T.C.
BALIKESİR ÜNİVERSİTESİ
BİLİMSEL ARAŞTIRMA PROJELERİ BİRİMİ
YÜRÜYEN ROBOTİK SİSTEMLER İÇİN AYAK TASARIMI, ANALİZİ
VE İMALATI
Proje No:
Bilimsel Araştırma Projesi
SONUÇ RAPORU
Proje Yürütücüsü:
Dr.Öğr.Üyesi Davut AKDAŞ
Mühendislik Fakültesi
Araştırmacı:
Doktora Öğrencisi Ömer PEKDUR
Mühendislik Fakültesi
Aralık 2020
BALIKESİR
2
ÖNSÖZ
3
İÇİNDEKİLER
ÖZET
ABSTRACT
1. GİRİŞ
2. GENEL BİLGİLER
2.1. Elastik Aktüatörler
2.2. Seri Elastik Aktüatörler
2.3. Hava Yayı
2.4. Robot
14
2.4.1. Robot Tarihçesi
2.4.2. Robotların Gelişim Aşamaları
2.4.3. Robotların Sınıflandırılması
2.4.4. İnsansı Robotlar
2.4.4.1. İnsansı Robotların Gelişimi
2.4.5. Robotik Kollar
2.4.5.1. Robotik Kolların Çeşitleri
3. GEREÇ VE YÖNTEM
3.1. Deneysel Hava Yayı Çalışması
3.2. Birinci Tasarım: Düşük Güçler İçin
3.3. İkinci Tasarım: Yüksek Güçler İçin
3.4. Üçüncü Tasarım: Düşük Güçler İçin İkinci Versiyon
3.5. Robot Bacak Tasarımı
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
5. KAYNAKLAR
Sayfa
7
8
9
9
10
11
13
15
17
17
17
18
19
20
24
24
24
29
33
36
37
38
4
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 2.1: Paralel ve seri elastik aktüatör kullanım örnekleri
Şekil 2.2. SEA’nın şematik gösterimi.
Şekil 2.3. Seri Elastik Aktüatör
Şekil 2.4. Seri elastik aktüatörde oluşan kuvvetler ve yönleri.
Şekil 2.5 Hava yayı karakteristiği.
Şekil 2.6 Abaküs
Şekil 2.7 İskenderiye'li Heron'un Otomatı
Şekil 2.8 Asimo ailesi
Şekil 2.9 Toyota’nın koşan robotu
Şekil 2.10 İnsansı robot örnekleri
Şekil 2.11 Çeşitli robot kol tasarımları
Şekil 2.12 İnsan ve robot kolunun karşılaştırılması
Şekil 2.13 Direkt bağlanan aktüatörler
Şekil 2.14 Robot kol örnekleri
Şekil 2.15 Hibrit robot tasarımı
Şekil 2.16 Robot çiğ yumurta taşırken
Şekil 2.17 Robotun kontrolü
Şekil 2.18 Robot kolu ve manipülatörü
Şekil 3.1 Hava yayına dönüştürülen körük
Şekil 3.2 Bilgisayarlı yay basma cihazı
Şekil 3.3 Hava yayı karakteristiği çıkarma deneyi
Şekil 3.4 Cihazdan alınan yay sabiti grafiği
Şekil 3.5 Hava yayı karakteristik grafiği
Şekil 3.6 SEA’nın katı modeli
Şekil 3.7 SEA’yı oluşturan parçaların katı modeli
Şekil 3.8 İmal edilen parçalar.
Şekil 3.9 Montajı tamamlanan SEA.
Şekil 3.10 Tasarımı yapılan hava yayı
Şekil 3.11 Deney düzeneği.
Şekil 3.12: İlk üç testin grafikleri
Şekil 3.13: Daha sonraki üç testin grafikleri
Şekil 3.14: Son iki testin grafikleri
Şekil 3.15: Tüm testlerin grafikleri
Şekil 3.16 Monte edilmiş hava yayı.
Şekil 3.17 Yüksek güçlü seri elastik aktüatörün taslak tasarımıdır
Şekil 3.18 SEA tasarımı
Şekil 3.19 İmalatı gerçekleştirilen SEA
Şekil 3.20 Vidalı mil
Şekil 3.21 SEA deneysel test düzeneği örneği
Şekil 3.22 SEA deneysel test düzeneği
5
Sayfa
10
11
12
13
14
15
15
18
19
19
20
20
21
21
22
22
23
23
24
25
25
26
27
27
28
28
29
29
30
31
31
32
32
33
33
33
34
34
35
35
Şekil 3.23 SEA’nın çalışırlığının görüldüğü robot ayağı çizimi
36
TABLO LİSTESİ
Tablo 3.1 Hava yayı karakteristik tablosu
Tablo 3.2: İlk üç test için hava yayı karakteristik tablosu
Tablo 3.3: Daha sonraki üç test için hava yayı karakteristik tablosu
Tablo 3.4: Son iki test için hava yayı karakteristik tablosu
Tablo 3.5 DC Motorun Özellikleri
6
Sayfa
26
30
31
32
34
ÖZET
Yaptığımız projede amacımız çoklu yay sabitine sahip Seri Elastik Aktüatör
tasarlamak ve imal etmektir. İnsanın doğal kol ve bacak hareketlerini taklit edebilecek şekilde
tasarlanan robotlarda ve dış iskelet sistemlerinde Seri Elastik Aktüatörler (SEA)
kullanılmaktadır. Bu robotların ve dış iskeletlerin hareket mekanizmalarında kullanılan SEA
sayesinde eklem hareketleri istenilen hassasiyette ve kuvvette yaptırılabilmektedir. Mevcut
SEA 'lerde çeşitli elastik malzemeler veya yaylar kullanılmaktadır. Kullanılan tüm elastik
malzemelerin ve yayların yay sabiti tek olması nedeniyle imal edilen tüm SEA 'lar tek bir
karakteristik özelliğe sahiptir. Bu projede yapılan SEA 'da hava yayı kullanılmıştır. Tasarımı
yapılan SEA 'da kullanılan hava yayının iç basıncı ayarlanabilirdir. İç basıncın
değiştirilebiliyor olması nedeniyle SAE'de kullanılan hava yayının yay sabiti
değiştirilebilmektedir. Bu sayede tasarlanan SAE'nın kullanılacağı yerlere, yapacağı hareket
tarzlarına, hareket hızlarına ve maruz kalacağı darbelere göre kendisine etki edecek kuvvetleri
farklı şekillerde karşılayacaktır. Bu sayede SAE'nin ileride kullanılacağı muhtemel robot ve
dış iskelet tasarımlarında, yaptırılacak hareketlerin her zaman insanın doğal kol ve bacak
(yürüme, koşma, zıplama, ağırlık kaldırma, yumruk atma vb.) hareketlerine en yakın şekilde
olması sağlanacaktır.
Projemizin ilk aşamasında SAE'de kullanılan hava yayının farklı iç basınçlardaki sahip
olduğu yay sabiti değerleri çıkarılmıştır. Bu aşamada yapılan deney düzeneği ve otomatik yay
tansiyon cihazı sayesinde kullanılacak hava yayının yay sabiti eğrileri hesaplanarak elde edilen
veriler sayesinde tasarlanan ve imalatı gerçekleştirilen SEA 'nın kontrol algoritması
yaratılabilmiştir.
Projemizin ikinci aşamasında bilgisayar destekli tasarım yapılarak imal edilen SEA
'nın imalat ve montaj resimleri çizilmiştir. Yapılan resimler doğrultusunda tasarlanan SEA
'nın imalatı gerçekleştirilmiş, ardından kontrol için gerekli olan nihai iç basınç / kuvvet
karakteristiği çıkarılmıştır.
Projemiz in son aşamasında mekanik olarak imalatı gerçekleştirilen SEA 'nın kontrol
ve elektronik sistemlerinin tasarım ve imalatı gerçekleştirilerek statik ve dinamik analizleri
gerçekleştirilmiştir. Projemiz in özgün değeri olarak, ileriki dönemde robotlarda ve dış
iskeletlerde kullanılabilecek literatürde yer almayan bir çoklu yay sabitine sahip Seri Elastik
Aktivatör tasarlanmış, imal edilmiş, statik ve dinamik analizleri yapılmıştır.
Anahtar Kelimeler : Robot tasarımı, Dış iskelet tasarımı, Seri elastik aktüatör, Hava yayı.
7
ABSTRACT
Our goal in the project is to designed and manufactured a Series Elastic Activator with
multiple spring constant. Series Elastic Activators (SEA) are used in robots designed to mimic
human natural limb movements and in exoskeleton systems. By using SEA in the movement
mechanisms of these robots and exoskeletons, joint movements can be made with the desired
precision and strength. Various elastic materials or springs are used in ex isting SEAs. Since
all elastic materials and springs used have a single spring constant, all manufactured SEAs
have a single characteristic feature. In this project, the air spring is used in the SEA . The
internal pressure of the air spring to be used in the SEA to be designed is adjustable. Since the
internal pressure can be changed, the spring constant of the air spring used in the SEA is
adjustable. This way the designed SEA meets the forces that affect it depending on where it is
used, type of moves it performs, movement speeds and impacts it is exposed to in different
ways. This ensures that the movements to be made are always the closest to the movements of
the natural arm and leg (walking, running, bouncing, weight lifting, punching, etc.) in
probable robot and exoskeleton designs that the SEA will be able to use in the future.
In the first phase of the project, the spring constant values of the air spring to be used
in SEA at different internal pressures is deducted. The experimental setup to be built in this
phase and the automatic spring tension device is used to calculate the spring constant curve of
the air spring to be used and the control algorithm of the SEA to be designed and
manufactured is created by means of the obtained data.
In the second phase of the project, the production and installation drawings of SEA
which is produced by computer aided design is drawn.
The final internal pressure / force characteristic required for the control is derived after
the construction of the SEA designed in line with the drawings is performed. In the final
phase, control and electronics systems of the SEA , which is mechanically manufactured, is
designed and its static and dynamic analysis' is realized. The original value of our project is to
is designed, manufactured and analyzed static and dynamic static elastic actuators with
multiple spring constants which can be used in robots and exoskeletons in the future.
Keywords : Robot design, exoskeleton design, Series elastic actuator, air spring.
8
1. GİRİŞ
Gerçekleştirdiğimiz projenin amacı, doğal dinamikleri kullanarak insan kol ve bacak
hareketlerini taklit edebilecek bir robot ayak veya kol tasarımında kullanılabilecek çoklu yay
sabitine sahip Seri Elastik Aktüatör (SEA) tasarlanması, tasarıma göre imalatın
gerçekleştirilmesi ve SEA 'nın robot ayak veya kol sisteminde uygunluğunun ve
çalışabilirliğinin kontrol edilmesidir.
Proje çalışmamıza, imalatını yaptığımız SEA 'da kullanılan hava yayının değişik iç
basınçlardaki yay sabiti karakteristiğinin deneysel olarak çıkarılmasıyla başladık. Çünkü
tasarımımızda kullanılan hava yayının imalatçısı tarafından çıkarılmış herhangi bir yay
karakteristik grafiği bulunmamaktadır. Bu karakteristiğe sahip olmak projenin önemli
aşamalarından birini ihtiva etmektedir. Çünkü tasarlanan SEA 'nın kontrolünde deneysel
olarak elde edilen bu veriler kullanılmıştır. Elde edilen verilerin kesinliği, tasarımı
gerçekleştirilen SEA 'nın kontrol hassasiyetini ve muhtemel kullanım alanları olan robot ve
dış iskelet hareket hassasiyetini sağlamaktadır.
Projemizin ikinci aşamasında, robot ayak veya kol sistemlerinin, insanın doğal
dinamiklerinin kullanarak hareket etmesini sağlayan çoklu yay sabitine sahip SEA 'ün tasarımı
yapılmıştır. Bu aşama bilgisayarlı tasarım aşamasıdır. Bilgisayarlı tasarım aşamasında
Solidworks programı kullanılmıştır. Kullanılan program sayesinde tasarlanan SEA 'nın
ayrıntılı imalat ve montaj resimleri yapılabilmiştir. Ayrıca çizilen üç boyutlu parçaların
montaj aşamasında nasıl hareket ettikleri ve çalışma şekilleri bilgisayar ortamında imalatı
yapılmadan görülebilmiştir. Böylece imalat sırasında oluşabilecek aksaklıklar en aza
indirilebilmiştir. Bu aşamada imalatta kullanılan malzeme çeşitleri de seçilmiştir.
Projemizin bir sonraki aşamasında, hava yayı kullanılacak SEA 'nın yapılan tasarıma
göre imalatı gerçekleştirilmiştir. SEA’nın imalatı sırasında. Çeşitli talaşlı imalat tezgahları
(torna, freze, matkap), üç boyutlu yazıcı ve CNC tezgahı kullanılmıştır.
Projemiz in daha sonraki aşamasında, daha önce karakteristiği çıkarılmış hava yayının
tasarımdaki davranışı kontrol edilmiş ve nihai iç basınç / kuvvet karakteristiği deneysel olarak
belirlenmiştir. Daha sonra SEA 'nın kontrol ve elektronik sistemlerinin tasarımı ve imalatı
yapılmıştır.
9
Projemiz in daha sonraki aşamasında imalatı gerçekleştirilen ve elektronik olarak
kontrol edilen SEA 'nın statik ve dinamik analizleri yapılmıştır.
Projemiz in son aşamasında imalatı ve analizleri biten SEA 'nın robot ayak veya kol
sisteminde çalışabilirliği ve uygunluğu kontrol edilmiştir.
Proje çalışması aşamasında farklı robot tiplerinde kullanılabilecek üç farklı SEA
tasarımı, imalatı ve analizleri yapılmıştır.
2. GENEL BİLGİLER
Projemizin literatür çalışmasında özellikle üç çeşit tasarımını yaptığımız Seri Elastik
Aktüatörlerden (SEA), SEA 'nın tasarımında kullandığımız hava yaylarından, SEA 'nın
uygunluğunun ve kullanılabilirliğinin kontrol edildiği robot ayak ve kol sistemlerinden
bahsedeceğiz.
2.1 Elastik Aktüatörler
Aktüatörlerin karakteristikleri hareket oluşturmada ve kontrolünde anahtar elemanlardır.
Canlılardaki hareket kabiliyetleri ve hareket esnasındaki enerji depolama özellikleri,
canlılardaki ile kıyaslanabilir özellikte aktüatör olmaması nedeniyle, günümüzde
gerçekleştirilen makinalarca yakalanamamaktadır. Canlıların kaslarının mekanik yapısı ve
nörolojik kontrol yöntemi, özellikle eklemlerin sürekli ve gerçek zamanlı empedanslarının
değiştirilebilmesi açısından, günümüz robotlarının çok ötesindedir. Günümüzdeki robot
yapılarında genellikle eklemlerin konum kontrolü yapılmaktadır. Robot kolu istenen konuma
geldiğinde bu konumu, dışarıdan bozucu kuvvetler uygulansa bile korur (ideal olarak sonsuz
empedans durumunda) [1]. Bu yüksek empedans, motor şaftına bağlı yüksek dişli oranına
sahip dişli kutusunca sağlanmaktadır. Endüstriyel robotlar için bu istenen bir durumdur, fakat
çevresi ile etkileşen robotlar için eklem empedanslarının değiştirilebilir olması istenir [2].
Bu nedenle bir çok robot uygulamasında elastik aktüatörler kullanılmaktadır. Elastik
Aktüatörlerin etkisini oluşturabilecek farklı mekanik yapıların pratikte uygulandığını
görmekteyiz. Bu elemanların tüm türevleri karakteristik olarak kinetik enerjinin depolanması
ve darbe emilmesi ortak özelliklerini taşımakla birlikte farklı fiziksel prensiplerle istenen
eklem empedansı elde edilmektedir.
Elastik Aktüatörler, robot veya dış iskeletlerde kullanılan hareket mekanizmalarıdır.
Elastik aktüatörler, motor ile kuvveti ileten elastik elemanın birleşiminden oluşan bir
mekanizmadır. İki çeşit elastik aktüatör bulunmaktadır[3]:
a. Seri elastik aktüatörler
b. Paralel elastik aktüatörler
10
Şekil 2.1: Paralel ve seri elastik aktüatör kullanım örnekleri
Bizim çalışmamızda seri elastik aktüatör üzerine çalışıldığından bundan sonra o konuda
bilgiler verilecektir.
2.2 Seri Elastik Aktüatörler
Seri Elastik Aktüatörler yüksek oranda kuvvetin kontrol edildiği aktüatörlerdir [4]. Gill
Pratt ve Matthew Williamson tarafından MIT AI Labratuvarında bulunmuştur [5]. Ayaklı
robotlarda, robot kollarda, protezlerde ve dış iskeletlerde kullanılmaktadır.
Seri elastik aktüatörde bir yay seri olarak motorun veya dişli kutusunun çıkışına
yerleştirilmiştir. Aktüatörün çıktı kuvveti yayın sıkışmasına bağlıdır. Hooke kanununa göre
çalışır (F=kx). Yayın sıkıştırılması üzerinden geri besleme alınarak kontrolü yapılır. Çıkış
gücü böylece kontrol edilir. Yayın pozisyonu kontrol edilebilir bir cihaza dönmesinden
dolayı, motor ve dişli kutusu da kuvvet kontrol edilebilir alete döner.
Seri elastik aktüatörler içsel elastik yapıya sahip olduklarından, özellikle darbe
şeklindeki yüklerin enerjilerinin emilmesinde diğer yapılara göre avantajlara sahiptir [5-19].
Elastik elemanlar, çıkışı yüksek empedansa sahip olan tahrik elemanlarına (yüksek dişli
oranlı elektrik motorları) seri olarak bağlanmaktadır. Belirli empedans değerlerinin her zaman
yakalanması için, elastik elemanlar her zaman ön yükleme altında olmak zorundadır. Bunun
için aşağıda şekil 1 de gösterilen birbirleri ile zıt çalışan (antagonistik) yapı ve değişik
türevleri kullanılmaktadır. Bu şekilde iki adet yay elemanın motor1 ve motor2 tarafından
belirli oranlarda zıt veya birbirine göre aynı yönde ve farklı kuvvetlerde sürülmesi ile istenen
çıkış empedansı sağlanmaktadır. Bu basit yapının dezavantajları eklem torkunun tek bir
motorun azami torkundan daha fazla olamaması ve yayın uzama sınırlarında tork elde
edilememesidir [20].
11
Şekil 2.2. SEA’nın şematik gösterimi.
Literatürde her bir yayın ayrı ayrı veya birlikte başka yay elemanlarına bağlanması ile
motorların tork-yay elemanlarının hareket sınırları geliştirilmiştir [21]. Başka bir çalışmada
ise Şekil 2.1’dekinden farklı olarak her bir motora sağlı-sollu iki adet yay elemanı bağlandığı
ve bunun yay davranışını olumlu geliştirdiği sunulmuştur [22]. Fakat her bağlantı şeklinde
sürülen eklem empedansı ve eklem konumu motorların birbiri ile senkronize çalışmasıyla
gerçekleşmekte ve eklem konumu ve eklem empedansı aynı motor çifti ile sağlanmaktadır.
Bazı çalışmalarda üçüncü bir motor kullanılarak eklem konumu ve eklem empedansı
birbirinden bağımsız hale getirilmiştir [23 ve 24]. Bu çalışmalarda kısıtlı iyileştirmeler elde
edilmesine rağmen yapıların büyüklüğü ve ilave motor gereksinimi mobil robot
uygulamalarında uygulanmalarını güçleştirmektedir.
Aktüatörün çıktı kuvveti yayın sıkışmasına bağlıdır ve Hook Kanunu (F=k.x) temeline
dayanmaktadır. Yayın sıkıştırılması bir sensör yardımıyla hesaplanır. SEA’da kullanılan yayın
sabiti bilindiği için yayın sıkışma miktarına göre çıktı kuvveti otomatik olarak hesaplanır. Bu
hesaba göre motora sinyal gönderilerek kuvvetin kontrol edilmesi sağlanır. Şekil 2.3 seri yay
elemanların kullanımı ile gerçekleştirilen aktüatörü göstermektedir. Şekil 2.4’te ise bu seri
elastik aktüatörün çalışması esnasında kuvvet yönlerine bağlı olarak yay elemanlarının şekil
değiştirmeleri gösterilmektedir. Bu çalışmada yaylar, uygulanan kuvvetle doğrusal olarak şekil
değiştirmektedir. Yay katsayısı ve yaylara uygulanan ön gerilme, robot tarafından manipüle
edilecek cisimler (eğer bu sistem robot kollarında kullanılırsa) sadece benzer boyutlarda ve
ağırlıklarda olduğu durumlarda verimli kullanım olacağı görülmüştür. Çünkü yayların ön
gerilmelerinin değişimi el ile yapılmaktadır. Ayrıca bu tasarımda aktüatörün bağlı olacağı
robot yapının konum ve empedansının birlikte değiştiği görülmüştür. Dışarıdan gelebilecek
bozucu kuvvetler eklem konumunu değiştirmiştir. Sonuç olarak eklem konum ve eklem
empedansı bu tasarımda birbirinden bağımsız olarak korunamamıştır. Ayrıca mekanik yapı
sabit robot kolları için bir alternatif aktüatör yapısı oluştursa da, yürüyen robotlar için bu yapı
oldukça büyük ve ağırdır. Özellikle mobil robotun tüm elektronik ve mekanik elemanları ve
enerji depolama birimleri üzerinde taşıma olasılığı düşünüldüğünde, seri elemanın,
12
hâlihazırda oldukça ağır olan motorlara çok fazla ilave ağırlık oluşturmaması gerekir. Bu
çalışma sonucunda hava yayının daha iyi bir alternatif olacağı sonucuna varılmıştır.
Şekil 2.3. Seri Elastik Aktüatör
Şekil 2.4. Seri elastik aktüatörde oluşan kuvvetler ve yönleri.
2.3
Hava Yayı
Hava yayları genellikle titreşimli yerlerde titreşim sönümleyici olarak kullanılırlar. En
çok kullanıldığı yerler otomobil, kamyon, otobüs, tren gibi araçlar ile titreşimli çalışan
makinelerdir. Hava yayları birçok biçimde imal edilmektedirler. Bağlandıkları yerlere,
çalışma koşullarına ve maruz kaldıkları kuvvetlerin büyüklüklerine göre hava yaylarının şekil
ve büyüklükleri değişmektedir. Hava yaylarının çalışma prensibi (içerisinde hava veya azot
gazı bulunabilir.) kapalı hacimdeki gazların elastik davranışlarının yay olarak kullanılmasına
dayanmaktadır. Hava yayları progresif yay karakteristiğine sahiptirler. Hava yayının yay sabiti
içindeki hava basıncının değişimine bağlı olarak değişmektedir.
Hava yayının bir diğer önemli yanı ise artan yük ile hava yayının artan iç basıncı
neticesinde yay katsayısının artması ve azalan işletme basıncında ise uygun bir şekilde
azalmasıdır. Örnek bir hava yayının yay karakteristiği Şekil 2.5’te görülmektedir [25 ve 26].
Bu şekilde hava yayının doğrusal olmayan karakteristiğe sahip olduğu görülmektedir.
13
Literatürde de bu tür kuvvet-konum ilişkisinin seri elastik aktüatörlerden istenen bir özellik
olduğu belirtilmektedir. Özellikle zıplama hareketi yapan robotlar üzerine çalışma yapan
araştırmacılar [27] bu karakteristiğin ani darbelerin emilmesi için gerekli olduğu sonucuna
varmışlardır. Bizim nihai amacımız, seri elastik aktüatörü yürüyen robotlarda kullanılması
için geliştirmektir. Yürüme esnasında zemin ile ayakaltı arasında ani kuvvet aktarımı
olacağından aşağıda yer alan Şekil 2.5’deki hava yayı karakteristiğinin amaca uygun olduğu
görülmektedir.
Literatürde hava yaylarının doğrudan robot eklemlerini sürdükleri uygulamalarda vardır.
Bu tür uygulamalarda havalı eleman doğrudan aktüatörün kendisi olmaktadır ve yapay kas
olarak adlandırılmaktadır. En yaygın kullanılan tasarım McKibben yapay kasıdır [28]. Yapay
kaslar kendi içyapılarında yüksek sürtünmeye sahiptir. Ayrıca çalışmaları esnasında histeresis
ve ölü bölge konum ve empedans kontrolü yapılmasını oldukça güçleştirmektedir. Yapay
kaslar parçalı (pleated) yapılarak bu olumsuzluklar azaltılmaya çalışılsa da önemli bir ilerleme
kaydedilememiştir [29 ve 30]. Bu sebeplerden dolayı seri elastik aktüatörler pratik
uygulamalarda yer almaktadır ve eklem empedans kontrolünde başarılı sonuçlar vermektedir
[31].
Şekil 2.5 Hava yayı karakteristiği.
14
2.4 Robot
Seri Elastik Aktüatörlerin kullanım yerlerine bakıldığında robot bacak ve kolları olduğu
görülmektedir.
Robot, otonom veya önceden programlanmış görevleri yerine getirebilen elektromekanik bir cihazdır. Robotlar doğrudan bir kullanıcı tarafından yönetilebildiği gibi bağımsız
olarak bir bilgisayar programının kontrolünde de çalışabilir [32].
Günümüzde robot teknolojisinin gelişmesi sonucu robotlar hayatımızın her safhasında
karşımıza çıkmaya başlamıştır. Robotlar eğlence, sağlık, sanayi, askeri vb. alanlarda
kullanılmaktadır.
Robotlar çevreyi sensörler vasıtasıyla algılar, aldığı verileri işler ve işlenen veriler
doğrultusunda aktüatörler yardımıyla hareket ederler.
2.4.1 Robot Tarihçesi
”Robot” sözcüğünü ilk olarak Karel Capek adlı Çekoslovak bir yazar 1921’de yazdığı
RUR (Rossum’s Universal Robots) adlı tiyatro oyununda kullanmıştır. Çekoslovakça’da
”robota” sözcüğü ”zorla çalıştırılan işçi” demektir[33]. Aslında Karel robot sözcüğünü 1917
yılında yazdığı kısa hikaye olan Opilec’te kullanmış ancak terim olarak ilk defa oyunda
geçmiştir. Robotlar oyunda Rossum ve oğlunun topluma hizmet etmek için oluşturduğu insan
görünüşlü yaratıklardır.
Fakat robot fikri 3000 sene öncesine kadar uzanır. Homeros İlyada adlı eserinde
hareketli üçayaklılardan bahsetmektedir[34 ve 35]. Sadece mekanik yapıda olan ve daha çok
otomat denilebilecek bu ilkel robotların zeki olarak tanımlanmasına katkı sağlayan, aynı
zamanda da dijital bilgisayarların atası olan Şekil 2.6’daki Abaküs ise M.Ö. 1000 yıllarında
Hindistan' da geliştirilmiştir.
Şekil 2.6 Abaküs
Otonomi kavramı da Aristo'nun M.Ö. 4. Yüzyılda yazdığı, "Eğer her araç kendi işini
görebilseydi, mekik insan eline ihtiyaç duymadan kendi dokuyabilseydi, lir kendi çalabilseydi,
yöneticilerin elemanlara ihtiyacı kalmazdı." sözüyle tarihteki yerini almıştır [35].
15
M.Ö 300'lü yıllarda İskenderiye'li Hero, Herkül'ün bir ejderhayı okla öldürüşünü ifade
eden bir otomat (Şekil 2.2) ve M.Ö. 250'de de İskenderiye'li mucit Ctesibius suyla çalışan bir
saat mekanizması yapmıştır. Bu icatların önayak olduğu otomatlar ilk nesil robotlar sayılabilir.
Otomatların çoğu basit saat zembereği ile çalışan süs ve oyuncaklardır[34 ve 35].
Şekil 2.7 İskenderiye'li Heron'un Otomatı
1350 yılında Strazburg’daki katedralin tepesine otomatik bir horoz yerleştirilmişti. Her
gün öğle saatinde kanatlarını çırparak ötüyordu. 1947’de Venedik’te San Marco meydanındaki
büyük saat kulesine iki dev zangoç yapıldı. Aynı dönemde Eb-ül-İz-el-Cezeri adlı bir Arap
otomatlar hakkında bir kitap yazdı. Kitapta çamaşır teknesini doldurup boşaltabilen otomatik
bir Arap kadını resmediliyordu.
17. ve 18. yüzyılda Avrupa’da robotların bazı özelliklerine sahip olan çok çeşitli
otomatlar yapılmıştır. Bunlar çoğunlukla insan veya hayvan hareketlerini taklit eden mekanik
oyuncaklardı. Bu otomatların ortak özellikleri şöyledir:
•
Eğlence amacı ile tasarlanmışlardı. İnsanlar bu oyuncakların çalışma prensipleri
veya mekanizmaları ile değil daha çok görüntüleriyle ve marifetleriyle
ilgileniyorlardı.
•
Sadece belli bir görevi yerine getirmek için mekanik olarak programlanmışlardı.
Başka bir iş yapabilmeleri için sökülüp baştan yapılmaları gerekliydi.
•
Algılayıcı veya dedektör benzeri aygıtlar ta¸sımıyorlardı ve çevrelerine bir tepki
veremiyorlardı.
Bu otomatlara halkın ilgisi oldukça büyüktü. İnsanlar sadece bu oyuncakları görmek için
uzun yolcuklar yapmayı göze alıyorlardı. Krallar ve imparatorlar bu tip insan taklidi mekanik
sanat eserlerinin sunulmasından memnuniyet duyuyorlardı. Bu sebeple yetenekli birçok bilim
adamı bu alanda çalışma yapmayı tercih etmiştir.
Robotlarla ilgilenen bilim dalına "Robotik" ifadesini ilk olarak kullanan kişi Isaac
Asimov'dur. Robotik; Makine Mühendisliği, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği ve
Bilgisayar Mühendisliği disiplinlerinin ortak çalışma alanıdır. Robotlar değişik görevlerde
insan işgücünün yerini alarak yararlı bir amaç için iş ve değer üreten, bir yazılım aracılığı ile
yönetilen, belirli derecelerde karar verme ve iletişim yeteneği olan ve ayrıca canlı organizma
16
biçimselliğide gösterebilen makinelerdir. Isaac Asimov’a göre robot kavramında insanlığın
geleceği için üç önemli kuram vardır. Bu kuramlara "Asimov Robot Kanunları" denmiştir
[36].
•
Bir robot insana zarar vermez ve bir insanın zarar görmesine izin vermez. Diğer
aşağıdaki kuramlar tarafından aksi iddia edilemez.
•
Bir robot birinci kanuna aykırı olmadığı sürece insanlar tarafından verilen tüm
emirlere itaat eder.
•
Bir robot birinci ve ikinci kanuna aykırı bir durum olmadığı sürece kendi varlığını
korur. Daha sonradan 0’ncı kuramı eklemiştir,
•
Robotlar asla insan olgusuna zarar vermemelidir.
Daha sonradan 0’ncı kuramı eklemiştir,
•
Robotlar asla insan olgusuna zarar vermemelidir.
Hiçbir insan müdahalesi olmadan çevresindekileri algılayıp tepki vermek üzere
programlanabilen ilk robot, yapay zekâ laboratuvarlarında algılama ve görme ile ilgili teorileri
test edebilmek amacı ile tasarlanmıştır. Bu tip çalışmalardan biri de 1940'lı yıllarda
Shannon’un geliştirdiği labirent çözebilen faredir. Bu fare basit bir öğrenme algoritması ile
çalışmaktadır.
2.4.2 Robotların Gelişim Aşamaları
Robotların gelişimleri 3 aşamaları incelenebilir. Birinci kuşak robotlar öğrenen
robotlardır. Gerek operatör tarafından verilen komutlar, gerekse kontrolcü tarafından
yönlendirilen bir robot kolunun hareketleri robotun hafıza elemanları tarafından saklanır.
Çalışma esnasında alınan veriler ile hareket tekrarlanarak gerçekleşmeye başlar. Bu çeşit
robotlar çevreden bilgi alamazlar. Bu geri beslemenin olmayışı robotun değişken çevresel
etkilere adapte olmasını zorlaştırır.
İkinci kucak robotlar ise kendi duyuları olan, dış çevredeki değişkenlere uyum
sağlayabilen, duyma görme ve hissetme özellikleriyle seçim yapabilen robot türleridir.
Çalışma esnasında sensörlerden alınan bilgilerin yardımıyla konumunu akıllıca ayarlayabilen
bu robotlar ve çevresel değişimlerden etkilenmez. Alınan kararlar tamamen sensör bilgilerinin
önceden oluşturulmuş bir algoritmaya göre yorumlanmasıyla elde edilir.
Üçüncü kuşak robotlar ise akıllı robotlardır. İkinci kuşakta olduğu gibi birçok sensörler
ve ölçüm cihazları ile çevreden bilgiler alınır. Bu veriler yapay zekâ teknolojisi ile robotun
bağımsız düşünme, öğrenme, tanıma akıl yürütme ve yargılama gibi ileri düzey özelliklerini
geliştirir [37].
2.4.3 Robotların Sınıflandırılması
Robotlar, yapısal durumları, kullanıldıkları çevre, yaptıkları iş vb. pek çok konuda
sınıflandırılabilmektedir. Genel olarak bakıldığında robotlar yapısal olarak;
17
•
•
•
•
•
Mobil robotlar ( tekerlekli, paletli ve ayaklı)
Su altı ve uçan robotlar
Robot görüşü (robot vision)
Öğrenebilen robotlar (artificial intelligence)
Endüstriyel otomasyon
gibi ana sınıflara ayrılabilir [38].
Bu projede imalatı yapılacak SEA 'nın insansı robotlarda ve robot kollarda
kullanılabileceği için buradan sonra bunlardan bahsedilecektir.
2.4.4 İnsansı Robotlar
İnsansı robotlar, adından anlaşılacağı üzere yapısal ve davranışsal olarak insana
benzeyen robotlardır. İnsansı robot çalışmaları başlıca üç kullanım alanı için yapılmaktadır:
•
•
•
Eğlence alanında ( filmler vb.)
Sağlık alanında ( yapay eklemler vb.)
Endüstriyel ve askeri alanlarda ( robot askerler vb.)
2.4.4.1 İnsansı Robotların Gelişimi
İlk kayda alınmış insansı robot tasarımı Leonardo da Vinci tarafından 1495 yılında
yapılmıştır. Da Vinci’nin 1950 ‘lerde yeniden bulunan el kitabında detaylı çizimleri bulunan
mekanik bir şövalye tasarımı vardır. Bu şövalye oturup kalkabiliyor, el sallayabiliyor ve başını
hareket ettirebiliyordu [39].
İlk bilinen fonksiyonel robot 1738 yılında Jacques Vaucanson tarafından yapılan ve flüt
çalabilen bir androidtir. 1893 yılında George Moor bir buhar adam yaratmıştır. Westinghous,
1939 ve 1940 yıllarında dünya fuarlarında sunulan Electra adında bir insansı robot yapmıştır.
Bu arada ilk elektronik otonom robot Grey Walter tarafından 1948 yılında İngiltere’nin Bristol
Üniversitesinde yaratılmıştır [39].
Tamamen aktif sistemlerden bahsedersek, teknolojideki önemli ilerlemeler (sensör,
sürücü ve bilgisayar teknolojileri) ileri kapasiteli birçok insansı robotun yapılmasına izin
vermiştir.
Tamamen aktif insansı robot alanında öncü çalışma Japonya’nın Waseda
Üniversitesinden KATO tarafından yapılmıştır.1973 yılında WABOT-1 yaratılmıştır. Bu robot
dünyanın ilk tam boyutlu insan biçimindeki robotudur [40].
En ileri ve en bilinen insansı robotlarla ilgili çalışmalar Honda Motor Şirketi tarafından
yapılmaktadır. Asimo olarak bilinen bu robot aslında 1986’dan günümüze gelen birçok
prototip robotun oluşturduğu ve evrim geçirdiği bir çalışmanın sonucudur. Bu robot 5-6
18
km/s’lik hızlarda koşabilmekte ve 2,7 km/s’lik hızla yürüyebilmektedir. Çok rahat bir şekilde
merdiven inip çıkabilmektedir.
Şekil 2.8 Asimo ailesi
Honda’dan sonra Toyota’nın koşan robotu en hızlı insansı robottur. 7 km/s’lik hızla
koşabilmektedir. Ancak yürümesi ve koşması sadece düz yüzeylerde mümkündür [40].
Şekil 2.9 Toyota’nın koşan robotu
Günümüzdeki diğer önemli insansı robotlara baktığımızda ise FLAME, LOLA,
WABIAN-2R, HRP-2, HRP-3, H7, KOJİRO, JOHNNİE, CB-I isimli robotlar gelmektedir.
Gün geçtikçe insansı robotların sayıları, çeşitleri ve insana benzeme oranları daha çok
artmakta ve günün birinde insandan ayırt edemeyeceğimiz robotlar yapılacaktır.
19
Şekil 2.10 İnsansı robot örnekleri
2.4.5 Robotik Kollar
Robotik kol, programlanabilir, mekanik parçaların bütünü ya da komplex bir robotun bir
parçası olarak nitelendirilebilir. Günümüzde robotik kollar endüstrinin ayrılmaz bir parçası
haline gelmiştir.
İnsan gücünü en aza indirerek, hata payı oranını azaltıp üretim miktarını üst sev iyelere
getirerek, günümüz teknolojisine önemli derecede katkı sağlamaktadır [41].
Şekil 2.11 Çeşitli robot kol tasarımları
Robotik kolların tasarımları insan kolunun kopyası şeklindedir. Yapısı ve hareketleri
insan kolunun yapısını ve hareketlerini taklit eder.
20
Şekil 2.12 İnsan ve robot kolunun karşılaştırılması
2.4.5.1 Robotik Kolların Çeşitleri
Robotik kolların çeşitlerine bakıldığında:
a. Silindirik robot kolu: Yüksek dönüş kabiliyetleri sayesinde kartezyen robot kollarına
göre hareket etme kapasitesi daha yüksektir. Kolun biri dikey, diğeri yatay vaziyettedir.
Bundan dolayı tut ve taşı komutlarını yerine getirirler. Ancak esnek bir kullanıma sahip
değillerdir. Hidrolik, pnömatik ve elektrik motorlu çeşitleri bulunmaktadır [42 ve 43].
b. Kartezyen robot kolu: x,y ,z koordinat düz leminde her kol bir önceki kola göre dik
açıyla hareket eder. Belirli noktalara ulaşımı kolay olmasına rağmen hareketi bir o kadar
kısıtlıdır. Tut ve taşı komutlarını yerine getirirler. Büyük boyutlu ve ağır yükleri taşımak için
uygun bir robot koludur.
c. Scara robot kolu: Yüksek hız ve iş kapasitesine sahiptir. Üzerinde (eklem
noktalarında ) bulunan elektrik motorları, kolun kendi ekseni etrafında dönmesini sağlar; (ağız
kısmında ) bulunan pnömatik motorlar ise kola esneklik kazandırır.
d. Küresel robot kolu: Bir diğer adı Polar Koordinatlı Robot Koludur. Programlanması
zordur. Kollarının büyüklüğü ile hareket alanları birbirine zıttır. Yani kolun büyüklüğü
arttıkça hareket alanı kısıtlanır. Kaynak, eğme, bükme,yapıştırma vb. işlemlerde kullanılır.
Robotik kolların eklemlerinin hareketini sağlayan aktüatörler elektrikli (elektrik
motorları), hidrolik veya pnömatik aktivatörlerdir. Aktivatörlerin robot kolu üzerinde
yerleştirildiği yerlere bakıldığında iki çeşit oldukları görülmektedir [44].
a. Hareket noktasına direk bağlanan aktüatörler
b. Hareket noktasının dışına bağlanan aktüattörler
21
Şekil 2.13 Direkt bağlanan aktüatörler
Robot kol örnekleri incelendiğinde çok fazla çeşitte ve yapıda robot kolu tasarlandığı
görülmektedir.
Şekil 2.14 Robot kol örnekleri
Disney Research tarafından tasarlanan yeni bir hibrit robot bulunmaktadır [45 ve 46].
Bu robotta hareket sistemi olarak hem hidrolik hem de pnömatik kullanılmıştır. Robot o kadar
hassastır ki çiğ yumurtayı kırmadan taşıyabilmektedir.
Robot bir insan tarafından kontrol edilmektedir. Robotun bir benzeri kullanan insan
tarafından hareket ettirilmektedir. İki robot arasındaki hidrolik ve pnömatik borular sayesinde
insan tarafından yapılan hareket aynen asıl robota iletilmektedir.
Robotun bir diğer özelliği ise hidrolikle verilen hareketin geri döndürülmesi pnömatikle
yapılmaktadır. Buda robotta bir hava yayı kullanılmış gibi işlev görmektedir.
Robotun ileriki aşamalarında tasarımının iyileştirilerek ameliyatlarda kullanılması
planlanmaktadır.
22
Şekil 2.15 Hibrit robot tasarımı
Şekil 2.16 Robot çiğ yumurta taşırken
Şekil 2.17 Robotun kontrolü
23
Başka bir robot kol tasarımında hava ile uzayıp kısalarak eklemi hareket ettiren körükler
kullanılmıştır. Körüklerin çeşitli tasarımları yapılarak farklı yapılarda eklemleri hareket ettiren
havalı aktivatörler tasarlanmıştır [47].
Şekil 2.18 Robot kolu ve manipülatörü
3. GEREÇ VE YÖNTEM
3.1. Deneysel Hava Yayı Çalışması
Hava yaylarının imalinde kullanılan lastiğin boyutları ve kuvvetlere karşı dayanım
değeri o hava yayının kullanılacağı kuvvet aralığını belirlemektedir. Eğer robot düşük
kuvvetlerin etkisi altında çalışacaksa bu robotta kullanılacak SEA’daki hava yayının boyutları
ve dayanım değerleri de ona göre düşük olacaktır. Yüksek ise hava yayının değerleri de
yüksek olacaktır. Balıkesir Üniversitesi’nde gerçekleştirilen insansı robot çalışmasında [48],
robot eklemlerinin tork değerlerinin gerçekleştirilen hareket esnasında birbirlerinden farklı
olduğu gösterilmiştir. Ayrıca genel amaçlı tek bir yay tasarımının robotun tüm eklemleri ile
boyutsal uyumu da genelde mümkün olmamaktadır.
Bu nedenle bu çalışmada ikisi benzer olmakla birlikte üç farklı SEA tasarımı üzerinde
çalışılmıştır. Tasarlanan SEA’lardan ikisi düşük kuvvetler de çalışmakta diğeri ise daha büyük
kuvvetlerde çalışabilmektedir. SEA’da kuvvet kontrolünün yapılabilmesi için yay sabitinin
24
çok iyi bilinmesi gerekmektedir. Hava yaylarının yay sabitinin iç basıncına göre
değişmesinden dolayı öncelikle tasarımda kullanılacak yayların değişik iç basınçlardaki yay
sabiti karakteristiği çıkarılmıştır.
3.2. Birinci Tasarım: Düşük Güçler İçin
Piyasada satılan hava yayları genelde çok yüksek yükler altında çalıştığı için bu
çalışmada düşük yükler altında çalışabilecek hava yayı ihtiyacına yönelik olarak hava yayları
imal edildi.
Piyasada sönümleyici olarak çalışan ve içi silikon dolu olan bir körük alınarak tasarımda
kullanılacak hava yayına dönüştürülmüştür. Körüğün içindeki silikon boşaltılmış, normal yay
alınmış ve alın kısmına iç basıncı dışarıdan değiştirebilmek için delik açılmıştır. Kullanılan
körük Şekil 3.1’de gösterilmiştir.
Şekil 3.1 Hava yayına dönüştürülen körük
Hava yayına dönüştürülen körüğün öncelikle hazırlanan deney düzeneğinde değişik iç
basınçlarda sahip olduğu yay sabiti çıkarılmıştır. Yay karakteristiğinin çıkarılması için
Bilgisayarlı Yay Basma Cihazı kullanılmıştır. Otomatik olarak hazırlanan program dahilinde
cihaz kendisine bağlı olan hava yayının farklı basınçlardaki yay karakteristiğini grafiksel
olarak çıkarmıştır.
25
Şekil 3.2 Bilgisayarlı yay basma cihazı
Hava yayının cihazda karakteristiğinin çıkarılması esnasında, yaya uygulanan kuvvet
sıfırdan sonsuza gidene kadar uygulanmıştır. Sonsuza gitme ibaresi kuvvetin uygulanması
sonucu yayın üst kısmındaki metal kısmın yayın altındaki metal saca değmesi sonucu cihaz
tarafından uygulanan kuvvetin bir anda logaritmik olarak artması anlamında kullanılmıştır.
Hava yayında meydana gelen bu durum sayesinde belli bir orandaki kuvvetten sonra yayın
zarar görmeden kuvveti doğrudan üzerinden aktarmasını sağlamaktadır. Kuvvet belli bir
seviyeye gelene kadar sönümleme işlemini gerçekleştirmekte daha sonra ise kuvvet iletimine
devam etmektedir.
Şekil 3.3 Hava yayı karakteristiği çıkarma deneyi
Tasarımda kullanılan hava yayının karakteristiği çıkarılırken cihazdan yay sabiti
grafikleri elde edilmiştir. Her bir iç basınç için farklı yay sabiti elde edilmiştir. Bunlar
birleştirilerek yayın farklı iç basınçlarda hangi karakteristikte hareket ettiği anlaşılmaktadır.
Böylece imal edilen SEA’nın farklı çalışma ortamlarında farklı hareket tarzı göstermesi
sağlanmıştır.
26
Şekil 3.4 Cihazdan alınan yay sabiti grafiği
Yapılan deneyler sonucunda imal edilen hava yayının iç basınç farkına göre çıkarılan
yay sabiti, maksimum çökme ve kuvvet sonsuza gitmeden önce üzerinde taşıyabildiği
maksimum kuvvetin gösterildiği tablo aşağıda gösterilmiştir.
Tablo 3.1 Hava yayı karakteristik tablosu
İç Basınç
(Bar)
Yay Sabiti
(N/mm)
Maksimum Çökme
(mm)
Maksimum
Kuvvet (N)
0,1
3,32
17,1
56,77
0,2
3,71
19,4
71,97
0,3
4,03
22,1
89,06
0,4
4,3
24,4
104,92
0,5
4,37
26,1
114,06
0,6
4,84
31,3
151,49
0,7
5,32
40,8
217,06
Cihaz tarafından elde edilen hava yayı karakteristiğini gösteren grafik Şekil 3.5 ‘te
görüldüğü gibi elde edilmiştir.
27
Şekil 3.5 Hava yayı karakteristik grafiği
Grafikte hava yayının iç basıncının değişmesiyle birlikte yay katsayısı değerinin de
değiştirilebildiği gösterilmiştir. Bu SEA eğer bir robotun parmaklarını kontrol etmede
kullanılacaksa, tutma kuvveti aktüatörün içsel karakteristiği olarak cisimleri yumuşak veya
daha sert kavrama olanağı sağlayacaktır.
Hava yayının karakteristiği çıkarıldıktan sonra imal edilecek SEA’nın tasarımı
gerçekleştirilmiştir. Bilgisayar programı (Solidworks) kullanılarak yapılan tasarım sayesinde
SEA’nın imalatı için gerekli olan teknik resimler oluşturulmuş, böylece imalatın uygun bir
şekilde yapılması sağlanmıştır. Ayrıca kullanılan program sayesinde aktüatörün kuvvet altında
nasıl bir hareket göstereceği imalat gerçekleştirilmeden önce görülebilmiştir.
Tasarımı gerçekleştirilen SEA’nın katı model çizimi Şekil 3.6 ‘da görülmektedir.
Şekil 3.6 SEA’nın katı modeli
28
Şekil 3.7 SEA’yı oluşturan parçaların katı modeli
Tasarımda hareketi vermesi için hidrolik piston kullanılmıştır. Yay olarak sırt sırta
monte edilmiş iki adet eşit hava yayı (Şekil 3.1’deki) kullanılmıştır. Tasarımı gerçekleştirilen
SEA’nın imalat parçaları tasarıma uygun olarak imal edilmiş ve daha sonra parçaların montajı
yapılmıştır. İmalatı gerçekleştirilen SEA’nın parçaları Şekil 3.8’de ve montaj işlemi
gerçekleştirilmiş SEA Şekil 3.9’da görülmektedir.
Şekil 3.8 İmal edilen parçalar.
29
Şekil 3.9 Montajı tamamlanan SEA.
3.3. İkinci Tasarım: Yüksek Güçler İçin
Daha büyük yükler altında çalışabilecek ikinci SEA tasarımı içinde öncelikle hava
yayı imalatı yapılmıştır. Hava yayı için piyasada satılan bir körük alınmış ve körük kesilerek
lastiği imal edilecek hava yayında kullanılmıştır. Tasarlanan hava yayı Şekil 3.10’da
gösterilmiştir.
Şekil 3.10 Tasarımı yapılan hava yayı
Daha sonra yayın yay sabiti karakteristiğinin çıkarılması için deney düzeneği hazırlanmış
ve yay ölçme tezgâhında deneyleri yapılarak değerler çıkarılmıştır. Şekil 3.11’de deney
düzeneği görülmektedir.
30
Şekil 3.11 Deney düzeneği.
Yapılan deneyler sonucu imal edilmiş olan hava yayının yay sabiti karakteristiği
çıkarılmıştır ve Tablo 3.2, 3.3 ve 3.4’deki sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 3.2, 3.3 ve 3.4’deki
değerler Tablo 3.1’deki değerlere benzer olarak, azalan basınç değerleriyle elastik elemanın
yay katsayısının azaldığını (beklenildiği gibi) göstermiştir. Şekil 3.12, 3.13 ve 3.14’de yapılan
testlerin iç basınç ve kuvvet grafikleri verilmiştir. Şekil 3.15 ‘te ise grafiklerin birleştirilmiş
hali görülmektedir. Şekil 3.16 ve 3.17’da bu hava elemanın tasalanan montaj taslağı
gösterilmiştir. Hava yaylarının içinden boru şeklinde mil geçmektedir. Sızdırmazlık o-ring ve
keçelerle sağlanmaktadır. Hava yaylarının iç basınçları milin yayların içinde kalan kısımlarına
açılan deliklerle değiştirilmektedir.
Tablo 3.2: İlk üç test için hava yayı karakteristik tablosu
BAŞLANGIÇ
TEST
NU.
YAY
BOYU
(mm)
TEST SIRASINDA
İÇ
BASILAN
İÇ
KUVVET
BASINÇ MESAFE
BASINÇ
(N)
(mbar)
(mm)
(mbar)
1
90
350
2
87
300
3
85
250
5
10
15
20
25
30
35
5
10
15
20
25
30
35
5
10
15
20
25
30
35
40
31
33,2
57
80,8
113,3
148
171
185
29,4
50
74
105
130,6
146
186,5
22,3
42,4
65,1
89,7
108,6
127,4
164,5
209
370
390
420
440
480
535
590
320
345
370
400
440
495
555
270
295
325
355
400
440
495
560
Şekil 3.12: İlk üç testin grafikleri
Tablo 3.3: Daha sonraki üç test için hava yayı karakteristik tablosu
BAŞLANGIÇ
TEST
NU.
YAY
BOYU
(mm)
TEST SIRASINDA
İÇ
BASILAN
İÇ
KUVVET
BASINÇ MESAFE
BASINÇ
(N)
(mbar)
(mm)
(mbar)
4
81
200
5
75
150
6
68
100
32
5
10
15
20
25
30
35
40
5
10
15
20
25
30
35
40
5
10
15
20
25
30
35
40
18,1
36,1
55,4
75,8
96
114,9
139,5
169,6
18,2
35,7
54,3
72,3
90,8
113,5
142,3
185,9
14,9
31,9
50,3
68,1
87,6
114,2
154,3
213,4
225
255
290
328
375
430
490
562
182
220
260
308
355
415
485
575
135
178
230
278
330
400
485
600
Şekil 3.13: Daha sonraki üç testin grafikleri
Tablo 3.4: Son iki test için hava yayı karakteristik tablosu
BAŞLANGIÇ
TEST
NU.
YAY
BOYU
(mm)
TEST SIRASINDA
İÇ
BASILAN
İÇ
KUVVET
BASINÇ MESAFE
BASINÇ
(N)
(mbar)
(mm)
(mbar)
7
55
50
8
42
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
23
17,2
37,1
60,1
87,2
126,4
193
19,9
44,8
77,2
128,9
214,8
105
170
242
320
430
595
82
170
275
430
600
Şekil 3.14: Son iki testin grafikleri
Elde edilen test sonuçları incelendiğinde :
1. Basılan mesafeye karşılık gelen kuvvetin ve test esnasındaki iç basıncın, başlangıç
basıncı 350 mbar ‘dan 200 mbar’a kadar birbirine yakın değerler olmak kaydıyla azaldığı
ancak 200 mbar’dan 0 mbar’a kadar hızlı bir şekilde arttığı,
2. Kuvvet ve test esnasındaki iç basıncın, iki farklı karakteristik izlediği
görülmektedir.
33
Şekil 3.15: Tüm testlerin grafikleri
Şekil 3.16 Monte edilmiş hava yayı.
Şekil 3.17 Yüksek güçlü seri elastik aktüatörün taslak tasarımıdır
3.4. Üçüncü Tasarım: Düşük Güçler İçin İkinci Versiyon
Bu tasarımda birinci tasarımda kullanılan hava yayı kullanılmıştır. Daha önce yayın
karakteristiği çıkarıldığı ve yukarıda verildiği için bu kısımda verilmemiştir.
İlk tasarımda kuvvet hidrolik piston tarafından verilmektedir. Bu tasarımda ise
hidrolik pistonun yerini elektrik motoru almıştır. Bunun nedeni hidroliğin daha çok yüksek
kuvvetler elde edilmek için kullanıldığından ve hidrolik tanka ihtiyaç duymasından dolayı
düşük güçler için elektrik motorlu yeni tasarım yapılmıştır.
34
Bu tasarımda ayrıca SEA’nın hareketi sırasında oluşabilecek kasılmaları önlemek ve
iç sürtünmeyi azalmak için vidalı mil kullanılmıştır. Ayrıca SEA nın boyutlarını
küçültebilmek için tasarımda kullanılacak elektrik motoru SEA’nın yan yüzeyine monte
edilmiştir. Bu nedenle motorun hareketini SEA’ya aktarabilmek için dişli mekanizması
kullanılmıştır.
Tasarımı yapılan SEA’nın katı model resmi Şekil 3.18’de görülmektedir.
Şekil 3.18 SEA tasarımı
Tasarımı yapılan SEA’nın imal edilmiş fotoğrafı Şekil 3.19 da görüldüğü gibidir.
Şekil 3.19 İmalatı gerçekleştirilen SEA
İmal edilen SEA’da hareket ve kuvvet iletimini sağlamak için Johnson marka düşük
voltajlı bir DC elektrik motoru kullanılmıştır [49]. Motorun Teknik özellikleri Tablo 3.5’te
verilmiştir.
Tablo 3.5 DC Motorun Özellikleri
Boyutları
Şaft çapı
Giriş voltajı
Yüksüz hızı
Tutma torku
Maksimum çıkış gücü
Maksimum verim
Özellikleri
Ø 35.8 X 50.0 mm
Ø 3.175 mm
24.0 V DC
4465 d/dak
214.65 mNm
25.08 W
77 %
Vidalı mil olarak 3 ağızlı kare vidalı mil imal edilerek kullanılmıştır. Vidalı milin
mili çelikten, somunu pirinçten imal edilmiştir.
35
Şekil 3.20 Vidalı mil
İmal edilen SEA’nın testlerini gerçekleştirmek için Şekil 3.21’de görülen deney
düzeneğine benzer bir düzenek hazırlanmıştır. Bu düzenek sayesinde SEA’nın çalışma
mekanizması incelenmiş ve SEA’nın sorunsuz çalıştığı görülmüştür.
Şekil 3.21 SEA deneysel test düzeneği örneği [50]
36
Şekil 3.22 SEA deneysel test düzeneği
3.5. Robot Bacak Tasarımı
Tasarımı yapılan SEA’ların robot ayağında nasıl kullanılacağı, nasıl bir hareket tarzı
izleyeceği ve çalışıp çalışmayacağı bilgisayar programı üzerinde yapılan robot bacağı
tasarımında incelenmiş ve imal edilen SEA’ların robot bacağında nasıl çalışacağı görülmüş ve
başarılı şekilde çalışacakları görülmüştür. Tasarımı yapılan robot bacağı Şekil 3.23’te
görülmektedir.
37
Şekil 3.23 SEA’nın çalışırlığının görüldüğü robot ayağı çizimi
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Çalışmamızın başlangıcında taranan literatür’den çıkartılan sonuç, gelişen robot
teknolojisi ile insan makine etkileşiminin arttığı ve bunun sonucunda hem insan hem robot
için güvenlik tedbirlerinin alınması gerektiğidir. Ayrıca ayaklı robotların da çok sayıda
araştırmacı tarafından geliştirilmekte olması ve deneylerde değişik hızlarda yürüyen robot
ayaklarının bilinmeyen zemin yüzeyleri ile darbeli etkileşimi SEA’ları gerekli kılmaktadır.
Özellikle darbe (impulse) şeklinde gelen kuvvetlerin, aktüatör tarafından emilmesi ve enerji
olarak depolanması robotun bilinmeyen yüzeylerle etkileşiminde eklem konum kararlılığını
38
artırırken, SEA’da depolanan enerjinin geri kullanımı ile robotun hareket verimliliği de
artırılmış olacaktır. Tüm canlılarda bu mekanizmalar vardır ve bu nedenle canlıların
hareketleri her hareket koşulu altında en verimlidir.
Robot eklemlerinde farklı tork (kuvvet) gereksinimleri ortaya çıkmaktadır. Örneğin
robot elleri ve ayakları için aynı aktüatörü kullanmak mümkün değildir (boyut ve kuvvet
açısından). Ayrıca seri elastik aktüatörün robot eklemlerinde ortaya çıkaracağı empedans
değerlerinin, canlılarda olduğu gibi, robot ekleminin hareketine bağımlı olarak değiştirilmesi
gerektiği literatürde sunulmuştur. Bu nedenle iki farklı kuvvet aralığı için tasarım yapılması
öngörülmüştü. Seri elastik aktüatörlerin karakteristiğini belirleyecek olan hava yaylarını hazır
bulmak mümkün olmamıştır. Deneysel amaçlarla geliştirilen hava yayları ya çok iyi üretim
imkanları olan araştırma kurumlarında geliştirilmiş veya bu çalışmada olduğu gibi farklı
amaçlarla kullanılan ürünleri hava yaylarına dönüştürme yoluna gidilmiştir. Gerçekleştirilen
iki hava yayı için, sönümleyici olarak kullanılan iki farklı körük türü kullanılmıştır. Test
düzenekleri ile hava yayı elamanlarının karakteristikleri çıkartılmıştır. Tablo 3.1 ve Tablo 3.23.4 yaylar için elde edilen verileri içermektedir. Tabloların kıyaslandığında değişen iç basınçla
birlikte, hava yayının yay sabitinin değiştirilebildiği görülmüştür. İkinci tasarım için tabloda
2’de sadece 0.35 Bar değerine kadar veriler sunulmuştur. 0.3 Bar yüksüz iç basınç değeri için
ilk tasarım 3407 N/m, ikinci tasarım ise 5060 N/m yay katsayısına sahiptir. Hava yaylarının
doğrusal olmayan karakteristiği nedeniyle, iki hava yayı arasındaki oran eşit değişmemektedir.
İki hava yayı da artan basınç değerleriyle doğrusal olmayan bir şekilde artan yay katsayısı
karakteristiği göstermektedir. Özellikle ikince hava yayında aratan basınç neredeyse
logaritmik konum-kuvvet değişimi göstermektedir. Üçüncü bölümde bahsedildiği gibi,
doğrusal olmayan davranış canlıların kas sistemlerinde görülmektedir ve yürüyen robotlarda
istenen bir durumdur. Bu sayede darbelerin aktüatörce emilmesi sağlanmaktadır.
Şekil 3.6, 3.17 ve 3.18 de verilen seri elastik aktüatörler olası bir tasarımı
göstermektedir. Bu tasarımlar oldukça uzundur. Ayak ve gövde eklemlerini doğrudan sürmek
için uygundur fakat parmak ve benzeri küçük uzuvları bu aktüatörlerle doğrudan sürmek fiziki
olarak mümkün değildir. Bu durum canlılar içinde benzerdir ve canlılardaki tendonların
işlevini yerine getirecek kablo sistemleri aktüatöre bağlanarak fiziki olarak küçük uzuvların
sürülmeleri ve eklem empedanslarının da ayarlanabilmesi mümkündür.
Çalışmamızda seri elastik aktüatörün istenildiği gibi yay katsayısı değişebilen ve
iki farklı yük aralığındaki kuvvetlerde kullanılabilecek hava yayı karakteristiği çıkarılmıştır.
Bu geliştirilen hava yaylarının kullanıldığı seri elastik aktüatörlerin ilk tasarımları ve
imalatları yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar çalışmanın eklem empedansının istenildiği gibi ve
gerçek zamanlı değişebilen robotlarda kullanılmasının mümkün olduğudur. Fakat robotlarda
uygulamak için SEA’nın tasarımının çok daha fazla iyileştirilmesi gereklidir.
5. KAYNAKLAR
[1]
[2]
Salisbury, K., Eberman, B., Levin, M., Townsend, W., The design and control of an
experimental whole-arm manipulator, The Fifth International Symposium on Robotics
Research, MIT Press, 233–241, (1991).
Vanderborght, B., Albu-Schaeffer, A., Bicchi, A., Burdet, E., Caldwell, D., Carloni,
R., Catalano, M., Ganesh, G., Garabini, M., Grioli, G., Haddadin, S., Jafari, A.,
39
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
Laffranchi, M., Lefeber, D., Petit, F., Stramigioli, S., Grebenstein, M., Tsagarakis, N.,
Van Damme, M., Van Ham, R., Visser, S., Wolf, S., Variable impedance actuators:
moving the robots of tomorrow, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent
Robots and Systems, IROS 2012, (2012)
Y.Yesilevskiy ve C.D.Remy, “Series or Parallel Elasticity - Which is Better?”
H.van der Kooij, J.F.Veneman, R.Ekkelenkamp, “Compliant Actuation of
Exoskeletons.”, Mobile Robots Towards New Applications, ISBN 3-86611-314-5,
Edited by Aleksandar Lazinica, pp. 784, ARS/plV, Germany, December 2006.
D.W.Robinson, J.E.Pratt, D.J.Paluska, ve G.A.Pratt, “Series Elastic Actuator
Development for a Biomimetic Walking Robot.” International Conference on
Advanced Intelligent Mechatronics, September 19-23, 1999 Atlanta, USA.
Arumugom, S., Muthuraman, S. ve Ponselvan, V., Modeling and application of series
elastic actuators for force control multi legged robots, Journal of Computing, 1(1), 2633, (2009).
Rouse, E.J., Mooney, L.M. ve Martinez-Villalpando, E.C., Clutchable serieselastic
actuator: design of a robotic knee prosthesis for minimum energy, 13th International
Conference on Rehabilitation Robotics, ICORR, (2013).
Vanderborght, B., Verrelst, B., Ham, R.V., Damme, M.V., Lefeber, D., Duran, B.M.Y.
ve Beyl, P., Exploiting natural dynamics to reduce energy consumption by controlling
the compliance of soft actuators, The International Journal of Robotics Research,
25(4), 343-358, (2006).
Pratt, J.E., Exploiting inherent robustness and natural dynamics in the control of
bipedal walking robots, Doktora Tezi, MIT (2000).
Kawamura, A. ve Zhu, C., The Development of biped robot MARI-3 for fast walking
and running, IEEE, (2006).
Goris, K., Autonomous Mobile Robot Mechanical Design, (2005).
Yesilevskiy,Y. ve Remy, C.D., Series or parallel elasticity - Which is better?, Dynamic
Walking, (2014).
Junior, A.G.L., de Andrade, R.M. ve Filho, A.B., Linear serial elastic hydraulic
actuator: digital prototyping and force control, IFAC (International Federation of
Automatic Control), (2015).
Pratt, J.E. ve Krupp, B.T., Series elastic actuators for legged robots, Proc. SPIE 5422,
Unmanned Ground Vehicle Technology VI, (2004).
Pratt, J.E., Krupp, B.T. ve Morse, C.J., The RoboKnee: An exoskeleton for enhancing
strength and endurance durin walking, IEEE International Conference on Robotics and
Automation, New Orleans, (2004).
Pratt, G.A., Low Impedance walking robots, Integrative and Comparative Biology,
42(1), 174-181, (2002).
Pratt, J., Krupp, B., Design of a bipedal walking robot, Proc. SPIE 6962, Unmanned
Systems Technology X, Orlando, (2008).
Robinson, D.W., Design and Analysis of Series Elasticity in Closed-loop Actuator
Force Control, Doktora Tezi, MIT, Department of Mechanical Engineering,
Massachusetts, (2000).
Pratt, J., Legged Robots at MIT: What’s new since raibert, IEEE Robotics &
Automation Magazine, 7(3), 15-19, (2000).
Verrelst, B., Van Ham, R., Vanderborght, B., Lefeber, D., Daerden, F., VanDamme,
M., Second generation pleated pneumatic artificial muscle and its robotic applications,
Advanced Robotics, 20(7), 783–805, (2006).
40
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
[31]
[32]
[33]
[34]
[35]
[36]
[37]
[38]
[39]
[40]
[41]
[42]
Tonietti, G., Schiavi, R., Bicchi, A., Design and control of a variable stiffness actuator
for safe and fast physical human/robot interaction, IEEE International Conference on
Robotics and Automation, ICRA 2005, 526–531, (2005).
Schiavi, R., Grioli, G., Sen, S., Bicchi, A., VSA-II: a novel prototype of variable
stiffness actuator for safe and performing robots interacting with humans, IEEE
International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2008, 2171– 2176,
(2008).
Eiberger, O., Haddadin, S., Weis, M., Albu-Schäffer, A., Hirzinger, G., On joint
design with intrinsic variable compliance: derivation of the DLR QA-joint, IEEE
International Conference on Robotics and Automation, ICRA 2010, 1687–1694,
(2010).
Hurst, J.W., Rizzi, A.A., Series compliance for robot actuation: application on the
electric cable differential leg, IEEE Robotics & Automation Magazine 15(3), (2008).
Topaç, M.M. ve Kurulay, N.S., Computer aided design of an anti-roll bar for a
passenger bus, Mühendis ve Makina, 50, 594. (2009).
Buzluk, S., Mekanik sistemlerde titreşim kontrolü, Yalıtım Kongresi, Eskişehir,
(2001).
Seyfarth, A., Geyer, H., Blickhan, R., Lipfert, S., Rummel, J., Minekawa, Y., Iida, F.,
Fast motions in biomechanics and robotics, Vol. 340, Springer, Berlin, Heidelberg,
383–401 (Chapter Running and walking with compliant legs), (2006).
Tondu, B., Lopez, P., Modeling and control of mckibben artificial muscle robot
actuators, IEEE Control Systems Magazine, 20(2), 15–38, (2000).
Verrelst, B., Van Ham, R., Vanderborght, B., Lefeber, D., Daerden, F., Van Damme,
M., Second generation pleated pneumatic artificial muscle and its robotic applications,
Advanced Robotics, 20(7), 783–805, (2006).
Villegas, D.C., Van Damme, M., Vanderborght, B., Lefeber, D., Third generation
pleated pneumatic artificial muscles for robotic applications: development and
comparison with McKibben muscles, Advanced Robotics, 26 1205–1227, (2012).
De, A., Tasch, U., A two-DOF manipulator with adjustable compliance capabilities
and comparison with the human finger, Journal of Robotic System, 13, 25–34, (1996).
Erden, A., “Robot Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi”, Sunum, Atılım
Üniversitesi, 2010.
Aksoy,R., Kurnaz,S., “İnsansız Kara Araçları ve Muharebe Gereksinimleri”,
Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi, Ocak 2009, Cilt 4, Sayı 1, Syf 1-10
Conner, Clinton D., “Sensor Fusion, Navigation and Control of Autonomous
Vehicles”, Yüksek Lisans Tezi, Virginia Polytechnic Institute and State University,
2000, Syf. 17-40
Aksöz,E.,A., “Operatör Tarafından Kontrol Edilebilen Kuvvet Geri Beslenimli Gezgin
Bir Robot Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Başkent Üniversitesi, 2011
Appin Knowledge Solution, “Robotic”, Infınıty Science Press LLC, 2007.
Siegwart,R., Nourbakhsh,I.,R., “Introduction to Autonomous Mobile Robots”,
Intelligent Robotics and Autonomous Agents, 2004.
Vukobratović,M., “Humanoid Robotics- Past, Present State, Future-“, SISY 2006, 4th
Serbian-Hungarian Joint Symposium on Intelligent Systems.
Lohmeir,S., “Design and Realization of a Humanoid Robot for Fast and Autonomous
Bipedal Locomotion”, Münih Teknik Üniversitesi, 2010.
Sakarya,B.,A., “Humanoid Robot Bacağı Tasarımı ve Yürüme Konumlarına Göre
Analizi”, Bitirme Projesi, Dokuz Eylül Üniversitesi, 2010.
http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/robot-kolu-nedir
http://www.mekatronikmuhendisligi.com/robotun-kollari.html#attachment
41
[43]
[44]
[45]
[46]
[47]
[48]
[49]
[50]
O. E. ALP, "Genel Amaçlı Robot Kolu Tasarımı". Yüksek Lisans Tez i, Dokuz Ey lül
Üniversitesi, 2012.
B. van Ninhuijs, L.A . van der Heide, J.W. Jansen, B.L.J. Gysen, D.J. van der Pijl and
E.A . Lomonova, "Overv iew of Actuated Arm Support Systems and Their
Applications", ISSN 2076-0825, 2013
http://www.fiz ikist.com/disney-insanlari-taklit-eden-robot-yapti/
"A Hybrid Hydrostatic Transmission and Human -- Safe Haptic Telepresence RobotPaper", IEEE Conference on Robotics and Automation, ICRA 2016, May 17 in
Stockholm, Sweden
Compliant Robotics and Automation with Flex ibleFluidic Actuators and Inflatable
Structures", Chapter 22, INTECH.
Akdas, D., An effective mechanical design and realization of a humanoid robot
BUrobot, ACTA, Mechatronics, 11(10), (2014).
Johnson Motor Kataloğu
K.IŞIK, S.HE, J.HO, L.SENTİS, “Re-Engineering a High Performance Electrical
Series Elastic Actuator for Low-Cost Industrial Applications” Actuators, 2017.
42