Otonom mobil depo robotunun mekatronik sistem tasarımı
Mechatronic system design of the autonomous warehouse mobile robot
Yazar: CAN ÖZBARAN
Danışman: DOÇ. DR. SAVAŞ DİLİBAL
İstanbul Gedik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Endüstri 4.0 ile birlikte dijitalleşme alanında gerçekleşen yenilikler tüketim alışkanlıklarının değişmesine sebebiyet vermiştir. Değişen tüketim ve yaşam alışkanlıklarımızın bir sonucu olarak e-ticaret ve bu ticaret yöntemine uygun endüstriyel depo yönetim sistemlerine olan önem artmıştır. Bununla birlikte e-ticaret sitelerine artan talebin sonucu olarak ortaya çıkan rekabet ortamı tedarik süresini de en az tedarik edilen ürünün kalitesi kadar önemli hale getirmiştir. Bu durumun bir sonucu olarak geleneksel depo yönetim sistemleri de hızla değişen tüketim alışkanlıklarını karşılayabilmek için sabit ve büyük bütçeli makine otomasyonları yerine mobilize olabilen yapılar üzerinden karşılanmaya başlanmıştır. Endüstri 4.0'ın makine otomasyonu alanında getirdiği yenilikçi yaklaşımların sonucu olarak yapay zeka algoritmaları ile donatılmış makinalar geliştirilmeye başlanmıştır, bu durum da otonom mobil robotların dijitalleşen depo yönetim sistemlerinde önemini arttırmaya başlamıştır. Otonom mobil robotlar (OMR), endüstriyel sektör için en yenilikçi otomasyon çözümleri sunan yapılardır. Depo yönetim sistemlerinde yaygın olarak kullanılan robot sınıfları, otonom yönlendirmeli araçlar (OYA) ve otomatik depolama ve erişim sistemleri (ODES) olarak gösterilebilir. Otonom yönlendirmeli araçlar (OYA) daha çok depo otomasyon senaryosu belirlenmiş statik durumlar için kullanılan depo robotlarıdır, depo otomasyon senaryolarında oluşabilecek değişiklikler robot konumları ve robot seyahat hatlarının yeniden yapılandırılması ile karşılanmaktadır. Bu durum dinamik olarak değişebilen ve zaman yönetiminin kritik öneme sahip olduğu depo yönetimlerinde ek zaman ihtiyacına sebebiyet vererek depo yönetiminin daha yavaş ilerlemesine sebebiyet vermektedir. Otonom mobil robotlar (OMR) otonom yönlendirmeli araçlardan (OYA) farklı olarak dinamik olarak değişebilen depo ortamlarına hızlı bir şekilde adapte olabilen yapıları ile ayrılarak, depo yönetim sistemlerine büyük bir yenilik ve rekabet seçeneği sunmaktadır. Bunun yanında depo yönetimi için gerekli olabilen özel görevleri dinamik olarak adapte olabilen yapıları sayesinde yerine getirebilmektedirler. Depo yönetim sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir diğer depo robotu olan otomatik depolama ve erişim sistemleri (ODES), otonom yönlendirmeli araçlar (OYA) ve otonom mobil robotlara (OMR) göre daha statik depo koşulları için tasarlanıp depo entegrasyon işlemleri yapılmaktadır. Otomatik depolama ve erişim sistemlerinin depo çalışma ortamına entegrasyon işlemi için gerekli olan ilk yatırım maliyeti en yüksek depo robotu sınıfıdır. Depo yönetim senaryosu içerisinde gerçekleşebilecek değişiklikler, yüksek bütçeli tasarım entegrasyonları ve çoğu zaman depoların belli süreler içerisinde operasyon durdurmalarına sebebiyet verebilecek zaman ihtiyaçları ile karşılanmaktadır. İlk yatırım maliyeti yüksek ve değişebilen depo ortamlarına karşı düşük esneklik gösteren otomatik depolama ve erişim sistemlerine (ODES) göre, çalışma ortam koşulları değişikliklerine kolay adapte olabilen ve görece daha düşük maliyet gerektiren yapıları ile otonom mobil robotlar (OMR) endüstride rekabet seçeneği sunmaktadır.
Yapılan bu çalışmada, endüstriyel depolarda istifleme işlemlerini gerçekleştirebilecek otonom mobil depo robotunun mekatronik sistem tasarım süreçlerinin geliştirilmesi ve bu süreçlerle ilgili yenilikçi çözümlerin getirilmesi amaçlanmıştır. Depo çalışma ortamı içerisinde mobil robottan istenebilecek görevler hareket fonksiyonları üzerinden tanımlanıp bu gereksinimleri karşılayabilecek mekanik sistemler gerçekleştirilmiştir. Depo içerisinde mobil robottan istenen sistem gereksinimleri, belirli koordinatlar arasında insan kontrollü olmadan seyahat edebilmek, farklı yükseklikte bulunabilen hedef nesnelere erişim sağlayabilmek, hedef nesneleri belirli koordinatlar arasında taşıyabilmek şeklinde belirlenmiştir. Mobil depo robotu için belirlenen sistem ihtiyaçları doğrultusunda mekanik tasarımlar gerçekleştirilirken tasarlanan mekanik yapının, en az yer kaplayacak şekilde,  dayanaklı ve optimum ağırlık mertebesinde olmasına özen gösterilmiştir. Mekanik sistemlerin kontrolü geliştirilen elektrik-elektronik sisteme entegre edilmiş kontrol sistemi ile sağlanmıştır. Elektrik-elektronik komponentler geliştirilen mekanik sistem ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde seçilmiştir. Mobil robot hareket denklemlerine göre geliştirilen kontrol yazılımı ile mobil depo robotunun tüm mekanik sistemlerinin kontrol edilebildiği görülmüştür. Mobil robotun fiziksel sistem entegrasyonu sağlanmadan önce robot hareketleri kontrol yazılımda gerçekleştirilen simülasyon ile öngörülebilmektedir. Otonom mobil depo robotunun sahip olduğu hareket mekanizmaları ve elektrik-elektronik kontrol sistemi sayesinde depo içerisinde istenilen farklı görevler için farklı kontrol senaryoları ile birlikte farklı hareket fonksiyonlarını gerçekleştirilebilir.
Otonom mobil depo robotu mekanik, elektrik-elektronik ve kontrol olmak üzere üç adet alt sistemden oluşmaktadır. Mekanik alt sistem teleskobik mekanizma, makaslı kaldırma sistemi, mekanik şasi ve robotik tutucu sistem olmak üzere kendi içerisinde dört adet alt sisteme ayrılmaktadır. Mekanik şasi alt sistemi üzerinde bulunan ağırlığı taşıyabilmek ve üzerinde taşıdığı sistemler ile birlikte istenilen koordinatlar arasında seyahat edebilmek için tasarlanmıştır. Mekanik şasi hareketi diferansiyel tip tahrik mekanizması ile sağlanmıştır. Diferansiyel tahrik mekanizması, mobil depo robotunun depo içerisindeki kısıtlı alanlarda manevra kabiliyetine sahip olması için geliştirilmiştir. Diferansiyel tahrik mekanizması iki adet bağımsız motor ile sürülebilen tekerlek ve iki adet tahrik edilmeyen tekerlekten oluşmaktadır. Motorlarda oluşturulan dönme momenti düz konik dişliler kullanılarak 90° iletilerek rulmanlar ile yataklaması yapılmış mil üzerine montaj edilmiş tekerleklere iletilir. Mekanik şasi ST-37 standardına uygun sac levha malzemenin sac levha büküm işlemi gerçekleştirilerek imalatı gerçekleştirilmiştir. Mekanik şasi 630×700×220 mm3 hacim ölçülerine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Mekanik şasinin üzerinde makaslı kaldırma sistemi, teleskobik mekanizma ve paralel çeneli robotik tutucu sistemi bulunmaktadır. Mekanik şasi üzerinde bulunan makaslı kaldırma sistemi farklı yüksekliklerde bulunabilen hedef nesnelere ulaşabilmek için geliştirilmiştir. Makaslı kaldırma sistemi çapraz olarak birbiri üzerine montaj edilmiş makas parçalarından oluşur. Bir adet tahrik motoru kullanılarak elde edilen dönme momenti vidalı mil ve somunu kullanılarak doğrusal harekete çevrilir. Elde edilen doğrusal hareket makas yapılarına iletilerek kaldırma kuvveti elde edilmiş olur. Kaldırma mekanizmasının tahrik sistemi parametreleri analitik metot kullanılarak hesaplanmıştır. Analitik metot kullanılarak elde edilen kuvvetler kullanılarak kaldırma sisteminin statik yapısal analiz modeli gerçekleştirilmiştir. İki farklı makas yapısının statik yapısal analizleri gerçekleştirilerek sistem için en uygun makas yapısı araştırılmıştır. Makaslı kaldırma sisteminin üst platformunda yer alan teleskobik mekanizma,  depo raflarında farklı konumlarda bulunabilen hedef nesnelere erişimi sağlamak için geliştirilmiştir. Teleskobik mekanizma birbiri üzerinde hareket edebilen üç adet bom yapısından oluşur. Birinci bom yapısı sistem üzerinde sabit olarak bulunurken, diğer iki bom yapısı birbiri üzerinde hareket ederek uzama ve kısalma hareketini yapmaktadır. Bir adet motor ile tahrik edilen pinyon dişli üzerinde oluşturulan dönme momenti triger kayışına iletilerek triger kayışı üzerinde doğrusal hareket elde edilmiştir. Triger kayışı üzerinde elde edilen doğrusal hareket bağlantı braketi parçaları ile diğer yapılara iletilerek hareket mekanizması oluşturulmuştur. Teleskobik mekanizmanın tahrik sistemi parametreleri analitik metot kullanılarak hesaplanmıştır. Teleskobik mekanizma üzerinde bulunan taşıyıcı parçaların moment kuvvet diyagramı çıkartılarak, mesnet bölgelerine etkiyen kuvvet değerleri hesaplanmıştır. Analitik metot ile hesaplanan mesnet kuvvet değerleri kullanılarak mesnet bölgelerinde oluşan gerilme miktarları hesaplanmıştır. Kuvvet moment diyagramından elde edilen kuvvet değerleri kullanılarak teleskobik mekanizmanın statik yapısal analiz modeli oluşturulmuştur. Analiz sonucu elde edilen gerilme değerleri ile analitik metot ile hesaplanan gerilme değerleri karşılaştırılmıştır. Teleskobik mekanizmanın ucunda yer alan robotik tutucu sistem, hedef nesneyi kavrayarak ürün tepsisi üzerine alma ve hedef koordinata bırakma hareketlerini sağlayabilmek için geliştirilmiştir. Hedef kutu ölçülerini kavrayacak şekilde iki farklı robotik tutucu sistem tasarımı gerçekleştirilmiştir. İki farklı robotik tutucu sistem tasarımının tahrik sistemi parametreleri analitik metot ile hesaplanmıştır. Analitik metot ile hesaplanan maksimum kuvvet değerleri uygulanarak robotik tutucu sistem için statik yapısal analiz modeli geliştirilmiştir. Analiz sonucu robotik tutucu sistem tasarımını kritik bölgelerinde görülen gerilme değerleri karşılaştırılarak mobil robot için en uygun robotik tutucu sistem tasarımı belirlenmiştir. Mekanik şasi üzerinde konumlanan mekanizmalar mobil robot kapalı konumda iken minimum ölçülere sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Geliştirilen mekanik alt sistemlerin hareket kontrolleri, elektrik-elektronik alt sistem ve kontrol alt sistem tasarımları gerçekleştirilerek sağlanmıştır. Mobil robotun hareket denklemleri analitik olarak belirlenip kontrol yazılımına entegrasyonu gerçekleştirilmiştir. Mobil robot hareket simülasyonları gerçekleştirilerek robotun çalışacağı çevre koşullarındaki hareket manevra kabiliyeti incelenmiştir. Mekanik alt sistemlerin analitik ve sayısal analizleri gerçekleştirilerek, mekanik sistemlerin çalışırken sahip olacağı güvenlik limitleri belirlenmiştir. Maksimum 684 mm uzaklığa erişim sağlayabilen, 819 mm yükseklik değerlerine ulaşabilen, maksimum 194×414×188 mm3 hacim ve 1 kg ağırlık değerlerine sahip nesneleri taşıyabilen mobil depo robotunun prototip üretimi gerçekleştirilip, hareket fonksiyonu testleri yapılmıştır.

Abstract:
Innovations in the field of digitalization with Industry 4.0 led to changes in consumption habits. As a result of changing habits in consumption and lifestyle, the importance of e-commerce and industrial warehouse management systems suitable for this trading method has increased. However, the competitive environment that emerged as a result of the increasing demand for e-commerce sites made the procurement time as important as the quality of the product supplied. As a result of this situation, traditional warehouse management systems have been started to be met through mobilized structures instead of fixed and large-budget machine automatons in order to meet rapidly changing consumption habits. As a result of the innovative approaches brought by Industry 4.0 in the field of machine automation, machines equipped with artificial intelligence algorithms have begun to be developed, which has increase the importance of autonomous robots in digitalized warehouse management systems. Autonomous Mobile Robots (AMR) provide the most innovative automation solutions for warehouse management. Robot classes commonly used in warehouse management systems can be represented as Autonomous Guided Vehicles (AGV) and Automated Storage and Retrieval Systems (AS/RS). Autonomous Guided Vehicles (AGV) are warehouse robots that used mostly for static situations with warehouse automation scenarios, changes that may occur in warehouse automation scenarios are met by the reconstruction of robot positions and robot travel lines. This situation causes additional time requirement in warehouse managements, which can change dynamically and where time management is critical, causing the warehouse management to progress more slowly. What differentiates Autonomous Mobile Robots (AMR) from the widely used Autonomous Guided Vehicles (AGV) is their ability to adapt to special/varied tasks in a fast and efficient manner within diverse warehouse environments. In addition, they can perform special tasks that may be required for warehouse management with their dynamically adaptable structures. Automated Storage and Retrieval Systems (AS/RS), another warehouse robot commonly used in warehouse management systems, are designed for more static warehouse conditions compared to Autonomous Guided Vehicles (AGV) and Autonomous Mobile Robots (AMR). The first investment cost required for the integration of Automated Storage and Retrieval Systems (AS/RS) into the warehouse working environment is the highest warehouse robot class. Changes that may take place within the warehouse management scenario are met with high-budget design integrations and time needs that can often cause warehouse to stop operating within a certain period of time. The AMR offers a better alternative for innovation and competition. Compared to the Automated Storage and Retrieval Systems (AS/RS) which have a high initial investment cost and show low flexibility in changing warehouse environments, Autonomous Mobile Robots (AMR) offers a more competitive option in the industry with its ability to easily adapt to changes in diverse warehouse environments requiring comparably lower costs. 
It is aimed to develop the mechatronic system design processes and to bring innovative solutions related to these processes. The tasks that can be requested from the mobile robot within the warehouse working environment have been defined through the motion functions and mechanical system have been designed to meet these requirement. The system requirements requested from the mobile robot within the warehouse were determined to be able to travel between certain coordinates without human control, to access target objects that can be located at different heights, and to move target objects between certain coordinates. While making mechanical design in line with the system requirements determined for the mobile warehouse robot, it has been paid attention that the designed mechanical structure is durable and at the optimum weight level in a minimum space. The control of the mechanical system was provided by the control system integrated into the developed electrical-electronic system. Electrical-electronic components are selected to meet the needs of the developed mechanical system. It has been seen that all the mechanical systems of the mobile warehouse robot can be controlled with the control software developed according to the mobile robot motion equations. Before the physical system integration of the mobile robot is ensured, robot movements can be predicted with the simulation performed in the control software. Mechanical chassis ST-37 standard sheet metal material was manufactured by performing the sheet metal forming method. The Mechanical chassis is designed to have 630×700×220 mm3 volume dimensions. With the movement mechanisms capabilities of the autonomous mobile robot, different motion functions can be realized with different control scenarios for different tasks desired within the warehouse. 
The autonomous mobile warehouse robot consists of three subsystems: mechanical, electrical-electronic and control. The mechanical system is divided into four subsystems within itself: the telescopic mechanism, scissor lift system, mechanical chassis and the robotic gripper system. It is designed to carry the weight on the mechanical chassis sub-system and to travel between the desired coordinates with the systems it carries. Mechanical chassis movement is provided by differential type drive mechanism. The differential drive mechanism has been developed so that the mobile warehouse robot has maneuverability in restricted areas within the warehouse. The differential drive mechanism consists of two independent motors, wheels and two non-driven wheels. The torque generated in the motors is transmitted 90° using straight bevel gears and transmitted to the wheels mounted on the shaft mounted with bearings. There is a scissor lift system, telescopic mechanism and a parallel jaw robotic gripper system on the mechanical chassis. The scissor lift system on the mechanical chassis has been developed to reach target objects that can be found at different heights. The scissor lift system consists of scissor pieces that are mounted on each other diagonally. The torque obtained by using a drive motor is converted into linear motion using the ball screw and nut. Lifting force is obtained by transmitting the obtained linear motion to the scissor structures. The drive system parameters of the lifting mechanism are calculated using the analytical method. The static structural analysis model of the lifting system was carried out using the forces obtained by using the analytical method. Static structural analysis of two different scissor structures were carried out and the most suitable scissor structure was investigated for the system. The telescopic mechanism consists of three boom structures that can move on the top of each other. While the first boom structure is fixed on the system, the other two boom structures move on each other and make the elongation and shortening motion. The torque generated on a pinion gear driven by a motor is transmitted to the timing belt and linear motion is obtained on the timing belt. The movement mechanism is created by transmitting the linear motion obtained on the timing belt to other structures with the connection bracket parts. The drive system parameters of the telescopic mechanism are calculated using the analytical method. By drawing the moment force diagram of the carrier parts on the telescopic mechanism, the force values affecting the bearing areas are calculated. Stress amounts occurring in the bearing regions were calculated by using the bearing force values calculated with the analytical method. The static structural analysis model of the telescopic mechanism was created by using the force values obtained from the force moment diagram. The stress values obtained as a result of the analysis and the stress values calculated with the analytical method were compared. The telescopic mechanism on the upper platform of the scissor lift system has been developed to provide access to target objects that can be located in different positions on the warehouse racks. The robotic holding system at the end of the telescopic mechanism has been developed in order to grasp the target object and provide picking and releasing movements on the product tray. Two different robotic gripper systems have been designed to grasp the target box dimensions. The drive system parameters of two different robotic gripper system designs were calculated by analytical method. A static structural analysis model has been developed for the robotic gripper system by applying the maximum force values calculated with the analytical method. As a result of the analysis, the most appropriate robotic gripper system design for the mobile robot was determined by comparing the stress values observed in the critical regions of the robotic holder system design. Mechanisms located on the mechanical chassis are designed to have minimum dimensions when the mobile robot is in the closed position. Movement controls of the developed mechanical subsystems are provided by designing electrical-electronic subsystem and control subsystem. The motion equations of the mobile robot were determined analytically and integrated into the control software. Movement controls of the developed mechanical subsystem are provided by designing the electrical-electronic subsystem and control subsystem. The analytical and numerical analyzes of the mechanical subsystem were carried out and the safety limits that the mechanical system would have while working were determined. Movement experiments were carried out by making prototype production of the mobile warehouse robot, where the mechatronic system was designed. The prototype production of the mobile warehouse robot which can reach a maximum distance of 684 mm, can reach 819 mm height values and carry objects with a maximum volume of 194×414×188 mm3 and weight of 1kg, has been carried out and motion function tests have been conducted.