Kendini dengeleyen robot tasarımı
Self-balancing robot design
Yazar: NAFİ GÖKTUĞ YALÇIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ENGİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu dokümanda, robot kollu kendi kendini dengeleyen iki tekerlekli robotun geliştirilmesi ve kontrol algoritmasından bahsedilmektedir. Üretilme aşamasında olan bu robotun sağlamlığını arttırmak için demir miller ve elektronik donanımların güvenliği açısından çoğunluk olarak yalıtkan yapı malzemeleri kullanılmaktadır. Mekanik tasarım modellenirken, projenin hiçbir dış yardım almadan kendi kendine yetebilmesi ve her durumda görevlerini başarıyla yerine getirebilmesi amaçlamaktadır. Donanım kısmında ise sistemin stabil kalabilmesini sağlayacak tekerleklerin enkoderli ve redüktörlü DC motorlar yardımıyla tahrik edilmektedir. Üzerinde bulunan ivme ölçer sensöründen alınıp işlenen veriler sayesinde robotun aktif denge sisteminin dünya yer çekimi ile bağlantısı kurulmaktadır. Sistemin aktif dengesini sağlayan verilerin alışverişinde istenmeyen parazitler ve çeşitli koşullardan dolayı oluşan hatalı veri değerleri ise redüktördü DC motorun üzerindeki dahili enkoder sayesinde minimuma indirgenmesi hedeflenmektedir. Robotun çevresindeki servo motorlar sayesinde sistemin dışarıya karşı bağımlılığı ortadan kaldırılmış olup robot kolunun hareket kabiliyeti için kullanılmaktadır. Sitem dinamik yapıya sahip olduğu için ve bu sistemin stabil bir şekilde dengesini sağlayabilmek için aktif bir kontrol algoritması olarak PID (oransal-integral-türevsel) kontrolü uygulanmaktadır. Bu çalışmayı diğerlerinden ayıran en önemli özellik ise robot kolu sayesinde görevi olan kutuyu bulunduğu konumdan alıp, robotun kendi ağırlığı ve taşınılan cisim ağırlığını dengesi bozulmayacak bir şekilde taşımasıdır. Bu sistemde iki farklı mikro denetleyici kartı birbirine bağlantılı bir şekilde kullanılmaktadır. Arduino Mega robotun temel kontrol sistemlerini denetleyen geliştirici kartı olurken asıl ana karar mekanizma yetkisine sahip Raspberry Pi ise üzerindeki kolay entegre edilebilen kamera sayesinde dış dünya ile robot arasındaki haberleşmeyi sağlamaktadır.

Abstract:
In this document, the development and control algorithm of a two-wheeled self-balancing robot with a robotic arm are discussed. To enhance its robustness during the manufacturing process, insulating structural materials are predominantly used for iron shafts and electronic components safety. The general outlines of this insulating material are created with the assistance of computer-aided design. During the mechanical design modeling, the aim is for the project to be self-sufficient without any external assistance, capable of successfully performing tasks in all situations. In the hardware section, the wheels that enable the system to remain stable are driven by encoder-equipped and geared DC motors. The active balance system of the robot establishes a connection with the Earth's gravity through the data obtained and processed from the accelerometer sensor. Unwanted parasitic effects and erroneous data values due to various conditions are minimized through the internal encoder on the geared DC motor. The dependence of the system on external factors is eliminated by the servo motors around the robot, which are used for the mobility of the robot arm. As the system has a dynamic structure and requires stable balance, a PID (Proportional-Integral-Derivative) control algorithm is applied as an active control mechanism. What sets this work apart is the ability of the robot arm to pick up a box from its location, maintaining balance with the weight of the robot and the carried object. Two different microcontroller boards are used in this system, with Arduino Mega serving as the primary control board overseeing the basic control systems of the robot, while Raspberry Pi, with its easily integrable camera, handles communication between the robot and the external world.