İpe Tırmanan Robot Tırtıl

MKT2012,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, 25-27 Mayıs 2012, Çankırı-Ilgaz,TÜRKİYEİPE TIRMANAN ROBOT TIRTILROPE CLIMBING ROBOT CATERPILLARFatih KÖSE, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, KocaeliMelih KUNCAN, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, KocaeliH.Metin ERTUNÇ, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, KocaeliMuharrem YILMAZ, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği, KocaeliABSTRACTIn this study, a rope climbing robot was designed and realized by analyzing the walkingstyle of a caterpillar. First, walking style of a caterpillar was analyzed, and then all themotion characteristics of the robot were determined to realize the climbing activity. Theprototype design of the robot that can climb a rope was initially simulated onSolidWorks software environment. MSP430 LaunchPad was used for control of therobot; in addition, an electrical circuit was designed for incorporating the control boardand the robot. Moreover, sensors were mounted just below the antennas for obstacledetection during the motion of robot. Finally, in this study a climbing robot wasdesigned and physically developed by using the methods of biomimetics science.ÖZETBu çalışmada, tırtıl yürüyüşünü taklit ederek ipe tırmanabilen bir robot tasarlanmış vegerçekleştirilmiştir. Öncelikle tırtılın yürüyüş biçimi incelenmiş ve robotun tırmanmaişlemini gerçekleştirebilmesi için gerekli olan tüm hareketler belirlenmiştir. Buhareketleri gerçekleştirecek olan robotun ilk tasarımı, bilgisayar ortamında SolidWorksprogramı yardımıyla modellenmiştir. Robotun kontrolü için MSP430 LaunchPadkullanılmış; ek olarak basit bir devre tasarlanarak kontrol kartının robot ile bütünleşmesisağlanmıştır. Ayrıca robotun ip üzerinde yukarı veya aşağı yöndeki hareketindekarşılaştığı herhangi bir engeli algılayabilmesi için antenlerinin altına algılayıcılaryerleştirilmiştir. Sonuç olarak bu çalışmada biyomimetik bilim dalından yararlanılarakbir robot tasarlanmış ve fiziksel olarak başarıyla gerçekleştirilmiştir.1. GİRİŞDisiplinlerarası mühendislik dallarından birisi olan mekatronik mühendisliği, makine,elektrik-elektronik ve kontrol gibi mühendislik dalları ile bilgisayar ve özellikle yazılımmühendisliği dallarını artı değer sağlayacak (sinerjik) biçimde bütünleştiren yeni birmühendislik tasarımı yaklaşımıdır [1]. Mekatronik bir tasarım olarak geliştirilen robottırtıl çalışması, doğadan ilham alma düşüncesinin temelini oluşturan biyomimetik bilimdalı kapsamında gerçekleştirilmiştir.Günümüzde robotların kullanım alanları oldukça genişlemiştir. Endüstriden sağlıksektörüne, arama kurtarma çalışmalarından askeri alana kadar birçok yerde robotlardanfaydalanılmaktadır. Bu çalışmanın konusunu oluşturan robotlar, algılayıcılar (sensörler)aracılığı ile çevresini algılayıp, yorumlayan, bunun sonucunda karar alan, kararsonucuna göre hareket organlarını çalıştıran veya durduran robotlar olaraktanımlanmaktadır [2]. İki adet mekanik kıskacın açılıp-kapanmasını ve bu kıskaçların

MKT2012,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, 25-27 Mayıs 2012, Çankırı-Ilgaz,TÜRKİYEyukarı-aşağı hareketini kontrol ederek yapılan “Climbing Robot CLIBOT” [3], birşempazenin yatay veya eğimli bir dal parçası üzerindeki hareketine benzer hareketleryaparak eğimli ip üzerinde hareket edebilen robot [4] gibi ipe tırmanan robot çeşitleri debulunmaktadır.Tırmanabilen robotların tasarımları ihtiyaca göre değişmekte olup, uygulama alanlarıçeşitlilik göstermektedir. Direk veya borulara tırmanabilecek şekilde tasarlanmış farklırobot tasarımları mevcut olmakla birlikte [5-6], pürüzlü ve pürüzsüz yüzeyler üzerindehareket edebilen robotlar da mevcuttur [7-8]. Biyomimetik bilim dalından yararlanılıpgeko kertenkelesinden ilham alınarak yapılan yüzey tırmanma robotları da vardır [9].Bu bildiri kapsamında gerçekleştirilen tırtıl robot çalışması, mekanik, elektronik vekontrol sistemlerini kapsadığı için mekatronik mühendisliğinin ilgi alanına girmektedir.Ayrıca bu tasarımda, doğadan ilham alınması ve bir canlı yürüyüşünün robota taklitettirilmesi de, mekatronik yapıların biyomimetik bilim dalından faydalanılarakoluşturulabileceğini göstermektedir.2. MATERYAL VE METOTBu çalışmada, öncelikle tırtılın yürüyüşü incelenmiş ve robot hareketleri belirlenmiştir.Robotta kullanılmış tüm parçalar, bir katı modelleme programı kullanılarak gerçekboyutlarında çizilmiş; uygun bir gövde tasarımı üzerinde birleştirilerek robotun üçboyutlu tasarımı oluşturulmuştur. Robotun tahriki için standart hobi servo motorlarkullanılmıştır. Robot herhangi bir engelle karşılaştığında, bunu algılayabilmesi içinrobotun üzerine algılayıcılar yerleştirilmiştir. Tüm sistemin kontrolü için MSP430LaunchPad kontrol düzeneği kullanılmıştır. Robotun fiziksel gerçeklenmesinde gövdeyioluştururken bakır plaketten yararlanılmıştır.3. ROBOT HAREKETLERİNİN OLUŞTURULMASIRobot ön tutucu, bel ve arka tutucu olmak üzere üç ana kısımdan oluşmaktadır. Herkısımda bir adet hobi servo motor bulunmaktadır. Ön ve arka kısımlarda bulunan servomotorlar ipi tutma mekanizmasını oluşturmaktadır. Bel kısmındaki servo motor iserobotun bel kısmını bükmeye ve açmaya yaramaktadır.(a) (b) (c) (d) (e)Şekil 1. Robot Hareketlerinin OluşturulmasıRobotun yapacağı tüm hareketler Şekil 1’de gösterilmiştir. İpe yerleştirilen robotçalıştırıldığında ön ve arka tutucular ipi tutar (a). Sonra arka tutucu ipi bırakır, belbükülür ve arka tutucu tekrar ipi tutar (b). Daha sonra ön tutucu ipi bırakır, bel açılır ve

MKT2012,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, 25-27 Mayıs 2012, Çankırı-Ilgaz,TÜRKİYEön tutucu tekrar ipi tutar (c). Böylelikle robot ipe tırmanma hareketini gerçekleştirir.Yukarı yönde hareket eden robot herhangi bir engele çarptığında ise aşağı yönde hareketetmeye başlar. Ön ve arka tutucular ipi tutar (c). Sonra ön tutucu ipi bırakır, bel bükülürve ön tutucu tekrar ipi tutar (d). Daha sonra arka tutucu ipi bırakır, bel açılır ve arkatutucu tekrar ipi tutar (e). Aşağıya doğru hareket eden robot, anten görünümlü sınıralgılayıcı anahtarlar (limit switch) vasıtasıyla bir engele çarptığını anlayıp tekrar yukarıyönde bir harekete başlar.4. ROBOT TIRTILI OLUŞTURAN SİSTEMLERRobot tırtıl mekanik ve elektronik olmak üzere iki ana sistemden oluşmaktadır.Mekanik sistem, ön tutucu, bel ve arka tutucu mekanizmaları olmak üzere üç kısımdan;elektronik sistem ise kontrol devresi, konnektör devresi, tahrik sistemi vealgılayıcılardan oluşmaktadır. Şekil 2’de sistemin blok diyagramı görülmektedir. Servomotorlar, kontrolör ve algılayıcılar aynı kaynaktan beslenmektedirler. Sistemde bulunanalgılayıcılardan denetleyiciye geri beslemeler alınmıştır. Böylelikle robot bir engellekarşılaşıp-karşılaşmama durumlarına göre yönünü kendisi tayin edebilmektedir.4.1 Mekanik SistemRobotta kullanılacak olan ana parçaların (servo motorlar, algılayıcılar vb.) gerçekölçülerindeki katı modelleri bilgisayar ortamında çizilmiştir. Modellenen tüm parçalariçin uygun bir gövde tasarımı oluşturulmuş ve tüm parçalar oluşturulan gövdeye monteedilerek robotun üç boyutlu tasarımı sonlandırılmıştır (Şekil 3).Şekil 2. Sistem Blok DiagramıRobotun mekanik sisteminde bulunan ön tutucu ve arka tutucu mekanizmalarının ipitutma teknikleri aynıdır. Ancak ipe uygulayacakları sıkıştırma kuvveti, mekanik veyazılımsal olarak ayarlanabilmektedir. Bel mekanizması ise ön tutucu ve arka tutucumekanizmalarını birleştirmektedir. Robotun üç boyutlu modelinin tamamlanmasınınardından fiziksel olarak prototipi oluşturulmuştur (Şekil 3). Gövdeyi bir araya getirmekiçin bakır plaket, M5 tij-somun ve M2 civata-somun kullanılmıştır.

MKT2012,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, 25-27 Mayıs 2012, Çankırı-Ilgaz,TÜRKİYE4.2 Elektronik Sistem4.2.1 Kontrol DevresiŞekil 3. Robot tırtıl katı modeli ve mekanik sistemiİpe tırmanan robot tırtılın elektronik sisteminde kontrol kartı olarak MSP430LaunchPad ve kart üzerinde mikrodenetleyici olarak da MSP430G2231 denetleyicisikullanılmıştır. MSP430G2231 denetleyicisinin bacak bağlantı uçları ve fonksiyonlarıŞekil 4’te gösterilmektedir. MSP430G2231’in program belleği elektriksel olarak silinipyeniden yüklenebilmektedir. Denetleyici, on adet I/O girişine sahiptir [10]. MSP430LaunchPad üzerinde kullanılacak olan tüm pin ve butonlar tespit edilip, kontrol devresibilgisayar ortamında tasarlanmıştır.4.2.2 Konnektör DevresiŞekil 4. MSP430G2231 Bacak Bağlantı UçlarıKonnektör devresi, kontrol devresindeki pinlere uyumlu konnektörlerle donatılarak,kontrol devresinin robot ile bütünleşmesi sağlanmıştır. Ayrıca konnektör devresinde,denetleyicinin servo motorları sürdüğü çıkışlara buffer bağlanmıştır. Bu sayededenetleyici çıkışındaki düşük gerilim, servo motorların besleme gerilim değerineçekilmiştir. Gerilimlerin aynı seviyeye çekilmesiyle gerilim farklılığından dolayıoluşabilecek servo motor milinin konumlama hataları önlenmiştir. Konnektör devresiprotoboard üzerine tasarlanmıştır.4.2.3 Tahrik Sistemi ve Algılayıcılarİpe tırmanan robot tırtılın tahrik sistemi, üç adet hobi servo motordan oluşmaktadır.Servo motorlar konum kontrolü yapabilmek için geliştirilmiş motorlardır. Besleme,toprak ve sinyal olmak üzere üç adet bağlantı ucu bulunmaktadır. Bu çalışmadakullanılan servo motorların mil konumu 0 ile 180 derece arasında değişebilmektedir.Servo motor, konum bilgisini, sinyal girişinden gönderilen sinyalin darbe genişliğindenalmaktadır. Robotta kullanılan üç adet servo motorun modeli aynıdır. Tork değerleri;4.8V’ta 5.5 kg-cm, 6V’ta ise yaklaşık 6.5 kg-cm olmaktadır [11]. Robotun beslemesi

MKT2012,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, 25-27 Mayıs 2012, Çankırı-Ilgaz,TÜRKİYE4.8V’luk kaynaktan sağlandığı için servo motorlar yaklaşık 5.5 kg-cm tork ile tahrikedilmişlerdir. Kullanılan servo motorların redüktör kısmı plastik dişlilerdenoluşmaktadır [12].Robot ip üzerinde yukarı ya da aşağı yönde hareket ederken engele çarptığını,üzerindeki iki adet algılayıcı sayesinde anlayabilmektedir. Algılayıcı olarak iki adetaynı model sınır anahtarı (limit switch) kullanılmıştır. Com, NO (normalde açık),NC(normalde kapalı) olmak üzere üç adet bağlantı ucu bulunmaktadır [13]. Herhangibir engele çarpmadığında, Com ile NC uçları arasında iletim vardır. Engele çarptığındaise Com ile NO arası iletime geçer; Com ile NC arasında ise iletim olmaz. Robotüzerinde kurulan elektronik sistemde, Com ve NO bağlantı uçları kullanılmıştır.Algılayıcılardan biri robotun ön kısmına diğeri ise arka kısmına monte edilmiştir.Engeli algılamada daha hassas olması için algılayıcıların metal kısmına 1.5mm çapındaanten şekli verilmiş bakır iletkenler lehimlenmiştir. Böylece robota hem estetiklikkazandırılmış hem de algılayıcıların hassasiyetleri arttırılmıştır.Elektronik ve mekanik sistemin birleştirilmesiyle robot tırtılın prototipi oluşturulmuştur.Besleme ünitesi, beli bükmeye yarayan servo motorun arka tarafına denk gelecekşekilde monte edilmiştir. Böylece besleme ünitesini oluşturan dört adet pilinağırlığından kaynaklanacak olan momentin, bel kısmında yer alan servonun bükülmeyada açılma hareketine etkisi minumum olacaktır. İpe tırmanan robot tırtılın prototipiŞekil 5’te verilmiştir.5. DENEY VE SONUÇLARŞekil 5. İpe tırmanan robot tırtılRobot tırtılın ip üzerinde hız deneyi yapılmıştır. Bunun için 5 mm çapında ve 150 cmuzunluğunda ip kullanılmıştır. İpin dikey ve yatay olması durumlarına göre mesafe vehız ölçümleri yapılmış ve Çizelge 1’de gösterilmiştir. Beklendiği gibi yukarı çıkarkenrobotun hızı yavaşlamaktadır. Benzer şekilde ileri yöndeki hareketin hızı geri yöndekihareketin hızından fazladır. Bu sistemde besleme olarak dört adet 1.2 V 2500 mAh’likAA pil kullanılmıştır.

MKT2012,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, 25-27 Mayıs 2012, Çankırı-Ilgaz,TÜRKİYEÇizelge 1: İpin konumu ve hareketin yönüne göre robot tırtılın hızıİpin Konumu Hareket Yönü Alınan Zaman (s) Hız (m/s)Mesafe (cm)Dikey Yukarı 100 37.93 0.026Dikey Aşağı 100 27.56 0.036Yatay İleri 100 30.56 0.032Yatay Geri 100 37.60 0.0266. SONUÇ VE ÖNERİLERBu çalışmada, tırtıl yürüyüşünü taklit ederek ipe tırmanan bir robot tasarlanmış vegerçekleştirilmiştir. Söz konusu robot, yatay, eğimli ya da dikey konumdaki ip üzerindede hareket edebilmektedir. Mekanik ve elektronik sistemin öncelikle bilgisayarortamında tasarlanması, gerçek prototipini oluşturmada kolaylık sağlamıştır. Gövdetasarımında yapılabilecek değişikliklerle, ek parça ve donanımla dağcılıkta, aramakurtarmaçalışmalarında ve askeri alanda kullanılabilecek şekilde rahatlıklageliştirilebilir.7. TEŞEKKÜRBu çalışma, Kocaeli Üniversitesi, Mekatronik Mühendisliği Bölümü, Sensör TekniğiLaboratuvarı’nda yapılmıştır. Bildiri yazarları, Sensör Tekniği Laboratuarı çalışanlarınakatkılarından dolayı teşekkürü bir borç bilirler.8. KAYNAKÇA[1] http://mekatronik.kocaeli.edu.tr/?sayfa=genel_bilgi, (23.03.2012).[2] http://tr.wikipedia.org/wiki/Robot, (11.07.2011).[3] Schober T, “CLIBOT – ein seilkletternder Roboter zur Bauwerksinspektion”, Bautechnik,Volume 87, Issue 2, 81-85 February 2010.[4] Hewapathirana N.D, Uddawatta L, Karunadasa J.P. and Nanayakkara T, “Analysis on FourLegged Multipurpose Rope Climbing Robot” Fourth International Conference on Industrial andInformation Systems, 505-510 (2009).[5] Tavakoli M, Marjovi A, Marques L. and Almeida A.T, “3DCLIMBER: A climbing robot forinspection of 3D human made”, International Conference on Intelligent Robots and Systems,4130-4135 (2008).[6] Ahmadabadi MN, Moradi H, Sadeghi A, Madani A, and Farahnak M, “The Evolution of UTPole Climbing Robots”, 1st Int. Conf. on Applied Robotics for the Power Industry, 1-6 (2010)[7] Xiao J, Calle A, Sadegh A. and Elliott M, “Modular Wall Climbing Robots with TransitionCapability”, IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, 246-250 (2005)[8] Zhu H, Guan Y, “W-Climbot: A Modular Biped Wall-Climbing Robot”, IEEE InternationalConference on Mechatronics and Automation, 1399-1404 (2010).[9] Menon C., Murphy M., and Sitti M., “Gecko Inspired Surface Climbing Robots”, IEEEInternational Conference on Robotics and Biomimetics, 431-436 (2004)[10] http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430g2231.pdf (11.07.2011).[11] http://www.towerpro.com.tw/driver/drivers/Towerpro%20servo%20spec.pdf,[12] http://www.towerpro.com.tw/shopping/viewpic.asp?sn=477, (11.07.2011).[13]https://www.egr.msu.edu/eceshop/Parts_Inventory/images/spdt%20limit%20switch(11.07.2011).