Dört Ayaklı Robotlar için Üç Serbestlik Dereceli Bacak Tasarımı ve Kesir Dereceli PID (PI?D?) Tabanlı Kontrolü

Abstract

Dört ayaklı robotlar, tekerlekli sistemlere kıyasla farklı arazi şartlarında yüksek hareket kabiliyetinesahip, karmaşık dinamik yapısı nedeniyle robotik ve kontrol alanında popülerliğini artıran, bacaklı mobilrobotlardır. Bu çalışmada; yürüyüş planlaması, adım yörüngesi tasarımı, gövdenin denge kontrolü gibikonularda hızlı ve etkili bir benzetim yapabilmek amacıyla, üç serbestlik dereceli doğrusal bacak modelive kontrolü sunulmuştur. Uzuv boyutlar, kütle, atalet, eklem sertlik ve sönüm değerleri vb. gibi dinamikparametreleri içeren gerçekçi bir fiziksel model Matlab/Simulink/ Simscape’de tasarlandı ve benzetimigerçekleştirildi. Robotun yürüyüşü boyunca standart bir adım yörüngesini gerçekleştirmek için gereklieklemlere ait açısal konum aralıkları dikkate alınarak, fiziksel model üzerinden doğrusallaştırma araçlarıkullanılarak, girişi tork-çıkışı açısal konum olacak şekilde, sistemin doğrusal Durum-Uzay modeli eldeedilmiştir. Sistemin doğrusal model ile fiziksel modelinin, sabit tork girişine karşın birim basamakcevapları karşılaştırılmış ve küçük hata değerleri ile modellere ait cevapların birbirine benzer sonuçlarverdiği görülmüştür. Doğrusal model üzerinden sistemin, farklı kesir dereceleri seçilerek tasarlanan PI?D? kontrolcüleri ile açısal konum kontrolü, klasik PID kontrolcü ile karşılaştırmalı olarak gerçekleştirmiştir. Benzetim sonuçları sunulmuş ve değerlendirilmiştir.

Quadruped robots are legged mobile robots that increase their popularity inrobotic and control areas due to their complex dynamic structure with highmobility in different terrain conditions compared to wheeled systems. In thisstudy; A 3-DoF linear leg model and its control are provided in order to enablequickly and effectively simulate about on such subjects that walking planning,foot trajectory design and body stability control of robot. A realistic physicalmodel with parameters such as the dimensions, masses, inertia of limbs and the stiffnessand damping values of joints is designed on Matlab/SimMechanics and simulatedon Simulink environments. By taking into account the angular position ranges ofthe joints required for the robot to perform a standard step trajectory duringthe walk, the linear state-space model of the system (torque input- angularposition output) is obtained using the linearization tools over the physicalmodel. The unit step responses of the physical model are compared with theobtained linear model responses under constant torque input and it isunderstood to give similar results with small error values. Using the linearmodel, the angular position control of the system is achieved with PI?Dµcontrollers designed by selecting various parameters of fractionorders as comparatively the classical PID. Simulation results are presentedand investigated.