Seri ve Paralel model manipülasyon sistemleri karşılaştırılması

Seri manipülatörlerde ve paralel manipülatörler yapısı incelendiğinde birbirinden ayrı düzlemsel ve uzaysal yapıları bulunmaktadır. İki sistem için de çözüm kümesi hesaplamalarında hem ters hemde ileri kinematiğin kullanılması mümkündür fakat iki sistem için de en uygun hesaplama yöntemleri uç işlevciye göre farklı şekilde tercih edilmektedir. Seri manipülatörler için uç işlevcinin kinematiğine göre yapılacak hesaplamada ileri kinematik yöntemlerden faydalanılır. Paralel manipülatörlerde kinematik hesaplamalar yapılırken ters kinematik hesaplamalar kolay çözülürken, düz kinematik hesaplamalar ise oldukça karmaşık bir hal almaktadır. Ters ve ileri kinematik hesaplama farklılıkları manipülatör sistemlerin farklılığına göre kuvvet transformasyonunun bulunmasında zorluk seviyesini değiştirmektedir. Paralel manipülatör sistemlerinde ters kuvvet dönüşümünü hesaplamak oldukça zor, düz kuvvet transformasyon hesaplanması oldukça kolaydır. Bu durum seri manipülatör sistemleri için tam tersidir. Seri ve paralel manipülatör sistemlerindeki bir diğer farklılık ise tekilliktir. Paralel manipülatörlerde tekillik sistemin

kontrol edilmesine ve serbestlik derecesinin fazla olmasına göre değişmektedir. Sistemin kontrol edilmesi ne kadar zorlaşır veya serbestlik derecesi ne kadar artarsa tekillik bununla doğru orantılı şekilde baskın bir hal almaktadır. Seri manipülatör sistemlerinde ise tekillik kısmi kitlenme ve serbestlik derecesinin düşük olmasına bağlı olarak değişir. Bu farklılıklar genel olarak tüm paralel manipülatör sistemleri için kullanılabilir. Bunun nedeni paralel manipülatörlerin birden fazla seri manipülatörlerden iki uç bağlayıcı arasında bağlanarak oluşmasıdır. Çizelge 2.1. seri-paralel manipülatör sistemleri karşılaştırması yapılmış ve bu sistemler için Şekil 2.5. ve Şekil 2.6. ile sistemlerin örnek gösterimi yapılmıştır [24]. Çizelge 2.1. Seri ve paralel manipülatör sistemlerin karşılaştırılması

PARALEL MANİPÜLATÖR SERİ MANİPÜLATÖR

Taşıma Kapasitesi Yüksek Düşük

Katılık Yüksek Düşük

Çalışma Uzayı Küçük Büyük

Tekillik Durumu Karmaşık Önemsiz

Kinetik/Dinamik Hesaplama Zor Kolay

Birim Yükte Harcanan Güç Düşük Yüksek

Atalet Yüksek Düşük

Ayarlanabilirlik Karmaşık Basit

Şekil 2.6. Paralel manipülatör sistemi yapısına örnek gösterim

Seri manipülatörlerde çalışma uzayının büyük olmasına karşın bir yükü taşıma kabiliyeti paralel sistemlere göre oldukça düşüktür. Seri sistemler frekans olarak düşük sinyallere sahip oldukları için kütle olarak ağır nesnelerde yaptıkları işlem performansı ve hızları oldukça düşük kalmaktadır. Bu tür yük altında çalışma istenen durumlarda seri sistemler birbirleri ile sabit plaka ile hareketli plaka arasında birleştirilerek paralel sistemler oluşturulur. Daha güçlü mekanizmalar elde edilir. Ayrıca bu yapı sayesinde yapacağı işler için gerekli hassasiyeti sağlanmış olur. Seri manipülatör sistemlerinde uç işleyiciye kadar giden kısımda eklemler ve eyleyici kollar üzerindeki oluşan tüm hatalar toplanarak uç noktada daha büyük hata haline gelmektedir. Bu da çalışma uzayı içerisindeki hassasiyeti, kararlılığı ve sistem performansını olumsuz etkilemektedir.

Manipülatörler için literatür araştırması yapıldığında görülmektedir ki paralel sistemler için yapılan çalışmaların kullanım önerileri seri sistemlerden daha eskiye dayanmaktadır. Paralel manipülatörlerin için son 30 yılda endüstriyel çalışmalardaki kullanımlarının arttığı görülmektedir. Paralel manipülatörler yüksek oranlarda katılık, duyarlılık, taşıma oranı gibi olumlu işlemler gerçekleştirdikleri için seri manipülatörlerin yerini almaktadırlar. Bu özelliklerinin dışında paralel manipülatörlerin çalışma uzayı seri manipülatörlerin çalışma uzaylarına göre küçük olması ve kinematik hesaplamalarda çözüm kümesinin zor bulunması

bu tip manipülatörlerin tipik problemleridir. Paralel manipülatör sistemlerinde sabit ve hareketli platformlar arasındaki bağlantı kolları sayesinde yüksek kapasiteli kütleleri daha rahat ve hassas bir şekilde istenilen konuma getirebilmek mümkündür. Paralel manipülatörlerde serbestlik derecesinin fazla olması sistemin kontrol tarafını daha karmaşık ve zor bir hal almasına sebebiyet vermektedir. Bağlantı kollarının fazla olması daha hassas işlerde aynı konumlar üzerine tekrar tekrar işlem yapmayı kolaylaştırmaktadır. Paralel manipülatörler, seri manipülatörlere göre rijitlik ve daha hassas bir şekilde çalıştıklarından dolayı yük altındaki birçok çalışmalara daha elverişlidir. Paralel manipülatörler ağırlık/kuvvet performansının yüksek olması sebebiyle güç ve hassasiyet istenen çalışmalarda tercihen öncelikli konumdadırlar. Yapılacak işlemlerin çalışma uzayı paralel manipülatör sınırları dahilinde ise bu gibi durumlarda seri manipülatörlere göre daha çok kullanılırlar [14].

Paralel manipülatör sistemleri çalışma alanı olarak küçük bir alana sahip olmalarına rağmen birden çok bağlantının bir arada kullanılmasıyla daha ağır yükler altında çalışabilmektedir. Paralel manipülatörlerin kinematik hesaplamaları çok karmaşık olmasına rağmen birçok hassasiyet istenen işlevleri yerine getirmek için oldukça verimli çalışmaktadırlar. Paralel manipülatörler doğal frekans sinyalleri kuvvetli olduğu için kuvvet/ağırlık oranları oldukça yüksektir. Sabit platform üzerinde bulunan eyleyiciler hareketli sistem parçalarını ve platformu hareket ettirirken seri manipülatörlerde olduğu gibi uç işlevciye kadar hataları toplamamaktadır. Paralel bir şekilde bağlandığı için hataların ortalaması uç noktaya yansır ve böylelikle küçük hatalar seri manipülatörlerde olduğu gibi uç noktada büyütülmez. Bu nedenle özellikle tıp ve simülatörlerdeki kullanımı oldukça fazladır [26].

Bu sistemler için yapılan karşılaştırma sonucunda iki sistemin de birbirlerine göre avantajları ve dezavantajlarının olduğu görülmektedir. Sistemin dinamik çalışma esasına göre bakıldığında paralel manipülatörler daha avantajlı durumdadırlar. Çalışma uzayı büyüklüğüne göre bakıldığında ise seri manipülatör sistemler daha avantajlıdır. Sistemin çalışma uzayı içerisinde olup kilitlenme veya gerçekleştirilemeyen durumlar için tekillik ifadesi kullanılır. Sistem tasarımı ve benzetimi esnasında tekillik analizi gereklidir. Bu tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen sistemde yapılan çalışmalar sonucunda, sabit platforma bağlı doğrusal motor sistemlerinin doğru konumlandırılması sayesinde tekillik söz konusu olmamaktadır. Seri model manipülatörlerde serbestlik derecesinin az olması durumlarında ve kısmi kilitlenme durumlarında tekillik söz konusu olur. Seri

mekanizmaların bir diğer dezavantajı ise açık zincir sistem yapısından dolayı eyleyiciden kaynaklı hatalar uca doğru gittikçe artmaktadır. Seri model manipülatörler rijit seviyeleri düşük olmasının yanı sıra küçük frekanslara sahiptirler ve çok hassas değillerdir. Tez kapsamında yapılan paralel mekanizma için tekillik analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analize göre motor yerleşimleri ve mafsal tasarımları gerçekleştirilmiştir.