İPE TIRMANAN ROBOT TIRTIL ROPE CLIMBING ROBOT CATERPILLAR

Transkript

1 İPE TIRMANAN ROBOT TIRTIL ROPE CLIMBING ROBOT CATERPILLAR Fatih KÖSE, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, Kocaeli Melih KUNCAN, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, Kocaeli H.Metin ERTUNÇ, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, Kocaeli Muharrem YILMAZ, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, Kocaeli ABSTRACT In this study, a rope climbing robot was designed and realized by analyzing the walking style of a caterpillar. First, walking style of a caterpillar was analyzed, and then all the motion characteristics of the robot were determined to realize the climbing activity. The prototype design of the robot that can climb a rope was initially simulated on SolidWorks software environment. MSP430 LaunchPad was used for control of the robot; in addition, an electrical circuit was designed for incorporating the control board and the robot. Moreover, sensors were mounted just below the antennas for obstacle detection during the motion of robot. Finally, in this study a climbing robot was designed and physically developed by using the methods of biomimetics science. ÖZET Bu çalışmada, tırtıl yürüyüşünü taklit ederek ipe tırmanabilen bir robot tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Öncelikle tırtılın yürüyüş biçimi incelenmiş ve robotun tırmanma işlemini gerçekleştirebilmesi için gerekli olan tüm hareketler belirlenmiştir. Bu hareketleri gerçekleştirecek olan robotun ilk tasarımı, bilgisayar ortamında SolidWorks programı yardımıyla modellenmiştir. Robotun kontrolü için MSP430 LaunchPad kullanılmış; ek olarak basit bir devre tasarlanarak kontrol kartının robot ile bütünleşmesi sağlanmıştır. Ayrıca robotun ip üzerinde yukarı veya aşağı yöndeki hareketinde karşılaştığı herhangi bir engeli algılayabilmesi için antenlerinin altına algılayıcılar yerleştirilmiştir. Sonuç olarak bu çalışmada biyomimetik bilim dalından yararlanılarak bir robot tasarlanmış ve fiziksel olarak başarıyla gerçekleştirilmiştir. 1. GİRİŞ Disiplinlerarası mühendislik dallarından birisi olan mekatronik mühendisliği, makine, elektrik-elektronik ve kontrol gibi mühendislik dalları ile bilgisayar ve özellikle yazılım mühendisliği dallarını artı değer sağlayacak (sinerjik) biçimde bütünleştiren yeni bir mühendislik tasarımı yaklaşımıdır [1]. Mekatronik bir tasarım olarak geliştirilen robot tırtıl çalışması, doğadan ilham alma düşüncesinin temelini oluşturan biyomimetik bilim dalı kapsamında gerçekleştirilmiştir. Günümüzde robotların kullanım alanları oldukça genişlemiştir. Endüstriden sağlık sektörüne, arama kurtarma çalışmalarından askeri alana kadar birçok yerde robotlardan faydalanılmaktadır. Bu çalışmanın konusunu oluşturan robotlar, algılayıcılar (sensörler) aracılığı ile çevresini algılayıp, yorumlayan, bunun sonucunda karar alan, karar sonucuna göre hareket organlarını çalıştıran veya durduran robotlar olarak tanımlanmaktadır [2]. İki adet mekanik kıskacın açılıp-kapanmasını ve bu kıskaçların

2 yukarı-aşağı hareketini kontrol ederek yapılan Climbing Robot CLIBOT [3], bir şempazenin yatay veya eğimli bir dal parçası üzerindeki hareketine benzer hareketler yaparak eğimli ip üzerinde hareket edebilen robot [4] gibi ipe tırmanan robot çeşitleri de bulunmaktadır. Tırmanabilen robotların tasarımları ihtiyaca göre değişmekte olup, uygulama alanları çeşitlilik göstermektedir. Direk veya borulara tırmanabilecek şekilde tasarlanmış farklı robot tasarımları mevcut olmakla birlikte [5-6], pürüzlü ve pürüzsüz yüzeyler üzerinde hareket edebilen robotlar da mevcuttur [7-8]. Biyomimetik bilim dalından yararlanılıp geko kertenkelesinden ilham alınarak yapılan yüzey tırmanma robotları da vardır [9]. Bu bildiri kapsamında gerçekleştirilen tırtıl robot çalışması, mekanik, elektronik ve kontrol sistemlerini kapsadığı için mekatronik mühendisliğinin ilgi alanına girmektedir. Ayrıca bu tasarımda, doğadan ilham alınması ve bir canlı yürüyüşünün robota taklit ettirilmesi de, mekatronik yapıların biyomimetik bilim dalından faydalanılarak oluşturulabileceğini göstermektedir. 2. MATERYAL VE METOT Bu çalışmada, öncelikle tırtılın yürüyüşü incelenmiş ve robot hareketleri belirlenmiştir. Robotta kullanılmış tüm parçalar, bir katı modelleme programı kullanılarak gerçek boyutlarında çizilmiş; uygun bir gövde tasarımı üzerinde birleştirilerek robotun üç boyutlu tasarımı oluşturulmuştur. Robotun tahriki için standart hobi servo motorlar kullanılmıştır. Robot herhangi bir engelle karşılaştığında, bunu algılayabilmesi için robotun üzerine algılayıcılar yerleştirilmiştir. Tüm sistemin kontrolü için MSP430 LaunchPad kontrol düzeneği kullanılmıştır. Robotun fiziksel gerçeklenmesinde gövdeyi oluştururken bakır plaketten yararlanılmıştır. 3. ROBOT HAREKETLERİNİN OLUŞTURULMASI Robot ön tutucu, bel ve arka tutucu olmak üzere üç ana kısımdan oluşmaktadır. Her kısımda bir adet hobi servo motor bulunmaktadır. Ön ve arka kısımlarda bulunan servo motorlar ipi tutma mekanizmasını oluşturmaktadır. Bel kısmındaki servo motor ise robotun bel kısmını bükmeye ve açmaya yaramaktadır. (a) (b) (c) (d) (e) Şekil 1. Robot Hareketlerinin Oluşturulması Robotun yapacağı tüm hareketler Şekil 1 de gösterilmiştir. İpe yerleştirilen robot çalıştırıldığında ön ve arka tutucular ipi tutar (a). Sonra arka tutucu ipi bırakır, bel bükülür ve arka tutucu tekrar ipi tutar (b). Daha sonra ön tutucu ipi bırakır, bel açılır ve

3 ön tutucu tekrar ipi tutar (c). Böylelikle robot ipe tırmanma hareketini gerçekleştirir. Yukarı yönde hareket eden robot herhangi bir engele çarptığında ise aşağı yönde hareket etmeye başlar. Ön ve arka tutucular ipi tutar (c). Sonra ön tutucu ipi bırakır, bel bükülür ve ön tutucu tekrar ipi tutar (d). Daha sonra arka tutucu ipi bırakır, bel açılır ve arka tutucu tekrar ipi tutar (e). Aşağıya doğru hareket eden robot, anten görünümlü sınır algılayıcı anahtarlar (limit switch) vasıtasıyla bir engele çarptığını anlayıp tekrar yukarı yönde bir harekete başlar. 4. ROBOT TIRTILI OLUŞTURAN SİSTEMLER Robot tırtıl mekanik ve elektronik olmak üzere iki ana sistemden oluşmaktadır. Mekanik sistem, ön tutucu, bel ve arka tutucu mekanizmaları olmak üzere üç kısımdan; elektronik sistem ise kontrol devresi, konnektör devresi, tahrik sistemi ve algılayıcılardan oluşmaktadır. Şekil 2 de sistemin blok diyagramı görülmektedir. Servo motorlar, kontrolör ve algılayıcılar aynı kaynaktan beslenmektedirler. Sistemde bulunan algılayıcılardan denetleyiciye geri beslemeler alınmıştır. Böylelikle robot bir engelle karşılaşıp-karşılaşmama durumlarına göre yönünü kendisi tayin edebilmektedir. 4.1 Mekanik Sistem Robotta kullanılacak olan ana parçaların (servo motorlar, algılayıcılar vb.) gerçek ölçülerindeki katı modelleri bilgisayar ortamında çizilmiştir. Modellenen tüm parçalar için uygun bir gövde tasarımı oluşturulmuş ve tüm parçalar oluşturulan gövdeye monte edilerek robotun üç boyutlu tasarımı sonlandırılmıştır (Şekil 3). Şekil 2. Sistem Blok Diagramı Robotun mekanik sisteminde bulunan ön tutucu ve arka tutucu mekanizmalarının ipi tutma teknikleri aynıdır. Ancak ipe uygulayacakları sıkıştırma kuvveti, mekanik ve yazılımsal olarak ayarlanabilmektedir. Bel mekanizması ise ön tutucu ve arka tutucu mekanizmalarını birleştirmektedir. Robotun üç boyutlu modelinin tamamlanmasının ardından fiziksel olarak prototipi oluşturulmuştur (Şekil 3). Gövdeyi bir araya getirmek için bakır plaket, M5 tij-somun ve M2 civata-somun kullanılmıştır.

4 4.2 Elektronik Sistem Kontrol Devresi Şekil 3. Robot tırtıl katı modeli ve mekanik sistemi İpe tırmanan robot tırtılın elektronik sisteminde kontrol kartı olarak MSP430 LaunchPad ve kart üzerinde mikrodenetleyici olarak da MSP430G2231 denetleyicisi kullanılmıştır. MSP430G2231 denetleyicisinin bacak bağlantı uçları ve fonksiyonları Şekil 4 te gösterilmektedir. MSP430G2231 in program belleği elektriksel olarak silinip yeniden yüklenebilmektedir. Denetleyici, on adet I/O girişine sahiptir [10]. MSP430 LaunchPad üzerinde kullanılacak olan tüm pin ve butonlar tespit edilip, kontrol devresi bilgisayar ortamında tasarlanmıştır Konnektör Devresi Şekil 4. MSP430G2231 Bacak Bağlantı Uçları Konnektör devresi, kontrol devresindeki pinlere uyumlu konnektörlerle donatılarak, kontrol devresinin robot ile bütünleşmesi sağlanmıştır. Ayrıca konnektör devresinde, denetleyicinin servo motorları sürdüğü çıkışlara buffer bağlanmıştır. Bu sayede denetleyici çıkışındaki düşük gerilim, servo motorların besleme gerilim değerine çekilmiştir. Gerilimlerin aynı seviyeye çekilmesiyle gerilim farklılığından dolayı oluşabilecek servo motor milinin konumlama hataları önlenmiştir. Konnektör devresi protoboard üzerine tasarlanmıştır Tahrik Sistemi ve Algılayıcılar İpe tırmanan robot tırtılın tahrik sistemi, üç adet hobi servo motordan oluşmaktadır. Servo motorlar konum kontrolü yapabilmek için geliştirilmiş motorlardır. Besleme, toprak ve sinyal olmak üzere üç adet bağlantı ucu bulunmaktadır. Bu çalışmada kullanılan servo motorların mil konumu 0 ile 180 derece arasında değişebilmektedir. Servo motor, konum bilgisini, sinyal girişinden gönderilen sinyalin darbe genişliğinden almaktadır. Robotta kullanılan üç adet servo motorun modeli aynıdır. Tork değerleri; 4.8V ta 5.5 kg-cm, 6V ta ise yaklaşık 6.5 kg-cm olmaktadır [11]. Robotun beslemesi

5 4.8V luk kaynaktan sağlandığı için servo motorlar yaklaşık 5.5 kg-cm tork ile tahrik edilmişlerdir. Kullanılan servo motorların redüktör kısmı plastik dişlilerden oluşmaktadır [12]. Robot ip üzerinde yukarı ya da aşağı yönde hareket ederken engele çarptığını, üzerindeki iki adet algılayıcı sayesinde anlayabilmektedir. Algılayıcı olarak iki adet aynı model sınır anahtarı (limit switch) kullanılmıştır. Com, NO (normalde açık), NC(normalde kapalı) olmak üzere üç adet bağlantı ucu bulunmaktadır [13]. Herhangi bir engele çarpmadığında, Com ile NC uçları arasında iletim vardır. Engele çarptığında ise Com ile NO arası iletime geçer; Com ile NC arasında ise iletim olmaz. Robot üzerinde kurulan elektronik sistemde, Com ve NO bağlantı uçları kullanılmıştır. Algılayıcılardan biri robotun ön kısmına diğeri ise arka kısmına monte edilmiştir. Engeli algılamada daha hassas olması için algılayıcıların metal kısmına 1.5mm çapında anten şekli verilmiş bakır iletkenler lehimlenmiştir. Böylece robota hem estetiklik kazandırılmış hem de algılayıcıların hassasiyetleri arttırılmıştır. Elektronik ve mekanik sistemin birleştirilmesiyle robot tırtılın prototipi oluşturulmuştur. Besleme ünitesi, beli bükmeye yarayan servo motorun arka tarafına denk gelecek şekilde monte edilmiştir. Böylece besleme ünitesini oluşturan dört adet pilin ağırlığından kaynaklanacak olan momentin, bel kısmında yer alan servonun bükülme yada açılma hareketine etkisi minumum olacaktır. İpe tırmanan robot tırtılın prototipi Şekil 5 te verilmiştir. 5. DENEY VE SONUÇLAR Şekil 5. İpe tırmanan robot tırtıl Robot tırtılın ip üzerinde hız deneyi yapılmıştır. Bunun için 5 mm çapında ve 150 cm uzunluğunda ip kullanılmıştır. İpin dikey ve yatay olması durumlarına göre mesafe ve hız ölçümleri yapılmış ve Çizelge 1 de gösterilmiştir. Beklendiği gibi yukarı çıkarken robotun hızı yavaşlamaktadır. Benzer şekilde ileri yöndeki hareketin hızı geri yöndeki hareketin hızından fazladır. Bu sistemde besleme olarak dört adet 1.2 V 2500 mah lik AA pil kullanılmıştır.

6 Çizelge 1: İpin konumu ve hareketin yönüne göre robot tırtılın hızı İpin Konumu Hareket Yönü Alınan Zaman (s) Hız (m/s) Mesafe (cm) Dikey Yukarı Dikey Aşağı Yatay İleri Yatay Geri SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada, tırtıl yürüyüşünü taklit ederek ipe tırmanan bir robot tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Söz konusu robot, yatay, eğimli ya da dikey konumdaki ip üzerinde de hareket edebilmektedir. Mekanik ve elektronik sistemin öncelikle bilgisayar ortamında tasarlanması, gerçek prototipini oluşturmada kolaylık sağlamıştır. Gövde tasarımında yapılabilecek değişikliklerle, ek parça ve donanımla dağcılıkta, aramakurtarma çalışmalarında ve askeri alanda kullanılabilecek şekilde rahatlıkla geliştirilebilir. 7. TEŞEKKÜR Bu çalışma, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Sensör Tekniği Laboratuvarı nda yapılmıştır. Bildiri yazarları, Sensör Tekniği Laboratuarı çalışanlarına katkılarından dolayı teşekkürü bir borç bilirler. 8. KAYNAKÇA [1] ( ). [2] ( ). [3] Schober T, CLIBOT ein seilkletternder Roboter zur Bauwerksinspektion, Bautechnik, Volume 87, Issue 2, February [4] Hewapathirana N.D, Uddawatta L, Karunadasa J.P. and Nanayakkara T, Analysis on Four Legged Multipurpose Rope Climbing Robot Fourth International Conference on Industrial and Information Systems, (2009). [5] Tavakoli M, Marjovi A, Marques L. and Almeida A.T, 3DCLIMBER: A climbing robot for inspection of 3D human made, International Conference on Intelligent Robots and Systems, (2008). [6] Ahmadabadi MN, Moradi H, Sadeghi A, Madani A, and Farahnak M, The Evolution of UT Pole Climbing Robots, 1st Int. Conf. on Applied Robotics for the Power Industry, 1-6 (2010) [7] Xiao J, Calle A, Sadegh A. and Elliott M, Modular Wall Climbing Robots with Transition Capability, IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, (2005) [8] Zhu H, Guan Y, W-Climbot: A Modular Biped Wall-Climbing Robot, IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, (2010). [9] Menon C., Murphy M., and Sitti M., Gecko Inspired Surface Climbing Robots, IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, (2004) [10] ( ). [11] [12] ( ). [13] ( ).