Geri Dön

Hybrid compliance control of collaborative robots

İş birlikçi robotların hibrit uyum kontrolu

PDF İndir

  1. Tez No: 769319
  2. Yazar: NAZ ALTEKİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 121

Özet

Robotlar, hassas, tutarlı ve hızlı olma yetenekleri nedeniyle endüstride büyük ölçüde kullanılmaktadır. Ayrıca robotik hatların kullanılması farklı projeler arasında esneklik sağlar. Bu nedenle robotik, Endüstri 4.0'ın önemli bir parçasıdır. Robotlar, operasyon sırasında maksimum verimliliğin gerekli olduğu yerlerde çeşitli beklentileri belirli ölçüde karşılayacak şekilde programlanırlar. Yaygın olarak kullanılan bazı uygulamalar yüksek hız/yüksek kuvvet gerektirebilir. Ayrıca, geleneksek olarak hatlarda kullanılan robotlar, insan etkileşimine yanıt verecek kadar akıllı değildir. Bu nedenlerle robotların kullanıldığı alanlar, insanların yakınlarda çalışması için her zaman güvenli değildir. İşbirlikçi robotlar, robotların etrafında veya robotlarla çalışmayı güvenli hale getirir. Ayrıca insan-robot etkileşiminden de yararlanılarak daha yüksek değer elde etmeyi sağlar. İş birlikçi robotlar, robotlar için alışılmışın dışında yeni uygulamalara fırsat yaratır. Tüm bu yararları sebebiyle iş birlikçi robotlar hızlı bir şekilde birçok alanda kullanılmaya başlanmıştır. Her türlü robotun otomasyonu, robotlara takılan alıcılar ve eyleyiciler aracılığıyla yapılır. İstenen uygulama, robotların ve çevrenin kısıtlamalarına uygun şekilde geliştirilmiş kontrol düzenekleri ile elde edilir. Uyumlu hareket kontrol şeması, uygulamalar esnasında çevre tarafından robot manipülatörüne uygulanan kuvvet ve momentin ayarlanmasına izin verir. Bu tezde, geliştirilen dolaylı melez konum/kuvvet kontrolü şeması, çapak alma uygulamasını metal bir kap fırça ile yapmak için UR10 işbirlikçi robot kullanılarak test edilmiştir. Çapak alma işlemi farklı parçaların malzeme, şekil, çapak boyu vb. Değişkenlere bağlı olarak değişkenlik gösterebilir. Aynı robotu, bu değişkenliklere rağmen, kontrol mekanizmasını ayarlayarak farklı parçalar için kullanmak mümkündür. Bu tezde geliştirilen kontrol planı UR10 robotu kullanarak bu esnekliği sağlamayı hedeflemektedir, çünkü robotun içine gömülü olan kontrolcü kullanıcıya açık olmadığından bu şekilde ayarlamalara izin vermez. Tezde ilk olarak, robotların yapısal iskeletinin kinematik modellenmesi açıklanmıştır. Robot kinematik modelleri robotun eklemleri ve uç eylemcinin konum ve oryantasyonu ile olan ilişkisini tanımlamak için kullanılır. Statik bir modeldir ve robotun mekanik yapısına bağlıdır. Eklemlerin öteleme veya dönel olması ve eklemler arasındaki uzuvların uzunluğuna bağlıdır. Kinematik modelleme iki farklı uzayda gerçekleştirilebilir. Bu uzaylar eklem-uzayı veya uygulama uzayıdır. Modelleme seçilen bir uzayda matris dönüşümleri kullanarak yapılır. Sıkça kullanılan yöntemlerden biri Denavit-Hartenberg (DH) değişkenleri ile modellemektir. Bu yönteme göre iki eklem arasındaki dönüşüm dört değişkene dayanır. DH değişkenleri ile iki ekleme yerleştirilen koordinat sistemleri arasındaki ilişki belirlenir. Bu modelleme teknikleri, tüm tabanından sabitlenmiş robotik kollar için geçerlidir. Tezde deneylerde kullanılan UR10 iş birlikçi robotun kinematiği, Denavit-Hartenberg parametreleri kullanılarak gösterilmiştir. Kinematik modelleme üç şekilde yapılabilir: ileri, ters ve türevsel kinematik. İleri kinematik ile uç eylemcinin konum ve oryantasyonu, tabandan başlayan kinematik zincir ile belirlenir. Ters kinematik ise uç eyleyicinin konumu ve oryantasyonundan başlayarak eklem değişkenlerini tahmin etmek için kullanılır. Robotların modellemesi statik yöntemlerin yanında, dinamik özelliklerini kullanarak da yapılır. Türevsel kinematikte de ters kinematik gibi eklem değişkenlerini bulmayı amaçlar, ancak ters kinematikten farklı bir yaklaşım izler. Eklemlerin ve robotun uç eylemcisinin arasındaki hareketlerin ilişiklisini hızlar üzerinden kurar. Dinamik modelleme robotun uygulama esnasındaki hareketini kontrol edebilmek için gereklidir. Dinamik model, robotun hareketi ile manipülatöre uygulanan kuvvetler ve momentler arasındaki ilişkiyi tanımlar. Bu kapsamda, Jacobian kavramı anlatılmıştır. Deneyde kullanılan UR10 robotu CB3 serisidir ve bu serideki UR robotları, kuvvetleri ve momentleri ölçmek için uç işlevci önceden kurulmuş bir F/T dönüştürücüye sahip değildir. Kontrolcü, her bir ekleme ait Jacobian ve motor moment sabitleri aracılığıyla bu değerleri tahmin eder. Tezdeki hareket kontrolü deneylerinde bu değerler üzerinden yapılan sonuçlar incelenmiştir. Hareket kontrolü robotun istenilen uygulamayı başarması için gereklidir. Öncelikle istenilen yörünge ve zamana bağlı değişkenler tanımlanır. İşlem sırasında ise kuvvet ve moment girdileri izlenir. Hareketi kontrol edebilmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. PID (oransal, integral ve türevsel) kontrolcüleri düşük maliyetleri ve diğer metotlarla karşılaştırıldığında kolay bir şekilde uygulanabildikleri için sıkça tercih edilirler. Ancak, çeşitli uygulamalar arasındaki esneklikleri düşüktür. Bu durumda doğruluğu azalır. PID' nin hızının düşük kaldığı veya yüksek doğruluk seviyesi gereken uygulamalarda, daha iyi bir performans hesaplanmış moment kontrolü ile elde edilebilir. Bu yöntem robotun dinamik davranışını doğrusal yapar ve dinamik ilişkileri ayrıştırır. Başka bir yöntem ise pasifliğe dayalı kontroldür. Robotun sahip olduğu enerji üzerinden geri bildirim sistemi kurulur. Son olarak da robotun dinamik modelinin tamamen bilinmediği durumlar için uyarlanabilir kontrol sistemi geliştirilmiştir. Uyumlu hareket kontrolü, çeşitli kısıtlamaların olduğu uzaylarda kullanılır. Robot ucunun belli bir yönde veya yönlerde kuvvet uygulayarak takip etmesi gereken bir rotası olduğu durum buna bir örnektir. Bu nedenle, uyumlu hareket kontrolü endüstriyel uygulamalarda sıkça kullanıma uygundur. Bu şekilde bir senaryo için kuvvet ve konumun kontrol edileceği yönler önceden tanımlanmış bir koordinat sistemini üzerinde belirtilir. Kuvvet kontrolünün olduğu yönde konum kontrolü yapılmaz, robot bu yönde konum alanında serbesttir. Tam tersi de geçerlidir. Uyumlu hareket kontrolü, operasyon sırasında seçilen koordinat sistemi ve bu mantık çerçevesinde kuvvetin ve konumun uygulamanın gerektirdiği hale gelmesini ve bu durumunu korumasını sağlar. Tezde serbest uzayda kullanılan kontrol şemalarının yanında, uyumlu hareket kontrolü sağlayan pasif sertlik kontrolü, aktif sertlik kontrolü, empedans kontrolü ve melez konum/kuvvet kontrollerinden bahsedilmiştir. Pasif sertlik kontrolü, robota eklenen yapısal bir mekanizma ile temas kuvvetlerinin ayarlanmasını sağlar. Aktif sertlik kontörlü ise kontrol sisteminde tanımlanan bir sertlik matrisi ile konumun ve kuvvetin farklı yönlerde bu matrise göre düzenler. Empedans kontrolü, zamana bağlı değişken üzerinden oranlayarak kuvvet kontrolünü sağlar. Melez konum/kuvvet kontrolü iki şekilde yapılabilir: Paralel ve Harici kontrol. Paralel melez konum/kuvvet kontrolü eş zamanlı bir şekil de konumu ve kuvveti iki ayrı geri beslemeli çevrim ile kontrol eder. Kuvvet kontrol edilen yönler bellidir. Diğer yönlerde ise pozisyon ve hız kontrolü sağlayarak konumu kontrol edilir. İki farklı çevrimden, geri beslenmiş kuvvet ve konum değişkenleri ile pozisyon ve kuvvet kontrol yasaları oluşturulur ve robota beslenir. Harici melez kontrol şeması ise kuvvete ve konuma ait iki geri beslemeli çevrim iç içe yer alır. Dış çevrimde kuvvet kontrolü yer alır. Robottan alınan kontrol değeri, kuvvet kontrol yasasına göre iç döngüde yer alan konum çevrimine girdi olarak aktarılır. Konum kontrol yasasından gelen çıktı ise robota beslenir. Deney sırasında toplanan verilerde gürültü gözlemlenmektedir. Bu gürültüden kurtulmak için, alçak geçiren filtreler kullanılmıştır. Kesme frekansının üzerindeki frekansta, gürültü olarak tanımlanan sinyaller sönümlenmiştir. Tezde filtreler ve alçak geçirgen filtreler özetlenmiştir. Butterworth, Chebyshev ve Bessel filtreleri bu teorik bilgileri kullanarak karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda, deneye en uygun filtre, sabit zaman gecikmesi sağlama özelliğinden ötürü Bessel filtresi olarak belirlenmiştir. Çıkarılan sonucu desteklemek için, UR10 deney düzeneği de kullanılarak gerçek zamanda ve toplanan veri ile çevrimdışı olarak üç filtre de test edilmiştir. Bessel filtresi için doğrusal zaman gecikme özelliği deneyde de gösterilmiş ve deney için uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Tezin devamındaki deneyde harici melez konum/kuvvet kontrol mantığı kullanılmıştır. Robot kontrolcüsünün Jacobian hesabı kullanarak hesapladığı uç işlevci kuvveti oluşturulan kontrol şemasından geçer. Bu şema referans kuvvet değeri ile elde edilen gerçek değer arasındaki hatayı PID tipinde kontrol döngüsünden geçirerek, konum olarak robota gönderir. PID kontrolcü ile konum arasındaki ilişki deneysel olarak bulunmuş ve sonuçlarda paylaşılmıştır. İki deney düzeneği tasarlanmıştır. UR10 robotu yere paralel düz bir yüzeyin önüne yerleştirilmiştir. Öncelikle düz yüzeyde, doğrusal hareket sağlanmıştır. Bu uygulamalar sırasında robot hareketi filtre yardımı ile gürültüden temizlenmektedir. Deneyde, sisteme öncelikle oransal kontrol, elde edilen kuvvet değerlerindeki salınımların genliğini düşürmek amacıyla eklenmiştir. Daha sonra çıkan sonuçlar, en düşük genliğe sahip oransal kontrolcünün, ortalama değeri istenilen referans değerinden kaydırdığı gözlenmiştir. Bu kaymayı telafi etmek amacıyla integral kontrolcü sisteme eklenmiştir. Kontrolcünün çıktısı robota konum olarak gönderilmiş ve istenilen yörüngede hareket istenilen seviyede kuvveti koruyarak sağlanmıştır. Aynı uygulama eğimli boru yüzey üzerinde de gerçekleştirilmiştir. Uygulama, parçanın şeklinden ötürü kuvvet okumalarında beklenmeyen ani yüksek değerler gösterdiğinden, oransal kontrolcünün yanına türevsel bir kontrolcü eklenmiştir. Aynı deneyler UR robotun kendi kontrol mekanizmasını kullanarak da yapılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuçlar kısmında geliştirilen kontrolcünün ve robotun iç kontrolcüsünün deney sonuçları karşılaştırılmıştır ve tartışılmıştır. Bu çalışmada paylaşılan uygulama bir çapak temizleme işleminin iş birlikçi robot tarafından yapılmasıdır. Çalışma sürecinden yapılan birçok varsayım bulunmaktadır. Deneyin eksikleri ve bu eksiklerin etkileri paylaşılmaktadır. Gelecek çalışmalar için önerilerde bulunulmaktadır.

Özet (Çeviri)

Robots are valuable part of the manufacturing in industry for their capability to be precise, consistent, and fast. Therefore, robotics is an essential piece of Industry 4.0. In processes that need high speed/high force robots are preferred, because they are programmed to bring maximum efficiency. Various control schemes are developed for automation of any kind of robot and the control is done via sensors and actuators. Compliant control scheme, allow to adjust force and torque exerted by environment onto robot manipulator during operations. In this thesis an indirect hybrid position/force controller is developed using a UR10 collaborative robot, for deburring processes. Every deburring process may require specific force control parameters due to variations in workpiece material, form, burr heights etc. The developed control scheme aims to provide flexibility by making these control parameters adjustable. So that, same manipulator can be used with different components that require specific deburring parameters. Whereas the built-in force controller in the robot is closed to the end-user. First, kinematic modelling of general robot structures is explained. UR10 kinematics is shared using Denavit - Hartenberg parameters. Next, dynamic modeling methods are explained which defines the relationship between robot motion, and manipulator forces/torques. Jacobian concept is summarized, because CB3 series Universal Robots do not have a pre-installed F/T transducer at end-effector to measure the forces and torques. The controller is estimating these values on tool, through Jacobian and motor torque constants at each joint. During testing, noise is observed in the data collected, hence low-pass filters are introduced. It is concluded that Bessel filter is most suitable due to its characteristics in magnitude and phase responses through experiments. Motion control is explored through various control schemes in free and complaint environments. Compliant schemes are used in applications where force and position are controlled at different directions in a coordinate frame. Hybrid position/force control schemes are explained, and block diagrams are shared. An indirect hybrid compliant control scheme is created to be used with UR controller. The control scheme includes proportional, integral and derivative gains that are determined through testing. The control scheme is tested on a flat surface and a curved pipe. Reaction force and displacement results are compared with results from tests with the built-in force controller. In conclusion, comparison results are discussed. Shortcomings of the study and their impact are shared. Future possible improvements are recommended.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    905308

    Yalın üretim ve dijitalizasyon (endüstri 4.0 + endüstri 5.0): Çok boyutlu etkileşim matrisi ve üretim firmaları için kurulum, geliştirme stratejileri ve değerlendirme modeli

    Lean+digitalization (Industry 4.0 + industry 5.0): Multi-domain matrix as a reference implementation and improvement strategies for manufacturing companies and assessment model

    HASAN OKTAY GÖKTAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEJAT YUMUŞAK

  2. Tez No

    572864

    Compliance control of collaborating robots

    İşbirlikçi robotların uyum kontrolü

    MERTCAN KAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU

  3. Tez No

    374039

    Indirect force control in 6 dof humanoid robot arm using impedance controller

    Empedans kontrolünü kullanarak 6 serbestlik insansı robot kolunun dolaylı güç kontrolü

    BEHNAZ HOSSEINI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ FUAT ERGENÇ

    YRD. DOÇ. DR. PINAR BOYRAZ

  4. Tez No

    421264

    Staubli RX160 manipülatörün sensörsüz kuvvet kontrolü

    Sensorless force control of Staubli RX160 manipulator

    ONUR TAŞKIRAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU

  5. Tez No

    421206

    İnsansı robotların tüm vücut kinematik ve dinamik modellenmesi ve kontrolü

    Whole body kinematic and dynamic model and control of humanoid robots

    EMRE SARIYILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ

Geri Dön