Geri Dön

Novel mechanism and controller design for hybrid force-position control of humanoid robots

İnsansı robotlarda birleşik kuvvet-konum kontrolü için yenilikçi mekanizma ve kontrol tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 496442
  2. Yazar: CİHAT BORA YİĞİT
  3. Danışmanlar: DOÇ. PINAR BOYRAZ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 166

Özet

İlerleyen teknoloji ile birlikte, endüstride insanların yaptığı tekrarlı işleri önceden şekillendirilmiş ve başka insanların girmemesi için yalıtılmış ortamlarda yapan, robot olarak isimlendirilen programlanabilir makinalar geliştirildi. Ancak insanlar, kendi işlerini yaptırabilecekleri ve kendileri ile benzer kabiliyetlere sahip makinaların hayalini kurmuştur. Öncelikle bilim kurgu hikayelerine konu olan ve insansı robot olarak bilinen bu robotlar 1980'lerde ilk kez gerçeklenmiş ve bu tarihten sonra artan bir ivme ile geliştirilmeye devam etmiştir. Bu robotlardan hem görünüm hem fonksiyon açısından insanlara benzemeleri beklendiği gibi, endüstriyel robotlardan farklı olarak, kısıtlanmış alanların dışında ve daha önceden bilmediği ortamlarda, etrafındaki objelere zarar vermeden hareket etmeleri beklenmektedir. İnsansı robotlar hareketlerini eklemleri vasıtasıyla gerçekletirirler. Öncül insansı robot modelleri, endüstriyel robotlarda olduğu gibi katı ve kesin hareketler yapan eklemler içermekteydi. Ancak insansı robotlar ile endüstriyel robotlardan beklenilenler arasında farklılıklar vardır. Endüstriyel robotlar önceden tanımlanmış bir görevi mümkün olan en yüksek doğruluk ve hız ile yerine getirmek üzere tasarlanmaktadırlar. Oysaki insansı robotlar, önceden programlanmadığı ve insanların bulunduğu ortamlarda belirli görevleri tamamlamak için üretilmektedirler. Bu nedenle insansı robotlar endüstriyel robotlardan hem hareket, hem algı kabiliyetleri açısından ayrılmaktadırlar. Öte yandan insansı robot tasarımında amaç insan seviyesinde hareket kabiliyeti olduğu için, son yıllarda doğrudan insanın hareket sisteminden esinlenerek tasarımlar yapılmaya başlanmıştır. Temel olarak insanda hareketler kas-iskelet-tendon yapısı ile sağlanmaktadır. Kaslar kimyasal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürürken; tendonlar, kasların iskelete bağlantı noktasını teşkil ederler, adeta bir yay gibi çalışarak enerji depolarlar. Kasların eklemler etrafında oluşturulduğu yapıya bakıldığında antagonistik çalışma prensibi ön plana çıkmaktadır. Bu yapı iskeletin etrafındaki kas-tendon çiftinden oluşur. Tek bir kasın kasılması eklemin hareketini kontrol ederken, birlikte kasılma eklemin çıkış sertliğinde değişmeye neden olur. Kasların yay gibi çalışmasına ek olarak, üzerine düşen gerilmeden yola çıkarak dış kuvvetleri tahmin edebilme yetenekleri vardır. Bu tez kapsamında, insansı robotların eklemlerinden beklenilen özellikler göz önüne alınarak üç farklı; kablo ile sürülen, değişken sertlikli, kuvvet uyumlu, enerji verimliliği yüksek, düşük maliyetli, hafif, kolay imal edilebilen ve kompakt eklem tasarımı yapılmıştır. Farklı yapılar ve serbestlik derecelerindeki bu eklemlerin kinematik ve dinamik modelleri çıkarılmış, her biri için pozisyon ve sertlik kontrolü için yöntemler önerilmiştir. Hem elde edilen modelleri doğrulamak, hem de kontrol yöntemlerini test etmek adına eklemler üretilmiş ve deneysel olarak sınanmıştır. İlk olarak 4 serbestlik derecesine sahip eklem tanıtılmıştır. Bu mekanizma iki plaka arasına sıkıştırılmış bir helisel yay ile iki parçalı bir milin kardan kavraması ile birleştirilmesinden oluşmaktadır. Mekanizmanın hareketi, alt plakanın altında bulunan motorlar tarafından sağlanır. Bu motorlar, millerine bağlı kasnaklar yardımı ile üst plakaya bağlı kabloları çeker veya bırakırlar. Bu şekilde üst plakanın 2 eksende dönme hareketi sağlanmış olur. Üçüncü dönme hareketi ise mekanizmanın ortasından geçen milin hareketi ile doğrudan sürülerek sağlanır. Bu mil yayın ve dolayısıyla mekanizmanın hareketini kısıtlayarak kinematik modelin seri mekanizmalarda olduğu gibi kolaylıkla elde edilmesini sağlar. Öte yandan yay sayesinde, mekanizma kuvvet uyumluluk kazandığı gibi, yayın hem basma hem eğilme zorlanmasına maruz kalması nedeni ile doğrusal olmayan bir davranış sergilemesine neden olur. Bu özellik kullanılarak, mekanizmanın dördüncü serbestlik derecesini oluşturan çıkış sertliği ayarlanabilir. Bu mekanizma için tam ve basitleştirilmiş ters kinematik modeller sunulmuştur. İleri kinematik model, gradyan bazlı metotlar ile elde edilmiştir. Bu mekanizmanın dinamik modelinin hesaplanabilmesi için öncelikle helisel yayların basma ve eğilme zorlanmalarına aynı anda maruzlarken davranışlarının incelenmesi gerekmektedir. Bu nedenle öncelikle yayın hareketini tanımlayan parametre sayısı herhangi bir veri kaybı olmadan indirgenmiştir. Sonrasında yayın her bir sarımı ayrıca ele alınmış, üzerinde oluşturulan sonsuz küçük elemanların potansiyel enerjileri hesaplanarak Castigliano teoremi yardımıyla izin verilen basma/eğilme aralığında oluşturacağı tepki kuvvet/moment değerleri bulunmuştur. Bu değerler 2x2 sertlik matrisi olarak belirli aralıkta sayısal olarak elde edilmiştir. Dinamik hesap yaparken tüm mukavemet hesaplarını tekrar yapmak yerine bu hesaplarda elde edilen sonuçlar tablodan interpolasyon yardımı ile çekilmiştir. Yay sertliğinin hesabını doğrulamak için aynı yay sonlu elemanlar yöntemi ile aynı etkilere maruz bırakılmıştır. Bu bilgiler ışığında mekanizmanın dinamik denklemleri elde edilmiştir. Elde edilen modeller, deney düzeneği üzerinde yapılan testler ile doğrulanmıştır. Bu mekanizmayı önemli kılan özellik sertlik değişimini sağlamak için piyasada rahatlıkla bulunabilen doğrusal helisel yay dışında herhangi ek bir ekipmana veya mekanizmaya ihtiyaç duyulmayışıdır. Burada yay, insan boynunu oluşturan 7 adet omurilik ile hem hareket hem yapı olarak benzeşmektedir. Bu nedenle bu mekanizma boyun eklemi için uygun olarak düşünülmüştür. İkinci önerilen mekanizma tek bir eksen etrafında dönme kabiliyetine ve sertliğini değiştirebilme özelliğine sahiptir. Bu mekanizma tasarımı itibari ile insan kas-iskelet-tendon yapısına büyük benzerlik göstermektedir. Mekanizma, temel olarak birbirine bir dönel eklem ile bağlı iki plakadan oluşmaktadır. Hareket, dönel eklemin iki tarafında karşılıklı olarak duran üst plakaya bağlı kabloların doğru akımlı motorlar ile çekilmesi ve bırakılması ile elde edilmektedir. Mekanizmanın sertlik değiştirme kabiliyeti kabloların üst plakada bağlantı noktasındaki değişken yarıçaplı kasnak mekanizması ile mümkün olmaktadır. Bu mekanizma doğrusal özellikteki kurma yayı kullanarak istenilen kuvvet-uzama eğrilerini üretmeyi amaçlar. Mekanizmanın istenilen değerleri sağlayabilmesi için kasnak profilinin istenilen kuvvet-uzama eğrisine göre tasarlanması gerekmektedir. Tez kapsamında analitik, optimal ve sayısal olmak üzere üç metot önerilmiştir. Bu metotların performansları oluşturulan bir çekme düzeneği ile test edilmiştir. Değişken yarıçaplı kasnağın sentezlenmesinin ardından, eklem mekanizmasının kontrolü anlatılmış ve deneysel olarak hem sertliği hem de pozisyonu kontrol edilmiştir. Ek olarak, mekanizma üzerinde bulunan üç enkoder verisi kullanılarak mekanizma üzerine gelen dış kuvvetler tahminlenmiştir. Kalman Filtresi, dış kuvvet gözlemcisi ve yapay sinir ağları bu amaçla elde edilen veri üzerinde çalıştırılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Mekanizmada kullanılan motorlar dışarıdan hareket ettirilemez oldukları için, sabit konumda enerji harcamaz. Pasif yerçekimi kompanzasyonu olarak bilinen bu durum sağlanırken, elastik elemanlar sayesinde mekanizma dışarıdan gelen etkiler ile hareket ettirilebilir. Bu mekanizma hareket yapısı itibariyle tek serbestlik dereceli olduğu için dirsek ve diz eklemlerinde kullanılabileceği düşünülmektedir. İkinci mekanizmanın hareket kabiliyetinin tek eksenden üç eksene artırılması ve dönel eklem yerine küresel mafsal kullanılması ile üçüncü mekanizma elde edilmiştir. Bu mekanizma literatürde az sayıda bulunan çok serbestlik dereceli değişken sertlikli eklem tasarımlarına örnektir. Mekanizma dört doğru akımlı motor-kasnak ve kablo ile hareket ettirilmektedir. Üç hareket bir sertlik olmak üzere dört serbestlik derecesine sahip olan bu mekanizma, manyetik küresel mafsal sayesinde geniş bir hareket kabiliyetine sahiptir. Kinematik ve dinamik modellerin sunulmasının ardından, önce benzetim ortamında, sonra da deneysel olarak hareket kabiliyeti sınanmıştır. Sonuçlar göstermektedir ki, hem hareket kabiliyeti hem de sertlik değiştirme özelliği bakımından; bu eklem omuz, bilek ve kalça eklemlerine kullanılabilir. Sunulan tüm mekanizmalarda alt seviye pozisyon ve sertlik kontrolü anlatılmış ve deneyleri yapılmıştır. Ancak, herhangi bir obje ile etkileşime geçildiğinde sertliğin nasıl belirleneceği anlatılmamıştır. Tez kapsamında, objenin görsel veriler ile tanındığı ve fiziksel özelliklerine bağlı olarak temas noktası ve eklem sertliğinin ayarlandığı bir kontrol metodu önerilmiştir. Bunun için masaüstünde bulunan ve günlük hayatta sıklıkla kullanılan 30 objeden oluşturulmuş bir veri kümesi ve derin öğrenme teknikleri kullanılarak objeler tanınmıştır. Önerilen metot hem benzetim ortamında hem de deneysel olarak incelenmiştir. Sonuçta, her obje için geçerli tek bir sertlik değeri olmadığı ve yanlış sertlik veya temas noktası seçimi halinde etkileşimin kararsız olacağı ve başarısızlıkla sonuçlanacağı gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

Conventional rigid joint designs meet the industrial requirements, i.e., highly precise and stiff motions as much as possible. On the other hand, the humanoid robots are expected to move and seem as humans do. In order to bridge the gap between humans and humanoid robots, three different mechanisms and control algorithms are presented in this thesis. The first mechanism presented in the study is composed of two plates connected with a two-part shaft having a universal-joint in the middle. The orientation of the top plate is changed by the cables which pass through the lower plate and are connected to the capstans on the motor shafts. A universal joint attaches each part of the shaft which constrains the motion of the mechanism and allows it to be treated as serial kinematic chain. The elasticity in the mechanism is provided by the helical spring that shows nonlinear behavior under combined compression and bending. The nonlinear behavior of the spring allows adjusting the stiffness of the mechanism. The full and simplified inverse kinematic models are presented in the study. Afterwards, the dynamic analysis which includes analysis of the nonlinear behavior of the helical spring is given in detail. Finite Elements Method is employed to validate the findings from the helical spring analysis by using Castigliano Theorem. The experimental results show that both kinematic and dynamic model are confirmed. The second mechanism is based on antagonistic working principle. To assure the variable-stiffness property nonlinear springs are required. Variable radius pulley mechanism constitutes custom force-elongation curves by using linear torsional springs. Three synthesis methods are proposed to obtain desired nonlinear force-elongation curves and they are experimentally validated via a custom built tensile testing platform. Furthermore, the position and stiffness control is tested on the implemented mechanism. In addition to the control experiments, three algorithms are given for the estimation of external forces by using three encoder measurements. The third mechanism is the combination of first two systems. The revolute joint in the second mechanism is substituted with a magnetic spherical joint. The kinematic and dynamic models of the system are formulated benefiting from previous designs. Both simulations and experiments are performed to validate the models.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    593248

    Traffic aware, utility and machine learning based framework for energy efficiency in software defined networks

    Yazılım tanımlı ağlarda enerji verimliliği için trafik farkında, kullanım ve makine öğrenmesi tabanlı sistem

    BEAKAL GIZACHEW ASSEFA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKoç Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZNUR ÖZKASAP

  2. Tez No

    503859

    Design of hybrid cable-constrained parallel mechanisms for walking machines

    Yürüme makinaları için hibrit kablo kısıtlı paralel mekanizma tasarımı

    MURAT DEMİREL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKHAN KİPER

    DOÇ. DR. GIUSEPPE CARBONE

  3. Tez No

    868607

    Rational design and applications of advanced functional polymer gels

    İleri fonksiyonel polimer jellerin rasyonel tasarımı ve uygulamaları

    MERTCAN ER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN

  4. Tez No

    877502

    Development of a novel variable stiffness device based on magneto-rheological elastomers for soft robots

    Yumuşak robotlar için manyetoreolojik elastomer esaslı yeni bir değişkenli sertlik cihazının geliştirilmesi

    TAYLAN ATAKURU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EVREN SAMUR

  5. Tez No

    733330

    Hybrid particle swarm based salp swarm optimised MPPT and fractional order proportional integral derivative controlled buck-boost converter for photovoltaic to battery charging system

    Hibrit parçacık sürü esaslı salp sürü optimizasyonlu MPPT ve fraksiyonel sıra oransal integral türev kontrollü buck-boost dönüştürücü ile fotovoltaikden bataryaya şarj sistemi

    IDRISS DAGAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK AKIN

Geri Dön