Dört Ayaklı Robotların Yürüme Analizi

Abstract

Robotik bilimi her geçen gün popülerliğini artırmaktadır. Günümüzde ise yürüyen robotlar üzerine yapılan çalışmalar artış göstermektedir. Bunda yürüyen mekanizmaların, klasik tekerlek ve paletli robotlara göre bazı konularda avantaj göstermesi etkili olmaktadır. Mobil robotlar günümüz teknolojisinin bir gereği olarak laboratuar dışında, gerçek dünyada özellikle engebeli arazilerde kullanılmaya başlanmıştır. Bu durum dolayısıyla geleneksel tekerlekli, paletli ve raylı sistemlerin tasarımlarının zayıf yönleri ortaya çıkmış ve araştırmacıları farklı alanlara itmiştir. Dolayısıyla klasik tekerlek ve palet tasarımına sahip araçların tasarım sınırlarının aşılması için yapılan çalışmalar gün geçtikçe artan bir eğilim göstermektedir. Bu sınırları aşmak için, mobil robotların bir dalı olan bacaklı robotlar, biyolojik esinlenmelerden yararlanarak yeni tasarımlar gerçekleşmesine neden olmaktadır. Bu yeni tasarımlar daha çok bacaklı sistemleri içermekte ve farklı bacak sayılarında farklı kinematik yapılarda tasarımları ortaya çıkarmaktadır. Bacaklı sistemler bilinen geleneksel tasarımlardan çok daha fazla hareket kapasitesine ve çok yönlülüğe sahiptirler. Bu çalışmada dört ayaklı yürüyen robotlarının hareket analizi konu edilmiştir. Bu amaçla öncelikle yürüyen mekanizmalar ve ayaklı robotların klasik yöntemli tekerlek veya paletli tasarımlarla kıyaslanmasına yer verilmiştir. Daha sonra yürüyen mekanizmalar içerisinde biyolojik yaklaşımlı olarak geliştirilen iki, dört ve çok bacaklı robotlar ve yürüyüşlerine değinilmiştir. Biyolojik yaklaşımlı bir robot için bacak tasarımı örneklenerek ve ayaklı robotlar alanında gerçeklenen önemli iki çalışmaya yer verilmiştir. Dört ayaklı robotların hareket analizi çalışmasında robot yürüme hareketini tanımlamakta esas olan temel kavramlar teorik olarak irdelenmiş ve alt başlıklarıyla birlikte tezde ifade edilmiştir. Bunların içerisinde, robotun hareketinin gerçeklenmesinde en önemli parametre olan stabilite unsuru, statik ve dinamik altbaşlıkları altında konu edilmiştir. Stabilite kavramıyla ilgili yapılan teorik araştırmaların neticesinde statik ve dinamik dengenin ifadesinde kullanılan statik denge marjı, boylamsal denge marjı,enerji dengesi marjı, normalize enerji marjı, dinamik stabilite marjı kavramları tanımlamaları yapılmış ve formülleri ile ifade edilerek robotun hareketiyle ilişkileri açıklanmıştır. Tez çalışmasında, dört ayaklı robotların hareketinde diğer bir temel kavram olan yürüyüş biçimlerine değinilmiştir. Başlangıç olarak yürümenin tanımı yapılmış ve stabilite konusunda olduğu gibi burda da yürüyüş biçimleri statik ve dinamik olarak iki ana başlık altında toplanmıştır. Ayrıca yürüyüşün tanımlanmasında kullanılan temel ifadelere yer verilmiştir. Yürüyüş biçimleri statik ve dinamik olmak üzere iki ana biçimde irdelenmiştir. Biyolojik yaklaşımlı robotlarda, robot hareketinin doğadan esinlenerek gerçeklenmesi esas alındığı için bu bölümde doğada hayvanlar üzerinde görülebilen yürüme biçimleri kategorize edilerek yürüyen mekanizmalara göre ifade edilmiştir. Statik yürüme biçiminde, dört ayaklı robotların bir avantajı olan yönsüz yürümeyi gösterecek şekilde robotun ileri, yana ve rotasyon hareketi gerçekleştirebilecek şekilde adım sıraları çıkarılmıştır. Dört ayaklı robotlarda dinamik yürüme için yapılan çalışmalarda özellikle atların hareketinin referans alındığı görülmüştür bu sebeple dinamik yürüme biçimi atların gerçekleştirdiği yürüyüş türleri üzerinden tanımlanmıştır. Yürüyüş biçimleri başlığı altında ayrıca stabilite ve yürüyüş arasındaki ilişkiye kısaca değinilmiştir. Dört ayaklı yürüyen robotun hareketi aynı zamanda bir kinematik problemi olarak ele alınmış kinematik denklemleri çıkarılmıştır. Kinematik bilindiği gibi, bir robot kola ilişkin yörünge planlaması dinamik ve kontrol problemleri ele alındığında ilk gereksinim duyulan konulardan biridir. Çalışmada kinematik modeli oluşturulurken bir ayak üç serbest dereceli RRR robot kolu şeklinde kabul edilerek, Denavit-Hartenber yöntemi uygulanmış D-H değişken tablosu çıkarılmış aynı şekilde bütün robot modeline eksen takımları yerleştirilerek robot bütününde kinematik yapı elde edilmiştir. Düz kinematik problemi, klasik robot kolunun uç noktasının konum ve yönelimini eklem değişkenleri cinsinden ifade ederken, burada robotun ayak uçlarının konum ve yönelimini temsil etmektedir. Ters kinematik de aynı şekilde, robot uç noktasının verilen konum ve yönelimi sağlayacak eklem değişkenlerini ifade etmekteyken dört ayaklı robotlarda robot ayak ucunun verilen nokta ve yönelime göre sağlaması gereken eklem değişkenlerini temsil eder. Ters kinematik problemi her durum için komplex denklemler türetmektedir ve pek çok farklı methodla çözüme ulaşılabilmektedir. Bu nedenle tez çalışmasında robot ayak modelinin ters kinematik denklemlerin elde edilmesinde sadece cebrik yaklaşım metoduna yer verilmiştir. Bu denklemlerin çıkarılması konunun teorik olarak daha iyi anlaşılmasına katkı sağlamıştır. Son olarak, teorik olarak incelenen yürüyüş biçimlerinin simulasyonu için robot modeli tasarlanmıştır. Mekanik tasarım ilk olarak CATIA ortamında geliştirilmiştir, çizim yerine üç eklemi temsil edecek şekilde servo motor örnekleri kullanılarak gerçeklenmiştir. Bu aşamada robotun uygulanabilir bir yapıda olması göz ardı edilmemiştir. Tüm ana parçalar ve bağlantı parçaları oluşturularak bir bütün haline getirilmiştir. CATIA ortamında oluşturulan dört ayaklı robot tasarımı, başka bir 3D modelleme programı olan Unigraphics ile parasolid forma dönüştürülerek ADAMS ortamına aktarılmıştır. MSC. ADAMS ortamında çalıştırılmasında amaç robot hareketinin simulasyonun kolayca gerçeklenebilir olmasıdır. Ancak MSC.ADAMS platformunda modelin hareketlendirilebilmesi için, mekanik tasarımda kullanılan her bir parçanın şekil, kütle, yoğunluk ve atalet momenti gibi parametreler ile yer girilerek gerçek simulasyon ortamı sağlanmıştır. Bunların dışında, üç serbestlik derecesini sağlayacak şekilde eklemlerin tipleri, eklemlerin dönüş yönleri, yer çekimi, sürtünmeler gibi diğer parametreler modelde tanımlanmıştır. MSC.ADAMS/View ortamında eklemlere programda tanımlı step gibi verilen komutlarla robotun yürüyüşü sağlanmıştır ve bu aşamada teorik olarak irdelenen yürüme modelleri simule edilmiştir. Statik yürüyüş biçiminde ileri yönlü statik yürüyüş için tespit edilen adım sırasını takip edecek şekilde diz ve bilek eklemleri motive edilmiştir. Yürüme hareketini sağlayacak giriş komutları eklemlere uygulanmıştır. Teorik olarak incelenen statik yürüme biçimi robot simulasyonu üzerinde gerçeklenerek robotun stabilitesini koruyarak yürüyüşünü gerçekleştirdiği gözlemlenmiştir. Statik yürüyüş simulasyonun yanı sıra dinamik yürüyüş biçimi de uygulanmıştır. Bunun için, robotun iki ayağının havada iki ayağının da destek fazında kaldığı trot yürüme biçimi çalışılmıştır. Dinamik yürüme biçimlerinde en rahat gerçeklenebilir olması tercih sebebi olmuştur. Trot yürüyüş simulasyonunda robotun dört ayağında bilek ve diz eklemlerine girişler uygulanarak bir adımlık yürüyüş sonuçları elde edilmiş ve robotun hareketi izlenmiştir. Statik yürüme simulasyonunda stabilite unsuruyla ilgili bir sorun fark edilmezken trot yürüyüşte robot gövdesinden alınan pozisyon sonuçlarına göre kısmen dengesinin bozulduğu görülmüştür. Buna sebep olarak dinamik yürüyüşte dengenin esas kriterinin hareket olması ve dengenin sağlanabilmesi içni gerekli girişlerin çok iyi şekilde tespit edilmesinin gerektiği görülmüştür. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında bu konu üzerine ağırlık verilerek dinamik yürüyüş modelinin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Sonuç olarak bu tez çalışması, elde edilen robot modelinin MSC.ADAMS/View ortamında komute edilebildiği gibi MATLAB ortamında komplex yürüme ve kontrol algoritmaları geliştirilebilecek ileri bir çalışmanın temeli olarak yürütülmüştür. Bu amaçla MSC.ADAMS ve MATLAB arasında gerçeklenecek eş simulasyon yapısı da kurulmuştur. MSC.ADAMS/View ‘ın eklentisi olan ADAMS/Control üzerinde modelin daha önce ADAMS/View üzerinde komute edilerek hareketlendirilen eklem hareketleri giriş olarak, hareket esnasında gözlemlenecek eklem açıları ve diğer parametreler çıkış olacak şekilde değişken olarak tanımlanmıştır. ADAMS/Control ile robot modeli MATLAB ortamında işlenebilir hale getirilmiştir bu durum modele yürüme ve kontrol algoritmalarının eklenebilmesine ve bu bağlamda geliştirilebilmesine fayda sağlayacaktır. İlerleyen çalışmalarda öncelikle statik ve dinamik yürüyüş için her bir yürüme modeli oluşturularak bu yürüme biçimleri arasında geçiş yapabilen, verilen bir güzergahı takip edecek bir robot modeli için gerekli kontrol algoritmalarının kurulması hedeflenmektedir. Tez çalışması kapsamında dört ayaklı robotların hareket analizi incelenirken yapılan diğer çalışmalar incelenerek hareket analizinde gerekli teorik altyapı kurulmuştur. Bunun için stabilite, yürüme biçimleri, kinematik model konularının ele alınması uygulama aşamasında dikkate alınarak konunun efektif şekilde anlaşılmasına katkı sağlamıştır. Ayrıca mekanik çizim ve tasarım alanında da uygulama yapılmasına fırsat verilmiştir. Konuya sahip olunan mesleki vizyonun -elektrik- haricinde mekanik bir yaklaşım gösterilmesine olanak sağlamıştır. Aynı şekilde dinamik simulasyon programlarının öğrenilip kullanılmasına yönelik iyi bir fırsat olmuştur.

In recent years, studies on walking robots is increasing. This is because legged walking has some advantages from the conventional wheeled and tracked movement such as good potential to be an effective and efficient transportation device on rough and/or soft terrain which has been well demonstrated in biological systems and, in principle, in a few walking machine prototypes. And also the complex and challenging nature of the problem has been very attractive to many pioneering researchers. In legged robot field, especially bipedal and quadruped robots have become popular and the other multi-leggeds follow them. In this study quadruped locomotion is investigated theoretically in past studies with basic concepts. For this purpose, began with stability term which is one of basic concepts of legged locomotion, especially quadruped, necessary definitions is given such as stability margins type static and dynamic separately for sake of be well understand. Another basic term of locomotion, gait, is examined into two main title as static and dynamic walking evidently relation between stability. Also kinematic equations, of quadruped robot model are derived accepting three degree of freedom for each leg. For forward kinematics Denavit-Hartenberg methods is used and for inverse kinematics only algebraic solution method is mentioned. In the last phase of study, a primarily 3D drawing of a quadruped robot designed in CATIA and transferred to another modeling platform ADAMS. Theoretically investigated Static (crawl) and one type of dynamic walking (trot gait) is simulated in ADAMS. Angles and position changing in joints is observed. Simulation results is given. In conclusion, the study is aimed to provide the basis for further study walking and control algorithms can be developed in MATLAB. Therefore ADAMS-MATLAB Co-Simulation infrastructure has been established with ADAMS/View plug-in ADAMS/Control and MATLAB- Simulink and described how to set this cosimulation structure detailed.