Geri Dön

Virtual model-based control method for quadruped robots

Dört bacaklı robotlar için sanal modele dayalı kontrol yöntemi

PDF İndir

  1. Tez No: 863509
  2. Yazar: CEM BALTACI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 109

Özet

Bu tez, dört bacaklı mobil robotların yürüme planlaması, hareket analizi ve kontrol mekanizmalarına odaklanarak kapsamlı bir çalışma sunmaktadır. Çalışma, dört bacaklı robotlardaki yürüyüş hareketlerini etkin bir şekilde gerçekleştirmek ve kontrol etmek için gereken temel adımların belirlenmesi üzerine yoğunlaşmıştır. Bu temel adımlar, yürüyüş biçiminin seçimi ve oluşturulması, adım noktalarının tanımlanması ve kontrolcü tasarımı olmak üzere üç ana kategoride incelenmiştir. Bu süreç, robotların karmaşık arazi şartlarında etkili bir şekilde hareket edebilmeleri için gerekli olan dinamik yürüyüş modellerinin ve kontrol stratejilerinin geliştirilmesine olanak tanımaktadır. Araştırma kapsamında, literatürde var olan çözümler derinlemesine incelenmiş ve mevcut kontrol yöntemleri iki ana grupta sınıflandırılmıştır: Modele Dayalı Kontrol Yöntemleri ve Modelden Bağımsız Kontrol Yöntemleri. Modele Dayalı Kontrol Yöntemleri, robotun fiziksel ve dinamik modellemesine dayanarak kontrol stratejileri geliştirirken, Modelden Bağımsız Kontrol Yöntemleri, model bilgisine ihtiyaç duymadan robotun kontrolünü sağlamak için çeşitli algoritmalar ve teknikler kullanır. Bu tezde özellikle incelenen Modele Dayalı Kontrol yöntemlerinden biri olan Sanal Model Kontrol yöntemidir. Dört bacaklı robotların hareketlerini kontrol etmek için öncelikle dört bacaklı robotun yürüme şeklinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla doğadaki dört bacaklı canlıların yürüyüş biçimlerinin kapsamlı bir analizi yapılmıştır. Bu analizin sonuçlarına dayanarak, çeşitli avantajları nedeniyle tırıs yürüyüş modunun robotik uygulamalar için ideal olduğu sonucuna varılmıştır. Tırıs yürüyüş modu, zorlu arazi şartlarına üstün uyum sağlama kapasitesi, geniş hız aralığı sunma ve denge kontrolünün daha kolay olması gibi önemli avantajlara sahiptir. Bu yürüyüş biçimi, robotun çapraz olarak konumlanmış iki bacağını (örneğin, sağ ön ve sol arka veya sol ön ve sağ arka) eş zamanlı olarak hareket ettirerek ilerlemesini sağlar, bu da hem dört bacaklı canlılarda hem de robotlarda yaygın olarak tercih edilen bir yöntemdir. Dört bacaklı bir robotun hareket kontrolü, iki karşılıklı bacağın salınım fazında olduğu ve diğer iki karşılıklı bacağın ise duruş fazında bulunduğu zamanları dinamik olarak belirleyen bir Olay Tabanlı Sonlu Durum Mekanizması aracılığıyla yönetilir. Bu mekanizma, robotun farklı çevresel koşullara ve değişen zemin türlerine esnek bir şekilde adapte olmasını sağlar. Tırıs yürüyüş modu için özel olarak programlanan bu mekanizma, robotun hareketini çapraz olarak konumlandırılmış bacaklar aracılığıyla başlatır. Salınım fazındaki bacaklar yere temas ettiği anda, bacaklar arasındaki faz değişikliği otomatik olarak gerçekleşir. Bu, robotun yürüyüş döngüsü boyunca sürekli ve akıcı bir hareket sağlar. Böylece her bacağın sırayla hareket etmesi ve sabit kalması arasında kesintisiz bir geçiş sağlanır. Dört bacaklı robotlar, tam tahrikli ve eksik tahrikli olmak üzere, karmaşık ve doğrusal olmayan dinamik yapılar sergilerler. Bu tür robotların dinamik yapısı, hem mekanik yapılarının çeşitliliğinden hem de hareket esnasında ortaya çıkan etkileşimlerden kaynaklanır. Bu karmaşık yapı, robotun hareket denklemlerini doğrudan kullanarak kontrol stratejileri geliştirmeyi zorlaştırır. Doğrudan dinamik denklemlere dayalı kontrol yaklaşımları, robotun anlık durumunu ve hareketini etkileyen tüm kuvvet ve momentleri hesaba katmalıdır. Ancak, bu yaklaşımlar, robotun hareketini gerçek zamanlı olarak düzenlemek için gerekli olan yüksek düzeyde hesaplama gücü ve algoritmik karmaşıklığı beraberinde getirir. Bu hesaplama karmaşıklığı kontrol stratejilerinin hem doğruluğunu hem de etkinliğini önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle, dört bacaklı robotların hareket kontrolünde, hesaplama yükünü azaltırken aynı zamanda iyi performans ve adaptasyon kabiliyeti sunan kontrol stratejilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tür stratejiler, robotun karmaşık dinamiklerini daha basit, anlaşılır ve yönetilebilir modellere indirgeyerek kontrolünü kolaylaştırır. Bu tezin temel amacı, Sanal Model Kontrol yaklaşımını benimseyerek, daha basit, etkin ve gerçek zamanlı işlemlere uygun bir robot kontrol metodolojisi sunmaktır. Sanal Model Kontrol metodolojisi, robotun hareketini yönetmek için fiziksel olmayan, diğer bir deyişle sanal mekanik elemanlar olan yaylar ve sönümleyicileri kullanır. Bu sanal elemanların, robotun karmaşık ve değişken arazi koşullarına uyum sağlamasında ve istikrarlı bir şekilde hareket etmesinde önemli rolleri vardır. Yöntem, robotun dinamik yapısını ve çevresel etkileşimlerini basitleştirerek modellemeye olanak tanır. Bu yöntemle birlikte robotun bacaklarına ait ileri kinematik denklemleri ve Jacobian Matrisi eklemlerde oluşturulacak torkları hesaplamak için yeterlidir, bu da doğrudan robotun dinamik denklemlerine dayanan geleneksel kontrol stratejilerine kıyasla hesaplama yükünü önemli ölçüde azaltır. Sanal Model Kontrol yöntemi kendi içerisinde iki kısıma ayrılmıştır. Bunlar Duruş Fazı Sanal Model Kontrolü ve Salınım Fazı Sanal Model Kontrolü'dür. Duruş Fazı Sanal Model Kontrolü kısmında, sanal yay ve damperler gövde merkezine yerleştirilir. Böylece robotun hareket hızı ve yönelimi bu sanal yay ve damperler üzerinden sağlanmış olur. Salınım Fazı Sanal Model Kontrolü bölümünde ise sanal yay ve damperler ayak ucuna yerleştrilir. Böylece salınım fazındaki ayağın robotun dengesini bozmayacak ve hız kontrolünü sağlayacak noktaya belirlenen yörünge ile ilerlemesini sağlar. Ayağın adım noktası Raibert Sezgileri yöntemiyle belirlenir. Bu yöntem ile robotun var olan hızına, istenilen hızına ve duruş fazının süresine göre yaklaşık adım noktası belirlenir. Sanal Model Kontrol yönteminin başarısı, robotun yürüyüş dengesinde, çevresel uyum yeteneğinde ve referans yörüngeyi izleme kapasitesinde önemli iyileşmeler sağlayabileceğini gösteren simülasyon sonuçları ile kanıtlanmıştır. Bu simülasyonlar, MATLAB/Simulink ve MuJoCo'nun entegrasyonu aracılığıyla yürütülmüştür, ki burada MuJoCo'nun ileri düzey fizik motoru, robotun dinamiklerinin ve çevresel etkileşimlerin oldukça detaylı ve gerçekçi bir şekilde modellenmesini sağlamıştır. Sanal Model Kontrol yönteminin uygulanması, gelişmiş simülasyon araçlarının ve algoritmaların entegrasyonu sayesinde mümkün olmuştur. MATLAB/Simulink, kontrol algoritmalarının geliştirilmesi ve test edilmesi için güçlü bir platform sağlarken, MuJoCo, robotun fiziksel hareketlerini ve çevresel etkileşimlerini simüle etmede yüksek bir doğruluk sunar. Bu birleşim, araştırmacılara ve mühendislere, gerçek dünya koşullarını yakından taklit eden bir ortamda, robotun hareket kontrol stratejilerini detaylı bir şekilde inceleme ve optimize etme olanağı tanır. Robotun kontrol stratejisi ve simülasyon işlemi, MuJoCo ortamında modellenen robotun geri bildirim sinyalleri ve MATLAB/Simulink üzerinde geliştirilen Sanal Model Kontrol algoritmasına dayanan kontrol sinyalleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yapılan simülasyon çalışmaları, dört farklı parametre seti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çeşitlilik, Sanal Model Kontrolü yönteminin performansı üzerinde farklı parametre setlerinin etkilerini detaylı bir şekilde inceleme fırsatı sunmuştur. Her bir parametre seti, sanal yay ve sönümleyici katsayıları gibi kritik kontrol parametrelerini değişik değerlerde içermekte, bu da simülasyonların, Sanal Model Kontrolü yönteminin robotun hareket kontrolü üzerindeki davranışını gözlemlemek için bir zemin hazırlamıştır. Bu simülasyonlar sırasında, her bir parametre setinin robotun yürüyüş hızını, istenilen yönelimi takip etme performansı üzerindeki etkisi detaylı olarak analiz edilmiştir. Bu analizler, optimal sanal model parametrelerinin belirlenmesinde kritik bir rol oynamıştır. Elde edilen sonuçlar ve yapılan kapsamlı çalışmalar, Sanal Model Kontrolü yönteminin, dört bacaklı robotların hareket kontrolünde başarılı bir şekilde kullanılabileceğini göstermiştir. Bu yöntem, robotun yürüyüş planlaması, hareket analizi ve kontrol mekanizmalarının etkili bir şekilde geliştirilmesine olanak tanımıştır. Sanal Model Kontrolü, özellikle karmaşık ve doğrusal olmayan dinamik yapıya sahip dört bacaklı robotlar için, gerçek zamanlı hesaplamaları basitleştirerek ve kontrol stratejilerini daha etkin hale getirerek önemli avantajlar sunmuştur.

Özet (Çeviri)

In this thesis, the focus is on the walking planning, analysis, and control of a quadruped mobile robot. The gait patterns of quadrupedal animals were thoroughly examined, and as a result of this examination, the Trot Gait was chosen due to its adaptability to challenging terrain conditions, wide speed range, and ease of balance control. This gait pattern is frequently preferred in both quadrupedal animals and robots. The Trot Gait involves the simultaneous movement of two diagonal legs of a robot (for example, the right front and left rear or left front and right rear). The decision on which two diagonal legs are in swing mode and which two are in stance mode during the control of the quadruped robot is determined by an Event-Based Finite State Mechanism. This mechanism allows the robot to dynamically adapt to environmental changes and different ground conditions. Generally, quadruped robots possess a complex and nonlinear dynamic structure, being either fully actuated or underactuated. Consequently, control methods based directly on these dynamic equations involve a high level of computational complexity. The primary objective of this study is to propose a simpler and more real-time computation-friendly method using the Virtual Model Control (VMC) approach. In this approach, the effects of the coefficients of critical virtual spring and damper components on robot control have been examined. These virtual components play a significant role in the robot's adaptation to complex terrain conditions and in exhibiting stable behavior. Simulation results have demonstrated that the appropriate selection of virtual spring and damper parameters significantly benefits the walking balance, environmental adaptation, and error reduction in following given references for the quadruped mobile robot. The dynamic modeling and simulation of the robot were carried out with the integration of MATLAB\Simulink and MuJoCo. MuJoCo's advanced physics engine has facilitated the detailed and realistic simulation of dynamic processes, especially in studies where environmental interactions are prominent. The control and simulation of the quadruped robot were achieved using feedback signals from the robot modeled in the MuJoCo environment and control signals calculated by the VMC method developed in MATLAB\Simulink. The obtained results demonstrate that the VMC method can be effectively used in the motion control of quadruped robots.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    348684

    Quadruped locomotion reference synthesis with central pattern generators tuned by evolutionary algorithms

    Dört bacaklı robotlar için evrimsel algoritmalar kullanılarak merkezi örüntü üretimi yöntemiyle yürüme referansı ayarlanması

    ÖMER KEMAL ADAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KEMALETTİN ERBATUR

  2. Tez No

    791609

    Robust locomotion control for a quadruped robot with high payload capacity

    Başlık çevirisi yok

    ERİM CAN ÖZÇINAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ REGAİP BARKAN UĞURLU

  3. Tez No

    637543

    Model ayrıştırma temelli oran kontrol yapısı

    Model seperation based ratio control structure

    OSMAN ÇAKIROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA

  4. Tez No

    795981

    Uçak yer operasyonları için eş zamanlı simülasyon yöntemi ile uçak fren ve yönlendirme sistemleri geliştirme çalışmaları

    Development of aircraft brake and steering system using co-simulation method for aircraft ground operations

    SEFA SEMİZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Mühendislik BilimleriGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ARİF ADLI

  5. Tez No

    295837

    Uzaysal hareket eden taşıtların stewart platform mekanizması ile tek noktadan kuvvet geri beslemeli kontrolü

    Single point control of spatially moving vehicles using stewart platform mechanism enabling force feedback

    İBRAHİM YILDIZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Teorisi ve Dinamiği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. VASFİ EMRE ÖMÜRLÜ

Geri Dön