A single actuator modular miniature robot capable of maneuverable multi-legged locomotion through anisotropically arranged soft backbones
Anizotropik olarak yerleştirilmiş yumuşak omurgalar sayesinde manevra kabiliyeti yüksek çok ayaklı hareket yapabilen tek aktuatörlü modüler minyatür robot
- Tez No: 969517
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ONUR ÖZCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Engineering Sciences, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, tek bir aktüatörle tahrik edilen modüler bir minyatür robotun tasarımını, modellenmesini ve kontrolünü sunmaktadır. Robot, PDMS malzemesinden üretilmiş, anizotropik olarak yerleştirilmiş yumuşak I-kiriş sırt yapılarıyla birbirine bağlanan, işlevsel olarak farklı bacaklı modüllerden oluşmaktadır. Bu sırt yapıları, yönsel uyumluluk kazandırmakta ve dengesiz dönen bir kütleden kaynaklanan kontrollü titreşimle birleştiğinde, bacaklarda ileri, yanal ve dönme hareketleri gibi çeşitli yürüme desenlerinin ortaya çıkmasını sağlamakta, böylece ilave aktüatörler veya karmaşık mekanik yapılar gerektirmemektedir. Sırt yapıların yönelimini tanımlamak için tek bir skaler parametre olan $alpha$ tanıtılmıştır. Yüksek doğrulukta dinamik bir modelolan MuJoCo ortamında geliştirilmiş ve sırt yapılarının esnekliği, çok segmentli döner mafsal zincirleriyle modellenmiştir. Mafsal parametreleri fiziksel salınım deneyleriyle belirlenmiş ve Bayesyen optimizasyon yoluyla hassaslaştırılmıştır. Sürtünme değişikliklerine karşı dayanıklılık ve hassasiyet arasındaki dengeyi değerlendirmek için bir etkinlik indeksi tanımlanmıştır. Buna ek olarak, robotun geometrik merkezinde dönmesini sağlayarak 2B hareketi mümkün kılan kontrol sinyallerini öğrenmek amacıyla bir pekiştirmeli öğrenme algoritması kullanılmıştır. Bu davranış simülasyonda doğrulanmış ve dar bir yol boyunca gezinme görevinde kullanılmıştır.Genel olarak bu çalışma, akıllı mekanik tasarımın öğrenmeye dayalı kontrolle birleştirilmesinin, sınırlı donanıma sahip düşük dereceli sistemlerde uyarlanabilir hareket kabiliyeti sağladığını göstermektedir. Elde edilen bulgular, dar ve yapılandırılmamış ortamlarda çalışabilen, uyumlu ve ölçeklenebilir robotların tasarımına ışık tutmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents the design, modeling, and control of a modular miniature robot with a single actuator. The robot has functionally diverse passive legged modules that are connected by anisotropically positioned soft I-beam PDMS backbones. These provide directional compliance and combined with controlled vibration by an unbalanced rotating mass, they allow generating multiple gaits in the legs that cause forward, lateral, and rotational locomotion without the use of additional actuators or added mechanics. A scalar parameter, $\alpha$, was incorporated to define the orientations of the backbones. It enabled efficient characterization of locomotion at various frequencies of actuation. The robot has a high-fidelity dynamic model in which the flexibility in the backbones was simulated by multi-segmented revolute joint chains. The joint parameters are obtained by performing a series of oscillation experiments in the physical system and optimized using Bayesian optimization. An effectiveness index was assembled based on the system robustness alongside sensitivity to variation in friction. Additionally, the control signals to be applied by the rotation of the system around the robot geometry center, in order to generate 2D locomotion, are learned using a reinforcement learning algorithm. The outcome of the behavior was verified in simulation, and applied to maneuver through a tight path. Overall, this work demonstrates that anisotropic and asymmetric mechanical design, in conjunction with learning-based control, enables adaptive locomotion in underactuated systems using minimal hardware. The outcome instigates the development of compliant robots that can scale for deployment in constrained, alongside unstructured, environments.
Benzer Tezler
- Design, modeling, and characterization of modular robots with magnetic connection mechanisms and single-actuator modular miniature robots
Manyetik bağlantı mekanizmalarına sahip modüler robotların ve tek aktüatörlü modüler minyatür robotların tasarımı, modellenmesi ve karakterizasyonu
YİĞİT YAMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR ÖZCAN
- Swarm fighter aircraft control with deep reinforcement learning approach
Derin pekiştirmeli öğrenme ile sürü savaş uçaklarının kontrolü
METİN SARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- İşbirlikçi robotların haptik arayüzlerle teleoperasyonu
Haptic teleoperation of cooperating robots
ÖMER FARUK ARGIN
Doktora
Türkçe
2021
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
- Design of a modular mobile multi robot system: ULGEN (Universal-Generative Robot)
Modüler mobil çoklu robot sistemi tasarımı: ULGEN (Universal-Generative Robot)
HASAN ERCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. PINAR BOYRAZ
- Mechatronic design of a modular three-axis slider system for high-precision positioning applications
Yüksek hassasiyetli pozisyonlama uygulamaları için modüler üç-eksenli kızak sisteminin mekatronik tasarımı
ERVA ULU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. MELİH ÇAKMAKÇI