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
- Tez No: 641167
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- 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: 135
Özet
Yumuşak Modüler Bacaklı Robot (Soft Modular Legged roBot - SMoLBot), minyatür, modüler, katlanabilir ve yumuşak-sert karışık olan ve esnek omurgaya sahip bacaklı bir robottur. SMoLBot'un gövdesi ve hareket mekanizmaları asetat kağıtlarından katlanır ve esnek bağlantı mekanizmaları Polidimetilsiloksandan (PDMS) kalıplanarak üretilir. Yüksek direngenliğe sahip kinematik parçalar esnek bileşenlerle bağlandığında, robotun yapısal esnekliği artar ve farklı yüzeylere daha iyi uyum sağlar dolayısıyla minyatür robotların manevra kabiliyeti artar ve daha düzgün bir yürüme eşekli elde edilebilir. SMoLBot, düşük ağırlıklı ve düşük maliyetli katlanabilir sert yapılar ve PDMS'lerden yapılmış esnek bağlantı mekanizmaları gibi hem origamiden ilham alan robotların hem de yumuşak robotların özelliklerini kullanıyor. SMoLBot'taki her bir modül, iki ayrı DC motor ile hareket ettirilir ve kontrol edilir; bu durum, yürüme şeklinin değiştirilmesini ve robotun dönüşü ve engebeli arazide hareketi sırasında robotun hareketini ve gövde salınımını kontrol etme konusunda daha yüksek bir serbestlik derecesi sağlar. Her modül 44.5 mm genişliğe, 16.75 mm uzunluğa ve 15mm yüksekliğe yani yaklaşık olarak iki DC motor ve bir Li-Po pil ile aynı boyuta sahiptir. SMoLBot'un dinamik modellemesi Newton-Euler formülleri kullanılarak elde edilir ve ayakların temas parametrelerine ve kinematik analizinin fiziksel parametrelerine bağlıdır. Dinamik modelin altyapısı, tüm robotun dinamik yapısı göz önünde bulundurulurken aynı zamanda da her bir modülün ayrı birer sistem olarak değerlendirilmesiyle, yani robotun tümüyle bir sistem olup modüllerin ise bu sistemin içinde birbirine bağlı esnek birer bağlantılardan ibaret olduğu düşünülerek oluşturtulmuştur. Modüllerin kinematik kısıtlamaları robotta kullanılan omurganın tipine göre bulunmuştur. Deneylerde kullanılan omurgalar sert ve esnek omurgalar olmak üzere iki gruba ayrılır. Farklı simetrik ve asimetrik yürüme şekilleriyle koşan ya da yürüyen SMoLBot'un deneysel sonuçları bu tezde sunulan dinamik modeli doğrulamaktadır. Dinamik modele ek olarak, omurga direngenliğinin çok sayıda modüle sahip bacaklı minyatür modüler robotların hareketi üzerindeki etkisi incelenmiştir. SMoLBot'un hızının farklı sayıda modül ve farklı omurga tiplerine sahip olan SMoLBotlar ile karşılaştırıldığı analizler, önerilen dinamik model kullanılarak sunulmuştur. Sonuçlarımız, ayaklı minyatür modüler robotlar için robotun hızını en üst düzeye çıkaran optimum bir burulma direngenliğine sahip omurganın var olduğunu göstermektedir. Ek olarak, belirli bir omurga direngenliği veya modüller arasında belirli bir esneklik aralığı için minyatür robotlarda optimum bir ayak sayısının olduğunu gösterebiliriz. Ayrıca, bu tezde, koşan ya da yürüyen yumuşak modül bağlantılarına sahip çok bacaklı modüler minyatür robotların hareket şekillerini araştıran bir hareket çalışması yürütülmektedir. Hareket çalışması sunulan dinamik model kullanılarak yapılır ve sonuçlar SMoLBot kullanılarak doğrulanır. Çok bacaklı bir robotun optimum adım sırası ve optimum adım uzunluğu, hareket analizleri, dinamik ve kinematik denklemler kullanılarak elde edilir. Çok bacaklı SMoLBot'ların optimum yürüyüş analizi, farklı modül sayılarına ve modüller arasında çeşitli esneklik aralıklarına sahip her robot için farklı olup benzersiz ayak temas sırası modellerini temsil eder. Ayrıca, ayakların çeşitli arıza vakalarının, esnek ya da rijid omurgalı çok bacaklı bir robotun hareketi üzerindeki etkisini göz önünde bulundurarak analiz yapılır. Bu çalışma, arızalı ayakların farklı kombinasyonlarına sahip bacaklı bir minyatür robotun hareketini araştırmaktadır. Ek olarak, n-bacaklı bir SMoLBot'un çalışması sırasında kırılan bacakların hangi modülün üzerinde bulunmasının robotun hareketini nasıl etkilediği de araştırılmıştır. Bu çalışma, modüler robotun hareketini, her bir vakanın yalnızca tek bir modül arızalandığındaki etkisini birçok farklı arıza vakasıyla ve yürüme şekli değiştirilmeden araştırmaktadır.
Özet (Çeviri)
Soft Modular Legged roBot (SMoLBot) is a legged, foldable, modular, miniature robot with soft backbones. SMoLBot's body and locomotion mechanisms are folded out of acetate sheets and its compliant connection mechanisms are molded from Polydimethylsiloxane (PDMS). High maneuverability and smooth walking pattern can be achieved in miniature robots if high stiffness kinematic parts are connected with compliant components, providing the robot structural compliance and better adaptability to different surfaces. SMoLBot is exploiting features from origami-inspired robots and soft robots, such as low weight and low cost foldable rigid structures and adaptable soft connection mechanisms made of PDMS. Every single module in SMoLBot is actuated and controlled by two separate DC motors, that enable gait modification and a higher degree of freedom on controlling the motion and body undulation of the robot in turning and rough terrain locomotion. Each module has 44.5 mm width, 16.75 mm length, and 15 mm height, which is approximately the same size as two DC motors and a Li-Po battery. The dynamic formulation of SMoLBot is obtained using Newton-Euler formulation and it depends on the physical parameters of the contact and closed-chain kinematic analysis of the feet. The dynamic model framework is proposed by determining the dynamic locomotion parameters of each module as an individual system, as well as, considering the dynamics of the whole robot; i.e. the robot is modeled as one system and modules are considered to be set of flexible links connected to each other, within this system. Kinematic constraints among these modules are obtained by considering the types of backbones integrated in the robot. Various types of backbones are used within the experiments that are classified into two groups: rigid, and compliant backbones. Experimental results of SMoLBot running/walking with different symmetrical and asymmetrical gates validate the dynamic model presented in this thesis. Additional to the dynamic model, the effect of the backbone stiffness on the locomotion of the legged miniature modular robots with multiple numbers of modules is studied. Analyses comparing the velocity of SMoLBot with different numbers of modules and different types of backbones are presented using the proposed dynamic model. The results indicate that there is an optimum torsional stiffness of the backbone for a legged miniature modular robot that maximizes the robot's translational velocity. Additionally, we can show that, for a given backbone stiffness or a specific range of compliance between the modules, there is an optimum number of feet for the miniature robots. Furthermore, in this thesis, a locomotion study that investigates the motion patterns of the running/walking multi-legged modular miniature robots with soft module connections, is conducted. The locomotion study is done using the presented dynamic model and results are verified using SMoLBot. The optimum feet sequence and the optimum stride length of a multi-legged robot are derived using the locomotion analyses, and the dynamic and kinematic formulations. The optimum gait analysis of the multi-legged SMoLBots represents different but unique feet contact sequence patterns for each robot with a different module number and diverse ranges of compliance between the modules. Furthermore, analysis considering the effect of various feet failure cases on the locomotion of a multi-legged robot with soft/rigid backbones, is conducted. This study investigates the locomotion behavior of a legged miniature robot with different combinations of the non-functioning feet. Additionally, a case-sensitivity study of an $n$-legged SMoLBot's locomotion on its individual modules during the operation, is also conducted. This study investigates the modular robot's locomotion with multiple different failure cases where each particular case only considers the effect of an individual module failure on the overall motion of the robot, while the gate is not altered.
Benzer Tezler
- Design, control, fabrication and maneuverability analysis of an untethered miniature soft robot
Kablosuz minyatür bir yumuşak robotun dizaynı, kontrolü, üretimi ve manevra kabiliyeti analizi
CEM AYGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
- Reconfigurable modular snake robot locomotion via learning based hybrid motion control system architecture
Öğrenme temelli melez hareket kontrol sistem mimarisi ile yeniden yapılandırılabilir modüler yılan robot hareket kabiliyeti
İLYAS KOCAER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER MORGÜL
- Design, characterization, optimization, modeling and control of a bio-inspired fin based actuator system
Bio-esinlenilmiş yüzgeç tabanlı bir eyleyici sisteminin tasarımı, karakterizasyonu, optimizasyonu, modellenmesi ve kontrolü
ATAKAN DURMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA MERT ANKARALI
- Design, control, modeling, and gait analysis in miniature foldable robotics
Katlanabilir minyatür robotlarda tasarım, kontrol, modelleme ve adımlama analizi
MOHAMMAD ASKARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. ONUR ÖZCAN
- Analysis and control of a running spring-mass model with an upright trunk based on virtual pendulum concept
Sanal sarkaç kavramına dayalı dik gövde ile koşan yay-kütle modelinin analizi ve kontrolü
OSMAN KAAN KARAGÖZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA MERT ANKARALI
PROF. DR. ULUÇ SARANLI