Design, control, modeling, and gait analysis in miniature foldable robotics
Katlanabilir minyatür robotlarda tasarım, kontrol, modelleme ve adımlama analizi
- Tez No: 521129
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Minyatür ya da mikro boyuttaki robotlar, geleneksel büyük robotların başarmakta zorlandığı denetleme, gözetleme ve tehlikeli ortamların keşfedilmesi gibi uygulamalar için çok uygun adaylardır. Bu tarz uygulamalar robotların düz olmayan yüzeylerde hareket etmesini gerektirir, dolayısıyla robot tasarımının bacaklı hareket için yapılması gerekir. Ancak, kısmen bakir olan minyatür robotik alanındaki güncel gelişmelere rağmen, robotik araştırmacılarının düşük hareket dereceli bacak yapılarını tercih etmeleri sebebiyle minyatür robotların tasarım ve yetenekleri oldukça sınırlı kalmıştır. Düşük hareket dereceli bacaklı minyatür robotlar, adımlamalarını hareket esnasında etkin bir şekilde değiştirebilen bacaklı canlıların aksine, tasarım aşamasında ayarlanan sabit bir adımlama stratejisine sahiptirler. Bu tezin konusu olan 23g ağırlığındaki origamiden esinlenilmiş tekniklerle üretilen minyatür katlanabilir robot MinIAQ, bu sınırlamayı aşabilmek adına her bacağın birer eyleyici ile ayrı ayrı sürüldüğü bir yapıya sahiptir. Robot, tek bir ince ve esnek tabakanın kesilip katlanarak yüksek yapısal sağlamlığa sahip bir mekanik sisteme dönüştüğü, özgün bir tasarıma sahiptir. MinIAQ'ın tasarımında kullanılan özgün stratejiler, literatürdeki katlanabilir robotların tasarım standartlarını çoğaltmak ve geliştirmek için, başka robotlara da uygulanabilir. MinIAQ'ın bacaklarının her birinin ayrı motorlarla sürülüyor olması bu boyuttaki robotlarda olmayan özgün adımlama stratejisi değişimlerini ve manevra kabiliyetini beraberinde getirir. Robotun hareket mekanizmasını oluşturan esnek dört çubuk mekanizması boyutsal sentez teknikleri kullanılarak optimize edilmiş ve ayak yörüngesinin daha iyi olduğu MinIAQ--II versiyonunu ortaya çıkarmıştır. Ortaya çıkan yeni versiyon robotun hareket kabiliyetlerinde, ilk versiyona kıyasla oldukça yüksek miktarda artış gözlenmiştir. Motorların karakterizasyonu ve senkronizasyonu için, laboratuvarda üretilen kendi tasarımımız olan optik kodlayıcı tasarlanmış ve bacakların hız ve birbirleri arasındaki faz farkı tahminleri için bu kodlayıcılar kullanılmıştır. Bu aşamadan sonra, kapalı döngü denetim algoritması ile robotun belli bir adımlama stratejisi ile yürümesi sağlanmıştır. Adımlama stratejisinin pasif eklemli kapalı zincir bacak mekanizmasına sahip robotun hareketine olan etkisinin incelenmesi için robotun altı serbestlik derecesine sahip gövde dinamikleri kapsamlı bir şekilde modellenmiştir. Dinamik model, ayakların yerle etkileşimlerini doğrusal olmayan viskoelastik yay ve sönümlendirici şeklinde modeller ve ayaklara uygulanan kuvvetleri tahmin eder. Matlab'da geliştirilen bu modele, tasarım ve operasyon parametrelerinin hareket üzerindeki etkilerini görselleyebilmek ve parametreleri değiştirebilmek için etkleşimli bir kullanıcı arayüzü eklenmiştir. Üç boyutlu simülasyon sonuçları deney sonuçları ile yakın bir şekilde örtüşmekte ve robotun düz yüzey üzerindeki hareketini tahmin edebilmektedir. Tezde bahsedilen ve bunlara benzer diğer minyatür robotlarda ayak yerleştirme sensörleri ve adımlama denetleyicileri olmadığından, geliştirilen model istenilen adımlama stratejisi ile gerçekleşen adımlama arasındaki farkları ortaya koymuştur. Bu model kullanılarak yapılacak detaylı bir adımlama analizi bacaklı minyatür robotlarda adımlama optimizasyonu ve genel performans iyileştirmeleri yapabilmemizi sağlacaktır.
Özet (Çeviri)
Miniature or micro robotic platforms are perfect candidates for accomplishing tasks such as inspection, surveillance, and hazardous environment exploration where conventional macro robots fail to serve. Such applications require these robots to potentially traverse uneven terrain, implying legged locomotion to be suitable for their design. However, despite the recent advances in the nascent field of miniature robotics, the design and capabilities of these robots are very limited as roboticists favor legged morphologies with low degrees of freedom. This limits small robots to work with a single gait set during the design phase, as opposed to legged creatures which benefit from efficient gait modification during locomotion. MinIAQ, a 23g origami-inspired miniature foldable quadruped with individually actuated legs, is designed to address such limitations. The design of the robot is unique in which a high structural integrity is achieved by transforming a single flexible thin sheet into a rigid mechanical system through folding. MinIAQ's design novelties help modulate and extend the design standards of origami robots. The actuation independency of MinIAQ enables gait modification and exhibits maneuvering capabilities which is another novel quality for a robot at this scale. The design of the compliant four-bar legs is optimized for better foot trajectory in a newer version of the robot, MinIAQ--II, through dimensional synthesis of mechanisms. The resulting robot demonstrates significant improvements over its predecessor. For characterization and synchronization of the motors, custom encoders are designed to estimate speed and phase of each leg. Accordingly, a closed-loop feedback control algorithm is applied to follow an envisioned gait pattern. Towards understanding these gaits in robots with passive closed-chain legs, a comprehensive mathematical model is developed to describe the 6-DOF rigid body dynamics of MinIAQ. The proposed dynamics employs a nonlinear viscoelastic spring-damper model to estimate the feet-ground interactions. An interactive GUI is developed based on the model in MATLAB to simultaneously visualize the effects of design parameters on performance. 3D simulation results closely match with the experiments and effectively predict locomotion trends on flat terrain. Since there is no control on foot placement in such underactuated robots, the model has given an insight into analyzing how close the actual locomotion is to the envisioned gait. This suggests that a comprehensive locomotion study with the model can lead to optimizing the gait and improve performance of miniature legged robots.
Benzer Tezler
- Design, control, modeling, and locomotion analysis of a multi-legged modular miniature robot with soft backbones
Yumuşak omurgalı çok bacaklı modüler minyatür robotun tasarımı, kontrolü, modellenmesi ve lokomosyon analizi
NIMA MAHKAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. ONUR ÖZCAN
- Dört ayaklı bir robotun engebeli yüzeylerde yürüme analizi ve kontrolü
Gait analysis and control of a quadruped robot on rugged surfaces
MUHAMMED ARİF ŞEN
Doktora
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METE KALYONCU
- Dynamic analysis for walking-assistance exoskeleton system with sitting ability for rehabilitation
Rehabilitasyon için yürüme-yardımı eksoskeletonu için kinematik ve dinamik analiz
KHOLOD HAJO HASSAN IBRAHIEM
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Mühendislik BilimleriKocaeli ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASİN KİŞİOĞLU
- İnsan yürüyüşünü destekleyici dış iskelet tasarımı ve kontrolü
Design and control of exoskeleton supporting human walking
ÜMİT ÖNEN
Doktora
Türkçe
2011
Makine MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METE KALYONCU
PROF. DR. FATİH MEHMET BOTSALI