Simulation of Kinematic and Dynamic Model of Two Degrees of Freedom Robot Arm Using Simulink

Abstract

The aim of this study is to realize the physical model of a robot arm with two degrees of freedom in the MATLAB Simulink environment, to show that the physical model of the robot arm matches the mathematical model and that the results of these models match. For this purpose, kinematic and dynamic modeling of a two-degree-of-freedom robotic arm is performed in the MATLAB Simulink environment. To ensure the accuracy of the physical model created in the MATLAB Simulink environment, mathematical equations are defined to a function within the physical model, in other words, a mathematical model is created. The kinematic equations of the robotic arm are examined in two steps as forward kinematics and inverse kinematics equations, and the geometric approach is used when obtaining the kinematic equations. The Lagrange-Euler method is used to obtain dynamic equations. The results obtained show that the mathematical kinematic and dynamic equations match the physical model in the MATLAB Simulink environment and reveal that the system is reliable.

Keywords

• Forward kinematics
• Inverse kinematics
• Lagrange-Euler method
• Robot arm

Simulation of Kinematic and Dynamic Model of Two Degrees of Freedom Robot Arm Using Simulink

Abstract

Bu çalışmada amaç iki serbestlik derecesine sahip bir robot kolun fiziksel modelinin MATLAB Simulink ortamında gerçeklemesinin yapılması, robot kolun fiziksel modeli ile matematiksel modelinin uyuştuğunu ve bu modellerin sonuçlarının eşleştiğini ortaya koymaktır. Bu amaç doğrultusunda, MATLAB Simulink ortamında iki serbestlik dereceli bir robot kolun kinematik ve dinamik modellemesi yapılmaktadır. MATLAB Simulink ortamında oluşturulan fiziksel modelin doğruluğundan emin olmak için fiziksel modelin içinde bir fonksiyona matematiksel denklemler tanımlanmaktadır, diğer bir ifadeyle matematiksel bir model oluşturulmaktadır. Robot kolun kinematik denklemleri ileri kinematik ve ters kinematik denklemleri olarak iki adımda incelenmekte olup, kinematik denklemler elde edilirken geometrik yaklaşımdan faydalanılmaktadır. Dinamik denklemler elde edilirken ise Lagrange-Euler metodu kullanılmaktadır. Elde edilen sonuçlar, matematiksel kinematik ve dinamik denklemlerin MATLAB Simulink ortamındaki fiziksel model ile eşleştiğini göstermekte ve sistemin güvenilir olduğunu ortaya koymaktadır.

Keywords

• İleri kinematik
• Ters kinematik
• Lagrange-Euler metodu
• Robot kol

References

1. Aydın, M. (2022). Position Control of Slider Crank Mechanism. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi(42), 158-162.
2. Aydın, M. (2022). Real-Time PID Control of Three Degrees of Freedom RRR Type Robot Arm. In S.E. Ruşen & A. Ruşen (Eds.), INSAC World Natural and Engineering Sciences (pp. 243-256).
3. Aydın, M. (2022). Speed Control of Slider-Crank Mechanism. Paper presented at Anadolu 10th International Conference on Applied Sciences, Diyarbakır, Turkiye .
4. Barakat, A. N., Gouda, K. A., & Bozed, K. A. (2016). Kinematics Analysis and Simulation of a Robotic Arm using MATLAB. Paper presented at 4th International Connce on Control Engineering & Information Technology (CElT -2016). Hammamet, Tunisia.
5. Craig, J. J. (2014). Introduction to Robotics: Mechanics and Control. Harlow: Pearson.
6. Ghaleb, N. M., & Aly, A. A. (2018). Modeling and Control of 2-DOF Robot Arm. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology, 6(11), 24-31.
7. Gürgüze, G., & Türkoğlu, İ. (2019). Kullanım Alanlarına Göre Robot Sistemlerinin Sınıflandırılması. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1(31), 53-66.
8. Hüseyinoğlu, M., & Abut, T. (2018). Dynamic Model and Control of 2 Dof Robotic Arm. European Journal of Technic (EJT), 8(2), 141-150.

9. Kebria, P. M., Al-wais, S., Abdi, H., & Nahavandi, S. (2016). Kinematic and Dynamic Modelling of UR5 Manipulator. Paper presented at 2016 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, Budapest, Hungary.
10. Küçük, S., & Bingül, Z. (2004). Robot Sistemlerinde Kinematik Yöntemlerin Karşılaştırılması. Politeknik Dergisi, 7(2), 107-117.
11. Küçük, S., & Birgül, Z. (2006). Robot Kinematics: Forward and Inverse Kinematics. In S. Cubero (Eds.), Industrial Robotics Theory Modelling Control. Pro Literatur Verlag, Germany / ARS, Austria.
12. Mahto, R. K., Kaur, J., & Jain, P. (2022). Performance Analysis of Robotic Arm using Simulink. Paper presented at 2022 IEEE World Conference on Applied Intelligence and Computing (pp. 508-512).
13. MathWorks. (2003-2020). Simscape Multibody Link Reference. The MathWorks Inc.
14. Okubanjo, A. A., Oyetola, O. K., Osifeko, M. O., Olaluwoye, O. O., & Alao, P. O. (2017). Modeling of 2 DOF Robot Arm and Control. Futo Journal Series (FUTOJNLS), 3(2), 80-92.
15. Sahay, N., Chattopadhyay, S., & Chowdhury, T. (2020). Simulation of Robot Arm Dynamics Using N-E Method of 2-Link Manipulator. Paper presented at Fifth International Conference on Inventive Computation Technologies, Coimbatore, India.
16. Vivekanandan, P., Vishnu, A., Narayanasamy, S. K., & Yasodharan, R. (2019). Modelling, Simulation and Control of 5 Axis Industrial Robot using MATLAB. Indian Journal of Science and Technology, 12(23), 1-7.
17. Yıldırım, G. (2021). 3 Eksenli Bir Robot Kolun Kontrol Metotlarının İncelenmesi Ve Verimlilik Analizi. (Yayımlanmamış yüksek lisans tezi). Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Isparta.
18. Zhang, D., Ma, W., & Zhang, H. (2022). Analysis and Simulation of Mechanical Arm Dynamics Model Based on Simulink. Paper presented at 2nd International Conference on Algorithms, High Performance Computing and Artificial Intelligence (AHPCAI), Guangzhou, China.