Identification of legged locomotion via model-based and data-driven approaches

Robotik, insan ve hayvan yapılarına uyumlu farklı yapısal morfolojilerin tasarlanması ve özgün davranışsal kontrolcülerin geliştirilmesi bakımından biyolojik sistemlerden esinlenmenin en sık kullanıldığı araştırma alanlarından birisidir. Biyolojik sistemlerden esinlenme doğadaki işlevleri ve kavramları kapsamlı bir şekilde anlamayı ve bunlar üzerinden pratik mühendislik uygulamaları geliştirmeyi gerektirir. Bununla birlikte, özellikle bir insan ya da hayvan için bazı kavramların anlaşılabilmesi, yüksek seviyede matematiksel modelleme ve sistem tanılama yöntemleri kullanımı gerektirmektedir. Bu tezde, doğadaki canlılar gibi başarılı bir şekilde hareket edebilen bacaklı robot platformlarının gerçeklenebilmesi amacıyla bacaklı hareketliliğin anlaşılabilmesi için yeni sistem tanılama yöntemlerinin geliştirilmesi üzerine odaklanılmıştır. Bu tezin ilk bölümünde mekanik-tabanlı matematiksel modellerin fiziksel bir tek bacaklı zıplayan robot platformu üzerinde kestirim performansının deneysel doğrulamalarını içeren çalışmalarımızı sunmaktayız. Yakın bir zamanda kayıplı yay-kütle modeli için önerilen bir yakınsamalı analitik çözüm üzerine tarafımızca eklemeler yapılarak gerçek bir robot sistemine uyarlanmış ve önerdiğimiz yeni modeldeki sistem parametrelerini doğru kestirebilmek amacıyla bir parametrik sistem tanılama çalışması yapılmıştır. Aynı zamanda önerilen yakınsamalı analitik çözümün tek bacaklı zıplayan robotumuzun verileri üzerindeki kestirim performansına ait değerlendirmelerimiz de sunulmuştur. Farklı bacak yaylarıyla yapılan deneyler ve sonuçların çapraz doğrulamaları, önerdiğimiz yakınsamalı analitik çözümün fiziksel robot platformunu yeterince hassas bir şekilde tanılayabildiğini ortaya çıkarmıştır. İkinci bölümde, kararlı bir periyodik yörünge (limit çevrimi) etrafında bacaklı hareketlilik için bir girdi çıktı gösterimi elde edilmesini sağlayacak veri-güdümlü bir sistem tanılama yaklaşımı benimsenmiştir. Bu nedenle, doğrusal ve periyodik olarak zamanla değişen (DPZD) bir sistem gösterimi elde edebilmek amacıyla bacaklı hareketliliğin hibrit sistem dinamikleri bir limit çevrimi etrafında doğrusallaştırılmaktadır. Böylece, bacaklı hareketlilik için girdi çıktı modellerinin tanılanabilmesi amacıyla DPZD sistemlerinin frekans düzleminde analizini ve tanılamasını yapan yöntemler kullanılmaktadır. Tanılaması yapılan girdi çıktı modellerinin kestirim performansını gösterebilmek amacıyla basit bacaklı hareketlilik modelleri üzerinde benzetim ortamı deneyleri sunulmuştur. Son olarak, üçüncü bölüm bacaklı hareketlilik için girdi çıktı verisi kullanarak durum uzayı modellerinin veri-güdümlü tanılamasına odaklanmaktadır. Bunu başarabilmek için öncelikle tam durum ölçümü varsayımı altında bir hibrit DPZD sisteminin periyodik zamanlı durum ve giriş matrislerinin kestirilmesini sağlayan bir durum uzayı tanılama metodu sunulmuştur. Daha sonra, bu varsayımı kaldırarak bilinmeyen kararlı DPZD sistemleri için periyodik zamanlı durum uzayı modellerini kestirebilmek amacıyla altuzay tanılama yöntemleri kullanılmıştır. Çözümlerimizi farklı DPZD sistem modellerine genellemek amacıyla Tustin dönüşümü ve zamanla değişmeyen sistemlere yükseltme yöntemleri kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar bacaklı hareketlilik için durum uzayı modellerinin tanılamasına yönelik bir temel oluşturmaktadır.