Robot kollarının görev uzayında, eyleyici dinamikleri dikkate alınarak denetimi

Endüstriyel alanda, robot kollarının giderek artan kullanım alanları ve insan-robot iş birliğinin yaygınlaşması, robot kollarının başarımını ve güvenilirliğini artırmaya yönelik araştırmaların önemini ortaya koymaktadır. Robot kollarının denetimine yönelik bilimsel yazında yapılan araştırmalar sıklıkla eklem pozisyonlarının kontrol edilmesine ve eyleyici dinamikleri göz ardı edilerek, robot kollarının eklemlerine uygulanan tork girişlerinin tasarlanmasına dayanmaktadır. Oysa, robot kollarının gerçekleştirmesi gereken görevler, görev uzayında tanımlanmakta ve eyleyici dinamikleri de robot dinamiğinin önemli bir parçasını oluşturmaktadır. Bu bağlamda, bu tez çalışmasında, fırçasız doğru akım motorlarıyla sürülen robot kolları için görev uzayında ve eyleyici dinamikleri dikkate alınarak yenilikçi denetleyici tasarımları gerçekleştirilmiştir. Görev uzayında ve eyleyici dinamikleri dikkate alındığında robot kolunun elektromekanik modeli, kinematik, dinamik ve elektriksel alt sistemleri içermektedir. Elektromekanik model belirsizlikleri ve yüksek dereceden doğrusalsızlıklar ile ölçüm eksiklikleri ele alındığında ve fırçasız doğru akım motorlarının dinamikleri de göz önünde bulundurulduğunda ortaya oldukça zor kontrol problemleri çıkmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında sistematik bir yaklaşım ile model bilgisi ve ölçüm gereksinimleri her adımda azaltılarak ilerlenmiştir. Bu doğrultuda, Bölüm 3 kapsamında, robot kolunun dinamik modelindeki parametrik belirsizlikler ile mücadele eden ve ivme ölçülmesini gerektirmeyen uyarlamalı denetleyici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bölüm 4 kapsamında bu tasarım geliştirilerek kinematik model belirsizlikleri ele alınmıştır. Bölüm 5 kapsamında elektriksel model belirsizlikleri de göz önünde bulundurularak, tüm elektromekanik modeldeki parametrik belirsizlikler ile mücadele eden uyarlamalı denetleyici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bölüm 6 kapsamında ise tüm elektromekanik model belirsizlikleri ile mücadele ederken aynı zamanda eklem hızlarının ve uç işlemci hızlarının da ölçülmesine ihtiyaç duymayan gürbüz denetleyici tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen tüm yenilikçi denetleyici yapıları için Lyapunov tabanlı olarak kararlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre, Bölüm 3 Bölüm 4 ve Bölüm 5 kapsamında tasarlanan uyarlamalı denetleyici yapıları için görev uzayı takip hatasının asimptotik kararlılığı ve tüm sistem işaretlerinin kapalı çevrim altında sınırlı kalacağı ispatlanmıştır. Bölüm 6 kapsamında geliştirilen gürbüz denetleyici yapısı için ise görev uzayı takip hatasının sınırları denetleyici kazançları ile ayarlanabilen küçük ve nihai sınırlı bir bandın içerisinde kalacağı ve tüm sistem işaretlerinin kapalı çevrim altında sınırlı kalacağı ispatlanmıştır. Ayrıca, her bölüm içerisinde tasarlanan denetleyici yapılarının başarımları benzetim çalışmalarıyla irdelenmiştir. Ek olarak, Bölüm 6 kapsamında tasarlanan gürbüz denetleyici yapısının başarımı deneysel olarak da incelenmiştir. Benzetim çalışmalarının ve deneysel çalışmanın sonuçları göz önünde bulundurulduğunda ele alınan tüm kontrol problemleri için görev uzayı takip hedefine ulaşıldığı ve fırçasız doğru akım motorlarına ait denetleyici girişleri olan faz gerilimlerinin de uygulanabilir sınırlar içerisinde kaldığı gözlemlenmiştir. Bu tez çalışması, 121E383 proje numaralı TÜBİTAK-1001 projesi kapsamında desteklenmiştir. Doktora adayı, hem TÜBİTAK 2211-C Öncelikli Alanlara Yönelik Yurt İçi Doktora Burs Programı kapsamında hem de YÖK 100/2000 programı kapsamında desteklenmiştir.