Karma gerçeklik ortamında parametrik tasarım ve robotik fabrikasyon yöntemi

Abstract

Programlanabilir yapısı ve geniş hareket uzayında çalışabilme özellikleri ile endüstriyel robotlar son yıllarda sayısal üretim alanında yapılan çalışmalarda kullanılmıştır. Endüstriyel robotların sayısal üretim alanında kullanılması robotik fabrikasyon olarak adlandırılır. Robotik fabrikasyon işlem adımları, üretimi yapılacak tasarım ürününün üç boyutlu olarak modellenmesi ile başlar. Sonra sırasıyla, üretim sırasında endüstriyel robotun izlemesi gereken takım yolu hesaplanır, endüstriyel robotun ve üretim ortamının simülasyonu yapılır, robot kodu endüstriyel robota yüklenir ve yürütülür. Her farklı tasarım ürünü için robotik fabrikasyon işlem adımları baştan itibaren tamamlanarak farklı bir robot kodu üretilir. Tasarım ürünü üzerinde yapılacak küçük bir değişiklik için bile bu işlem adımlarının yeniden ve en baştan tekrarlanması gerekir. Parametrik tasarım araçlarının gelişimi ile birlikte endüstriyel robotların sayısal üretim alanında kullanılması alanında da dönüşüm yaşanmıştır. Parametrelerin değiştirilmesi ile tasarım ürününün alternatifleri üretilebildiği gibi bu ürünlerin üretimi için gereken robot kodu da parametrelerin değiştirilmesi ile üretilebilir. Bu sayede tasarım aşaması ve üretime hazırlık aşaması parametrik tasarım ortamında bütünleştirilir ve parametreler ile kontrol edilebilir. Karma gerçeklik araçlarının robotik fabrikasyon uygulamalarında kullanılması ile sayısal üretim alanında yaşanan dönüşüm ileriye taşınabilir. Kullanıcılar tasarım ve üretim parametrelerine üretim anında da erişebilir, tasarım ve üretim alternatiflerini görsel ve uzamsal geribildirim alarak modelleyebilir ve keşfedebilir. Tasarım ve üretim süreci ile etkileşime girebilir ve bu süreci diğer tasarımcılar ile işbirliği içinde yürütebilir. Bu çalışmada parametrik tasarım araçlarının ve endüstriyel robotların karma gerçeklik araçları ile kullanılabildiği, hem tasarım sürecinin hem de üretim sürecinin karma gerçeklik ortamında etkileşimli olarak yürütülebildiği, tasarımcıların üretim ve tasarım süreçlerini tümleşik olarak birlikte yürütebildikleri bir yöntemin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Tez çalışması kapsamında, parametrik tasarım ve robotik fabrikasyon karma gerçeklik ortamında bütünleştirilmiştir. Bu sayede tasarımcılar önerilerini parametrelerle kontrol edebilir ve üretimden önce karma gerçeklik ortamında uzamsal geribildirim alarak modelleyebilir, bu süreci farklı tasarımcılarla işbirliği içerisinde yönetebilir. Önerilen yöntem ile parametrik modelleme adımından üretim adımına kadar olan tüm adımlar karma gerçeklik ortamında bütünleştirilerek oluşturulur. Böylece tasarımcı karma gerçeklik ortamında hem tasarım hem de üretim sürecini etkileşimli olarak sürdürebilir. Tasarımcı tasarım ve üretim anında parametreleri değiştirebilir ve sonraki adımlar kullanıcı müdahalesine gerek kalmadan güncellenir ve robotik fabrikasyon insan-robot işbirliği ile kesintisiz olarak devam edebilir. Bu çalışma, tasarım ve üretim ortamında endüstriyel robotların karma gerçeklik ortamında kontrol edilebilmesine ve üretim ortamında insanlar ile birlikte işbirliği içinde çalışabilmesine olanak sağlar. Ayrıca tasarım ve üretim anında parametrik tasarım araçlarının karma gerçeklik ortamında kullanılabilmesi sayesinde kullanıcılara kitlesel özelleştirme olanakları sunulur. Mevcut yöntemlerden farklı olarak, tasarım ve üretim için gereken işlem adımlarını azaltarak tasarımdan üretime kadar olan süreci kısaltır. Karma gerçeklik ortamının sağladığı deneyim, bilgisayar ekranı ile etkileşimden daha zengindir. Parametrik tasarımdan robotik fabrikasyona kadar tüm süreç el hareketleriyle kontrol edilebildiği için gerçeklik algısı daha yüksektir. Parametrik modelleme, takım yolu oluşturma, robot kodu oluşturma ve robotik üretim adımlarında, tasarım ve üretim ortamının dijital ikizi holografik içerik olarak gerçek dünya görüntüsünün üzerine eklenerek tasarımcıya sunulur. Bu sayede tasarımcı, üretim ortamıyla fiziksel ve sanal etkileşime girerek tasarım ve üretim adımlarını değiştirebilir ve bu süreçleri diğer tasarımcılar ile işbirliği içinde yönetebilir. Birinci bölümde endüstriyel robotların üretim süreçlerinde kullanılmasının üretim devrimleri ve üretim süreçleri üzerindeki dönüştürücü etkisine değinilmiş ve endüstriyel robotların sayısal üretim uygulamalarında insanlarla işbirliği içinde kullanılması konusuna yer verilmiştir. Bu bölümde tezin konusu ve kapsamı tanımlanmış, yapılan araştırmanın motivasyonu, amacı ve sayısal üretim alanındaki çalışmalara ve yöntemlere katkısı açıklanmıştır. Bilgisayar teknolojilerinin ve parametrik tasarım araçlarının tasarım ve sayısal üretim alanında kullanılmaya başlanmasıyla birlikte bu alanda yaşanan dönüşüm açıklanmıştır. İkinci bölümde parametrik tasarım kavramı, parametre kavramı, parametrik tasarım yaklaşımının ve parametrik tasarım araçlarının tarihsel süreçte gelişimi açıklanmıştır. Tezde, parametrik tasarım araçlarının karma gerçeklik ortamında kullanıldığı bir sayısal üretim yöntemi önerilmiştir. Tezde önerilen yöntemde uygulanabilecek parametrik örüntü örnekleri bu bölümde sunulmuştur. Ayrıca bu bölümde bir üretken sistem olan biçim grameri yönteminin başlangıç, dönüşüm ve sonlandırma kurallarının parametrik tasarım ortamında parametreler ile kontrol edilebileceği ele alınmış ve standart biçim grameri dönüşüm kuralının parametrik tasarım ortamında oluşturulan tanım dosyası örneği sunulmuştur. Üçüncü bölümde endüstri devrimlerinin tarihsel gelişimine yer verilmiştir. Bu bölümde Endüstri 4.0 üretim devriminin tanımı, özellikleri ve bileşenleri üzerinde durulmuş ve tez çalışmasında önerilen yöntemin Endsütri 4.0 üretim hedefleri ile yakınlığı konu alınmıştır. Dördüncü bölümde araştırmaya yönelik literatür çalışmasından örnekler sunulmuştur. Bu bölümde ilk olarak taş işçiliği ve ahşap oymacılığı gibi el becerilerinin bile endüstriyel robotlar ile yapıldığı çalışmalar sunulmuştur. Sonra, endüstriyel robotların sayısal üretim uygulamalarında insan-robot işbirliği ile kullanıldığı çalışma örnekleri ve karma gerçeklik araçlarının sayısal üretim alanında kullanıldığı çalışma örnekleri verilmiştir. Son olarak, hem karma gerçeklik araçlarının hem de endüstriyel robotların sayısal üretim alanında birlikte kullanıldığı çalışma örnekleri verilmiştir. Beşinci bölümde endüstriyel robotların sayısal üretim çalışmalarında kullanıldığı robotik fabrikasyon programlama yöntemleri sunulmuş ve ilk olarak çevrimdışı programlama yöntemi açıklanmıştır. Çevrimdışı programlama yönteminin iş akışı sunulmuş ve bir çevrimdışı programlama örneği olan Gramazia ve Kohler tarafından gerçekleştirilen Pike Loop Projesi'nde endüstriyel robot çevrimdışı programlama adımları açıklanmıştır. Daha sonra parametrik robot kontrol araçları ile endüstriyel robot programlama yöntemi sunulmuş ve bu yöntemin iş akışı açıklanmıştır. Brell-Cokcan ve Braumann tarafından geliştirilen KUKA|prc parametrik robot kontrol eklentisi kullanılarak gerçekleştirilen Steel Bull of Spielberg çalışması üzerinde parametrik robot kontrol araçları ile programlama adımları açıklanmıştır. Ayrıca, parametrik robot kontrol araçları ile programlama yönteminin çevrimdışı programlama yöntemine göre avantajları ve sayısal üretim alanında sunduğu yenilikler de bu bölümde açıklanmıştır. Altıncı bölümde tez çalışmasının yöntemi ve tez kapsamında yapılan çalışmalar açıklanmıştır. Tezde önerilen karma gerçeklik ortamında parametrik tasarım ve robotik fabrikasyon yöntemi açıklanmış; yöntemin iş akışı, bu yöntemde endüstriyel robot, parametrik tasarım yazılımı ve karma gerçeklik aracının rolleri açıklanmıştır. Tezde önerilen yöntemin gerçekleştirilebilmesi için beş ayrı yazılım geliştirme görevi tamamlanmış ve bu yazılım geliştirme görevleri bu bölümde açıklanmıştır. Tez çalışmasında kullanılan endüstriyel robot manipülatörünün, endüstriyel robot kontrol ünitesinin, endüstriyel robot el kumanda panelinin, robot programlama dilinin ve karma gerçeklik cihazının teknik özelliklerine bu bölümde yer verilmiştir. Karma gerçeklik aracı ve parametrik tasarım programı arasında kurulan REST API iletişimi ve endüstriyel robot ile parametrik tasarım programı arasında kurulan TCP API iletişimi için geliştirilen yazılımlar açıklanmış ve tez çalışması kapsamında bu donanımlar arasındaki iletişimlerin test edildiği strafor malzeme kullanılarak gerçekleştirilen bir endüstriyel robot tel kesme çalışması yapılmıştır. Yapılan çalışmanın parametrik tanım dosyası ve tasarım ürünü açıklanmıştır. Karma gerçeklik aracı üzerinden parametrik tasarım tanım dosyasının parametreleri değiştirilerek sonuçlar karma gerçeklik aracı üzerinden izlenebilmiş ve endsütriyel robot ile kurulan iletişim üzerinden robot kodu endüstriyel robota gönderilerek tasarlanan ürün tel kesme yöntemi ile üretilmiştir. Bu çalışma ile geliştirilen yazılımların doğru sonuçlar ürettiği test edilmiş ve doğrulanmıştır. Yazılım geliştirme adımları tamamlandıktan sonra bir doğal taş üretim atölyesinde önerilen yöntemin bir modeli oluşturulmuştur. Parametrik modelleme araçları kullanılarak biçim grameri yöntemiyle tanımlanan bir tasarım ürünü, karma gerçeklik aracı ve endüstriyel robot kullanılarak tez çalışmasında önerilen yöntem ile üretilmiştir. Yedinci bölümde üretim ortamından elde edilen değerlendirme ve gözlem sonuçlarına dayanarak, önerilen yöntem ve mevcut diğer yöntemler karşılaştırılmış ve bir özellik karşılaştırma tablosu oluşturulmuştur. Tezde önerilen karma gerçeklik ortamında parametrik tasarım ve robotik fabrikasyon programlama yöntemi, çevrimdışı programlama yöntemi örneği olan Pike Loop Projesi çalışması ve parametrik robot kontrol araçları ile programlama yöntemi örneği olan Steel Bull of Speilberg çalışması üzerinden diğer yöntemler ile karşılaştırılmış ve yöntemin avantajları, eksik yönleri ve sayısal üretim alanında yöntemin sunduğu yenilikler tartışılmıştır. Yine bu bölümde tez kapsamında yapılacak ileri çalışmalara yer verilmiştir. Sonuç olarak tez çalışması kapsamında, gerekli tüm yazılım geliştirme adımları tamamlanarak, karma gerçeklik ortamında etkileşimli parametrik tasarım ve robotik fabrikasyon yöntemi geliştirilmiş ve önerilen yöntemin bir modeli gerçek bir üretim ortamında oluşturulmuştur. Üretim ortamından elde edilen değerlendirme ve gözlem sonuçları ile çalışmada öne sürülen yöntem ve mevcut diğer yöntemler karşılaştırılmıştır.