Dört ayaklı hidrolik tahrikli bir robotun modellenmesi ve uygulaması

Abstract

Bu tez çalışmasında, yenilikçi bir yaklaşımla dört ayaklı bir robotta kullanılmak üzere bir robot bacağının tasarımı yapılmıştır. Tasarımın kendisi için optimizasyon tekniklerinin uygulanması, çalışmanın yenilikçi yönlerinden biridir. Tasarım aşamasında, robot bacağının mekanizması ve topolojisi hidrolik güç ünitesinin yükünü azaltmak için optimize edilmiştir ve sonuç olarak, mobil robotlarla ilgili en büyük problemlerden biri olan enerji verimliliği geliştirilmeye çalışılmıştır. Ayrıca, imal edilen robot bacağın konum kontrolü için çeşitli kontrolcüler tasarlamak ve tasarlanan kontrolcülerin performanslarını ölçmek için benzetim çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak, tasarlanan kontrolcülerin parametrelerini, sistem yanıtını belirlenen metriklere göre şekillendirebilmek için yine optimizasyon temelli yaklaşımlar kullanılmıştır. Bu bağlamda, benzetim çalışmalarında kullanılmak üzere tasarlanan robot bacağın matematiksel modeli ve fiziksel modeli elde edilmiştir. Daha sonra, gerçekleştirilen benzetimler ile elde edilen kontrolcülerin geçerliliğini ve güvenilirliğini doğrulamak için, bacak modelinin ilk örnek üretimi yapıldıktan sonra gerçek sistem üzerinde kontrol denemeleri yapılmıştır. Bahsedilen optimizasyonlar, sürü zekâsı metasezgisine dayanan yeni bir arama algoritması olan Arı Algoritması ve literatürde yaygın olarak kullanılan aynı zamanda başka bir metasezgisel algoritma olan Genetik Algoritma kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Son olarak, tasarlanan ve imalatı yapılan robot bacağın hâlihazırda elde edilen modeli kullanılarak, kendi kendini dengeleme ve yüksek hareket kabiliyeti olan dört ayaklı bir robot konsepti önerilmiştir. Ayrıca, dört ayaklı bir robotun yürümesi sırasında robot bacağın adımı için bir yörünge tasarımı yapılmıştır. Bu bağlamda, dört ayaklı yürüyüş sırasında robot bacağının yörüngesinin belirlenmesini sağlamak için bir Merkezi Örüntü Üreteci tasarlanmıştır. Tasarlanan ve imalatı yapılan robot bacağın hâlihazırda elde edilen modeli kullanılarak dört ayaklı bir robotun yürüyüş analizleri yapılmıştır.

In this thesis, a novel robot leg was designed to use in a quadruped robot with an innovative approach. The application of optimization techniques for the design itself is one of the innovative aspects of the study. In the design phase, the mechanism and the topology of the robot leg was optimized to reduce the load of the hydraulic power unit, and consequently, the energy efficiency, which is one of the major problems related to mobile robots, was tried to be improved. Furthermore, to design various controllers to control position of the designed robot leg, and to benchmark performances of the designed controllers, simulations were performed. In addition, optimization-based approaches were used to shape the parameters of the designed controllers according to the determined metrics. In this context, the mathematical model and the physical model of the designed robot leg were obtained to use in simulations. Then, to verify the validity and reliability of the controllers obtained with the simulations, control experiments were performed on the real system after manufacturing the leg model prototype. The mentioned optimizations were realized by using The Bees Algorithm which is a novel search algorithm based on the swarm-intelligence metaheuristic and Genetic Algorithm which is widely used in the literature and at the same time is another metaheuristic algorithm. Finally, a quadruped robot concept with self-balancing and high mobility was proposed based on the already obtained model of the designed and manufactured robotic leg. Furthermore, a trajectory design was made for the robot leg during the walking of a quadruped robot. In this context, a Central Pattern Generator was designed in order to provide the trajectory determination of the robot leg during quadruped walking. Gait patterns of a quadruped robot were analyzed by using the already obtained model of the designed and manufactured robot leg.