Örümcek Robot Sistem Tasarımı Ve Gerçeklenmesi Kazım Kerim MONCAL 1, Ömer Can AYDIN Mekatronik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversitesi 1 kerimmoncal@yahoo.com.tr omercanaydin@hotmail.com Özetçe Mekaniği itibariyle 6 ayağa sahip bir örümcek robot sistemi gerçekleştirildi. Her ayağı 3 serbestlik derecesine sahip olmak üzere toplamda 18 serbestlik derecesi bulunmaktadır. Bunun anlamı 18 farklı eklemi farklı konumlarda hareket ettirebilmektir. Ayaklar iki tarafta da simetrik bir şekilde konumlandırılır. Eklemlerin hareketini servo motorlar sağlar. SSC 3 servo motor kartı kullanılarak servo motorların pozisyonları ayarlanmaktadır. Örümcek robotun tek bir bacağının eklem açılarına göre uç noktanın pozisyon değişimleri Labview kullanarak modellenmiştir. Örümcek robotun farklı yürüme algoritmalarıyla performansı, kararlığı test edilmiştir. Örümcek robotta çapraz ve dalgalı olmak üzere farklı yürüme algoritması uygulanmıştır. RS3 üzerinden seri port haberleşme ve kablosuz ortamda bluetooth haberleşme protokollerine göre test edilmiştir. 1. Giriş Günümüzde mobil robotlara olan ilgi sürekli artmakta, robotik ile ilgili akademik çalışmalar bu konu üzerine yoğunlaşmaktadır. Mobil robotlar genel olarak tekerlekli ve ayaklı olmak üzere iki kısımda incelenebilir. Bu iki sistemin de birbirlerine karşı üstünlükleri ve zayıflıkları vardır. Tekerlekli mobil robotlar genel olarak düz zeminlerde kullanılabilir ve bu konuda ayaklı mobil robotlara göre çok daha verimli bir hareket sağlarlar [1]. Ayaklı robotlar ise engebeli arazide tekerlekli olanlara göre çok daha verimli bir hareket imkanı sağlar []. Yürüyen sistemler ayak sayısına göre isimlendirilmişlerdir. İki ayaklı (biped), dört ayaklı (quadruped), altı ayaklı (hexapod), vs. Altı ayaklı robotların diğer sistemlere göre en belirgin avantajları çok yüksek yük taşıma kapasitesi ve yüksek kararlıklı, dengeli yürüyebilen yapısıdır. Bu konudaki çalışmalar 1983 yılında Klein ve diğerlerinin [3] düzensiz arazide yürüme problemi için ayaklı yürüme sistemleri ile ilgili araştırmaları ile başlar. Daha sonra 199 yılında Koyachi ve arkadaşlarının [4] merdiven çıkabilen altı ayaklı robotu MELCRAB- çalışması ile yürüme algoritmaları araştırılır. 001 yılında bu çalışmalar RHex [5] ile farklı bir boyut kazanır. Artık daha hızlı altı bacaklı robotlar yapılmaya başlanmıştır. Bu çalışmalar robotun mekanizması, hareket planlaması, kontrol yöntemleri, kinematik ve dinamik analizleri üzerine artarak devam etmektedir. Çeşitli arazilerde esnek hareket sağlayan altı bacaklı böceklerden ilham alınarak tasarlanan robot çeşididir. Robotun hareket yeteneğini sağlamak için ayak dizaynı ileri derecede kullanılışlı olabilmektedir. Örümcek robotlar arazide arama ve kurtarma uygulamalarında, ormanlık alanlarda keşif amaçlı ve askeri amaçlı olarak kullanılabilir. Şekil 1: Örümcek robot görünümü. Bu çalışmada Örümcek Robot Sistem Tasarımı ve Modellenmesi gerçekleştirilmiştir. İlk olarak AutoCad kullanılarak çizilen robot parçaları, solidworks e aktarılmış, daha sonra ise Ansys de deformasyon ve gerilme analizleri yapılmıştır. AutoCad çizimleri kullanılarak, CNC makinesinde alüminyum malzemesinden robot parçaları üretilmiştir ve robotun montajı gerçekleştirilmiştir. Üçüncü bölümde robotun elektronik donanımlarından bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde örümcek robot kinematiği üzerinde durulmuştur. Tek bir bacağın denavit hartenberg yöntemi kullanılarak ileri kinematiği çıkartılmış, Labview ile modellenmiştir. Beşinci bölümde örümcek robot yürüyüş methodları tartışılmıştır. Dalgalı yürüme ve çapraz yürüme methodları performans ve kararlılık yönünden karşılaştırılmıştır. Altıncı bölümde C# programı kullanılarak arayüzden sistem kontrol edilmektedir. Yedinci bölümde sonuç ve öneriler verilmiştir.
. Örümcek Robot Tasarımı Ekibimiz tarafından inşa edilmiş örümcek robotta, ayakların her biri gövdeye eşit olarak dağıtılmıştır. Her bir bacak 3 eklem (joints) ve 3 bağlantıdan (links) oluşur ve 3 serbestlik derecesi sağlar. Robot için toplam 18 serbestlik derecesine sahiptir. Bacakları gövdeye bağlayan servo motorlar yanlara doğru dönmesine izin verir. Diğer iki servo motor eklemlerin hareketini sağlar. Örümcek robot alt düzlem, üst düzlem, servo alt bağlantı düzlemi, servo üst bağlantı düzlemi, yan kol bağlantı ve ayak bağlantısı olmak üzere 6 adet farklı parçadan oluşmaktadır. Maksimum ve minimum deformasyon Şekil 4. de gösterildiği gibidir. Şekil 4: Örümcek robotun ayak kısmının ANSYS deformasyon analizi... Bacakların Hareket Aralıkları ve Kısıtlar Robotun ileri ve geri hareketleri sırasında bacakların birbirine çarpmaması için örümcek robotun bacaklarının minimum ve maksimum uzaklıkları merkez duruma göre 35 derece olarak ayarlandı. Bu şekilde daha verimli bir yürüyüş gerçekleşmektedir. Şekil : Şase görünümü..1. Örümcek Robotun ANSYS Analizi Örümcek robotun hareketinin sağlıklı bir şekilde gerçekleştirebilmesi için gövde ve diğer elektronik ekipmanların ağırlıklarının hafif olması gerekir. Gövdenin kaldıracağı ağırlık 3 kg civarıdır. Ağırlığı azaltmak için mekanik parçalar alüminyum metalinden yapılmıştır. Örümcek robotun gövde ve bacakların gerilme değerleri ANSYS programı ile analiz edilmiştir. ANSYS programında analizi gerçekleştirebilmek için alt düzlem parçasının bir yüzeyi sabitlendi. Diğer yüzeyine ise 30 N luk kuvvet uygulanmıştır. Örümcek robotun imalatında alüminyum metali kullanıldığı için Young modülü 7e+10 olarak alınmıştır. Şekil 3. de örümcek robotun alt kısmının üzerindeki gerilmeler detaylı bir şekilde görülmektedir. Şekil 5: Örümcek robotun bacaklarının hareket aralığı. 3. Örümcek Robot Elektronik Donanımı 3.1. SSC-3 Servo Kontrol Kartı SSC-3 servo denetleyici özelliğe sahip elektronik bir karttır. Doğru konumlama için yüksek çözünürlüklü ve son derece hızlı hamle yapabilmektedir. Hareket kontrolü, hız kontrollü zamanlı hareket ya da anında tepki kontrolü rahatlıkla yapılabilir. Şekil 3: Örümcek robotun alt kısmının ANSYS analizi. Dikey konumda hareket veren servo motor sabit kabul edilir. Yere basmayı sağlayan servo motor tarafından da 00 N luk kuvvet uygulanmıştır. Bacağın hareketi esnasında ayakta ki deformasyon ansys programında hesaplanmıştır.
Şekil 6: SSC 3 Servo kontrol kartı. 3.. SSC-3 Servo Motor Pozisyon Ayarı SSC-3 servo kontrol kartı aracılığıyla servo motorların hareketi sağlanır. SSC-3 kontrol kiti içerisinde mevcut olan servo motorların çalışma açıları 750 ile 50 arasında ki pozisyon değerlerine bölünmüştür. Servo motorun 0 derece açı değerine karşılık olarak 750 pozisyon değeri atanmış, servo motorun maksimum açısı 158 derece açı değerine karşılık olarak da 50 pozisyon değeri belirlenmiştir. Pozisyon aralıkları aynı periyotta olmak şartıyla; her bir pozisyon değerine ayarlanan duty cycle (boşluk doluluk) oranı ile servo motorlara darbe yollanmaktadır. Şekil 8: Akış diyagramı. 4. Örümcek Robot Kinematiği İleri kinematikte ilk eklemle uç işlevci arasında bir ilişki tanımlanır. Araç çerçevesinin yönelimi ve konumunu ana çerçeveye göre ifade eder. Modelin çıkarılması için öncelikle eklem değişkenleri ve sabitleri belirlendikten sonra koordinat sistemleri eklemlere yerleştirilir. 3.3. Servo Motor Servo motorlar 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. Örümcek robotta kullanılan servo motorlar 0 ile 156 derece aralığında değer almaktadır. Şekil 9: Örümcek robot bacağının katı gövde yapısı. Şekil 7: Hitec HS 311 Servo motoru. 3.4. Sistemin Blok Diyagramı Bu blok şeması robot bileşenlerinin birbirleriyle arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Ana işlemci üzerinden, bluetooth TX/RX seri haberleşme protokolü kullanılarak, servo motor sürücü kontrol kartına gelen detaya göre servo motorlar tahrik edilmektedir. Şekil 10: Koordinat sisteminin yerleştirilmesi. Denavit Hartenberg (D-H) yönteminde dört ana değişken kullanılarak robot kinematiği çıkarılır. Bu değişkenler iki eksen arasındaki uzuv uzunluğu, iki komşu eksen arasındaki eksen açısı, üst üste çıkan bağlar arasındaki eklem kayması(kaçıklığı) ve iki komşu uzuv arasındaki eklem açısı dir. Koordinat sistemleri eklemlere yerleştirildikten sonra D-H değişkenleri bulunur. Robotun hareket etmesiyle değişmeyen
parametreler uzuv uzunlukları ve eksen açılarıdır. Değişen parametreler ise eklem döner ise eklem açısı eğer eklem prizmatik ise eklem kaçıklığıdır [Tablo 1.]. (11) r= + ve s = (1) Tablo 1. Denavit Hartenbeg değişkenleri tablosu i [ açı] [ mm] [mm] [açı] 1 0 0 90 0 3 0 0 4 0 0 0 4.. İleri Kinematiğin Labview ile Modellenmesi Labview kontrol programında ileri kinematikte eklem açılarını veriyoruz. Tablo 1. deki D-H değişkenleri kullanarak, her eklemin homojen dönüşüm matrisleri bulunur. Daha sonra her eklemin homojen dönüşüm matrisi birbiriyle çarpılarak homojen dönüşüm matrisi bulunur. Robotun ileri yön kinematiği aşağıdaki gibi bulunur. c1c 3 c1s 3 s1 c1 4c 3 3c3 0 s1c 3 s1s 3 c1 s1 4c 3 3c 4T (1) s 0 3 c 3 1 4s 3 3c 0 0 0 1 Denklem (1) deki, ve açıları sırasıyla her bir ekleme ait eklem açılarını vermektedir.,, ve ise sırasıyla her bir eklemin uzuv uzunluklarını vermektedir. 4.1. Örümcek Robotun Bacağın Ters Kinematik Modeli ve Eklem Açıları İleri yön kinematiğine ait dönüşüm matrisinin her iki tarafını ile çarpalım. çarpımını bulup, çarpımının sonucunu birbirine eşitleyelim [6]. Eşitlik sonrasında aşağıdaki ters kinematik eşitlikleri elde edilir. = () = 0 (3) = (4), üç boyutlu koordinat düzleminde hexapod bacağının uç kısmının konum vektörleridir. Bu eşitlikleri çözmek için kullanılan ters kinematik trigonometrik eşitlikleri aşağıda verilmiştir. veya (5) = c (6) ve = d (7) ise = (8) = (rd sc, rc + sd) (9) Denklemde kullanılan kısaltmalar aşağıda verilmiştir. = (10) Şekil 11: Kontrol programına ait kullanıcı ara yüzü. MATLAB scriptine giren sabit eklem uzunlukları ve SQ1, CQ1, SQ, CQ, SQ3, CQ3 değişkenlerinden gelen bilgiye göre X0, Y0, Z0, X1, Y1, Z1, X, Y, Z, X3, Y3, Z3, X4, Y4, Z4 konum vektörleri bileşenleri elde edilir. Elde edilen bu konum vektörleri ile sanal potansiyometrelerden alınan eklem açı bilgisine göre örümcek robotun tek bacağının anlık grafiği 3D Curve nesnesiyle programda görüntülenmektedir. 5. Hareketlilik Bir servo motor ön ve arka hareketi sağlarken; tek diz eklemi harekete geçirir. Hareketin kinematik denklemlerinin hesaplanması için son derece özerk hexapod olması önemlidir. Bacaklar pozisyon arasında hareket yönünü belirler. Robot için asgari hareketlilik gereksinimleri geriye, ileriye yürüyüş içerir. 5.1. Örümcek Robot Yürüme Sistemleri Altı ya da daha fazla bacak kullanılan sistemler için birçok farklı yürüme sistemi geliştirilmiştir. Bu methodlardan bazıları çapraz yürüme, dalgalı yürümedir. Çapraz yürümenin temel hareket mantığı zikzak çizerek gitmesidir. Dalgalı yürümede ise yavaş hareket sağlayarak daha kararlı adım atmasıdır. Engebeli arazi hareketi için kullanılır [7]. 5.1.1. Dalgalı Yürüme Bu yürüyüş modunda robot her seferinde bir bacağını hareket ettirir. İlk olarak hareket eden ayağını kaldırarak başlar ve ayak yere temas edene kadar yavaş yavaş aşağıya indirir. Bir sonraki bacakların hareketi başlar. Hareket dizisi bu yürüyüş modunda oldukça yavaştır. Daha öncede belirtildiği gibi robot için kararlı bir ilerleme yeteneği kazandırır. Sırasıyla 4 - - 6-1 - 5-3 nolu bacaklar ileriye doğru hareket eder. Gövde geridedir. Bacaklar ise ileridedir.örümcek robotun ileriye doğru hareket edebilmesi
için adım atan bacakların yere basarak gövdeyi ileriye çekmesi ile hareket sağlanmış olur. 5.1.. Çapraz Yürüme Şekil 13: Dalgalı yürüme. Bu yürüyüşte yerde üç ayak basılı olarak robotu tutar. Aynı anda diğer üç bacaklar havaya kalkar. Adımlar terslenerek iki yere vuruş sonrasında döngü tamamlanır. Robotun ilerleyebilmesi için belirli bir yürüyüş algoritmasını tekrarlaması gerekmektedir. Öncelikle 1.grup olarak bahsettiğimiz ; 4 6 nolu bacaklar sırasıyla ileriye doğru hareket eder. Daha sonra ise.grup olarak bahsedilen ; 1 5 3 nolu bacaklar sırasıyla geriye hareket eder Şimdi ise 1.grup bacaklar geriye,.grup bacaklar ise ileriye doğru yönelerek hareket sağlanır. Şekil 14: Çapraz yürüme. 6. VISUAL C# da Arayüzünün Tasarlanması Visual C# ile SSC-3 servo kontrol kartı arasında seri port ile veri akışı sağlanır. Örümcek robotun istenilen konuma rahat bir şekilde gelmesini gerçekleştirir. Şekil 15: C# Ara yüzünden robotun kontrolü. 7. Sonuç Ve Öneriler Bu tür robotların temel avantajı istikrarlı bir şekilde hareket etmesidir. Statik kararlı olan bu robotlar, iki ve dört ayaklı robotların aksine denge mekanizmalarına bağımlı değillerdir. Örümcek robot uygulamasında seçilen malzemenin hafif ve dayanıklı olması nedeniyle alüminyum seçilmesi uygundur. Ayrıca robot sisteminin ağırlığı harekete etki ettiği için seçilen motorların güçlü olması gerekir. Sistemimizde iki farklı yürüme modu uygulandı. İlk olarak dalgalı yürüme metodu test edildi. Bu yürüme metodunda bacaklar ileriye hareket ettikten sonra, bacaklar yere basarak robotun hareketi sağlandı. Fakat robot manipülatörünün istenildiği gibi çalışmadığı, gövdenin kendini yalpalayarak ileriye attığı görülmektedir. Sistemin daha verimli çalışması için çapraz yürüme yöntemi kullanıldı. Diğer yönteme göre başarılı sonuç elde edilmiştir. Sistemin beklenildiği gibi istikrarlı bir şekilde ilerlediği görülmektedir. Sistem örümcek robotun bir bacağı üzerinden modellenmiştir. Burada ters ve düz kinematik yöntemleri kullanılarak uç noktanın pozisyon değerleri ve bu noktaya gidebilmesi için eklem açılarının ne olması gerektiği bulunmuştur. Bütün sistemin kinematik modelinin çıkartılabilmesi için her bacağın gövde manipülatörüne göre pozisyon değerleri bulunmalıdır. Sistem akışı açık çevrim olarak gerçekleşmektedir. Sistemin statik kararlılığını artırabilmek için her bir motora encoder bağlanılarak sistemin kapalı çevrim döngüsü gerçekleştirilebilir. Hareketi sağlayan motorların torku yükseltilerek sistemin performansında artış olacağı öngörülmektedir. Sistem sensörler eklenerek daha kompleks bir hale getirilip, farklı uygulama alanlarında kullanılabilir. Teşekkürler Bu çalışmayı hazırlamamıza başladığımız andan itibaren yardım ve desteklerini esirgemeyen proje danışmanımız Sn. Prof. Dr. Zafer BİNGÜL e teşekkürü bir borç biliriz.
Kaynakça [1] Hada, Y., Gakuhari, H., Takase, K., and Hemeldan, E. I. (004). Delivery service robot using distributed acquisition, actuators and inteligence, in Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp997-300. [] Estremera, J., and desantos, P. G. (005). Generating continuous free crab gaits for quadruped robots on irregular terrain, IEEE Transactions on Robotics, vol. 1, no. 6, pp. 1067-1076. [3] Klein, Charles A., Olson, Karl W., Pugh, Dennis R. (1983). Use of force and attıtude sensors for locomotıon of a legged vehıcle over ırregular terraın, in International Journal of Robotics Research (), pp. 3-17. [4] Koyachi, Noriho, Adachi, Hironori, Nakamura, Tatsuya, Nakano, Eiji, (199). Stair climbable hexapod walking robot, Kikai Gijutsu Kenkyusho Shoho/Journal of Mechanical Engineering Laboratory 46 (), pp. 94-11. [5] Altendorfer, R., Moore, N., Komsuoglu, H., Buehler, M., Brown Jr., H.B., Mcmordie, D., Saranli, U., Koditschek, D.E. (001). RHex: A biologically inspired hexapod runner, Autonomous Robots 11 (3), pp. 07-13. [6] Dr. Zafer Bingül, Dr. Serdar Küçük, Robot Kinematiği Birsen Yayınevi, İstanbul, 009 [7] Tareq MamKegh, Ahmad Hindash, Mohammad Al Jabari Hexapod robot design, model and control German Jordanian University, Germany, 011 [8] Mustafa Suphi Erden Six legged Walking Machine: The Robot EA308 Middle East Technical University, Ankara, Turkey, 006 [9] Performance Analysis of Six Leg Locomotion Robot Movement Control İnternational Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering ISSN 50 459, Volume 3, Issue, February 013 [10] O. Çetinkaya, Bir Kolun Hareketlerini Takip Eden Dört Dönel Mafsallı Robot Kolu Tasarımı ve Deneysel Araştırılması Trakya Üniversitesi, Türkiye, 009 [11] Evrim Itır Barutçuoğlu Robotların Tarihçesi July, 001