Analysis and control of body attached underactuated spring mass runner morphologies
Eksik tahrikli gövdeli yaylı kütle koşucu morfolojilerinin analizi ve kontrolü
- Tez No: 716653
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA MERT ANKARALI, PROF. DR. ULUÇ SARANLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Robotik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
Yaylı Ters Sarkaç (SLIP) şablonu ve uzantıları, biyoloji ve robotikte bacaklı sistemlerin hareketini analiz etmek için uzun süredir kullanılmakta olan referans modellerdir. Temelde SLIP modeli kayıpsız, ideal bir yay aracılığıyla duruş aşamasında zemine bağlı olarak düşünülen noktasal bir kütleden oluşur. Literatürde birçok araştırmacı, gerçekçi sistemlerde kaçınılmaz olan kritik fiziksel olayları ele almak için bu modele, sönümleme ve tork ile harekete geçirme gibi eklemeler yapmıştır. SLIP şablonunda eksik olan bir diğer önemli kavram, üst gövdenin kapalı döngü sistem dinamikleri üzerindeki etkisidir. SLIP şablonu kütle merkezi davranışını etkin bir şekilde yakalayabilmesine rağmen, tam vücut stabilizasyonunu ve kontrolünü açıklamak için bir yapı sağlayamaz. Bu tezin ilk bölümünde, vücuda bağlı yaylı kütle koşucuları için Merkezi Pivot Noktası (CPP) adı verilen yeni bir kontrol politikası sunuyoruz. Duruş aşamasında, CPP zemin reaksiyon kuvvetlerini kütle merkezinden geçecek şekilde yönlendirir ve bu kuvvetlerin vücutta yarattığı torku iptal eder. Böylelikle, CPP modeli hem vücudun dönüş hem de öklid dinamiği için farklı kontrolcüler geliştirmeyi mümkün kılar. Bunlara ek olarak, CPP modelinin periyodik çözümlerinin özelliklerini ve kararlılığını analiz ediyoruz. Ardından, sistemin periyodik çözümlerini stabilize etmek adına, adım dinamiği için bir PD denetleyicisi ve yürüyüş seviyesinde apeksten apekse olan ayrık dinamikler için de bir LQR (Linear Quadratic Regulator) geliştiriyoruz. Daha sonra önerilen kontrol şemasının çekim yöresini hesaplıyoruz ve modelin bozulmalar altında nasıl davrandığını gösteriyoruz. Model dinamiklerinin matematiksel formunun kompakt olmasına rağmen, dinamiklerin doğrusal olmayan doğası nedeniyle dinamiklere niteleyici bir analitik ifade bulunamamaktadır. Tezin ikinci bölümünde, modelin duruş dinamiklerine sönümsüz ve simetrik olmayan yörüngeleri de kapsayacak şekilde bir analitik yaklaşım sunuyoruz. Yaklaşımımız radyal dinamikleri doğrusallaştırmak için basit bir şablon yerleştiren ve TSLIP'in analitik çözümü zor olan vücut dinamiklerinin üstesinden gelmek için açısal dinamikleri yaklaşıklayan radyal aktivasyona ve kısmi geri besleme ile doğrusallaştırma methoduna dayanır. Bir sonraki adımda, analitik yaklaşımımızın tahmin performansını farklı yerçekimi düzeltme yöntemlerini kullanarak simetrik olmayan yörüngeleri de kapsayan geniş bir yörünge kümesi için elde ediyoruz. Son olarak, genişletilmiş modeli periyodik çözümlerin özellikleri ve kararlılığı açısından analiz ediyoruz. Elde ettiğimiz sonuçlar, önerilen modellerin ve ilgili kontrol politikasının, analitik yaklaşım çözümüyle birlikte insansı robotik sistemlerin tasarlanması ve kontrol edilmesinde faydalı olabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
One of the benchmark models for analyzing legged systems in biology and robotics is the Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) template and its extensions. The basic SLIP model consists of a single point mass with an ideal spring connecting it to the ground during the stance phase. After its introduction, this model has received numerous extensions to handle physical constraints that exist in practical configurations, such as the upper body's effect on the system dynamics. Although the SLIP template can describe COM behavior in its primary form, it fails to provide a framework for describing full-body stabilization and control. In the first part of the thesis, we present a new control policy called the Central Pivot Point (CPP) for the body-attached spring-mass runners. In the stance phase, CPP directs ground reaction forces through the center of mass and cancels the torque created by these forces on the body. In this way, the CPP model makes it possible to develop different controllers for both the body's rotational and euclidean dynamics. Moreover, we analyze the characteristics and stability of the periodic solutions of the CPP model. Then, we develop a Proportional-Derivative (PD) controller for pitch dynamics and a Linear Quadratic Regulator (LQR) for gait-level apex-to-apex discrete dynamics to stabilize the system's periodic solutions. We compute the basin of attraction of the proposed control scheme and show how the model behaves under disturbances. Although our model has a compact mathematical form for its dynamics, there is no qualifying analytical expression due to its nonlinear nature. In the second part, we present a precise analytical approximation to the stance dynamics of the model in the case of no damping and non-symmetric trajectories. Our approach is based on radial actuation and the partial feedback linearization that embeds a simple template to linearize the radial dynamics and approximate the angular dynamics for handling the nontrivial body dynamics of TSLIP. The next step is simulating the model under different gravity correction methods to study their prediction performance for a comprehensive set of trajectories, including non-symmetric ones. Finally, we analyze the extended model in terms of the characteristics and stability of the periodic solutions. Results obtained throughout the analysis of the TSLIP model and the proposed control scheme substantiate the model's prospect to ease the design and control of humanoid systems.
Benzer Tezler
- Prizmatik mafsal içinden kayan elastik çubukların dinamiği
The Dynamics of elastic beams sliding through a prismatic joint
ŞEFAATDİN YÜKSEL
- 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
- Analysis and control of periodic gaits in legged robots
Bacaklı robotlar için periyodik yürüme davranışlarının analizi ve kontrolü
HASAN HAMZAÇEBİ
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER MORGÜL
- Design and control of a winch driven grasping mechanism for a quadrotor unmanned aerial vehicle
Dört rotorlu insansız hava aracı için makaralı yük alma-bırakma mekanizması tasarımı ve kontrolü
MEHMET OKAN GÜNEY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ
- Bir endüstriyel robotun modelleme, simülasyon ve kontrolü
Modeling simulation control of an industrial robot
OSMAN CANBERİ
