Geri Dön

Scalable mechanical design for quadruped robots

Dört ayaklı robotlar için ölçeklendirilebilir mekanik tasarım

PDF İndir

  1. Tez No: 886680
  2. Yazar: FARAZ RAHVAR
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDURRAHMAN YILMAZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Farsça
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 87

Özet

Dört ayaklı robotlar, özellikle hareket kabiliyetlerinin sabit robotlardan daha üstün olduğu deprem gibi afet senaryolarında özel görevler için vazgeçilmezdir. Bununla birlikte, bu robotların boyutlarının değiştirilmesi, mekanik gereksinimleri ve kontrol sistemlerini önemli ölçüde etkiler. Bu çalışma, ölçeklenebilirliğin farklı boyutlardaki tasarımlar üzerindeki etkilerini anlamayı amaçlayarak, ölçeklendirme sürecinde dört ayaklı robotların kontrol sistemlerini etkileyen temel mekanik parametreleri araştırmakta ve karşılaştırmaktadır. Standart bir yarı doğrudan tahrikli ticari dört ayaklı robot modeli kullanılarak, her biri robot boyutunu %30 oranında genişleten dört farklı boyutta simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlar, robot düz bir yüzey üzerinde sabit bir hızda yürürken statik ve dinamik kuvvetleri analiz etmektedir. Özellikle, gerekli tork, robot motorlarının enerji tüketimi, robot ayakları ile zemin arasındaki reaksiyon kuvvetleri ve taşımanın mekanik maliyeti incelenmektedir. Bu sonuçlar, eklemler de dahil olmak üzere mekanik analiz perspektifinden robotun kritik bileşenlerini kapsar ve çeşitli aktüatör mimarisi tasarımları için değerli referanslar sağlar. Bulgularımız, robot ölçeklendikçe tork, güç tüketimi ve reaksiyon kuvvetlerinin artışında mantıklı bir model ortaya koymaktadır. Bu içgörüler, bacaklı robotlar için ölçeklenebilir bir kontrol mimarisi geliştirmeye zemin hazırlamaktadır. Günümüzde robotların insan yaşamındaki hayati rolü yadsınamaz ve gereklidir. Özellikle dört ayaklı hayvanları taklit eden dört ayaklı robotlar, acil ve kritik durumlarda önemli roller üstlenmektedir. Bu tezde, hem robot parçalarının hem de yörünge uzunluğu ve yüksekliğinin boyutsal ölçeklendirmesini göz önünde bulundurarak dört ayaklı robotların tasarımını etkileyen farklı mekanik parametrelere derinlemesine odaklandık ve böylece potansiyel olarak Dört Ayaklı Robotlar (QR'ler) için ölçeklenebilir bir kontrol mimarisi elde ettik. QR'lerin ölçeklenebilirliği yeteneklerini önemli ölçüde artırabilir. Bir QR boyutunu ayarlayabilirse, düşman operasyonlarını gözlemlemek için enkaz altında kendini gizleyebilir veya deprem enkazı altındaki dar yollarda gezinebilir. Bu kabiliyetin elde edilmesi, ölçeklenebilir bir mekanik tasarım ve ölçeklenebilir bir kontrol mimarisi gerektirir. Bu tür bir mimari büyük ölçüde mekanik parametrelere dayanır. Bu ölçeklenebilir kontrol mimarisini gerçekleştirmek için, bu parametrelerin davranışlarını titizlikle izlemek ve aralarında ilişkiler kurmak zorunludur. Bu tezde, standart bir Unitree A1 robotunun düz bir yüzey üzerinde sabit bir hızda beş farklı senaryoda yürümesini içeren simülasyonlar gerçekleştirdik. Çağdaş dört ayaklı robotların tipik olarak kalçalarda dört ve dirseklerde dört motora sahip olduğu göz önüne alındığında, simülasyonumuz toplam sekiz motor kullanarak bu konfigürasyonu takip etti. Robotların uzunluğu, ilk üç senaryo boyunca birinci robottan dördüncü robota kadar 0,3 katsayısı ile kademeli olarak artırılmıştır. İkinci ve üçüncü senaryolarda, yörüngenin uzunluğu ve yüksekliği sırasıyla artırılmıştır. Buna karşılık, dördüncü ve beşinci senaryolarda sırasıyla kollar ve bacaklar ile gövde ölçeklendirilirken yörüngenin boyutları korunmuştur. Bir standart dört ayaklı robotunun kesin boyut çizimlerinin mevcut olmaması nedeniyle, çeşitli bileşenlerini mevcut robot boyutlarına yaklaşarak CATIA yazılımında tasarlamaya çalıştık. Daha sonra parçalar SolidWorks yazılımı kullanılarak birleştirildi. SolidWorks'teki hareket analizi aracını kullanan tezimiz, motor torku, motorların güç tüketimi, reaksiyon kuvvetleri, motor açısal yer değiştirmeleri, robotların doğrusal hızı ve mekanik taşıma maliyeti (MCOT) dahil olmak üzere çeşitli sonuçlar üretmeyi amaçlamaktadır. Bu sonuçları karşılaştırarak, amacımız ölçeklendirilmiş standart dört ayaklı robotun mekanik parametreleri arasında mantıksal ilişkiler kurmaktır. Bu çalışmanın bulguları, Quasi Direct Drive (QQDs) ve seri elastik robotlar gibi çeşitli aktüatör tasarım mimarileri için çıkarımlar içermektedir. Ölçeklendirme sırasında bu tür mimarilerin geliştirilmesi ve optimizasyonu hakkında bilgi verebilecek değerli içgörüler sağlarlar. Bildiğimiz kadarıyla, ölçeklendirme sırasında dört ayaklı robotların mekanik prensiplerindeki değişiklikleri inceleyen herhangi bir çalışma bulunmamaktadır. Araştırmamız, ölçeklendirme sırasında bu mekanik parametrelerin davranışını aydınlatmakta ve böylece dört ayaklı robotlarda ölçeklenebilir kontrol mimarisine yeni bir bakış açısı sunmaktadır. Bu çalışmada, robotu ölçeklendirirken QR'lerin kontrol sistemlerini etkileyen mekanik parametrelere ulaşmaya ve bunları karşılaştırmaya odaklanıyoruz. Bu amaçla, standart bir QR'ye etki eden tüm statik ve dinamik kuvvetleri analiz ettik. Bu verilerin elde edilmesiyle robot motorlarının gerekli tork ve enerjisi belirlenebilmektedir. Bu temel sonuçlar, bizi tüm QR'lere uygulanabilir bir kontrol algoritması geliştirmeye yöneltti. Bu araştırmanın sonuçları, farklı ölçeklerdeki ölçeklenebilir robotların verilerini ve fiziksel davranışlarını karşılaştırarak, kontrol bilimi alanındaki araştırmacıları, tüm QR'lerde uygulanabilecek QR'lerin SCA'sındaki ilerlemelere yönlendirebilir. Robotlar, örneğin depremlerde özel görevlerini yerine getirmek için sabit robotlara kıyasla ölçeklenebilme kabiliyetiyle çok faydalı yeteneklere sahip olabilirler. Elbette robotun boyutlarının değiştirilmesiyle robotu hareket ettirmek için gereken tork miktarı ve robota etki eden dinamik ve statik kuvvetler değişecektir. Bu değişiklikler robotun kontrolü üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Kontrol sistemine uygulanabilir ölçeklenebilir bir model oluşturmak için bu fiziksel değişikliklerden kaynaklanan çıktı verilerini farklı ölçeklerde hesapladık. Dört ayaklılar köpek, kedi, at ve deve gibi dört ayaklı hayvanlardır. Robotikte QR'ler, dört ayaklı bir hayvanın hareketini taklit edecek şekilde hareket etmek üzere tasarlanmış dört ayaklı biyolojik olarak esinlenmiş robotlardır. QR'ler genellikle zorlu arazilerden geçme, ağır yük taşıma veya insanlar için tehlikeli olan ortamlarda görev yapma gibi belirli hedefler göz önünde bulundurularak tasarlanır. Bu tezi yürütmek için gerekli motivasyon, QR'lere kontrol ve mekanik tasarım uygulamak için bir model elde etmektir. Başka bir deyişle, bu robotların mekanik tasarımında ölçeklenebilirlik sağlanarak, farklı boyutlardaki QR'lere uygulanabilir bir kontrol sistemi tasarlamak amacıyla kabul edilebilir bir model elde edilebilir. Bu yaklaşım, robota çeşitli durumlarda uygulanan dinamik ve statik analizlerin sonuçlarının robotun boyutlandırılması ve kontrolü için değerli veriler olarak kullanılmasını sağlar. Bu amaçların yerine getirilmesiyle, bu çalışmanın önemli pratik ve bilimsel etkileri olabileceği gibi, en ileri robotik teknolojisinin geliştirilmesine de katkıda bulunabilir. Dört ayaklı robotlar, özellikle felaket senaryolarında, hareket kabiliyetlerinin genellikle statik gövdeli robotlardan daha iyi performans gösterdiği özel görevler için paha biçilmez yetenekler sergilemektedir. Ancak, bu robotların boyutlarının değiştirilmesi mekanik gereksinimlerini ve kontrol sistemlerini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışma, kalça ve baldır torku, kalça ve baldır güç tüketimi, uç efektör ile zemin arasındaki reaksiyon kuvvetleri ve ölçeklendirilmiş robotların üç farklı senaryoda taşınmasının mekanik maliyeti dahil olmak üzere temel mekanik parametreleri araştırmayı ve karşılaştırmayı amaçlamıştır. Amacımız, bunların ölçeklendirme sırasında dört ayaklı robotların dinamikleri üzerindeki etkilerini gözlemlemektir. Başka bir deyişle, bu robotların mekanik tasarımında ölçeklenebilirlik sağlanarak, farklı boyutlardaki QR'lere uygulanabilir bir kontrol sistemi tasarlamak amacıyla kabul edilebilir bir model elde edilebilir. Bu yaklaşım, robota çeşitli durumlarda uygulanan dinamik ve statik analizlerin sonuçlarının robotun boyutlandırılması ve kontrolü için değerli veriler olarak kullanılmasını sağlar. Bu amaçların yerine getirilmesiyle, bu çalışmanın önemli pratik ve bilimsel etkileri olabileceği gibi, en ileri robotik teknolojisinin geliştirilmesine de katkıda bulunabilir. Dört ayaklı robotlar, özellikle felaket senaryolarında, hareket kabiliyetlerinin genellikle statik gövdeli robotlardan daha iyi performans gösterdiği özel görevler için paha biçilmez yetenekler sergilemektedir. Ancak, bu robotların boyutlarının değiştirilmesi mekanik gereksinimlerini ve kontrol sistemlerini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışma, kalça ve baldır torku, kalça ve baldır güç tüketimi, uç efektör ile zemin arasındaki reaksiyon kuvvetleri ve ölçeklendirilmiş robotların üç farklı senaryoda taşınmasının mekanik maliyeti dahil olmak üzere temel mekanik parametreleri araştırmayı ve karşılaştırmayı amaçlamaktadır. Amacımız, bunların ölçeklendirme sırasında dört ayaklı robotların dinamikleri üzerindeki etkilerini gözlemlemektir.

Özet (Çeviri)

Nowadays, the vital role of robots in human life is not only undeniable, but it is also essential. Quadruped robots, in particular, which mimic four-legged animals, have been significantly crucial in emergency and critical situations. In this thesis, we deeply focused on different mechanical parameters affecting the design of quadruped robots while considering the dimensional scaling of both robot parts and trajectory length and height, thereby potentially leading us to achieve a scalable control architecture for Quadruped Robots (QRs). The scalability of QRs can significantly enhance their capabilities. If a QR can adjust its size, it can quickly conceal itself under debris to observe enemy operations or navigate through narrow pathways under earthquake rubble. Achieving this ability necessitates a scalable mechanical design, which in turn requires a scalable control architecture. Such an architecture relies heavily on mechanical parameters. To realize this scalable control architecture, it is imperative to meticulously monitor the behavior of these parameters and establish relationships among them. In this thesis, we conducted simulations involving a standard commercial quadruped robot, Unitree A1, walking on a flat surface at a constant speed across five distinct scenarios. Given that contemporary quadruped robots typically feature four motors in the hips and four in the elbows, our simulation followed this configuration, employing a total of eight motors. We just focused on walking forward direction. So lateral movements and turning and other disturbance rejection capabilities are ignored. There are four different sizes of the robot, each expanding the robot size by 30%. In the first scenario, we define the length and height of the trajectory as 120 mm and 27 mm, respectively to observe the effect of scaling. In the second scenario, we increased the length of the trajectory from 120 mm to 165 mm to observe the effect of length increase in trajectory. Then in the third scenario, we defined the length of the trajectory as 165 mm while increasing the height of the trajectory from 27 mm to 40 mm to observe the effect of the step height increase. The fourth scenario maintains the same trajectory length and height as the second scenario, and robot scaling remains consistent except for the Torso to observe the effect of Torso. The Torso retains the dimensions of the Torso of the fourth robot in scenario two (the longest). The linear velocity in all scenarios is 250 mm/s and the robots walk on a flat terrain. Due to the unavailability of precise dimension drawings of the Unitree A1 robot, we endeavored to design its various components in CATIA software, approximating existing robot dimensions. Subsequently, the parts were assembled using SolidWorks software. Leveraging the motion analysis tool within SolidWorks, our thesis aims to generate diverse outcomes, including motor torque, power consumption of the motors, reaction forces, motor angular displacements, linear velocity of the robots, and the mechanical cost of transport (MCOT). By comparing these outcomes, our goal is to establish logical relationships among the mechanical parameters of a standard commercial quadruped robot. The findings of this study hold implications for various actuation design architectures, such as Quasi Direct Drive (QQDs) and series elastic robots. They provide valuable insights that can inform the development and optimization of such architectures while scaling. In conclusion, to the best of our knowledge, there have been no studies examining changes in the mechanical principles of quadruped robots during scaling. Quadruped robots are highly effective in specialized tasks, especially in disaster scenarios like earthquakes, where their mobility outperforms fixed robots. However, altering the dimensions of these robots significantly affects their mechanical and control requirements. This study examined key mechanical parameters, including hip and calf torque, power consumption, reaction forces, and mechanical cost of transport across five different scaling scenarios using simulations with a Unitree A1 quadruped robot. The simulations revealed that while the behavioral patterns of the robots remained consistent, the mechanical demands increased with the elongation of the torso, arms, and legs. Significant changes in angular velocity and displacement of limbs were observed, correlating with motor performance. Successful scaling depends on the motors' ability to handle maximum torque and power consumption requirements while maintaining necessary angular velocity. The study found a consistent mechanical cost of transport (MCOT) across scenarios, with a decrease as trajectory length and height increased, highlighting the importance of minor mechanical variations on energy efficiency. These results provide valuable insights for designing various actuator architectures, not limited to a single actuator type, thereby enhancing their applicability. The research identifies a clear pattern of torques, power consumptions, and reaction forces as the robots scale in size. Future research aims to use this data to develop a scalable control architecture, integrating machine learning. Our research elucidates the behavior of these mechanical parameters during scaling, thereby offering a novel perspective on scalable control architecture in quadruped robots. On the other hand, in scenario five, only the Torso is scaled while the arms and legs retain the dimensions of robot three in scenario two.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    201903

    Modular embedded system design/implementation for mechatronics education and research

    Mekatronik eğitimi ve araştırmaları için modüler tümleşik sistem tasarımı/uygulanması

    ALİ ÖZGÜ NURSAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BUĞRA KOKU

    YRD. DOÇ. DR. MELİK DÖLEN

  2. Tez No

    781256

    Structural transformation: Designing structural building elements informed from bone morphology

    Yapısal dönüşüm: Kemik morfolojisinden öğrenilmiş yapı elemanlarının tasarlanması

    ŞEVVAL ÇÖLOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    MimarlıkOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ARZU SORGUÇ

  3. Tez No

    761696

    Multi scalable design and performance characterization of glass fiber reinforced epoxy composites by incorporation of hexagonal boron nitride in resin and on interfaces

    Cam elyaf takviyeli epoksi kompozitlerin reçine ve arayüzeylere hegzagonal bor nitrür dahil edilmesi ile çok ölçeklenebilir tasarımı ve performans karakterizasyonu

    SAMET ÖZYİĞİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

  4. Tez No

    798214

    Analysis and design of a constant force gripper

    Sabit kuvvetli bir kıskacın analizi ve tasarımı

    TURAN SOYÖZEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ENGİN TANIK

  5. Tez No

    830124

    Design and synthesis of green nanostructures and their applications

    Yeşil nano yapıların tasarımı ve sentezi ve uygulamaları

    MILAD TORABFAM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MERAL YÜCE

    DOÇ. DR. MUSTAFA KEMAL BAYAZIT

Geri Dön