Makaleler / Elektronik / Teknoloji / Robot


Yazar: Kürşat Yalçın
Gönderen: Elektro   Tarih: 16-03-2003 18:57
Yorumlar: (0)   Oylar:

Bir robot, bu konuda çalışmalarıyla tanınan Maja Mataric’in yaptığı tanıma göre, ortamdan topladığı verileri dünyası hakkında sahip olduğu bilgiyle sentezleyerek, anlamlı ve amaçlarına yönelik bir şekilde hareket edebilen ve bunu güvenli bir biçimde yapabilen bir makinedir. Bu tanıma girebilmesi için öncelikle robot diye adlandırdığımız makinenin fiziksel bir varlığının olması gerekiyor. Robotları, mobil ve mobil olmayan robotlar şeklinde iki kısımda incelemek istersek şu tanımlamaları yapmamız uygun olacaktır. Bir robotun ulaşabileceği maksimum noktalar kümesinden oluşan yüzeyin hacmine çalışma hacmi denir. Eğer bir robotun çalışma hacmi bir referans koordinat sistemine göre yer değiştirmiyorsa bu robota mobil olmayan robot, yer değiştiriyorsa bu robota mobil robot denilebilir. Bu seminerde asıl incelenecek kısım mobil robotlar olup bir sonraki bölümde detaylandırılacaktır. Bu bölümde ise genel olarak mobil olmayan robotlardan bahsedilecektir.


1.1. Altyapı

Endüstriyel bir robot genel amaçlı, bilgisayar kontrollü, birbirine seri bir biçimde dairesel veya prizmatik eklemlerle bağlanmış katı cisimlerden oluşan bir cihazdır. Mekanik olarak robot, bir koldan, bir bilekten bir de materyalleri işleyebilecek bir aletten meydana gelir. Çalışma hacmi içerisinde mevcut olan bir noktaya ulaşabilecek şekilde tasarlanır. Genellikle robot kolu üç serbestlik derecesine sahiptir. Eklem hareketlerin kombinasyonları bileği çalışma alanında konumlandırır. Bilek ünitesi genel olarak üç dairesel hareketi içerir. Bu belirtilen kavramlar şekil1.1’de gösterilmiştir. Birçok ticari endüstriyel robot şekil 1.2’de gösterilen dört temel hareket kategorisinden birine sahiptir.


• Kartezyen koordinatlar (Üç lineer eksen)

• Silindirik koordinatlar (ıki lineer bir dönel eksen)

• Küresel koordinatlar (Bir lineer iki dönel eksen)

• Dönel koordinatlar (Üç dönel eksen)



şekil 1.1. Değişik robot kol örnekleri (a) Cicinnati Milacron T3 robot kolu. (b) PUMA 560 serisi robot kolu.

şekil 1.2. Değişik robot kol kategorileri.


1.2. Tarihi Gelişim

İlk sibernetikçi kabul edilen Ebul-iz ısmail bin ar-Razzaz el-Cezeri 1205-1206 yıllarında yazdığı "Kitab-ül'-Camü Beyne'l-ılmi-i ve'l-amelen-Nafi' Fi Sınaati'l-Hiyel" adlı kitabın içinde, 300'e yakın otomatik makine ve sistemleri ile ilgili bilgi verdikten sonra çalışma özelliklerini şemalarla göstermiştir. Sadece suyun kaldırma ve basınç gücünü kullanarak tamamen yeni bir teknik ve sistem kurmuş, çok yönlü otomatik hareketler elde edebilmiştir. Kurmuş olduğu otomatik sistemlerde ses (kuş, davul, zurna, ıslık vs.) ya da çığlık çıkması gerektiği anda bu sesleri de sağlayabilmiştir. Robot kelimesi ıngilizce diline 1921 yılında oyun yazarı Karel Capek tarafından R. U. R. (Rossum’s Universal Robots) adlı dramasıyla tanıtılmıştır. Bu çalışmada, robotlar insanlara benzeyen fakat yorulmadan çalışan makinalardı. Önceleri robotlar, insan işçilerin yerini alsınlar diye üretilirken günümüzde insan robot çekişmesi yok olarak insanlar lehine sonuçlanmıştır.


1940’ların sonlarına doğru Oak Ridge ve Argonne Milli Laboratuarlarında radyoaktif malzemeleri işlemek için uzaktan kontrollü mekanik manipulatörlerin araştırma programları başlatıldı. Bu sistemler “Ana-Uydu”(Master-Slave) tipindeydiler ve insan operatörler tarafından yapılan el ve kol hareketlerini büyük bir sadakatle yerine getirmekteydiler. Ana manipulatöre kullanıcı tarafından bir dizi hareket verilmekte uydu olansa bu hareketleri mümkün olduğu kadar hızlı takip etmekteydi. Sonraları sisteme güç geri beslemesi eklenerek ana manipulatörün, uydu ve onun çevresi arasındakileri hissetmesi sağlanmıştır. 1950’lerin ortalarında manipulatörlerdeki hidrolik ve elektrik güçlerin yerini mekanik kuplajlar almıştır.


Ana-Uydu manipulatörler üzerinde yapılan çalışma hızlı bir şekilde daha karmaşık sistemleri doğurmuştur. 1950’lerin ortalarında George C. DEVOL bir cihaz geliştirmiş ve adını “programlanabilir eklemli transfer cihazı” koymuştur. Bu cihazın bir dizi hareket adımlarından oluşan işlemleri program içerisindeki komutlar tarafından belirlenebiliyordu. Bu kavram üzerindeki çalışmalarıyla Devol ve Joseph F. Engelberger 1959 yılında Unimaton Inc. tarafından tanıtılan ilk endüstriyel robotlara öncülük etmişlerdir. Bu cihazın özelliği bir manipülatörle bir bilgisayarın uyumlu çalışması sonucu ortaya çıkan birçok değişik görevi otomatik olarak gerçekleştiren bir makine olmasıdır. Ağır otomasyon makinalarından farklı olarak bu robotlar üretim istekleri değiştikçe daha az maliyetle tekrar programlanabilen cihazlardır.


Programlanabilen robotlar güçlü üretim cihazları olarak sunulduğu sıralarda 1960’larda bu cihazların esnekliklerinin duyusal geribeslemeyle önemli ölçüde geliştirilebileceği belirginleşmiştir. 1962’de H. A. Ernst bilgisayar kontrollü dokunma sensörlü mekanik bir elin gelişiminden bahsetmiştir. MH-1 diye anılan bu cihaz blokları hissedebiliyor ve bu bilgiyi eli kontrol etmek için kullanıyor, böylece blokları bir operatörün yardımı olmaksızın istif edebiliyordu. Bu çalışma uyarlamalı davranış kapasiteli bir robotun ilk örneklerinden biridir. Aynı zaman dilimi içerisinde Tomovic ve Boni (1962) nesneyi hisseden ve bir motora iki kavrama kalıbından birini seçmesi için bir geribesleme sinyali sağlayan basınç sensörlü bir prototip el geliştirdiler. El nesneyle temas ettiği zaman nesne boyutuyla ve ağırlığıyla orantılı bilgi bu basınç sensörleri tarafından bilgisayara gönderilmişti. 1963’de Amerikan Makine ve Dökümhane şirketi (American Machine and Foundry Company) VERSATRAN ticari robotunu tanıttı. Aynı yılın başlangıcında manipulatörler için Roehampton kolu ve Edinburgh kolu gibi değişik kol tasarımları geliştirildi.


1968’de McCarthy ve meslektaşları Stanford Yapay Zeka laboratuarında elleri, gözleri ve kulakları (manipulatörler, TV kameralar, ve mikrofon) olan bir bilgisayar geliştirmişlerdir. Konuşulanların farkına varan, bir masanın üzerindeki dağınık blokları gören ve komutlar doğrultusunda onları düzene koyan bir sistem göstermişlerdi. Bu zaman içerisinde Pieper (1968) bilgisayar kontrollü bir manipulatörün kinematik problemi üzerinde çalışırken Kahn ve Roth (1971) kısıtlanmış bir kolun dinamiği ve kontrolünü bang-bang teoremini (yaklaşık minimum zaman) kullanarak analiz ettiler.


Bu arada, diğer ülkeler (özelikle Japonya) endüstriyel robotların potansiyelini görmeye başladılar. 1968 gibi erken bir yılda Japon şirketi Kawasaki Ağır Sanayi ve Unimation şirketi robotlar konusunda bir lisans sözleşmesi imzaladı. Robotlarda garip gelişmelerden biri General Elektrik şirketinin Amerika Birleşik Devletleri ordusu için geliştirdiği deneysel yürüyen kamyonla 1969’da meydana gelmiştir. Aynı yıl içerisinde Boston kolu ve bir sonraki yılda kamerayla donatılmış ve bilgisayar kontrollü Stanford kolu geliştirildi. Robot bilimindeki ciddi çalışmalar bu kolların manipulatör olarak kullanılmasıyla başlamıştır. Stanford kolunun değişik stratejiler kullanarak blokları otomatik olarak istif etmesiyle bir deney yapılmıştır. Bu o zamanlarda otomatik bir robot için çok karmaşık bir işti. 1974’de Cincinati Milacron ilk bilgisayar kontrollü endüstriyel robotunu tanıttı. “The Tomorrow Tool”, yada T3 diye adlandırılan bu robot 45kg.’den fazla ağırlık kaldırabiliyor ve montaj hatlarında hareketli nesneleri takip edebiliyordu.


1970’lerde araştırmaların büyük bir bölümü manipulatör işlemlerini kolaylaştırmak için harici sensörlerin kullanımına yoğunlaşmıştı. Stanford’ta Bolles ve Paul (1973) görsel ve kuvvet geri beslemesinin ikisini de kullanarak bilgisayar kontrollü bir Stanford kolunu PDP-10 bilgisayarına bağlayıp bir otomobil parçası üretiminde kullanmışlardır. Hemen hemen aynı zaman diliminde IBM’den Will ve Grossman (1975) bir bilgisayar kontrollü, dokunma ve kuvvet sensörlü manipulatörü 20 parçalı bir daktilo üretiminde kullanmak üzere geliştirilmişlerdir. Inoue, MIT Yapay Zeka Laboratuarında güç geribeslemesine yapay zekanın uygulanması üzerine çalışmıştır(1974). Doğru montaj görevi içerisinde başlangıç konumlanmasını gerçekleştirmek için bir fener arama tekniği kullanıldı. Draper Laboratuarında Nevins et al (1974) uyuma dayanan hissetme tekniklerini araştırmıştır. Bu çalışma Uzaktan Merkezi Uyum diye adlandırılan pasif uyumlu cihazların enstrümantasyonuna doğru geliştirilmiştir. Bu cihazlar yakın parçaların birleştirilmesi için manipulatörün son birleşme yerinden destek tabakaya bağlıdır. Bejczy (1974) Jet Propulsion laboratuarında uzay araştırma projeleri için geliştirilmiş Stanford Kolu üzerinde bilgisayar tabanlı tork kontrol tekniğini uygulamıştır. O zamandan beri mekanik manipulatörlerin güdümlenmesi için değişik kontrol metotları önerile gelmiştir.


Günümüzde, kinematik, dinamik, planlama sistemleri, kontrol, hissetme, programlama dilleri ve yapay zeka gibi birkaç bilim dalını içerecek şekilde araştırma ve geliştirmeyle uğraşılmaktadır.


1.3. Robot Kinematiği ve Dinamiği


Robot kolu kinematiği, bir robotun sabit bir referans koordinat sistemine göre hareketinin geometrisinin çalışmasıyla bu hareketten kaynaklanan kuvvet/moment etkisini göze almadan uğraşır. Böylece kinematik, robotun uzaysal yer değiştirmesinin zamana bağlı bir fonksiyonunun analitik tanımıyla uğraşır. Özellikle birleşme noktası-değişkenleri uzayı ile robot kolunun son-etkileyicisinin pozisyonu ve yönelimi arasındaki bağıntıları inceler.


Robot kolu kinematiğinde iki temel problem vardır. ılk problem genellikle direkt veya ileri kinematik (forward kinematics) problemi, ikincisi ise ters kinematik problemidir. Bir robot kolundaki bağımsız değişkenler bağlantı yeri değişkenleri olduğundan ve bir görev de genellikle referans koordinat çerçevesi ile ifade edildiğinden ters kinematik problemi daha sık kullanılmaktadır. Denavit ve Hartenberg (1955) matris cebirinin faydalı kullanımıyla bir robot kol bağlantısının sabit bir referans çerçeveye göre uzaysal geometrisini tarif etmek ve göstermek için sistematik ve genelleştirilmiş yaklaşım önerdiler. Bu metot iki komşu katı mekanik link arasındaki uzaysal ilişkiyi tarif etmek için 4x4 homojen bir transformasyon matrisini kullanır ve el koordinat çerçevesiyle referans koordinat çerçevesi arasındaki uzaysal yer değiştirmeyi ifade eden eşdeğer 4x4 homojen transformasyon matrisi bulma amaçlı direkt kinematik problemini kolaylaştırır. Bu homojen transformasyon matrisleri bir robot kolun hareketinin dinamik denklemlerinin çıkarılmasında da kullanılır. Genel olarak, ters kinematik problemi çeşitli tekniklerle çözülebilir. En yaygın kullanılan metotlardan bazıları; matris cebirli, yinelemeli veya geometrik yaklaşımlardır.


Diğer taraftan robot kol dinamiği, robot kol hareketindeki denklemlerin matematiksel formülasyonuyla uğraşır. Bir manipülatörün hareketinin dinamik denklemleri, manipülatörün dinamik davranışını tanımlayan bir dizi matematiksel denklemden oluşur. Bu türden denklemler, robot kol hareketinin bilgisayar simülasyonunda, bir robot kolu için uygun kontrol denklemlerinin tasarımında ve robot kolun kinematik tasarımı ve yapısının değerlendirilmesinde yararlıdır. Bir kolun gerçek dinamik modeli, Newton ve Lagrangian mekaniği gibi bilinen fiziksel kanunlardan elde edilebilir.


1.4. Manipülatörün Yörünge Planlaması ve Hareket Kontrolü


Seri linkli bir manipülatörün kinematiği ve dinamiği bilgisiyle bir kişi manipülatörlerin eklemlerindeki harekete geçiriciyi kontrol ederek manipülatörü istenen bir yolda ilerletmek isteyebilir. Robot kolu hareket ettirmeden önce robot kolun kat edeceği mesafede bir engel olup olmadığı (engel kısıtlaması) ve manipülatörün elinin belirli bir yoldan ilerlemesi (yol kısıtlaması) gerektiği bilinmelidir. Bir manipülatörün kontrol problemi uygun bir şekilde uyumlu iki alt probleme bölünebilir. Bu problemlerden birincisi hareket veya yörünge planlama alt problemi, ikincisi ise hareket kontrolü alt problemidir.


Manipülatör elin bir başlangıç noktasından nihai bir noktaya hareketinde çizdiği uzay eğrisine yol denir. Yörünge planlayıcısı bir takım polinom fonksiyonlarıyla istenen yolun yaklaşımını alır ve manipülatörün başlangıç mevkisinden hedefe kadar kontrolü için bir dizi zaman-tabanlı “kontrol ayar noktaları” üretir.


Genelde hareket kontrol problemi (1) manipülatörün dinamik modelinin elde edilmesinden ve (2) bu modeller kullanılarak istenen sistem tepkisini veya performansını başarmak üzere kontrol kanunlarını veya stratejilerini belirlemekten ibarettir. Kontrol analizi tarafından bakacak olursak, bir robot kolun hareketi genelde iki farklı kontrol fazıyla gerçekleştirilir. Birincisi kolun bir başlangıç noktasından istenen hedef pozisyonun yakınına belirli bir yörünge üzerinden hareketi olan brüt hareket kontrolüdür. ıkincisi ise son etkileyicinin sensörlerden gelen geri beslemeyi kullanarak bir işi tamamlamak üzere nesneyle dinamik olarak etkileşirken yaptığı hassas harekettir.


Günümüzde robot kol kontrolüne endüstriyel yaklaşımlar robot kolun her eklemine basit bir otomatik eklem kontrol sistemi yerleştirilmesi yönündedir. Servo mekanizma yaklaşımı bir manipülatörün değişen dinamiğini yetersiz bir şekilde modeller çünkü kol mekanizmasının bütününün hareketini ve konfigürasyonunu ihmal eder. Kontrol sisteminin parametrelerindeki bu değişimler bazen klasik geribeslemeli kontrol stratejilerini etkisiz kılacak derecede önemlidir. Sonuç servo cevap hızını düşürür, son etkileyicinin hassasiyetini ve hızını düşürür ve sınırlar. Bu yolla kontrol edilen manipülatörler düşük hızda hareket ederler ve gereksiz titreşimlere sahiptirler.


1.5. Robot Algılaması

Harici hissetme mekanizmaları kullanmak bir robotun çevresiyle esnek bir tarzda etkileşmesine izin verir. Bu mekanizmaları kullanan sistemler, tekrarlı görevleri bir dizi programlanmış fonksiyon yoluyla yapan sistemlere zıt sistemlerdir. Her ne kadar önceden programlanan sistemler baskın bir şekilde günümüz endüstriyel robotlarını teşkil etse de, hissetme teknolojisinin kullanımının, çevreleriyle uğraşırken makinelere büyük derecede zeka bahşetmesi gerçekten robot alanında aktif bir araştırma geliştirme konusu olmuştur. Robot sensörlerinin fonksiyonları iç durum ve dış durum olmak üzere iki ana kategoriye bölünebilir. ıç durum sensörleri, robot kontrolünde kullanılan kol eklem pozisyonu gibi değişkenlerin saptanmasıyla uğraşır. Diğer taraftan dış durum sensörleri, mesafe, yakınlık ve dokunma gibi değişkenlerin algılanmasıyla uğraşırlar. Her ne kadar yakınlık, dokunma ve kuvvet sensörleri robot performansının geliştirilmesinde önemli bir rol oynasa da görme robot duyusal yeteneğinin en güçlüsü olarak kabul edilir. Robot görüşü, üç boyutlu dünyanın resimlerinden bilgiyi çıkartma, karakterize etme ve yorumlama işlemi olarak tanımlanabilir. Genellikle “Makine veya Bilgisayar Görüşü” olarak da isnat edilen bu işlem altı önemli alana bölünebilir; (1) hissetme, (2) önişlem, (3) parçalara bölme, (4) açıklama, (5) tanıma ve (6) yorumlama. Görüşün bu çeşitli alanlarını, gerçekleştirilmelerindeki zorluğa ve karmaşıklığa göre gruplandırmak analizi kolaylaştıracaktır.


1.6. Robot Zekası


Önceden belirlenmiş görevleri çözmek için hareketlerin planlanması ve sonra bu işi başarmak için gerekli komutları çalıştırarak robotun kontrol edilmesi, robot biliminde temel bir problemdir. Burada planlama, işi yapmadan önce işe karar verme anlamındadır.


Robot probleminin bu iş sentez kısmı, verilen bazı başlangıç durumlarından saptanan amaçları çıkaran, problem-çözücü bir sistem tarafından çözülebilir. Robot problem çözümü üzerindeki araştırmalar yapay zekayla problem çözümü hakkında birçok fikre öncülük etmiştir. Örnek olarak çeşitli numaralar verilmiş blokların bir masanın üzerinde bulundukları bir dünya içerisinde, bir TV kamerasına ve bir kola sahip olan ve blokları kaldırıp hareket ettirebilen bir robot hayal edilebilir.


Kürşat YALÇIN

Email: kursat_yalcinyahoo.com