Üç serbestlik dereceli robotik kolun kartezyen uzayda empedans kontrolü
Impedance control of 3 DOF robotic arm in cartesian space
Yazar: AYBERK BEYHAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURETTİN GÖKHAN ADAR
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Günümüzde robotlar montaj, boyama, kaynak, kaldırma ve yerleştirme, vs. pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Hareket kontrolü, robotların çevre ile temassız bir yörüngede ilerlemesinde başarılı bir şekilde, aktif olarak kullanılmaktadır. Ancak robotların çevre ile etkileşim halinde olması durumunda bu kontrol algoritmaları yetersiz kalmaktadır. Bu problemin üstesinden gelebilmek için kuvvet kontrol algoritmaları geliştirilmiştir. Bu tezin amacı, çevre ile temas eden 3-SD robota gerçek zamanlı pozisyon tabanlı empedans kontrol uygulanmasıdır. 
Bu amaçla robotun tasarım ve imalatı gerçekleştirilmiştir. Robotun tasarımı Solidworks'te, simülasyonu Matlab / Simulink ortamında Robotic Toolbox kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Robotun imalatında simülasyondaki tork değerleri kullanılarak uygun fırçalı DC motorlar seçilmiştir. CAD çizimiyle oluşturulan robot uzuvları 3 boyutlu yazıcıyla basılmıştır. Kuvvet kontrol çalışmalarının gerçekleştirilmesi için uç işlevciye kuvvet sensörü takılmıştır. Gerçek zamanlı kontrol için Matlab / Simulink ortamında giriş ve çıkış verileri işlenmiştir. Bu verilerin 3-SD robota aktarımı için geliştirme kartları kullanılmıştır.
3-SD robotun kontrolü için gerekli olan kinematik ve dinamik denklemler elde edilmiştir. Elde edilen dinamik model kullanılarak robotun hesaplanan tork tabanlı empedans kontrol simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Ancak hesaplanan tork tabanlı empedans kontrolünde dinamik modele ihtiyaç duyulmasından işlem süresi uzundur. Bu sebeple kontrol algoritması gerçek zamanlı sisteme adapte edilememiştir, bunun yerine gerçek zamanlı sistemde pozisyon tabanlı empedans kontrolü kullanılmıştır. Pozisyon tabanlı empedans kontrolü iç ve dış olmak üzere iki döngüden oluşmaktadır. İç döngüde yer çekimi dengelemeli PID kontrolü, dış döngüde ise empedans kontrol kullanılmıştır. Yer çekimi dengelemeli PID kontrolün katsayılarının hesaplanması için her bir uzuv için Matlab programının System Identification eklentisi kullanılarak yapılmıştır. Bunun için çıkış ve giriş veri seti hazırlanıp farklı sıfır ve kutuplara sahip transfer fonksiyonları elde edilmiştir. Bu transfer fonksiyonlarından uygunluk oranı en yüksek olan seçildikten sonra kontrolör dahil edilip kapalı çevrim transfer fonksiyon elde edilmiştir. Bu transfer fonksiyon kullanılarak kutup atama yöntemiyle PID katsayıları hesaplanıştır. Empedans kontrolü için kütle sönüm yay modeli seçilmiştir. Bu modele ait katsayılar sönüm oranı dikkate alınarak gerçek zamanlı testlerle tayin edilmiştir. Yüzeyle temas eden robot için pozisyon tabanlı empedans kontrolü ile yer çekimi dengelemeli PID kontrolü gerçek zamanlı olarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen pozisyon ve kuvvet sonuçları grafik olarak verilip karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Today, robots are used in many applications such as assembling, printing, welding, pick and place, etc. Motion control has been studied actively for robots to move in a non-contact with the environment successfully. However, if robot interacts with the environment, motion control algorithms are not adequate sufficiently. Force control algorithms have been developed to overcome this problem. The aim of the thesis is applied real-time position-based impedance control to the 3-DOF robotic arm in contact with the environment.
3 DOF robotic arm was designed and manufactured for this purpose. The design of the robot is obtained in Solidworks and its simulation is made in Matlab / Simulink using Robotic Toolbox.  In the production of the robot, appropriate brushed DC motors were selected by using the torque values in the simulation. Robot arms and base are created with a 3-D printer.  A force sensor was attached to the end effector to perform force control tests. Input and output data were established in Matlab / Simulink for real-time control. Development board was used to transfer this data to the 3-DOF robot.
The kinematics and dynamics equations for the control of the 3-DOF robotic arm were obtained. Using the dynamic model, the computed torque-based impedance control of the robotic arm was simulated in Matlab/Simulink. However, due to the necessity for a dynamic model in computed torque-based impedance control, the processing time is long. So computed torque control algorithm could not be adapted to the real-time, because of the long processing time. Thus position-based impedance control is adapted and implemented in real time. Position-based impedance control consists of two loops which are inner and outer. Gravity compensated PID control is used in the inner loop and impedance control is used in the outer loop. Calculation of coefficients of gravity compensated PID control for each link, System Identification was used in Matlab/Simulink. The output and input data are obtained and transfer functions with different zeros and poles were calculated. After selecting the best fits among these transfer functions, the closed loop transfer function with the controller is calculated. Using this transfer function, PID coefficients are calculated by pole placement method. Mass damping spring model has been chosen for impedance control. The coefficients of this model were determined by real-time tests, considering the damping ratio. Position-based impedance control and gravity compensated PID control were compared in real time for the robotic arm contacting the surface. The obtained position and force results are given graphically and compared.