Tutucu kola sahip dört ayaklı bir robotun optimum empedans kontrolü
Optimal impedance control of a quadruped robot with gripper arm
Yazar: ABDULLAH ERDEMİR
Danışman: PROF. DR. METE KALYONCU
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Denge optimizasyonu = Balance optimization ; Dinamik kontrol = Dynamic control ; Dinamik optimizasyon = Dynamic optimization ; Geri beslemeli kontrol = Feedback control ; Global optimizasyon yöntemi = Global optimization method ; Hareketli robotlar = Mobile robots ; Kuvvet kontrolü = Force control ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling ; Parametre optimizasyonu = Parameter optimization ; Çok kriterli optimizasyon = Multi criteria optimization

Özet:
Bu çalışmada, tutucu kola sahip dört ayaklı bir robotun (TUKSDAR) matematiksel modellenmesi, optimum empedans kontrolü ve yürüyüş optimizasyonları gerçekleştirilmiştir. Empedans kontrol, robot teknolojisinde kritik bir öneme sahiptir. Robotun etkileşimde bulunduğu ortamla uyumlu bir şekilde hareket etmesini ve görevlerini güvenli bir şekilde yerine getirmesini sağlamaktadır. Empedans kontrolü, TUKSDAR'ın nesne manipülasyonu, yürüyüş ve diğer temel görevlerde kullanılabilirliğini artırmak için özgün senaryo algoritmalarının tasarlanmasını gerektirmiştir. Bu senaryoların uygulanması ve hareketlerin analizi, empedans kontrol parametrelerinin optimize edilmesini sağlamıştır. Bu şekilde, robotun etkili bir şekilde etkileşimde bulunduğu nesnelerle ve çevreyle uyumlu hareket etmesi sağlanmıştır. TUKSDAR'ın empedans kontrol tekniği, ayaklarda ve tutucu kolda PID tabanlı kartezyen empedans kontrolünü içermektedir. Bu kontrol tekniği, robotun nesnelerle hassas bir şekilde etkileşime girmesini, kuvvet uygulamasını ve nesneleri kavramasını mümkün kılmaktadır. Aynı zamanda, robotun dengesini koruması için dinamik önlemler de empedans kontrolcü tasarımıyla birlikte gerçekleştirilmiştir. TUKSDAR'ın dengeleme sistemi, ayak uç noktalarının etkileşim konumlarını değiştirmek için ana gövdenin eğim açılarından yararlanan yenilikçi bir yaklaşımla tasarlanmıştır. Bu çalışma, dört ayaklı robotların zorlu arazi koşullarında tekerlekli robotlara göre avantajlı olduğunu vurgulayarak, özellikle deprem, nükleer felaketler ve kimyasal tehlikeler gibi insan için zararlı durumlarda dört ayaklı robotların kurtarma görevlerinde kullanılabilirliğini artırmayı hedeflemektedir. Empedans kontrolü, bu tür tehlikeli ortamlarda robotun güvenli ve etkin bir şekilde hareket etmesini sağlayarak, insan hayatını koruma ve kurtarma operasyonlarına yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Bu çalışmada, tutucu kola sahip dört ayaklı bir robotun (TUKSDAR) empedans kontrolü tekniklerine çeşitli algoritmalar eklenerek istenen ortam ve kurgulanan çeşitli senaryolara karşılık görevini güvenli ve etkili bir şekilde yerine getirebildiği gösterilmiştir. Yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar sayısal ve grafiksel olarak sunulmuştur.

Abstract:
In this study, the mathematical modeling of a quadruped robot with a gripper arm (TUKSDAR), optimal impedance control, and gait optimization have been performed. Impedance control plays a critical role in robot technology as it enables the robot to move in a compliant manner and perform tasks safely in interaction with the environment. For TUKSDAR to be effectively utilized in object manipulation, walking, and other fundamental tasks, the design of novel scenario algorithms was necessary, incorporating impedance control. The implementation of these scenarios and the analysis of movements facilitated the optimization of impedance control parameters. This approach ensured that the robot interacts efficiently with objects and its surroundings, exhibiting compatible motion patterns. TUKSDAR's impedance control technique includes PID – based cartesian impedance control in its legs and gripper arm, allowing for precise interaction with objects, force application, and grasping capabilities. Additionally, dynamic measures were integrated into the impedance control design to maintain the robot's balance. TUKSDAR's balance system was innovatively designed, utilizing the tilt angles of the main body to modify the interaction positions of its foot endpoints. This study aims to emphasize the advantage of quadruped robots over wheeled robots, particularly in challenging terrain conditions and their potential usability in rescue missions involving hazardous situations for humans such as earthquakes, nuclear disasters, and chemical hazards. Impedance control, together with its ability to enable safe and effective movement in such hazardous environments, holds great potential for protecting human lives and supporting rescue operations. The results obtained from the conducted studies have been presented numerically and graphically, demonstrating that a quadruped robot with a gripper arm (TUKSDAR), incorporating various algorithms for impedance control techniques, can successfully and safely perform its tasks in different environments and predefined scenarios.