Dört bacaklı robot tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of quadruped robot
Yazar: COŞKUN AYDIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA ENGİN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Alan yönlendirme = Field orientation ; Kinematik = Kinematic ; Newton-Euler Yöntemi = Newton-Euler method ; Robotlar = Robots ; Yörünge planlaması = Orbit planning

Özet:
Son yıllarda yürüyen robotlarla ilgili çalışmalar artmaktadır. Bunun nedeni, bacaklı yürüyüşün geleneksel tekerlekli ve paletli harekete göre bazı avantajları olmasıdır. Bacaklı hareket, tekerlekli hareketle karşılaştırıldığında arazideki çok daha büyük düzensizlikleri tolere edebilir. Ayrıca problemin karmaşık ve zorlu doğası birçok öncü araştırmacı için çok çekici olmuştur. Bacaklı robot alanında özellikle iki ayaklı ve dört ayaklı robotlar popüler hale gelmiş ve onları diğer çok ayaklı robotlar izlemiştir. Bu tercihin nedeni, dörtlü hareketin yapılandırılmamış bir ortamda manevra yapmanın en çevik yolu olmasıdır.
Bu çalışmada dört bacaklı robotlar teorik olarak geçmiş çalışmalarda temel kavramlarla incelenmiştir. Bu amaçla, ayaklı hareketin temel kavramlarından biri olan stabilite terimi ile özellikle dört bacaklı ile başlanmış, iyi anlaşılabilmesi adına statik ve dinamik stabilite marjları gibi gerekli tanımlar ayrı ayrı verilmiştir. Hareketin bir diğer temel terimi olan yürüyüş, statik ve dinamik yürüme ile stabilite arasındaki ilişki açık olarak iki ana başlıkta incelenir. Bu tercihin nedeni, dört bacaklı hareketin yapılandırılmamış bir ortamda manevra yapmanın en çevik yolu olmasıdır. 
Bilindiği gibi, bir robot kol için yörünge planlamasının dinamikleri ve kontrol problemleri düşünüldüğünde kinematik ilk ihtiyaç duyulan konulardan biridir. Çalışmada kinematik model oluşturulurken bir ayak üç dereceli RRR robot kolu olarak kabul edilmiş, tüm robot modeline eksenler yerleştirerek, Denavit-Hartenberg (DH) yöntemi uygulanmış, DH değişken tablosu hazırlanmış ve tüm robottaki kinematik yapı elde edilmiştir. İki ana kinematik problem vardır: ileri kinematik problemi ve ters kinematik problemi. İlkinde amaç eklem değişkenleri verilmiş olan robotun uç noktasının açısal ve doğrusal hız vektörlerini bulmaktır. Ters kinematik için robotun uç noktasının açısal ve doğrusal hız vektörleri verilir ve problem eklem değişkenlerini bulmaktır. Bu tezde her uç nokta, bir bacağın parmaklarından sadece birinin uç noktasını temsil edecek şekildedir. Bacakların eklem hızları hesaplanır.
Yürüyüş planlamasında, robotun ortak yürüyüşlerinden biri olan dört ayaklı bir memelinin yürüme süratlisini düşünüldü. Bu tür yürüyüşte, çapraz olarak bacaklar tandem halinde hareket eder. Dört bacaklı hareket için referans yörünge oluşturma, istikrarsızlık eğilimi, doğrusal olmayan robot dinamikleri ve yüksek sayıda serbestlik derecesi nedeniyle kontrolün yanı sıra zorlu bir görevdir. Bu nedenle, oluşturulan referans yörüngeleri minimum kontrol müdahalesi ile takip edilmelidir. Sabit ve dengeli yürüyüş için bir kontrolör tasarımı daha önemlidir. Bu kontrolör, uygun yörünge sentezi geliştirilmeden elde edilemez.
Robotun üç boyutlu tasarımı Solidworks'te hazırlanmış ve MATLAB/Simulink ortamına aktarılmıştır. Bu ortamda teorik olarak incelenen statik yürümeye ait emekleme yürüyüşü ve dinamik yürümeye ait tırıs yürüyüşün simülasyonları yapılmıştır.  Eklemlerde açı ve konum değişimi gözlemlenir. Simülasyon sonuçları verilmiştir.
Dört bacaklı robotun prototipinde kullanılan BLDC motor MATLAB/Simulink'te modellenmiş ve simülasyonları yapılmıştır. Ayrıca BLDC motorun kontrolü için kullanılan alan yönlendirmeli kontrol ve simülasyonlara ait sonuçlar verilmiştir.
Çalışmanın son aşamasında, simülasyon ortamında tasarlanan ve test edilen dört bacaklı robotun ayağından biri prototipleme için 3 boyutlu yazıcıda basılmıştır. Prototipleme aşamasında robot gerçek dünyada test edildi. Stabilite ve sağlamlığı artırmak için bazı mekanik parçalar değiştirildi. Ayrıca test sırasında bazı yazılım değişiklikleri de yapıldı.

Abstract:
In recent years, studies on walking robots are increasing. This is because legged walking has some advantages from the conventional wheeled and tracked movement. Legged locomotion can tolerate much larger irregularities in the terrain when compared to that of wheeled locomotion. Also, the complex and challenging nature of the problem has been very attractive to many pioneering researchers. In legged robot field, especially bipedal and quadruped robots have become popular and the other multi-legged follow them. The reason of this choice is that the quadruped locomotion is the most agile way of maneuvering in an unstructured environment. 
In this study quadruped locomotion is investigated theoretically in past studies with basic concepts. For this purpose, began with stability term, which is one of basic concepts of legged locomotion, especially quadruped, necessary definitions is given such as stability margins type static and dynamic separately for sake of be well understand. Another basic term of locomotion, gait, is examined into two main title as static and dynamic walking evidently relation between stability. The reason of this choice is that the quadruped locomotion is the most agile way of maneuvering in an unstructured environment. 
As it is known, kinematics is one of the first needed issues when considering the dynamics and control problems of trajectory planning for a robot arm. While creating the kinematic model in the study, one foot was accepted as a three-degree RRR robot arm, the Denavit-Hartenberg (D-H) method was applied, the D-H variable table was prepared, and the kinematic structure in the whole robot was obtained by placing axes on the whole robot model. There are two main kinematic problems: forward kinematics problem and inverse kinematics problem. In the first one, the joint variables are given, and the problem is to find the angular and the linear velocity vectors of the tip point of the robot. For the inverse kinematics, the angular and the linear velocity vectors of the tip point of the robot is given and the problem is to find the joint variables. In this thesis each tip point represents a tip point of only one of the fingers of a leg. The joint velocities of the legs are computed.
In gait planning, we considered one of the common gaits of the robot, the walking trot of a quadruped mammal. In this type of gait, the legs in diagonal move in tandem. Quadruped reference trajectory generation is a challenging task as well as control owing to the instability trend, non-linear robot dynamics and high number of degrees of freedom. Hence, the generated reference trajectories have to be followed with minimum control interference.  A controller design is more important for fixed and stable walking. This controller cannot be achieved without developing the convenient trajectory synthesis.
A primarily 3D drawing of a quadruped robot designed in Solidworks and transferred to another modeling platform MATLAB/Simulink. Theoretically investigated Static (crawl) and one type of dynamic walking (trot gait) is simulated in MATLAB/Simulink. Angles and position changing in joints is observed. Simulation results is given.
The BLDC motor used in the prototype of the four-legged robot was modeled and simulated in MATLAB/Simulink. Also, for control of BLDC motor used field-oriented control and simulation results is given.
In the last phase of study, one of the designed and tested in simulation environment quadruped robot leg is printed in 3D printer for prototyping. In prototyping phase robot tested in real world and changed some mechanical parts for improve stability and robustness. Also, while testing some software changes were also made.