Inverse Kinematic Analysis of a 5DOF Gantry Type Welding Robot

Abstract

In this study, a gantry type welding robot having three prismatic and two rotational joints was used. By creating the kinematic diagram of this robot in Cartesian space its inverse kinematic equations were obtained. Denavit Hartenberg rules defining the movement of one-link relative to another, were applied in drawing the kinematic diagram. The D-H method provides great easiness in forward and inverse kinematics calculations. With this method, the D-H parameters table to be used in kinematic calculations was created and inverse kinematic equations were obtained. Using inverse kinematic equations, the known position and orientation of the robot's end effector and the parameters of the position and orientation of each link were obtained. All these kinematic calculations were performed with a user interface software (GUI) prepared in Microsoft Visual Studio C# program. In this software, Mach3 program was also used as an assistant to control the motors with the position and orientation information obtained for each motor. In this way, a smooth welding application in the desired position and orientation is aimed.

Keywords

• Homogeneous transformation matrix
• Kinematic diagram
• Inverse kinematic
• Denavit-Hartenberg (D-H) convention.

Inverse Kinematic Analysis of a 5 DOF Gantry Type Welding Robot

Abstract

Bu çalışmada, üç adet prizmatik ve iki adet döner ekleme sahip gantry tipi bir kaynak robotu kullanılmıştır. Bu robotun Kartezyen uzayında kinematik diyagramı oluşturularak ters kinematik denklemleri elde edilmiştir. Kinematik diyagramın çizilmesinde bir uzvun diğerine göre hareketini tanımlayan Denavit Hartenberg kuralları uygulanmıştır. D-H yöntemi, ileri ve ters kinematik hesaplamalarında oldukça kolaylık sağlamaktadır. Bu yöntem ile kinematik hesaplamalarda kullanılacak olan D-H parametreleri tablosu oluşturulmuş ve ters kinematik denklemler elde edilmiştir. Ters kinematik denklemler kullanılarak robotun uç efektörünün bilinen konum ve yönelimi ile her bir uzvun konum ve yönelimine ait parametreler elde edilmiştir. Tüm bu kinematik hesaplamalar Microsoft Visual Studio C# programında hazırlanan bir kullanıcı arayüz yazılımı (GUI) ile gerçekleştirildi. Bu yazılımda ayrıca her bir motora ait elde edilen konum ve yönelim bilgileri ile motorların kontrolünü yapabilmek için yardımcı olarak Mach3 programı kullanılmıştır. Bu sayede istenilen konum ve yönelimde düzgün bir kaynak uygulaması hedeflenmiştir.

Keywords

• Homojen dönüşüm matrisi
• Kinematik diyagram
• Ters kinematik
• Denavit-Hartenberg (D-H) yöntemi.

References

1. Karakoyun, E., Çakan, A., & Kalyoncu, M. İki serbestlik dereceli bir robot kolun konum kontrolü için PID kontrol parametrelerinin arı algoritması (AA) kullanılarak belirlenmesi. Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi. 2022;24(1): 111-124.
2. Altawil, B., & Can, F. C. Design and Analysis of a Four DoF Robotic Arm with Two Grippers Used in Agricultural Operations. International Journal of Applied Mathematics Electronics and Computers. 2023; 11(2): 79-87.
3. Sağlamer, E. Çoğul Robotlarda Hareket Koordinasyonunun Kuaternionlar ile Kinematik Olarak Modellenmesi ve Çözümü [Yüksek lisans Tezi]. İstanbul: İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü; 2008.
4. Koç, S., & Şani, İ. Yapısal ve Kuvvet Analizi ile Doğrusal Tahrikli 3 Eksenli Endüstriyel Robotun Avantajlarının Belirlenmesi. Avrupa Teknik Dergisi. 2023; (EJT), 13(2): 174-183. https://doi.org/10.36222/ejt.1230193
5. Kütük, M. E., Daş, M. T., & Dülger, L. C. Forward and Inverse Kinematics Analysis of Denso Robot. In Proceedings of The International Symposium of Mechanism and Machine Science, 2017. Baku Azerbaijan: pp. 71-78.
6. Küçük, S., & Bingül, Z. Robot Sistemlerinde Kinematik Yöntemlerin Karşılaştırılması. Politeknik Dergisi. 2004; 7(2): 107-117.
7. Kucuk, S., ve Bingul, Z. Robot kinematics: Forward and Inverse Kinematics. INTECH Open Access Publisher. 2006; pp. 117-148).
8. Türker, K. S. Endüstride Kaynak Robotları (Proseslerin İncelenmesi ve Geliştirilmesi) [Yüksek lisans Tezi]. İstanbul: Gedik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü; 2015.

9. Tonbul, T., & Sarıtaş, M. Beş Eksenli Bir Edubot Robot Kolunda Ters Kinematik Hesaplamalar ve Yörünge Planlamasi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2013; 18(1).
10. Kebria, P. M., Al-Wais, S., Abdi, H., & Nahavandi. Kinematic and dynamic modelling of UR5 manipulator. In 2016 IEEE İnternational Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2016. Budapest, Hungary: pp. 004229-004234.
11. Kaya, Z., Aksoy, B., & Özsoy, K. Eklemeli İmalat Yöntemiyle Üretilen Altı Eksenli Robot Kol ile Görüntü İşleme ve Yapay Zeka Tabanlı Ürünlerin Tasniflemesi. Journal of Materials and Mechatronics. 2023; A, 4(1): 193-210.
12. Duran, M. A., & Ankaralı, A. Üç serbestlik dereceli Puma tipi bir manipülatörün PID kontrolü. Selcuk University Journal of Engineering Sciences. 2010; 9(1): 79-98. https://sujes.selcuk.edu.tr/sujes/article/view/125/604
13. Eberly, D. Euler Angle Formulas, Geometric Tools. Redmond WA 98052. USA:2020. https://www.geometrictools.com/Documentation/EulerAngles.pdf
14. De Luca . A. Robotics 1-Position and orientation of rigid bodies. Sapienza University. Rome: 2020. https://homes.cs.washington.edu/~todorov/courses/cseP590/05_Kinematics.pdf
15. Bingül, Z. ve Küçük, S. Robot Tekniği. Birsen Yayınevi, İstanbul: 2005.
16. Abut, T., Soygüder, S., ve Alli, H. Bir Yılansı Robotun Dinamik Analizi ve Kontrolü. 16. Ulusal Makina Teorisi Sempozyumu, Atatürk Üniversitesi, 2013. Erzurum. http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.1316.8080
17. Garip, Z. Seri Robot Manipülatöründe Ters Kinematik Problemi Çözmek İçin Kaotik Tabanlı Çiçek Tozlaşma Algoritmasının Uygulanması. Journal of the Institute of Science and Technology. 2022; 12(1): 80-90.
18. Dereli, S., & Köker, R. 7-DOF Seri Robotun ters kinematik çözümünde eğitme amaçlı kullanılan çok katmanlı yapay sinir ağının tasarlanması ve sonuçların analizi. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi. 2017; 6(1): 60-71.
19. Hocaoğlu, G. S., Çavli, N., & Benli, E. Altı Serbestlik Dereceli Robot Manipülatörün Ters Kinematik Analizi Için Gko Ve Çdde Algoritmalarının Karşılaştırmalı Analizi. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi. 2024; 26(78): 449-457.
20. Ertugrul, S., Kaya, O., Turkmen, D., Eraslan, H., Taglioglu, G. B., & Gulec, M. O. Humanoid robot arm design, simulation, kinesthetic learning, impedance control and suggestions. Journal of the Faculty of Engıneerıng And Archıtecture of Gazı Unıversıty. 2022.
21. Duymazlar, O. 6 serbestlik dereceli seri robot kolunun ters kinematik analizi için hızlı algoritma geliştirilmesi ve uygulaması Yüksek lisans Tezi]. İzmir: İzmir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü; 2020.
22. Noreils, F. R. Inverse kinematics for a Humanoid Robot: a mix between closed form and geometric solutions. 2017; 1-31.
23. Dikmenli, S. Ofset ve küresel bilekli 6 serbestlik dereceli robotların ileri ve ters kinematik çözümü. Avrasya Bilim Mühendislik ve Teknoloji Dergisi. 2022; 3 (1): 14-28.
24. Filiposka, M., Djuric, A. M., & ElMaraghy, W. Kinematic analysis of a 6 dof gantry machine. 2015; SAE Technical Paper.