İşbirlikçi robot manipülatörlerin kuvvet kontrolü

Robot kollarının işbirlikçi kontrolü robotbilimindeki önemli çalışma alanlarından biridir. Önceleri robotların kontrolcü tasarımı ve performans değerlendirmeleri tek bir robotun gerçekleştirebileceği basit görevlerin başarılmasına odaklanıyorken, günümüzde çoklu robot sistemlerinin aktif işbirliğini gerektiren karmaşık görevlerin yapılabilmesine önem verilmektedir. Robot kullanımının yaygınlaşması ve birden çok robotun işbirlikçi kontrolü yaklaşımlarıyla çeşitli görevlerin otomasyonu mümkün olabilmektedir. Eyleyici, algılayıcı ve kontrolcü maliyetlerinin giderek azalmasıyla artık robotlar sadece sanayi üretiminde değil, evlerimizde de kendilerine daha yaygın bir şekilde yer edinebilmektedir. Robotların işbirlikçi kontrolünün verimli bir şekilde uygulanabilmesi insan-robot işbirliğine de imkan tanımaktadır. Bu çerçevede robotların insanlarla doğrudan fiziksel etkileşime girerek çeşitli görevlerde yardım etmesi mümkündür. Çeşitli fonksiyonları üstlenebilecek insan operatörler ile robotlar yan yana çalışabilmektedir. Bu çalışmada, efendi/köle (master/slave) etkileşimi içindeki robotların işbirlikçi kontrolü irdelenmektedir. Efendi robot, yük taşırken önceden belirlenen referans hareketleri gerçekleştirmekle görevlidir. Köle robotun görevi ise yükün ağırlığını paylaşarak efendi robotun hareketlerini takip etmektedir. Servo kontrolleri birbirinden bağımsız olan iki robot arasında hiçbir veri paylaşımı gerçekleşmemektedir. Köle robotun uyumu hareketi (compliant motion) kolucuna yerleştirilmiş kuvvet/moment algılayıcısı kullanılarak sağlanmaktadır. Kuvvet geribeslemeleri ile, işbirlikçi çalışma esnasında iki robot arasında ortaya çıkan etkileşim kuvvetleri de kompanse edilebilmektedir. Bu çalışmanın amacı, Mekatronik Eğitim ve Araştırma Merkezinde mevcut robotlar kullanılarak yukarda bahsedilen kontrolcülerin uygulanmasıdır. Deneysel çalışmalar için Merkezde üç adet 6 serbestlik dereceli Stäubli Rx160/Rx160L robot kol mevcuttur. Robotların tüm eklemleri dönel olup, fırçasız motorlarla tahrik edilmektedir. Robotların ikisinde 6 eksenli kuvvet/moment algılayıcıları mevcuttur. Literatür araştırmasında, efendi/köle düzenindeki robotların işbirlikçi kontrolü ile ilgili 1970li senerlerden bu yana yayınlanan çalışmalar incelenmiştir. İşbirlikçi bir robot sisteminin uygun bir biçimde tanımlanabilmesi için gerekli teorik arkaplan araştırılmıştır. Bu çalışmada deneysel olarak uygulanan kontrol şemaları teorik olarak iyi bilinen yöntemler olsa da uygulamalarda karşılaşılan Pratik zorluklar mevcuttur. İlk aşamada, robotların kinematik ve dinamik modelleri türetilmiş, control sistemleri tasarlanmış ve bilgisayarda dinamik benzetimleri gerçekleştirilmiştir. Efendi robotun hareket kontrolü ters dinamik modeli temel alan hesaplanmış moment yöntemiyle (computed torque control) gerçekleştirilmiştir. Köle robota ise doğrudan kuvvet kontrolü (explicit force control) uygulanmıştır. Robotların tekli ve efendi/köle düzenindeki dinamik davranışlarının benzetimi için Matlab Simulink yazılımı kullanılmıştır. Efendi ve köle robotlar arasındaki eşleşme (coupling) ideal yay modelleri kullanılarak sağlanmıştır. Robot kol uçlarının birbirine göre yer değiştirmesi ölçülerek ortaya çıkacak etkileşim kuvvetleri hesaplanmıştır. Efendi robotun yörünge planlaması görev uzayında (task space) beşinci mertebe spline eğriler kullanılarak yapılmıştır. Dinamik benzetim çalışmaları ile kontrol algoritmaları test edilmiş ve gerçek sistemde uygulanacak kontrolcü kazançlarının ilk değerleri elde edilebilmiştir. Benzetim çalışmalarının ardından deneysel çalışmalara başlanmıştır. Matlab kodları robot kontrolcülerinde kullanılacak şekilde C dilinde programlanmıştır. İlk deneylerle beraber, kabul edilebilir hareket kontrolü performansları için olabilediğince gerçekçi bir sürtünme modeline ihtiyaç duyulduğu anlaşılmıştır. Robotların özellikle bilek eklemlerindeki beşinci ve altıncı serbestlik derecelerinin dinamik davranışları bütünüyle sürtünme etkisi tarafından domine edilmektedir. Bu çalışmada, Wailboer'in (2007) tarafından önerilen sürtünme modeli esas alınmış ve performans iyileştirmesi için bazı geliştirmeler yapılmıştır. Ayrıca, robotun ikinci serbestlik derecesinde mevcut dengeleme yayının modellemesi de deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. PID kontrolcü kazançları önce Ziegler-Nichols yöntemi ile ayarlanmış, daha sonra hassas ayar değerleri deneysel olarak elde edilmiştir. Robot kol uçlarının konum ve açısal konum kontrollerinin birbiriyle çatıştığı gözlemlenmiştir. Konum ve açısal konumların kontrolünde kabul edilebilir performanslar elde edebilmek için her iki değişken arasında ödünleşime (trade-off) ihtiyaç duyulmaktadır. Bir sonraki aşamada köle robotun kuvvet kontrolü test edilmiştir. Uç eyleyicinin (gripper) yol açtığı ek yükler görev uzayında hesaplanmış ve eklem uzayına dönüştürülerek çevrim içinde kompanse edilmiştir. Ayrıca, manipüle edilecek yüklerin kütle değerleri ve kütle merkezi konumlarını hesaplayan bir algoritma yazılarak uygulanmıştır. Köle robot için iki farklı control şeması uygulanmıştır. Klasik uyum kontrolüne (compliance control) ek olarak, robot kol ucunun açısal konumunun ayrıca control edildiği alternative bir kapalı çevrim daha uygulanmıştır. Birinci şemada robot, kol ucunda ölçülen kuvvet/moment hatasına karşılık hareket ederek anlık durumunu (configuration) değiştirebilmektedir. İkinci şemada aktif bir açısal konum kontrolcüsü ile dış kuvvetlere maruz kalan robotun kol ucu açısal konumu istenen sabit bir referans durumunda tutulabilmektedir. İlk işbirlikçi kontrol deneylerinde, efendi robot görevi bir insan operator tarafından gerçekleştirilmiştir. İlerleyen aşamalarda, efendi ve köle robotların kol uçları birbirine mekanik yay elemanıyla bağlanmış ve iki robotun işbirlikçi kontrolü gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada sunulan deneysel sonuçlarla, efendi-köle düzeninde çalışan iki robotun işbirlikçi kontrolü ile basit bir biçimde eşleştirilebileceği (coupling) gösterilmektedir. Her iki robot birbirinden bağımsız çevrimlerle kontrol edildiğinden ve robotlar arasında veri paylaşımı yapılmadığından, verilen bir görevi yapmak üzere, bir efendi robot ile daha fazla sayıda köle robot eşleştirmesi mümkün olabilecektir. Ayrıca efendi robotun, mevcut çalışmanın uygulanabilirliğini genişletecek şekilde bir insan operatörü ile kolaylıkla yer değiştirebileceği gösterilmiştir.