Hiper gereğinden çok serbestlik dereceli yılansı robotlar için yol planlama algoritması ve kontrol yöntemi geliştirilmesi

Abstract

Bu tezde gereğinden/hiper-gereğinden çok serbestlik dereceli manipülatörler için, kapalı alanlar içinde basit geometrik kurallar tarafından idare edilebilen ve gerçek zamanlı çalışan güçlü bir yol planlama algoritması sunulmuştur. Engellerle çevrili manipülatörü yönlendirebilmek için kullanılan bilgilerin tümü ayrıklaştırılmış yol içinde saklıdır. Fiziksel olarak mümkün olması şartıyla, yöntemin kendine özgü manevra özellikleri, manevra uzayının yüzde doksan sekizinin kullanılmasını sağlamıştır. Çeşitli bilgisayar simülasyonlarıyla yöntemin etkinliği kanıtlanmıştır. Bu tez, yukarıda bahsedilen algoritmanın mekanik olarak uygulanabilme zorluklarını da ele almaktadır. Mafsallarında servo motor ve redüktör bulunan, art arda bağlanmış çok yüksek sayıda uzuvlara sahip bir robot manipülatör teorik olarak tasarlanabilir. Ancak, bu mafsal tahrik mekanizması manipülatörün toplam ağırlığını artırdığı için hayata geçirilememektedir. Bunun yerine konumlandırma doğruluğu sorunu olan kablo tahrikli mekanizmalar tercih edilmektedir. Bu tez, kablo tahrikli hiper-gereğinden çok serbestlik dereceli manipülatörlerin konumlandırma doğruluğu sorununun üstesinden gelebilmek amacıyla karşı-dengelenmiş iki serbestlik dereceli robotik bir kol sunmaktadır. Robot tabanındaki aktüatörler kablo ve yay kullanarak uzuv mafsallarındaki yer çekimsel torku dengelerken, modül mafsallarındaki hafif ve kompakt aktüatörler hassas hareketi sağlamaktadır. Yöntem sayesinde hassas, hafif ve kompakt hiper-gereğinden çok serbestlik dereceli manipülatörler üretilebilecektir. Dengeleme süresince uzuv mafsallarında hissedilen tork değerlerinin, geliştirilen iki boyutlu simülatöre sahip kontrol yazılımı aracılığıyla aktüatörlerin nominal tork kapasitelerinin altına indirilebildiği deneysel olarak kanıtlanmıştır.

This thesis presents a robust and real-time path-planning algorithm for redundant/hyper-redundant manipulators governed by simple geometric rules within confined spaces. All the information adopted to steer the manipulator surrounded by obstacles are embedded in a discretized path. Provided that it’s physically conceivable, the peculiar maneuvering characteristics of the method enable ninety eight percent of the maneuvering space to be utilized. The proposed method is proved to be effective through various computer simulations. This thesis also addresses the mechanical implementation challenge of the abovementioned algorithm. A robot manipulator with huge number of links, each of which is successively appended to the proximal link, may theoretically be designed by disposing servo motors and speed reducers to the link joints. However, this joint actuation mechanism augments the total weight of the manipulator, thereby cannot be implemented. Instead, cable driven mechanisms, which brings about the positioning accuracy problem, are preferred. This thesis presents a counter-balanced 2-DOF robotic arm to deal with the positioning accuracy issue of cable driven hyper-redundant manipulators. While the actuators at the robot base, adopting cables and springs, balance the gravitational torques at the link joints, light and compact actuators on the module joints generate precise motion. Hyper-redundant manipulators will be given the opportunity of being precise, light and compact by the method. The torque values at the link joints during balancing have been experimentally verified to be lowered below the nominal torque capacity of the actuators with the aid of a control software incorporating a 2D simulator developed.