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
- Tez No: 650190
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA MERT ANKARALI, PROF. DR. ULUÇ SARANLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 76
Özet
Yaylı Ters Sarkaç (SLIP), dinamiklerini bir şablon modeli olarak gömerek bacaklı hayvanların koşma davranışını analiz etmek için ve denetleyicilerin tasarımında yaygın olarak kullanılır. Bir nokta kütleye tutturulmuş kütlesiz ideal esnek bir bacaktan oluşan kavramsal bir modeldir. SLIP modeli, bacaklı hayvanların kütle merkezinin yörüngelerini yeterince açıklayabilse de, bu modelin fazla basitleştirilmiş yapısı nedeniyle gerçek platformlara gömülürken yetersiz kaldığı bazı durumlar olmuştur. Yıllar boyunca araştırmacılar, SLIP modelini fiziksel platformlara daha uygun hale getirmek için SLIP modeline eyleyici ve sönümleme gibi çeşitli uzantılar önerdiler. Bunlara ek olarak, SLIP modelinin bir diğer kritik uzantısı, insansı robotlar gibi kalça ekleminden uzak vücut kütlesine sahip sistem1lerde kaçınılmaz olan, üst vücut dinamiklerini temsil eden bir gövdedir. Bu bağlamda, araştırmacılar gövde eklenerek genişletilmiş SLIP benzeri sistemleri stabilize etmek ve düzenlemek için çeşitli yöntemler ve algoritmalar geliştirmişlerdir. Bu kontrol şemalarından biri Sanal Pivot Noktası (VPP) kavramı olarak adlandırılır ve bu tezin odak noktalarından biridir. Bu tezde, VPP konseptinin kapsamlı bir analizini sunuyoruz. Koşu davranışı için bu konseptin periyodik çözümlerini sistematik olarak analiz ediyoruz. Sayısal analiz araçlarını kullanarak sistemin farklı durumları ve parametreleri için periyodik çözümler çıkarıyoruz. Ardından, enerji verimliliği ve kararlılık gibi metriklere göre periyodik çözümlerin özelliklerini kendi aralarında karşılaştırıyoruz. Son olarak, sistem dinamiklerini kararlı hale getirmek için yeni bir denetleyici geliştiriyoruz. Bu yeni denetleyiciyi, Sharbafi ve diğerleri (2013) tarafından sunulan bir denetleyicinin genişletilmiş bir versiyonu ile karşılaştırıyoruz. Her iki denetleyicinin etkinliğini gösteriyoruz ve önerilen denetleyicinin yakınsama hızı performansından ödün vermeden farklı periyodik çözümler için daha büyük bir çekim havuzu oluşturabileceğini gösteriyoruz. Sonuçta, bu tez, önerilen denetleyici ile birlikte VPP konseptinin, kayda değer üst vücut dinamikleri ile koşma davranışını hedefleyen bacaklı robotların tasarımında ve kontrolünde faydalı olabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) is widely used in locomotion community to analyze the running behavior of legged animals and design controllers by embedding its dynamics as a template model. It is a conceptual model composed of a mass-less ideal compliant leg attached to a point mass. Although the SLIP model can adequately explain the center of mass trajectories of legged animals, there have been some cases where this model remains insufficient while embedding into real platforms because of its over-simplified structure. Over the years, researchers have proposed various extensions to the SLIP model, such as torque actuation and damping, to adopt SLIP for physical platforms. In addition to these, another critical extension to the SLIP model is a rigid trunk that stands for upper body dynamics, which are unavoidable in systems that have body mass far from the hip joint like humanoid robots. In this context, researchers have developed several methods and algorithms to stabilize and regulate the trunk extended SLIP like systems. One of these control schemes is called the Virtual Pivot Point (VPP) concept, and it will be one of the focal points of this thesis. In this thesis, we present a comprehensive analysis of the VPP concept. We systematically analyze the periodic solutions of this concept for running behavior. We extract periodic solutions for different states and parameters of the system using numeric analysis tools. And then, we compare the characteristic of periodic solutions among themselves based on metrics such as energy efficiency and stability. Finally, we develop a new controller to stabilize the system dynamics. We compare this new control policy with an extended version of a controller introduced by Sharbafi et al. (2013) for the VPP framework. We demonstrate the effectiveness of both controllers and find that the proposed controller can create a larger basin of attractions for different periodic solutions without compromising from the convergence speed performance. After all, this thesis shows that the VPP concept, in conjunction with the proposed controller, could be beneficial in the design and control of legged robots targeting running behavior with non-trivial upper body dynamics.
Benzer Tezler
- Model-based identification and control of a one-legged hopping robot
Tek-bacaklı zıplayan robot üzerinde model tabanlı tanımlama ve kontrol
HASAN EFTUN ORHON
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER MORGÜL
- Model based methods for the control and planning of running robots
Koşan robotların kontrol ve planlaması için model tabanlı yöntemler
ÖMÜR ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. ÖMER MORGÜL
YRD. DOÇ. DR. ULUÇ SARANLI
- Esnek mekanizmaların tasarlanması ve kontrolü
Design and control of compliant mechanisms
AYŞE TEKEŞ
Doktora
Türkçe
2013
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET SALIH DOKUZ
- Numerical modeling and experimental analysis on coupled torsional-longitudinal and lateral vibrations of propulsion shaft system
Gemi sevk sistemlerinde oluşan tekil ve birleşik eksenel, yanal ve burulma titreşimlerinin incelenmesi
AKİLE NEŞE HALİLBEŞE
Doktora
İngilizce
2021
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN AZMİ ÖZSOYSAL
- Kanat çırpma hareketi bulunan dinamik sistemlerin stabilizasyonu
Stabilization of dynamic systems with wing flapping motion
MUSTAFA KAAN ATİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN