İki ayaklı robotların modellenmesi ve kontrolü
Modelling and controlling of biped robots
Yazar: KENAN MÜDERRİSOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. AYDIN YEŞİLDİREK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Robot denetim = Robot control ; Robot kinematiği = Robot kinematics ; Robot sistemleri = Robot systems ; Robotik = Robotics ; Robotlar = Robots

Özet:
İnsansı robotlar ve dış iskelet sistemleri günümüzde popülerlik kazanmış bilimsel araştırma konularıdır. Tek bacaklı zıplayabilen robotlardan, iki ayaklı insansı ve çok bacaklı robotlara araştırma çalışmaları hızla devam etmektedir. Bu çalışmada iki ayaklı robotlar ele alınmıştır.
Bu tezde iki bacaktan oluşan insansı bir robotun kinetik analizleri yapılarak insan yürüyüşüne yakın bir hareket sağlamak amacıyla değişik yürüme düzenleri incelenmiştir. İki ve üç boyutlu uzaylarda dinamik modeller elde edilmiştir. Önce on iki serbestlik dereceli bir robotun kinematik analizleri yapılmış ve yürüyüş düzeni gerçek insan verilerine dayanarak belirlenmiştir. Ayrıca iki alt uzuv ve bir gövdeden oluşan 7 serbestlik dereceli (7-SD) iki ayaklı bir robotun MATLAB/Simulink ortamında kurulması ve yürüme simülasyonu yapılmıştır.
İki ayaklı robot hareketini tanımlamadan önce bacağın hareket kabiliyetinin gözlemlendiği kinematik analiz yapılmıştır. Ardından sisteme ait dinamik denklemler çıkarılmıştır. Sistemin hareketi için referans değerlere dayanan kontrole ihtiyaç duyulmuştur. Ayrıca iki ayaklı bir robot sistemi yüryüşü esnasında farklı durumlar ihtiva ettiğinden hareket farklı fazlara ayrılmıştır. Bunlar sistemdeki yerle temas noktası noktasal olduğundan iki ayak destekli faz ve tek ayak destekli fazdır.
İlk sistem insan bacağının hareket kabiliyetine göre üç boyutlu olarak modellenmiş ve kinematik analizi yapılmıştır. Daha sonra sistem iki boyutlu olarak MATLAB/Simulink programı altında SimMechanics aracı ile görselleştirilmiştir. Gerçek insanın sagittal düzlemde yürüyüşü sırasında bacak eklemlerinin açı değişimleri literatürden alınarak iki boyutlu yürüyüş için kullanılmıştır. Fourier yöntemi kullanılarak, eğri oturtmak suretiyle periyodik gerçek açı değişimi ve bunun türevlerinin alınmasıyla alarak açısal hız ardından açısal ivme değerleri de yine periyodik sinyaller şeklinde elde edilmiştir. Bu değerlerin sisteme girilmesiyle döngüsel bacak hareketleri gözlemlenmiştir.
Bu tezde kabul edilip ele alınan sınırlamalar doğrultusunda sistem, kaymadan sıfır eğimli düz bir yüzeyde iki boyutlu uzayda düzlemsel bir yürüyüş yapmaktadır. Buradaki yürüme düzeni tek ayak destekli ve iki ayak destekli faz olarak ayrılmıştır. Yürüyüş çevrimindeki fazlar ele alındığında farklı holonomik ve holonomik olmayan durumlar oluşmaktadır. Ağırlık merkezinin denge kontrolü için sıfır moment noktası hesaplaması kullanılmış ve gerekli tepki kuvvetleri hesaplanmıştır. 
İki boyutlu uzayda, saggital düzlemde hareket eden robotun holonomik olan ve olmayan kısıtları göz önünde tutularak 7 seebestlik dereceli olarak kurulan ikinci sistem Newton mekaniği ve d'Alembert prensibinden faydalanılarak hareket denklemleri çıkarılıp dinamik hareket ve kontrol sistemleri tanımlanmıştır. Sonuç olarak PD kontrol hesaplanmış tork (computed torque) uygulanarak düz bir zemin üzerinde yürüyüş başarıyla gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Humanlike robots and exoskeleton systems are popular scientific research topics. From one legged hopping robots to two legged humanlike and multi-legged robots research are being conducted rapidly. In this study, two legged robots are discussed.
In this thesis, kinematic analysis of a two legged humanlike robot has been done and its dynamic models have been developed in two and three dimensional spaces after the evaluation of different patterns to acquire motion similar to human walking. First, kinematical analysis of twelve degrees of freedom robot has been studied and its gait path defined based on real human gait cycle data. Additionally, a 7 degrees of freedom (7-DOF) robot with two lower limbs and a torso has been modeled and its walk simulated in MATLAB/Simulink environment.
Firstly kinematic analysis of a lower limb has been done which revealed its motion capabilities. Thence dynamic equations of the system have been derived. A reference based control was needed for movement of the system. Additionally, walking of the two legged robot consist of different conditions, movement has been divided into different phases. These phases may be defines as two leg supported phase and one leg supported phase with the limitation of point connections between the system and ground.
First system has been modeled to mimic 3D humanlike and its kinematic analysis has been realized. Thence system has been visualized in 2D with SimMechanics toolbox under MATLAB/Simulink. Real human gait cycle data on sagittal plane which contain leg angle changes during walk have been used for 2D walking simulations. These angle changes which are taken from literature have been turn into functions with Fourier curve fitting method, then angular velocity and angular acceleration have been found via derivation. After these values have been presented to the system, rotational leg movements have been gathered.
In this thesis, system has been walked in 2D on a flat plane without slip under given restrictions. When walking phases in a cycle are investigated, one may observe holonomic and nonholonomic conditions. Zero moment point calculation has been used for the balance of the center of gravity and for the calculations of the needed reaction forces. 
The second system is established in seven degree of freedom and taken in to account the motion on saggital plane, in 2D, under holonomic and nonholonomic restrictions. Equations of motion of this system have been obtained via Newton mechanics and d'Alembert principle and dynamic movement and control systems have been defined. Walk on a flat plane has been successfully realized with the application of PD control computed torque.