Sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği dış iskelet robotun konum kontrolü
Position control of a variable stiffness ankle exoskeleton robot
Yazar: BAHRİ ŞEKERCİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ERGİN KILIÇ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, bir alt uzuv dış iskeleti robotu için geliştirilen sertliği değiştirilebilir bir ayak bileği ekleminin konum kontrolü amaçlanmaktadır. Gelecekte iki ayaklı insansı robotlarda biyomimetik davranışların sağlanabilmesi için sertliği değiştirilebilir eyleyicilerin kullanılmaya başlanması kaçınılmazdır. Dolayısı ile karmaşık bir yapıya sahip olan bu sertliği değiştirilebilir eyleyicilerin etkili konum kontrolü de bir araştırma konusudur. Bu sistemlerin konum kontrolünde kullanılabilecek kontrol algoritmaları arasında geleneksel kontrol yöntemi olarak bilinen Proportional-Integral–Derivative (PID) kontrolcünün dışında; Linear Quadratic Regulator (LQR), Kayan Kipli Kontrol (SMC-Sliding Mode Control), Bulanık Mantık Kontrol (FLC- Fuzzy Logic Control) gibi değişik kontrol teknikleri bulunmaktadır. Bunlardan LQR ve SMC model tabanlı kontrol tekniği olup FLC ise mantıksal kurallara göre çalışmaktadır ve sistem modeline ihtiyaç duymamaktadır. Bu tez kapsamında, ele alınan sertliği değiştirilebilir ayak bileği robotunun doğrusal olmayan karmaşık bir yapıya sahip olması nedeni ile konum kontrolü için SMC ve LQR gibi sistem modeline ihtiyaç duymayan FLC tekniği tercih edilmiştir. Uygulanan kontrol tekniğinin temelinde karma bir algoritma olan Bulanık PD+PID kontrol tekniği ele alınmaktadır. Sonrasında farklı alternatif karma FLC teknikleri (Bulanık PD+I, Bulanık PD, Z-T-S şekilli üyelik fonksiyonları içeren bir Bulanık PD) ve PID arasında da performans karşılaştırması yapılmaktadır. Böylece FLC tekniği ile ayak bileğinin her açısında farklı P ve D değeri oluşturarak eyleyicinin her sertlik değeri (sert, orta, yumuşak) için anlık en iyi kontrol parametreleri üretilebilmektedir. Bu çalışmada, ilk olarak sertliği değiştirilebilir ayak bileği dış iskelet robotunun fiziksel modeli MATLAB® SimMechanics benzetim programında oluşturularak gerçeğe en yakın benzetimler ile kontrol çalışmaları yapılmıştır. Daha sonra, sanal ortamda denenen bu kontrol algoritmaları gerçek cihaz üzerinde deneysel olarak uygulanarak en iyi kontrol algoritmasına karar verilmiştir.

Abstract:
This study aims the position control of a variable stiffness ankle joint developed for a lower limb exoskeleton robot. In the future, it is inevitable to use variable stiffness actuators on the biped humanoid robots for biomimetic behaviors. Therefore, the position control of these complex variable stiffness actuators is a research field. The possible control algorithms, which can be implemented on these systems, are classical Proportional–Integral–Derivative (PID) control, Linear Quadratic Regulator (LQR) control, Sliding Mode Control (SMC) and Fuzzy Logic Control (FLC) techniques. Among them,  LQR ve SMC are model based control techniques; but FLC operates by logic rules and does not need system model. In this thesis, since the variable stiffness ankle robot has nonlinear complex structure, FLC , which does not need system model like SMC and LQR, was preferred and a hybrid Fuzzy PD+PID control technique was implemented for position control. Then, a performance comparison was made around various hybrid FLC techniques (Fuzzy PD+PID Fuzzy PD+I, Fuzzy PD, ZTS Fuzzy PD) and PID. By this FLC technique, optimal P and D control parameters can be generated for different stiffness values (low, middle and high) of variable stiffness actuator.  In this study; firstly, a physical simulation model of the variable stiffness ankle exoskeleton robot was constructed on MATLAB® SimMechanics and primary control tests were implemented by this simulation model. Then, the superior control algorithm was decided by implementing these control algorithms experimentally on the real robot.