Eksik tahrikli robot manipulatörlerin kontrolu ve donanımlı simülatörle gerçeklenmesi
Control of underactuated robot manipulators and their implementation on a hardware in the loop simulator
Yazar: AYDEMİR ARISOY
Danışman: DOÇ. DR. O. SETA BOĞOSYAN ; PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, dinamik modellerinde serbestlik derecesinden daha az kontrol girişi bulunan denklemlere sahip eksik tahrikli robot manipülatörlerin hareket kontrolu problemi incelenmiştir. Doğrusal olmayan ve ayrışamayan hareket denklemlerine sahip bu sistemlerin konum ve yörünge kontrolu için dayanıklı kontrol yöntemlerinden olan kayma kipli kontrol ve yüksek dereceli kayma kipli kontrol yöntemleri kullanılmıştır. Eksik tahrikli robot manipülatörleri olarak; esnek mafsallı robot kol ve pendubot sistemleri kullanılmıştır. Esnek mafsallı robot kol dinamik modelinde yer alan şekil kipleri nedeniyle eksik tahrikli sistemler sınıfında yer almaktadır. 1-Serbestlik dereceli esnek mafsallı robot kol uç noktasının hassas konum ve yörünge izleme kontrolu için kayma kipli ve yüksek dereceli kayma kipli kontrol yöntemleri ile kontrolörler tasarlanmıştır. Bu yöntemlerle türetilen kontrol algoritmaları pendubot kararsız denge noktalarında denge ve salınım kontrolu için uyarlanmıştır. Kontrol edilen eksik tahrikli robot manipülatörlerinin eklem motorlarının doğrudan tahrikli motorlara sahip olduğu düşünülerek, motor dinamikleri de kontrol tasarım hesaplamalarına ilave edilmiştir. Bu yaklaşımla kontrolörlerin performansları hassas kontrol için geliştirilmiştir. Kontrol edilen sistemlerin doğrudan tahrikli sistemler olması nedeniyle, doğrudan tahrikli motor milinde oluşan moment salınımlarını küçültebilmeleri açısından yapılan moment salınım analizleri ile de kontrolörlerin performans incelemesi yapılmıştır. Türetilen kontrolörler literatürde bulunan güncel yöntemlerle karşılaştırılmıştır. Kontrolörler bilgisayar benzetimleri ile denenmişlerdir. Donanımlı benzetim tekniği kullanılarak deneysel olarak gerçeklenmişlerdir. Donanımlı benzetimler için doğrudan tahrikli robot manipülatörlere uygun, doğrudan tahrikli motorlarla kurulan donanımlı simülatör deney düzeneği olarak kullanılmıştır.

Abstract:
In this study, motion control problem of underactuated robot manipulators that has fewer control inputs than degree of freedoms in their dynamic model has been examined. Sliding mode control and high order sliding mode control methods that are robust control methods have been used for position and trajectory tracking control of these systems that have nonlinear and decomposed motion equations. Flexible link robotic arm and pendubot have used as underactuated robot manipulators. Flexible link robot arm is classified in underactuated systems due to their dynamics including shape modes. Controllers are designed using sliding mode and high order sliding mode control methods for precise tip position and trajectory tracking control of 1-degree of freedom flexible link robot arm. Derived control algorithms by these methods have been adapted for balance and swing up control at the unstable equilibrium points of pendubot. As thought the joint motors of controlled underactuated robot manipulators have direct drive motors, motor dynamics are added to controller design calculations. With this approach, controllers? performances have been improved to precise control. Performance of the controllers has been examined aspect from their decreasing ability of occurring torque ripples in direct drive motor shaft by torque ripple analysis? due to being direct drive systems that are controlled. Derived controllers have been compared with actual methods that have been in literature. Controllers are tested by computer simulations. They have been implemented using hardware in the loop simulation technique. Hardware in the loop simulator has been used as an experimental set-up that including direct drive motors and suitable for direct drive underactuated robot manipulators.