Kablo Tabanlı bir Paralel Maniplatörün Konum Kontrolünün Sağlanması

Transkript

1 Kablo Tabanlı bir Paralel Maniplatörün Konum Kontrolünün Sağlanması Levent GÖKREM 1 Haydar YANIK 2* Ali AKTAŞ 3 1 Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, 60250, Tokat, Türkiye 2, 3 Amasya Üniversitesi, Merzifon Meslek Yüksekokulu Elektronik ve Otomasyon Bölümü, 05300, Amasya, Türkiye 1 levent.gokrem@gop.edu.tr 2 haydar.yanik@amasya.edu.tr 3 ali.aktaş@amasya.edu.tr Özet Son yıllarda teknolojinin gelişmesi ile yüksek hassasiyet, yük taşıma kapasitesi, doğruluk, rijitlik ve hız gerektiren uygulamalarda paralel robotların kullanım alanları artmıştır. Bu gelişmeye bağlı olarak, paralel robotların çalışma alanlarının kısıtlı olması ve ters/ileri kinematik çözüm işlemlerinin karmaşık olması karşılaşılan en önemli problemlerdendir. Kullanıldığı uygulamalarda çalışma uzaylarının belirlenmesine önem verilmiş, çalışma alanın kısıtlı olması da mekanizmanın iş yapabilme kabiliyetlerini kısıtlamıştır. Paralel mekanizmalar kapalı çevrim yapıda olmasına karşın, son konumlarının kontrolü de bir diğer önemli unsurdur. Paralel mekanizmalarda, hareketli ve sabit olmak üzere iki önemli eksen bulunmaktadır. Bu iki eksen, en az iki noktadan birbirlerine bağlı ve birbirinden bağımsız bağlantı elamanlarından oluşur. Bu nedenledir ki çalışma uzayları seri mekanizmalara göre daha kısıtlıdır. Bu çalışmada Stewart paralel manipülatörlerin bir farklı yapısı olan kablo tabanlı paralel manipülatör uygulaması, prototip olarak ele alınmış, çalışma uzayının ve çalışma kabiliyetinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Normalde kapalı çevrim denetim olarak çalışan Steward paralel mekanizmaların, kablo tabanlı yapısında, son konum kontrolü bir enkoder, görüntü işleme vb. sistemler ile yapılacağından, sistemde açık çevrim olarak ele alınmıştır. 1. Giriş Paralel manipülatörler, taşıma kapasitesinin yüksekliği, kararlı ve yüksek hızlı uygulamalarında çalıştırıla bilirliği, dinamik performans ve hassas konumlandırma gibi özelliklerin olması nedeni ile hassasiyetin yüksek olduğu ve hızın önem teşkil ettiği uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır. Paralel manipülatörler cerrahi operasyonlar, eğlence simülatörleri, petrol çıkartma platformları, yük taşımacılığı, hafif metalleri işleme, taşlama, cilalama, kesme, şekil verme ve montaj işlemleri, uçak simülatörleri gibi endüstriyel ve sanayi uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Paralel manipülatörler, biri hareketli diğeri sabit bulunan eksenlerin birbirleri ile belli noktalardan etkileşimleri sayesinde hareketleri bağlanılan sistemlerdir. Burada kullanılan ve literatüre kablo tabanlı olarak ta geçen bu çalışma örnekleri incelenmiş ve ortaya çıkan sorun ve geri kontrol sistemleri ele alınmıştır. Litaratüre genel olarak Steward Platformları olarakta geçen, hegzapot sistemler hareketli, sabit eksenlerin bağlantı noktalarının sayısı ve yapısı nedeni ile özel bir isim almışlardır. 192

2 Şekil 1 de genel bir paralel mekanizmanın şekli gösterilmiştir. (2) Her motorun zeminle bağlantılı olması Motorların birbirleriyle etkileşimi önlemek (3) Her motorun direk olarak aynı yüke etki etmesi (4) Yük/yapısal ağırlık oranını yükseltmek Belirli bir güç kaynağı için maksimum performans elde etmek Mevcut güçten maksimum performans elde etmek (5) Her motorun bir hareketle ilişkilendirilmesi Kontrol kolaylığı Şekil 26: Benjamin M. Snyder hazırlamış olduğu mekanizma (6) Sürtünmeyi düşürmek Güç kayıplarını düşürmek ve sistemden gelen yanıtı yükseltmek 2. Paralel Mekanizmalar ve SPM 2.1. Paralel Sistemler Paralel mekanizmalar seri mekanizmalara göre daha hassastır ve çalışma alanındaki kabiliyetlerinin yüksek olmasından dolayı günümüzde pek çok çalışma alanında kullanılmıştır. Bunun başlıca sebebi ise hız ve hassasiyetleridir. Paralel mekanizmalar yüksek hız, yüksek ivmelenme ve serilikleri nedeniyle seri mekanizmalardan daha duyarlıdır. Bu çalışmada paralel mekanizmaların çalışma alanındaki kabiliyetleri test edilecektir. Paralel mekanizmalar birbirlerine paralel iki eksen arasındaki bağlantı mafsalları ile bağlı bulunmaktadırlar. Bu mafsalların hareket yönleri ile eksenler arasındaki konum genişliği sağlanmaktadır. Günümüzde Stewart platformu olarak anılan mekanizmadan biraz farklı olmakla beraber, ortaya atılan mekanizma 6 serbestlik dereceli, her biri zeminle bağlantılı 6 motora sahip bir mekanizmaydı. Üçgen biçimli hareketli üst platform küresel mafsallarla bacaklara bağlıydı. Tablo 7: Paralel mekanizma tasarım hedefleri Tasarım Hedefi Amaç (1) 6 dan fazla motor kullanmamak Fazla aktuatör sayısının kısıtlamak ve maliyeti düşürmek Tablo1 de paralel mekanizmaların tasarım hedefleri verilmiştir. Paralel mekanizmalar genel olarak kapalı çevrim gibi çalışsa da açık çevrim olarak çalışmaları da mümkündür. Son konum kontrol ve yüksek hassasiyette kapalı çevrim çalışmaları daha verimli sonuçlar elde ettirecektir. 3. Kablo Tabanlı Mekanizmalar ve Yapısı 3.1. Kablo Tabanlı Paralel Manipülatörler Kablo tabanlı manipülatörlerde eksenlerin hareketleri birer aktuatör sayesinde değil de daha hafif ve esnek olan ip veya misinalar sayesinde gerçekleştirilir. Bu sayede ağır ve hantal olan aktuatörlerin kısıtlı hareket mesafelerinin aşılmış olması en büyük avantajları olmasının yanında; hareket uzaylarının sınırlı olması da en büyük dezavantajıdır. Aktuatörlerin yerlerini alan bu ara ipler sistem ağırlığını azaltsa da sistemin dışarıdan gelen etkiler ve hava şartlarından etkileşimini azaltamamaktadır. Bu gibi durumlar, sistemin çalışma grafiğini etkilemese de, düşük yük altında net sonuçların alınamamasını sağlamaktadır. Kablo tabanlı manipülatörler çalışma alanlarına göre, geometrik yapılarına göre ve serbestlik derecelerine göre farklıklar gösterebilirler. Bu farklıların en önemlisi ise serbestlik derecelerine göre gösterilen farklılıktır. Sistemin serbestlik dereceleri platformları hareket ettiren kablo sayısına bağlıdır. Hareketli platformun serbestlik derecesini sınırlamak için eksenlerin mafsal sayısı n ise n+1 tane aktuatöre ihtiyaç duyulduğu 1993 yıllında Japonya da yapılan akıllı robotlar ve sistemler konferansında ele alınmıştır [1]. Kablo tabanlı manipülatörlerde, hareketli platformu aşağı çeken yer çekimi kuvveti, sistemde sanal bir kuvvet oluşturularak bir avantaj elde ettirir. 193

3 Bunca avantaja rağmen; kablo tabanlı manipülatörlerin, tasarım problemlerinde karşılaşılan zorluklar, kablo karmaşasının çıkarmış olduğu görev dağılımı, kullanılan mesnet ve kabloların ortam şartlarına ve esnemelerine bağlı olarak ortaya çıkan etkiler, kontrolde kabloların gergi ve titreşimlerden kolay etkilenmesi gibi birçok dezavantajları da mevcuttur Elektrik Yapısı sinyal kombinasyonu yazılım ortamında başarılmış ve hangi eksenlerin beraber çalıştırılması gerektiği ara yüz programında belirtilmiştir Mekanik Yapısı Şekil 4 de manipülatörün mekanik yapısı incelendiğinde, tasarlanan üçgen prizma şeklindeki üst tablaya bağlı platform 6 adet kontrol noktasından geçen misineler yardımı ile ara paltforma bağlanmıştır. Şekil 28: Misinalı 6x6 Stewart Platform Eyleyici görevi gören misineler makara ve uç işlevciye gergin olarak bağlı bulunmaktadır. Step motorlara monte edilmiş makaralar, sürücü ve PC tabanlı kontrol programı ile hareket ederek, kendilerine bağlı misinaları sarabilmektedir. Böylece boyu uzayan ve kısalan misineler sayesinde uç işlevci belirli bir çalışma alanı içerisinde hareket edebilmektedir. Şekil 27: Kablo tabanlı hegzapodun bağlantı şeması Güç katında bir adet kod çözücü (decoders), bir adet L298 entegresinden oluşan bir yükselteç devresi yapılmıştır. Kod çözücüler ile paralel porttan aldığımız çıkışların yetersiz kalmasından dolayı, paralel portun kullanmış olduğumuz 6 çıkışı çoklanarak, 6 step motor için gerekli 6 yön sinyali ve 6 tanede sürme sinyali için gerekli olan 12 sinyal ucu elde edilmiştir Sürücü Devresi Bipolar step motorların kontrolünde kullanılacak entegrelerin, ısınmalara karşı korunması gerekmektedir. Devre analizi yapılırken ve malzeme listesi hazırlanırken, kullanılacak malzemeler yüksek güç altında çalışacağı unutulmamalı ve seçilecek malzemelerin çalışma sıcakığına dikkat edilmelidir. Kullanılan Thomson MGS-200s entegresi ile yapılan step sürücü kartları 24 volt gerilim ve yaklaşık 2 amper akıma göre dizayn edilmiştir. Kullanılan sürücü devrelerinde motorların hareketlerini sağlamak için gerekli kare dalga sinyaller ve bu sinyallerin yeterli eşik değerine ulaştırmaları için yükselteç katına ihtiyaç vardır. H köprüsü olarak kullanılan l298 entegresi, güç katında kullanılmaktadır. Burada girişe uygulanan ve bilgisayar çıkışından alınan yaklaşık 5 voltluk sinyal, motoru sürmesi için gerekli olan beslemeyi sağlayamamıştır. Bilgisayar ortamında yazılan görsel programlama dili ile bilgisayar paralel portları kontrol altına alınmaktadır. Gerekli 194

4 üstünlükleri incelendiğinde görülmektedir. Fakat maliyet ve ihtiyaç analizleri yapıldığında step motorlar ile sistem kurmanın servo motorlara göre daha az maliyet gerektirdiği unutulmamalıdır. Servo sistemlerin kontrolü için kurulacak kapalı çevrim çalışan sistem daha net sonuçlar ve kararlılık verecektir. Step motorları kapalı çevrim çalışmaları için kurulacak sistem maliyet/tasarım açısından aynı oran yakalansa da servo sistemler daha net sonuç vermektedirler. Bu tarz bir sistem kurulması planlanıyorsa istek ve gereksinimlerin iyi belirlenmesi gerekir. Şekil 29: GS-D200S İç Yapısı Şekil 4 de GS-D200S içyapısı verilmiştir. Step motorun Thomson MGS-200s entegresine bağlantısı Şekil 5 de gösterilmiştir. Hazırlanan 6x6 kablo tabanlı manipülatör, görünüş gereği iki platformun konum hareketlerinin 6 kablo ve 6 noktadan sağlandığı bilinse de, çalışma uzay analizinde 6x3 gibi sonuç verdiği unutulmamalıdır. Bunun sebebi orta eksene bağlı olan 6 noktanın 3 ünün yardımcı eklem gibi davranmasıdır. Şekil 30: GS-D200S bağlantı yapısı 4. Sonuçlar Genel olarak ele alındığında sistemin sadece aşağı yönlü olan yerçekimi şiddeti, sistemin yer düzlemine paralel göstermiş olduğu hareketi sınırlamış, ip veya misinaların itme kuvvetinde yetersiz kaldığı gözlemlenmiştir. Bu sıkıntı nedeni ile kablo tabanlı manipülatörlerin kullanım alanlarının, yerçekimini arttırır nitelikteki uygulamalar da fazla olduğu gözlemlenmiştir.1 Paralel mekanizmaların, iki platformu birleştiren aktuatörlerin şekil ve özelliklerine göre konum kabiliyetleri sınırlanmıştır. Burada kullanılan hareket ileticilerinin kablo veya misina seçilmesi sistem kütlesinin azaltılması için iyi bir tercih olurken, ağır yükler altında esneme, dış etkilerden etkilenme ve kopma olasılıkları açısından sıkıntı arz etmektedir. Kullanılan mekanik aktuatörlerde ise çalışma alanlarındaki nokta sayısının aktuatörde kullanılacak motor kabiliyetine bağlı olması, bizleri sistemi tercih ederken zor bir maliyet/tasarım hesabına itecektir. Bu sebepten ötürü paralel manpülatörler seçilirken iyi bir analiz ve tasarım/maliyet hesabı yapılmalıdır. Çalışmamızda kullanılan step motorların adım açılarının sabit 1.8 derece olmasına rağmen, arada bir redüktör kullanılmaması sistemin çekeceği motor/yük oranını sabitleyip, alacağı maksimum konum sayısında sınırlamıştır. Tasarlanılacak servo bir sistemde alınacak çalışma nokta sayısı daha fazla olacağı, servo motorun step motora göre Bu tarz çalışmalarda daha net sonuç ve daha fazla noktaya ulaşılmak isteniliyorsa, ya sistemin esnemeleri yok edilmeli veya sitem ile paralel çalışan bir alt kuvvet oluşturacak çizgiler yaratılmalıdır. Bu sonuçlar sitemin daha verimli çalışması için göz ardı edilmemesi gereken, bilinen en önemli dezavantajlarıdır 2. Sistem kontrol noktaları ve arkada çalışan programların korunması gerektiği bilinmelidir. Step motorların sürücülerinden gelen ters akım ve aşırı çekilen akıma karşı sistemin korunması gerekmektedir. Aksi taktirde, sistem haricinde çalışan elektronik aksamlara zarar verilebilir. Bu çalışmamızda karşımıza çıkan sıkıntılardan bir tanesi de 1 Surdilovic ve arkadaşları STRING-MAN adı verdikleri bir medikal prootip üretmiş ve analizlerini yapmıştır[2].. 2 Benjamin M. Snyder [3] hazırlamış olduğu çalışmada bu yardımcı eklemler konusuna değinmiş ve bu sayede sistemden maksimum sağlanacağını belirtmiştir. 195

5 sistem çalışırken iki kontrol bloğunun birbirinden etkilenmesi ve biribirlerine zarar vermesiydi. Bu sorunlar arada kullanılan optokuplörler ile çözüme ulaştırılmıştır. Optokuplörlerin önüne bağlanan ama teoride gereksinim duyulmayan küçük dirençlerle optokuplörlerin arızalanmamasını sağlamıştır. Kullanılan optokuplörler, GSD-200 entegresinin 6. ve 7. pinlerinde oluşan 5 voltluk gerilimin topraklanmasını sağlamıştır. Proceedings of the 2007 IEEE 10th International Conference on Rehabilitation Robotics, Noordwijk, [3] Snyder, B. M., Seven-Dof Cable-Suspended Robot With Independent Six-Dof Metrology. (Yüksek Lisans tezi), College of enginneering and technology, Ohio University. Sistem ve işlemci beslemeleri için gerekli farklı voltaj değerleri ise arada kullanılan regülatör devreleri ile çözülmüştür. Unutulmaması gereken bir diğer önemli unsursa elektronik entegre ve işlemciler kullanılırken bunların maksimum gerilim ve akım değerleri iyi belirlenmelidir. Aksi taktirde bir anlık hatanın bu tarz devre bloklarının zarar görmesini sağlayabilir. Enerji hatlarının ayrı olması, sistemin birbiri ile konbine çalışması için, sinyallerin topraklama hatlarının ortak olması unutulmaması gereken bir diğer unsurdur. Ara yüz programı hazırlanırken öncelikle sistemi kısım kısım ele alınmalıdır. İlk başta step motorlar için gerekli sistem kodları sonra bu kodların işleyişi çözümlenmelidir. Teoride çalışan sistemin, uygulamada adım adım işlenmesi gerektiği bulgusuna varılmıştır. Her bir port çıkışından alınan bilgiler, bir önceki motorun konumu takip edilerek verilmelidir. Bu sayede sistemin son noktaya, arada çok küçük bir zaman kaybı ile ulaşması sağlanmıştır. Sistemin normale yakın hızlarda çalışmasında, bu kayıp fark edilmemektedir. Burada; mikro işlemcinin, bilgileri işleme hassasiyeti ile step motor sürücü kartının bilgileri işleme hızının farklı olmasından ötürü bazı konum kaymaları göz ardı edilmiştir. Normal şartlarda sürücü kartının 1/1000 hassasiyete ulaşabildiği unutulmamalıdır. 5. Kaynaklar [1] Kawamura, S. and Ito, K., A new type of master root for teleoperation using a radial wire drive system. in Proceedings of the IEEE/RSJ International Conferance on Intelligent Robots and system, IROS 93, 55-60,Yokohama, Japan, [2] Surdilovic, D., Zhang, J. and Bernhardt, R., STRING-MAN: Wire-Robot chnology for Safe, Flexible and Human-Friendly Gait Rehabilitation. 196