Çevre ile temas içeren görevlerin insansı robot koluna kinestetik yöntem ile öğretilmesi ve hibrit hareket/kuvvet kontrolü
Teaching a robot contact tasks by utilizing 
kinesthetic method and hybrid motion/force control
Yazar: DİLA TÜRKMEN
Danışman: PROF. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli benzetim = Computer aided simulation ; Geri beslemeli kontrol = Feedback control ; Gerçek zamanlı benzetim = Real time simulation

Özet:
Bu tez çalışmasında ele alınan konu temel olarak bir robota temas görevlerinin yaptırılmasıdır. Bu amaçla robotun yapacağı görevin tanımlanması, robota öğretilmesi ve işin kontrolü aşamalarında çalışılmıştır. Bu adımların her birinin önce benzetim modeli daha sonra da gerçek sistem üzerinde uygulanması uygun görülmüştür.
Tez çalışması konusunun uygulandığı sistem, İTÜ Makina Fakültesi, Otomatik Kontrol Laboratuvarı'nda yürütülmekte olan I-TECH projesi kapsamında üretilen insansı robota ait altı serbestlik dereceli robot koludur. Robot kolu hakkındaki teknik bilgiler tez içerisinde belirtilmiştir.
Robotun temas görevlerini yapması için bu görevde izleyeceği yolu yalnızca yörünge bilgisi olarak vermek mümkün olabileceği gibi doğruluğu daha yüksek sonuçlar için referans bilgisi olarak bir temas kuvveti profilinin de ek olarak verilmesi mümkündür. Bu çalışma kapsamında hareketin hem pozisyon hem de kuvvet kontrollerinin eş zamanlı olarak yapılması planlanmıştır.
Robotun temas görevinde izleyeceği profilin bilgisinin robota tanımlanması aşaması da çeşitli yöntemler ile sağlanabilecek olup bu çalışmada kinestetik (bedensel) öğretme yönteminin uygulanması tasarlanmıştır.
Yapılan çalışmadaki kısıtlar kullanılan mevcut robot kolu tarafından belirlenmiştir. Kullanılan yöntemler ve izlenen yol bu kısıtlar doğrultusunda seçilmiş olup detaylar tez içerisinde irdelenecek olmakla beraber motor ve aktarım organlarının yapısal özellikleri (çevrim oranları ve geri sürülebilirlik limitleri) ve bir adet kuvvet/moment sensörü kullanılacak olması doğrultusunda bir çözüm yolu belirlenmiştir
Çalışma sonucunda literatürdeki benzer amaçlı çalışmalara ek olarak, tek bir kuvvet/moment sensörünün bulunması ve yüksek aktarım oranlı, geri sürme momentleri yüksek motorların kullanıldığı tasarımlarda kullanılabilecek iki aşamalı bir hareket öğretme ve kontrol yöntemi geliştirilip tanıtılmıştır.
Tez çalışması özetle altı serbestlik dereceli bir robot kolunun öncelikle benzetim modeline temel kuvvet kontrolü algoritmasından yararlanılarak bir temas işi için yörünge öğretilmesini (birinci aşama), daha sonra pozisyon kontrolü ile öğretilen bu işin robot tarafından tekrarı sağlanırken oluşan temas kuvveti profilinin eldesi (ikinci aşama) ve son adım olarak yörünge ve kuvvet profili referanslarının birleştirilerek robot hareketinin bu iki referans uyarınca kontrolünün yapılmasını içermektedir. İkincil olarak ise aynı işlemlerin bu kez gerçek robot koluna uyarlanarak gerçekleştirilmesi (temel kuvvet kontrolü algoritması ile kinestetik öğretme ve yörünge bilgisi toplama(birinci aşama), pozisyon kontrolü ve kuvvet/moment sensörü ile temas kuvveti profilinin eldesi (ikinci aşama) ve bu referansların birleştirilmesi ile pozisyon ve hız kontrolünün yapılması) tez çalışmasının temel basamaklarını oluşturmaktadır.

Abstract:
The issue of this thesis is mainly making a robot to excecute some in-contact tasks. With this purpose the processes of idetification of the task that the robot will perform and the control of this task are studied. Each of this steps are projected to be implemented first in a simulation model and then to the real robot system.

The system that the thesis study matter is implemented is the six-DOF humanoid robot arm of the humanoid robot manufactured in the Istanbul Technical University, Automatic Control Labratory in the within the project named I-TECH. Detailed technical information about this robot arm is supplied inside of the thesis.

While it is possible to give the robot the trajectory information to excecute the in-contact task in terms of only position, it is also possible to give an additional force prifile refrence for more accurate results. Within this study both the position and force controls are planned to be performed simultaneously. 

Also the stage of identifiying the profile information that the robot will follow whilst the in-contact task, is able to be performed by various methods with the application of the kinestethic teaching method is designed for this specific study.

The constarints in the study are defined due to the used existing robot arm. The used methods and followed path are sellected in accordance to these constraints and will be detailed within the thesis. A solution is proposed due to the structural properties of the motors and the transmission tools (gear ratios and backdrivablitiy limits) and the fact of one force/torque sensor will be used. 

As a result of the study, adding to the simular aimed studies in the litreture, a two staged motion teaching and control method is developed and introduced for the designs which contains one force/torque sensor and high gear ratio, lowly backdrivable  motors. 

In sum, the thesis study contains for a six-DOF robot arm; firstly on the simulaiton model, the trajectory teaching for a in-contact task utilizing a primitive base force control algorithm (first stage), then obtaining the contact force profile whilst the reenactment of the learned task in the first stage with the position control (second stage) and lastly combining the trajectory and force profile refrences and control due to these referances. Secondly, on the real robot, adaptation and application of the same steps (kinesthetic teaching and collecting trajectory data with basic force control algorithm (first stage), obtaining the refrence contact force profile with position control and the force/torque sensor (second stage) and position and force control by combining these two refrences) are constituting the main steps of the thesis study.