MEC 5027 Robot Manipülatörlerin Kontrolü Yrd. Doç. Dr. Murat Akdağ

Tavsiye edilen kitaplar: Introduction to Robotics: Mechanics and Control, J. Craig., 3rd Edition, Amazon Pub. Comp., 2011.  Robot Manipulator Control Theory and Practice, Frank L.Lewis, Darren M.Dawson, Chaouki T.Abdallah, Second Edition, Revised and Expanded

Robot Tipleri Tip 2 SCARA: 34 kilo üzeri yüklerde ve 90 cm üzeri z eksen hareketlerinde genellikle tercih edilir. Eklemli Robot Kol: Yaygındır, sınırlayıcı faktör 2. eksendir, ağırlıkların uç noktaya doğru azaltılması gerekir. Mafsal hataları kol boyu ile çarpılır ve seri konumdaki eksenlerin hataları üst üste biner Tip 1 SCARA (selectively compliant assembly robot arm): ilk iki eksen yatay üçüncü eksen dikey ve varsa dördüncü eksen dikey eksenin kendi etrafında dönüşünü sağlar. Küçük parça veya elektronik montajlarda sıklıkla kullanılır. Ör: Staubli TP80

Kartezyen Robot Silindirik Robot Küresel Robot Paralel Robot Bir robot uzvunun hareketi için her bir eksende üretebileceği iki ana hareket türü vardır – dönel (revolute) ve doğrusal (prismatic). Dönel mafsallar antropomorfik olarak tanımlanırken (insal eklemleri benzeri) doğrusal mafsallar araç antenleri benzeri uzama ve kısalma yaparlar. Robotların sınıflandırmasının ilk üç ekseninin yön ve tipine göre yapılması genellikle yararlıdır

Ticari Robotların Sürüş Tipleri Ticari endüstriyel robotların büyük çoğunluğu redüktörlü elektrikli servo motor kullanmaktadır. Hem AC hem de DC motorlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde bazı boya uygulamalarında servo-hidrolik mafsal kollu robotlar kulanılmaktadır. Servo pnömatik tahrikli robotlar çok nadiren bulunur. Eksenlerde her türlü mekanik transmisyon kullanılmaktadır ancak genel olarak düşük veya sıfır boşluklu redüktörlerin kullanımı tercih edilmektedir. Bazı robotlarda ataletin artmasını engellemek ve mekanik boşluk (backlash) ları engellemek için direk tahrik kullanılır. Eklem açı pozisyon sensörleri, gerçek zamanlı servo kontrol için gereklidir ve kontrol organlarının önemli bir parçası olarak kabul edilir. Daha az olarak hız ölçüm sensörleri de kullanılmaktadır. Ticari Robot Kontrolcüleri Ticari robot kontrolcüleri robotun bir otomasyon sistemine entegrasyonunu sağlayan dört temel süreci sağlayan çok işlemcili özelleşmiş bilgisayar sistemleridir. Bunlar: Hareket Yörüngesi Oluşturma ve Takip, Hareket / Süreç Entegrasyonu ve Sıralama, İnsan Kullanıcı Bütünleştirmesi ve Bilgi Entegrasyonu’dur.

Hareket Yörüngesi Oluşturma ve Takip: Endüstriyel robot hareket üretiminde kontrolcü ile ilgili iki önemli husus vardır. Biri programlanabilen hareketin sınırları, diğeri ise kontrollü programlanmış hareketi yürütebilme yeteneğidir. Her robot sistemi gerçek zamanlı servo seviye hareket kontrolüne sahiptir. Gerçek zamanlı kontrolün detayları, güvenlik ve mülkiyet bilgilerinin gizliliği nedenleriyle genellikle kullanıcıya gösterilmez. Çoğu ticari robot kontrolörü, 16 msn'lik bir örnek periyodunda çalışır. Gerçek zamanlı hareket denetleyicisi, klasik bağımsız-ortak orantısal-integral-türev (PID) kontrolü veya PID'in basit modifikasyonlarını kullanır. Bu, piyasadan temin edilebilen kontrolcüler noktadan noktaya hareket için uygundur, ancak çoğu, sürekli olarak pozisyon / hız profilleri izlemek veya ciddi bir programlama çabası olmaksızın öngörülen kuvvetleri uygulamak için uygun değildir. Hareket / Proses Entegrasyonu ve Sıralama: Hareket / proses entegrasyonu, manipülatör hareketini proses sensörleri veya diğer proses kontrol cihazlarıyla koordine eder. En ilkel işlem entegrasyonu, ayrık dijital giriş / çıkış (G / Ç) aracılığıyla gerçekleşir. Örneğin, robot kontrolcüsünün dışındaki bir makine denetleyicisi, robot tarafından yüklenmeye hazır olduğunu belirten bir bit sinyali gönderebilir. Robot denetleyicisi, dijital sinyali okuma ve mantıksal işlemleri gerçekleştirme yeteneğine sahip olmalıdır (if then, wait until, do until, vb.) Diğer bir deyişle, bazı robot kontrolcülerinde yerleşik bazı programlanabilir lojik kontrol (PLC) fonksiyonları bulunur.

İnsan Kullanıcı Bütünleştirmesi: Kontrolcünün kullanıcı arayüzü, robot sistemlerinin hızla kurulması ve programlanması için kritik önem taşır. Çoğu robot kontrolcüsünün iki tür kullanıcı arayüzü vardır: offline program kodu yazmak veya düzenlemek için bilgisayar sitilinde CRT/klavye terminalleri ve dokunmatik tuşlar veya joystick ile telerobotik olarak hareketi kumanda etmek için taşınabilir manuel giriş terminalleri olan el kumandaları (teach pendant)dır. El kumandaları genellikle robotun konumlandırılması için en uygun araçlardır. Kontrolcünün sahip olduğu bellek, hareket yörüngesini oluşturmak için robota öğretilen konumları oynatmayı mümkün kılar. Pratikte operatörler oynatma modunda birbirine zincirlenen bir dizi noktayı hızlı bir şekilde öğretebilir. Çoğu robot uygulaması şu anda robot hareketinin başarılı planlanması ve koordinasyonu için programlama safhasında insan uzmanlığının entegrasyonuna bağlı. Bu arabirim mekanizmaları, programlama ve yürütme arasında herhangi bir değişiklik meydana gelmeyen engelsiz çalışma alanlarında etkilidir. Değişen çevre koşullarında uygulanması veya uyarlanması sırasında kullanıcı ara yüzü kullanılmaz. Bilgi Entegrasyonu: Artan esneklik ve çeviklik eğilimi robotik üzerinde etkili olduğu için bilgi entegrasyonu daha da önem kazanmaktadır. Birçok ticari robot kontrolcüsü şimdi haberleşme bağlantı noktaları (örneğin RS-232) yoluyla entegre PC arabirimleri kullanarak veya bazıları robot kontrolcü veri yoluna doğrudan bağlantılar yoluyla bilgi entegrasyon işlevlerini desteklemektedir. Yeni entegrasyon çabaları, uzaktan izleme ve kontrolüne izin vermek için robotik çalışma hücrelerinin internete bağlanmasını mümkün kılmaktadır.

Sensörler Sensörler, fiziksel aygıtların durumlarını iş istasyonunun PC & C (planning, coordination, and control) özelliklerine sahip kontrol sistemine giriş için uygun sinyallere dönüştürdükleri için hayati bir unsurdur; Uygunsuz sensörler, PC & C sisteminde ne kadar sofistike veya pahalı olursa olsun, uygun çalışmayı imkansız hale getiren hatalar ortaya çıkarabilir; yenilikçi sensörlerin seçimi, kontrol ve koordinasyon problemini daha kolay hale getirebilir. Sensörler birçok farklı türe sahiptir ve birçok farklı kullanıma sahiptir. Proprioseptörler, bir cihazın içindeki dahili sensörlerdir (örn., Robot kolu eklem açı sensörleri). Dışarıda kalanlar, bir cihazın dışındaki diğer donanımlarla ilgili bilgi verir. Sensörler analog veya dijital çıktılar verir; Dijital sensörler sıklıkla bir makinenin veya kaynağın durumu hakkında bilgi verir (tutucu açık veya kapalı, makine yüklü, iş tamamlandı). Sensörler, PC & C hiyerarşisinin her düzeyinde gerekli olan çıktılar üretirler; buna aşağıdakiler için olan kullanımlar dahildir: Servo seviye geri besleme kontrolü (genellikle analog proprioseptörler) Proses izleme ve koordinasyon (çoğunlukla dijital exteroceptörler veya parça görme gibi denetim sensörleri) Arıza ve güvenlik denetimi (genellikle dijital - örneğin kontak sensörü, Pnömatik basınç kaybı sensörü) Kalite kontrolü muayene (genellikle görme veya tarama lazeri). Sensör Tipleri: Dokunma Sensörleri Yaklaşma veya Mesafe Sensörleri Konum, Hız ve İvme Sensörleri Kuvvet ve Tork Sensörleri Fotoelektrik Sensörler Diğer Sensörler: Basınç, sıcaklık, debi vs.

ROBOT KONTROLÜ Endüstriyel robotların kontrolü, robotik konusunda yapılan araştırmaların en yoğun tarafını oluşturmaktadır. Endüstriyel robotlar, dinamik karakteri bakımından lineer olmayan ( nonlineer ) bir kinematik zincir şeklindedir. Robot kontrolü genelde iki adımda yapılır: 1-Robot kolunun dinamik modelinin elde edilmesi, 2-Bu modeli kullanarak istenen sistem cevabını ve performansını sağlayacak kontrol kurallarının belirlenmesi. Bu robot kolunun performans ölçütü şöyle sıralanabilir 1-Robustluk (dayanıklılık) : Modelleme hatasından ve dış bozuculardan dolayı kontrolör performansının düşmemesi. 2- Cevap hızı : İzleme duyarlılığının yüksek hızlar içinde korunması 3- Hesaplama hızı : Gerçek zamanda yeteri kadar hızlı hesaplama kapasitesi 4-İzleme Duyarlılığı : Robot kolunun istenen yönergeyi hatasız veya minimum hata ile izlemesidir.

Bir robot kolunun kontrolünde en büyük güçlük, kol dinamiğinin oldukça karmaşık olmasından dolayı, kontrol için gerekli kontrolörlerin tasarımıdır. Bunu aşmak için genelde basitleştirilmiş model kullanılması yaygındır. Endüstride genelde modele uygun bir dijital PID türü bağımsız eklem kontrolörleri yapılarak kontrol problemi aşılmaya çalışılmıştır. Ancak bu tür kontrolörler yüksek hızlarda performans sağlayamamaktadırlar. Bir diğer problemde, robot kolunu meydana getiren uzuvların birbirine eklemlerle bağlanmış olması nedeniyle ortaya çıkar. Çünkü hareket sırasında bir bağ diğerini etkiler. Bu da eklemler üzerinden olur. Böylece bütün eklemler birbirini etkilemiş olurlar. Bunu yenmek için, bağımlı eklem kontrolü yapmak gerekir. Ancak bunu da başarmak oldukça zordur. Çünkü çok sayıda nonlineerlik ve belirsizlik mevcuttur. İşte bu sebeplerden dolayı bağımsız eklem kontrolü yapmak tercih edilmektedir. Burada PID kontrolörünün performansını artırmak için öncelikle ileri yol kompanzasyonu yapılarak önce momentler hesaplanır ve bu değerler sisteme kontrol işaretleri olarak uygulanır