Geri Dön

Adaptive control of a six dof robot manipulator

Altı serbestlik dereceli bir robot manipülatörün adaptif kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 930052
  2. Yazar: MUHAMMET UMUT DANIŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 87

Özet

Endüstriyel robot manipülatörler endüstride tut ve yerleştir, boyama, paketleme, montaj, kaynak ve malzeme işleme gibi endüstriyel uygulamalarda kullanılır. Robotların performanslarının iyileştirilmesi, robotların kullanıldığı görevlerdeki verimi ve doğruluğu artırmak için önemli bir görevdir. Kontrol algoritması robotun doğruluk, yörünge izleme hatası, kontrol eforu gibi performas kriterlerini etkileyen önemli bir parçasıdır. Robotun dinamik modelini temel alan kontrol algoritmalarının performansı dinamik modeldeki belirsizlikler hesaba katılmadığı takdirde kötüleşebilir. Bu belirsizliklerle başa çıkmak için genellikle uyarlamalı ve dayanıklı kontrol kullanılır. Uyarlamalı kontrol bu belirsizlikleri hesaba katmak için gerçek zamanlı bir parametre uyarlama mekanizması bulundurmaktadır. Uyarlamalı kontrolün dayanıklı kontrole göre gerçek zamanlı performans iyileştirmesi avantajı bulunmaktadır. Bu yüzden robotun dinamik modelindeki bozucu etkiler ve belirsizliklerin varlığında uyarlamalı kontrol cazip bir yaklaşımdır. Robot manipülatörlerin uyarlamalı kontrolü ile ilgili literatürde teorik çalışmalar bulunmakla birlikte bu çalışmalarda genellikle altı serbestlik dereceli robot manipülatör gibi karmaşık ve yüksek derecede nonlineer sistemler üzerinde deneysel çalışma yapılması konusunda eksiklik bulunmaktadır. Teorik tasarım, analiz ve bilgisayar simülasyonları genellikle sürtünme etkisi, modellenmemiş yüksek frekans dinamikleri ve ölçüm gürültüsü gibi kontrol sisteminin kararlılığı ve performansını etkileyen etkileri ihmal etmektedir. Bu nedenle teorik analiz ve simülasyonların sonuçlarını doğrulamak için deneysel çalışmalar gerekmektedir. Bu çalışmada daha önceki bir çalışmada önerilen uyarlamalı kontrol algoritmasının altı serbestlik dereceli robot manipülatöre uygulanması sunulmaktadır. Ayrıca sürekli hal hatalarını azaltmak amacıyla orijinal kontrol kanununa bir integral terimi de eklenmiştir. Uygulanan uyarlamalı kontrol algoritmasının performansını analiz etmek için değişken yüklerde belli bir yörüngeyi izlemesi sağlanmıştır. Deneyler Stäubli RX160 robot manipülatörü üzerinde gerçekleştirilmiştir. Uyarlamalı kontrol algoritmasının performansı değişken yükler için hesaplanmış tork kontrolü ve pasiflik bazlı kontrol olmak üzere iki uyarlamalı olmayan kontrol yaklaşımının performasıyla karşılaştırılmıştır. Bu tez beş bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde tezin amacı, literatür taraması ve deneylerde kullanılan endüstriyel robot sistemi ile ilgili temel bilgiler verilmektedir. Robotun genel ölçüleri, çalışma uzayı, kontrolcüsü ve kontrol algoritmalarının uygulanmasına imkan tanıyan yazılım arayüzü ile ilgili temel bilgiler verilmiştir. İkinci bölüm robot manipülatörlerin kinematik ve dinamik modellemesinin temellerinin yanı sıra sürtünme ve yay etkileri için kullanılan modellerden bahsetmektedir. Öncelikle konum ve oryantasyonun kartezyen koordinatlarda temsil edilmesine yönelik temel bilgiler verilmiştir. Eksen dönüşümleri için kullanılan dönme matrisleri ve oryantasyonun temsil edilmesinde kullanılan Euler açıları açıklanmıştır. Robotun ileri kinematik modeli verilen eklem açıları için robotun uç işlevcisinin konum ve oryantasyonunu veren modeldir. İleri kinematik modelin elde edilmesinde kullanılan Denavit-Hartenberg yöntemi açıklanmıştır. Ters kinematik model ise verilen robot uç işlevcisi konum ve oryantasyonu için gereken eklem açılarını veren modeldir. Ters kinematik modelin elde edilmesi için kinematik ayrıştırma yönteminden bahsedilmiştir. Hız kinematiği eklem açısal hızları ile robot uç işlevcisinin doğrusal ve açısal hızları arasındaki ilişkiyi vermektedir. Hız kinematiğine ilişkin denklemler verilmiştir. Robotun dinamik modeli robotun hareketi ile üzerine etkiyen kuvvet ve momentlerin arasındaki bağlantıyı gösteren modeldir. Dinamik modelleme için Euler-Lagrange, Newton-Euler ve değiştirilmiş Newton-Euler yöntemleri anlatılmıştır. Euler-Lagrange yöntemi daha çok kontrol sistemi tasarımı için kullanılırken Newton-Euler yöntemi iteratif yapısı sayesinde daha hızlı hesaplama imkanı sağladığından dinamik modelin simülasyonlarda veya kontrolcüde gerçek zamanlı olarak hesaplanmasında kullanılır. Newton-Euler yöntemi hesaplanmış tork kontrolcüsünde dinamik modelin gerçek zamanlı olarak hesaplanmasında kullanılırken pasiflik bazlı ve uyarlamalı kontrolcüde ikinci bir hız ifadesinin tanımlanmasından dolayı kullanılamamaktadır. Bu nedenle bu kontrolcülerde değiştirilmiş Newton-Euler modeli kullanılmaktadır. Değiştirilmiş Newton-Euler modeli ayrıca uyarlamalı kontrolcünün yapısında bulunan regresör matrisinin hesaplanmasında da kullanılmaktadır. Ayrıca sürtünme ve yay etkileri için aynı robot üzerinde daha önce gerçekleştirilen bir çalışmada baz alınan model ve tanılanan parametre değerleri verilmiştir. Sürtünme için Coulomb, viskoz ve Striebeck etkilerini modelleyen bir model kullanılırken yay etkileri için kullanılan robotun karakteristiğine uygun olarak nonlineer bir model kullanılmıştır. Üçüncü bölüm deneylerde uygulanan kontrol algoritmaları için teorik altyapıyı vermektedir. Hesaplanmış tork kontrolü, pasiflik bazlı kontrol ve adaptif kontrol için kontrol kanunları ve blok diyagramları verilmektedir. Hesaplamalı tork kontrolü ve pasiflik bazlı kontrolcü için konum ve hız hatalarının sıfıra yakınsamasının dinamik modelin tamamıyla bilindiği varsayımına bağlı olduğu, uyarlamalı kontrolcü için bu varsayıma gerek olmadan konum ve hız hatalarının sıfıra yakınsadığı belirtilmiştir. Uyarlamalı kontrolcünün kontrol kanununa eklenen integral terimi ile birlikte Lyapunov kararlılık analizi yapılmış ve konum hatasının sıfıra yakınsaması için pozitif tanımlı köşegen kazanç matrislerinin yeterli olduğu gösterilmiştir. Pasiflik bazlı kontrol ile uyarlamalı kontrol algoritmasındaki benzerliğe dikkat çekilmiştir. İki kontrolcü yapısı arasındaki temel farkın adaptasyon kanunu ve eklenen integral terimi olduğu belirtilmiştir. Dördüncü bölüm bu çalışmanın deneysel sonuçlarını vermektedir. Hesaplamalı tork kontrolü, pasiflik bazlı kontrol ve uyarlamalı kontrol olmak üzere üç kontrolcünün değişken yükler taşıması durumunda yörünge izleme performansları karşılaştırılmıştır. Değişken yüklerden kaynaklanan dinamik modeldeki belirsizliğin uygulanan üç kontrolcünün performansını nasıl etkilediği irdelenmiştir. Yörüngeler eklem uzayında oluşturulmuştur. Oluşturulan yörüngeler seç ve yerleştir uygulamalarını temsil etmektedir. Taşınan değişken yüklerin dinamik modeldeki belirsizliği temsil edebilmesi sebebiyle seç ve yerleştir uygulamaları seçilmiştir. Yörüngeler robotun çalışma uzayında rastgele seçilen 15 noktanın ardışık olarak eklem uzayında beşinci mertebeden polinomlarla birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Deneyler yüksüz durum ve 3 kg, 5 kg, 7 kg ve 9 kg yükün taşındığı durumlar için tekrarlanmıştır. Değişken yükler için konum hataları, hız hataları, tork değerleri ve rms konum hataları deneylerde uygulanan üç kontrolcü için karşılaştırılmıştır. Uyarlamalı ve pasiflik bazlı kontrolcüler için konum hatalarının maksimum değerleri altıncı eklem dışında 5 dereceyi aşmazken hesaplamalı tork kontrolünde bu değer 50 dereceye kadar çıkmaktadır. Altıncı eklem için ise maksimum konum hatası değerleri pasiflik bazlı ve hesaplamalı tork kontrolcüler için 10 dereceyi bulmakta, uyarlamalı kontrolcü içinse 20 dereceye ulaşmaktadır. Pasiflik bazlı kontrolcü ile uyarlamalı kontrol arasındaki temel farkın adaptasyon kazancı olduğu düşünülürse adaptasyon kazancının ince ayarlanması uyarlamalı kontrolcünün performansını artırmaya yardımcı olabileceği düşünülebilir. Tork değerlerine bakıldığında ise üç kontrolcü için benzer tork değerleri görülmekle birlikte uyarlamalı kontrolcüde çatırtı etkileri gözlenmektedir. Kontrol kanununa eklenen integral teriminin süreksiz yapısından dolayı bu etkiye sebep olduğu tahmini yürütülebilir. Son olarak sonuçlara yönelik açıklamalar beşinci bölümde verilmektedir. Deneysel sonuçlar konum hatalarının rms değerlerindeki taşınan yüklere göre değişiminin altıncı eklem dışındaki eklemlerde genellikle uyarlamalı kontrolcü için diğer kontrolcülere göre daha az olduğunu göstermiştir. Hesaplamalı tork kontrolcüsünün ise yük değişimlerinden önemli ölçüde etkilendiği görülmektedir. RMS konum hatalarındaki değişimlerin ortalama değerleri uyarlamalı kontrolcü için %43, pasiflik bazlı kontrolcü için %95, hesaplamalı tork kontrolcüsü için %318 olarak bulunmuştur. Buna göre uyarlamalı kontrolcünün yüklerdeki değişime en az duyarlı kontrolcü, hesaplamalı tork kontrolcüsünün ise en duyarlı kontrolcü olduğu görülmüştür. Uyarlamalı kontrolcü tarafından gerçek zamanlı olarak hesaplanan dinamik parametrelere bakıldığında ise bu parametrelerin tam olarak gerçek değerlerine yakınsamadığı söylenebilir. Adaptasyon kanununun dinamik parametreleri yalnızca konum ve hız hatalarına bağlı olarak güncellediği göz önüne alındığında bu durumun beklendiği söylenebilir.

Özet (Çeviri)

Robot manipulators are used in the industry for industrial applications such as pick and place, painting, packaging, assembly, welding and machining. Performance improvement of the robots is important for increasing efficiency and accuracy in the tasks where the robots are used. Control algorithm is a vital part of the robot that effects the performance of the robot. The performance of the control algorithms based on the dynamic model of the robot may degrade under uncertainties associated with the dynamic model of the robot if they are not accounted for. Generally, adaptive or robust control is used to cope with these uncertainties. Adaptive control includes an online parameter adaptation mechanism to take these uncertainties into account. Adaptive control has the advantage of the online performance improvement over robust control. Therefore, adaptive control is an appealing approach for the control of the robot manipulators in the presence of disturbances and uncertainties in the dynamic model of the robot. In this study an adaptive control algorithm proposed by an earlier study implemented on a six-DOF robot manipulator. Experiments are accomplished on a Stäubli RX160 robot manipulator. An integral term is also added to the original control law to reduce steady-state errors. Performance of the adaptive control algorithm is compared to performace of the two non-adaptive approaches for varying payloads, namely computed torque control and passivity-based control. This thesis consists of five chapters. In the first chapter purpose of the thesis, literature review and basic information about the industrial robot system used in the experiments are given. Second chapter mentions basics of kinematic and dynamic modeling of robot manipulators as well as models for friction and spring effects. Third chapter gives theoretical background for the control algorithms implemented in the experiments. Control laws and block diagrams for computed torque control, passivity-based control and adaptive control are given. Fourth chapter gives the experimental results of this study. Position errors, velocity errors, torque values and rms position errors for varying payloads are compared to each other for the three controllers implemented in the experiments. Finally concluding remarks are given in the fifth chapter.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    46227

    Bulanık adaptif kayan kipli robot kontrolü

    Başlık çevirisi yok

    RAGIP MUSTAFA BAŞBUĞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    DOÇ.DR. FUAT GÜRLEYEN

  2. Tez No

    296841

    MR sönümleyici ile yapıların titreşim kontrolü

    Vibration control of structures by MR dampers

    ŞABAN ÇETİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELİM SİVRİOĞLU

    PROF. DR. İSMAİL YÜKSEK

  3. Tez No

    798375

    Robust and intelligent control of unmanned aerial vehicles

    İnsansız hava araçlarının akıllı ve gürbüz kontrolü

    ABDURRAHMAN BAYRAK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolHacettepe Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ÖNDER EFE

  4. Tez No

    938371

    Coordination and control of a swarm of missiles

    Bir füze sürüsünün koordinasyonu ve kontrolü

    BURAK YÜCEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Aviyonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEYSEL GAZİ

  5. Tez No

    895528

    Quantitative analysis of aircraft aerodynamic derivatives using the least squares method in a six degrees of freedom flight simulation environment

    Uçak aerodinamik türevlerinin altı serbestlik dereceli uçuş benzetim ortamında en küçük kareler yöntemi ile kantitatif analizi

    FURKAN ALTINIŞIK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR

Geri Dön