ÇĐZGĐ ĐZLEYEN OTONOM ĐSTĐFLEME ROBOTU LINE FOLLOWER WITH AUTONOMOUS HANDLING ROBOT Taner AKKAN, Hakan ÇELĐK, Tolga OLCAY, Çağlar YILDIRIM, Hüseyin GÖKTÜRK, Orçun KALYONCU Dokuz Eylül Üniversitesi MYO, Buca/ĐZMĐR ÖZET Önünde yer alan iki tane uzun çelik ile paletli yükleri kaldırıp istifleyebilen, dar alanlarda manevra kabiliyeti yüksek olan iş makineleri Forklift olarak adlandırılmaktadır. Forkliftler genellikle limanlarda veya büyük depolarda kullanılır. Bu çalışmada operatör kullanmadan çalışan bir Forklift tasarlanmıştır. Forklift çizgi takip sistemi ile hareket etmekte ve istasyonları barkod okuma sistemi ile tanımlamaktadır. Sonra sistem yükü kaldırma mekanizması ile alıp okunan koda göre depolama alanına taşımaktadır. Sistem Arduino Uno mikrodenetleyicisi ile kontrol edilmektedir. Tasarladığımız bu forklift prototipi hatasıza yakın, daha güvenli bir istifleme gerçekleştirebilmektir. Anahtar Kelimeler: Forklift, Çizgi Đzleyen, Robot ABSTRACT Construction machine lift and stack heavy loads with two long steel palet located in front and with high maneuverability in tight spaces is called as forklift. Forklifts are used in generally used in harbors and large warehouses. In this study, a forklift was designed runs without an operator. Forklift moves along a line, and recognizes the station with barcode reading system. Then forklift takes the load with its lift mechanism and carries it to the stacking area according to the code. The system is controlled with Arduino Uno microcontroller. The designed forklift system prototype performs more fault-tolerant and more secure stacking operation. Keywords: Forklift, Line Follower, Robot 1.GĐRĐŞ Forklift; genelde liman, antrepo, depo, fabrika gibi alanlarda karşımıza çıkan, insan gücü ile taşınamayacak büyüklükteki nesneleri önündeki kaldıraçlarla (Ataşman) hareket ettirip istenen şekilde kaldırıp istiflemeye yarayan bir iş makinasıdır[1]. Forklift; depolarda, gümrüklerde ve gerek duyulan işletmelerde sıkça kullanılmaktadır. Forklitler elle hareket ettirilebilen küçük modelleri olduğu gibi büyük ve motorlu olan modelleri de vardır. 1 tondan 90 tona kadar yük taşıma kapasiteleri vardır. Açık alanlarda kullanım için dizel motorlu, benzin motorlu ve LPG motorlu tipleri ve kapalı alanlarda kullanım için AC ve DC akımla çalışabilen elektrik motorlu akülü tipleri vardır. Dizel Yakıtlı Forklift: Ergonomik, güçlü, güvenli, dayanıklı ve performansı yüksektir. LPG Yakıtlı Forklift: Orta seviyede güç, yüksek güvenilirlik, düşük yakıt tüketimi ve motor gürültüsüne sahiptir. 1
Çift Yakıtlı Forklift: LPG veya benzinle çalışşabilmekte, orta güçte, yüksek güvenilirlikte, düşük yakıt tüketimli ve düşük gürültülü düzeyine sahiptir. Elektrikli Forklift: Dar alanlara, hassas yük yerleştirme için üç tekerlekli dört tekerlekli olarak tasarlanmıştır. AC veya DC akımla çalışmakta ve buna uygun güç ve kontrol sistemleri bulunmaktadır. Elektrikli forkliftlerde daha fazla güç ve dengeli çalışma ortamı sağlayan yüksek performanslı bataryalar kullanılmaktadır. Günümüzde kullanılan forkliftlerin çoğu dört tekerlekli olarak tasarlanmıştır. Bu çalışmada üç tekerlekli bir çizgi izleyen forklift (robot) tasarlanmıştır. Dört tekerlekli forkliftler 45 o yön açısı yapmaktadır. Tasarlanan sistemde arka kısma tek bir tekerlek yerleştirilmiş ve 90 o bir hareket açısı elde edilmiş ve bu sayede açısal hareket kabiliyeti yükseltilmiştir. Forkliftin izleyeceği yol siyah bir çizgiyle belirlenmiş ve alt kısmına yerleştirdiğimiz beş adet CNY70 kontrast algılayıcısı yardımıyla belirlenmiştir. Forklift izleyeceği hat üzerinde belirlenen istasyona geldiğinde durmakta ve barkod okuyucu yardımıyla istasyonu tanımakta ve yükü almakta yükün özelliğine uygun istasyona doğru ilerlemekte ve yükü o istasyona bırakmaktadır. 2. MATERYAL VE METOT 2.1 Mekanik Tasarım Aracın mekanik kısmı da diğer kısımlar gibi sistemin performansı üzerinde doğrudan bir etkiye sahiptir. Bu sebeple mekanik tasarım da son derece önemlidir. Bu çalışmada robotun kasası için oyuncak bir forkliftin kasası iskelet olarak kullanılmıştır. Yön kabiliyeti için elektrikli forklift örnek alınmıştır. Elektrikli forklift ileri, geri, sağ ve sol hareketini arkadaki tek tekerlekten sağlamaktadır. Ön tekerlerde ise dönüşlerde hareket kabiliyetini sağlayacak diferansiyel mevcuttur. Yapılan tasarımda arka tekerleği aracın dış tarafına iki alüminyum köşebent üzerine yerleştirildi. Servomotorun hareket kabiliyetini arttırmak için alüminyum parçaların arasına bir film parçası yerleştirildi. Đleri ve geri harekette ise torku yüksek bir motor gerekliydi. Bu amaçla motor mili ile tekerlek arasına motorun torkunu yükseltecek bir dişli sistemi yerleştirildi ve forkliftin hareket mekanizması tamamlandı. Forkliftin ön paletleri için oyuncakta hazır olan panel kullanarak orta kısmına bir kayış eklendi ve bu kayış yukarıya sabitlenen motor tarafından çekildiğinde ön panelin hareketli direğini kaldırırken klasik ön panelden de yardım almaktadır. Temel Forklift parçaları Şekil 1 de gösterilmektedir. Şekil 1. Temel Forklift ve parçaları 2
2.2. Elektronik Donanım 2.2.1. Servo Motor Servo motorlar (Şekil 3) gönderilen kodlanmış sinyaller ile şaftları özel bir açısal pozisyonda döndürülebilen motorlardır. Kodlanmış sinyal servo motorun girişine uygulandığı sürece servo motor şaftın açısal pozisyonunu korur. Kodlanmış sinyal değiştirilirse şaftın açısal pozisyonu da değişir[3]. Servomotorlar aynı zamanda robot teknolojisinde en çok kullanılan motor çeşitidir. Bu sistemler mekanik olabileceği gibi elektronik, hidrolik-pnömatik veya başka alanlarda da kullanılabilmektedir Servo motorlar da çıkış; mekaniksel konum, hız veya ivme gibi parametrelerin kontrol edildiği bir düzenektir. Servo motor içerisinde herhangi bir motor AC, DC veya Step motor bulunmaktadır. Ayrıca sürücü ve kontrol devresini de içerisinde barındırmaktadır[3]. Sistemde kullanılan servo motor aracın dönüş kabiliyetini sağlar. Şekil 2. Servo Motor 2.2.2. CNY 70 Kontrast Sensörü CNY70 basit anlamda, ışık yayan ve gönderdiği ışığın yansıyıp yansımadığına bakarak, siyahla beyazı ayırt etmekte veya dar bir alanda cisim belirlemekte kullanılan bir algılayıcıdır (Şekil 4). Kullanılan ışığın dalga boyu 950 nm dir [4]. Şekil 3. CNY 70 ve Pin Bağlantısı CNY70 den (A-C) gönderilen ışık, bir yüzeye çarparak geri yansır ve kendisi tarafından (C-E) algılanır. Eğer cisim siyah ya da koyu renkse ışık soğurulacağı için (ışık yansımazsa) algılayıcı tarafından algılanamaz, aynı şekilde eğer algılayıcının önünde bir cisim yoksa gönderilen ışık geri dönmeyeceği için siyah cisimdeki gibi ışığı algılayamaz(şekil 5). Eğer CNY70 gönderdiği ışığı algılayamazsa, tetikleyici devre çıkış olarak 1, algılarsa 0 verir [5]. Şekil 4. CNY 70 Çalışma Prensibi 3
2.2.3. Barkod Okuyucu Sistem Barkod; değişik kalınlıktaki dik çizgi ve boşluklardan oluşan ve verinin otomatik olarak ve hatasız bir biçimde başka bir ortama aktarılması için kullanılan bir yöntemdir. Barkod, değişik kalınlıktaki çizgilerden ve bu çizgiler arasındaki boşluklardan oluşur. Barkod ile stok kodu, seri numarası, personel kodu gibi bilgilerin gösterilmesi sağlanabilir. Bu bilgilerin bilgisayara klavye aracılığı ile girilmesi zaman alıcı ve yorucu olmaktadır. Ayrıca bu yöntem pek sağlıklı olmamaktadır. Çünkü veriler girilirken hata yapılma olasılığı fazladır. Bu hata oranını ve harcanan zamanı azaltmak için barkodlar ve barkod okuyucular kullanılır (Şekil 5). Barkod, barkod alfabesi (barcode symbology) denilen ve barkodun içerdiği çizgi ve boşlukların neye göre basılacağını belirleyen kurallara göre basılmaktadır. Barkodlar 0-9 arası rakamları, alfabedeki karakterleri ve bazı özel karakterleri (*, -, / vb.) içerebilirler. Bir çok barkod alfabesi vardır. Bu alfabelerden bazıları sadece rakamları içerirken bazıları da hem rakamları hem de özel karakterleri içerirler. Buna göre değişik barkod standartları ortaya çıkmaktadır. [6]. Şekil 5 te örnek bir barkod ve okuyucu gösterilmiştir. Şekil 5. Barkod okuyucu [7]. BU çalışmada Keyence BL 180 barkod okuyucu kullanılmıştır. Keyence BL 180 saniyede 500 tarama yapabilme, 0.125 mm genişliğinde çubukları tarama ve yedi farklı barkod sembolollerini okuyabilmektedir [8]. 3. SĐSTEMĐN KONTROLÜ VE YAZILIM Sistemin kontrolü Arduino (Uno) ile yapılmaktadır. Arduino; fiziksel dünya ile iletişim ve etkileşim kurmanızı sağlayan bir araçtır. Açik kaynak kodlu basit bir mikroişlemci devresi ve bu devreyi programlamaniza yarayan bir yazilim paketinden olusmaktadir [9]. Arduino donanımsal olarak bilgisayarlara USB arayüzü ile bağlanan basit bit mikroişlemci devresidir. Arduino ile doğrudan çalışabilen bir motor kontrol kartı bulunmaktadır (Şekil 6). Şekil 6. Arduino Uno ve motor kontrol kartı 4
Forkliftin ön kısmındaki paletinin yukarı aşağı hareketini sağlamak ve aracın ileri geri hareketini sağlamak için kullan DC motorlar bu kart ile kontrol edildi. Aracımızı sağa veya sola yönlendirmek için ise bir adet servo motor kullanıldı. Arduino Uno, ATmega 328 tabanlı bir mikroişlemci geliştirme kartıdır [10]. Arduino Uno işlemcisinin temel teknik özellikleri Çizelge 1 de belirtilmiştir. Çizelge 1: Arduino UNO teknik özellikleri Arduino Uno Özellik Mikroişlemci ATmega328 Çalışma Voltajı 5V Besleme Voltajı (önerilen) 7-12V Besleme Voltajı (limit) 6-20V Dijital G/Ç 14 (6 PWM çıkışı) Analog Giriş Bağlantıları 6 G/Ç bağlantısı başına DC 40 ma 3.3V bağlantısı için DC 50 ma Flash Bellek 32 KB (ATmega328) SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Hızı 16 MHz Sistem blok diyagramı Şekil 7 de gösterilmiştir. Kontrol kartı arduino C diline benzeyen kendine has bir yazılım ile programlanmıştır. Arduino, CNY70 ve anahtar (switch) sensörlerden aldığı bilgileri işleyerek motorlara gerekli komutları iletir. Forklift belirlenen güzergahta hareket eder. Forklift yük almak için istasyona geldiğinde durur ve yerdeki barkodu olur. Hangi istanyonda olduğunu algılar. Sonra üzerine alır ve bir sonraki istasyona doğru yola devam eder. Şekil 7. Sistem blok diyagramı 5
4. SONUÇLAR Geliştirdiğimiz bu forklift prototipine eklenebilecek bir çok fikir var. Yazılım ve donanım da yapılacak değişikliklerle bir dizi fonksiyonellik eklenebilir. Hayata geçirilebilir bu proje istenilirse bilgisayar aracılığıyla da yönetilebilir hale getirilebilir. Geliştirilen prototip sistem Şekil 8 de gösterilmektedir. KAYNAKÇA Şekil 8. Geliştirilen Prototip [1] http://forklift.forklift-clark.com/component/content/article/60-forklift-menu/143-forkliftforklift-nedir, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [2] http://www.robotiksistem.com/servo_motor_ozellikleri.html, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [3] http://tr.wikipedia.org/wiki/servo_motor, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [4] http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/83751.pdf, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [5] http://www.robot.metu.edu.tr/dosya/cny70.pdf, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [6] http://www.bilkur.com.tr/turkce/barkod.htm 15.04.2012, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [7] http://img.directindustry.com/images_di/photo-m2/compact-ccd-barcode-reader-522679.jpg, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [8] www.keyence.com/products/barcode/barcode/bl180/bl180.php, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [9] http://freeduino.gen.tr/arduino-nedir/, Erişim Tarihi: Ocak 2012 [10] http://www.roboloji.com/2011/06/arduino-nedir/, Erişim Tarihi: Ocak 2012 6