Search

Bu tez çalışmasında, kolu herhangi bir sebepten dolayı hasar görmüş hastaların alçı tedavisinden sonra gerek duyulan rehabilitasyon sürecini gerçekleştirmesi amacı ile rehabilitatif robotik kol ortezi sistemi prototip olarak tasarlanmıştır. Rehabilitatif ortez, dirsek ve bilek eklemlerindeki fleksiyon ve ekstansiyon hareketlerini istenilen açı ve sayıda gerçekleştirmek üzere tek eksende hareket etmektedir.Sistemin mekanik parçaları, Solid Works programı ile tasarlanıp üretilmiştir. Mekanik aksamlara hareket kazandırmak amacıyla, motor sürücüleri vasıtasıyla sürülen step motorlar kullanılmıştır. Sistem, C# programlama dili kullanılarak geliştirilen arayüz programı yüklü bilgisayar ile seri haberleşen Arduino mikrodenetleyici kartı tarafından kontrol edilmektedir. Ayrıca geliştirilen arayüz programı, her hastaya ait kimlik bilgileri ve uygulanan tedavi bilgilerini veritabanında saklamaktadır.Tasarlanan sistem, ticari amaçla pazarlanan mevcut ürünlere göre daha ergonomik, kolay kullanılabilir arayüz programına sahip ve düşük maliyetli olması açısından avantaj sağlamaktadır. In this thesis study, the rehabilitative robotic arm orthosis system has been designed as a prototype for patients whose arm have been damaged due to any cause to carry out the necessary rehabilitation process after plaster treatment. The rehabilitative orthosis moves on a single axis to conduct flexion and extension movements of the elbow and wrist joints at desired angles and numbers.The mechanical parts of the system have been designed and manufactured with the Solid Works program. Step motors driven by motor drivers have been used in order to gain mechanical parts the ability of motion. The system has been controlled by the Arduino microcontroller card that communicates serially with the computer installed with the interface program developed using the C # programming language. In addition, the developed interface program keeps the identification information and treatment information of each patient in the database.The designed system offers advantages thanks to its more ergonomic, easy to use interface program and lower cost than the existing products marketed for commercial purposes. 106

Tasarlanan tez çalışmasında, hareket edebilen mobil robot kol tasarımının RF(Radyo frekansı) aracılığıyla bir bilgisayar tarafından eş zamanlı kontrolüdür. Robot kol üzerinde bulunan kamera ve lazer LED yardımıyla bilgisayar başındaki kullanıcı gece ve gündüz kumanda ettiği aracın hangi yöne gittiğini rahatlıkla görebilmektedir. Bu sayede mobil robotları kullanan kişi, bir aracın altına veya bir menfezin içine yerleştirilmiş nesnelerin görüntülerini, robot kol üzerindeki kamera sayesinde canlı olarak komuta biriminde izleyebilecek ve müdahale edebilecektir. Bu çalışmada günümüzde insan hayatı için tehlikeli olabilecek ya da insanların ulaşamayacağı kadar dar alanlarda, görev yapabilecek bir araç tasarlanmıştır. The aim of this study is the simultaneous control of movable mobile robotic arm's design via RF a computer. With the help of the camera and laser LED on the robotic arm, the user of the computer can easily see the direction of the vehicle that he commands during day and night. Thus, the person who uses mobile robots can easily monitor the images of the projects placed under the vehicle or in the culvert animatedly in the unit of control and can interfere on a small scale. In this study, in confined space where cannot be reached by people or dangerous for human life, a vehicle has been designed with the intent of making human life easy by undertaking an active role with its available features. 95

Bu tezde, TQ MA2000 robot manipülatörünün çalışma uzayı içerisindeki tanımlanmış nesneleri görüntü işleme yöntemi ile algılaması ve nesneleri bulunduğu konumdan alıp başka bir konuma taşıması işlemi gerçekleştirilmiştir. Kameradan alınan görüntüden görüntü işleme ile nesnelerin konumunun tespit edilmesi, robotun tespit edilen konumdaki nesneleri alabilmesi için eklemlerinin alması gereken açı değerlerinin ters kinematik analizi ile hesaplanması ve robotun tespit edilen konuma kontrollü hareketi işlemleri sırasıyla gerçekleştirilmiştir. Kamera, robotun tüm çalışma uzayını tepeden görecek şekilde yerleştirilmiştir. Görüntü işleme tekniklerinin uygulanmasında OpenCV kütüphaneleri kullanılmış ve yazılım Code∷Blocks geliştirme ortamında, C++ dilinde yazılmıştır. Robotun bilek kısmı, eklem kaçıklıklı ve artık yapılı olması nedeniyle kullanılmamış, ana eklemleri olan ilk üç eklem kullanılmıştır. Ters kinematik analizinde, analitik çözüm yöntemi tercih edilmiştir ve yazılımı görüntü işleme yazılımının devamına yazılmıştır. Robotun hareket kontrolü, L298 motor sürücü entegreli kartlar ve Arduino Mega 2560 mikrodenetleyicisi ile yapılmış, yazılımı Arduino IDE ortamında yazılmıştır. Robotun eklemlerinin alacağı açı değerleri Arduino'ya Code∷Blocks ortamından seri port üzerinden gelmektedir. Geliştirilen bu sistem, robotik ve görüntü işlemeye dayalı robot kontrol uygulamalarında eğitim amaçlı kullanılmaya elverişli durumdadır., In this thesis, detecting predefined objects in the workspace of TQ MA2000 robotic manipulator via image processing methods, and moving these objects from determined location to another location by the robot, was applied. Determining the location of objects using digital image processing techniques through the image captured by the camera, calculating the angle values of the robot's joints extracted from inverse kinematics analysis in order to take the objects into the determined location and motion control of the robot were performed respectively. The camera was positioned on the top sighting the entire workspace of the robot. OpenCV libraries were used for the implementation of image processing techniques and the software was developed in the Code∷Block development environment in C++ language. Robot wrist portion was not used due to redundant and the wrist offset, so the first three joints, which are the main joints, were used. Analytical solution technique was preferred in the inverse kinematics analysis and inverse kinematics analysis software is written subsequently. Motion control of robot was performed with L298 motor driver cards and Arduino Mega 2560 microcontroller, and software was developed in the Arduino IDE environment. Calculated angle values of robot's joints were sent to Arduino from the Code∷Block environment via serial port. This improved system is suitable for educational purposes in the robotics and robot control applications based on image processing.

ÖZETFPGA TABANLI ROBOTİK KONTROLFPGA (Field Programmable Gate Arrays) tabanlı sistemlerin paralel işlem yapabilmeleri onları mikroişlemcilerden bir adım öne taşımaktadır. FPGA sistemlerinin bu özelliği kullanılarak mikroişlemciler ile yapılması verimli olmayan görüntü işlemeyle robot kontrol uygulaması yapılmıştır.Bu tez çalışması kapsamında FPGA tabanlı görmeye dayalı robot kontrolü gerçekleştirilmiştir. Kameradan alınan gerçek zamanlı görüntü FPGA geliştirme kitinde işlenerek istenilen cismin varlığı ve konumu tespit edilir. Daha sonra alınan bu yer bilgisi çerçevesinde robot kolunun cismi bulunduğu yerden alabilmesi için ihtiyaç duyacağı kontrol sinyali FGPA kartında üretilir.Yapılan uygulama bilgisayardan bağımsız bir sistem olduğundan robot kolunun kontrol kartı yerine FPGA PWM (Pulse-Width Modulation) üreteci olarak kullanılmıştır. Çünkü robot kolun kontrol kartı bilgisayardaki bir ara yüzden bilgisayara bağlanarak çalıştırılmaktadır. Bu kapsamda FPGA geliştirme kartı üzerindeki anahtarlar kullanılarak robot kolun eklem açılarının değiştirilebildiği uygulama geliştirilmiştir. Görüntü işlemede ise kameradan alınan analog video sinyalinin işlenebilmesi için dijitale çevrilmesi gerekmektedir. FPGA geliştirme kartının girişine uygulanan analog video sinyalini dijitale çeviren daha sonra da VGA (Video Graphics Array) monitör çıkışına görüntüyü verebilen bir diğer uygulama geliştirilmiştir. Dijitale dönüştürülen video sinyali işlenerek istenen cismin rengine göre tespiti yapılmıştır. Aynı zamanda cismin koordinatları da belirlenip yeri bulunmuştur. Bulunan koordinatlara göre robot kolun cisme ulaşabilmesi için gerekli olan eklem açılarının bulunmasında iki yöntem kullanılmış olup bunlardan birincisi arama tablosu yöntemi ikincisi ise ters kinematik yöntemidir. Arama tablosu yönteminde daha önceden oluşturulan eklem açıları tablosuna göre robot kontrol edilirken ters kinematik yönteminde ise robot kolun eklem açıları ters kinematik formülleri kullanılarak bulunur.ABSTRACTFPGA BASED ROBOTIC CONTROLFPGA (Field Programmable Gate Arrays) based systems are faster than microprocessor, because they can do parallel process. Robot control with image processing application which is not efficient for microprocessors has been done using this feature of the FPGA based systems.In this thesis, vision based robot control has been performed with FPGA. Real time video taken from the camera is processing by the FPGA development kit DE2-115 then location and presence of the desired object is determined. After this, the FPGA development kit produces the signals, which control the robot arm, in order to take the object from its location.Although developed applications are independent from computers, FPGA development kit is used as a PWM (Pulse-Width Modulation) generator instead of control card of the robot arm. Because the control card of the robot arm works an interface in a computer. So, using switches on the FPGA development board an application is developed, which can change joint angles of the robot arm. In order to process video signal taken from the camera, analogue video must be converted to digital. Another application is developed which can converts from analogue video to digital video and the digital video is transferred VGA (Video Graphics Array) monitor output of the FPGA development kit. The desired object is identified with processing of the converted digital video according to its colour. Also the location and the coordinates of the object are determined. According to the coordinates in order to reach the robot arm of the object, two methods are used to find the joint angles. The first method is lookup table and the second method is inverse kinematic. In the lookup table method robot arm control according to angle table which is had been created previously. In the inverse kinematic method the joint angle of the robot arm is found with using inverse kinematics formulas.

Bu tez, çok robot parmaklı robot eli ile bir nesneyi kavramak için nesne üzerine doğru hareket ederkenki elin aldığı ön şekli ile kavrama anındaki şekli arasındaki sürekliliği tanımlamak için akışkan tabanlı yeni bir çerçeve önermektedir. Elin ön şeklinin nesne yüzeyine doğru kapanırken parmaklar tarafından yaratılan moment örüntüsü, nesne hareket yönelimine neden olur. Bu hareket yönelimleri, nesneyi belir bir görev ile kavramak için yaklaşırken, harekete başladığı durumdaki el şekli ile uyumlu olması gerekmektedir. Amacımız, elin nesneyi belirli bir amaç ile kavramak için nesneye yaklaşırkenki almış olduğu şekillerin, hareket boyunca sürekliliğini kaybetmeden, insan davranışlarına benzer bir şekilde moedellenmesidir.Momentum aktarımı fenomenin sürekliliği, akışkanların akışını inceleyen akışkanlar dinamiği teorisinden esinlenmiştir. Biz, öncelikle parmaklar tarafından akışkan ortamdaki parçacıklara, sonra bu parçacıklardan nesne üzerindeki parçacıklara aktarılan momentumu yaratmak için akışkan akışını modelleyen fiziksel denklemleri kendi problemimize adapte ettik. Serbest örgü yöntemi olan hesaplamalı akışkanlar dinamiği ve sonlu hacim yaklaşımı, akışkanlar akışı denklemlerini analiz etmekte kullanıldı. Parmaklar ve nesne katılaştırılmış akışkan parçacıkları ile modellendi. Bu parçacıklar aynı zamanda deforme edilebilir.Farklı el ön şekillerinin en uygun şekilde kavramaya başlamasının hesaplanması için, biz nesne üzerinde yaratılan moment dağılımlarına bağlı olarak ileri yönlü beslenen, yapay sinir ağı içeren, karar destek sistemi önerdik. Denetleyici belirtilen iki durumu ifade eder 1) durumu ve yönelimi belirli olan robot elin hangi el şekli ile nesneye doğru yaklaşsınki, nesneye verilmesi istenen hareket eğilimi istenilen yönde gerçekleşsin 2) daha önceden belirlenmiş el şekli ile hangi konum, yönelim ve el açıklığı ile yaklaşılmalı ki nesneye istenilen dönel hareket eğilimi verilebilsin. This dissertation propose a new fluidics based framework to determine a continuum between preshaping and grasping so as to appropriatelypreshape a multi-fingered robot hand for creating an optimalinitialization of grasp. The continuum of a hand preshape closing upon an object that creates an initial object motion tendency of the object based on the impact moment patterns generated from the fingers is presented. These motion tendencies should then be suitable for the proper initiation of the grasping task. The aim is motivated by human like behavior where we preshape andland on an object to initiate a certain grasping behavior withoutlosing the continuum during the `preshaping to grasping` phases.The continuity of momentum transfer phenomena is inspired by fluid dynamics that deals with fluid flow. We have adapted governing equations based on the physical principles of the fluid flow to generate momentum transfer from the robotic fingers, closing upon the object surface to fluid medium particles then from these fluid medium particles to the grasping object. Smoothed Particular Hydrodynamics (SPH) which is a mesh free particle method and finite volume approximation is used to analyze fluid flow equations. The fingers of the robotic hand and object are modeled by solidified fluid elements and also can be compliance.For evaluating the optimal grasp initialization of different hand preshape, we propose a decision support system consisting of artificial feed forward neural network based on the moment distribution on the object determines either : 1) given initial position and orientation of a robot hand, what preshape is suitable for generating a desired moment distribution on the surface of a given object in order to trigger a desired rotation in a desired direction when approaching with this preshaped hand or 2) given a predetermined hand preshape what initial position, orientation and hand aperture are suitable to generate a desired rotation upon approach and without causing the retroceeding of the object. 126

Son yıllarda metal malzemelerin üretimi sırasında kullanılan çapak alma işlemleri genellikle el ile yapılmaktadır ve yaklaşık olarak toplam maliyetin %25'ni oluşturmaktadır (Chang, 2005). Bu maliyeti düşürmek ve yapılan çapak alma işlemini belirli bir standartta yapabilmek için çapak temizleme işlemlerinde robot kolu kullanımı artmaktadır. Bu çalışmanın amacı da, set üstü ocaklarda kullanılan döküm demir parçalarının üretiminde, üzerlerinde oluşan çapakları temizleyebilecek bir robot kolu tasarımı yapmaktır. Çapak almayla ilgili literatürdeki önceki çalışmalar incelenmiş, duruma uygun olan yöntemlerden yararlanılmış, çalışmanın özgün kısımları çalışmaya özel olarak uygulanmıştır. Tasarımı yapabilmek için robotların ileri ve ters kinematiği, Jakobiyen matrisi ve robotların dinamiği üzerinde durulmuştur. İleri kinematik ile robotun eklem değişkenleri kullanarak robotun uç noktasının pozisyon ve yönelmesi bulunurken, ters kinematik ile de uç noktasının pozisyon ve yönelmesi bilinirken eklem değişkenlerine ulaşılmaktadır. Jakobiyen matrisi ile eklemlerin hız ve ivmelerinin uç noktasının hız ve ivmesine katkıları incelenmektedir. Robotun dinamik hesaplarıyla da tasarlanan robot kolunun motor seçimi sağlanmıştır. Dinamik hesaplarda gerekli olan parametrelere, robotun Solidworks üzerinde çizimi yapılarak erişilmiştir. Solidworks dinamik hesaplarda gerekli olan, parçaların kütlelerini, kütle merkezlerini ve atalet momentlerini hesaplamada kullanılmıştır. Literatürdeki çalışmalar genellikle robot kolu kontrolü, yörünge planlaması ve ölçüm teknikleriyle ilgiliyken bu çalışmada özgün bir tasarım yapılması ve robotun hareketlerinin yumuşak gerçekleştirmesi amaçlanmıştır. In recent years, deburring of metal materials used during production is usually carried out by hand and constitutes approximately 25% of the total cost (Chang, 2005). To reduce costs and to make a certain standard deburring, using of the robot arm is increasing in the deburring and cleaning processes. The purpose of this study is to design a new robot arm for deburring and cleaning the burrs on cast iron materials. Previous studies in the literature related to deburring examined. To accomplish the design, forward and inverse kinematics of robots, Jacobian Matrix and dynamics of robots are emphasized. Using the joint variables of the robot, position and orientation of the robot end effector is calculated by forward kinematics. Using known position and orientation of the robot end effector, joint variables are calculated through inverse kinematics. Contributions of speed and acceleration of the joints to the velocity and acceleration of the end effector of are examined by Jacobian Matrix. Selection of the motor for designed robot arm is achieved by dynamic model of robot. The parameters needed for the dynamic calculations were reached by drawing robot on the Solidworks. Solidworks was used to calculate of mass, the centers of mass and the moment of inertia of the parts. Studies in the literature are usually related to robotic arm control, trajectory planning and measurement techniques. This study aimed to perform making an original design and smooth movements of the robot. 122

ÖZETEKSEN KAÇIKLIĞI OLAN ENDÜSTRİYEL ROBOTLARIN TERS KİNEMATİK ÇÖZÜMÜNE YENİ BİR YAKLAŞIMBu tez çalışmasında 5 eksen ve bir uç işlevcisine sahip manipülatör (robot kol) tasarımı gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda yörünge analizi, ileri ve ters kinematik analizleri yapılarak manipülatörün bilgisayar ortamında kontrolü gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan manipülatör 150gr. taşıma kapasitesine sahiptir. Mekanik sistemin tasarımı yapılırken SolidWORKS programından yararlanılmıştır. Sistemde kullanılan servo motorlar hobi amaçlı kullanılan RC servo motorlardır. Motorların kontrol kartı hazır alınmış, güç katı ise kontrol kartına uygun olarak Proteus programında tasarlanmıştır. Tasarlanan manipülatöre ait matematiksel analizler için MATLAB programı kullanılmıştır. Ters kinematik analizi için kullanılan standart yöntemlerinin yanında bilgisayar ortamında algoritma geliştirilerek standart çözümlerin eksik kaldığı yönler giderilmiştir. Manipülatörü kontrol etmek içinse Visual Basic 6.0 programından yararlanılmıştır.Sistemin çalışması ise; Bilgisayarda yazılan program, kullanıcının manipülatöre yaptırmak istedikleri hareketleri kontrolcünün anlayacağı bilgilere çevirir. Kontrolcü kendine gelen bilgiyi motorların anlayacağı sinyallere dönüştürerek tasarlanan manipülatörün istenilen şekilde hareket etmesi sağlanır. Kontrol kartı aynı zamanda motorlara gönderilen bilgiyi program sayesinde bilgisayara geri göndererek motorların istenilen pozisyonda gidip gitmediği bilgisini bize verir. Bu bilgi sayesinde kapalı çevrim yapma imkânımız doğar. ABSTRACTA NEW APPROACH TO THE SOLUTION OF INVERSE KINEMATICS OF INDUSTRIAL ROBOTS WITH OFFSET WRISTIn this thesis a 5-axis manipulator (robotic arm), which is able to displace loads up to 150 gr., with one gripper has been designed. Trajectory analysis, reverse and forward kinematic analyses has been conducted to be able to control the manipulator in computer medium. SolidWORKS software has been used to design the mechanical system of the manipulator. Servo motors which are used in the work are RC type and normally are for hobby activities. Electronic control card for the motors has been bought from a supplier and the electronic power card has been designed accordingly using Proteus software. MATLAB software has been used for the mathematical analyses of the manipulator. Together with the traditional reverse kinematic analyses, by developing computer-based algorithms, shortcomings of traditional solutions have been compensated. Visual Basic 6.0 software has been used to control the manipulator.System works by translating user commands to the control card via developed software on the computer. Then the control card transforms the data it receives to the form which can be used by the motors of the system, at the end, leading to manipulator movements demanded by the user. The control card also receives info from the motors and conveys it to the computer software to enable the user to see if the motors were able to perform the moves demanded by the user. This kind of communication enables the system to work as a closed cycle one.

Endüstriyel üretim tesislerinde sıkça rastlanan robot işçileri ve robot kol mekanizmaları pek çok ağır ve tehlikeli işi en verimli şekilde yerine getirmektedir. Özellikle otomotiv endüstrisinde yoğun şekilde kullanılmalarının yanında tamamen robot işçilerden oluşmuş fabrikalar da mevcut durumdadır. Bunun yanısıra internet erişim ağının genişlemesi de uzak bağlantı sorunlarının ve zorluklarının önüne geçmiştir. Bu amaçla projede robot kolların uzaktan kontrol edilmesinin gerekli görüldüğü endüstriyel, bilimsel ya da eğlence amaçlı sistemler simüle edilmiştir.Gerçekleştirilen Uzak Bilgisayar Kontrollü Robot Kol projesinde, tasarlanan robot kolun 4 eklemli iskelet yapısı 7 ayrı servo motor tarafından kontrol edilmektedir. Mikrodenetleyici üzerinden PWM sinyalleri ile yönlendirilen bu servo motorlar, Delphi programlama dili ile hazırlanan Uzak Bilgisayar Kontrollü Robot Kol (RCRA) arayüz programı ile bilgisayar üzerinden klavye ve mouse aracılığıyla kontrol edilmektedir. Klavye ve mouse ile bilgisayar üzerinden eşzamanlı kontrolün yanı sıra iki farklı demo hareketi ile önceden tanımlanan bu iki farklı görevin komutlarının robot kol tarafından sırasıyla yapılması sağlanmıştır.Bilgisayar üzerinden kontrolde uzak bağlantıyı da desteklemesi için seri-Ethernet dönüştürücü kullanıldığından dolayı internet ve yerel ağ üzerinden robot kola istenilen komutları göndermek mümkün olmaktadır. Bu sayede robot kola internet olan herhangi bir yerden erişim ve kontrol de sağlanmaktadır. Erişim güvenliği açısından arayüz programına şifre koruması dahil edilmiştir. Bu sayede yetkisiz kullanıcıların robot kola erişimi de engellenmiş olmaktadır.Projede, robot kolun motorlarını sürmek ve arayüz aygıtları ile bağlantı kurmak için mikrodenetleyici olarak Renesas R8C/25 ailesinden R5F21256SNFP mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Bu mikrodenetleyiciye ilişkin donanım yapısı ve özellikleri hakkında bilgi verilmiş ve C dilinde hazırlanmış mikrodenetleyici program kodu da eklenmiştir. Ayrıca Delphi programlama dilinde hazırlanan arayüz programının, menü ve sayfa işlevleri ile programa ait yazılım kodu da verilmiştir. Mekanik kısımda ise robot kolun hareketini sağlamak amacıyla Hitec marka servo motorlar kullanılmıştır. Servo motorların sürme ve çalışma prensiplerine de ayrıca değinilmiştir. Robot and robot arm mechanisms works so effective at harmful and dangerous industrial production. Especially at automotive industry, there are lots of factory only with robot workers. In addition to this, evolution at internet access network solved remote access problems. As a reason, this project simulates industrial, scientific and entertainment systems that requires remote controlled robot arm.Remote Computer Controlled Robot Arm project designed 4-jointed skeletal structure controlled by 7 separate servo motor. These motors driven by PWM signals from the microcontroller, is controlled by Remote Computer Controlled Robot Arm (RCRA) interface program designed in Delphi programming language via computer by keyboard and mouse. It is possible to send commands to the robot arm over local network and internet due to using of computer serial-Ethernet converter. Password for access security is included in the program interface. By this way, unauthorized users access to the robot arm is blocked.In the project of the robot arm, R5F21256SNFP from Renesas R8C/25 microcontroller family microcontroller is use to drive motors and connect to interface devices. Information about the hardware structure and characteristics of this microcontroller is given and microcontroller program code in C language added. In addition to this, Delphi programming language interface program menu and the page functions are also added with the software code of the program. Hitec brand servo motors are use for in order to provide the mechanical part and the movement of the robot arm. Working principles of the servo motors are also mentioned. 119

Bu çalışmada, altı serbestlik derecesine sahip endüstriyel bir robotun işlem yapması gereken noktalara hareketi esnasındaki konum ve oryantasyonu, herhangi bir nokta öğretme metodu kullanılmadan bir kameradan elde edilen veriler robot kinematik modeline göre işlenerek sağlanmıştır. Endüstride, kamera uygulaması içeren kontrol sistemlerinde ürünün güvenilirliği açısından yaygın olarak tercih edilen ve raf üstü ekipman olarak adlandırılan bir smart (akıllı) kamera kullanılmıştır. Smart kameradan alınan veriler gerçekleştirilen robotlu uygulamada robotun kinematiği için anlamlı bir veri formatına dönüştürülmesi sağlanmıştır. Robot'un işlem noktalarındaki konum ve oryantasyonu için kinematik bağıntılarını hesaplamak ve sistemin kontrolünü sağlamak için PLC (Programlanabilir Mantıksal Denetleyici) kullanılmıştır. PLC, kameradan aldığı verileri işleyerek robotun koordinat sistemine uygun bir formata dönüştürdükten sonra robot'a verileri göndermektedir. Bu veri alışverişi robot ve PLC'nin karşılıklı onay sistemi ile gerçekleştirilmektedir. Robot-PLC-kamera birleşiminden oluşan uygulamalarda sistemi standardize etmek için bir model geliştirilmiştir. Geliştirilen uygulama sayesinde, kamera tabanlı kontrol uygulamalarındaki çevresel bozucu etkenler dikkate alınarak robot'un işlem parçalarını 0.4mm'lik toleranslara sahip yuvalara bırakma işlemi başarı ile gerçekleştirilmiştir. In this study, a control system which is smart camera based and PLC (programmable logic control) supervised for industrial robotics application is presented. In the application, an industrial robot with six DOF (degrees of freedom) is enabled to control TCP?s (Tool Center Point) position and orientation in its workspace without using any teaching method. The position and orientation data of the robot are calculated by the PLC using coordinate data which comes from a camera application. In the designed control system, firstly camera data (x, y, z and rotation) related process is sent to PLC and this PLC converts camera data to robot workspace data format according to the robot kinematics. This process control is implemented in the PLC and all data transmission between the camera-PLC-robot is performed based on the handshake method. An industrial camera which called smart camera is preferred due to reliability in industry. A process which has 0.4mm tolerances was carried out with success in thanks to developed camera based robotics pick and place application. 72

Bu tezde endüstriyel üretim bantlarında; tutma, yerleştirme, parça değiştirme, kesme, şekil verme, yüzey kaplama, montaj ve kontrol gibi işleri hatasız ve hızlı bir şekilde yapan robot kolları üzerine bir araştırma yapılmış, araştırmalar doğrultusunda örnek bir üç eksenli robot kolu tasarımı gerçekleştirilmiştir. Robot kolu hareket planı üç eksenli kol için trigonometrik hesaplarla elde edilmiştir. Diğer robot kolu uygulamalarından farklı olarak açısal göstergelerin mekaniksel olarak tasarımı gerçekleştirilmiş, dışarıdan sağlanan omuz bölgesine ait açısal kontrol de hassasiyetle sağlanmıştır. Robot kolu hareketlerinin kontrolü 8051 mikrodenetleyicisinin assembly dilinde programlanması ile gerçekleştirilmiştir. Assembly dilinde yazılan program ile, robot kolu için tanımlanabilen iş planlamalarının hafızaya kayıt edilmesi sağlanmıştır.Anahtar Kelimeler: Robot Kolu, Adım Motor, 8051 Mikrodenetleyicisi, Açısal Kontrol. In this thesis, a research was carried out on robotic arms which flawlessly and rapidly completes tasks such as holding, placement, part replacement, cutting, shaping, wrapping, montage and control on assembly lines and in accordance with executed research a robotic arm with three-joints was designed. The movement plan of the robotic arm with three-joints was obtained via trigonometric calculations. Different from other robotic arm applications, mechanical design of angular indicators was prepared and angular control of the externally provided shoulder area was finely obtained. The control of the robotic arm was realized by programming a 8051 microprocessor in assembly language. With the written programme in assembly language for the defined working plans can be saved to memory.Keywords: Robotic Arm, Step Motors, 8051 Microprocessor, Angular Control 94

ÖZET Yüksek Lisans Tezi RADYAL TABANLI FONKSİYON AĞLARI İLE ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ Songül HALICI Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik Bilgisayar Eğitimi Ana Bilim Dalı 2003, Sayfa: 54 Bu tez çalışmasında, Radyal Tabanlı Fonksiyon Ağlan (RTF A) ile tek eksenli bir robot kolunun modellemesi ve uyarlamalı denetimi incelenmiştir. Robot kolunun doğrusal olmayan modelinden yararlanarak model ve denetleyici RTFA yapılan belirlenmiştir. Model ve denetleyici RTFA'nm ağırlıklan, merkez ve genişlik parametreleri geriye yayılım algoritması ile eğitilmiştir. Simülasyon sonuçlan, eğitilmiş RTFA'nm doğrusal olmayan robot kollarım modelleme ve denetim performansının yeterince iyi olduğunu göstermektedir. Anahtar Kelimeler : Radyal Tabanlı Fonksiyon Ağlan, Yapay Sinir Ağlan, Robot Kontrolü ABSTRACT M.Sc.Thesis ADAPTIVE CONTROL OF ROBOT ARM USING RADIAL BASIS FUNCTION NETWORKS Songül HALICI Fırat University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electronics and Computer Science 2003, Page: 54 In this thesis, identification and adaptive control of single axis robot arm is studied using Radial Basis Function Networks (RBFN). RBFN model and controller structures are determined using the nonlinear robot arm model. Backpropagation learning algorithm is used to train the weight, center and width of the RBFN. Simulation results show that the identification and control performance of the RBFN is satisfactorily good for the nonlinear robot arms. Keywords : Radial Basis Function Network, Robot Control, Artificial Neural Networks 51

ÖZET GÖRÜNTÜ İŞLEMEYE DAYALI ROBOT KOL HAREKET OPTİMİZASYONU Bu çalışmada robot kolun iki boyutta hareketinin optimizasyonu için görüntü işleme tekniklerine dayalı bir sistem tanıtılmıştır. Optimizasyon tekniği olarak yapay zeka yöntemlerinden biri olan genetik algoritma (GA) seçilmiştir. GA'nın kullanacağı veri, dijital fotoğraf makinesiyle çekilen gerçek fotoğraflardan elde edilmiştir. Gerçek fotoğraflardan veri elde etmek için görüntü işleme tekniklerinden yararlanılmıştır. Kullanılan görüntü işleme teknikleri segmentasyon algoritmalarıdır. Segmentasyon işlemi sonrasında görüntüde zeminden ayrılan nesnelerin koordinatlarım bulmak için iki program gehştirilmiştir. Birinci programda aynı renkteki yuvarlak kesitli nesnelerin koordinatları, ikinci programda farklı renkli nesneler arasından istenen renkteki nesnelerin koordinatları bulunmuştur. Geliştirilen programların çahştınlmasıyla elde edilen veri GA'ya aktarılmıştır, GA bu veriyi kullanarak noktalar arasındaki optimum yolu bulmuş ve robot kolun cisimler arasındaki rotasını belirlemiştir. Fotoğraftaki tane sayısı arttığında GA' nın çalışması süresi artmıştır. Bu süreyi kısaltmak için görüntüyü N parçaya bölen, parçalar arasında geçişi sağlayan bir algoritma geliştirilerek, her bir parçadaki veri GA tarafından ayrı ayrı işlenmiş ve her bir parçanın sonuçları birleştirilerek tüm noktalar arasındaki optimum yol bulunmuştur. GA'da standart genetik operatörler ve soruna özgü operatörler kullanılmıştır. Yapılan deneylerden elde edilen test sonuçlarına göre GA tarafından dizayn edilen rotayı takip eden robot kolun etkin olarak kullanılabileceği ve sistemin dağıtılmış nesneleri toplayan robotlarda kullanılması önerilmiştir. 2003, 65 sayfa Anahtar Kelimeler: Görüntü işleme, genetik algoritma, robot kol, hareket optimizasyonu 11 ABSTRACT ROBOT ARM MOVEMENT OPTIMIZATION BASED ON IMAGE PROCESSING In this study, a system based on image processing is presented for the optimization of robot arm in two dimensions. As optimization technique, one of the method artificial intelligence called genetic algorithm (GA) is choosen. The data that GA use is obtained from real photographs using digital camera. The image processing techniques is in order to get the data used from real photographs. The image processing techniques used are segmentation algorithms. After the segmentation process, two types of programs are choosen to find out the coordinates of objects on the image while they are leaving from ground. In the first program the coordinates of spherical cross-sectioned objects which are same color, and in the second program the desired colors at objects is found out among the objects of different colors. The data obtained studding developing programs is transferred to the GA. GA is found the optimum the way between points by using this data and identified the route of robot arm inter objects. The studying time for GA is increased when the number of granule increased. In order to lower this duration, an algorithm is developed to supply inter pieces pass and to divide the image into the N parts. Every data in the each parts is processed separately and the optimum way is found for all interpoints, putting together every part results. In GA, standard genetic operators and special operators solving different problems are used. According the test results obtained from conducted experiment. It is approved that, the robot arm which follows the route designed through GA as effectively. It is suggested that, this system can be used in the robots collecting distributed objects. 2003, 65 pages zvvj, od pages Key Words: Image processing, genetic algorithms, robot arm, movement optimization 65

ÖZET direkt kinematik ve ters kinematik yöntemlerinin kullanımıyla üç kirişli bir robot kolunun denetimi ve canlandırması Bu çalışmada, düzlemsel tip robot kolu direkt kinematik, ters kinematik, dinamik ve klasik PD tipi denetim, klasik PID tipi denetim ve PD artı yerçekimi terimli denetimi için benzetim yazılımı geliştirildi. Her bir denetim stratejisi için elde edilen denklemlerin benzetim yazılımı MATLAB ortamında programlandı ve görsel canlandırmalar DELPHI yazılımı ile gerçekleştirildi. Sonuç olarak, düzlemsel tip manipulator için komple bir analiz paketi geliştirilmiş oldu. Yazılımdaki esnek yapı, farklı giriş değişken bilgilerinin etkilerinin kullanıcılar tarafından gözlemlenmesine izin verecektir. IV ABSTRACT CONTROL AND ANIMATION OF A THREE-LINK ROBOTIC ARM USING DIRECT KINEMATICS AND INVERSE KINEMATICS METHODS In this study, the simulation software of direct kinematics, inverse kinematics, dynamics, classical PD type control, classical PID type control, and PD plus gravity control of a planar type robot manipulator with three-link is developed. All the equations derived for each control strategy are simulated in MATLAB software and visual animations were also created in DELPHI. As a result, a complete analysis package is developed for a planar revolute type manipulator. The flexible structure of the software will allow the users to observe the effects of different variable input data. 81

Tez (yüksek lisans) - Anadolu Üniversitesi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Kayıt no: 174000, Bu tezde, bir ucu bir DC servo motorun milindeki bir bağlantı elemanına yerleştirilmiş, diğer ucunda ise bir yük bulunan tek eklemli çok esnek bir robot kolunun modellemesi yapılmış ve bu deneysel kol için gürbüz kontrolörler tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolörlerin amacı kolun pozisyonunu kontrol etmek ve aynı zamanda kolda oluşan titreşimi de ele alarak sistemin performansını iyileştirmeye çalışmaktır. Bu amaçla kontrolör tasarımında kolun pozisyon, hız ve orta noktasındaki bükülmeden geribeslemeler alınmaktadır. Böyle bir kontrolör tasarımı için, gürbüz kontrol tasarım yöntemleri kullanılarak, MATLAB paket programı yardımıyla gürbüz kontrolörler tasarlanmış ve tasarlanan kontrolörler C dilinde yazılan programlarla deneysel düzeneğe uygulanmıştır. Tasarlanan kontrolörler için sistemin benzetimi yapılarak elde edilen sonuçlar ile deneysel sonuçlar sunularak kıyaslanmıştır.

BEŞ EKSENLİ BİR ROBOT KOLUNUN TERS KİNEMATİK HESAPLAMALARININ VE YÖRÜNGE PLANLAMASININ YAPILMASI (Yüksek Lisans Tezi) Tuğba Selcen TONBUL GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2002 ÖZET Robot, insanoğlunun icat ettiği en karmaşık cihazlardan biridir. Robot manipülatörü, programlanarak taşıma ya da yer ve yön değiştirme işlemlerini gerçekleştirebilen bir sistemdir. Bu sistem, birbirlerine çeşitli türlerde eklemlerle bağlanmış kollardan oluşur. Robotun analizi; matematik, mekanik ve elektronik gibi pek çok bilim dalına ait bilgi gerektirir. Bu çalışmada, beş eksenli bir Edubot robotta, ters kinematik hesaplamalar ve yörünge planlaması yapılmıştır. Önce, robotun ters kinematik problemi, exponansiyellerin çarpımı şeklinde ifade edilmiştir. Daha sonra, problem, Paden Kahan alt problemlerine indirgenerek çözülmüştür. Ters kinematik probleminde, robotun uç noktasının gideceği yerin koordinatları (x, y, z) ve robot elinin başlangıç pozisyonuna göre açısı () girdi olarak verildi ve eklem açılarının alabileceği değerler (9},02,03,04) hesaplandı. Eklem açıları hesaplandıktan sonra, robot verilen görevi gerçekleştirirken, hareketinin titreşimsiz ve düzgün olabilmesi için yörünge planlaması yapılmıştır. Yörünge planlaması yapılırken; pozisyonda, hızda v£ ivmede süreklilik sağlamak için, beşinci dereceden polinomları kullanılmıştır.Robotun ters kinematik hesaplamaları ve yörünge planlaması, Matlab 5.02 kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Robotun eklem açılarının, açısal hızlarının ve açısal ivmelerinin zamana göre değişimleri elde edilmiştir. Ayrıca, başlangıç ve hedef noktaları arasında, robotun geçmesi istenen noktalar dikkate alınarak, yörünge hesaplamaları tekrar yapılmıştır. Son olarak, sonuçlar Edubot üzerinde denenmiştir. Bilim Kodu : 6090401 Anahtar Kelimeler. Robot, manipülatör, kinematik, yörünge. Sayfa Adedi :103 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Müzeyyen SARITAŞ Ill THE INVERSE KINEMATICS CALCULATIONS AND TRAJECTORY PLANNING OF A ROBOT ARM WITH FIVE AXES ( M. Sc. Thesis ) Tuğba Selcen TONBUL GAZI UNIVERSITY INSTITUE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY January 2002 ABSTRACT Robot is one of the most complex machine that the human-being ever invented. A robot manipulator is a system which is programmable for transporting and manipulating. This system is constructed by connecting a number of links to each other by different type of joints. The analysis of robots requires knowledge in multi-disciplinary fields such as mathematics, mechanics and electronics. In this study, the inverse kinematics calculations and the trajectory planning has been done on an Edubot robot arm with five axes. First, the inverse kinematics problem has been formulated as the product of exponentials. Then the problem has been solved by dividing it into sub problems which were known as Paden Kahan sub problems. In the inverse kinematics problem, Cartesian coordinates of the goal point (x, y, z) and the angle of the end effector (

ÖZET Esnek bilgi işlem metodolojileri, kayan kipli denetim sistemleri ile birlikte kullanıldıklarında, genellikle kayan kipli denetleyicilerin gerçekleme güçlüklerini ortadan kaldırma ya da denetleyicilerin parametrelerini zekice ayarlama amacını güderler. Esnek bilgi işlem tekniklerinin kayan kipli sistemlerle diğer bir önemli karışımı, değişken yapılı sistemler için iyi tanımlanmış kararlılık analizi araçlarının, kararlı zeki sistemlerin tasarımında kullanımına dayanmaktadır. Bu tezde, robotlu uygulamalarda kayan kipli denetleyicilerin çatırtı problemini çözmek için bulanık mantıklı sistemleri kayan kipli sistemlerle birleştirme yöntemleri önerilmektedir, önerilen yöntemlerde, izleme başarımı bozulmasına yol açmadan çatırtıyı önleyen sistemlere özel önem verilmiştir. Ayrıca, denetleyici tasannu için gereken sistem dinamiği ön bilgisi en azda tutulmuştur. Tez, bulanık mantıklı ve kayan kipli denetleyicilerin temel özelliklerinin ele alınması ile başlamaktadır. Kayan kipli denetleyiciler için gerçekleme güçlükleri ve en sık rastlanan çözümler belirtilmiştir. Bulanık mantıklı sistemlerin kayan kipli denetleyicilerle katışımı üzerinde bir yazın taraması da sunulmuştur. Daha sonra, bir `çatırtı değişkeninin` tammlanmasına dayalı yeni bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu değişken, bir çatırtı ölçütü olarak, çınlamanın en aza indirilmesinden sorumlu bulanık mantıklı bir sistemin girişi olarak kullanılmışür. Kayan kipli denetleyici parametrelerinin bulanık mantık kuralları tarafindan gerçek zamanda ayarlanması gerçekleştirilmiş ve deneysel sonuçlar sunulmuştur. Bir çatırtı ölçütünden yararlanılmasına dayalı bir diğer yeni teknik olarak, kayan kipli denetleyicilerin parametre ayarlanmasında uyarlaman bulanık mantıklı sistemlerin kullanüması önerilmiştir. Bu yöntem de deneysel olarak sulanmıştır Uyarlamalı bulanık mantık sistemlerini kullanan, ters dinamiğe dayalı bir eşdeğer denetim kestirim tekniği de deneysel doğrulama ile birlikte sunulmuştur. Son olarak sonuçlar sunulmuştur. IV ABSTRACT Soft computing methodologies, when used in combination with sliding mode control (SMC) systems, usually aim to alleviate implementation difficulties of sliding mode controllers or to intelligently tune the controller parameters. Another important kind of combination of soft computing techniques with sliding mode systems is based on the exploitation of the well defined stability analysis tools for variable structure systems in the design of stable intelligent controllers. In this dissertation, methods are proposed to combine fuzzy systems with sliding mode controllers to solve the chattering problem of sliding mode control for robotic applications. In the methods proposed, special attention is paid to schemes that eliminate chattering without a degradation of the tracking performance. Furthermore, the a priori knowledge required about the system dynamics for controller design is kept to a minimum. The dissertation starts with a consideration of basic principles of fuzzy and sliding mode controllers. Implementation difficulties and most popular solutions are mentioned for sliding mode controllers. Also, a literature survey on the combination of fuzzy systems with sliding mode controllers is presented. Next, a novel approach based on the introduction of a `chattering variable` is developed. This variable, as a measure of chattering, is used as an input to a fuzzy system responsible for ringing minimization. On-line tuning of sliding mode controller parameters by the fuzzy rules is carried out and experimental results are presented. As another new technique based on the exploitation of a measure of chattering, the use of adaptive fuzzy systems in parameter tuning for sliding mode controllers is proposed. This method is also tested experimentally. An inverse dynamics based equivalent control estimation technique employing adaptive fuzzy systems is also presented with experimental verification. Conclusions are presented lastly. 112

IV ÖZET `ROBOT KOLUNUN ADAPTIF KONTROLÜ VE SIMULASYONU` Bu tez çalışmasında iki linkli düzlemsel bir robotun kontrol problemi ele alınmıştır. Robotun hareket denklemleri çıkarılmış ve kontrol analizleri ile sistem davranışları incelenmiştir. Tez çalışması aşağıdaki bölümlerden oluşmaktadır: Birinci bölümde robotların tarihi gelişimi ve robotik ile ilgili temel bilgiler verilmiş, robotların adaptif kontrolü konusunda yapılmış çalışmalar ve tezde yapılan çalışma kısaca özetlenmiştir. İkinci bölümde robot kollarının kinematik ve dinamik modellerine ilişkin genel tanımlar verilmiş ve iki linkli düzlemsel kola ait dinamik model Lagrange yöntemi ile elde edilmiştir. Üçüncü bölümde, model tabanlı kontrol yöntemlerinden bahsedilmiş, iki linkli düzlemsel kola uygulanan ters dinamik kontrol ve adaptif kontrol yöntemlerine ait simülasyon sonuçlan alınmıştır. Yük parametresinin değişmesi durumunda her iki kontrol yönteminin verdiği sonuçlar karşılaştınlmıştır. Simülasyon, MATLAB Programında bulunan SIMULINK programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Dördüncü bölümde, uygulanan iki kontrol yönteminin karşılaştınlmasıyla varılan sonuçlara yer verilmiştir. SUMMARY `ADAPTIVE CONTROL AND SIMULATION OF ROBOT MANIPULATORS` The control problem of robot is an important issue in Robotics area. In order to solve control problems; motion equations of robot should be solved and system behaviours should be investigated. This thesis will discuss two methods, namely inverse dynamic and adaptive, to control two link planar robot. The outline of the thesesin can be given as follows: Chapter 1 introduces; history of Robotics, adaptive control of robots and the control methods to be simulated in the thesis. Chapter 2 will provide in depth overviews on the model of kinematics and dynamics. After that, the two link planar arm dynamic model is obtained by the Lagrange Method. Chapter 3 will then investigate the two model-based control methods; inverse dynamic control and adaptive control. These control methods are simulated in MATLAB, Simulink tool. The simulation results are compared with each other by changing load and other parameters. Finally, Chapter 4 will conclude this review with an overall summary. 70

ÖZET Yılmaz KOÇAK ÖZET YÜKSEK LİSANS TEZİ ROBOTİK UYGULAMALI DİNAMİK SINIR AĞLARI KULLANARAK AKILLI KONTROL Yılmaz KOÇAK KSÜ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRİK-ELEKTRONİK ANABİLİM DALI DANIŞMAN: Yrd. Doç. Dr. Şaban ERGÜN Yıl: 1999, Sayfa: 112 Jüri : Doç. Dr. M. Kemal KIYMK : Doç. Dr. Adnan KÜÇÜKÖNDER : Yrd. Doç. Dr. Şaban ERGÜN Bu tezin amacı, sinir ağları kullanarak iki serbestlik dereceli düzlemsel bir robot kolunun denetimini gerçekleştirmektir. Robot kolu bir ucu sabit bir yere yerleştirilmiş, diğer ucu ise serbest olan mafsallı bir manipülatördür. İki serbestlik derecesine sahip modelin eklem açıları esas alınarak denetimi yapılacaktır. Ters kinematik özellikleri kullanılarak robotun takip etmesi istenilen yola karşılık eklemlerin açısal yer değiştirmesi olan yörünge tespit edilecektir. Ters dinamik denkleminde, beklenen yörünge ifadesi konularak eklemlere uygulanan tork hesaplanacaktır. Sinir ağının çıkışı ile beklenen tork karşılaştırılarak ağın eğitimi işlemi gerçekleştirilecektir. Kontrol algoritması olarak oransal-türevsel (PD) kontrol algoritması kullanılacaktır. Elde edilen sonuçlar grafik olarak gösterilecektir. Manipülatörün denetiminin yanında grafiksel benzetimi de yapılacaktır. Grafiksel benzetim işlemi, manipülatörün fiziksel hareketinin ekranda gösterilmesini içerir. Anahtar Kelimeler: Robot Kolu, Sinir Ağları, Kinematik, Dinamik, Oransal ve Türevsel Kontrol, Geri Yayınım III ABSTRACT Yılmaz KOÇAK ABSTRACT MSc THESİS INTELLIGENT CONTROL USING NEURAL NETWORK WITH ROBOTIC APPLICATIONS Yılmaz KOÇAK DEPARTMENT OF ELETRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM SUPERVISOR: Asist. Prof. Dr. Şaban ERGÜN Year: 1999, Pages: 112 Jury : Assoc. Prof. Dr. M. Kemal KTYMK : Assoc. Prof. Dr. Adnan KÜÇÜKÖNDER : Asist. Prof. Dr. Şaban ERGÜN The aim of this thesis is to control of two link planar robot arm by using neural network. Robot arm is an articulated manipulator which one end is fixed to the base frame and the other end is free. Joint angles are based to control two degree of freedom planar manipulator. Desired trajectories will be expressed. Trajectory is the joint angular displacement which corresponds to end effector's tracking path. Desired torques, applied to joints, are calculated by substituting desired trajectory into inverse dynamic equations. Neural Network is trained by comparing network's output and desired torque. In this thesis, proportional and derivative (PD) control algorithm will be used and results are shown graphically. The robot arm will be simulated graphically in addition to manipulator control. At the graphical simulation, the actual movement of the manipulator shown on the screen of the computer. Key Words: Robot Arm, Neural Network, Kinematic, Dynamic, Proportional And Derivatives Control, Back Propagation IV 112

Anahtar Kelimeler : İki serbestlik derecesi, dinamik modelleme, kontrol, simulasyon Özet: Bu çalışmada robotlar hakkında genel bilgi verildikten sonra üç serbestlik derecesine sahip robot kolunun konum ve yönlenmesine ait simulasyonu gösterilmiştir. İki serbestlik derecesine sahip robotun hareketi belirlenerek uç noktasındaki hızı, konum ve hareketi incelenmiştir. Bu harekete göre uygulanması gereken kuvvet ya da moment ; bir başka deyişle dinamik modellenmesi ve simulasyonu yapılmıştır. Klasik kontrol yöntemlerinden PID ve PD kontrolörler ile kontrolü yapılmıştır. Bu kontrol yönteminde matematiksel modellemenin nasıl olacağı da belirtilmiştir. Keywords : Two degrees of freedom, dynamics model, control, simulation Abstract : In this study we have given a general knowledge. In the plane three joints are needed to give the manipulator three degrees of freedom. We have found the position of any point attached to the end effector and have done simulation for this equations. Consider the two degrees of freedom planar manipulator shown in Figure 2.4. and have done simulation and analysis for a end point velocity, position and movement. The dynamic behavior of two degrees of freedom robot arm was described in terms of the time rate of change of the arm configration in relation to the joint torques using by the movements. Finally we have given the block digram of closed loop system with PD and PID control. For PD compensator shown mathematical model. Using PD and PID compansator, it was done simulation. 11 73

öz KENDİNDEN DEVİNİMLİ HAREKETLİ ROBOT İÇİN GERÇEK ZAMANLI KONTROL SİSTEMİ (RCS) Fettahlıoğlu, Mahmut Yüksek Lisans, Elektrik ve Elektronik Bölümü Danışman: Prof. Dr. Aydın Ersak Aralık 1999, 142 sayfa Gerçek Zamanlı Kontrol Sistemi (RCS), hiyerarşik kontrol sistemleri inşa etmek için kullanılan bir referans model mimarisidir. RCS sistem karmaşıklığını azaltır, sistemin geliştirilebilme ve tasarımın anlaşılabilirle özelliklerini artırır. Bu araştırmada RCS kendinden devinimli hareketli bir robot sistemine uygulandı. Uygulama alanı olarak ferromanyetik yüzey bakımı seçildi. Sistem isterleri incelendi, bunları karşılayan sistem bileşenlerine ve davranışına karar verildi, ve bir kontrol yazılımı mimarisi oluşturuldu. Kontrol algoritmaları ve alıcı verilerini yorumlama için taban görevi yapan hiyerarşik bir yazılım, önerilen kontrol mimarisine uygun olarak oluşturuldu. Seçilen bazı birimlerin kontrol ve veri yorumlama algoritmaları uygulandı, ve RCS'nin özellikleri doğrulandı. Anahtar Kelimeler: Gerçek zamanlı kontrol, RCS, kendinden devinimli hareketli robot iv ABSTRACT REAL TIME CONTROL SYSTEM (RCS) FOR AUTONOMOUS MOBILE ROBOT Fettahlıoğlu, Mahmut M.S., Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. Aydın Ersak December 1999, 142 pages Real-time Control System (RCS) is a reference model architecture for building hierarchical control systems. It offers benefits by improving human understanding of the design, extensibility and maintainability, and reducing the system complexity. In this research, RCS was applied to an autonomous mobile robotic system. The area of ferromagnetic surface maintenance was selected as the application area. The system requirements were analyzed, decisions were made on system components and behavior to satisfy the requirements, and a controller software architecture was decided upon. A hierarchical software, which serves as a basis for control algorithms and sensory data interpretation was built according to the proposed controller architecture. Command and sensory data interpretation algorithms of selected nodes in the hierarchy were implemented, and the properties of RCS are verified. Keywords: Real-time control, RCS, autonomous mobile robot m 142

Bu tezin, veri tabanı üzerinden yayınlanma izni bulunmamaktadır. Robot kontrol, yapay sinir ağları, genelleştirilmiş öngörülü kontrol Bu çalışmada yapay sinir ağları (YSA) üç eklemli bir robotik manipülatöre eklem esaslı yörünge kontrolü için uygulanmıştır. Sonuçlar öngörülü kontrol ailesinden olan genelleştirilmiş öngörülü kontrol algoritması sonuçları ile karşılaştırmıştır. Giriş bölümünden sonra, ikinci bölümde robotlar tanıtılmıştır. 3. Bölümde adaptif kontrol algoritmaları ve bu konuda yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Yapay sinir ağları eğitme yoluyla öğrenmektedir. Robot kolunu kontrol etmek amacıyla kullanılacak eğitme seti verilerini elde etmek için robot kolu modeli önce genelleştirilmiş öngörülü kontrol algoritması ile simüle edildiğinden 4. Bölümde genelleştirilmiş öngörülü kontrol algoritması, 5. Bölümde yapay sinir ağları ve genel özellikleri tanıtılmıştır. 6. bölümde yapay sinir ağları ile kontrol ve robotik uygulamaları verilmiştir. 7. bölümde robot kinematiği ve dinamiğini modellemede kullanılan matematiksel bağıntılar verilmiştir. Robot kolunun eklem esaslı bir yörünge kontrolü yapılmasından dolayı 8. Bölümde yörünge planlaması anlatılmıştır. 9. Bölümde üç eklemli robot kolunun genelleştirilmiş öngörülü kontrol algoritması ile simülasyonu gerçekleştirilmiş ve sonuçları literatürdeki sonuçlarla uyuştuğu gözlenmiştir. Yapılan simülasyon da robot kolunun çok iyi bir performansla kontrol edildiği gözlenmiştir. Elde edilen sonuç verileri model YSA' yi eğitme ve test setlerini oluşturmak üzere saklanmıştır. Elde edilen bu veriler, robot kolunu kontrol edecek model YSA nın eğitilmesinde ve test edilmesinde kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar ve yapılan çalışmalar ayrıntıları ile verilmiştir. Son aşamada genelleştirilmiş öngörülü kontrol algoritması devreden çıkarılarak model YSA kontrolör robot kolunu kontrol edilmiştir. Elde edilen sonuçlar öngörülü kontrol algoritması İle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar öngörülü kontrolör performansına yakın çıkmıştır. A JOINT BASE TRAJECTORY CONTROL WITH ANN FOR A THREE JOINT ROBOT ARM Key words : Robotics control, artifical neural networks, the generalized predictive control In this work artificial neural networks (ANN) are applied to a three-joint robotic manipulator for a joint-based control algorithm. Following the introductory Chapter 1, some basics of robots are given in Chapter 2. In Chapter 3, adaptive control algorithms and works done on this subject are given. Artifical neural networks involve learning by way of being educated.Because the robotic arm model is first simulated by the generalized predictive control algorithm to obtain the educating data sets with the aim of control, in Chapter 4 the generalized predictive control algoritm, and in Chapter 5 ANN's are explained to some extent. In Chapter 6, control with ANN and some ANN applications are studied. In Cahpter 7, some mathematical relations used in modelling of robotic arm kinematics and dynamics are provided. Since the robotic arm is to be joint-based trajectory controlled, Chapter 8 is devoted to trajectorj planning. In Chapter 9 a three- joint robotic arm is simulated by the generalized predictive control algorithm and the results are observed to be well consistent with those in the literature. The obtained data are stored on the computer memory to use them in the education of control model ANN. The results of the education and test stages are provided in detail using graphics and tables. In the last phase of the work, the generalized predictive control algorithm is excluded and the robotic arm is controlled with the developed model ANN. The results are compared to those of the generalized predictive algoritm and good consistence is observed. XV

ÖZET Step motorlar konum hassaslığı gerektiren uygulamalarda en çok kullanılan motorlardır. Kontrol edilebilme kolaylığı, doğrudan dijital işaretler ile çalışabilmesi ve bir çok uygulamada kapalı çevrim kontrol düzeneğine ihtiyaç duymaması nedeniyle tercih edilirler. Bu çalışmada iki adet hibrid tip step motor kullanarak plotter uygulaması gerçekleştirilmiştir. Aslen bu çalışma bir robot kol uygulamasının temelini teşkil etmektedir ve geliştirilmeye çok elverişlidir. Çalışmada öncelikle step motorların genel yapıları, karakteristik özellikleri, uygulama alanları ve avantajları anlatıldıktan sonra step motorlara ait önemli büyüklükler açıklanmıştır. Dördüncü bölümde elektromanyetik teori ve step motorlarda moment oluşumu incelenmiştir. Beşinci bölümde step motorların sürücü sistemleri üzerinde durulduktan sonra altıncı bölümde yapılan uygulamada kullanılan kartezyen koordinat sistemi motor açıları dönüşüm formülleri açıklanmıştır. Yedinci bölümde yapılan uygulamanın bilgisayar tararından kontrolünü kolaylaştıran programın çalışması anlatılmıştır. Sekizinci bölümde ise yapılan uygulamanın yazılımı verilmiştir. Ekler kısmında da yapılan uygulamada kullanılan step motor sürücü devresi verilmiştir. Sonuçlar kısmında, yapılan çalışmanın çok amaçlı olarak kullanılabileceği ve bir çok uygulamaya temel teşkil edecek şekilde geliştirilebileceği belirtilmiştir. Ayrıca bu tür çalışmalarda step motor kullanılmasının avantajları üzerinde durulmuştur. Alternatif olarak diğer küçük güçlü elektrik motorlarının da kullanılabileceği ifade edilmiştir. ABSTRACT Stepping motors are widely used in position accuracy required systems. Since they are easily controlled, they can run directly with digital sign, and not need closed loop control in application, they are preferred. In this work, plotter application is done with two hybrid type stepping motors. In feet, this work can be accounted main part of the robotics and available for many advance study. In this study, firstly general structure of stepping motors, their characteristics, application field and advantages are presented and then, important facilities of stepping motors are explained. In the forth chapter, electromagnetic theory and torque production is analyzed. In the fifth chapter, fundamental principles of driving or controlling a step motor are discussed after that transformation formula is explained in the chapter six. In the seventh chapter, running of the program which is made to make control of system easily is accounted for. Finally software of this study is presented. Used driver systems of stepping motors is given in appendix 1. In the final result part of the thesis, it is explained that the study can be used multipurpose. Also advantages of using stepping motors in this kind of application pointed out. Beside that availability of using alternative small motors is made clear. IX 99

Tez (yüksek lisans) - Anadolu Üniversitesi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Kayıt no: 131406, Bu tezde ilk parçası katı, ikincisi ise esnek bir yapı olan ve uç kısmında kütlesi bilinmeyen ancak belirli bir aralık içerisinde değiştiği varsayılan bir yüke sahip iki parçalı bir robot kolunun modellenmesi ve kontrolü ele alınmıştır. Sistemin dinamik denklemleri Hamilton prensibi kullanılarak türetilmiş ve sistemin dinamiği diferansiyel özdeğer problemi yaklaşımı kullanılarak sonsuz boyutlu bir modelle gösterilmiştir. Robot kolunun katı ve esnek hal dinamiğini ifade eden doğrusal olmayan adi diferansiyel denklemler, MATLAB dilinde hazırlanan bir benzetim programı yardımıyla çözülerek sistemin tepkisi bulunmuştur. Robot kolunun eklem açılarının, herbir eklem için seçilen sabit bir referans sinyali veya bir yörüngeyi takip etmesi ve esnek parçanın uç saptamasının sönümlenmesi için PD kontrolörler ve tekil perturbasyon metodunu temel alan iki zaman ölçekli bir kontrolör bir kontrolör tasarlanmıştır. Tasarlanan kontrolörler için sistemin benzetimi yapılarak elde edilen sonuçlar sunulmuştur.

TEK KOLLU ESNEK BİR ROBOTUN UYARLAMALI DENETİMİ ÖZET Esnek kollu robotlar, katı robotlara göre hız ve yük taşıma kapasiteleri gibi açılardan bazı üstünlüklere sahiptir. Esneklik, daha yüksek yük/kol ağırlığı oranı, daha yüksek hız ve daha düşük enerji harcaması sağlamaktadır. Bununla beraber, biçim-değiştirici (deformasyonlu) hareket ve toplam hareket arasındaki karşılıklı etkileşim, modelleme ve denetimde güçlükler yaratmaktadır. Kolun hareketi, uzaysal sınır durumlarını ve dolayısıyla robotun parametrelerini değiştirir. Bu yüzden, kolun sabit bir modeline göre tasarlanan denetimciler yetersiz kalır ve parametrelerin kestirimi önem kazanır. Bu tezde, parametreleri bilinmeyen esnek bir robot kolunun değişik denetim yöntemleri altındaki performansları karşılaştırılmaktadır. Bilinmeyen parametrelerin kestirimi için uyarlamalı yöntemler kullanılmıştır. Uygulanan denetim yöntemleri, kutup yerleştirme denetimi, kutup yerleştirme yöntemi ve Ziegler-Nichols kurallarına göre tasarımlanan PID denetimcisi, model dayanıklı uyarlamalı denetim, bulanık denetim, öngörümlü denetim ve eniyi denetimdir. Her denetim yöntemi için benzetim sonuçlan gösterilmekte ve karşılaştırılmaktadır. IV ABSTRACT Flexible-link robots have advantages compared to rigid robots in certain aspects, like speed and load carrying capabilities. Flexibility leads to higher load to arm weight ratio, speed and lower energy consumption. However, the interaction between the deformational behaviour and the gross motion of the links introduce difficulties in the modelling and control of flexible arms. As the arm moves, the spatial boundary conditions and hence the parameters associated with the robot arm change. Therefore, a controller designed on a fixed model of the arm may be unsuccessful and estimation of the parameters becomes neccessary. In this thesis, the performance of a single-link flexible manipulator with unknown parameters, under different control schemes are compared. Adaptive methods are used to estimate the unknown parameters. Pole placement control, PID control designed with pole placement and by Ziegler-Nichols tuning rules, model reference adaptive control, fuzzy control, predictive control and optimal control are applied; results of the simulations for each of the controllers are illustrated and compared. 142

MULTIMED 9200 ESWL CİHAZININ ULTRASON İLE OTOMATİK ODAKLANMASINI SAĞLAYAN ROBOT KOLUN TASARIMI VE UYGULAMASI ( Yüksek Lisans Tezi ) KABAKÇI, Ahmet Sinan GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ OCAK 1997 ÖZET Bu çalışmada, Türk imalatı olan Multimed ESWL (Şok Dalgaları ile Vücut Dışından Böbrek Taşlarını Kırıcı) cihazında, şok dalgalarının odaklandığı noktaya hasta taşını getirmek için kullanılan X-ışınlı flouroskopi yöntemine alternatif olan ultrason tarayıcı ile odaklama yapma imkanı sağlayan bir robot kol tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan bu robot kol, ultrason tarayıcı probunu tutar ve kullanıcının bu probu rahatlıkla hasta üzerinde taşın bulunduğu bölgede gezdirerek taşı bulmasına imkan sağlar. Kullanıcı taşı bulduğunda, görüntü dondurma pedalına basar ve taşın ultrason probuna olan uzaklığını bilgisayara girer. Bilgisayar, robot kol kinematik hesapları yaparak, taşın bulunduğu koordinatları belirler. Koordinatları bulunan taşı, şok dalgalarının odaklandığı noktanın koordinatlarına taşımak üzere, bilgisayar, hastanın üzerinde yattığı masanın üç eksendeki motorlarını kontrol ederek otomatik olarak odaklama işlemini tamamlar. Bu işlemleri yapmak için Pentium tabanlı bir kişisel bilgisayar kullanılmış ve yazılım Pascal dilinde hazırlanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda, ±5mm den daha az hata ile odaklama yapılmıştır. Anahtar Sözcükler : Tıp robotları, Robot Kol Kinematiği, Böbrek Taşı Kırma Cihazı, Ultrason tarayıcı ile odaklama, Ultrason tarayıcı ve robot kol Bilim Kodu : 225.10.01 Sayfa Adedi : 73 Tez Yöneticisi : Doç. Dr. İsmail COŞKUN DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A ROBOT MANIPULATOR FOR THE AUTOMATIC LOCALISATION OF THE MULTIMED ESWL MACHINE BY MEANS OF ULTRASOUND ( M. Sc. Thesis ) KABAKÇI, Ahmet Sinan GAZI UNIVERSITY INSTITUE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY JANUARY 1997 ABSTRACT In this study, a robot manipulator is designed and implemented for a localisation method by means of ultrasound scanner alternative to the method of localisation of patient's kidney stone to the focal point where the shock waves are focalized in the Turkish made Multimed brand ESWL (Extracorporeal Shock Wave Lithotripter) machine by means of X-ray flouroscopy. The designed robot manipulator holds the prob of ultrasound scanner. The user can easily manipulates both the ultrasound prob and the robot arm so he can find the location of the renal stone. After the user relaeses the footh peadal to freeze the image of scanner, the distance between the prob and the stone is given to the computer. Then the computer calculates the coordinates of the renal stone by means of kinematic equations of the manipulator. Then the computer controls the electric motors in each three axis of treatment table where the patient lies to localise the renal stone at the calculated coordinates to the focal point. Therefore, the localisation of renal stone is made automaticaly by the computer. To achieve the localization a Pentium processor based personal computer is used. The software is written in Pascal language. As a result, the localization is performed with the error less than ±5mm by this system. Key Words : Medical robots, Kinematics of manipulators, ESWL (Extracorporeal Shock Wave Lithotripter), Localisation by Ultrasound scanner, Ultrasound scanner and manipulator 225.10.01 73 Assoc. Prof. Dr. Ismail COŞKUN Science Code Number of Pages Supervisor 11 73

öz Bu tezin amacı, artikülasyonlu bir robot kolunun bilgisayar ile simülasyonunu gerçekleştirmektir. Artikülasyonlu robot kolu, üç dönel ekleme sahip bir robot kolu türüdür. Bileğin `pitch`, `yaw` ve `roll` hareketleri ile beraber, simüle edilen sistemde toplam altı dönel eklem olduğu varsayılmıştır. Simülasyon, iki temel bölümden oluşmaktadır; sistemin matematiksel modellemesi ve robot hareketinin grafiksel sunumu. Sistemin matematiksel modellemesi; her eklemin bir DC motor tarafından hareket ettirildiği kabul edilerek yapılmıştır. İkinci bölümde ise, modellenen sistemin girişine bir sinyal uygulayıp çıkışı gözlendikten sonra, sistemin giriş sinyaline tepkisi grafiksel olarak sunulmuştur. Grafiksel sunum, giriş-çıkış sinyallerinin gösterimi ve robot kolunun fiziksel hareketinin ekranda gösterilmesini içerir. ABSTRACT This thesis aimed at simulating an articulated robot manipulator on computer. Articulated robot manipulator is a type of manipulator which has three rotational joints. Including the `pitch`, `yaw` and `roll` movements of the wrist, the system assumed that has six rotational joints. The simulation is assembled by two parts; mathematical modeling of the system and graphical representation the movement of the manipulator. When modeling the system mathematically, each joint of the manipulator assumed that actuated by a DC motor. Then, the input signal and the examined output response shown on the screen. Also, the actual movement of the manipulator shown on the screen of the computer. 83

Tez (yüksek lisans) - Anadolu Üniversitesi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Kayıt no: 131254, Bu tezde, ilk olarak tek linkli bir esnek robot kolu, ikinci olarak da ilk linki katı ikinci linki ise esnek olan ve uç kısmındaki kütlesi tam olarak bilinmeyen iki linkli bir robot kolu Hamilton prensibi kullanarak modellenmiştir. Tek linkli esnek robot kolu için, durum uzayı denklemlerini oluşturan matris değerlerini istenilen mod sayısı için bulan bir bilgisayar programı MATLAB dilinde hazırlanmıştır. Katı-Esnek robot kolu için de sistemin katı ve esnek hal dinamiğini ifade eden doğrusal olmayan adi difaransiyel denklemleri istenilen mod sayısı için çözerek sistemin tepkisini bulan bir bilgisayar programı MATLAB dilinde hazırlanmıştır. Katı-Esnek robot kolu için eklem açılarının istenilen açıları takip edebilmesi ve uç sapmasının kısa sürede sönümlenebilmesini sağlayacak PD kontrolör tasarlanmıştır. Son olarak da bu kontrolör için simülasyon çıktıları elde edilmiştir.

ÖZET Bu çalışmada bir robot kolunun nasıl tasarlandığı, gerçeklendiği, kontrol edildiği ve modellendiği anlatılacaktır. Çalışma, mekanik, elektronik ve bilgisayar bilimleri olmak üzere üç anabilim dalını içine almaktadır. İlk önce iki serbestlik dereceli bir robot kolu gerçekleştirilmiş, daha sonra kolun eklemlerindeki motorları en hızlı sürecek şekilde sürücü devreleri tasarlanmıştır. Eklemlerin en kısa zamanda istenen açıda konumlandırılabilmesi için kapalı çevrim içinde motorları süren sürücü devrelerin yüksek kazancı, eklemlerin hızını artırması yanında, istenilen açı civarında salınımlı sönüm davranışı göstermesine neden olmuştur. Eklemlerin kazanç ve faz eğrileri çıkartılmıştır. Daha sonra kapalı çevrimin girişine birim basamak işareti uygulanarak kolun hem yükte hem de yüksüz olarak modeli çıkartılmıştır. Kolun bir kullanıcı tarafından kontrol edilebilmesi için bir yazılım geliştirilmiştir. Kol hem yükselme hareketi hem de eklem interpolasyon hareketi yapabilmektedir. Ayrıca on-line kontrol edilebilmektedir. Kolun yaptığı her hareket gerçek zamanlı olarak ekranda izlenebilmektedir. Anahtar Kelimeler: Robotbilim, Mekatronik, Kontrol Sistemleri. VI SUMMARY Design, Implement, Control and Modeling of A Robot Arm This thesis presents how to design, implement, control and model a robot arm. The study contains three science branchs as mechanics, electronics and computer sciences. First a robot arm with two degrees of freedom was implemented mechanically, then the driver circuits driving fastest the motors at the joints of the arm were designed. To position the joints at the desired locations in the shortest time, the high gain of driver circuits criving the motors in the close loop caused to show the overshoot behaviour about the desired angle beside increasing the velocities of the joints. The gain and phase curves of the joints were derived. Then, by applying step functions to the input of close loop system, the transfer functions were derived from the step responses in both loaded and noloaded. A software was developed to control the arm by a user. The arm can make both slew motion and joint-interpolated motion. Additionally, the arm can be controlled on-line. All the movements of the arm are seen on the screen in the real time. Keywords: Robotics, Mechatronics, Control Systems. VH 107

ÜÇ BOYUTLU UZAYDA HAREKET EDEBİLEN ROBOT KOLUN, BİLGİSAYAR DESTEKLİ KONTROLÜ, TASARIMI VE UYGULAMASI ( Yüksek Lisans Tezi ) Mehmet ALBAYRAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Eylül 1997 ÖZET Bu çalışmada, bilgisayar destekli kontrol yöntemi ile üç boyutlu uzayda hareket edebilen, üç serbestlik dereceli robot kol tasarımı, kontrolü ve simülasyonu yapılmıştır. Kontrol için, bilgisayarın 16 bitlik ISA slotlarından birine yerleştirilebilecek yapıda; adres çözücü katı, programlanabilir giriş / çıkış katı, dört adet motor sürücü katı ve step motor frenleme katının bulunduğu devreler tek bir kontrol kartı üzerinde toplanmıştır. Hazırlanan kart üzerinde 48 bit giriş / çıkış hattı mevcuttur. Bu hatlardan 17 tanesi çıkış biti olarak kullanılmış, geri kalan bitler geri besleme için ayrılmıştır. Hazırlanan sistemin, kontrolü ve simülasyonu bilgisayarda gerçekleştirilmiştir. Eğitim amaçlı kullanılabilecek robot kolun, prototip olarak hazırlanan mekanik tasarımı bu kart ile kontrol edilmiştir. Bilim Kodu Anahtar Kelimeler Sayfa Sayısı Danışman 626.01.00 Robot Kol, Bilgisayar Destekli Kontrol, Simülasyon 67 Y. Doç. Dr. Osman GÜRDAL COMPUTER AIDED CONTROL, DESIGN AND APPLICATION OF ROBOT ARM THAT CAN BE MOVED IN THREE DIMENSIONAL SPACE ( M. Sc. Thesis ) Mehmet ALBAYRAK GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECNOLOGY ** ŞJS-. September 1 997 ABSTRACT In this study, by computer aided control system, the design, control and the simulation of the degress of freedom robot arm that can be moved in three dimensional space has been effected. For the control, address decoder device, programmable input / output device, four stepping motor driver device and the devices which has stepping motor breaking device were put on only one control card, that can be placed in one of the 16 bits ISA slots of computer. On prepared card, 48 bits input / output lines are available. 17 of these lines are used as output lines. And the rest of lines are reserved for feedback/The control and simulation of prepared system were effected on computer. Mechanical design which is prepared as prototype of the robot arm that can be used with the aim of education was controlled by this card. Science Code Key Words Page Number Adviser 626.01.00 Robot arm, Computer Aided Control, Simulation 67 Assoc.Prof.Dr. Osman GÜRDAL / 67

ÖZET Bu çalışmada, ucundaki kütlesi değiştirilebilen bir eklemli esnek robot kolun mo dellenmesi ve kontrolü gerçekleştirilmiştir. Esnek bir sistemin dinamik denklemleri sonsuz boyutlu olarak elde edilmektedir. Son suz boyutlu bir sistem için kontrol tasarımı oldukça zor olduğundan ve sistem içinde belirsizliklere yol açacağından, esnek yapının etkisini göstermek üzere düşük boyutlu bir model kullanılmıştır. Sistemin ölçülemeyen durum değişkenlerinin tahmini değerlerini elde edebilmek için asimptotik bir gözlemleyici tasarlanmıştır. Sistemin mod genlikleri, mod genliklerinin türevleri, pozisyon hatası ve bu hatanın değişim hızı geri beslenerek bir kontrol tasarımı gerçekleştirilmiştir. Durum uzayında gösterilen sistemin kontrol parametrelerinin değerleri belirlenmiş ve sistemin kararlılığı incelenmiştir. Bu çalışmada uç kütlesi aralığı 100 gram- 1000 gram olarak seçilmiş ve bu aralıktaki tüm değerler için sistemin kararlı olduğu görülmüştür. Esnek robot kolun istenen pozisyona küçük salınımlarla ve kısa sürede ulaştığı gözlenmiştir. Ayrıca uç sapması salınımlarının küçük değerlerde olduğu ve bu sapmaların kısa sürede sönümlendiği görülmüştür. ABSTRACT In this study a flexible one-link robot arm with a variable tip mass was modelled. The modelled system has infinite dimension. Since the control of an infinite order system is very difficult and will lead uncertanities, a low order model was used to show the effect of flexible part. An asymptotic state observer was designed to estimate the state variables which can not be measured. A control algorithm was developed using mode amplitudes, derivatives of the mode amplitudes, the position error and the velocity error as feedback signals. Then the values of the control parameters of the state-space model of the system were determined and the stability of the system was determined. In this study the tip mass assumed to change in a range of 100 g -1000 g and it is found that the system is stable for all values in this range. The flexible robot arm reached the desired position with small oscillations in a short time. Also the tip deviation has small oscillations and the oscillations are damped out in a short time. 40

III ÖZET Doktora Tezi TÜRKÇEDEN SEÇİLMİŞ BİR GRUP KELİMENİN ROBOT KOLU KONTROLÜNDE KULLANILMASI Fikret Ata Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı 1996, Sayfa: 114 Bu tezde, Türkçeden seçilmiş bir grup kelimenin kullanılması ile robot kolunun kontrolü yapılmıştır. Seçilen belirli kelimelerin, hazırlanan yazılımlarla, konuşma örneklerinin doğrusal öngörümüne dayalı ve konuşmacıya bağımlı bir ayrık sözcük tanıma algoritması ile bilgisayar desteğinde tanınması gerçekleştirilmiştir. Tanınan bu komutlar vasıtası ile, robot kolunun hareket denklemlerini de kullanan bir başka yazılım desteğinde, step motorlarının adımlan, dolayısı ile eklemlerin açılan ayarlanarak, robot kolunun istenilen koordinatlara gitmesi ve belirlenen yerde belirli işi yapması sağlanmıştır.IV ANAHTAR KELİMELER: Ayrık sözcük tanıma, özilişki, doğrusal öngörü katsayıları, dinamik zaman bükümü, en yakın komşu kuralı, robot, robot kolu. SUMMARY Ph.D.Thesis USE OF A GROUP WORD CHOSEN FROM TURKISH IN ROBOT ARM CONTROL Fikret Ata Fırat University Graduate School of Naturel and Applied Sciences Department of Electrical and Electronics Engineering 1996, Page: 114 In this thesis, the robot arm control has been preformed using a group word chosen from Turkish. Chosen certain words, by the written softwares, speech samples base on the linear predictions and the computer aided recognition with an isolated word recognition algorithm depended on the speaker has been actualized. By means of these recognized commands and with the help of another software which uses the motion equations of the robot arm, by adjusting the steps of the step motors and hence the joints angles, the position of the robot arm to the desired coordinates and in a certain place preforming a certain task have been ensured.VI KEY WORD: Isolated word recognition, autocorrelation, linear predictive coding, dynamic time warping, nearest-neighbor decisionrule, robot, robot manipulator. 128

ÖZET ÖNGÖRÜLÜ DENETİM VE BİR ROBOT ÜZERİNE UYGULAMA Anahtar Kelimeler: Uzun Mesafeli Öngörülü Denetim, Robot Kontrolü Robotlar doğrusal olmayan ve bağımlı dinamik denklemleri yüzünden, kontrol edilmesi oldukça güç olan sistemlerdir. Doğrudan İtmeli Robotlarda ise durum daha da karmaşıktır. Çünkü, robotun doğrusal olmayan dinamiklerinin etkisi bir dişli mekanizmasıyla azaltılmak yerine olduğu gibi yansıtılmaktadır. Motorun kendisi de diğerlerine göre daha kötü dinamiklere sahiptir. Ayrıca robotun çakışma koşullan da durağan kontrollerin pek olmadığı sürekli hareketli referanslara sahip, ağır bozan etkenlerin etkisinin önemli olduğu bir durum yaratmaktadır. Bu şartlar da, kullanılacak kontrolcünün hem kararlılık hem de performans açısından gürbüz, gürültülü ve bozan etkenli ortamda kontrol girdilerinin varyanslarını düşük tutabilen, ve hassas kontrol yapabilen bir nitelikte olmasını gerektiriyor. Çeşitli türleriyle beraber Öngörümlu Denetim metotları bir yandan bu ihtiyaçlara nispeten iyi cevap verebilirken bir yandan da hesaplama kolaylığı, ve ayarlama kolaylığı getirmektedir. Bu tez de çeşitli Öngörülü Denetim metotlarıyla iki eklemli doğrudan itmeli bir robot üzerinde uygulamalar yapılmış ve metotların özellikleri araştırılmıştır. Simülasyonlar Simulink ile yapılmıştır. Uygulamalar ise İki eklemli düzlemsel scara tipi bir robota uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar öngörülü denetimin, anılan özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. iv ABSTRACT PREDICTIVE CONTROL WITH APPLICATIONS ON ROBOTICS Keywords: Long Range Predictive Control, Robot Control Accurate tracking control of Robotic Manipulators is a difficult problem. There are several reasons for this fact. First, equations of motion of robotic manipulators are higly nonlinear and coupled. Second, operating conditions of robotic manipulators are very heavy, that every time there are small or big load changes. In the case of direct drive manipulators situation is even worse. Because, direct drive motors are directly connected to the manipulator and there is no gear mechanism. Consequently, dynamics of the manipulator directly appears on the overall system dynamics making it more nonlinear. And, also, direct drive motors have a more nonlinear dynamics than normal DC motors. Thus, for accurate tracking control of a direct drive manipulator, a controller must be robust both in performance and stability, and keep control input variance small for being applicable in industry, while maintaining accuracy. Predictive control methodolgy results in controllers that satisfy the needs of the industry in many practical situations. It has the advantage that while providing such performance which is close to LQ control in many pratical situations, it is easy to tune and apply. In this thesis, two Predictive control methods, GPC and, GPCW, are applied to a direct drive two-link planar scara robot. Simulations are done in Simulink and implementations are done on a real robot as stated. The results indicate that GPC, and GPCW has the stated properties above. 44

ÖZET Esnek robotların katı robotlara göre daha hafif, hızlı ve daha ağır yükleri taşıyabilir olmaları esnek robot modellenmesi ve denetimine yönelik ilginin son yirmi yıl içinde giderek artmasına yol açmışta. Modelleme sorununun büyük ölçüde çözülmüş olmasına karşın denetim konusunda yeni çözümlere gereksinme vardır. Bu tezde esnek kollu robotların yük taşıdıkları uç noktalarının denetimi konusunda iki yeni yordam önerilmektedir. Denetim yordamlanmn amacı zamanla değişen bir yörüngenin izlenmesi ve hareketten doğan titreşimlerin bastınlmasıdır. Hareketin ortam tarafından sımrlandmlmamış (unconstrained) olduğu varsayılmaktadır. İlk denetim yordamı katı robotlara uygulanan bir oransal-türevsel (PD) yordamın esnek robotlar için geliştirilmiş bir türüdür ve tezde `Modified PD Controller` adıyla anılmaktadır. İkinci denetim yordamı oransal-türevsel temelli bir açkılama kuralıdır. Her iki denetim yordamı da çok kirişli esnek robotlar için geliştirilmiştir. Önerilen denetim yordamları geliştirilmelerinde temel olarak alman oransal-türevsel yordamlardan daha iyi sonuç vermektedir. Bu çalışmanın asıl amacı yükün kestirimi değilse de basit fakat etkili bir fikirden yola çıkılarak tek kirişli esnek bir robot kolunun kütle ve eylemsizlik momentinin kestirimi de yapılmışta. IV ABSTRACT Due to the fact that the flexible robots are lighter, faster and can carry heavier payloads using less energy as compared to the rigid robots, there has been an increasing concern on the modeling and control of flexible robots over the past two decades. The modeling issue can be considered as complete but the control problem still needs new solutions. In this dissertation, two new ways of controlling the tip of a flexible-link robot are proposed. The control objectives are to track a specified trajectory and suppress the vibrations induced by the motion. The motion is assumed to be unconstrained. The first controller that is developed is called the `Modified PD Controller` and it is an extended form of classical computed torque PD controller for the rigid robots. The second controller is a PD based switched compensation rule. Both controllers are developed for the multi-link flexible manipulator, and simulated for single and two-link planar flexible manipulators. The proposed controllers yield improved tip responses over the respective PD controllers from which they are derived. Even though the objective of this study is not the estimation of the payload, a simple yet effective idea is formulated for estimating the mass and moment of inertia of the payload of a single-link flexible manipulator. 174

Ill ÖZET Stereo kameralardan alınan görüntüler eşleştirilerek herhangi bir cismin robot kolun tabanına olan uzaklığı belirlenebilir. Bu çalışmada bu bilginin elde edildiği varsayılarak robot kolun bu noktaya ulaşması için gerekli eklem açılarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu bir ters kinematik problemidir. Ters kinematik probleminde denklemlerin doğrusal olmaması nedeni ile cebirsel bir çözüm elde edilememiş ve geometrik çözüm yolu seçilmiştir. Geometrik çözüm metodu ile oluşturulan denklemler kullanılarak, robot kolu kontrol edebilmek için C programlama dilinde bir program yazılmıştır. IV SUMMARY By matching images taken from stereo cameras, the distance between any object and base of the robot arm can be determined. In this project determining required joint angles for the robot arm is purposed by assuming presence of this knowledge. This is an inverse kinematics problem is not linear, the algebraic solution is not obtained and geometric solution method is chosen. A program with `C` code is written for controlling the robot arm by using equations which obtained from geometric solution method. 50

Bu çalışma üç parmaklı hünerli bir el olan MetuHand 'in gerçekleştirilmesi ve kontrolü üzerinedir. MetuHand çalışmaları 1993 yılında bir bitirme ödevi olarak başlamış daha sonra Yüksek Lisans çalışması olarak gelişmiş ve halen devam etmektedir. MetuHand 30 gramdan daha hafif 2x5xl0cm büyüklüğüne sahip ve daha küçük nesneleri manipule edebilmektedir. Bu tez çalışması robot elin yapımı ve kontrol kısımlarım içermektedir. Hem açık döngü hemde kapalı döngü kontrol robot el üzerinde uygulanmış, kullanıcının robot ele daha etkin olarak hakim olabilmesi için güçlü bir grafik kullanıcı arabirimi sunulmuştur. MetuHand Projesi, Türkiye Birimsel ve Teknik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından desteklenmiştir, Proje numarası: Bilten 471 Anahtar Kerimeler : Hünerli Robot Elleri, Robot Elle Kavrama, Çok Boyutlu Robotlar, Robot El Yapımı iv This study is on the implementation and the control of a three fingered dexterous robot hand, the MetuHand. Studies on the MetuHand began as a senior project in 1993, the project then has become a master of science study and is still continuing. The MetuHand is capable of manipulating small objects of size 2x5x10cm not heavier than 30 grams. This thesis work is based on the implementation and computer control of the hand. Both open-loop and closed-loop controls are applied to the robot hand and a graphical user interface is introduced for the user in order to control the hand more efficiently. The MetuHand was financially supported by the Turkish Scientific and Technological Research Council (TUBÎTAK); Project no : Bilten 471. Keywords : Dexterous Robot Hands, Hand preshaping, Redundant robotics systems, Hand manufacturing m 126

Ill ÖZET Bu çalışmada, ucunda belli bir kütle bulunan bir eklemli esnek robot kollarının modellenmesine ve kontrolüne yönelik araştırmalar yapılmıştır. PUD (proportional- integral-derivative) kontrol kullanılarak hem sürekli zamanda, hem de kesikli zamanda sistemin mil açısı ve uç noktanın sapması kontrol edilmiştir. Sürekli zamandaki kontrolde sistemin ilk altı modu kullanılarak model geliştirilmiş ve yük kütlesi 200g ile l000g arasında değişirken mil açısının istenen değere ulaştığı ve uç noktasındaki salınımların kısa sürede sönümlendiği PID denetleyicisinin katsayıları bulunmuştur. Kolun uç noktasının pozisyonunu kontrol edebilmek için, o noktadaki pozisyon ve sapma bilgileri kullanılarak, kolun diğer ucunun bağlı olduğu dirseğe kontrol torku uygulanmıştır. Yerçekimi etkilerini hesaba katmamak için kolun hareketi sadece yatay düzlemle sınırlandırılmıştır. Verilen bir referans değeri ile ölçülen pozisyon değeri arasındaki fark (mil pozisyonu hatası) ve uç noktadaki sapma hatası kullanılarak, motora uygulanacak tork belirlenmiştir. Kesikli zamanda yapılan kontrolde ise, sürekli zamanda elde edilen sistemin transfer fonksiyonları kesikleştirilerek, kapalı döngü sistemin motor referans açısından motor mil açısına olan ve yine motor referans açısından kolun uç noktasının sapmasına olan transfer fonksiyonları elde edilmiştir. IV SUMMARY In this study, some researches for modelling and control of one-link flexible manipulator which carries a payload at its tip were performed. Motor hub angle and tip deviation of the system were controlled by using PID (proportional-integral-derivative) control in both continuous-time and discrete-time domains. In continuous-time domain control, the system is modelled by using the first six modes of the system. PID control gains that cause the shaft angle and the tip deviation to arrive their desired values were obtained while payload is changing between 200g and 1000[g. The position and the deviation of the end-effector were controlled by measuring that position and by using the measurement as a basis for applying control torque to motor hub. Flexible robot arm was constrained to move only on the horizontal plane in order to eliminate gravity effects. A commanded tip position is compared with the measurement of actual tip position, and the difference (tip-position error) with the tip deviation error is used to calculate the required input torque at the hub. In discrete-time domain control, the system transfer functions were discretized and then the closed-loop transfer functions, the first is from motor reference angle to motor shaft angle and the second is from motor reference angle to tip deviation were obtained. 46

ÖZET Bu çalışmada Buket Çelikel TOPBL tarafından tasarlanıp, mekanik olarak gerçekleştirilen eğitim amaçlı bir robot kolu kullanılmıştır. Mekanik kısıtlamalar gözonünde bulundurularak, robot kolun çalışma uzayı çıkarılmıştır. Çalışma uzayı içinde herhangi bir pozisyona ulaşmak için eklemler sara ile ve tek tek çalıştırılabildiği gibi aynı anda tüm eklemler de hareket ettirilebilmektedir. Kameralardan gelen derinlik bilgisi 4x4' lök bir matris olarak ifade edilmiştir. Bu matris çalışma uzayı içindeki cismin pozisyon ve oriyantasyon bilgilerini içermektedir. Daha sonra bu bilgilere ulaşabilmek için robot kolun ters kinematik çözümü yapılmıştır. Ters kinematik çözüm çalışma uzayı içinde herhangi bir noktaya ulaşabilmek için gerekli eklem açılarım vermektedir. Bu açılar hesaplandıktan sonra eklemleri süren adım motorları cisme ulaşmak üzere hareket ettirilmiştir. Sonuç olarak robot kolun uzaklığı kendisine göre ifade edilen cismi tutmasını ve istenen bir başka noktaya bırakmasını sağlayan bir tanıtım programı hazırlanmıştır. w SUMMARY In this project a robot arm that was designed and built by Buket Çelikel TOPEL is used. According to the mechanical constraints the work space of the robot arm was calculated. To reach any point which is in this work space the joints either can move one by one or together at the same time. After then the inverse kinematic equations of this arm were solved. Inverse kinematic solution creates the joint angles that the robot arm must take to reach a specific point in work space. In the last step, the step motors are excited by logic pulses to move to the desired position. 25

BÎR ROBOT KOLUNUN KAYMA KÎPLİ BULANIK MANTIK DENETÎMCÎSİYLE İZLEME DENETÎMÎ Banı Duran Eleköik-Elektronik Mühendisliği, MS. Tezi, 1995 Tez Danışmanı : Pra£ Dr. Ahmet Denker KISAÖZET Bir fobotkohımm izleme denetimi, de^ yapılan konularından biridir. Robotun hareket denklemleri doğrusal vb bağlaşık olmadığı için uygun denetim kuran bulmak çok zordur. Hatta, sistem parametrik belirsizlikler vb modellenmemiş hareket dinamiği içeriyorsa bu daha da zordur. Bu çalışmada yukarıda belirtilen güçlükleri aşmak için kayma kipli bulanık mantık denetimi olarak adlandırılan bir metod geliştirilmiştir. Bu metod iki denetim algoritmasının birleşiminden omsun kayma kipli denetim vb bulanık mantık denetimi Bu nedenle iki algoritmanın da avantajlarını içerir. Bu metod hassas izleme, parametre değişimlerine karşı duyarsızlık ve sürekli olmayan denetimin giderilmesini sağlar. Bu sürekli olmayan denetim kayma kipti denetimde karşılaşılan ana sorunlardan biridir. Kayma kipti bulanık mantık denetimi benzetimlerle ve robot koluna uygulamayla doğrulanmıştır. Benzetim kısmında dört ayrı denetim algoritması arasından en iyi sonuçlan verilmiştir. Bu denetimcinin uygulamadaki başarımı makul olan, yöntemin robot koflarının izleme denetiminde kullanılabilirliliğini göstermiştir. IV TRACKING CONTROL OF ROBOTIC MANIPULATORS USING SLIDING MODE FUZZY LOGIC CONTROLLER Bora Duran Electrical and Electronics Engineering, MS. Thesis, 1995 Theses Supervisor : Prof. Dr. Ahmet Denker ABSTRACT The tracking control of a robotic manipulator is one of the most interesting and the most researched areas of me control Since the dynamics of the manipulator is nonlinear and counted, it is hard to find a proper control law. Moreover, if the system has uncertainties in the parameters and unmodeled dynamics, it is very hard. in mis study, a control methodology, called as sliding mode fuzzy logic control, is developed, to overcome the difficulties mentioned above. This methodology as a combination of two control algorithm: sliding mode control, and fuzzy logic control, and it includes the advantages of both. It provides high accuracy tracking, robustness to parametric deviations, and elimination of control chattering which is the main problem in sliding mode control The sliding mode fuzzy logic control is verified by simulations and application to a robot»; manipulator, b simulations, it gives the best results among four different control algorithms. The performance of me (X)ntroner is also reasonable m implementation, showing that it Is applicable to the robotic manipulators. 62

oz NESNEYE- YÖNELİK ROBOT BENZETİMİ ZONTUL, Haluk Yüksek Lisans Tezi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Aydın Ersak Ocak 1994, 80 sayfa Bu tezin amacı, nesneye-yönelik bir robot benzetim bilgisayar yazılım paketinin tasarlanması ve gerçekleştirilmesidir. Tasarım aşamasında daha önce yapılan çalışmalarda geliştirilen nesneye-yönelik yöntemler ve bu yöntemlerin robotik alanına uygulanışı incelenmiştir. Paket programın sınanması amacıyla çözülmüş eylem hız denetimi ve melez kuvvet/konum yöntemleri iki eklemli düzlemsel bir robot kola uygulanmıştır. Bu yöntemler robot kolları sırasıyla engelsiz ve engelli ortamlarda denetlerler. Yukarıdaki denetim yöntemleri dışında, robot değişkenlerinin kestiriminde çok katlı algılama yapay sinir ağlarının kullanılması araştırılmıştır. Bu çalışmada çok katlı algılama ağı doğrusal en az kareler kestirimi yapabilecek şekilde eğitilmiştir. Kestirim yoluyla elde edilen değişkenler tek-eklemli bir robotun denetiminde kullanılmıştır. vBilgisayar benzetim paketinin gerçekleştirilmesinde C++ bilgisayar programlama dili kullanılmıştır. Anahtar Sözcükler : Robotik, Robot Denetimi, Nesneye- Yönelik Robot Benzetimi Bilim Dalı Sayısal Kodu :6 19.04.02 vı ABSTRACT OBJECT-ORIENTED ROBOT SIMULATION ZONTUL, Haluk M. S. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor : Prof. Dr. Aydın Ersak January 1994, 80 pages The objectives of this thesis are to design and implement an object- oriented robot simulation software package. Object oriented methods developed in the earlier research studies and their applications to robotics field are studied during the design phase of the package. The resolved motion rate control and hybrid force/position control methods are applied to two degrees of freedom planar robot arm in the test phase. These methods control robots either in the free or in the constraint spaces, respectively. As an alternative to the above control methods, a multi-layer perceptron artificial neural network is trained to make linear least square estimation of the parameters of a single-link manipulator. The estimates are used in the control of single-link manipulator. The simulation package is implemented using C++ programming language. Keywords : Robotics, Robot Control, Object-Oriented Robot Simulation mScience Code :6 19.04.02 iv 80

ÖZET Bu çalışmanın amacı, kişisel bilgisayar ile kontrol edilen bir robot kolun tasarlanması ve gerçekleştirilmesidir. Robot kol manipülatörü, beş dönel eklemden ve bir elden oluşmakta ve eklem hareketleri step motorlar tarafından sağlanmaktadır.Step motor sürücü devreleri, bir 8255 (Peripheral Interface Adapter) kartı aracılığıyla kişisel bilgisayara bağlanmakta ve step motor sargıları, yazılım ile üretilen palslar tarafından enerjilenmektedir. _ i _ SUMMARY The purpose of this work is to design and realize a personel computer controlled robot arm. The robot manipulator consists of five revolute joints actuated by stepper motors and an end effector (hand). Interface between stepper motor drivers and the computor is provided by the way of 8255 (Peripharel Interface Adapter) board. The stepper motor wirings are energized with the pulses generated by the software. -II - 31

oz DEĞİŞKEN YAPILI BEŞ-EKSENLİ ROBOT KOL TASARIMI YÜCEL, Ahmet Serdar Yüksek Lisans Tezi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Aydın ERSAK Temmuz, 1994, 93 sayfa. Bu tezin amacı, değişken yapılı bir robot kolun tasarımıdır. Bir robotun biçim değişikliği, kol yapısında uygulanan değişiklikler kullanılarak, farklı kinematik yapıların oluşturulabilmesidir. Robot yapısının modellemesinde, dinamik değişken biçimli robot sistemi kavramı öngörülmektedir. Tasarım, temel robot sınıflandırmalarında yer alan, birden fazla biçimde çalışma alanını sağlamaktadır. Robot kolun bütünsel yapısı, değişken biçimli robot kol üzerine geliştirilen önceki çalışmalara, bir seçenek olarak verilmektedir. Tezde, robot kolun bir biçim çalışma alanından diğerine olan biçim değiştirme süreci tam olarak tanımlanmaktadır. Kolun, sistem tasarımı sürecinde, genel bir yöntem izlenmektedir. Kolun, kinematik ve dinamik analizleri, tasarımınçalışma alanındaki başarımını gözlemlemek üzere, şekilsel gösterimler kullanılarak incelenmektedir. Anahtar sözcükler : Robotik, Robot Tasarımı, Değişken Biçimli Robot Kol. Bilim Dalı Sayısal Kodu : 619.04.06 vı ABSTRACT DESIGN OF A RECONFIGURABLE FIVE- AXES ROBOT ARM YÜCEL, Ahmet Serdar M. S. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor : Prof. Dr. Aydın ERSAK July, 1994, 93 pages. The objective of the thesis is to design a reconfigurable robot manipulator. The reconfiguration of a robot is the ability to form different kinematic structures by applying modifications to the arm structure. The concept of the dynamically reconfigurable robotic system is aimed at this study in modelling the structure of the robot. The design provides multiple configuration workspaces defined in basic robot categories. A single compact structure is proposed for the robot arm as an alternative approach to the previous studies developed on the reconfiguration of a robot arm. The reconfiguration process of the robot arm from one configuration workspace to another is explicitly defined in the thesis. A general methodology is followed during the system design process of the arm. The Mnematical and indynamical analyses of the designed robot arm are determined using graphical representations in order to view the performance of the design in the workspace. Keywords : Robotics, Robot Design, Reconfigurable Robot Arm. Scientific Code : 619.04.06 rv 93

Robotların üretim sanayiinde yaygın olarak kullanılmaya başlanması, Robotik konusunun popüler bilim dallarından biri olmasına yol açmıştır. Bu sebeple öğretim kurumlarında robotik ile ilgili yapılan çalışmalar önem kazanmıştır. MÜTEF Elek- tronik-Bilgisayar Bölümü Kontrol Anabilim Dalı'nda bulunan CS-1 13 eğitim robotunun robotik derslerinde efektif olarak kullanılması için kapsamlı olarak incelenmesi ve sınırlı kaynaklarının geliştirilmesi maksadıyla bu tez çalışması yapılmıştır. Bu çalışmada robotik konusu genel hatlarıyla incelenmiştir. Sanayide kullanılan robotların bir taklidi sayılabilecek 5 serbestlik dereceine sahip, Microbot tipindeki CS-1 13 robot kolunun yazılım ve donanım açısından incelenmesi detaylı olarak yapılmıştır. Kontrol yöntemlerinin robot kolunda uygulamasının yapılabilmesi için her bir eklemin pozisyonu hakkında bilgi alınması gerekir. Pozisyon hakkında optik kodlayıcılar (optical encoder), potansiyometreler ve motor akımlarından elde edilen verilerle bilgi edinebiliriz. CS-1 13 robot kolunun orjinalinde bulunmayan geri besleme sistemini, robot koluna eklemek için geri besleme elemanı olarak yapısına en uygun eleman olan potansiyometreler kullanılmıştır. Bunun için adım motor millerine bağlı redüktörlerin çıkışına potansiyometreler küple edilmişlerdir. Elde edilen veriler DAC kartı kullanılarak değerlendirilmiştir. After using robots widely in production industry, robotics has become one of the popular science branches. Therefore working on robotics has become important. This thesis has been done in order to use CS-1 13 Robot Arm in MÜTEF robotic lesson effectively. In this thesis robotics is discussed in general. CS-1 13 Robot Arm has five degrees of freedom to be accounted as an imitation of industrial robots and this robot arm is inspected in great detail in term of software and hardware. It is necessary to receive information about the position on every joint position for control methods to be applied at robot arm. We can receive information about position by a optical encoders, potantiometers and data gained from motor currents. Potantiometers were used to add feedback system which doesn't exist in the original form to robot arm as feedback element which is the most convenient for them. For this reason, potantiometers are coupled the output of reductors connected to the pivots of stepper motor. Data obtained were evaulated by using DAC card. 155

ÖZET Robot konusu, son zamanlarda hızlı gelişim gösteren güncel bir çalışma alanıdır. Bu çalışmanın amacı robot konusunun temel ilkelerinin tanıtılması, endüstriyel robotların analiz ve kontrolü, ve iki serbestliğe sahip bir robot kolunun tasarımıdır. Çalışma altı bölümden oluşmaktadır. Birinci bölüm robot kollarına, özelliklerinin, sınıflandırılmalarının, ve karakteristiklerinin tartışıldığı genel bir giriştir, îkinci bölümde robotları üç boyutlu uzayda istenilen bir noktaya konumlandırmak için gerekli koordinat dönüşümleri anlatılmaktadır, üçüncü ve dördüncü bölümlerde sırasıyla robot kolu ileri (forward) ve ters (invers) kinematik problemleri araştırılmaktadır. Ayrıca trigonometrik eşitliklerin çözümünden kaynaklanan problemlerin çözümü için bazı pratik çözüm metodları önerilmektedir. Bu kısımlarda çalışma, Stanford ve Puma robot kollarına dayanmaktadır. Beşinci bölümde robot kollarının denetimi hakkında bazı teorik araştırmalar verilmektedir. Son bölümde uygulama olarak, iki serbestlik derecesine sahip bir robot kolunun tasarımı, ve sistemin denetimi için kullanılan 80C51 mikrodenetleyicisinin işlevsel yapısı açıklanmaktadır. VI SUMMARY Robotic is an actual field of study that shows vast devolepment recently. The purpose of this study is to introduce fundamentals of robotics, analysis and control of industrial robots, and to design a robot arm with two degree of freedom. This study consist of six chapters. Chapter one is descriptive introduction to robotics and discusses charecterization, classification and speficiation of robot arms. At the second chapter, the necessary coordinate transformations are explained for positioning robots to a desired point in three dimensional space. In the chapter three and four, direct (forward) kinematic and inverse kinematic of robot arms are investigated respectively. In addition, some practical solition methods suggested for the problems caused by solution of trigonometric equations. In these chapters, the study is based Stanford and Puma robot arms. Some theoretic investigations about controlling robot arms are given in chapter five. In the last chapter, as an application, designing the robot arm with two degree of freedom, and the functional structure of 80C51 microcontroller used controlling the system are explained. VII 57

5.1. ÖZET Bu çalışmada, serbestlik derecesi iki olan, iki robot kolu ile bir yükün koordineli olarak ortak taşınması durumunda, robot kinematiği incelenmiş ve robot sisteminin dinamik davranışı ile kontrolü analiz edilerek optimum kontrol yöntemleri incelenmiştir. Önce bir tek robot kolu için kinematik denklemler ele alınmıştır. Daha sonra bir robot kolunun dinamik denklemlerinin Lagrange yöntemi ile en genel biçimde yazılması açılanmıştır. Bir tek robot kolu için verilen bu incelemeden sonra, daha sonraki bölümlerde kullanılan iki adet iki jointli, planar robot kolunun ortaklaşa hareketi için kinematik ve dinamik denklemler elde edilmiştir. Bu denklemlerin formülasyonunda bir robot kolu için verilen kinematik ve dinamik denklemler kullanılmıştır. En son olarak, planar iki robot kolu ile, bir yükün ortak taşınma deneyine ilişkin bir önceki bölümde verilen kinematik ve dinamik denklemler kullanılarak, bilgisayar simülasyonu yapılmıştır.Simülasyon deneyinde yükün ağırlık merkezinin izleyeceği yörünge verilmiş ve bu yörüngede hareket için uygulanması gereken kuvvetler ve momentler hesaplanmış ve grafik olarak gösterilmiştir. Simülasyon için MATHCAD paket programı kullanılmıştır. Sonuç olarak, iki robot kolu ile bir yükün ortaklaşa taşınması için gereken koordinasyon ve kontrol büyüklükleri bulunmuş ve böyle bir robot sisteminin fiziksel gerçeklenmesi için gereken tasarım yöntemi geliştirilmiştir. 79 5.2. SUMMARY In this study, robot kinematics has been examined in the case of carrying an object by means of, coordinately working two independent-arm robot system with a two degree of freedom; also the dynamics behaviour of this system and its optimum control have been analised. First the kinematic equations for one robot arm have been taken into consideration. Then, the kinematic equations have been expressed in the most general way using the Lagrange equation. After expressing the equations for one robor arm, the dynamic and kinematic equations which will be used in later chapters for simulations, have been calculated for the robot system with two planar robot arm, acting coordinately to move an object. In the formulation of these equations the kinematic and dynamic equations for an individual robot arm have been used. Finally the kinematic and dynamic equations related with the experiment of earring an object coordinately by means of two planar robot arms have been used for computer simulation. In the simulation the orbit of the mass center of the object has been given and the necessary forces & torques have been computed and shown as graphs. MATHCAD software has been used for this simulation. Consequently, coordination & control forces required for carrying an object by means of a coordinated two-armed robot system have been found and a design method for physically realising such a robot system has been given. 80 87

iv ÖZET Bu tez çalişmasında, robot kollarının Model Referans Uyarlamah Denetimi incelendi. Robot kollarının yörünge izlemesini sağlayacak sürekli-zaman ve aynk-zaman model referans uyarlamah deneticiler geliştirilmiştir. Deneticiler robot kollan arasındaki açı ölçümlerini kullanan basit eşitliklerden elde edilen geri-besleme, ileri-besleme, ve yardımcı işaretleri kullanır. Denetleyici kazanç matrislerinin uyarlama kurallarını çıkarmak için aşın kararlılık kuramı kullanılmıştır. Deneticilerin verimlilikleri, iki-koîlu bir robot kolunun simülasyonuna uygulanmaları ile sulanmıştır. Büyük robot parametre değişikliklerine ve belirsizliklere rağmen yörünge izlemenin sağlandığı gösterilmiştir. Deneticiler oldukça iyi tasarım esnekliği sunmakta ve serbest tasarım parametrelerini ayarlama yolu ile denetim sisteminin başanmım artırmaya olanak tanımaktadır. İÜ ABSTRACT In this thesis, Model Reference Adaptive Control of robotic manipulators are studied. Continuous-time and Discrete-time model reference adaptive schemes are developed for trajectory tracking of robotic manipulators. The schemes utilize feedback, feedforward, and auxiliary signals, obtained from joint angle measurement through simple expressions. Hyperstability theory is utilized to derive the adaptation laws for the controller gain matrices. The performance of the control schemes is evaluated by application to a two-link planar manipulator through simulations. It is shown that trajectory tracking is achieved despite gross robot parameter variation and uncertainties. The schemes offer considerable design flexibility and enable to improve the performance of the control system by adjusting free design parameters. 60

ÖZET Bu çalışmada, iki serbestlik dereceli düzlemsel koordinatlarda hareket kabiliyeti olan, step motor ile tahrikli bir robot kolunun mekanik ve elektronik aksamlarının dizaynı hedeflenmiştir. Bir PC bilgisayar yardımı ile bu aksamlara kumanda edilmiş ve sistemin çalışması sağlanmıştır. Bağlantı eksenlerinde kolun hareketi için basamak açısı 1.8° olan step motorlar kullanılmıştır. Robot kolunun istenilen işlevi yapması için, BASIC dilinde bir program geliştirilmiştir. Bu program yardımı ile robot koluna iki tür işlev yaptırılmaktadır. Bunlardan birincisi; öğretme metodu ile istenilen hareketler operatör tarafından tek tek manuel olarak bilgisayar kontrolünde yapılmaktadır. Bu esnada bilgisayar gerekli bilgileri hafızasında saklamaktadır. Daha sonra aynı hareketler robot kolu tarafından, bilgisayardan gönderilen işaretlerle yeniden çalıştırıla- bilmektedir. İkinci işlev ise; bu çalışma esnasında geliştirilen ve kullanımı oldukça basit olan Türkçe deyimlerden oluşan BIRD (Basite indirgenmiş Robot Dili) dili ile yapılan programla, robot koluna kumanda etmektir. Bu çalışma sonucunda iki serbestlik dereceli bir robot kolu başarıyla gerçekleştirmiş, manuel ve programlama ile bu kolun hareketi sağlanmıştır. SUMMARY In the present study, a robot manipulator having two degrees of freedom and using step motors as actuators was designed and realized. The system has been controlled by a personel type computer. The movements of joints and end-effector was obtained by step motors having a step angle of 1.8°. In order to make robot manipulator to achieve desired work a computer programme written in BASIC was developed. By the use of this programme, two kinds of operation of the manipulator were made possible. In the first operation; initially the robot was manually tought by the operator for the desired work previously and than the process thought can automatically be repeated. In the second operation, the manipulator operated on the joint space coordinates computed from the desired trajectory by means of work programme, developed i.e. BIRD, a simple Turkish robot language. As a result, a few interesting work which was chosen care fully was accomplished by the robot manipulator realized. 81

ÖZET Bu tezde robot hareketinin otomatik olarak planlanması için xi zlı bir algoritma sunulmaktadır. Aynı çalışma sahasında işleyen.obotların ayrı öncelik seviyeleri bulunur. En yüksek öncelik engellere verilmektedir, yani herhangi bir robot kolu bir engelle : ar şıl aştığında yolunu değiştirmek zorundadır. Aynı çalışma Sahasında bulunan iki robottan yüksek öncelikli olanı geçiş üstünlüğüne sahiptir. Konvansiyonel yaklaşımlarda, engeller yasak bölgeler olarak kabul edilirler ve köşeli cisimler de daireler ile çevrilirler, ancak, engelin eni ve boyu arasındaki farkın artışı, bu yaklaşımlarda çalışma sahasının daralmasına yol açar. Bu çalışmada poligonun her kenarını birer hayali eklem farzeden yeni bir metod izlenmiştir. Böylelikle bütün köşeli cisimler, sabit eklemlerin düştürdüğü birer kapalı mekanik zincir olarak kabul edilir. Birinci hariç her eklem bir sonraki eklemin ucuna rastlayan ar ek etli bir tabana sahiptir. Sonuç olarak, çalışma sahasındaki robotlar, birkaç tane hareketli tek eklemli robot kolunun iri eşmesi yi e oluşmuş kabul edilir. Böylece işlem, her eklem için çarpışmadan bağımsız yörüngelerin oluşturulmasına indirgenmektedir. Bu yörüngeler sonunda tek bir yola entegre dilerek, gerçek zamanda tüm gereçlerle çarpışmadan kaçınma ağlanır. Bu yaklaşım ile, her eklem kendi davranışı ile çarpışmadan açınmaya çalışır. Tüm yörüngeler ilk eklemden sonuncuya tekrar ederek saptandığından, ters kinematik çözümlere gereksinme uyulmaz. Önerilen metodun verimi, SCARA tipi bir robot için azılmış bir simulasyon programı ile gösterilmiştir. V ABSTRACT A fast algorithm for automatic planning of collision free robot motion is presented in this thesis. Each of the robots sharing a common workspace is assigned a different priority level. Highest priority is given to obstacles, that is each manipulator must change its path when it encounters with an obstacle. When two robots enter into the same workspace, the one with higher priority has the right-of-way precedence. In conventional approaches, obstacles are considered as circular forbidden regions where the polygonal object is enclosed by a c ircum-c ircle. However, with the increasing difference between the dimensions of the obstacle, this treatment results in significant reductions in the workspace. A new method is pursued in this work which treats each edge of polygon as a virtual link. Thus the entire polygonal object can be represented as a closed mechanical chain. Each of the links, except the first, has a mobile base which coincides with the tip of the previous link. As a result, robots in the workspace are assumed to be composed of a number of mobile one link manipulators. Thus the procedure is reduced to the generation of collision-free trajectories for each link. These trajectories are finally integrated to one path, which is executed in real time to avoid collision with all devices. With this approach, each link tries to avoid collisions by its own behaviour. Since the overall trajectory is determined iteratively from the first link to the last, no inverse kinematic solutions are involved. The efficiency of the proposed method is demonstrated by a simulation program written for a SCARA type robot. iv 85

ÖZET 1970' li yxllarxn başlarında geliştirilen yol bulma algoritmaları, daha çok amacı belli tek düzeli işler için tasarlanmışlardı. Son yıllarda gelişen yapay us teknikleri ile birlikte, yol bulma, planlama şekline dönüşerek, bu yöntemler kullanılmaya başlanmıştır. Böylece tek amaçlı olan yol bulma problemleri genelleştirilmiş lerdir. Bu çalışmada, robot kolu için hareket planlama tasarımı ele alınmıştır. Hareket planlama modülü gerekli bilgileri ve kullanıcı ile iletişimini çevre modelleyicisi yardımıyla sağlanmaktadır, tki modül arasındaki bilgi alış verişi gönderilen mesajlarla olur. Gerekli bilgiler çevre modelleyicisinden alındıktan sonra, hareket planlama modülü alternatif yolları üretir. Eğer herhangi bir sebepten yol bulunamazsa çevre modelleyicisi aracılığıyla iş planlama modülü ve kullanıcı uyarılır. Hareket planlama modülü işlemini, yol arama, çarpma denetleme, kinematik çözümleme alt modülleriyle gerçekleştirir. Yol arama alt modülü, belirtilen ilk ve amaç durum noktaları arsında BFS arama algoritmasını kullanarak yol üretir. Bu amaçla, yol ararken çarpma olup olmadığını çarpma modülüne, robotun istenen noktaya gidip gitmediğini kinematik çözümleme birimine sorar. Çarpma denetim alt birimi; obje büyütme ve çarpma kontrol 74yordamlarından oluşur. Obje büyütme yordamı serbest hareket uzayı oluşturmak için taşman cisme bağlı olarak objeleri büyütür. Çarpma kontrol yordamı dünyadaki herhangi bir çarpışmanın olup olmadığına bakar. Çarpma var ise yol arama alt modülüne 'Çarpma var' mesaj nı gönderir. Kinematik çözümleme alt modülü çözümü oluşturan her noktaya robotun belirtilen yaklaşım ve yönelme açılarıyla ulaşıp ulaşmadığını kontrol eder. Bu amaçla ön ve ters çözüm denklemlerini çözümü bulmak için kullanır. Yordam, RHINO XR-3 robot kolunun eklem açılarını üretir. Bu açılar geliştirilen bir C programıyla yorumlanarak robot hareket komutlarına çevrilir. Elde edilen sonuç robot kolu üzerinde denenerek geliştirilen planın doğruluğunu kontrol eder. Çalışmanın özgünlüğü iki ayrı metod olan arama ağacı ile obje büyütme tekniklerinin birleştirilerek hareket planlamasında kullanılmasıdır. Her koşulda üretilen plan, kullanılan robot koluna bağımlı olamadığından, seçilen metotda genellik kazandırmıştır. 75 SUMMARY The path-finding algoriths which were developed at the beginning of the 1970' s were designed mostly for monnnotonous Jobs with a sepesific purpose. With modern artifical inteligence technologies, path finding has changed to br path planning, and sych methods are starting to be used. So, the path finding problems with unique aims are generalized. In this study, the design of motion planning for robot arm is considered. Motion planning module supplies necessary information and communication for the user through the help of the environment modeler. Information exchange between two modules is realized with the messages sent. The motion planning mmodule produces alternative paths after the necessary information is taken from environment modeller. If no path can be found, the task planner module and the user are warned through the environment modeler. Motion planning module realizes its task through submodels like path-finding, collision avodionce and kinematics solutions. The path-finding submodule pz*oduces paths between the specified initial and goal points, using the BFS searching algorithm. While searching paths, it asks the collision module whether there is a collision or not and asks the kinematics module whether the robot has reached its destination. The colision avodionce submodule consists of growing 76obstacle and colision control procedure. The growing obstacle procedure enlarges the obstacles in the world in order to create collision free space. The amount of enlargement depends on the object that is carried. The collision control procedure checks whether there is a collision in the world or not. It sends the `Collision` messages to the path-finding submodule if there is a collision. The robot uses the specified approach and slide angles to reachevery point of solution. The kinematics solution submodule checks the robot's accuracy by means of forward and inverse solutions equvalents. The RHINO XR-3 procedures produces the angles of the robot's Joints. These angles are interpreted and turned into robot motion commands by a developed C program. The accurancy of the developed plan is checked by trying the obtained result on the robot arm. The uniqueness of this study is that two differrent methods, search and growing obstacles, are combined and used in motion planning. Since the plan which is produced in any condition is independent of the robot arm, the selected method is generalised. 77 83

ÖZET BÎR ROBOT EKLEM HAREKETİ İÇİN PGM DA SERVOMOTOR SÜRÜCÜ ÇANDARLIOĞLU, Ercan Ali Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Yüksek Lisans Tezi Tez Danışmanı: Doç. Dr. Aydın Ersak Eylül 1991, 105 Sayfa Bu tezin amacı, bir robot kolun pozisyonunun denetimi için sayısal bir denetlecin tasarlanması ve gerçekleştirilmesidir. Bu tezde, bir robot kol ekleminin tek eksenli denetleci tasarlanmış ve gerçekleştirilmiş, ayrıca performans ve karakteristiği incelenmiştir. Gerçekleştirilen ve bir arabirimi aracılığıyla bilgisayara bağlanan sistem elle ya da otomatik olarak çalışabilmektedir. Eklem hareket denetlecinin bilgisayar kontrolü ile ulaşılan pozisyon hassasiyeti 3.5° civarındadır. Anahtar Kelimeler: Şaft kodlayıcı, DA servomotor, PGM Bilim Kodu: 609.01.00 iv ABSTRACT PWM DC SERVOMOTOR DRIVER AS A JOINT ACTUATOR FOR ROBOT MANIPULATORS ÇANDARLIOĞLU, Ercan Ali M.S. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Aydxn Ersak September 1991, 105 Pages The objective of this thesis is to design and develop a practical digital position control system for a robot arm. In this thesis, a single- joint motion control system of a robot arm has been designed and realized, and performance characteristics have also been investigated. The implemented system is operated both manually and automatically interfaced to a computer. The positional accuracy attained under computer control of the joint motion controller is about 3.5°. Keywords: Shaft encoder, DC servomotor, PWM Science Code: 609.01.00 1X1 105

ÖZET Bu çalışmada, iki serbestlik dereceli bir düzlemsel robot-manipülatör için model-esaslı bir konum-kontrol sistemi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, önce. robotun bilinen fiziksel parametrelerinden ve Dinamik prensiplerinden faydalanılarak eklem torklarını veren bağıntılar elde edilmiştir. Ardından, robotun çalışma, alanı içinde kalan bir yörünge modeli oluşturulmuştur. Sonra. iç ve dış bozucu etkilerin varlığına rağmen robotun belirlenen yörüngeyi takip edebilmesini sağlayacak kontrol ilkeleri incelenmiştir. Bu arada. hesaplanmış-tork tekniği destekli model-esaslı kontrol uygulamasının faydalı olacağı belirlenmiştir. Bundan sonra, benimsenen yörüngenin eklem-uzayı koordinatlarını (referans veriler) veren ve bu yörüngenin izlenmesini sağlayan kontrol programı geliştirilmiştir. Son olarak, esas alınan kontrol sistemiyle yörünge kontrolünde ulaşılan sonuçları göstermek amacıyla. konum ve hız hatalarının yörünge boyunca değişim karakterleri elde edilmiş ve sonuçların irdelemesi yapılmıştır. SUMMARY In this study, a model-based position control system has been realized for a planar two-degree of freedom robot-manipulator whose properties are well-known. For this purpose, first, the equations relating to joint torques have been obtained using the robot properties and the principles of the Dynamics. Then, it has planned a trajectory being in the work-space of the robot. After that, it has been investigated the control principles helping the robot track the desired path despite the existence of the internal and external disturbances. In the result, the useful Iness of the model -based control supported by the computed-torque technique has come out. Subsequently, the programmes giving the joint-space coordinates of the accepted, trajectory and providing the proper path-tracking have been prepared. Finally, with the aim of the demonstrating how succesfull model -based path-control system has been used, the curves belonging to the position and velocity error-functions have been drawn. As to the discussion on the results obtained, it has taken place in the end. 106