İki robot kolu yardımıyla sıvı transferinin kontrolü
Control of liquid transfer by dual-arm robot
Yazar: BABAK NASERI SOUFIANI
Danışman: PROF. DR. MEHMET ARİF ADLI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Direkt kinematik = Direct kinematics ; Doğrusal olmayan dinamik = Nonlinear dynamics ; Endüstriyel robotlar = Industrial robots ; Ters kinematik = Inverse kinematics

Özet:
Günümüzde robotların günlük yaşamdaki kullanım alanları ve üstlendikleri roller hızla artmakta ve çeşitlilik göstermektedir. Robotlar ile sıvı taşıma işlemi de son zamanlarda üzerinde çalışma yapılmaya başlanan konular arasındadır. Bu tezde, içi sıvı dolu bir kabın iki robot kolu işbirliğiyle çalkalanmadan ve dökülmeden taşınması incelenmiştir. İki robot kol herhangi bir nesneyi birlikte hareket ettirdiğinde, kinematik olarak kapalı bir zincir oluşur ve bu durum, ele alınan sistemin matematiksel olarak karmaşıklığını artıran bir dizi kısıtlamaların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu kısıt denklemleri elde edilerek iki robot kolun arasındaki konum, hız ve ivme ilişkisi elde edilmiştir. Bu çalışmada Lagrange-Euler yöntemini kullanılarak, sıvı çalkalanmasının doğrusal olmayan dinamiği, iki boyutlu ve üç boyutlu olarak modellenmiştir. Daha sonra, iki boyutlu sıvı çalkalanma dinamiğinin doğrusal modeli Genişletilmiş Taylor Serisi fonksiyonları ile elde edilmiştir. Robotların kinematik ve dinamik modellenmesinde ise sırasıyla "Denavit-Hartenberg" ve "Newton-Euler" yöntemleri kullanılmıştır. Bu tez kapsamında, çalkalanma ve dökülmeyi engellemek ve hızlı sıvı taşınımın gerçekleşmesi için "Empedans kontrol", "Kutup yerleştirme", "Doğrusal karesel düzenleyici (LQR)" ve "SDRE" kontrol yöntemleri kullanılmıştır. Empedans kontrol yöntemi, çoklu robot etkileşimlerin kontrolünde verimli sonuçlar sağlamaktadır. Ancak geleneksel empedans kontrolü, sıvı taşıma sırasında çalkalanmayı önleyememektedir. Bu nedenle, sıvı kabın taşınması sırasında çalkalanmayı başarılı bir şekilde engellemesi için empedans kontrolüne sıvı çalkalanma önleme terimi ekleyerek genişletilmiştir. Önerilen kontrolörün etkinliği, benzetimlerde gösterilmiştir. Önerilen tüm kontrol yöntemlerin sonuçları, yapılan benzetimlerde birbirleriyle teknik olarak karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Nowadays, the use of robots has been rapidly increasing in daily life and take the roles in the various applications. The transport of liquids by robot arms without causing any slosh is one of such applications which has recently taken the attention of researchers. In this thesis, the transportation of a liquid-filled container without slosh or spilling by dual-arm cooperative robot was investigated. When a dual-arm cooperative robot grasps an object, a closed kinematic chain is formed and a set of constraints that increase the mathematical complexity of the system appear during the motion. By obtaining these constraint equations, the relationship between the position, velocity and acceleration of the dual-arm robot is provided. In this study, the nonlinear dynamics of liquid slosh (2D and 3D) is modeled by using the Lagrange-Euler equation. Then the nonlinear dynamic of 2D liquid slosh is linearized by Expanded Taylor Series functions. "Denavit-Hartenberg" and "Newton-Euler" methods are used in the kinematic and dynamic modeling of the robots, respectively. Within the scope of this thesis, "Impedance control", "Pole placement", "Linear quadratic regulator (LQR)" and "SDRE" control methods were used to prevent slosh and spilling of liquid in high-speed transportation. Impedance control method is very efficient in controlling multiple robot interactions. However, conventional impedance control cannot prevent slosh during liquid transportation. Therefore, it has been expanded by adding the anti-slosh term for suppressing slosh during transportation of the liquid container. Finally, the results of all proposed control methods were compared with each other using simulations.