İnsansı bir robot kolunun ters dinamik kontrolü

Günümüzde insansı robot teknolojisi dünyada yaygın olarak çalışılmaktadır. Bu insansı robotlar tekerlekli robotların ulaşamayacağı yerlere ulaşabilmekte ve iki kolları ile karmaşık görevleri yerine getirebilmektedir. Bu özellikleri, onları arama kurtarma ve insanlarla birlikte çalışma gibi senaryolarda vazgeçilmez kılar. İnsansı robotlar ile ilgili kapsamlı deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Çevre ile etkileşime girmek, insanlarla iş birliği ve insansı hareketler yapmak, bu çalışmaların ana hedeflerindendir. Uzuv kontrolü, robota hızlı harekete imkan sağlamak için dinamik model tabanlı bir kontrol gerektirmektedir. Kol, engeller içeren bir çevrede çalışacağı için görev uzayında ters dinamik kontrol, bu senaryo için uygun görülmüştür. Ters dinamik kontrolünde, kontrol sinyali olarak robotun karar verilmiş ivmesi kullanılır. Bu ivme, ters dinamik modeline beslenerek eklemler için gereken kuvvetler bulunur. Görev uzayında yörünge takibinde hatalar, yine kartezyen koordinat sisteminde tanımlanır. Bu sayede eyleyicideki toplam hata, eklem uzayındaki kontrole göre daha düşük olur. Ayrıca bu yöntemde uç eyleyicinin yörünge boyunca hareketi tahmin edilebilmektedir, böylece engeller içeren çevrede hareket planlaması kolaylaşır. Görev uzayında yapılan bu kontrolde ters kinematik hesaplanması için sözde ters jakobiyen kullanılmıştır. İnsansı robotlar bir çok eyleyici ve sensörden oluşur. Robotu kontrol etmek için aynı anda sensor bilgilerini değerlendirmek, hareketi planlamak ve eyleyicileri denetlemek gerekmektedir. Bu yüzden bu robotların yazılımlarında çoklu işlemler ve zamanlayıcılar kullanılır. ROS (Robot İşletim Sistemi), bahsedilen uygulamalarda kullanılabilecek kütüphane ve araçları barındıran bir açık kaynaklı işletim sistemidir. Simulasyon ve donanım arayüzünün yanında gelişmiş algoritmalar sunar. ROS üzerinde koşan bir yazılım, nod adı verilen bir çok işlemden oluşur. Her bir nod, belirli frekanslarda farklı görevleri yerine getirir ve diğer nodlarla iletişime geçer. Bu yapı programlamayı kolaylaştırır ve açık kaynak kütüphaneleri nod olarak eklenmesini sağlayarak sisteme hızlı kuruylan modüler bir yapı kazandırır. ROS, şimdiden bir çok endüstriyel ve enstitü robotunu desteklemekte ve artık robotikte bir standart olarak görülmektedir. Yazılımında C++ ve Python kullanılabilmekte ve bu iki dilde yazılan kod parçaları, aynı anda birbiriyle haberleşerek koşabilmektedir. Gazebo, dört pervaneli helikopter, manipülatör, sürü robotiği ve tam-vücut insansı robotlar gibi bir çok robotu, çeşitli sensörler ve çevresel etkileşimle birlikte simüle edebilen bir açık kaynaklı dinamik simülasyon ortamıdır. Gazebo, ROS da dahil olmak üzere çeşitli platformlarla arayüze sahiptir. İçinde çok sayıda eklenebilir obje barındırır ve SDF formatında hazırlanan bütün objeler eklenebilir. Gerekli eklenti programları kullanılarak, ROS'un desteklediği URDF formatını SDF'ye çevirerek çalıştırabilir. Henüz ROS ortamında desteklenmese de birden fazla dinamik motoru ve aktarım elemanı sunar. ITECH Kolu, İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği Otomatik Kontrol Laboratuarı'nda üretilmiş altı serbestlik dereceli bir insansı robot koludur. Robot, Maxon firmasına ait fırçasız doğru akım motorlarla tahrik edilmekte ve aktarım elemanı olarak harmonik dişliler kullanılmaktadır. Bu tezin amacı, Otomatik Kontrol laboratuarı için kapsamlı bir kinematik ve dinamik kütüphanesi yaratmak, bu kütüphanenin ROS ile kullanılabilmesi için gerekli yazılım paketlerini yasmak ve sonunda ITECH kolunun görev uzayında ters dinamik kontrolünü Gazebo simulasyon ortamında uygulamaktır. Bu tez altı bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde tezin amacı, literatür taraması ve ITECH Robot Kolu'nun koşacağı işletim sistemi, motor güç ve limitleri, aktarım elemanları gibi mekanik-yazılımsal özelliklerinden bahsedilmiştir. İkinci bölümde bir robot kolun geometrik, kinematik ve dinamik modellenmesi anlatılmıştır. Seçilen mevcut kinematik ve dinamik çözümlerin, alternatiflerine göre yapılan işlem sayısı bakımından üstünlüklerinden bahsedilmiştir. ITECH Robot Kolu'nun geometrik, kinematik ve dinamik modeli türetilmiştir. Üçüncü bölümde Robot İşletim Sistemi tanıtılmıştır. ROS'un yazılım mimarisinden ve imkanlarından bahsedilmiştir. ROS'un ve Gazebo'nun neden tercih edildiği ve ilerideki çalışmalarda, bu çalışmada hazırlanan yazılımların gerçek robotta nasıl kullanılabileceği anlatılmıştur. ITECH Kolu'nun ROS ortamına entegrasyonu ve ROS ile Gazebo dinamik simulasyon ortamının arayüzünün oluşturulma basamakları tarif edilmiştir. Dördüncü bölümde robot kollarında yörünge oluşturulmasından ve bu yörüngeye ait zamanlama fonksiyonlarından bahsedilmiştir. Robot kollarının kontrol metodları tartışılmıştır. Merkezi olmayan ve merkezi kontrol algoritmalarına değinilmiştir. Görev uzayında yörünge takibi ve ITECH Kolu'nda ters dinamik kontrol algoritmasının uygulanması anlatılmıştır. Beşinci bölümde noktadan noktaya ve çember yörüngeye ait yüklü ve yüksüz durumlarda, çeşitli kazanç ve kontrolcü frekanslarında simülasyon sonuçları verilmiştir. Kontrolcünün performansını test etmek amacıyla bu simulasyonlar 1m/s hızında yapılmıştır. Yüklü durumda robot yükten habersiz olduğu ve bu ek kütle modele dahil edilmediği için sisteme bir bozucu olarak etki etmiştir.Ayrıca örnek bir görev olarak al-yerleştir senaryosu sonuçları eklenmiştir. Simülasyon sonuçları irdelenmiştir. Altıncı ve son bölümde tez boyunca yapılan çalışmalar özetlenmiştir. İleride dinamik algoritmaların geliştirilmesi için simulasyon ortamı seçimi ve gerçek robot üzerinde yapılacak çalışmalarda kullanılabilecek haberleşme teknolojileri için tavsiyelerde bulunulmuştur. Ekler bölümünde robotun geometrik ve kütle özelliklerinin yanı sıra, bu tez için yazılan nesne tabanlı Python kütüphanesinin sınıfları ve bu sınıflara ait fonksiyonların kullanımı verilmiştir. Bu kütüphane, bütün tek zincir seri robot kollarına uygun olduğu için ITECH Kolu'nda yapılacak serbestlik derecesi, eksen değişikliği gibi mekanik değişimler, birkaç satır kod ile bu tezdeki kodu kullanarak yeni robot koluna uygulanabilir. Ayrıca, tezde sözde ters jakobiyen yöntemi ile ters kinematik kullanıldığı için, serbestlik derecesi altıdan farklı olan robot kolları da bu kütüphaneyle yaratılacak kodla kontrol edilebilir. İnsan kolu gibi serbestlik derecesi altıdan büyük robotlar için fazlalık çözünürlüğünün eklenmesi gerekmektedir.