Leg design of a Balikesir university second generation humanoid robot 'RoboTurk2'

Balkesir Üniversitesi kinci Nesil nsans Robotu “RoboTürk2”nin Ayak

Tasarm

Leg Design of a Balikesir University Second Generation Humanoid Robot

“RoboTurk2”

Davut AKDA

1

_{Elektrik Elektronik Mühendislii}

Balkesir Üniversitesi

akdas@balikesir.edu.tr

Özet

Günümüzde genel olarak yürüyen robotlarn ayak tasarmlar, eklemlerin hareket kabiliyetlerini snrlandracak ekilde tasarlanmtr. Bu çalmada insans robotun eklem hareketleri, tüm düzlemlerde iki yönde serbestçe dönme salamaktadr. Bu mekanik eklem tasarm, eklem hareketlerinin kontrolünde oluan kutup noktalar nedeniyle kontrol zorluuna sebep olmakla birlikte, robotun hareket kabiliyetini arttrmaktadr. Bunun sonucu olarak gelitirmekte olunan insans robot simetrik yapya sahip olmutur. Robotun mekanik hareket kabiliyeti açsndan ön-arka ve sa-sol yön kavramlar yoktur. Bu tasarm sayesinde, robot diz eklemleri her iki yönde hareket edebildiinden, robot öne veya arkaya yürürken ayn hareket algoritmalarn kullanabilecektir.

Abstract

Nowadays most of humanoid robots’ leg designs constrict their movement to a single region of a motion plane. In this study, all joints of the robot are designed to move freely in both regions of their motion planes. Though, the mechanical design of the joints cause singularities, the design enables robot extremities to have a wider range of motion. These lead to symmetric humanoid robot structure. In terms of joints’ motions, front-back and left-right are the same. With this design, robot knees can move in both directions, therefore robot can walk forward or backwards using the same locomotion algorithms.

1.

Giri

Ayakl robotlar ve özellikle insans iki ayakl robotlarn, bizlere gündelik hayatmzda hizmet etme ve baz i yükünü hafifletme potansiyeli vardr. Bu potansiyel günümüzde gerçeklememekle birlikte, insans robotlarn gelitirilmesine yönelik ciddi çalmalar vardr [1 – 5]. nsans robotlar, insanlarn anatomik yaplarndan etkilenmi olmalarna ramen, insan anatomisinin bire bir kopyalar olmalarna gerek yoktur, ayrca bu fiziksel olarak mümkün olmamakla birlikte, pratik de deildir. Ayak tasarm bu tür robotlarn gelitirilmesinde ilk ve en önemli admdr. Gelitirilen neredeyse tüm ayakl robotlarda, diz eklemi sadece yan düzlemin tek bölgesinde hareket edebilecek ekilde

tasarlanmtr. Bu durum insan diz ekleminin bir benzeridir. nsanlar ayaklar üzerinde dik olarak yürüyebilirken, ASMO ve PETMAN gibi birçok robot dizleri hiçbir zaman dik olmayacak ekilde yürüyebilmektedir. Bu robotlarn diz eklemlerinin hareketleri mekanik olarak snrlandrlmtr. Çünkü ayak eklemlerinin dikeyle tam dik olarak hizal olduu durumda, eklemlerin bu bölge etrafnda kontrolünü zorlatran kutup noktalar (singularity) ortaya çkmaktadr. Bu problemin etrafndan dolanmak mümkündür. Bunun için robotun moment iz düüm noktalarnn belirlenmesi ve eklemlerin buna uygun sürülmesi gerekmektedir.

Balkesir Üniversitesi BAP birimince desteklenen “nsans robot için prototip ayak tasarm ve imalat” isimli aratrma projesi kapsamnda yukarda bahsi geçen ayak tasarm prensibi açsndan sonuncu yöntem tercih edilmitir. Bu bakmdan dünyada gelitirilen insans robotlardan farkl bir çizgide aratrma ve gelitirme çalmas yaplmaktadr.

2.

nsans Robot Ayak Tasarm

Gelitirilen ve imalat yaplan robot ayann toplam alt aktif serbestlik derecesi vardr. Ayak bilei iki, diz eklemi tek ve kalça eklemi üç yönde hareket edebilmektedir. Tüm eklemlerde Maxon DC motor, 156:1 dili dönüüm oran ile eklemleri sürmektedir. Nominal olarak (sürekli olarak) eklemlere verilebilecek tork 4.1Nm iken zorlanma durumunda bu deer 30Nm’ye kadar ksa süreliine çkabilmektedir. Eklem açlar, eklem aftlarna kaplin ile bal potansiyometreler ile okunmaktadr. Kaplinler potansiyometre aftlar ile eklem aftlar arasndaki herhangi bir geometrik sapmay kendi üzerinde düzeltme yapmas için kullanlmtr. Dili kutusunun çk aftnda di profil özelliklerinden kaynakl olarak 3–4 dereceye kadar boluk olabilmektedir (backlash). Bu nedenle de eklem aft üzerinden dorudan konum okuma gerçekletirilmitir. Bu dili boluunun yürüme esnasnda oluturaca olumsuzluklarn, tasarlanacak uygun eklem yörüngeleri ile çözülmesi planlanmaktadr.

Robotun tasarmnda Solidworks kullanlmtr. Programn montajlama özellii sayesinde, bireysel tasarm parçalarnn iyiletirme ilemi kolaylkla gerçekletirilmitir. Robotun

imalatnda Delrin ve ABS (Akrilonitril bütadien stiren) kullanlmtr. Yük tayc parçalar delrinden ve talal imalat yöntemi ile üretilmitir. Devre tutucu ve sensör tutucu parçalar 3B (üç boyut) hzl prototipleme yöntemi ile ABS den üretilmitir. Mevcut 3B yazc amatör bir model olduundan, ABS malzemenin özellii ve parça geometrik karmakl snrldr. Bir önceki insans robot projemiz “RoboTürk”ün [6] imalatnda alüminyum alam kullanlmt. lk robot yaklak 55kg iken, “RoboTürk2” yaklak 10kg’dr. Robotun arlnn azalmasnn sebepleri arasnda özgül arl daha düük malzeme kullanlmas ve tasarm(?) ayak tasarm önceliklerinin deitirilmesidir. Ayak tasarmnda, robot ayann toplam çalma süresi tahmin edilmi ve bunu karlayacak tasarm yaplmtr. Tipik olarak bir deney 20 saniye civarnda sürmektedir ve toplam deney says 500 civarnda olaca tahmin edilmitir. Bu durumda robot ayak eklemlerinde oluabilecek anma veya ypranmalarn, robot pratik ömrü içerisinde olaca tahmin edilmitir. Ayrca 156:1 dili oran ile bir eklemin azami hz 200 derece/saniye civarnda olacaktr. Bu düük eklem açsal hzlar nedeniyle, eklem parçalarnn birbirleri üzerinde kaymalarnda herhangi bir olumsuzluk olumas beklenmemektedir. Tüm bu tasarm özellikleri, yaklak olarak ayn boyutlarda olan iki robot arasnda be kata kadar arlk farkllna neden olmutur. ekil 1 ve 2 robot ayaklarnn yandan ve önden göstermektedir. Robot ayaklarnn mekanik imalatlar tamamlanm, elektrik motorlar ile sensörlerin elektronik kartlara balanmas devam etmektedir.

2.2 Kinematik Özellikler

Gelitirilen robot ayann diz eklemi yan düzlemde iki yöne hareket edebilecek ekilde tasarlanm ve imal edilmitir. Baka bir deyile robot bir insan gibi veya bir ku gibi, dizleri insanlara göre terse bükük ekilde yürüyebilecektir. ekil 1 ve 2 de görüldüü gibi robotun diz ekleminin hareketini snrlandracak mekanik, diz kapa gibi, bir engel yoktur. Bu tasarm robotun yürürken ön veya arka kavramlarnn olmamasn salar. Teorik olarak robotun öne yürürken veya arkaya doru yürürken (geri-geri), ayn yürüme algoritmalarn kullanabilmesini salar. Ayrca özellikle trman gibi faaliyetlerde, diz ekleminin dier yöne bükülebilmesi bir avantaj olabilir.

Robot ayak eklemlerinin sralamas yaplrken ayn düzlemde hareket edecek olanlarn, birbiri ard sra gelmesine özen gösterilmitir. Bu eklem sralamas, kinematik ve dinamik denklemlerin daha sade yaplarda ve anlalr olmasna yol açmaktadr. Eklemlerin açlar ister istemez mekanik balantlar nedeniyle snrlanmaktadr. Tüm eklemler için dikey eksen sfrlama çizgisi olarak alnmtr. Buna göre tüm eklemlerde ±60derece civarnda hareket kabiliyeti salanmtr. Diz eklemi açsndan bu deer, bir insann ayn eklemindekinden daha büyük bir deerdir.

ekil 1: Robot ayaklarnn yandan görünüü.

Robot eklemlerinin açlarn ölçmede Vishay Servo potansiyometreler kullanlmtr. Bunlar yaklak 320 derece aç ölçebilmektedirler. Eklem aç ölçüm hassasiyetini arttrmak için 52/30 dili dönüümü kullanlmtr. Burada kullanlan dililer hzl prototiple ile ABS den üretilmitir. Di modülleri 1’dir. Eklem açlarn okurken ilave bir hatay en aza indirmek için iç içe ikili düz dili sistemi ekil 3 deki gibi tasarlanm ve imal edilmitir. Eksenel dorultuda üç adet plastik M3 (Metrik 3) vida ile iki dili arasndaki açsal fark ayarlanmaktadr. Potansiyometrenin dönmesi için çok az bir tork gerektiinden, burada ABS dili kullanm uygun olmaktadr. Eklem açlarnn ölçüm kalibrasyonu esnasnda, potansiyometrelerin besleme uçlarna seri olarak bir ucuna 1k sabit direnç, dier ucuna 10 turlu trimpot balanmtr. Robot ayaklar dikey olarak hizalandktan sonra, önce Potansiyometrenin gövdesi döndürülerek kaba sfrlama yaplmakta, daha sonra trimpot bir tornavida ile döndürülerek ince sfrlama ilemi yaplmaktadr. Tüm bu potansiyometre balants ±20Volt ile beslenecektir.

ekil 2: Robot ayaklarnn önden görünüü.

ekil 3: Potansiyometreye bal ikili dili sistemi. Robot eklemlerinin sürülmesi ve eklem açlarnn okunmas rijit mekanik elemanlar tarafndan gerçekletirildiinden, bu

mekanik elemanlar eklem açlarn hareket kabiliyetlerini snrlandrmaktadrlar. Hzl prototipleme ile bu sorun bir ölçüde azaltlabilmektedir. Özellikle vida ve benzeri balant elemanlarnn sensör balants gerçekletirilmesinde büyük hassasiyet ve balant rijitlik kaybna neden olmaktadr. Bu problemi amak için ekil 4 de CAD (Computer Aided Design) tasarm gösterilen dizayn kullanlmtr. Bu tasarmda, eklem aftn saran ABS parça kendi üzerinde, hareket aktarm için iki düz dili, bir kaplin ve Vishay Servo potansiyometreyi barndrmaktadr. Bu montajlama eleman ekil 1 ve 2 de daha açk beyaz tonda görünmektedir.

ekil 4: Potansiyometre balant montaj.

Robot ayak tasarmnda arlk ve atalet momentlerinin mümkün olduunca asgari deerlerde tutulmas, eklem hzlar ve konumlama doruluu açsndan önemlidir. Üniversitelerde deneysel çalmalarn imalat yetersizlikleri ile kstl olmasndan dolay, tasarmlar eldeki imalat imkânlarna uygun hale getirilmek zorundadr. Bu çalma da benzer kstlamalar içindedir. Fakat malzeme ömrü, eklem hzlarnn azami deerleri dikkate alnarak, gerekli toleranslar çerçevesinde tasarm yaplmtr. Bu amaca hizmet etmesi için malzemelerin birbirleri ile sürtünmeli hareket etmelerine izin verilmi ve bu sayede kütle ve atalet momentlerinde bir önceki insans robotumuza göre azalma salanmtr.

Eklemleri sürmek için oldukça yüksek tork üretebilen ve yüksek hareket hassasiyetine sahip Maxon marka DC motorlar kullanlmtr. Tüm motorlarda olduu gibi bu motorlar da dardan gelebilecek tüm darbelere kar hassastrlar. Motor ve dili sistemini d etmenlerden korumak için iç içe olan silindirik yaplar tasarlanmtr. ekil 1 ve 2 de ayak eklemleri arasnda yatay silindirik parça olarak görülmektedir. Motorlar 24Volt ve 20Watt seçilmitir [7]. Kullanlan 156:1 dili olan, teorik olarak bir admn 0.55 saniyede atlmasna imkân salamaktadr. Eklemlerin rijitlii, motor dili kutusunun boluklar ve dier eklem hareketini etkileyecek bozucular, bu teorik eklem hz deerine ulalmasna engel olaca düünülmektedir.

Robotun ayakaltna basnç alglayc FSR (Force Sensitive Resistor) sensörleri yerletirilmitir. Ayan altnda dört

köeye yerletirilmilerdir. FSR’lerin direnç deerleri, alglama yüzeylerine gelen toplam basnçla dorusal olmayan bir ekilde deimektedir [8]. Bu sensörlerin yerletirilmesinde sadece yüzeylerine dik olacak yönde kuvvet gelmesine özen gösterilmitir. Bu sayede yanl okuma ve sensörün hasar almasnn önüne geçilmitir. Her bir FSR 10kg yük ölçebilecektir. Yürüme esnasnda sadece ayak topuu veya ayak ucunun yüzeyle temas etmesi durumunda bile yeterli kuvvet ölçümü yaplabilecektir. FSR için tavsiye edilen uygun elektronik devre ara yüzü, FSR datasheetinde sunulmutur. Bu devre laboratuvarmzda kurulmu ve test edilmitir. Tavsiye edilen devre deerleri ile belirli sonuçlar elde edilmesine karn, robot ayamza uygun devre eleman deerleri deneysel olarak bulunmutur.

Robot ayak tasarm gerçekletirilirken en önemli tasarm parametresi bireysel mekanik parçalarn nasl montajlanaca, hasar alan parçalarn nasl deitirilecei ve bu parçalarn mümkün olan en küçük hacimde nasl üretilebileceidir. FSR’ler ve sensör dililerinin burada en kolay hasar alabilecek parçalar olduu gözlemlenmitir, çünkü d ortamdan gelebilecek olumsuzluklara en açk elemanlar bunlardr. Bu sebeple bu parçalarn kolay deitirmesi gerekmektedir. FSR sensörleri için bu ilem oldukça kolaydr. ekil 1 ve 2 de ayak plakasnn üzerinde yaya basldnda FSR yuvasndan çkarlmakta ve sonrasnda konektörlerin sökülmesiyle elektrik balants sonlandrlmaktadr.

3.

Sonuçlar

Robot ayak tasarm gerçekletirilmi ve imalat yaplmtr. Özellikle tasarm CAD ortamnda montaj ilikileri yardm ile bireysel parçalarn tasarmlar iyiletirilmi ve hzl protipleme ile bilgisayar ortamnda fark edilemeyen hatalar giderilmitir. Hafif malzeme kullanm, tasarm ömrü ve eklem hzlar dikkate alnarak robotun toplam arl bir önceki robota göre be kat azaltlmtr. Bu arlk azaltlmasnn, projenin ilerleyen aamalarnda önemli hareket avantajlar salamas beklenmektedir. Hzl protipleme özellikle eklem açlarnn okunmasn salayacak olan potansiyometrelerin oldukça dar alana, robot eklemlerinin azami aç deerlerini fazla kstlamadan yerletirilmesine imkân salamtr. Kullanlan 3B yaznn sarf malzemesi ABS’dir. Fakat bu cihaz profesyonel bir 3B yazc olmadndan, üretilen mekanik parçalarn dayanmlar düüktür. Bu nedenle robot bacaklarnda sadece sensör balant parçalarnn imalatnda 3B yazc ile yaplmtr.

Projenin ilerleyen aamalarnda, robotun tüm elektronik donanm ve kontrol bilgisayar ile uyumlu çalmas salanacaktr. Gelitirilecek olan eklem yörüngeleri ve motor sürücü kontrol algoritmalar ile robotun temel hareketleri gerçekletirmesi planlanmaktadr.

Bu çalma Balkesir Üniversitesi, Bilimsel Aratrma Proje Birimi tarafndan desteklemitir.

Proje No:2015-29

Proje Ad: nsans robot için prototip ayak tasarm ve imalat.

4. Kaynaklar

[1] Kaneko, K., Kanehiro, F., Kajita, S., Yokoyama, K., Akachi, K., Kawasaki, T., Ota, S. ve Isozumi,T.,

"Design of prototype humanoid robotics platform for HRP", Intelligent Robots and Systems, IEEE/RSJ International Conference on (Volume:3 ), 2431 – 2436, 2002.

[2] Sakagami, Y., Watanabe, R., Aoyama, C., Matsunaga, S., Higaki, N. ve Fujimura, K., “The intelligent ASIMO: system overview and integration”, Intelligent Robots and Systems, 2002. IEEE/RSJ International Conference, 2478 - 2483 vol.3, 2002.

[3] Raibert, M., “Dynamic legged robots for rough terrain”, 10th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, sayfa 1, 6-8 Dec. 2010.

[4] Sandini, G. M. ve Vernon, D., “The iCub Cognitive Humanoid Robot: An Open-System Research Platform for Enactive Cognition”, 50 Years of Artificial Intelligence, 358-369, 2007.

[5] Akdas, D. “An Effective Mechanical Design and Realization of a Humanoid Robot BUrobot” Acta Polytechnica Hungarica, 11(10), 115-134., 2014.

[6] Akdas, D. ve Bicakci, S. “Türkiye’nin lk Çok Serbestlik Dereceli Prototip nsans Robotunun Tantm”, Çukurova Üniversitesi, 30.Yl Sempozyumu, 206-211, 2008.

[7] https://www.maxonmotor.com, Eriim Tarihi: 20/10/2016

[8] https://www.tekscan.com/, Eriim Tarihi: 20/10/2016