Yedi serbestlik dereceli iki Küresel bir doğrusal eyleyicili robot kolu sisteminin tasarımı ve dinamik analizi
Design and dynamic analysis of seven degrees of freedom robot arm system with two spherical and a linear actuators
Yazar: AHMET SAYGIN ÖĞÜLMÜŞ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA TINKIR
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Küresel motor = Global engine ; Robot kolu = Robot arm ; Üretim yöntemleri = Production methods

Özet:
Bu çalışmada, yedi serbestlik dereceli iki küresel bir doğrusal eyleyiciden oluşan robot kolunun özgün tasarımı, dinamik analizleri ve prototip imalatı gerçekleştirilmiş ve teorik hesaplamalar ile deneysel test sonuçları karşılaştırılmıştır. Ayrıca robot kolu üzerinde kullanılacak ve çalışmanın bir diğer özgün yönünü teşkil eden küresel motorların tasarımı, manyetik  analizleri ve prototip imalatları ilk defa gerçekleştirilmiştir. Bir robot kolunda kullanılan ilk küresel motor olması yönüyle  bu zamana kadar yapılan çalışmalardan ayrışmaktadır. Bu çalışmada iki küresel ve bir doğrusal eyleyici kullanılarak yedi serbestlik dereceli hareket kabiliyetine sahip yeni bir mekanizma ortaya çıkarılmıştır. Robot kolunda kullanılan küresel eyleyiciler hem küresel mafsal hem de ayrık hareket eden sabit mıknatıslı ve üç serbestlik dereceli yeni tip bir küresel motor özelliği taşımaktadır. Tümleşik hareket yerine devinme ve dönme hareketleri birbirinden ayrılarak küresel motorun tasarımı sadeleştirilmiş, kontrolü ve uygulaması kolaylaştırılmıştır. Ayrıca, Çalışmada prototipi yapılan küresel motorlar, ayrık hareket eden sabit mıknatıslı küresel motorlar (ASMKM) olarak bilinen motorlardan modüler tasarımı ve farklı rotor yataklaması ile ayrışmaktadır. Motorların tasarımında Ansys Maxwell sonlu elemanlar programı kullanılmıştır. Yedi serbestlik dereceli robot kolunun düz kinematik eşitlikleri ise Matlab/Peter Corke's RVC modülü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ters kinematik eşitliklerin çözümünde ise Newton-Raphson  metodu  kullanılmıştır. Çalışma sonunda; küresel motorların  açı, tork ve devir testleri yapılmış ve simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca robot kolunun yörünge performansı hem sayısal hem de deneysel olarak ölçülmüştür.  Bu sayede küresel eyleyiciler  ilk defa bir robot kolunda kullanılarak  bundan sonra yapılacak çalışmaların önü açılmış ve uzun süredir  aynı yapıları kullanan  robotik uygulamalara küresel motorda dahil edilerek farklı bir alternatif sunulmuştur.

Abstract:
In this study, the novel design, dynamic analysis and prototype production of the robot arm consisting of two spherical and one linear actuators with seven degrees of freedom are carried out and the theoretical calculations and experimental test results are compared. In addition, in the current study, the design, magnetic analysis and prototype manufacturing of the spherical motor placed on the robot arm were carried out. In terms of being the first spherical motor used in a robot arm, it differs from the work done so far. As a result, a new mechanism with seven degrees of freedom of movement is revealed using two spherical and one linear actuators. The spherical actuators used in the robot arm both have the feature of a spherical joint and are a new type of spherical motor with three degrees of freedom and permanent magnets that act separately. By separating the tilting and spining movements instead of integrated motion, the design of the spherical motor is simplified and its control and application is facilitated. The spherical motors prototyped in the study differ from the non-integrated permanent magnet spherical motors (NR-PMSM) with their modular design and different rotor bearings. Ansys Maxwell finite element program is used in the design of the motors. The forward kinematic equations of the seven-degree-of-freedom robot arm are obtained using Matlab/Peter Corke's RVC module. Newton-Raphson method is used in the solution of inverse kinematic equations. At the end of the study; angle, torque and speed tests of spherical motors are realized and compared with simulation results. In addition, the trajectory performance of the robot arm is measured both numerically and experimentally. In this way, spherical actuators are used in a robot arm for the first time and a different alternative studies are offered by including the spherical actuators in robotic applications that use the same structures for a long time.