İki Ayaklı Yürüyen Prototip Robotun Gerçek Zamanlı Denetimi

Abstract

12 serbestlik dereceli ITU Biped robotun, katı modeli daha önceden oluşturulmuş ve benzetim ortamında yürüme hareketlerinde başarı sağlanmıştır. Bu tezde, robotun prototipinde kullanılmak üzere elektronik donanımlarının seçimi, birbiriyle iletişimi, programlanması ve robota eklem yörüngesi oluşturulması konuları ele alınmış ve robota konum kontrolü uygulanarak iki ayak üzerinde dengede durması sağlanmıştır. Robotun üstünde algılayıcı olarak, motor millerinin açısal konumunu ölçmek için artırımlı kodlayıcı, eklem açılarını ölçmek için mutlak kodlayıcı ve yer tepki kuvvetlerini ölçmek için 6 eksen kuvvet/moment algılayıcısı kullanılmıştır. Robotun motorları, motor sürücü kartları ve artırımlı kodlayıcılar ile beraber robotun üzerinde birbirinden bağımsız 12 adet kapalı çevrim servo sistem oluşturulmuştur. Böylelikle, sürücü kartlarına motor millerinin istenen açısal konumu gönderilerek sürücü kartlarının artırımlı kodlayıcılardan aldığı geri besleme ve içindeki PID kontrolörle bu istenen açısal konumları gerçekleştirmesi sağlanmıştır. Sürücü kartlarına, bütün motor millerinin açısal konum değeri CANbus haberleşme yolu üzerinden gömülü bir bilgisayar tarafından gönderilmiştir. Bu bilgisayarda gerçek zamanlı Linux işletim sistemi kullanılmıştır. Ayrıca eklem açıları mutlak kodlayıcılar tarafından ölçülerek artırımlı kodlayıcıların başlangıç değer problemi çözülmüştür. İstenen eklem referanslarını robota uygulamak için tez kapsamında C dilinde iki program yazılmıştır. Bu programlardan birincisi, uygulanacak eklem referanslarını motor referanslarına çevrilmesi için oluşturulmuştur. İkinciyse, birinci programın oluşturduğu motor referanslarının robota uygulatılması için yazılmıştır. Bu iki program sayesinde, istenen eklem referansları bir dosya içinde gömülü bilgisayara yüklenerek robotun hareketi sağlanmıştır. Robotun eklemlerini rastgele konumlardan belirlenmiş başlangıç konfigürasyonuna ulaşmasını sağlayacak eklem referansları üreten bir program da yazılmıştır. C dili kullanılarak yazılan bu programda, robotun her bir eklemine yamuk hız profilleri ile homotetik eklem yörüngeleri oluşturulmuştur. Son olarak da robotun benzetim ortamında gerçekleştirdiği çeşitli hareketlerin belirli örnekleme zamanındaki eklem açıları alınmış ve bu verilerle gerçek prototiple aynı hareketler gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ele alınan bütün konular üretilen prototipte denenmiş ve deney sonuçları tezde sunulmuştur.

Previously, CAD design of 12 DOF ITU Biped Robot was realized and its walking simulations have succeeded. In this study, electrical component selection of the robot, hardware communication between the components, programming and trajectory generation of the robot are treated and the static equilibrium of the robot has been maintained with an implemented position controller. Incremental encoders, absolute encoders, and 6-axes force/torque sensors were used on the robot in order to measure the angular positions of motors, joint angular positions, and contact forces respectively. At each axis, motor, motor driver and incremental encoder form an independent servo control system. Thus, motor drivers drive the motors to follow the desired angular positions by using the incremental encoder feedback and PID control algorithm. An embedded computer generates the reference trajectories for the motors and provides them to the motor drivers via the CANBus. A Real-time Linux operating system is used on the computer. Moreover, initial positions of the incremental encoders were determined by measuring the angular positions of the joints. Two programs are written in C programming language so that the robot follows the reference trajectory. The first program computes the motor reference trajectories by using the joint reference trajectories. The second program applies the motor reference trajectories to the robot. Desired joint trajectories are loaded to the embedded computer in a file and these two programs control the motion of the robot. Aditionally, an algorithm was developed in order to bring the joint angles to the predetermined initial configuration. In this algorithm which is programmed in C, homothetic joint trajectories were generated for each joint by using the trapezoidal velocity profiles. Finally, joint trajectories for some specific motions from simulations were discretized and this data was used in realizing the same motions on the prototype. All of the coverage of this thesis is tested experimentally on the constructed prototype and experimental results are presented.