Yüksek taşıma kapasitesine sahip bir paralel robotun tasarımı ve kontrolü
Design and control of a parallel robot with high payload capability
Yazar: MUHAMMET ALİ ÇINAR
Danışman: PROF. DR. METE KALYONCU
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, döküm-dövme fabrikaları gibi tozlu ve sıcak ortamlarda çalışmak üzere tasarlanmış, yüksek taşıma kapasitesine sahip bir paralel robotun mekanik, kinematik ve hidrolik tasarımı incelenmiştir. Bu tür ortamlarda çalışanların sağlığını korumak amacıyla, robotun tasarımında paralel kol mekanizması kullanılmıştır. Robot, kızak üzerinde kayarak hareket kabiliyeti artırılmış ve 6 serbestlik derecesine sahip olacak şekilde geliştirilmiştir. Robotun kinematik analizi için Denavit-Hartenberg (D-H) parametre tablosu hazırlanmış ve paralel kol mekanizmasının avantajlarından yararlanılarak sistemin ileri ve ters kinematik modelleri oluşturulmuştur. Ayrıca, belirlenen uç işlevci konumuna ulaşmak için gerekli yörünge ve hareket planlama yöntemleri sisteme entegre edilmiştir. Sistemin matematiksel modeli oluşturulmuş ve MATLAB/Simulink ortamında fiziksel model kullanılarak simülasyon gerçekleştirilmiştir. Robotun hassas ve hızlı konum kontrolü sağlamak amacıyla eklem hareketlerini kontrol eden PID kontrolcü tasarlanmıştır. Bu kontrolcünün parametreleri, Arı Algoritması (AA) kullanılarak optimize edilmiştir. Simülasyon sonuçları, sistemin performansını değerlendirmek için maksimum aşma (Mp), kalıcı hata (ess), toplam yer değiştirme ve toplam hız değişimi kriterlerine göre analiz edilmiştir. Mp kriteri açısından en iyi performans artışı %57.84 ile dirsek ekleminde, ess açısından ise %4.93 ile taşıyıcı kızak ekleminde elde edilmiştir. Yer değiştirme açısından en iyi performans artışı %64.64 ile dirsek ekleminde görülürken, hız değişimi bakımından en iyi performans artışı %72.76 ile kule dönüş ekleminde elde edilmiştir. Ön tasarım ve optimal parametreler kullanılarak yapılan yörünge takibi simülasyonlarında, konum hatası %77.62 oranında azaltılmış ve en büyük hata 213.8 mm'den 47.83 mm'ye düşürülmüştür. Ortalama konum hatası ise %37.40 oranında iyileştirilerek 19.89 mm'den 12.45 mm'ye indirilmiştir. Optimize edilmiş kontrolcüler vasıtasıyla yapılan simülasyonlar sonucunda, sistemin gerekli tork-açısal hız ve kuvvet-doğrusal hız grafikleri elde edilmiş ve bu verilere dayanarak uygun hidromotor seçimleri ile silindir boyutlandırılması yapılmıştır. Ayrıca, sistemde kullanılacak hidrolik pompa, oransal yön kontrol valfi, hidrolik filtreleme bileşenleri ve hidrolik yağ tankı boyutlandırılması gerçekleştirilmiştir. Sistem tasarımında kullanılan hidrolik bileşenlerin seçimleri ve tasarımı detaylandırılmıştır. Sistemin çalışma uzayı görselleştirilmiş ve tezde yer verilmiştir. Sonuç olarak, optimize edilmiş kontrolcü kullanılarak yüksek taşıma kapasitesine sahip paralel robotun yörüngeyi hassas bir şekilde izleyebildiği gösterilmiştir. Çalışmada elde edilen sayısal değerler grafik ve tablolar halinde sunulmuştur.

Abstract:
In this study examines the mechanical, kinematic, and hydraulic design of a parallel robot with high payload capacity, intended for operation in dusty and hot environments, such as foundries and forging factories. To protect the health of workers in such environments, a parallel arm mechanism was employed in the robot's design. The robot was developed with six degrees of freedom and enhanced mobility by sliding on a rail. A Denavit-Hartenberg (D-H) parameter table was prepared for the kinematic analysis of the robot, and both forward and inverse kinematic models of the system were developed, leveraging the advantages of the parallel arm mechanism. Additionally, the necessary trajectory and motion planning methods were integrated into the system to reach the designated end-effector positions. The mathematical model of the system was constructed, and simulations were conducted using the physical model in the MATLAB/Simulink environment. A PID controller was designed to ensure precise and rapid position control of the robot's joints. The parameters of this controller were optimized using the The Bee Algorithm (BA). Simulation results were analyzed to evaluate the system's performance based on criteria such as maximum overshoot (Mp), steady-state error (ess), total displacement, and total velocity change. The best performance improvement in terms of Mp was 57.84% in the elbow joint, while for ess, it was 4.93% in the carrier rail joint. In terms of displacement, the best performance improvement was 64.64% in the elbow joint, and for velocity change, it was 72.76% in the turret rotation joint. Trajectory tracking simulations conducted using the preliminary design and optimal parameters showed a 77.62% reduction in position error, decreasing the maximum error from 213.8 mm to 47.83 mm. The average position error was reduced by 37.40%, from 19.89 mm to 12.45 mm. Simulations using the optimized controllers provided torque-angular velocity and force-linear velocity graphs, which were used to select appropriate hydromotors and size the cylinders. Furthermore, hydraulic components such as the hydraulic pump, proportional directional control valve, hydraulic filtration components, and hydraulic oil tank were selected and sized. The selection and design of these hydraulic components were detailed. The workspace of the system was visualized and included in the thesis. In conclusion, the study demonstrated that the parallel robot with high payload capacity, using optimized controllers, could accurately follow the designated trajectory. The numerical values obtained from the study were presented in the form of graphs and tables.