Robot kollarının görev uzayında, eyleyici dinamikleri dikkate alınarak denetimi
Robot manipulator control including actuator dynamics in task space
Yazar: ŞÜKRÜ ÜNVER
Danışman: PROF. DR. MUSA ALCI
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Denetim sistemleri = Control systems ; Doğru akım motorları = Direct current motors ; Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Doğrusal olmayan kontrol teorisi = Nonlinear control theory ; Doğrusal olmayan sistemler = Nonlinear systems ; Fırçasız motor sürücüleri = Brushless motor drives ; Robot manipülatörleri = Robot manipulators

Özet:
Endüstriyel alanda, robot kollarının giderek artan kullanım alanları ve insan-robot iş birliğinin yaygınlaşması, robot kollarının başarımını ve güvenilirliğini artırmaya yönelik araştırmaların önemini ortaya koymaktadır. Robot kollarının denetimine yönelik bilimsel yazında yapılan araştırmalar sıklıkla eklem pozisyonlarının kontrol edilmesine ve eyleyici dinamikleri göz ardı edilerek, robot kollarının eklemlerine uygulanan tork girişlerinin tasarlanmasına dayanmaktadır. Oysa, robot kollarının gerçekleştirmesi gereken görevler, görev uzayında tanımlanmakta ve eyleyici dinamikleri de robot dinamiğinin önemli bir parçasını oluşturmaktadır. Bu bağlamda, bu tez çalışmasında, fırçasız doğru akım motorlarıyla sürülen robot kolları için görev uzayında ve eyleyici dinamikleri dikkate alınarak yenilikçi denetleyici tasarımları gerçekleştirilmiştir.

Görev uzayında ve eyleyici dinamikleri dikkate alındığında robot kolunun elektromekanik modeli, kinematik, dinamik ve elektriksel alt sistemleri içermektedir. Elektromekanik model belirsizlikleri ve yüksek dereceden doğrusalsızlıklar ile ölçüm eksiklikleri ele alındığında ve fırçasız doğru akım motorlarının dinamikleri de göz önünde bulundurulduğunda ortaya oldukça zor kontrol problemleri çıkmaktadır.

Bu tez çalışması kapsamında sistematik bir yaklaşım ile model bilgisi ve ölçüm gereksinimleri her adımda azaltılarak ilerlenmiştir. Bu doğrultuda, Bölüm 3 kapsamında, robot kolunun dinamik modelindeki parametrik belirsizlikler ile mücadele eden ve ivme ölçülmesini gerektirmeyen uyarlamalı denetleyici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bölüm 4 kapsamında bu tasarım geliştirilerek kinematik model belirsizlikleri ele alınmıştır. Bölüm 5 kapsamında elektriksel model belirsizlikleri de göz önünde bulundurularak, tüm elektromekanik modeldeki parametrik belirsizlikler ile mücadele eden uyarlamalı denetleyici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bölüm 6 kapsamında ise tüm elektromekanik model belirsizlikleri ile mücadele ederken aynı zamanda eklem hızlarının ve uç işlemci hızlarının da ölçülmesine ihtiyaç duymayan gürbüz denetleyici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen tüm yenilikçi denetleyici yapıları için Lyapunov tabanlı olarak kararlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre, Bölüm 3 Bölüm 4 ve Bölüm 5 kapsamında tasarlanan uyarlamalı denetleyici yapıları için görev uzayı takip hatasının asimptotik kararlılığı ve tüm sistem işaretlerinin kapalı çevrim altında sınırlı kalacağı ispatlanmıştır. Bölüm 6 kapsamında geliştirilen gürbüz denetleyici yapısı için ise görev uzayı takip hatasının sınırları denetleyici kazançları ile ayarlanabilen küçük ve nihai sınırlı bir bandın içerisinde kalacağı ve tüm sistem işaretlerinin kapalı çevrim altında sınırlı kalacağı ispatlanmıştır. Ayrıca, her bölüm içerisinde tasarlanan denetleyici yapılarının başarımları benzetim çalışmalarıyla irdelenmiştir. Ek olarak, Bölüm 6 kapsamında tasarlanan gürbüz denetleyici yapısının başarımı deneysel olarak da incelenmiştir. Benzetim çalışmalarının ve deneysel çalışmanın sonuçları göz önünde bulundurulduğunda ele alınan tüm kontrol problemleri için görev uzayı takip hedefine ulaşıldığı ve fırçasız doğru akım motorlarına ait denetleyici girişleri olan faz gerilimlerinin de uygulanabilir sınırlar içerisinde kaldığı gözlemlenmiştir.

Bu tez çalışması, 121E383 proje numaralı TÜBİTAK-1001 projesi kapsamında desteklenmiştir. Doktora adayı, hem TÜBİTAK 2211-C Öncelikli Alanlara Yönelik Yurt İçi Doktora Burs Programı kapsamında hem de YÖK 100/2000 programı kapsamında desteklenmiştir.

Abstract:
In the industrial field, the increasing use of robot manipulators and the increasing prevalence of human-robot collaboration underscore the necessity for research aimed at enhancing the performance and reliability of these systems. While existing literature predominantly focuses on controlling the joint positions and designing torque inputs for robot manipulators, the neglect of actuator dynamics poses a significant limitation. The tasks that the robot manipulators need to perform are defined in the task space and the actuator dynamics are an important part of a complete robot dynamics. In this context, in this thesis, novel controller designs have been realized for robot manipulators whose joints are driven by brushless direct current motors by considering the task space and actuator dynamics.

Considering the task space and actuator dynamics, the electromechanical model of the robot manipulators includes kinematic, dynamic, and electrical subsystems. The intricate control problems arising from model uncertainties, nonlinearities, and lack of measurements, coupled with the dynamics of brushless DC motors, present significant challenges.

This thesis adopts a systematic approach to minimize model knowledge and measurement requirements at each stage. Accordingly, in Chapter 3, an adaptive controller design is realized that deals with parametric uncertainties in the dynamic model of the robot manipulators and does not require measurement information of joint accelerations. In Section 4, this design is enhanced and the kinematic model uncertainties are addressed. In Section 5, an adaptive controller design is realized that deals with the parametric uncertainties in the entire electromechanical model, taking into account the electrical model uncertainties. In Chapter 6, a robust controller design is realized that does not need to the measurement of joint and end-effector velocities while dealing with entire electromechanical model uncertainties. Lyapunov-based stability analyses are performed for all novel controller designs developed in this thesis. According to the results of the analysis, the asymptotic stability of the operational space tracking error for the adaptive controller structures designed in Chapter 3, Chapter 4, and Chapter 5, and the boundedness of all signals under closed loop operation are shown. For the robust controller structure developed in Section 6, it is proved that the uniform ultimate boundedness of task space tracking error and boundedness of all signals under closed-loop operation. Furthermore, the performance of the controller structures designed in each chapter is assessed through simulation studies. In addition, the performance of the robust controller structure developed in Section 6 is also assessed through experimental investigation. Considering the results of the simulation and experimental studies, it is observed that the task space tracking objective is achieved for all the control problems considered in this thesis and the phase voltages, which are the controller inputs of the brushless DC motors, remain feasible.

This study was supported by the Scientific and Technological Research Council of Türkiye (TÜBİTAK) with grant number 121E383. The doctoral candidate was supported by both the TÜBİTAK 2211-C National Ph.D. Scholarship Program in Priority Fields of Science and Technology and the 100/2000 Programme by CoHE.