Akıllı kompozit üretim tekniği ile bacaklı özgün bir robotun tasarımı, üretimi, test ve analizleri
A novel legged robot using smart composite microsturcutres: design, manufacturing, test and analyses
Yazar: MUSTAFA REŞİT HABOĞLU
Danışman: PROF. DR. CENGİZ BAYKASOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ÖZCAN
Hitit Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Bacaklı robotlar = Legged robots ; Minyatür = Minyature ; Robotik = Robotics ; Robotlar = Robots

Özet:
Günümüzde insanlar tarafından gittikçe daha fazla kullanılan robot teknolojisi her geçen gün gelişmeye devam etmektedir. Son yıllarda makro boyutlu robotların yanında minyatür boyutlu robotlar da araştırılmaya ve kullanılmaya başlamıştır. Minyatür robotlar literatürde boyut limitlerine göre nano (< 1 μm), mikro (< 1 mm), mili (< 10 mm), mini (< 100 mm) ve küçük (< 1000 mm) robotlar olarak adlandırılmaktadır.  Bunların arasında bulunan mini robotlar  özellikle insanların ulaşamayacağı boyutta olan bölgelerde veya insan sağlığı için zarar teşkil edecek alanlarda keşif amaçlı kullanılabilmektedir. Bu çalışmada akıllı kompozit mikroyapılar (ing. Smart composite microstructuresi SCM) olarak adlandırılan üretim tekniği kullanılarak bacaklı ve özgün bir mini robot tasarlanmış, üretilmiş ve modellenmiştir. Robotun tasarım ve üretim sürecinde farklı dış iskelet yapıları, hareket mekanizmaları, bacak yapıları ve dönme mekanizmaları geliştirilmiştir. Bu geliştirme süreci iteratif bir şekilde bir önceki tasarımda karşılaşılan sorunlar giderilecek şekilde ele alınmıştır. Sonuç olarak çalışmada iki adet altı bacaklı ve bir adet dört bacaklı robot modeli ortaya çıkarılmıştır. Altı bacaklı modellerden biri şekil hafızalı alaşım ile bükülebilen bacak tasarımına sahipken diğer modeller doğadan esinlenerek oluşturulmuş olan diz eklemine sahiptir ve dizlerin bir eyleyici kullanımı olmadan bükülmesi sağlanmıştır. Şekil hafızalı alaşıma sahip bacak modelinde robotun performans isterlerini yeterince sağlamadığı görülmüştür. Bu nedenle diz eklemine sahip olan modeller daha detaylı olarak incelenmiş ve sonuçta dört bacaklı model nihai robot modeli olarak belirlenmiştir. Daha sonra "Double Actuated Soft Tendon Quadruped (DASTeQ) (tr. Çift Eyleyicili Yumuşak Tendonlu Dört Bacaklı Robot)" olarak adlandırılan ve 87.5 x 78 x 57.3 mm boyutlarına ve 61.04 g ağırlığa sahip olan bu mini robot modeli için hareket analizi ve farklı hızlarda yürüme modeli ortaya konulmuştur. Robotun hareketini yakalamak için görüntü işleme yazılımı geliştirilmiş ve bu sayede robotun belirli noktalarının gerçek zamanlı koordinat verileri çıkarılmıştır. Yapılan hareket analizi testleri sonucunda DASTeQ'in keşif amaçlı kullanıma uygun olacak şekilde stabil bir yürüyüşe sahip olduğu ortaya çıkarılmıştır. Buna ek olarak bacak hareketleri ile gövde hareketi yürüyüş esnasında karşılaştırmalı olarak ele alınmış ve bacakların harekete verdikleri katkılar da analiz edilmiştir. Farklı giriş hızlarında yapılan deneyler sonucunda robotun gerçek yürüme hızları belirlenmiş ve bu veri doğrusal bir modele oturtulmuştur. Ayrıca robotun dönüş hareketi yapma becerisi de test edilmiş ve zamana bağlı olarak ne kadar dönüş gerçekleştirebildiği tespit edilmiştir. Geliştirilen hız modeli ve dönüş verisi kullanılarak robotun belirli bir hızda daha önceden belirlenmiş dikdörtgen şeklindeki bir parkuru tamamlayabilme kapasitesini test etmek için yol izleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Robotun başarılı bir şekilde kendisine verilen görevleri yerine getirebildiği görülmüştür.

Abstract:
Robot technology, which is being used more and more by humanity, continues to develop recently. Along with macro robots, small scale robots have also been researched and used in recent years. In the literature, small scale robots are classified via their size limits such as nano (< 1 μm), micro (< 1 mm), milli (< 10 mm), mini (< 100 mm) and small (< 1000 mm) robots. Among those robot classes, mini robots are especially being used as exploration devices especially in hazardous environments and places that are unreachable by humans. In this study, a novel legged mini robot was designed, manufactured and modelled using a manufacturing technique called "Smart Composite Microstructures (SCM)". During the design and production process of the robot, different exoskeleton structures, movement mechanisms, leg structures and steering mechanisms were developed. The development process was handled iteratively in a way that the problems encountered in the previous design are eliminated. As a result, two six-legged and one four-legged robot models were presented in the study. One of the six-legged models has a leg design that can be bent with shape memory alloy, while the other models have a biologically inspired knee joint which can bent without the use of an actuator. In the leg model with shape memory alloy, the result is that the robot moves very slowly. For this reason, the other two models were examined comparatively and the four-legged model was determined as the final model according to the experimental results. Then, a motion analysis and a speed model for different motor inputs were performed for the final model which was named "Double Actuated Soft Tendon Quadruped (DASTeQ)" and has the dimensions of 87.5 x 78 x 57.3 mm along with the weight of 61.04 g. An image processing software was developed for the motion capturing of the robot. The real time position coordinates of the certain points on the robot were gathered and recorded as experimental data. The motion analysis of the robot showed that DASTeQ has high stability gait performance which results in an availability to be used in exploration duties. In addition to that, the motions of the legs and the body were also analysed comparatively in order to determine the leg contributions to the forward motion of the robot. Moreover, the gait speed of the robot was monitored for different motor inputs and the data was fitted to a lineer speed model. Besides those, the steering performance and the turning duration of the robot were also determined experimentally. Using the developed speed model along with the steering data, path tracking experiments for a certain input value were performed in a previously created rectangular parkour. The robot succesfully completed the expected mission.