Sanal gerçeklik ile robot kol kontrol ve simülasyonu
Control and simulation of a robotic arm with virtual reality
Yazar: EDA DERYA TOPER
Danışman: PROF. DR. FIRAT KAÇAR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Endüstri 4.0 ve dijital fabrika; sanal gerçeklik, fiziksel üretim sistemini tasarlamak, simüle etmek, optimize etmek ve bununla uzaktan veya işbirlikçi bir şekilde etkileşim kurmak için temel teknolojileri temsil eder. Endüstri ve uzay uygulamalarındaki son deneyimler, sanal gerçeklik tekniklerinin çok yönlü robot kontrol teknikleriyle, yeni çığırlar açabileceğini göstermiştir. Böylece sanal gerçeklik teknikleri; robot kontrol teknolojisinde, sürdürülebilirlik, test edebilirlik gibi durumlar için fiziksel ortama "uzatılmış bir kol" sağlayarak, yeni bir kullanıcı dostu insan-makine arayüzü kalitesinin yolunu açmaktadır.
Bu çalışmada, özellikle gerçek dünyada var olan bir sistemi uzaktan görerek kontrol etmeye imkan sağlayabilecek; prototip oluşturmadaki maliyet sorunu, iş güvenliği riskleri gibi faktörleri azaltabilecek, bu iki ortamı entegre eden sistemler geliştirmek amaçlandı. Buna göre gerçekte ve sanal ortamda birbirine entegre sistem içerisinde çalışacak mekanizma için günümüzde en çok kullanılan ve hala geliştirilmeye devam eden robot kol seçildi.
Bu kapsamda, oluşturulan robot kolun, Robot İşletim Sistemi (ROS) - Unity3D yazılım programı tabanlı Sanal Gerçeklik (VR) arayüzleriyle entegre çalışması sağlanmıştır. Öncelikle ana eksenleri oluşturan 3 serbestlik derecesine (3DOF) sahip robot kol ayrıntılı işlenmiştir. Ardından model geliştirilerek 5 serbestlik derecesine (5DOF) sahip mekanizma haline getirilmiştir. Robot kolun hareket mekanizması için ileri ve ters kinematik  yöntemler kullanılmıştır. Robot kol hareketinin doğruluğunu ölçmek için ileri kinematik yöntemi olan homojen dönüşüm matrislerinden faydalanılmıştır. Matris hesaplamaları için Python program dilinden faydalanılmıştır. Gerçek dünyada oluşturulan robot kol hareketi için Arduino geliştirme kiti kullanılmıştır. Sanal ortamdaki robot kolun hareket mekanizması için ise gradyan iniş algoritmasından faydalanılmıştır. Sanal ortamdaki robot kol kontrolü için Sanal Gerçeklik Gözlük ve Konsolları kullanılmıştır.

Abstract:
Industry 4.0 and the digital factory represent fundamental technologies for designing, simulating, optimizing, and interacting with physical production systems remotely or collaboratively through virtual reality. Recent experiences in industrial and space applications have demonstrated that virtual reality techniques can open new horizons when combined with versatile robot control techniques. Thus, Virtual reality techniques pave the way for a new quality of user-friendly human-machine interfaces in robot control technology by providing an "extended arm" to the physical environment for situations such as sustainability and testability.
In this study, the aim was to develop systems that integrate these two environments, allowing control of an existing system in the real world remotely, thereby reducing factors like the cost problem in prototyping and occupational safety risks. Accordingly, a robotic arm, which is the most commonly used and still evolving mechanism today, was selected to operate within an integrated system in both real and virtual environments.
In this context, the created robotic arm was integrated to work with Virtual Reality (VR) interfaces based on the Robot Operating System (ROS) and Unity3D software program. Initially, the robotic arm with 3 degrees of freedom (3DOF), which constitutes the main axes, was detailed. Then, the model was developed into a mechanism with 5 degrees of freedom (5DOF). Forward and inverse kinematic methods were used for the movement mechanism of the robotic arm. Homogeneous transformation matrices, a forward kinematic method, were utilized to measure the accuracy of the robotic arm's movement. Python programming language was used for matrix calculations. An Arduino development kit was used for the movement of the robotic arm created in the real world. For the movement mechanism of the robotic arm in the virtual environment, the gradient descent algorithm was utilized. Virtual Reality Headsets and Consoles were used for the control of the robotic arm in the virtual environment.