Eğimli düzlemde kendini dengeleyen iki tekerlekli gezer manipülatörün tasarımı
Design of self-balancing two-wheel mobile manipulator on inclined plane
Yazar: SERTAÇ EMRE KARA
Danışman: PROF. DR. OĞUZ YAKUT
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve  Dinamiği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Ters sarkaç = Inverted pendulum

Özet:
İki tekerlekli ters sarkaç robotlar dört tekerlekli robotlara göre noktasal dönüş yapabilmesi ve hacimsel olarak az yer kaplaması dolayısıyla bazı kullanım alanlarında üstünlüklere sahiptir. Günümüzde iki tekerlekli ters sarkaç robotlar, manipülatör eklendiği takdirde esnek hareket kabiliyetleri ile fabrika gibi insan emeğinin çok olduğu yerlerde tam otomasyon sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Fabrika şartları düz zeminlerden oluşmaktadır ve bazı durumlarda rampa gibi eğimli düzlemlerle farklı yüksekliklere çıkılması gerekebilir. Bu tezde iki tekerlekli ters sarkaç manipülatörünün yol planlaması, eğimli yüzeylerde dengesi, hareket kabiliyeti ve manipülatör hareketi boyunca davranışı incelenmiştir. 
Düz yüzeyde robotun doğrusal hareketine bağlı dengesi ile birlikte manipülatör hareketine bağlı ağırlık merkezindeki değişim sistem davranışını karmaşık bir hale getirmektedir. Bununla birlikte eğimli yüzeyde ağılık merkezini telafi etmek gerekmektedir. Bu sebeple robotun denge kontrolü için robotun ileri yönlü hareketi ve denge kontrolü ayrı ayrı kontrol girişleri olarak tanımlanmış ileri yönlü hareket kontrolüne paralel olarak eğim kontrolcüsü eklenerek robotun belirli bir konumda kalması sağlanmıştır. Bunun yanında eğimli yüzey tanımlama, ağırlık merkez telafisi ve yol planlama algoritmaları verilmiştir. Eğimli yüzeyde manipülatörün tutucu uç konumunu kartezyen uzayda koruyabilmesi için en az yapılandırmayı oluşturacak şekilde manipülatör tasarımı yapılmış ve uygulanmıştır.
Robotun matematiksel modeli, ters sarkaç halinde hareket eden gezer gövde olarak ele alınmış, manipülatör hareketleri bozucu etken olarak kabul edilmiştir. Dinamik modeli elde etmek için deneysel düzenek üzerinde veri toplanarak bilinmeyen parametreler optimizasyon ile kestirilmiştir. 
Tasarlanan iki tekerlekli ters sarkaç manipülatörün deneysel çalışmalarında robot yol planlaması bilgisayar ile çözülmüş ve robota konum olarak yüklenmiştir. Robotun istenilen koordinatlara gidişi ve eğimli yüzeye tırmanıp manipülatör hareketi sonrasında tekrar eğimli yüzeyden aşağı inişi incenmiş ve grafiksel olarak yorumlanmıştır.

Abstract:
Two-wheeled inverted pendulum robots have advantages in some areas of use compared to four-wheeled robots due to their zero point rotation and small footprint. Today, two-wheeled inverted pendulum robots are used to provide full automation in places where human labor is high, such as factories, with their flexible movement capabilities if a manipulator is added. Factory conditions consist of flat floors and in some cases it may be necessary to reach different heights with inclined planes such as ramps. In this thesis, path planning, stability on inclined surfaces, mobility and behavior of a two-wheeled inverted pendulum manipulator are investigated.
The balance due to the linear motion of the robot on the flat surface and the change in the center of gravity due to the manipulator motion complicates the system behavior. However, it is necessary to compensate for the center of gravity on the inclined surface. For this reason, the robot's forward motion and balance control are defined as separate control inputs for the robot's balance control, and a tilt controller is added in parallel to the forward motion control, so that the robot stays in a certain position. In addition, sloped surface definition, center of gravity compensation and path planning algorithms are given. The manipulator design was made and applied in a way to create the least configuration so that the manipulator can maintain the holder tip position in the Cartesian space on the inclined surface.
The mathematical model of the robot is considered as a floating body moving as an inverted pendulum, and manipulator movements are considered as a disruptive factor. In order to obtain the dynamic model, data were collected on the experimental setup and unknown parameters were estimated by optimization.
In the experimental studies of the designed two-wheeled inverted pendulum manipulator, the robot path planning was solved by computer and uploaded to the robot as a position. The robot's going to the desired coordinates and climbing the inclined surface and descending from the inclined surface again after the manipulator movement was examined and interpreted graphically.