www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (3) 39-44 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Kısa Makale PIC16f84 Mikrodenetleyici Kontrollü İki Ayaklı Yürüyen Robot Prototipi Geliştirilmesi Mehmet ALBAYRAK*, Ümit ALBAYRAK* * Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik-Bilgisayar. Bölümü, Isparta. ÖZET Bu çalışmada iki ayaklı yürüyen robot (walking biped) prototipinin; mekanik tasarımı, mikro denetleyici ile oluşturulan kontrol devresi ve kontrol yazılımı gerçekleştirilmiştir. Robotun hareketleri için gereken kuvvet servo motorlar tarafından üretilmektedir. Yürüme hareketi; insan yürüyüş hareketi esas alınarak, iki ayak üzerinde ve dengeli olacak şekilde tasarlanmıştır. Denge dinamiği motorların çalışma sürelerinin ayarlanması ile gerçekleştirilmiştir. Mekanik aksam, mikro denetleyici içindeki yazılımın değiştirilmesi ile farklı hareketlerin yapılmasına imkân vermektedir. Mekanik tasarım aşamasında hareket serbestliğinin mümkün olduğunca fazla olması hedeflenmiştir Anahtar Kelimeler: Robot, Biped, Denge. 1. GİRİŞ İnsanlığın kendine yardımcı olacak mekanizmalar düşünmesi çok eski yüzyıllara uzanmaktadır. M.Ö. 800 de, Homeros İlyada adlı eserinde, verilen görevleri yerine getirebilen hareketli üçayaklılardan bahsetmektedir. MÖ 350 de Aristo bir eserinde; "Eğer her araç kendi işini görebilseydi, insan eline ihtiyaç duymadan mekik kendi dokuyabilse, lir kendi çalabilseydi, yöneticilerin elemanlara ihtiyacı kalmazdı" diyerek ilk otomasyon fikrini ortaya atmıştır. 13.yy ise Eb-Ül-İz-El-Cezeri adlı bir Arap bilgini, otomatlar hakkında bir kitap yazmıştır. Kitapta 300 e yakın otomatik mekanizmanın yanı sıra, çamaşır teknesini doldurup boşaltabilen otomatik bir Arap kadını resmedilmektedir [1]. Robot teknolojisi, ismini Çek oyun yazarı Karel Capek in, "Rossum' un Evrensel Robotları (1921)" oyununa borçludur. Yazar, angarya / zorunlu iş anlamındaki "robaca" kelimesi ile işçi anlamına gelen "robotnik" kelimelerini birleştirerek, Robotic kelimesini türetmiştir. Issac Asimov, ise yazdığı bilimkurgu romanlarla robot fikrinin öncülüğünü yapmıştır. Yazarın kitaplarında belirttiği üç kanun Asimov kuralları olarak bilinmektedir. Bu kurallar; 1. Bir robot insana zarar vermez ve bir insanın zarar görmesine izin vermez. 2. Bir robot birinci kanuna aykırı olmadığı sürece insanlar tarafından verilen tüm emirlere itaat eder. 3. Bir robot birinci ve ikinci kanuna aykırı bir durum olmadığı sürece kendi varlığını korur diye belirtilmiştir [2]. Robot tasarımlarının özünde insan veya hayvanların yerine geçmek yattığından, doğadan kaçınılmaz bir esin olsa da, kimi robotların doğa ile ilişkisi diğerlerinden daha fazladır. Endüstriyel robotlar gibi uygulamaya yönelik yaklaşımlarda, yapılacak iş esas olduğu için, o işi insandan daha iyi yapabildiği sürece robotun diğer yönlerden insana yakınlığı önemli değildir. Diğer yandan başka bir kanıya göre,
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 39-44 PIC16f84 Mikrodenetleyici Kontrollü İki Ayaklı Yürüyen Robot robotları insan kadar beceriksiz olmaları pahasına, insana her yönden benzetebilmeyi amaçlar şeklindedir. Çünkü bu akıma göre; bugüne kadar geliştirilen her robot bir konuda insandan ne kadar üstün olsa da diğer sayısız yönden son derece ilkeldir. Dolayısıyla doğal canlılara benzeyebilmek daha üstün robot geliştirmenin bir ölçütüdür. Asıl amaçlanan etkileşim iki yönlü olabilir, yani doğayı taklit edebilmek aynı zamanda doğayı daha iyi anlamayı da beraberinde getirir. Böylece biyolojiden teknolojiye olduğu gibi teknolojiden de biyolojiye katkı sağlanmaktadır [3]. 2. ROBOTİK BİLİMİ VE HAYVAN DAVRANIŞLARI Bir makineye robot diyebilmek için, en önemli şartlardan birisi algılamadır. Bir robot sınırlı bile olsa dış dünyadan bazı algılar yapabilmelidir. Bu algılamalar, kimyasal, konum, renk, ışık, şekil gibi geniş bir yelpazede yer alır. Daha sonra elde ettiği bu verileri, otonom olarak yorumlayabilmeli, algıya ne gibi tepkide bulunacağına karar vermelidir. Son olarak da verdiği bu kararını uygulamaya koyabilmelidir. Resim 1 Honda nın ürettiği iki ayaklı ve insansı robotlar (1986 2005) [4] Kısaca robot şu dört ana kısımdan oluşur: Robotun beyni (Kontrol devresi ve kontrol yazılımı) Elektriksel güç ünitesi Algılayıcılar Hareketlendirici, geri dönüş ve iskelet (mekanik) [5] Günümüzde kullanılan robotların, büyük bir bölümü endüstride kullanılmaktadır. Bunun sebebi; robotların hassaslık veya güç gerektiren işleri, büyük bir süratle ve hatasız olarak yerine getirebilmeleridir. Robotlar endüstriden başka okyanusların derinlikleri, volkanların kraterleri gibi insanların çalışamayacağı yerlerde ve insanların giremeyeceği kadar küçük olan yerlerde araştırma amaçlı kullanılmaktadırlar. Doğadaki tasarımı taklit eden robotlarda vardır. Doğadaki tasarımı, yani canlıları olabildiğince taklit etmeyi amaçlayan çalışmalar biyomimetik olarak adlandırılmaktadır. Robot biliminde biyomimetik araştırmalar, robot adamlar, robot köpekler, robot böcekler gibi şekillerde karşımıza çıkmaktadır. Biyomimetik olmayan robotlara örnek olarak endüstriyel üretim hatlarındaki robot kollar ve montaj sistemleri sayılabilir. Çoğu insan bunların robot olduğunu bile düşünmez, çünkü robot kavramı çoğumuzda ilk olarak bilimkurgu sayesinde şekillenmekte ve endüstriyel robotlar nedense yazarlar tarafından pek heyecan verici bulunmamaktadır. Yaşamdan esinlenme yalnızca fiziksel özelliklerle sınırlı kalmamış, beyindeki sinirler üzerindeki araştırmalar sonucu yapay sinir ağları (genel anlamda yapay zeka teknolojileri) ortaya çıkmıştır. Yapay sinir ağları teknolojisini kullanan beyinlere sahip robotlar, hazır programların yüklenmesi yerine yeni doğmuş bir bebek gibi kendileri öğrenebilmekte ve istenilen özelliklere sahip olacak şekilde yazılımları geliştirilebilmektedir [3]. Zeki davranışın mümkün olduğu düşüncesine ilk olarak biyolojik sistemler gözlemlenerek varılmıştır. Bu yüzden robot araştırmalarını biyolojik davranışların incelenmesi üzerine temellendirmek mantıklı 40
Albayrak, M., Albayrak, Ü. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 39-44 gözüken bir yaklaşımdır. Öncelikle, zekâ hayvanlara ve insanlara özgü (diğer canlılardan farklı olarak) davranışı tanımlar. Zekânın nerede başlayıp nerede bittiği, ucu açık bir soru olmasına karşın, robot araştırmaları bağlamında zekânın insan dışındaki hayvanlarda da bulunabileceği kabul edilir. Sık kullanılan pratik bir tanıma göre, zekâ -biyolojik veya başka türden- bir sisteme gerçek dünyada hayatta kalabilme şansını arttırma ve gerektiğinde diğerleriyle yarışma veya dayanışma yetisi sağlar. Ayrıca, hayvan davranışı zekânın ulaşılabilir olduğuna dair bir kanıttır. Henüz az anlaşılabilmiş bir doğa olayı olmasına rağmen, mistik bir kavram değil, somut bir gerçektir. Hayvan davranışının incelenmesi robot araştırmacısının kendi sistemlerinde uygulayabileceği modeller sağlar. Bu modeller hayvan karşılıkları esas alınarak birebir uygulanabileceği gibi, yalnızca esin kaynağı olarak da işe yarayabilir. Robotik bilimi; genel anlamda biyolojik gerçeklerden faydalanarak mühendislik bazında çözümler arar. Oysa davranış temelli robotik araştırmacılarına göre, sinirbilim, psikoloji ve etolojinin incelenmesinden kazanılabilecek çok şey vardır. Kavram bakımından bu bilim dalları: nöroloji, psikoloji, etolojidir. Robotikçilerin diğer bilim dallarından gelen bu sonuçları nasıl kullanacağına karar vermesi gerekir [3]. 3.GERÇEKLEŞTİRİLEN SİSTEM Gerçekleştirilen çalışma aşağıdaki bileşenlerden oluşmaktadır. Bunlar; Mekanik tasarım Kontrol kartı Kontrol yazılımı Motorlar Güç kaynağı Algılayıcılardır. 3.1. Mekanik Tasarım Mekanik tasarıma başlanırken, http://www.biped.at.tf isimli Internet sitesinde yayınlanan tasarımdan esinlenilmiştir. Gerçekleştirilen sistemin mekanik tasarımı Resim-2 de görüldüğü gibi gerçekleştirilmiştir. Mekanik tasarım insan vücudunun bel ve altı örnek alınarak modellenmiştir. İnsan vücudunda bulunan ayaklar, ayak bileği, diz altı ve diz üstü kemikleri ve bel oluşturulmaya çalışılmıştır. Toplamda iki ayak ve bel için 60 ın üzerinde parça birleştirilerek imal edilmiştir. Bu parçaların her biri CNC tezgâhında milimetrik ölçülerle ürettirilmiştir. Üretilen parçalar birbirleriyle yapıştırma, sıkı geçme, somun-cıvata gibi çeşitli yöntemlerde birleştirilerek oluşturulmuştur. Motorlar mekanik tasarım üzerine gerekli yerlere yerleştirilmiştir. Motorların dönüşünü mekanik sisteme aktarmak için ek aparatlar ve motor üzerindeki mekanizmalardan yararlanılmıştır. Motor hareketlerini sağlamak için tasarlanan kontrol kartı, mekanik tasarımının üst kısmına monte edilecek şekilde hazırlanmıştır. Bel kısmı ile birleştirilen bacaklar kendi ekseni etrafında toplamda 180 dönebilmektedir. Ayrıca ayaklar öne-arkaya ve sağa-sola bilekten dönebilmektedir. Resim 2 (a-b-c-d): Mekanik tasarım arka ve ön görünümü 41
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 39-44 PIC16f84 Mikrodenetleyici Kontrollü İki Ayaklı Yürüyen Robot 3.2. Kontrol Kartı ve Kontrol Yazılımı Hazırlanan kontrol kartında mikrodenetleyici olarak PIC 16F84 kullanılmıştır. Kontrol kartı üzerinde her iki motor için bir mikrodenetleyici olmak üzere toplamda 7 adet PIC 16F84 bulunmaktadır. Her mikrodenetleyici birbirinden bağımsız olarak çalıştırılmaktadır. PIC 16F84 beş biti A portu, sekiz biti B portu olmak üzere toplam 13 giriş-çıkış bitine sahiptir. PIC lerin clock frekansı 4 MHz. lik X-Tal osilatör kullanılarak sağlanmıştır. Resim-3(a-b): Herbir mikrodenetleyici için kullanılan kontrol kartı devre şeması ve üst görünümü Kontrol kartı tasarımı yapılırken, sistem hem bilgisayara bağlı çalışacabilecek hem de üzerindeki batarya ile mikrodenetleyiciye yüklenen kodlara uygun bağımsız çalışabilecek şekilde tasarlanmıştır. Mikro denetleyicinin motorları kontrol etmek üzere hazırlanmış yazılımı JAL programlama dili kullanılarak yapılmıştır. Seri porta takılan programlama devresi yardımı ile yazılım (HEX dosyası) mikro denetleyiciye yüklenmiştir. Kontrol yazılımını oluşturan temel kısım yürüme algoritmasıdır. Bu olaya statik yürüme adı verilmekte ve algoritması aşağıdaki temel aşamalardan oluşmaktadır. Gövdeyi sağ tarafa yatırmak için gerekli motorlara gerekli açıların verilmesi, Sol bacağı kaldırarak ilk adımı atmak için gerekli motorlara gerekli açıların verilmesi, Gövdeyi sol tarafa yatırmak için gerekli motorlara gerekli açıların verilmesi, Sağ bacağı kaldırarak ikinci adımı atmak için gerekli motorlara gerekli açıların verilmesi, Başlangıca dönerek aynı işlerin tekrarlanmasıdır. 3.3. Servo Motorlar ve Bataryalar Çalışmada kullanılan motorlar standart servo türündedir. Servo motora giren kontrol bilgisi rotorun konumunu tam olarak söylemektedir. Fiziksel olarak servolar sınırlı dönme yeteneğine sahiptirler. Çalışmada 180 açıyla dönebilen toplam 14 standart servo motor kullanılmıştır. Motorlar Resim 4 de gösterilmiştir. Kullanılan servo motor üç adet bağlanti ucuna sahiptir. Uçlardan; siyah şase, kırmızı +5V besleme, beyaz ise kontrol sinyali içindir. Resim - 4(a-b): Kullanılan servo motorlar ve iç yapısı [6] 42
Albayrak, M., Albayrak, Ü. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) 39-44 Servo motorun konumunu kontrol sinyalindeki lojik 1 seviyesini süresi belirler. Tablo 1 de Lojik 1 (high) süresindeki konum verilmiştir. Bu süreler motoru kontrol edecek mikro denetleyici programlanırken belirtilmektedir. Kullanılan motora ait fiziki boyutlar ve iç yapısı Şekil 1 de gösterilmiştir. Tablo - 1 Kontrol girişinde lojik 1 durumuna göre motorun konumu [7] Projede iki adet 6V luk batarya kullanılmıştır. Batarya gerilimi 7805 gerilim regülatör entegresi ile 5V a düşürülmüştür. Bunlardan biri motorları beslerken diğeri ise kontrol kartını beslemektedir. Böyle bir kullanımın sebebi; akım yetersizliğinden doğabilecek olan sistem kararsızlıklarının önüne geçmektir. Uygulamada dengenin korunması önem arz ettiğinden motorlarda oluşabilecek bir titreme ya da kararsızlık son derece önemlidir. Sistemde doğabilecek olan bir anlık kararsızlık sistemin dengesini bozabileceği için bu tür bir uygulama yapılmıştır. 3.4. Algılayıcılar Projede sensör olarak Sharp GP2D02 kullanılmıştır. Sharp GP2D02 kızılötesi uzaklık sensorudür. Sharp GP2D2 sensörünün çalışmasındaki temel düşünce; kızıl ötesi ışık atmaları (pulse) yollamaktır. Işık; sensörün görüş açısında yol alır. Eğer sensörün önünde bir cisim yoksa ışık sensöre geri dönmez ve sensörde önünü boş olarak algılar. Ancak önünde bir cisim varsa, yansıyan ışık atması sensör tarafından algılanır. Sensörden ışığın çıkış noktası, yansıma noktası ve sensörden algılanan nokta arasında bir üçgen oluşur ve cisim algılanır.sensörün projede kullanılma amacı robotun önündeki bir cismi algılayarak durmasını sağlamaktır. Sensor, sistemin önüne bir engel geldiğinde sistemi korunma amaçlı olarak otomatik durdurmaktadır. IR sensörleri genellikle uzaklık ölçümünde kullanılmaktadır. Kızıl ötesi ışık yollayan sensör cisimden yansıyan ışığın durumuna göre uzaklığı belirlemektedir[2]. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada; iki ayaklı bir robot mekaniği, mekaniğinin yürüme algoritması için gerekli sinyalleri üretecek mikrodenetleyicili kontrol kartı, kontrol yazılımının geliştirilmesi yapılmıştır. Çalışmada mikrodenetleyicilerin zamanlanmasında problemler oluştuğunda denge ile ilgili sorunlar çıkmaktadır. Sistemde dengenin daha kararlı olarak sağlanabilmesi için denge sensörü ve gyrolar eklenerek yürüme algoritması daha insansı yapıda düzeltilip, geliştirilebilir. Ayrıca kamera ilavesi ile görüntü işlenerek cisim, engel, insan tanıma ilave edilebilir. Çalışma da motorları besleyen güç kaynağı büyütülürse, denge problemi yaratabilmektedir. Daha kuvvetli motorlar kullanılarak mekanik tasarım geliştirildiğinde, daha büyük bir güç kaynağını taşıyabilecek hale dönüştürülebilir. Robotun tamamı için daha büyük ölçüler düşünüldüğünde, mekanik tasarıma pnomatik ve hidrolik ekipmanlar eklenerek tasarım güçlendirilebilir. KAYNAKLAR 1. Barutçuoğlu, E. Boğaziçi Ün. Robot Topluluğu Sayfası, http://robot.cmpe.boun.edu.tr/593/biological/i_c_cindekiler.html 2. ODTÜ Robot Topluluğu Web Sayfası, http://robot.metu.edu.tr/index.php?link=5 3. Barutçuoğlu, Z. Boğaziçi Ün. Robot Topluluğu Sayfası, http://robot.cmpe.boun.edu.tr/593/biological/i_c_cindekiler.html 4. Honda Web Sayfası, http://asimo.honda.com/index.asp?bhcp=1 43
Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) 39-44 PIC16f84 Mikrodenetleyici Kontrollü İki Ayaklı Yürüyen Robot 5. Atılım Ün. Robot Topluluğu Web Sayfası, http://robot.atilim.edu.tr/bb.htm 6. Parallax Elektronik Web Sayfası, http://www.parallax.com/ 7. Ekmekçi, E., En Kuvvetli Televizyon Sinyalinin Algılanıp, Antenin Konumlandırılması, SDÜ MMF, Elt.- Hab. Müh., Lisans Tezi, 2002, Isparta. 44