Evaluation of spinal flexibility effect on galloping performance in quadruped robots
Dört ayaklı robotların dörtnala koşu performansı üzerinde omurga esnekliğinin etkisinin incelenmesi
- Tez No: 978073
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, dört ayaklı (quadruped) robotların dinamik ve kinematik hareket performanslarını iyileştirmek amacıyla önerilen özgün bir konfigürasyon değişikliği sunulmakta ve bu yeni yapı, geleneksel dört ayaklı robot mimarisiyle kapsamlı şekilde karşılaştırılmaktadır. Sunulan bu tasarım değişikliği, robotun omurga hattı boyunca ilave bir eklem (mafsal) yerleştirilmesini içermektedir. Bu eklem, sistemin omurgasına esneklik kazandırarak, gerçek hayattaki dört ayaklı canlıların, özellikle yüksek hızda koşabilen çitaların, omurga hareketlerine benzer dinamik özellikler göstermesini mümkün kılmaktadır. Böylece, doğal sistemlerin biyomekanik avantajlarından yararlanılarak robotun hem çevikliği hem de stabilitesi artırılmaya çalışılmıştır. Biyolojik esinli bu yaklaşım, robotik sistemlerin daha gerçekçi hareketler sergilemesine olanak sağlayan önemli bir adımı temsil etmektedir. Gerçek hayvanlardaki omurga hareketleri, koşu sırasında enerji verimliliğini ve hız kapasitesini artırmaktadır. Bu bağlamda, çitanın omurga yapısını modelleyerek geliştirilen esnek bel yapısının, robotun atiklık, esneklik ve hız gibi performans kriterlerine doğrudan katkı sağlayabileceği varsayılmıştır. Simülasyon ortamında bu sistemin davranışlarını inceleyebilmek amacıyla, hem kinematik hem de dinamik modelleme adımları birbirini tamamlayacak şekilde planlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Gerçekçiliği artırmak amacıyla, robotun boyutsal ölçüleri, kütlesi, segment uzunlukları ve eklem yerleşimleri, çitanın ortalama anatomik değerleri referans alınarak belirlenmiştir. Geleneksel rijit omurgalı yapıda, her bir bacak üç serbestlik derecesine sahip olacak şekilde modellenmiş ve toplamda on iki eklemden oluşan bir sistem elde edilmiştir. Buna karşılık, önerilen yeni konfigürasyonda, gövde üzerine yerleştirilen ek bir bel eklemi sayesinde robot toplamda on üç serbestlik derecesine sahip olacak şekilde yapılandırılmıştır. Bu sayede, omurganın hareketine bağlı olarak gövdenin salınım yapabilmesi sağlanmış ve daha doğal bir koşu mekanizması simüle edilmiştir. İleri kinematik modelin oluşturulması aşamasında, her bir bacak ile robot gövdesi ve dünya koordinat sistemleri arasındaki dönüşüm matrisleri detaylı biçimde türetilmiştir. Bu dönüşümler, bacak uçlarının (ayakların) üç boyutlu uzaydaki konumlarını doğru biçimde tanımlayarak, robotun tüm vücut koordinasyonunun modellenmesine olanak sağlamaktadır. Aynı zamanda, gövdenin sabit dünya eksen takımına göre sahip olduğu konum ve yönelim de hesaplanarak robotun global düzlemdeki hareketi modellenmiştir. Bu süreçte elde edilen kinematik bilgiler, daha sonra kullanılacak dinamik simülasyonların doğruluğunu da doğrudan etkilemektedir. xxiv Elde edilen ileri kinematik model üzerine oturtulan hareket planlaması aşamasında, robotun izlemesi gereken referans yörüngeler oluşturulmuştur. Bu yörüngeler, robotun çeşitli yürüme desenlerinde nasıl hareket edeceğini belirlemek için kullanılmıştır. Statik yürüme ve dörtnala koşma gibi farklı yürüyüş paternleri test edilmiş, fakat omurga esnekliğinin etkisini en iyi şekilde değerlendirmek adına“dörtnala koşma”(galloping) deseni üzerinde yoğunlaşılmıştır. Bu yürüyüş paterninde, omurga hareketinin adım uzunluğu ve yerle temas süresi gibi parametreleri belirgin biçimde etkilediği göz önüne alınmıştır. Belirlenen referans hareketlerin robot tarafından uygulanabilmesi için ters kinematik modeli geliştirilmiş ve her bir bacak için bağımsız çözümler üretilmiştir. Bu model sayesinde, ayakların gövdeye göre konumları, eklem açıları cinsinden analitik ifadelerle modellenmiş ve zamana bağlı olarak elde edilmiştir. Böylece, tüm kinematik gereksinimler karşılanmış ve istenen koşu hareketi simülasyon ortamında başarıyla tanımlanmıştır. Kinematik modelleme, ideal koşullarda sistemin hedef hareketi nasıl gerçekleştireceğini göstermektedir. Ancak bu hareketin fiziksel gerçeklik içinde sürdürülebilir olup olmadığını test etmek için dinamik modelleme yapılması gereklidir. Bu bağlamda, en kritik bileşenlerden biri olan yer tepki kuvvetlerinin belirlenmesi için detaylı bir analiz gerçekleştirilmiştir. Her bir bacağın zemine temas durumu dikkate alınarak, bu kuvvetler MATLAB programında yer alan“quadrprog”adlı doğrusal optimizasyon fonksiyonu kullanılarak hesaplanmıştır. Yer tepki kuvvetlerinin doğru şekilde elde edilmesi, hem dinamik denge hem de gerçekçi tork hesaplamaları için zorunludur. Bu kuvvetlerin yardımıyla, ters dinamik modeli kullanılarak zamana bağlı şekilde eklem torkları hesaplanmış ve sistemin kuvvet aktarımı matematiksel olarak modellenmiştir. Daha sonra, ileri dinamik simülasyonu gerçekleştirilerek, elde edilen bu torkların kinematik modelde tanımlanan hareketi üretip üretemeyeceği test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, dinamik modellemenin kinematik hedeflere oldukça yakın çıktılar verdiğini ve robotun davranışının fiziksel olarak tutarlı olduğunu göstermiştir. Rijit-omurgalı robota kıyasla fazladan omurga üzerinde bir serbetlik derecesi alan esnek omurgalı robotun omurga eklemi açısına göre, ileri kinematik, ters kinematik ve dinamik modelleri tekrardan hesaplanmıştır. Dinamik modellemesi yapılırken, omurganın serbest cisim diyagramı çıkarılmıştır. Daha önceden hesaplanan yer tepki kuvvetlerine göre bel eksenindeki eklem torkları zamana bağlı olarak hesaplanmıştır. Simülasyon sonuçları genel olarak değerlendirildiğinde, hem rijit hem de esnek omurgalı robot konfigürasyonlarının düşük hızlardaki yürüyüş desenlerinde benzer performans gösterdiği anlaşılmıştır. Ancak yüksek hızlı hareketler söz konusu olduğunda, özellikle dörtnala koşma gibi dinamik ve ani yüklemelerin meydana geldiği paternlerde, esnek omurgaya sahip olan robotun belirgin bir performans üstünlüğü sağladığı görülmüştür. Bu durum, omurgaya eklenen ilave eklemin, dört ayaklı robotların çevikliğini anlamlı ölçüde artırabildiğini göstermektedir. Öte yandan, esnek omurgalı konfigurasyon düşük hızlardaki enerji verimliliği bakımından dezavantajlı olduğu görülmüştür. Bu çalışma, omurga esnekliğinin, gelecekte geliştirilecek biyomimetik robotlar için dikkate alınması gereken temel unsurlardan biri olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, a configuration modification aimed at improving the performance of quadruped robots is proposed, and a comparative analysis is conducted between the conventional quadruped structure and the modified version. The proposed change involves the addition of an extra joint along the robot's spine. This modification aims to emulate the spinal flexibility observed in real quadrupedal animals such as cheetahs. Comparative simulations of the rigid- and flexible-spine robots were performed using MATLAB. To enable both dynamic and kinematic simulation of quadruped robots, several modeling stages were followed. To enhance realism, the robot's dimensions and physical properties were derived from the average characteristics of a cheetah. In the rigid-spine configuration, each leg contains three joints, totaling twelve joints overall. These joints were defined to reproduce the motion capabilities of a real cheetah. To construct the forward kinematic model, the coordinate transformations between each leg and both the body and world frames were derived. These transformation relationships are essential for the simulation. Once the forward kinematic model was established, the motion trajectories required for the simulation were generated. Although various gait patterns were tested, the“galloping”gait was selected, as spinal flexibility was expected to be most beneficial in this case. Following trajectory definition, an inverse kinematics model was developed to determine the joint configurations required to track the reference trajectory. Through separate inverse kinematic solutions for each leg, the foot positions relative to the body frame were expressed as functions of joint angles. Thus, all kinematic requirements were fulfilled and the galloping simulation was executed. The kinematic simulation represents the desired trajectory in ideal conditions. The feasibility of this motion in the real world is validated through the dynamic model. The most critical component of the dynamic model is the ground reaction forces at the feet. Depending on the contact state of each leg, these forces were computed using an optimization-based approach. With these forces, joint torques were obtained through inverse dynamics as functions of time. Subsequently, a forward dynamics model was used to test whether the calculated torques could successfully reproduce the intended kinematic motion. The resulting motion closely matched the target trajectory, reinforcing the physical validity of the simulation. Simulation results revealed that while the two quadruped configurations yielded similar performance in general locomotion tasks, the flexible-spine model demonstrated a notable performance advantage during high-speed gaits such as galloping. This suggests that the additional spinal joint is a significant parameter for enhancing quadruped locomotion performance under dynamic conditions.
Benzer Tezler
- Lisanslı futbolcularda lumbal ve sakroiliak spinal manipülasyonun esneklik ve sıçrama performansına anlık etkisinin karşılaştırılması
Comparison of instant effect of lumbal and sacroiliac spinal manipulation on flexibility and jumping performance in licensed football players
BEYZA DÖNMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Fiziksel Tıp ve RehabilitasyonBahçeşehir ÜniversitesiKayropraktik Bilim Dalı
DR. SEFA HAKTAN HATIK
- Non-spesifik bel ağrili bireylerde torakolumbal fasya esnekliğinin gövde propriyosepsiyonu ve spinal postürle ilişkisi
The relationship of thoracolumbar fascia flexibility with trunk proprioception and spinal posture in individuals with non-specific low back pain
HÜSNA NUR ÇÖRDÜKÇÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizyoterapi ve RehabilitasyonBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiFizik Tedavi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN KURUL
- Torakal hiperkifozlu çocuklarda statik ve dinamik postüral dengenin değerlendirilmesi
Evaluation of static and dynamic postural balance in children with thoracic hyper-kyphosis
NAZLI ELİF NACAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Fizyoterapi ve Rehabilitasyonİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaFizyoterapi ve Rehabilitasyon Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE ZENGİN ALPÖZGEN
- Lenke tip 1 adolesan idiopatik skolyoz'da aşırı düzeltmenin koronal denge üzerine etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of effect of overcorrection in lenke type 1 adolescent idiopathic scoliosis among coronal balance
SİNAN ERDOĞAN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2013
Ortopedi ve TravmatolojiSağlık BakanlığıOrtopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TOLGA TÜZÜNER
- İdiyopatik skolyozlu bireylerde reformer pilates ve mat pilates egzersizlerinin denge, esneklik, gövde rotasyon açısı ve postüre etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of the effects of reformer pilates and mat pilates exercises on balance, flexibility, trunk rotation angle and posture in individuals with idiopathic scoliosis
MERVE AKDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Anatomiİstanbul Medipol ÜniversitesiAnatomi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER ATASEVER