Mobil manipulatör dinamiğinin modellenmesi ve simulasyonu

Abstract

Bu tezin konusu mobil manipülatörlerin dinamik modellenmesidir. Bu çalışmada bir mobil manipülatör bir mobil platform ve bu mobil platform üzerine yerleştirilmiş bir robot manipülatöründen oluşmaktadır. Bir mobil manipülatör sabit tabanlı bir manipülatörün sunmuş olduğu maharetli("dextrous") manipulasyon yeteneği ile mobil platformlar tarafından sağlanan hareketliliği birleştirir. Mobil manipülatörler madde taşıma ve diğer görevlerin yerine getirilmesi için çok büyük bir potansiyel sunar. Bununla birlikte yapısal karmaşıklığın artmasından başka bir takım yeni problemlere neden olurlar. Birincisi tekerlekli mobil platformun neden olduğu nonholonomik kısıtlar. İkincisi mobil platform ile manipülatör arasında dinamik etkileşim vardır. Burada sunulan mobil manipülatör hareket denklemleri mevcut mobil platformların ve manipülatörlerin hareket denklemlerinden elde edilmektedir ve mobil platform ile manipülatör arasındaki dinamik etkileşimi açıklayan hız ve ivmeye bağlı terimleri tanıtmaktadır. Farklı durumlar için simulasyon sonuçları Ek D ve Ek E'de verilmiştir. Bölüm 2'de ilk olarak manipülatör ve mobil platformun hareket denklemleri ayrı ayrı ifade edilmiştir. İki alt sistemi ayrı olarak değerlendirmenin 2 nedeni bulunmaktadır. Birincisi nonholonomik orijini sebebiyle bir mobil platform çok tekil kontrol özelliklerine sahip olduğu için mobil platform holonomik olan manipülatörden açıklık için bağımsız olarak modellenmelidir. İkincisi manipülatör ve platform arasındaki dinamik etkileşimi inceleyebilmek için Bölüm 2'de mobil manipülatörlerin hareket denklemleri verilmiştir. Her bir terimin fiziksel anlamını anlaşılmaz kılan Lagrange yöntemiyle tüm denklemlerin elde edilmesi yerine yukarıdaki gibi hareket denklemlerinin ayrı olarak elde edilmesi temeli üzerine bir küme denklemin elde edilmesiyle dinamik etkileşim momentlerini açık bir şekilde ifade edilmektedir.

The subject of this thesis is dynamic modeling of mobile manipulators. A mobile manipulator in this study consists of a robotic manipulator and a mobile platform, with the manipulator being mounted atop the mobile platform. A mobile manipulator combines the dextrous manipulation capability offered by fixed-base manipulators and the mobility offered by mobile platforms. While mobile manipulators offer a tremendous potential for flexible material handling and other tasks, at the same time they bring about a number of challenging issues rather than simply increase the structural complexity. First, a wheeled mobile platform is subject to nonholonomic constraints. Second, there exists dynamic interaction between the manipulator and the mobile platform. The derivation of motion equations of mobile manipulators presented here makes use of the existing motion equations of manipulators and mobile platforms, and introduces the velocity and acceleration dependent terms that account for the dynamic interaction between manipulators and mobile platforms. Simulation results for different cases are also given in Appendix D and Appendix E. Chapter 2 first describes the equations of motion for a manipulator and a mobile platform separately. The reason for treating two subsystems separately is twofold. First, since a mobile platform has very unique control properties due to its nonholonomic nature, the modeling of the mobile platform should be addressed independently of the manipulator which is holonomic, for the sake of clarity. Second, Chapter 2 further derives the motion equations for the mobile manipulator in order to investigate the dynamic interaction between the manipulator and the platform. Instead of deriving the entire equations from scratch by Lagrange method which obscures the physial meaning of each term, a set of equations are derived based on the above motion equations obtained separately so that dynamic interaction forces/torques appear in an explicit form.