Esnek Ve Sürekli Yapılarla Robotik El Tasarımı

Abstract

Günümüzde robotik uygulamaların kullanımı oldukça yaygındır. Ağırlıklı olarak endüstride hassas işlerin yapılmasında veya hem hızlı hem de hata payı az olarak yapılması gereken uygulamalarda insanların yaptığı işleri yapmak üzere kullanılmaktadırlar. Robotların endüstride kullanımı oldukça eski tarihlere dayanmaktadır. İlk programlanabilir dokuma tezgahı 1801 yılında üretilmiştir. Bilinen ilk endüstriyel robot ise 1954 yılında George Devol ve Joe Engleberger’ in sahibi olduğu ABD’ li Unimatom firması tarafından üretilmiştir. Dolayısıyla ilk üretilen robottan günümüze robotların gelişimi iki yüz yılı aşkın süredir devam etmektedir. Fakat son altmış-yetmiş senedir robotik, endüstrinin yanı sıra askeri uygulamalarda, uzay çalışmalarında, sağlık alanları gibi farklı alanlarda da geliştirilmekte ve kulanılmaktadır. Askeri alanlarda insan hayatı için tehlikeli olacak görevlerin gerçekleştirilmesi için kullanılırken sağlık alanında ameliyat robotları olarak kullanılabilmektedirler. Ayrıca son yıllarda hasta insanların rehabilitasyonunda yardımcı olmak amacıyla geliştirilen robotlarda bulunmaktadır.Bu rehabilitasyon robotları bazı uygulamalarda vücudun belli bir bölgesinde zarar görmüş organın hareket etmesini sağlayarak tedaviye direkt etki ederken (bacak kaslarını çalışştırmak için üretilen bisikletler gibi) bazı uygulamalarda da rehabilitasyon için gerekli olan kuvvet ve konum gibi önemli parametreleri yüksek doğrulukla oluşturarak veya tedavi sürecini kayıt altına alarak hastanın gelişim sürecini takip etmek için kullanılmaktadırlar. Bu tür sağlık hizmetleri için geliştirilen robotlar insanlarla daha kolay iletişime geçebilsin diye genellikle insan şekline ve yeteneklerine benzer olarak tasarlanırlar. İşte bu insan yapısı temel alınarak üretilen robotlar “insansı robotlar” olarak tanımlanırlar. İnsansı robotlar insan vücudunun yapısı ve hareket kabiliyetleri temel alınarak geliştirilirler. İki bacağı üzerine dengesini kaybetmeden yürüyebilme, gelişmiş tutma, kavrama, kavradığı nesnenin sertliğini hissederedek ona uygun basıncı uygulayarak nesneye zarar vermeden taşıma özelliklerine sahip el yapısı, yedi farklı serbestlik derecesine sahip kol yapısı, tutacağı nesnenin nerede olduğunu ve boyutlarını bilmeden uzaklık algılama yetisiyle nesnelere ulaşma özelliği insansı robotlarda üzerine çalışılan başlıca konulardan bazılarıdır. İki bacağı üzerine hareket, duyma ve konuşma özelliklerine sahip geliştirilen ilk insansı robot uygulamasından bugüne kadar geliştirilen robotlar her geçen insan yapısına daha yakın olacak şekilde geliştirilmişlerdir. Burada sayılan özelliklerden bazı temel hareket yetenekleri artık neredeyse yapılan tüm çalışmalarda mevcuttur. Bu çalışmaların aralarındaki fark hareketin ne kadar gerçeğe uygun olarak gerçekleştirildiğine bakılarak belli olmaktadır. Üzerinde çalışılan ve farklı tasarım yöntemleri ile geliştirilen en önemli yapılardan bir tanesi hiç kuşkusuz ki sahip olduğu yüksek hareket kabiliyeti nedeniyle insan eli yapısdır. İnsan eli yapısına yakın şekilde yapılmaya çalışılan robotik el uygulamaları belki de robotikte başlı başına özel bir çalışma alanıdır. xx Robotik el uygulamaları uzun süredir üzerinde çalışılan ve günümüzde hala önemini yitirmemiş olan bir çalışma konusudur. Kullanım alanlarının çokluğu ve insan hayatında sağladığı kolaylıklar ile her geçen gün daha yeni yöntemler denenerek farklı alanlarda kullanımı üzerine çalışılmaya devam edilmektedir. Genel olarak bugüne kadar yapılan çalışmalar dikkate alındığında çalışmaların insan eli benzeri yapılar ve endüstride kullanılmak üzere “tutucu” olarak görev yapacak sistemler olarak ayrı alanlar için tasarlandığı söylenebilmektedir. Endüstri de kullanılan tutucular genellikle iki parmaklı bir yapı olarak tutma ve bırakma işlemlerini gerçekleştirmek adına üretilmektedirler ve tümüyle insan elinin yaptığı tüm hareketleri yapması beklenmemektedir. Mekanik , pnömatik veya hidrolik eğleyiciler ile hareket etmesi sağlanan bu yapılar endüstride çoğunlukla tutma- taşıma ve bırakma görevlerini yerine getirmek için kullanılmaktadır. İnsan eli modeli temel alınarak yapılan çalışmalar; üç, dört veya beş parmaklı olarak tasarlanan ve insan elinin hareket yeteneğinin doğrudan modellemesi üzerine yapılan çalışmalardır. Tıp alanında ve rehabilitasyon amaçlı yapılan robotlarda en çok insan eli modeli kullanılarak üretilen eller tercih edilmektedir. İnsan eli, vücudumuzdaki en karmaşık yapıya sahip olan sistemdir. Basit bir şekilde açıklamak gerekirse elin hareketi her bir parmağın içinden geçen tendonlar sayesinde gerçekleşir. Tendonlar avuç içinden geçerek her bir parmaktaki kemiklerin etrafından dolanır ve kaslardan gelen hareketi taşıyarak parmakların istenilen hareketi geçekleştirmesini sağlar. Robotik el uygulamalarında da tasarımın en önemli kısmı bu el hareketinin en verimli ve en gerçeğe yakın şekilde iletilmesi kısmıdır. Robotik el üzerine yapılan ilk çalışmalarda da bu tendon yapısı kullanılarak hareket yeteneği sağlanmıştır. İlerleyen yıllarda yapılan ellerde farklı tasarımlar denenerek bu hareket kabiliyeti verilmeye çalışılmıştır. Bu tasarımlar genelde eyleyicilerden alınan gücün parmaklara aktarılması için kullanılan farklı mekanizmalar ( mekanik çubukar, tendon- makara sistemleri, dişli-pinyon sistemleri vs.) gibi görülse de esasında tasarımlar arasında kullanılan en önemli fark tahrik sistemlerinin seçimiyle başlamaktadır. Temelde iki çeşit eyleyici kullanılarak tasarımlar yapılmaktadır. Bunlardan ilki ilk yapılan ellerde kullanılan tam tahrikli sistemlerdir( fully- actuated mechanism). Tam eyleyici sistemlerde elin serbestlik derecesi ile eyleyicilerin sayısı birbirine eşittir. Diğer sistem ise eksik tahrikli (underactuated) sistemlerdir. Eksik tahrikli sistemlerde sistemin serbestlik derecesi eyleyicilerin saysısından daha fazladır yani daha az eyleyici ile daha fazla yapının hareketi mümkündür. Eksik tahrikli sistemlerde eyleyicilerin azlığı sistemi daha hafif ve ucuz olmasını sağlamaktadır fakat her iki yöntem de aktif olarak el tasarımı yapılırken kullanılmaktaır. Tahrik sistemleri veya aktarma şekilleri ne kadar farklı olursa olsun aslında geleneksel el tasarımı olarak adlandırabileceğimiz bu yapılar genelde rijit yapılar kullanılarak tasarlanır. Parmak kemiklerinin yapısı tasarlanırken insan elinde olduğu gibi rijit kemik yapısı olacak şekilde mekanik sistemler kullanılır fakat bu yapıların karmaşık yapısı ve sistemin rijitliği baı kavrama hareketlerinin tam olarak yapılamamasına yol açmaktadır. Bu sebeple harektin tam olarak aktarılarak kavrama işleminin gerçeğe uygun olarak yapılabilmesi için yeni yöntemler üzerinde çalışılmaktadır. Bu yöntemlerden bir tanesi de sürekli yapılar robotiği veya orijinal adıyla continuum robotik’tir. xxi Sürekli yapılar robotiği, fil hortumu veya ahtapot kolu gibi omurgasız esnek ve sürekli yapıları temel alan bir alandır. Sürekli yapılar temel alınarak tasarlanan robotlar bükülebilme hatta çoğu zaman uzama, kasılma ve bazen burulma yapısına sahip olabilen robotlardır. Bu özellikler rijit yapılar ile tasarlanan yapılarda olmayan bir özelliktir. Sürekli yapılı robotlar nesneye hafif bir şekilde dokunup onların şeklini alabilme kabiliyetine sahiptirler. Böylelikle kavradıkları nesneye zarar verme olasılıkları azdır. Ayrıca bu işlemleri daha önce şeklini bilmedikleri nesneleri üzerlerinde sensörler olmadan daha önce planlanmamış bir şekilde gerçekleştirebilirler. Yine bu özellik geleneksel olarak tasarlanan rijit bağlantı yöntemi ile tasarlanmış robotların sahip olmadığı bir özelliktir. Sürekli yapılı robotlar üzerlerinde yeni çalışlmaya başlanmış bir konudur fakat hızla gelişmeye açık bir konudur. Gerçekleştirilen tez çalışmasında sürekli yapılar yaklaşımı kullanılarak bir el tasarımı yapılmıştır. İnsan elinde parmakları oluşturan rijit kemikler yerine sürekli bir yay kullanılmıştır. İnsan parmağında harekeket yeteneğini tendonlardan alan üç adet bağlanyı noktası yerine üç ince plaka kullanılmıştır ve yine insan elindeki tendonlar yerine de plaka üzerine bağlı kablolar sayesinde parmakların hareketi sağlanmıştır. Plakalar üzerindeki kabloların her birine hareket vermesi için bir adet motor kullanılmıştır. Böylelikle tam olarak insan elinin sahip olduğu hareket fazlalığı sağlanmaya çaışılmıştır. Bu parmak yapısının kinematik analizi geleneksel kinematik analiz yapısına uygun olmadığından hareket sırasında parmağın omurgasını oluşturan yayın kinematiğini analiz edebilmek için Bezier Eğrisi yöntemi kullanılmıştır. Motordan verilen açı değerine göre veya parmağın istediğimiz pozisyonda olabilmesi içi yayın oluşturduğu eğri Bezier eğrisi kurallarına göre hesaplanmış ve gereken pozisyon bilgileri elde edilmiştir. İlerleyen çalışmalarda el yapısının dinamik analizi gerçekleştirilip el bütün halinde üretilerek tüm sistemin birlikte hareketi incelenecektir.

Nowadays robots are replacing humans in many areas such as industry, military, medicine. In ındustry, robots are used for special tasks for example precision machinery and manufacturing. In military, it is used to do the dangerous tasks which is harmful for people. And also, in medicine it is used to help rehabilitation of neuro-muscular damages using phsyiotherapy or follow the patient’s treatment process. Specially, robots that it is used for medicine look like human in order to easily human- robot interaction. This robots are called as humanoid robots. Humanoid robots, robots with an antropomorphic body plan and human- like interaction. When one robot is defined as humanoid robots, it has to have some features such as bipedal locomotion, perception, dexterous manipulation, learning and adaptive behaviour. In all features is one most important dexterous manipulation. This feature obviously necessary for behave as human. Dextereous manipulation/dexterious hand or robotic hand is the topic has been researched for a long time. It is may be the hardest topic in humanoid robot design in order for them to work like a human hand. Human hand one of the most complex structure in human body. It has thirty degree of freedom and advanced movement capability. From the first research attempts on human hand, the researchers have been developing many types of hand designs with different working principles and structures. However, the most of these researhers use same approach for its structure which it is called rigid-link strcture. Rigid-link strucure is used to work as bones of human hand. This approach is a good one but it cannot realize the grasping capability of the human hand in full potential. Because of this, the researchers are focusing on the novel design methods using flexible back-bones and cable-based structures seen in continuum robotics. Continuum robots can be viewed as being “invertabrate” robots, as in contrast with the “vertebrate” design of conventional rigid- link robots. Continuum robots can bend, often extend/ contract and sometimes twist at any point along their structure. This provides them with capabilities beyond the scope of their- rigid- link counterparts. And also, continuum robots gently contacts and adapts its shape to wrap around fragile objects with no prior planning or knowledge of the object and without any sensing of the contact between robot and object. This movement capability does not exist in rigid- link manipulators. In this thesis, a robotic finger is designed using continuum robotics approach for providing a compliant interaction with the outer environment. The returm spring is used to work as bones of human fingers. Three plates are used to motion as like human finger joints. And also, cables are used to transmit the motion from the xviii motors to the finger joints. Each cable actuation is performed with one single motor in order to obtain high motion capability similar to human finger. Bezier Curve method is used to perform kinematic analysis. Using Bezier curve method can be found both Inverse kinematic solution and Forward kinematic solution. In order to solve Forward kinematic, the amount of the exchange of cable lenghts are calculated. Thus, tip point of each segment is calculated by using geometric formulas. The other control points are found by using iteration methods. And then, the shape of curve and coordinates of tip points of finger are found.To solve Inverse kinematic, the image process method can be used.The coordinates of base point and tip point are found by image processing. After that the other control points are calculated by using iteration methods. The shape of curve and the position of finger are found. Lastly, the lenghts of cables are found by using image processing and the amount of the exchange of cable lenghts are found. Thus, the amount of change of motor angle is found by using cable lenghts informations. In this thesis, Inverse kinematic solution is used for kinematic analysis by using image process methods. Thus, the amount of the exchange of angles motor and the shape of the finger are found. In the following studies, the dynamic analysis and whole hand motion will be studied.