Design of a modular mobile multi robot system: ulgen (universal-generative robot) - Ercan, Hasan (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016)
Robotik alanındaki çalışmalar makina, bilgisayar, elektronik mühendisliği gibi farklı disiplinleri kapsamaktadır. Geleneksel insansı, mobil ya da endüstriyel tipteki robotlar daha önceden tasarım aşamasında belirlenmiş sayıda eyleyicilere ve sensörlere sahiptir. Bu robotların hareket sığaları önceden belirlenmiş olup, beklenmedik bir olay anında robotlar bu olaya istenilen tepkiyi verebilecek yapıya sahip olmayabilirler. Buna ek olarak, olabilecek her olumsuz veya öngörülemeyen duruma önlem alacak eyleyici ve sensörleri bu robotlara eklemek hem maddi açıdan hem de yapısal karmaşıklık açısından olumsuz etkiye sahip olacaktır. Modüler robot sistemleri, birleşebilme ve farklı yapılandırmalar oluşturabilme özelliğine sahip ayrık birimlerden oluşan sistemlerdir. Geleneksel sabit morfolojiye sahip robot yapılarına göre daha basit yapılı olan modüler robotik sistemler, oluşturdukları farklı yapılandırmalar ile farklı durumlara uyum sağlayabilir, hasarlı kısımlarının bağlantısını kopararak kendini yenileyebilir, farklı görevleri yerine getirebilirler. Geometrik yapılarına göre modüler robotlar kafes (lattice), zincir (chain) ve hibrit olarak üç ana gruba ayrılır. Kafes tipine sahip modüler robotlar, sanal bir kafes üzerinde birbirleri üzerinde hareket ederek yer değiştirirler. Bu tipteki yapılar oldukça sıkı bir yapıda birlikte ilerleyebilmelerine rağmen efektif olarak yer değiştirecek yapıda değillerdir. Zincir tipteki modüler robotlar uç uca eklenebilirler ve yer değiştirmek için birbirleri üzerinde ilerlemeleri gerekmez. Hibrit yapıdaki modüler robotlar ise, bahsedilen iki yapının da özelliklerini taşır. Hibrit modüler robotlar çalışmalarında genellike iki adet küpten oluşan yapıya sahiptir. Bu yapılarda toplamda altı adet birleşme arayüzü bulunur. Zincir ve hibrit tipteki robotlar, yüksek manevra ve yer değiştirebilme kabiliyetlerinden dolayı son yıllarda yaygın olarak çalışılmıştır. Sonuç olarak farklı serbestlik derecelerine, birleşme mekanizmalarına ve sensörlerine sahip modüler robot sistemleri tasarlanmıştır. En basit tasarıma sahip tek serbestlik dereceli robotlar yer değiştirebilmek için iki ya da daha fazla modülün oluşturacağı yapıya ihtiyaç duyar. İki serbestlik derecesine sahip olan modüller genellikle sürünerek ilerleyebilir ya da diferansiyel sürüş yapmasına olanak sağlayan iki adet motora ve tekere sahip olabilir. Üç ve dört serbestlik derecesine sahip olan modüller daha yüksek manevra kabiliyetine sahiptir ve kendi başlarına yer değiştirebilirler. İki serbestlik dereceli olanlara ek olarak hareket doğrultusunu kendi başlarına değiştirebilirler. Modüler robotlar yapı biçimi olarak homojen ve heterojen olarak gruplandırılabilir. Homojen tipteki sistemlerin ayrık elemanlarının hepsi birbirlerinin yerine geçebilir ve aynı görevleri yapabilecek kapasitededir. Heterojen yapılı sistemler ise, farklı serbestlik derecesine sahip, farklı sensör ve görev gerçekleme kabiliyetine sahip birimlerden oluşur. Bu sistemlerde hareket kabiliyeti olmayan birimler olabilir. Ancak, bu sistemler gerekli konfigürasyonları oluşturmak ya da hasarlı birimleri değiştirmek için spesifik birimlere ihtiyaç duyar. Modüler robot sistemlerinin birleşip ayrılabilmeleri için pek çok birleşme mekanizması tasarlanmıştır. Bu mekanizmalar aktif ve pasif olarak ikiye ayrılabilir. Aktif birleşme mekanizmaları kendi kendine bağlantıyı kurabilen ve kopartabilen mekanizmalardır. Pasif mekanizmalar ise mıknatıslı birleşme mekanizmaları gibi modüllerin üzerinde kontrol kabiliyetinin olmadığı mekanizmalardır. Birleşme mekanizması tasarımında en önemli noktalardan biri sürekli olarak güç harcamayan ve torku güç harcamaksızın iletebilen mekanizmalardır. Yapılan çalışmaların büyük bir kısmı kendi kendine birleşebilecek sensörlere ya da mekanizmaya sahip değildir. Bu tip modüler sistemler kullanıcı yardımıyla birleştirilir ya da referans bir konumda hareket etmeye başlarlar. Bu çalışmada, otonom olarak çalışacak kendi kendine birleşebilen, birbirleriyle haberleşebilen, etraflarında bulanan engelleri algılayabilen yüksek hareket kapasitesine sahip zincir yapıda modüler robot sistemi tasarlanmış ve üretilmiştir. Tasarlanan sistemin, literatürde daha önce yapılan çalışmalardan daha yüksek hareket kabiliyeti olması amaçlanmıştır. Bu sayede, her bir modülün kendi kendine engellerden kaçabilecek ve yeterince hızlı bir şekilde yer değiştirecek kabiliyete sahip olması istenmiştir. Tasarlanan sistemdeki modüller birbirleri ile birleşerek yeniden yapılandırılabilir modüler robot sistemi ve modüllerin tek başlarına yüksek yer değiştirme kabiliyeti ile sürü robot sistemi yapılarının ikisinde de çalışabilecektir. Sürü robot sistemlerinde çalışabilmesi için modüller birbirleri ile kablosuz olarak haberleşecektir ve sinyal kuvvet bilgilerini değerlendirerek birbirlerinin göreceli konumlarını ölçebilecektir. Ayrıca, üzerilerinde bulunan kızılötesi LED ve alıcılar ile engelleri algılayabilirler ve birbirleri ile bu LED’leri kullanarak haberleşebilirler. Tasarlanan sistem beş serbestlik derecesine sahiptir. Sistemdeki her modül birbirinin eşleniğidir. Modüller tek başlarına iki hareket tipi ile yer değiştirir; (1) sürünerek ve (2) tekerlekler üzerinde diferansiyel sürüş yaparak. Sürünme hareketini gerçekleştirmek için iki adet serbestlik derecesi gerekir ve bu eklemler aynı zamanda birleşme arayüzlerini hareket ettirebilir. Modülün iki ucunda bulunan tekerlekler diferansiyel sürüşe olanak sağlar ve sürünme hareketi esnasında sabitleme noktası görevi görür. Modüller birleşme arayüzlerinin bulunduğu yüzeylere yan yatarsa orta eksenini kullanarak kendini tekrar yere paralel duruma getirebilmektedir. Orta eksen daha önceki çalışmalarda olmayan bir özelliği öne sürmüştür. Orta eksen dört tekerlekli sürüş tiplerinde direksiyon görevi görebilmektedir. Bu sayede, özellikle dört tekerli diferansiyel sürüşte sistemin kendi ekseni etrafında dönmesi için gerekecek yüksek tork için harcanacak yüksek enerji engellenebilmektedir. Orta eksenleri kontrol ederek dört tekerlekli direksiyon sistemine geçiş yapılabilir. Bir modül üzerinde toplamda altı adet birleşme arayüzü vardır. Bu arayüzler birbirleri ile uyumludur. Modüllerin yeterli tork çıktısına sahip olması için yüksek dişli sayısına sahip DC motorlar kullanılmış ve harici dişli çiftleri sisteme eklenmiştir. Birleşme mekanizmalarını tahrik eden motorlar ile birlikte toplam dokuz adet DC motor vardır. Motorların pozisyonları bazı motorlarda potansiyometreler ile bazılarında ise manyetik enkoderler ile kontrol edilmiştir. Her modül üzerinde master kontrolcü görevini gören bir adet Teensy 3.2 mikrokontrolcü kartı bulunmaktadır. Dört adet birleşme arayüzü tamamen otonom olarak birleşebilen yapıdadır. Bu birleşme arayüzlerinde slave kontrolcü görevini gören ATmega328 mikrokontrolcüsü bulunur. Modüller arası haberleşmeden ve davranışsal kararlardan master kontrolcü sorumludur. Slave kontrolcüler ise birleşme arayüzlerindeki sensörleri ve birleşme mekanizmasını kontrol eder. I2C haberleşme protokolü ile slave modüller kimlik bilgileri ile master kontrolcü ile haberleşirler. Master kontrolcüden gelen engel algılama isteği ya da birleşme sensörü veri isteğine göre veri paketleri gönderir. Birleşme sensörleri kızılötesi alıcı ve vericilerden oluşur. Modüllerin her birleşme arayüzünde üç adet verici ve üç adet alıcı bulunur. Birleşme arayüzüne belirli açılarla yerleştirilmiş olan bu sensörler birbirlerine spesifik dijital verileri gönderirler. Her LED farklı bir data yollar. Bu datada hangi LED’in datayı gönderdiği, hangi modülün hangi birleşme yüzünün LED’i olduğu bilgisi vardır. Bu sayede birleşecek modüllerin belirlenmiş LED bilgileri haricinde bir veri alıp oluşacak hataları indirgemektir. Her LED, görüş alanı boyunca bir data bölgesi oluşturur ve üç LED’in radyal olarak birleşme arayüzüne yerleştirilmesi ile beş adet farklı data bölgesi oluşur. Birleşme esnasında bir modül sabit durup LED’lerden data göndererek hareketli olan modülü yönlendirir. Komut alış-verişi kablosuz X-Bee modülleri ile yapılır. Modülün tasarımı ve yapısal analizler yapıldıktan sonra gerekli komponentlerin birlikte çalıştığı testler yapılmıştır ve sistemin çalışılabilirliği kontrol edilmiştir. Seçilen motorlar basit bir test düzeneği ile belirli bir tork yüküne maruz bırakılmıştır ve çekilen akım ölçülmüştür. Basit olarak ölçülmüş motor parametreleri ile motor modellenmiştir. Bu modelden yola çıkarak pozisyon ve hız kontrolü için gerekli olacak PI ve PD kontrolcülerinin katsayıları bulunmuştur. Tek bir ULGEN modülünün hareket tiplerinin kinematik hesaplamaları yapılmıştır ve V-Rep simülasyon ortamında test edilmiştir. V-Rep simülasyon programı, modül üzerindeki sensörlerin, motorların ve eklemlerin simüle edilebileceği ve programlanabileceği fizik motoruna sahiptir. ULGEN modülleri master ve slave olarak bu yazılıma, CAD verilerinden kütle ve atalet moment değerleri alınarak eklenmiştir. Kızılötesi alıcı ve vericiler eklenmiş ve tek bir modülün hareket fonksiyonları programlanmıştır. Simülasyon ortamında çok modül konfigürasyonları ve çoklu modül birleşme simülasyonları yapılmıştır. Tüm komponentler olabildiğince gerçek komponentlerin spesifikasyonlarına sadık kalınarak modellenmiş ve otonom çalışacak şekilde programlanan modüllerin algoritması deneysel çalışmalarda da kullanılacak şekilde tasarlanmıştır. Simülasyon çalışmaları sonucunda pek çok farklı yapılandırma oluşturabilen bir sistem ortaya çıkmıştır. Tek bir modül kendi başına yeterli olarak yer değiştirebilmekte ve engelleri aşabilmektedir. Çoklu modül konfigürasyonları ise engellerin altından veya üstünden geçebilmeye, dar bir boru benzeri yapıdan sürünerek ilerlemeye, dik bir yüzeyi tırmanmaya ve düzgün bir yüzeyde hızlı bir şekilde tekerlekler üzerinde ilerlemeye olanak sağlar. İki modülün uç uca eklenmesi ile tırtıl (inchworm) hareketi yapılabilir. Ayrıca iki modülün yanyana birleşmesi ile daha stabil bir diferansiyel sürüş elde edilebilir. İkiden fazla modül uç uca birleşerek yılan benzeri bir yapı oluşturabilir ve sürünerek ilerleyebilir. Bu yapı özellikle dik yüzeylerde ilerlemek için idealdir. Beş modül birleşerek dört tekerlekli mobil robot formunu oluşturabilir. Bu yapı yüksekliğini azaltabilir veya yükseltebilir. Bu sayede alçak ya da yüksek engellerden kaçabilecek özelliktedir. Beş modülün oluşturduğu bu yapı, IMU sensöründen bozuk zemin üzerinde olduğu verisini alırsa bulunduğu konfigürasyonu koruyarak sadece uç eyleyicilerin açısal konumu değiştirilerek dört bacaklı yürüyebilen robot formuna geçebilir. Dokuz modül birleşerek dört bacaklı daha yüksek yer değiştirme kabiliyetine ve hareket esnekliğine sahip yapı oluşturabilmektedir. Modüler robotik ve sürü robotiğinin beraber çalışabildiği bir sistem olarak tasarlanan ULGEN çoklu robot sistemi bir görevin bitirilme süresinin kısaltılması için sürü robotiğinin dağınık kontrolcü yapısına ihtiyaç duyabilmektedir. X-Bee modüllerinden alınan sinyal kuvveti verilerini kullanılarak lokalizasyon yapılabilmektedir. Sürü robotiğinin küçük yapılı birimlerinin dağılarak bilinmeyen bir ortamı tarama özelliği modüler robotik alanında kullanılabilinir. ULGEN sisteminde, üç adet modül sabit durarak X-Bee modüllerinden yayın yapabilir. Hareketli olan diğer modüller logaritma tabanlı Trilateration algoritmaları ile göreceli konumlarını yayın yapan modüllere göre belirleyebilir. Hareketli modüller etrafa dağılarak bir hedefi bulmaya çalışabilir. Trilateration algoritması ile nispeten kontrollü olarak yüksek enerji verimliliği ile hedef bulunabilir. Aksi halde, dağınık olan tüm modüllerin birleşerek bir yapı oluşturması ve ortamda bulunan engellere göre yapı değiştirerek ilerlemesi gerekir. Birden fazla farklı yerde ölçüm alınabilirken tek bir yapı ile ölçüm alınarak gidilecek hedefi bulmak daha uzun sürecektir ve daha çok enerji harcanaktır. X-Bee modüllerinden alınan sinyal kuvveti verileri test edilmiş ve buna göre bu modüller modellenmiştir. Çalışma sonucu üretilen ilk prototip ile tekli yer değiştirme hareketleri test edilmiştir. Sabitlenmiş bir birleşme arayüzü ile birleşme algoritması test edilmiştir.

Field of robotics consists a variety of disciplines, such as mechanical, computer and electronics engineering. In a traditional design approach, a humanoid, mobile robots and industrial robots have a certain amount of actuators and sensors. These robots have pre-defined workspace and they may not have the sufficient structure to respond to the changing environments. In addition, adding actuators and sensors to the robot consider all possible failures, environment types and targeted goals may have drawbacks on both costs and complexity. Modular robot systems consist individual robotic agents, which have the capability of assembly and forming new structures. Robotic structures with conventional morphologies usually have more complicated structures compared to the modular robot systems. The modular robotic systems, having simpler structures, can adapt to different tasks, avoid obstacles, reconfigure as a structure and repair malfunctioned agents. Simplest designs have only one degree of freedom whilst it can go up to four or five degrees of freedom in systems that are more complicated. Recent studies brought up systems with different capabilities such as; self-assembly, self-reconfigurability, autonomy, mobility. However, most of the systems do not have all of these capabilities at once and the ones that have these abilities are not mobile enough to achieve locomotion sufficiently on rough and smooth terrain. In this work, a chain type self-assembly, modular self-reconfigurable robot system called ULGEN (Universal-Generative Robot) is designed and manufactured with wireless communication, localization, obstacle detection and high mobility capabilities. Presented work is a five degree of freedom system with six docking interfaces. This design configuration of the robot makes a single module adapt to different tasks, avoid obstacles and reconfigure as a structure. A single module can achieve locomotion in crawler mode and differential drive mode on its wheels. The rotating central joint brings up different capabilities, such as –(1) recovering itself if the module falls on its side and changing the locomotion type without reconfiguring the whole structure and (2) skid-steering to 4-wheel steering or insect-like four-legged robot to mammal-like four-legged robot. Localization can be used in swarm robotics applications. Modules can travel autonomously to explore ares individually and form an alternative configuration if they encounter obstacles. Once the optimal path is found or the defined target is found, the whole system can re-assemble and follow that path. All of the docking interfaces are compatible with each other and only the wheel connections require constant power supply to establish a rigid connection.
Modüler mobil çoklu robot sistemi tasarımı: ulgen (universal-generative robot)
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016
Keywords: Modüler Robot; Mekanik Tasarım; Kendi Kendine Şekil Değiştirebilen Robot; Yer Değiştirme; Modular Robot; Self-reconfigurable Robot; Mechanical Design; Locomotion