Handling interaction forces between an object and cartesian robot arm in planar motion

Abstract

Modelleme ve tanımlama mühendislere bir sistem tasarlarken gerekli olur. Modelleme ve tanımlama ile bir sistemin ve kontrolörün performansı test edilebilir. Model, bir sistemin mathematiksel bir şekilde izah edilmesidir. Modeller, sınırlamaların ve sistemi oluşturan alt sistemler ve parçaların doğaları ile oluşturulur. Modeller bu sınırlamaların ve doğanın parametrelerini içerir. Bu parametreler, tanımlanana dek bilinmemektedir. Modelden yola çıkarak gerçek sistemin davranışları görülmek istenirse, bu parametreler tanımlanmak zorundadır. Bundan dolayı tanımlama, gerçek sistemi oluşturmadan, model ile çeşitli analizlerin yapılması gerekli olduğunda önem kazanır. Bunun yanında çevresi ile temasta bulunması gereken robotların kontrol yöntemleri robotun dinamik parametreleri üzerine kurulmuştur, dolayısı ile sistemin tanımlanması kontrolün yeterli hassasiyetle gerçekleştirilebilmesi için hayati öneme sahiptir. Makinalar ve robotlar iş ve operasyon yapan sistemlerdir. Makinalara ve robotlara bu iş ve operasyonları yaptıran unsur Kontrol Mekanizmasıdır. Kontrol edilmek istenen parametrelerin arzu edilen değerleri kontrol mekanizmasına girilir ve çıktı da makina veya robotun yapmış olduğu iştir. PID Kontrol, İleribesleme Kontrol, Hesaplanmış Tork Kontrol, Çözünmüş İvme Kontrol, Kuvvet Kontrol, Hibrid Pozisyon/ Kuvvet Kontrol ve İmpedans Kontrol, hata algoritmasına dayalı bu kontrol mekanizmalarına bazı örneklerdir. Bu yöntemlerden son üçü, istenen görevin yerine getirilebilmesi için robotun çevresi ile temasa geçmesinin kaçınılmaz olduğu durumlarda kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Buna örnek olarak parlatma, taşlama, işleme, montaj ve insan ile birlikte çalışma verilebilir. Örneklerin çokluğuna bakıldığında bu tür bir robot görevi sınıflandırmasına gitmek, ve bu sınıflandırmanın çevresi ile temasa geçen robotlar için genel bir strateji geliştirilmesine yardımcı olacağını düşünmek çokta mantıklı değildir. Bu çalışmada, ilk olarak otomasyon ve robotlar, robot mekanizmaları ve kontrolörler, ve sistem tanımlama konularında araştırma ve analizler yapıldı. Araştırma ve analizlerin sonunda, elde edilen bilgilerin gerçekte de uygulanabilirliğini görmek üzere deneylere başlandı. Tez üç kısımda incelenebilir. İlk kısım, otomasyon ve robotlar, robot mekanizmaları ve kontrolörler, ve sistem tanımlama konularında ermektedir. İkinci kısımda bu bilgiler detaylandırılmış ve temel kurallar ve prensipler incelenmiştir. Son kısımda ise bilgiler, labaratuarda kurulmuş olan üç eksenli kartezyen robot üzerinde pratiğe dönüştürülmüştür.

Modelling and Identification is essential when engineers design a system. By modelling and identification, we can test the performance of the system and controller. A model is the definition of the system in a mathematical form. They are builded by examining the constraints and the nature of the components and subsystems. The model of a system consists the parameters of these constraints and nature of the components and subsystems. These parameters are unknown until identified. If it is desired to execute the model to see the behaviour of the actual system, identification of the unknown parameters must be caried. So, identification is essential to simulate the model and observe the behaviour of the system. Furthermore, interaction control strategies in robotics are based on the model of the manipulator, where the identification process has crucial importance. Machines and robots are systems which do tasks and operations. A control mechanism enables machines and robots do these tasks. Control authority is exerted to ensure that some variable of interest is kept close (in some appropriately defined sense) to a desired value despite uncertainties and hardware limitations. The input for the desired value is given to the control mechanism and the output is the work done by the machine or robot for the desired task. PID Control, Feedforward Control, Computed Torque Control, Resolved Acceleration Control, Force Control, Hybrid Force/ Position Control and Impedance Control are some examples to the control strategies used today which take a parameter needed to control and control it by an error algorithm. The last three of these strategies are intended to be used for the manipulators where interaction with the environment is crucial for successful execution of the task. Typical examples include polishing, deburring, machining, assembly or cooperation with a human. A complete classification of possible robot tasks is practically infeasible in view of the large variety of cases that may occur, nor would such a classification be really useful to find a general strategy to control interaction with environment. In this study, initially a literature survey on automation and manipulators, manipulator mechanisms and controllers, and system identification is made. The theory of these topics is explored and the studies are summarized. After the completion of the analysis and the experimental setup, the experiments are started to see the theory in real life. This thesis can be evaluated in three main parts. Firstly, general information about the Automation and Manipulators, Manipulator Mechanisms and Controller and System Identification are given. Secondly, the principles and laws of these topics are covered. The last part is the implementation of the topics on a 3-Axis Cartesian Robot Arm.