Design, control and implementation of CoCoA: A human-friendly autonomous service robot
Güvenli servis robotu CoCoA'nın insan uyumlu tasarımı, kontrolü ve hayata geçirilmesi
- Tez No: 392230
- Danışmanlar: DOÇ. DR. VOLKAN PATOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 107
Özet
Günlük görevlerin otomatikleştirilmesine yönelik gereksinimin artışı ve geniş beceri dağarcığına sahip servis robotlarını destekleyen yazılım teknolojilerindeki hızlı gelişme, insan uyumlu servis robotlarına olan ihtiyacı arttırmıştır. İnsan uyumlu servis robotları, insanların yoğun olarak yer aldığı sosyal alanlarda, insanlarla doğrudan fiziksel etkileşim içinde çalışmaya elverişli olarak tasarlanmış emniyetli ve güvenilir robot sistemleridir. Özel yapılandırımış fabrikalardaki klasik endüstriyel robotlardan, insanlar ile işbirliği içinde kullanılan robotlara doğru olan teknolojik yönelim, robotların otonomisini ve güvenli tasarımını araştırma konuları arasında ön plana çıkarmaktadır. Bu tezde, güvenli servis robotu CoCoA'nın mekanik tasarımı, hareket/ seyrüsefer planlamaları için modelleme ve yazılım entegrasyonu ve insan ile güvenli bir şekilde çalışmasına imkan sunan kontrol mimarisi yer almaktadır. CoCoA iki elini de kullanabilecek şekilde, insan anatomisine uygun 7 serbestlik dereceli kollara ve küresel bileklere sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Her bir kol 1.6 kg'dan daha hafif olup, 1 kg yük taşıyabilme kapasitesine sahiptir. Kollarda motorların gövdeye yerleştirilebilmesine imkan sağlayan Bowden-kablo tahrikli güç aktarım mekanizması kullanılmıştır. Bu tasarım, CoCoA'nın pasif geri sürülebilirliğe ve hafif kollara sahip olmasını mümkün kılmıştır. Pasif geri sürülebilirlik özelliği ve kolların çok düşük atalete sahip olması, CoCoA'nın sadece fiziksel etkileşimlerde değil, aynı zamanda robot kollarını içeren çarpışma durumlarında da güvenli olmasını garanti etmektedir. CoCoA'nın holonomik tabanı, dört sürülebilir ve yönlendirilebilir tekerlek modülüne sahiptir ve tekerlekli sandalye uyumlu ortamlarda rahatlıkla çalışabilmektedir. Bunlara ek olarak tek serbestlik dereceli gövde ve tek serbestlik dereceli tutucularıyla, servis robotu CoCoA toplamda 25 aktif serbestlik derecesine sahiptir. CoCoA'nın dinamik/kinematik/geometrik modeli açık kaynak yazılımları kullanılarak türetilmiştir. Ters kinematik, kararlı tutma, kinematik ulaşılabilir- lik ve ters kinematik ulaşılabilirlik veritabanları kullanılarak, kollar ve tutucular için kinematik olarak uygun, çarpışmasız hareket/tutma planları, holonomik taban için ise seyrüsefer planları oluşturulmuştur. Robotun gerçek zamanlı kontrolü, eklem yörüngelerini içeren hareket/seyrüsefer planlarının, her ekleme ait kapalı döngü denetleyicilere beslenmesi ile gerçekleştirilmiştir. Her eklemin kontrolü donanım seviyesinde yapılmış ve farklı serbestlik dereceleri arasındaki eş zamanlılık yüksek örnekleme hızında çalışan EtherCAT/RS-485 endüstriyel veriyolu kullanılarak garanti altına alınmıştır. CoCoA'nın fiziksel etkileşim altında insan hareketlerine uyum sağlayabilmesi ve insan ile birlikte rota takip görevlerini yerine getirebilmesi için, pasif hız alan kontrolü (PVFC) uygulanmıştır. Bu kontrol algoritması, dışarıdan uygulanan kuvvetlere karşı pasif oluşu nedeni ile kullanıcıların güvenliğini garanti edebilmektedir. Planlama ve kontrol mimarisinin uygulanabilirliği dinamik benzetimler ve çeşitli senaryolarının fiziksel olarak uygulanmasıyla gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
The growing demand to automate everyday tasks combined with the rapid development of software technologies that can furnish service robots with a large repertoire of skills, are driving the need for design and implementation of human-friendly service robots, i.e., safe and dependable machines operating in the close vicinity of humans or directly interacting with them in social domains. The technological shift from classical industrial robots utilized in structured factory floors to service robots that are used in close collaboration with humans introduces many demanding challenges to ensure safety and autonomy of operation of such robots. In this thesis, we present mechanical design, modeling and software integration for motion/navigation planning, and human-collaborative control of a human-friendly service robot CoCoA: Cognitive Collaborative Assistant. CoCoA is designed to be bimanual with dual 7 degrees-of-freedom (DoF) anthropomorphic arms, featuring spherical wrists. Each arm weighs less than 1.6 kg and possesses a payload capacity of 1 kg. Bowden-cable based transmissions are used for the arms to enable grounding of motors and this arrangement results in lightweight arms with passive back-driveability. Thanks to passive back-driveability and low inertia of its arms, the operation of CoCoA is guaranteed to be safe not only during physical interactions, but also under collisions with the robot arms. The holonomic base of CoCoA possesses four driven and steered wheel modules and is compatible with wheelchair accessible environments. CoCoA also features a single DoF torso, and dual one DoF grippers, resulting in a service robot with a total of 25 active DoF. % a two DoF neck The dynamic/kinematic/geometric models of CoCoA are derived in open source software. Inverse kinematics, stable grasp, kinematic reachability and inverse reachability databases are generated for the robot to enable computation of kinematically-feasible collision-free motion/grasp plans for its arms/grippers and navigation plans for its holonomic base, at interactive rates. For the real-time control of the robot, motion/navigation plans characterizing feasible joint trajectories are passed to feedback controllers dedicated to each joint. The joint space control of each joint is implemented in hardware, while communication/synchronization among different DoF is ensured through EtherCAT/RS-485 fieldbuses running at high sampling rates. To comply with human movements under physical interactions and to enable human collaborative contour tracking tasks, CoCoA also implements passive velocity field control that guarantees user safety by ensuring passivity of interaction with respect to externally applied forces. The feasibility of the design and the applicability of the overall planning and control framework are demonstrated through dynamic simulations and physical implementations of several service robotics scenarios.
Benzer Tezler
- Elle çizilmiş taslak çizimlerde kullanıcı arabirimi ögelerinin derin örnek segmentasyonu
Deep instance segmentation of user interface elements in hand-drawn wireframes
CAHİT BERKAY KAZANGİRLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKarabük ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER ÖZCAN
- Improvement of food powder packaging process with Kaizen project
Kaizen projesi ile gıda toz paketleme sürecinin iyileştirilmesi
MAHMUT HİLMİ GÖKÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Gıda MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİşletme (İngilizce) Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AŞKIN ÖZDAĞOĞLU
- Düşürücü tip DA-DA dönüştürücü tasarımı, kontrolü ve gerçeklenmesi
Design, control and implementation of buck converter
MEHMET AKİF ÇÖKREN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TARIK ERFİDAN
- Design and implementation of the system control and direction finding software for an innovative earthquake search and rescue device
Deprem sonrası arama kurtarma için geliştirilen yenilikçi bir aygıtın sistem kontrol ve yön bulma yazılımlarının tasarımı ve gerçeklemesi
LEVENT HAKKI ŞENYÜREK
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiSistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YORGO İSTEFANOPULOS
- Vektör kontrol yöntemi için deney düzeneği tasarımı, gerçeklemesi ve bu yöntemin üç fazlı elektrik motorlarında performans karşılaştırması
Design and implementation of experiment setup for vector control method and performance comparison of this method in three phase electric motors
MERTCAN ÖZDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU