Çok gövdeli ve yüksek serbestlik dereceli robotik sistemlerin kinematik ve dinamik modellenmesi için araç kutusu geliştirilmesi
Toolbox development for kinematic and dynamic modeling of multibody and high degree of freedom robotic systems
Yazar: HALUK ÖZAKYOL
Danışman: PROF. DR. ZAFER BİNGÜL
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Endüstriyel robotlar = Industrial robots ; Hareketli robotlar = Mobile robots ; Robot kinematiği = Robot kinematics ; Ters dinamik modellemesi = Inverse dynamics modelling ; Ters kinematik = Inverse kinematics ; Uzay kinematiği = Space kinematics

Özet:
Bu tez, birlikte çalışan robotlarda ve yüksek artıklık (redundancy) barındıran uzay uygulamalarında yaygın olarak kullanılan yüksek serbestlik dereceli (DoF), çok gövdeli robotların kinematik ve dinamik modellemesi ve analizi için bir araç kutusu geliştirmeyi amaçlamıştır. İleri Robotik Analiz Araç Kutusu (ARAT) ile yüksek serbestlik dereceli,  üniversal, küresel, prizmatik ve dönel eklem bulundurabilen, hareketli ve sabit platform üzerinde çalışabilen bütün çoklu robotların kinematik ve dinamik analizi yapılabilmektedir.

ARAT, yeni robotlar tasarlayıp yapan robotik dersi öğrencileri ve robotik alanındaki araştırmacıların tasarım ve analiz yapmaları için geliştirildi. Robotun uzuv uzunlukları, yönelimleri, kütleleri ve ataletleri gibi kinematik ve dinamik parametreleri ARAT'a kullanıcı dostu bir grafiksel arayüz (GUI) yardımıyla girilebilir. Robotların katı modelleri, sanal gerçeklik simülasyonları için üç boyutlu (3D) bir ortamda oluşturulabilir.

ARAT'ta ileri ve ters kinematik modeller, Jakobiyen matrisi, yörünge planlama, ters dinamik analizler yüksek performanslı Uzaysal Vektör Cebri (SOA) ile kolay ve hızlı bir şekilde elde edilebilir. Uzuv orijinleri, uzuvların kütle merkezi (CoM) ve eklemlerdeki açısal ve lineer hızlar, ivmeler, kuvvetler ve torklar, gibi tüm fiziksel robot parametreleri 3D olarak hesaplanabilir.

ARAT yörünge algoritmaları olarak polinom, trigonometrik (harmonik, sikloidal, eliptik), üstel, Gauss ve Fourier tabanlı (Gutman, Freudenstein) gibi en yaygın yörüngelerin kullanmaya olanak verir. Bu yörüngeler, robotların her bir eklemine kolayca uygulanabilir. ARAT ve MATLAB - Simscape Multibody benzetim programlarında robotik sistemlerin farklı yapıları koşturulmuştur ve aralarında hatanın olmadığı görülmüştür. ARAT, hesaplama verimliliği, görsellik ve kolay kullanım açısından literatürde bulunan çok gövdeli robot benzetim araç kutularından birçok üstünlüğe sahiptir.

Abstract:
This thesis aimed to develop a toolbox for kinematic and dynamic modeling and analysis of the high degree-of-freedom (DOF), multibody robots used widely in cooperative and space applications. With the Advanced Robotics Analysis Toolbox (ARAT), kinematic and dynamic modeling and analysis of the complex, multibody and hıgh degree of freedom robots which may have universal, spherical, prismatic or rotational joints with more than one DOF and a mobile or stationary base can be easily accomplished. 

The ARAT was used to design and analyze for robotic education students and robotics researchers who design and build exceptional new robots. The robot's kinematic and dynamic parameters including link lengths, directions, masses and inertias can be entered into the ARAT using a user-friendly interface. Solid models of the robots can be created in a three dimensional (3D) environment for virtual reality simulations. 

In the ARAT, forward and inverse kinematic models, Jacobian matrix, trajectory planning, inverse dynamic models can be produced in a computationally efficient way. All of the physical robot parameters such as angular and linear velocities, accelerations, forces and torques at the joints, link origins and the center of mass (CoM) of the links can be computed in 3D. 

The ARAT includes support for the most commonly used trajectory algorithms, including polynomial, trigonometric (harmonic, cycloidal, elliptic), exponential, Gaussian and Fourier-based (Gutman, Freudenstein). These trajectories can be applied easily to each joint of the robots. In order to compare the kinematic and dynamic results obtained from ARAT and MATLAB-Simscape Multibody simulation program, different structures of the robotic systems were simulated in both programs. The results that produced from ARAT and MATLAB-Simscape were similar. The ARAT is much better from the multibody robot simulation toolboxes existing in literature in terms of computation capability, visual ability and easy usage.