Theoretical and experimental analysis of a soft and miniature quadruped
Dört bacaklı ve yumuşak bir minyatür robotun kuramsal ve deneysel analizi
- Tez No: 653970
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Elastodinamik analiz, Hareketli robotlar, Elastodynamic analysis, Mobile robots
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Bacaklı ve katı olmayan robotların çok gövdeli dinamik modellemesi, bir robotun çevresi ile etkileşimini ve ortaya çıkan hareketini araştırmak amacıyla çalışılan aktif bir araştırma alanıdır. Bu çalışmaların sonuçlarından, robotun mekanik tasarımının yinelemeli süreci ile, yüksek ve düşük seviyeli kontrolörlerinin algoritma tasarımı için kullanılabilecek bir simülasyon oluşturmak için faydalanılabilir. Fakat, parçalı türevler ve şekil integrallerinden ötürü yumuşak robotların dinamik modellerinin geliştirilmesi sert robotlara kıyasla daha zorludur ve bu konudaki literatür gelişmeye açıktır. Bu çalışmanın konusu C-bacaklı yumuşak ve minyatür bir robottur (S-Quad). Gövdesinin ve bacaklarının yumuşaklığının hareketine olan etkisini analiz etmek için bir yumuşak cisim dinamik modeli geliştirilmiştir. Geliştirme süreci, yumuşak cisim dinamik modeli için bir temel olacak ve robotun rijit gövde – rijit bacaklı (RBRL) versiyonunu analiz etmek için kullanılacak rijit cisim dinamik analizi ile başlamıştır. Newton-Euler yöntemi, temas kuvvetlerinin viskoelastisite teorisi ile tahmin edildiği bu modeli geliştirmek için kullanılmıştır. Robotun hareketini tahmin etmek için farklı model parametrelerinin senaryoları simüle edilmiştir. Elde edilen sonuçlarla model parametrelerinin etkileri tartışılmış ve daha sonra uygun parametreler seçilmiştir. Robot dinamiklerinin içindeki kavisli bir bacağın temas analizinin herhangi bir kesişme algoritmasının kullanılmadan yapılması, bu çalışmanın avantajlı bir yönüdür. Bacakların yumuşaklığı, doğrusal olmayan viskoelastik bir model kullanılarak bu dinamik analize dahil edilmiştir. Bacağın yumuşaklığının bacağın yuvarlanma açısına bağlılığı Castigliano teoremi ile türetilmiştir. Daha sonra, sert gövde – yumuşak bacaklı (RBSL) robotun hareketi bu model göre tahmin edilmiştir. RBRL ve RBSL sonuçlarının karşılaştırılması bacak uyumunun etkisini yorumlamak için kullanılmıştır. Bu yumuşak bacak modelinin modellenmesi ve robot dinamikleri ile entegrasyonu, bu çalışmanın getirdiği yeni bir yöndür. Yumuşak gövdenin temas kuvvetleri altındaki esnemesini tahmin edebilmek için, RBRL simülasyonundan elde edilen kuvvet değerleriyle çevrimdışı bir Sonlu Eleman Analizi yapılmıştır. Tahmini esnemeler, yumuşak gövde – sert bacaklı (SBRL) robotun simülasyonunu elde etmek için bu simülasyona geri konulmuştur. Böylece geliştirilen modelin gövde esnemelerini de içerme kabiliyeti kanıtlanmıştır. Son olarak, RBRL ve RBSL robot simülasyonları, bir hareket yakalama sistemi ile yapılan deneylerle doğrulanmıştır. Bu deneysel sonuçlar, robotta yumuşak bir gövde kullanmanın avantajlarını ve dezavantajlarını yorumlamak için de kullanılmıştır.
Özet (Çeviri)
Multi-body dynamic modeling of non-rigid and legged robots is an active research area with the goal of investigating the interaction of a robot with its environment and its resulting locomotion. The results of such studies can be used to build a simulation that will be used for the iterative process of the mechanical design of the robot, and the algorithm design of its high- and low-level controllers. The dynamics of soft robots is more challenging comparing to rigid robots because of the partial derivatives and the shape integrals existing in the dynamic models, and the literature is open to improvement. The subject of this study is S-Quad, a soft and miniature quadruped with c-shaped legs. To analyze the effect of the compliance of its body and legs to its locomotion, a soft-body dynamic model has been developed. The development process starts with the rigid-body dynamic analysis, which will be a base for the soft-body dynamic analysis and used to examine the rigid body - rigid legs (RBRL) version of the robot. The Newton-Euler method has been used to develop this model, in which the contact forces are estimated with the viscoelasticity theory. Scenarios of different model parameters were simulated to estimate the motion of the robot. With the obtained results the effects of the model parameters were discussed, and then appropriate parameters have been selected. The contact analysis of a curved leg inside of the robot dynamics, in which any intersection algorithm is not used, is an advantageous aspect of this study. The compliance of the legs has been incorporated into this dynamic analysis with a non-linear viscoelastic model. The dependency of the leg compliance to the roll angle of the leg was derived from Castigliano's theorem. Then, the motion of the rigid body - soft leg (RBSL) robot was estimated accordingly. The comparison of the RBRL and the RBSL results was utilized to interpret the effect of the leg compliance. The modeling and the integration with robot dynamics of this compliant leg model is a novel aspect of this model. An offline Finite Element Analysis has been conducted to estimate the deflections of the soft body under the contact forces, which were exported from the RBRL simulation. The estimated deflections were put back into this simulation to obtain the simulation of soft body - rigid legs (SBRL) robot. Thus, the capability of the developed model to include body deflections has been proven. Finally, the RBRL and the RBSL robot simulations have been verified with the experiments conducted with a motion capture system. These experimental results were also used to interpret the advantages and disadvantages of using a soft body in the robot.
Benzer Tezler
- Yumuşak anahtarlamalı yeni bir DC-DC dönüştürücünün geliştirilmesi ve gerçekleştirilmesi
Developing and application of a new soft switched DC-DC converter
NAİM SÜLEYMAN TINĞ
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HACI BODUR
- Sınır iletim modunda çalışan sıfır akım geçişli bir yükseltici dönüştürücünün tasarımı ve analizi
Design and analysis of a zero current transition boost converter operating in boundary conduction mode
ERTAN TİKTAŞ
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET FARUK BAKAN
- PWM DC-DC dönüştürücü ailesi için yeni bir yumuşak anahtarlama hücresinin tasarımı, uygulaması ve karşılaştırmalı analizi
Design, implementation and comparative analysis of a novel snubber cell for family of PWM DC-DC converters
YAKUP ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSMAİL AKSOY
- Geliştirilmiş bir ultrasonik darbeli doppler kan akış ölçme düzeninde hata kaynaklarının analizi
The Analysis of error sources at a developed pulsed doppler blood flowmeter
İNAN GÜLER
Doktora
Türkçe
1990
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ERTUĞRUL YAZGAN
