında yakından gözlemlemek için çok faydalıdır. Yukarıda sıralanan bütün bu özelliklerinden dolayı UMAY'ın robot kolunun mekanik modelinin oluşturulmasında ve denetleyicinin benzetim çalışmalarında SimMechanics kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında insansı bir robot olan UMAY'ın kolunun, kol ve çevre arasındaki etkileşim kuvvetlerinin dengelenmesi için altı serbestlik dereceli empedans kontrol uygulaması yapılmıştır. UMAY, farklı sertliğe, geometriye ve yüzey özelliklerine sahip olan nesnelere temas edebileceği ve etkileşim zamanının tahmin edilemeyeceği için bu çalışmada doğrudan kuvvet kontrol sistemi değil, empedans denetleyici tercih edilmiştir. Daha sonra farklı tipteki oryantasyon yer değiştirmelerine göre altı serbestlik dereceli empedans kontrol stratejileri elde edilmiştir. Kolun oryantasyonunu göstermek için Euler açıları, açı/eksen ve Quaternion tabanlı yöntemler kullanılmıştır. Empedans denetleyiciler, dinamik modeli temel alan bir stratejiye göre tasarlanmışlardır. Buna göre iç çevrim, kolun oryantasyon ve pozisyon kontrolüne etki etmekte olup, ayni zamanda modellenemeyen dinamiklere ve dış ortamdan gelen bozucu girişlere karşı sistemin dayanımını artırmak için adapte edilmiştir. Bu yönteme göre, Eğer sensörler tarafından ölçülen hiçbir kuvvet yoksa yörünge tam olarak takip edilecektir. Bunun aksine, eğer sensöler ile ölçülen bir kuvvet varsa, uygulanan maksimum kararlı guc miktarini sınirlendirecek ve sistemin kütle-yay-damper grubu gibi davranmasını sağlayacak şekilde yörünge değiştirilir. Son olarak, denetleyici sistemin performansını test etmek için robot kolunun takip etmesi istenilen yörünge, farklı durumlarda sisteme girilmiştir ve empedans denetleyicinin, robotun kolu ile çevresel unsurlar etkileşime geçtiği andaki performansı değerlendirilmiştir. Sonuçlara göre, empedans denetleyici temas anında kararlı durum kuvvetini/momentini sınırlandırmak için, referans pozisyon/oryantasyon değerlerini sınırlandırarak yeni bir yörünge tanımlamaktadır.
Özet (Çeviri)
The human‐like DOF configuration and dynamic characteristics distinguish the humanoid robot from traditional industrial manufacturing robots and wheel‐ driven mobile robots, making the interaction control, one of the most fundamental issues for humanoid robot research. For service‐oriented humanoid robots collaborating with humans and working in a dynamic environment, the problem becomes more complicated due to unexpected external force disturbances caused by uncertainties of the environment information, such as unexpected obstacles or humans.Most of the robots must operate in complex environments, while interacting closely with people and performing a wide variety of tasks. Many tasks involve the regulation of forces, requiring compliant mechanisms and controllers that are stable but also safe and robust to unknown disturbances. In an application for which the applied force is important, the robot needs to be controlled differently. Instead of servoing each joint to its targeted position, the output force and torque is controlled to match the desired force applied by the end-effector on an external object. Many applications involve an extensive contact between the robot and its environment. In order to establish this contact, force/torque control is applied, that is, force/torque sensors are part of feedback control loop. Force/torque control enables compliant motion of robot manipulators when the manipulator motion is constrained by environmental objects. This work aimed at reducing the impact force between the environment and humanoid robot arm (UMAY), using the impedance control scheme. Impedance control has been widely used in arm manipulation and other applications as a natural way to deal with contact forces. It provides a unified solution under the conditions where the dynamic interaction is expected to be modulated. The control objective of an impedance controller is to impose, along each direction of the task space, a desired dynamic relation between the manipulator end-effector position and the force of interaction with the environment, the desired impedance. Usually, the desired impedance is chosen linear and of second order, as in a mass- spring-damper system. This Thesis presents the implementation of a 6 DOF impedance control on a humanoid robot arm (UMAY) to balance interaction forces between arm and its surrounding environment. A concise description of analyzing procedure is given for modeling and simulation of a robot arm focusing on the particular way it interacts with its environment under impedance control scheme. The kinematic and dynamic parameters of the arm are obtained using Spatial Operator Algebra method (SOA). Then, the modeling is made by adopting Matlab/ Simulink environment, in which we use SimMechanics to produce the mechanical model of UMAY's 6 DOF arm. The alternative Euler angle, Angle/Axis and Quaternion based methods are used to display the end effector orientation. The resulting impedance controllers are designed according to dynamic model based strategy in which inner loop acting on the end-effector position and orientation error is adopted to gain robustness to unmodeled dynamics and external disturbances. Final results display the impedance controller performance managing interaction forces in order to obtain safe and feasible operations within the workspace.
Benzer Tezler
- Bilişim alanında proje esaslı çalışan firmalarda ürün geliştirme süreçlerindeki bozucu etmenlerin modellenmesi ve etkilerinin belirlenmesi
Modeling destructive factors in product development process of project based companies in the field of information technologies and determining their impacts
NERMİN SÖKMEN
Doktora
Türkçe
2011
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERHAN ÇEBİ
PROF. DR. SITKI GÖZLÜ
- Bir tekstil işletmesinde kalite kontrol çemberleri tasarımı
The Design of the qualty control circles in a textile company
AYDAN BASKIN
- Demir ve çelik tesislerinde bakım uygulamaları
The Maintenance applications in iron and steel industry
M.OĞUZ KARTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. MUSTAFA SAVCI
- Açık işletmelerde uygun delme-patlatma şartlarını veren bir modelin geliştirilmesi
The development of a model to obtain suitable drilling and blasting conditions in open pit mines and quarries
SAİR KAHRAMAN
Doktora
Türkçe
1997
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUH BİLGİN
- İnsansız hava aracı için bir borda bilgisayarının mimarisi ve tasarımı
Başlık çevirisi yok
SAİT N. YURT
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiY.DOÇ.DR. T. BERAT KARYOT