Design, control, modeling, and gait analysis in miniature foldable robotics

Minyatür ya da mikro boyuttaki robotlar, geleneksel büyük robotların başarmakta zorlandığı denetleme, gözetleme ve tehlikeli ortamların keşfedilmesi gibi uygulamalar için çok uygun adaylardır. Bu tarz uygulamalar robotların düz olmayan yüzeylerde hareket etmesini gerektirir, dolayısıyla robot tasarımının bacaklı hareket için yapılması gerekir. Ancak, kısmen bakir olan minyatür robotik alanındaki güncel gelişmelere rağmen, robotik araştırmacılarının düşük hareket dereceli bacak yapılarını tercih etmeleri sebebiyle minyatür robotların tasarım ve yetenekleri oldukça sınırlı kalmıştır. Düşük hareket dereceli bacaklı minyatür robotlar, adımlamalarını hareket esnasında etkin bir şekilde değiştirebilen bacaklı canlıların aksine, tasarım aşamasında ayarlanan sabit bir adımlama stratejisine sahiptirler. Bu tezin konusu olan 23g ağırlığındaki origamiden esinlenilmiş tekniklerle üretilen minyatür katlanabilir robot MinIAQ, bu sınırlamayı aşabilmek adına her bacağın birer eyleyici ile ayrı ayrı sürüldüğü bir yapıya sahiptir. Robot, tek bir ince ve esnek tabakanın kesilip katlanarak yüksek yapısal sağlamlığa sahip bir mekanik sisteme dönüştüğü, özgün bir tasarıma sahiptir. MinIAQ'ın tasarımında kullanılan özgün stratejiler, literatürdeki katlanabilir robotların tasarım standartlarını çoğaltmak ve geliştirmek için, başka robotlara da uygulanabilir. MinIAQ'ın bacaklarının her birinin ayrı motorlarla sürülüyor olması bu boyuttaki robotlarda olmayan özgün adımlama stratejisi değişimlerini ve manevra kabiliyetini beraberinde getirir. Robotun hareket mekanizmasını oluşturan esnek dört çubuk mekanizması boyutsal sentez teknikleri kullanılarak optimize edilmiş ve ayak yörüngesinin daha iyi olduğu MinIAQ--II versiyonunu ortaya çıkarmıştır. Ortaya çıkan yeni versiyon robotun hareket kabiliyetlerinde, ilk versiyona kıyasla oldukça yüksek miktarda artış gözlenmiştir. Motorların karakterizasyonu ve senkronizasyonu için, laboratuvarda üretilen kendi tasarımımız olan optik kodlayıcı tasarlanmış ve bacakların hız ve birbirleri arasındaki faz farkı tahminleri için bu kodlayıcılar kullanılmıştır. Bu aşamadan sonra, kapalı döngü denetim algoritması ile robotun belli bir adımlama stratejisi ile yürümesi sağlanmıştır. Adımlama stratejisinin pasif eklemli kapalı zincir bacak mekanizmasına sahip robotun hareketine olan etkisinin incelenmesi için robotun altı serbestlik derecesine sahip gövde dinamikleri kapsamlı bir şekilde modellenmiştir. Dinamik model, ayakların yerle etkileşimlerini doğrusal olmayan viskoelastik yay ve sönümlendirici şeklinde modeller ve ayaklara uygulanan kuvvetleri tahmin eder. Matlab'da geliştirilen bu modele, tasarım ve operasyon parametrelerinin hareket üzerindeki etkilerini görselleyebilmek ve parametreleri değiştirebilmek için etkleşimli bir kullanıcı arayüzü eklenmiştir. Üç boyutlu simülasyon sonuçları deney sonuçları ile yakın bir şekilde örtüşmekte ve robotun düz yüzey üzerindeki hareketini tahmin edebilmektedir. Tezde bahsedilen ve bunlara benzer diğer minyatür robotlarda ayak yerleştirme sensörleri ve adımlama denetleyicileri olmadığından, geliştirilen model istenilen adımlama stratejisi ile gerçekleşen adımlama arasındaki farkları ortaya koymuştur. Bu model kullanılarak yapılacak detaylı bir adımlama analizi bacaklı minyatür robotlarda adımlama optimizasyonu ve genel performans iyileştirmeleri yapabilmemizi sağlacaktır.