Design, control, modeling, and locomotion analysis of a multi-legged modular miniature robot with soft backbones

Yumuşak Modüler Bacaklı Robot (Soft Modular Legged roBot - SMoLBot), minyatür, modüler, katlanabilir ve yumuşak-sert karışık olan ve esnek omurgaya sahip bacaklı bir robottur. SMoLBot'un gövdesi ve hareket mekanizmaları asetat kağıtlarından katlanır ve esnek bağlantı mekanizmaları Polidimetilsiloksandan (PDMS) kalıplanarak üretilir. Yüksek direngenliğe sahip kinematik parçalar esnek bileşenlerle bağlandığında, robotun yapısal esnekliği artar ve farklı yüzeylere daha iyi uyum sağlar dolayısıyla minyatür robotların manevra kabiliyeti artar ve daha düzgün bir yürüme eşekli elde edilebilir. SMoLBot, düşük ağırlıklı ve düşük maliyetli katlanabilir sert yapılar ve PDMS'lerden yapılmış esnek bağlantı mekanizmaları gibi hem origamiden ilham alan robotların hem de yumuşak robotların özelliklerini kullanıyor. SMoLBot'taki her bir modül, iki ayrı DC motor ile hareket ettirilir ve kontrol edilir; bu durum, yürüme şeklinin değiştirilmesini ve robotun dönüşü ve engebeli arazide hareketi sırasında robotun hareketini ve gövde salınımını kontrol etme konusunda daha yüksek bir serbestlik derecesi sağlar. Her modül 44.5 mm genişliğe, 16.75 mm uzunluğa ve 15mm yüksekliğe yani yaklaşık olarak iki DC motor ve bir Li-Po pil ile aynı boyuta sahiptir. SMoLBot'un dinamik modellemesi Newton-Euler formülleri kullanılarak elde edilir ve ayakların temas parametrelerine ve kinematik analizinin fiziksel parametrelerine bağlıdır. Dinamik modelin altyapısı, tüm robotun dinamik yapısı göz önünde bulundurulurken aynı zamanda da her bir modülün ayrı birer sistem olarak değerlendirilmesiyle, yani robotun tümüyle bir sistem olup modüllerin ise bu sistemin içinde birbirine bağlı esnek birer bağlantılardan ibaret olduğu düşünülerek oluşturtulmuştur. Modüllerin kinematik kısıtlamaları robotta kullanılan omurganın tipine göre bulunmuştur. Deneylerde kullanılan omurgalar sert ve esnek omurgalar olmak üzere iki gruba ayrılır. Farklı simetrik ve asimetrik yürüme şekilleriyle koşan ya da yürüyen SMoLBot'un deneysel sonuçları bu tezde sunulan dinamik modeli doğrulamaktadır. Dinamik modele ek olarak, omurga direngenliğinin çok sayıda modüle sahip bacaklı minyatür modüler robotların hareketi üzerindeki etkisi incelenmiştir. SMoLBot'un hızının farklı sayıda modül ve farklı omurga tiplerine sahip olan SMoLBotlar ile karşılaştırıldığı analizler, önerilen dinamik model kullanılarak sunulmuştur. Sonuçlarımız, ayaklı minyatür modüler robotlar için robotun hızını en üst düzeye çıkaran optimum bir burulma direngenliğine sahip omurganın var olduğunu göstermektedir. Ek olarak, belirli bir omurga direngenliği veya modüller arasında belirli bir esneklik aralığı için minyatür robotlarda optimum bir ayak sayısının olduğunu gösterebiliriz. Ayrıca, bu tezde, koşan ya da yürüyen yumuşak modül bağlantılarına sahip çok bacaklı modüler minyatür robotların hareket şekillerini araştıran bir hareket çalışması yürütülmektedir. Hareket çalışması sunulan dinamik model kullanılarak yapılır ve sonuçlar SMoLBot kullanılarak doğrulanır. Çok bacaklı bir robotun optimum adım sırası ve optimum adım uzunluğu, hareket analizleri, dinamik ve kinematik denklemler kullanılarak elde edilir. Çok bacaklı SMoLBot'ların optimum yürüyüş analizi, farklı modül sayılarına ve modüller arasında çeşitli esneklik aralıklarına sahip her robot için farklı olup benzersiz ayak temas sırası modellerini temsil eder. Ayrıca, ayakların çeşitli arıza vakalarının, esnek ya da rijid omurgalı çok bacaklı bir robotun hareketi üzerindeki etkisini göz önünde bulundurarak analiz yapılır. Bu çalışma, arızalı ayakların farklı kombinasyonlarına sahip bacaklı bir minyatür robotun hareketini araştırmaktadır. Ek olarak, n-bacaklı bir SMoLBot'un çalışması sırasında kırılan bacakların hangi modülün üzerinde bulunmasının robotun hareketini nasıl etkilediği de araştırılmıştır. Bu çalışma, modüler robotun hareketini, her bir vakanın yalnızca tek bir modül arızalandığındaki etkisini birçok farklı arıza vakasıyla ve yürüme şekli değiştirilmeden araştırmaktadır.