Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Günümüzde robotlar pek çok işte insanların yerini almaya başlamıştır. Her gün gelişen robot teknolojisi, robotların iş yapma hızını ve iş kalitesini artırmaktadır. Robotlar kullanıldıkları alanların vazgeçilmez unsuru olmaktadır. Bugün robotlar, cerrahi operasyonlarda ve uzay araçlarında kullanılabilmektedir. Robotlar arasında manipülatörler, endüstriyel uygulamalarda sıklıkla karşımıza çıkmaktadır. Endüstride üretim hızının ve kalitesinin sürekli artması istendiği için, gelecekte daha fazla robotun üretim sahasında kullanılacağını söyleyebiliriz. Endüstriyel manipülatörler, çoğunlukla üretim hattında parça taşıma, paketleme, kaynak ve boya yapma işlerinde kullanılmaktadır. Dikkat edilecek olursa, bu uygulamalarda çevre ile temas çok az veya hiç yoktur. Robot, izlediği yol boyunca herhangi bir engelle karşılaşmaz. Diğer bir deyişle, bu uygulamalarda asıl amaç çevre ile etkileşim değil, serbest uzayda planlanmış bir hareketi gerçekleştirmektir. Endüstriyel manipülatörler çevre ile etkileşim gerektiren uygulamalarda da kullanılabilmektedir. Montaj, çapak alma, taşlama ve cilalama bu uygulamalardandır. Bu tip uygulamalarda klasik konum kontrolü yetersiz kalmaktadır. Klasik konum kontrol yöntemleriyle istenen kalitede iş yapmak için, iş parçasının konumunun son derece hassas olması, manipulatörün ve çevrenin de çok iyi modellenmiş olması gerekmektedir. Bu şartları sağlamak her zaman mümkün olmayabilir. Çevre ve manipulatörün sertliğinin yüksek olduğunu düşünürsek, bu şartların sağlanamaması durumunda, konumda ufak bir hatanın oluşması, çok büyük temas kuvvetlerinin ortaya çıkmasına sebep olmaktadır. Bu da iş parçasına veya manipülatöre zarar verebilir. Eğer çevre ile etkileşim söz konusuysa, “uyumlu hareket kontrolü” veya “kuvvet kontrolü” bize daha iyi sonuç verecektir. Bu kontrol yönteminde, serbest konum kontrol yönteminden farklı olarak, çevre ile olan temas sonucunda oluşan kuvvetler dikkate alınır, bu kuvvetler doğrudan veya dolaylı yoldan işleme sokulur ve uygun kontrol sinyalleri üretilir. Kuvvet kontrolü, robotik sistemlerin bilinmeyen bir çevrede öngörülemeyen durumlarda çalışabilmesi ve esnek bir davranış sergilemesinde ve akıllı tepkiler vermesinde önemli bir rol oynamakta ve insan-robot etkileşimine katkıda bulunmaktadır. Yukarıda anlatılan çevre ile uyumlu davranış iki şekilde elde edilebilir: pasif etkileşim kontrolü ve aktif etkileşim kontrolü. Pasif etkileşim kontrolünde, temas kuvvetleri, robotun yapısal esnekliğiyle, servo motorların esnekliğiyle veya robotun ucuna monte edilmiş özel bir uç işlevciyle kontrol altında tutulmaya çalışılır. Endüstriyel uygulamalarda genellikle üçüncü yöntem kullanılır. Bu metot basit ve ucuz olmakla birlikte, robotun çevreyle temasından doğan hatalara karşı tepkisi de (programlanmış bir kontrol algoritmasından farklı olarak) hızlıdır. Fakat saydığımız avantajlarına rağmen bu yöntem, farklı endüstriyel uygulamalara karşı esnekliğe sahip değildir. Her uygulama için özel olarak bir uç işlevci tasarlanması gerekmektedir. Aktif etkileşim kontrolünde, manipulatörün çevre ile uyumu özel olarak tasarlanmış bir kontrol sistemi sayesinde sağlanmaya çalışılır. Bu kontrol yöntemlerinde genellikle robotun bileğine monte edilmiş bir kuvvet sensörünün ölçtüğü temas kuvvetleri geri besleme ile işleme sokulur. Bu tezde kullanılan kuvvet sensörü, iş uzayında altı kuvvet bileşenini (üç kuvvet, üç moment) ölçebilmektedir. Bu tezde aktif etkileşim kontrolü ele alınmıştır. Aktif etkileşim kontrolü ayrıca kendi içerisinde iki kategoriye ayrılabilir: dolaylı kuvvet kontrolü ve doğrudan kuvvet kontrolü. Dolaylı kuvvet kontrolünde, temas kuvvetleri, modifiye edilmiş bir hareket kontrol metoduyla kontrol edilir. Doğrudan kuvvet kontrolünde ise kullanıcı, manipülatöre istenen temas kuvvetlerini besler ve manipulatör de bu referans değerlerini izlemeye çalışır. İlk kategorideki kontrol yöntemleri için empedans kontrolü örnek olarak verilebilir. Bu yöntemde, manipulatörün hareketi sırasında çevre ile etkileşim sebebiyle ortaya çıkan konum hataları, temas kuvvetleriyle ilişkilendirilir. Bu ilişki ise mekanik empedans olarak tanımlanır. Bu kontrol yönteminde, manipulatör çevre ile etkileşimi sırasında istenen mekanik davranışı göstermeye zorlanır. İkinci kategoriye örnek olarak hibrid kuvvet/konum kontrolü verilebilir. Bu kontrol yönteminde iş uzayı, iki alt uzaya ayrılır. Bu alt uzaylardan birine konum kontrolü uygulanırken diğerine kuvvet kontrolü uygulanır. Aynı alt uzaya hem konum, hem de kuvvet kontrolü uygulanamaz. Kuvvet kontrolü uygulanan uzayda, doğrudan istenen temas kuvvetleri üretilir ve bunların takip edilmesi için gerekli kontrol sinyalleri üretilir. Konum kontrolünden ve kuvvet kontrolünden üretilen kontrol sinyalleri eklem torklarına (veya kuvvetlerine) dönüştürüldükten sonra bu değerler toplanır ve manipülatöre gönderilir. Bu tezde, İstanbul Teknik Üniversitesi Mekatronik Eğitim ve Araştırma Merkezi bünyesindeki Stäubli RX-160 endüstriyel manipulatörünün üzerinde farklı kuvvet kontrol algoritmaları uygulanması amaçlanmaktadır. Stäubli RX-160 endüstriyel robotik manipulatör, boya yapmak veya iş parçalarını üretim hattında bir noktadan diğerine taşımak amacıyla tasarlanmıştır. Robot orta boyutta olup, nominal hızlarda 20 kg yük taşıyabilmektedir. Stäubli firmasının sağlamış olduğu LLI programlama arayüzü sayesinde, manipulatör üzerinde, literatürde önerilen kontrol algoritmaları, manipulatör kontrolcüsüne gömülüp test edilebilmektedir. LLI, kullanıcıya manipülatörü her yönüyle ele alıp kontrol edebilmesini sağlamaktadır. Bu da akademik çalışmalar için bize avantaj sağlamaktadır. Literatürde gösterilen kontrol şemaları, robot üzerinde denenebilmekte ve bu şemaların performansları ölçülebilmektedir. LLI aynı zamanda birtakım güvenlik fonksiyonları da içermektedir. Bu da, bir ölçüye kadar, robot üzerinde yapılan denemelerde meydana gelen hataların robota veya çevreye zarara vermesini önlemektedir. Bu tez beş ana bölümden oluşup, ilk bölümde tezin amacına, Stäubli RX-160 manipulatörün başlıca teknik özelliklerine ve manipulatörün donanım ve yazılımına değinilmiştir. İkinci bölümde, manipulatörün kinematik ve dinamik modelleri çıkarılıp, manipulatörün bilinmeyen parametrelerinin tanınmasından bahsedilmektedir. Bu modeller kontrol için gerekmektedir. Dinamik modelin çıkarılması için gereken kütle parametreleri, Stäubli tarafından sağlanmıştır. Geçmişte bu robot üzerinde yapılmış tanımlama çalışmasından elde edilen sürtünme ve yay modeli bu tezde doğrudan kullanılmıştır. Üçüncü bölümde, ilk olarak yörünge planlamasından bahsedilmiştir. Yörünge planlaması robotun izlemesi gereken yolun zamana bağlı denklemini verir. Bu bölümde daha sonra, hareket kontrol şeması gösterilmiştir. Ardından, kuvvet kontrol şemaları gösterilmiş ve bunların benzetim ortamında elde edilen sonuçları verilmiştir. Benzetim sonuçları, kontrol şemalarının gerçek zamanlı uygulanmasından önce robotun hareketi ve eklemlere uygulanması gereken kuvvetler hakkında ipuçları vermiştir. Fakat benzetim sonuçları ile gerçek zamanlı uygulama sonuçları arasında bir karşılaştırma yapılması amaçlanmamıştır. Bunun nedeni, ileri dinamik robot modeli ve kontrol şemasında kullanılan ters dinamik robot modelinin benzetimlerde birebir aynı olmasıdır. Bu da, robotun mükemmel bir şekilde modellendiğini ileri sürer ki böyle bir varsayım gerçekçi değildir. Dördüncü bölümde, ilk olarak deney ortamından bahsedilmiş, deneyler sırasında ortaya çıkan sorunlara değinilmiştir. Daha sonra, bir önceki bölümde bahsedilen kontrol şemaları, gerçek zamanlı olarak robota uygulanmış ve elde edilen sonuçlar gösterilmiştir. Beşinci ve son bölümde, yapılan çalışmalar özetlenip gelecekte yapılabilecek çalışmalar için öneriler sunulmuştur.Today, humans are started to be replaced by robots in many areas. Work speed and quality of robots are increasing day by day with the developing robot technologies. Robots are becoming irreplaceable components of industrial applications. With recent developments, robots can perform surgical operations and be used in space vehicles. Industrial manipulators are mostly used in applications like packing, welding, material handling and painting on a production line. While performing these tasks, manipulators have very limited interaction with the environment or none at all. The main purpose of these tasks is to follow a path in free space. Manipulators can also be used in tasks where interaction is desired. Assembling, deburring, grinding and polishing are among these tasks. However, classical motion control methods are insufficient for these tasks. The position of the manipulator and the workpiece must be known with a high precision and the environment must be modeled accurately in order to execute these tasks with pure motion control. These conditions cannot always be satisfied. If we assume a rigid manipulator and environment, a small error can cause an increase to contact forces to a point where the workpiece or the manipulator can be damaged. For this reason, we need some degree of “compliance” between the manipulator and the environment. “Compliant motion control” or “force control” can give us a better solution in cases where interaction with the environment is present. Contact forces are controlled directly or indirectly by generating proper control signals. In this thesis, two widely known force control strategies are considered: impedance control and hybrid force/position control. Impedance control can be classified as an indirect force control where errors in the motion are related with contact forces. This relation, known as mechanical impedance, has an advantage that its parameters can be adjusted to ensure a desired behavior of interaction. On the other hand, hybrid force/position control, which is classified as a direct force control, requires desired values of contact forces. In return, the controller calculates the error between the desired and feedback forces and generates a proper control signal to follow desired force trajectory. For both of the control strategies mentioned above, contact force measurements from a force/torque sensor are used. These sensor data are certainly required for hybrid force/position control. However, for impedance control, there are control schemes where force feedback is not required. The purpose of this thesis is applying different force control algorithms on Stäubli RX-160 industrial type manipulator that resides in Istanbul Technical University Mechatronics Education and Research Center. By using LLI (Low Level Interface) provided by Stäubli, control algorithms that are reported in literature can be embedded to manipulator controller and tested. LLI enables us to control all aspects to control an industrial type manipulator where we can use our own kinematic and dynamic models. This thesis consists of five chapters. In the first chapter, the purpose of thesis, technical properties of RX-160, hardware and software that are used in this study will be mentioned. In second chapter, kinematic and dynamic model of RX-160 are derived and unknown parameters are mentioned. In order to derive dynamic model of the robot, mass properties must be known. These parameters are provided by Stäubli. The spring model and friction parameters are identified in a past work and they are used directly in this thesis. In chapter three, some control methods are introduced and simulation results are shown. Trajectory planning is also mentioned in this chapter. In fourth chapter, the control methods mentioned in the previous chapter will be applied to the manipulator in real-time. The data collected from sensors are analyzed and commented. In fifth and the last chapter, all the work done throughout the thesis is summarized and suggestions are made for future works.Yüksek LisansM.Sc
