Zıplayarak yürüyen çok bacaklı robotların dinamik modeli ve yapay zeka algoritmaları ile denetimi
Dynamic model and control with artificial intelligence algorithms of multi legged robots with pronking gait
Yazar: SERVET SOYGÜDER
Danışman: DOÇ. DR. HASAN ALLİ
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Bölümü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Mobil robotlar günümüz teknolojisinin bir gereği olarak laboratuar dışında da ihtiyaç duyulmaktadır ve geleneksel tekerlekli, paletli ve raylı sistemlere sahip araçların tasarım sınırlarının aşılması için yapılan çalışmalar gün geçtikçe artan bir eğilim göstermektedir. Bu sınırları aşmak için, mobil robotların bir dalı olan bacaklı robotlar, biyolojik esinlenmelerden yararlanarak yeni tasarımlar gerçekleşmesine neden olmaktadır. Bu yeni tasarımlar daha çok bacaklı sistemleri içerir. Bu bacaklı sistemler bilinen geleneksel tasarımlardan çok daha fazla hareket kapasitesine ve çok yönlülüğe sahiptirler.Bu amaçla bu çalışmada, bacaklı robotlardan dört bacaklı quadrupedal robot ve altı bacaklı hexapod robot modellerinin zıplayarak yürüme işlevini yapabilmeleri için dinamik model, sayısal benzetim ve denetimi gerçekleştirilmiştir. Zıplayarak yürüme işlemleri ardışık kapalı bir döngü içerisinde farklı dinamik yapıların sayısal benzetimleri kullanılarak sistemin hareketi incelenmeye çalışılmıştır. Bu sayısal çözümü mümkün olduğunca basitleştirmek ve anlaşılmasını kolaylaştırmak için Kütle-Yay Ters-Sarkaç (Spring Loaded Inverted Pendulum (SLIP)) modeli oluşturulmuştur. Bu çalışmada hem quadrupedal robotun hem de hexapod bir robotun zıplayarak yürüyebilmesi için dinamik modeli gerçekleştirilerek sırası ile PD denetim algoritması, Bulanık Mantık denetim algoritması ve Ağ Tabanlı Bulanık Mantık (ANFIS) denetim algoritması ile denetlenmiştir. Bu çalışmada, en önemli sonuçlardan birisi sistemin yapay zeka metotları olan Bulanık Mantık denetim algoritması ve Ağ Tabanlı Bulanık Mantık denetim algoritmaları ile dört bacaklı quadrupedal robotun ve altı-bacaklı hexapod robotun başarılı olarak denetlenmesidir. Bu çalışma yazarın bilgisi dahilinde quadrupedal robot ve hexapod robot modellerinin zıplayarak yürüme işlevinin gerçekleştirilmesinde, literatür çalışmalarında bir ilktir. Bulanık Mantık denetleyicisi ve Ağ Tabanlı Bulanık Mantık (ANFIS) denetleyicisi ile denetlenen quadrupedal robot ve hexapod robotun sayısal benzetim sonuçlarının, literatürde ki çalışmalara nazaran performansı bakımından çok daha başarılı sonuçlar elde edildiği görülmüştür.Ayrıca bu çalışmada zıplayarak yürümenin fazları esnasında yapılan kontrol eylem sayısı, yazarların literatür bilgisi dahilinde daha önceden yapılan çalışmalardaki kontrol eylem sayısından daha azdır. Bu çalışmada yapılan yenilik sistemin hem denetimini oldukça kolaylaştırmış olup hem de her bir döngüdeki çalışma süresini azaltarak sistemin performansını arttırmıştır.Tasarlanan denetim algoritmalarını zıplayarak yürüme işlevini yapan bacaklı robot modellerinde uygulayabilmek ve performanslarını analiz edebilmek için birbirinden farklı dört bacaklı quadrupedal robot ve altı bacaklı hexapod robot modelleri kullanılmıştır. Bu bacaklı robot modellerinin zıplayarak yürüme işlevlerini gerçekleştirebilmeleri için her bir robot modele üç farklı denetim algoritması uygulanmıştır. Bunlar en yaygın olarak kullanılan yapay zeka denetim metotlarıdır. Sisteme ait matematiksel model elde edilmiş ve çözüm kolaylığı için durum uzay formuna dönüştürülmüştür. Sayısal çözüm için MATLAB paket programında hazırlanmış yazılım ve Ağ Tabanlı Bulanık Mantık için MATLAB paket programına ait ANFIS araç kutusundan yararlanılmıştır. Sonuçlar grafiksel olarak elde edilmiş ve değerler tablo haline getirilerek irdelenmiştir. Sonuç olarak, denetim algoritmalarının performansları dikkate alındığında Bulanık Mantık denetim algoritması ve Ağ Tabanlı Bulanık Mantık (ANFIS) denetim algoritmasının hem dört bacaklı quadrupedal robot modelinde hem de altı bacaklı hexapod robot modelinde PD denetim algoritmasından daha iyi bir performans elde edildiği ve daha iyi uygulanabilir oldukları görülmüştür.Anahtar Kelimeler: Bacaklı Robot, Dinamik Model, Dört Bacaklı Robot, Quadrupedal Robot, Altı Bacaklı Robot, Hexapod Robot, Yapay Zeka, Bulanık Mantık Denetim, ANFIS.

Abstract:
The legged robots have received great attention in robotics literature because the most of the studies on mobil robots have been related to legged robots in the last years. Therefore, the tendency for studying in this area has gradually increased because the mobility of legged robots in the widest variety of terrain conditions is better than that of most existing mobile robots such as wheeled, tracked or railed robots. The most important desired features of mobil robots in today technology are the high capacity of mobility and multi-functionalities.Dynamic model, simulation and control of quadrupedal and hexapod robots have been realized for a pronking gait in this thesis. In order to obtain the numerical simulation of the equation of motion for pronking gait, the different dynamic structures have been solved in a sequential closed loop (stance, flight). Spring Loaded Inverted Pendulum (SLIP) has been used as a dynamic model to simplify the simulation of the system and ease to understand the pronking gait. Different from the studies in the literature, the quadrupedal robot and hexapod robot with pronking gait have been controlled by Fuzzy Logic and Artificial Neural Based Fuzzy Logic control algorithms. Although there have been a lot of control algorithms used to perform different gaits of legged-robots, the proposed fuzzy logic control (FLC) and Artificial Neural Based Fuzzy Logic(ANFIS) control algorithms for pronking gait have never been utilized to control gaits of legged-robots in the literature in the limit of authors knowledge. It has been seen that the simulation results of the quadrupedal and hexapod robots controlled by Fuzzy Logic and Artificial Neural Based Fuzzy Logic control algorithms are better than those of the existing studies in the literatures in terms of energy consumption and stability of motion.In addition, the number of the performed control actions during the phases of pronking gait in this thesis is smaller than those of the studies in the literature. As a result, the proposed control methods in this study makes both the system control easy and the system performance increase by decreasing the run time for each loop.In order to apply the designed control algorithms and analyze the performances of these controllers, four-legged quadrupedal robot and six-legged hexapod robot models have been considered. In addition to that, three different practical control algorithms have been applied for each robot model. These control algorithms called Fuzzy Logic and Artificial Neural Based Fuzzy Logic control algorithms have most commonly been used in robotics applications. The mathematical models of the considered systems were obtained then they were transformed in the state-space forms. For simulations, the MATLAB code was prepared and ANFIS Toolbox in MATLAB was used for the Artificial Neural Based Fuzzy Logic Controller. The obtained results were presented in graphical and table forms and examined. As a result, it has been seen that the performances and applicability of Fuzzy Logic and Neural Based Fuzzy Logic controller for pronking gait of guadrupedal robot and hexapod robot are much better than PD controller.Keywords: Legged Robots, Dynamic Model, Four-Legged Robot, Quadrupedal Robot, Six-Legged Robot, Hexapod Robot, Artificial Intelligence, Fuzzy Control, ANFIS Control.