Antagonistik Değişken Empedanslı Eyleyicilerin Kapı Kontrollü Hamiltonian Tabanlı Modellenmesi Ve Kontrolü

Abstract

Bu tezde yürüyen robotlarla ilgili temel problemlere, enerji verimliliği ve çok kipli hareket problemine çözüm olacak eklem tasarımı ve kontrol yöntemleri araştırılmıştır. Enerji verimliliği anlamımda pasif yürüyen robotlar şüphesiz ki en verimli olanlarıdır. Çünkü yürüme eylemi için herhangi bir eyleyici türünden, örneğin elektrik motoru, pnömatik eyleyiciler gibi, kullanmazlar ve genellikle eğik bir düzlem üzerinde yer çekimi potansiyel alanını kullanarak veya ilk enerjiyi insandan alarak yürüyebilmektedirler. Eğimi olmayan bir düzlem veya yokuşta bir noktadan diğerine hareketleri mümkün değildir. Çoğul kipli hareket probleminde, yürüyen bir mekanizmanın aynı katı eyleyicilerle koşmaya başlaması ve zıplaması söz konusu ise eklemlerin izleyeceği yörüngelerin çok iyi tasarlanması ve eklemlerde çok hassas kuvvet/moment ölçerlerin bulunması gerekmektedir. Bunun anlamı şudur; katı eyleyicili bir robotun koşması esnasında ayaklarının yerle çarpışması anını çok hassas sensörleriyle algılamalı ve bu çarpışmanın etkisini hafifletecek sönümlemeyi bir kapalı çevrim kontrolör vasıtasıyla mekanizmaya zarar vermeden ele almalıdır. Bu durumda kontrolörün bant genişliği önem kazanmaktadır. Yürüyen robot sisteminin ileri yöndeki hızını kısıtlayan bir etken olarak kontrolörün bant genişliği söylenebilir. Başka bir nokta ise çarpışma etkisini azaltmaya çalışan, yani sanal bir yay elemanı gibi davranan eyleyici, verimli bir alternatifi olan pasif ve gerçek yay gibi çarpışma enerjisini depolayamaz ve bunu aksine bu işlem için fazladan enerji harcar. Bu da enerji verimliliği açısından iyi bir sonuç ortaya çıkarmaz. Öte yandan, katı eyleyiciler kullanmayıp sabit seri yaylı eyleyici kullanan robotlara da literatürde rastlanmaktadır. Bu tür robotlar çarpışma anındaki etkiyi çok iyi bir şekilde herhangi bir zaman gecikmesi olmaksızın ele alabilmektedirler. Bununla birlikte çoğul kipli hareket analizi yapıldığında, yani yürüme, koşma ve zıplama, bu robotların bu kiplerin tamamını gerçekleyemediği görülmektedir. Bunu sebebi ise kullanılan eyleyicilerdeki sabit yay sertliğinin, bir başka deyişle eyleyici empedansının sabit olmasıdır. Eğer robotların çoğul kipli lokomosyonu isteniyorsa, değişken empedanslı eyleyiciler kaçınılmazdır. Eklem sertliğinin değişken olması yani mekanik empedansın dinamik olarak ayarlanabiliyor olması güvenli insan-robot ortak çalışma ortamları geliştirilmesinde de çok önemli bir rol oynar.

Today, bipedal robots have not been released to market and have not been developed so much to live with them in home but robotic researchers believe 21st century is that century we will see the bipeds serving at home to human being. In this study, it is aimed to obtain novel joint design and control strategies to overcome the fundamental problems related to bipedal robots such as energy efficiency and multi modal locomotion. Energy efficiency point of view there is no doubt the passive walkers are most efficient machines among others. However, they get their energy to walk by utilizing the gravitational field, i.e. they have to be on an inclined surface to walk, or they wait one to push them to gain an initial velocity. When comes to multi modal bipedal locomotion, walking machines having stiff actuators can walk or jump under very strict conditions. Among them, the joint trajectories of robot should be carefully and precisely generated and they have very sensitive force/torque sensors to detect ground impact. This means that the robot sense the ground impact and should emulate a compliance with its stiff actuator in order not to break down its joints or links. It uses extra energy to achieve this spring like emulation. Its counterpart, a real spring, not only handles the ground impact but also store the energy caused by that impact. On the other hand, to deal the problems said before, researchers use serial elastic components with fixed stiffness in their designs. Bu this designs can achieve one or two locomotion modes. They are designed to run and jump only. In order to realize multi modal locomotion this stiffness or more generally impedance has to be dynamically tuned. Dynamic tuning of mechanical impedance of an actuator is also a key solution to the problem of safe human machine interaction.