Seri ve paralel robotlarda parçacık sürü optimizasyonu ile yörünge kontrolörü tasarımı
Trajectory based controller design using particle swarm optimisation for serial and parallel robots
Yazar: OĞUZHAN KARAHAN
Danışman: PROF. ZAFER BİNGÜL
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Bulanık mantık = Fuzzy logic ; Paralel manipülatörler = Parallel manipulators ; Robot denetim = Robot control ; Robot manipülatörleri = Robot manipulators

Özet:
Bu tezde, seri ve paralel robotlar için yörünge kontrolü sağlayan parçacık sürü optimizasyon (PSO) tabanlı farklı kontrolörlerin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu kontrolörleri test etmek için seri robot olarak iki serbestlik dereceli (DOF) düzlemsel robot ve paralel robot için 6 DOF Stewart Platform'u seçilmiştir. Bu manipülatörlerin kinematik ve dinamik analizleri, simülasyon modeli ve yörünge kontrolü ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir.2 DOF robotun yörünge kontrolü için sırasıyla PID kontrol, bulanık kontrol ve kesir dereceli PID (FOPID) kontrol yapıları geliştirilmiştir. Bu kontrolörlere ait parametreler PSO algoritması kullanılarak optimize edilmiştir. Birinci simülasyon çalışmasında, eklem uzayı yörünge takip kontrolü için robota PID-PSO ve Bulanık-PSO kontrolörleri uygulanarak simülasyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. İkinci çalışmada ise yörünge kontrolü için PSO ve genetik algoritma (GA) teknikleri ile FOPID kontrolörüne ait parametreler optimize edilmiştir. Ayrıca kontrolörlerin optimizasyonunda, maliyet fonksiyonların etkilerini göstermek amacıyla her iki çalışma için 3 farklı maliyet fonksiyonu kullanılmıştır. Optimize edilen kontrolörlerin performanslarını karşılaştırmak ve bu kontrolörlerin sağlamlığını test etmek için sistemin model parametreleri değiştirilmiş, sisteme değişik varyanslı gürültü eklenmiş ve farklı yörüngeler verilmiştir. Sonuç olarak, hem farklı yörünge hem de değişik tipteki ve büyüklükteki bozuculara karşı robotun yörünge kontrolü için PSO ile parametreleri ayarlanan Bulanık ve FOPID kontrol yapıları ile sağlam kontrolörler tasarlanabilmiştir. 6 DOF Stewart Platform'un dinamik modelini doğru bir şekilde elde etmekte en önemli adım Jacobian matrisinin elde edilmesidir. Burada, Jacobian matrisi iki farklı şekilde elde edilmiştir. Ayrıca bacaklarda yer alan eyleyicilerin mekanik ve elektriksel dinamiği çıkarılarak manipülatörün katı gövde dinamiğine eklenmiştir. İki farklı Jacobian matrisine göre çıkarılan tüm sistemin dinamiği MATLAB-SIMULINK ortamında modellenip, fiziksel robot üzerinde model doğruluğu için yörünge deneyleri yapılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda, elde edilen dinamik matematiksel model, yüksek doğrulukla fiziksel sistemin davranışını karşılamaktadır. Manipülatörün eklem esaslı yörünge kontrolü için geleneksel PID, FOPID, bulanık PID ve bulanık FOPID kontrol yapıları geliştirilmiştir. Dinamik model kullanılarak, PSO ile bu kontrolörlere ait parametrelerin en iyi değerleri bulunmuştur. Optimize edilen kontrolörler ile fiziksel Stewart Platform manipülatörü üzerinde yörünge takip deneyleri yapılarak kontrol performansları karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda en iyi sonuçları sırayla bulanık FOPID, bulanık PID, FOPID ve PID sağlamıştır. Özellikle bulanık FOPID, yörünge kontrolünde oldukça yeni bir yaklaşımdır.

Abstract:
In this thesis, the design of the different controllers based on particle swarm optimisation (PSO) algorithm was realized for trajectory control of serial as well as parallel robots. In order to test these controllers, a 2 DOF planar robot and 6 DOF Stewart Platform were chosen as serial and parallel robot respectively. The kinematic and dynamic analyses, simulation and trajectory control of these manipulators were explored in detail.The control structures based on PID controller, fuzzy controller and fractional order PID (FOPID) controller were respectively developed for trajectory control of the planar robot. The parameters of these controllers were optimized by using PSO. In the first simulation study, for the joint trajectory tracking control of the robot using the PID-PSO controller and the Fuzzy-PSO controller, the simulation experiments were carried out. In the second study, all of the parameters related with the FOPID controller were tuned using PSO and genetic algorithm (GA) for trajectory control. Moreover, in order to see effects of the cost functions on the controller parameter optimisation, the three different cost functions were used in both simulation studies. In order to test the robustness and compare the performance of the tuned controllers, the model parameters and the given trajectory were changed and the white noise was added to the system. As a result, the robust controllers were designed for trajectory control of the planar robot using fuzzy and FOPID control schemes tuned with PSO to cope with not only the different types and magnitudes of disturbances, but also the different trajectories. Most important is the derivation of Jacobian matrix for obtaining accurate dynamic model of 6 DOF Stewart Platform. Jacobian matrix was derived here in two different ways. The mechanical and the electrical dynamics of the actuators were also added to the rigid body dynamics of the manipulator. The dynamic equations including rigid body and actuator dynamics were simulated in MATLAB and experimentally verified on physical system, and the results were evaluated. Based on these results, the resulting dynamic model has met the behavior of the physical system with high accuracy. Traditional PID, FOPID, fuzzy PID and fractional order fuzzy PID (fuzzy FOPID) techniques were developed for the trajectory control based joint of the platform. Using the dynamic model, the optimum parameters of the proposed controllers were obtained using PSO. The trajectory tracking experiments of the controllers optimized by PSO were implemented on the experimental Stewart Platform, and the control performances of the controllers were compared. In consequence of this comparison, the best results were provided by the fuzzy FOPID, fuzzy PID, FOPID and PID controllers, respectively. Especially, the fuzzy FOPID controller is a highly new approach for trajectory control.