FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ

Şükrü Ünver; Erman Selim; Enver Tatlıcıoğlu; Erkan Zergeroğlu; Musa Alcı

doi:10.31796/ogummf.1264457

EN TR

ADAPTIVE CONTROL OF ROBOT MANIPULATORS DRIVEN BY BRUSHLESS DC MOTORS WITH PARAMETRIC UNCERTAINTIES IN BOTH KINEMATIC AND DYNAMIC MODEL

Öz

In this study, an adaptive task-space tracking controller design was proposed for robot arms driven by BLDC motors with parametric uncertainties in their dynamic and kinematic models. The proposed controller design incorporates actuator dynamics for the robot arm and does not require inverse kinematics calculations at the position level due to its direct implementation in task space. Lyapunov-based stability analysis was conducted for the developed full-state feedback controller structure, which does not require acceleration measurements. The stability analysis results demonstrate that, despite the parametric uncertainties in both the dynamic and kinematic models of the robot arm, the proposed controller guarantees the asymptotic stability of the task-space tracking error, as well as the boundedness of all signals used in the system, including the controller inputs. To demonstrate the performance and applicability of the proposed method, a simulation study was conducted using the dynamic model of a two degree-of-freedom robot arm driven by brushless DC motors, working in a plane.

Anahtar Kelimeler

Adaptive control, Robotic manipulators, Task space, Nonlinear control, BLDC motors

FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ

Öz

Çalışmamız kapsamında, eklemleri fırçasız doğru akım (DA) motorları kullanılarak sürülen ve hem dinamik hem de kinematik modelinde parametrik belirsizlikler içeren robot kolları için, eyleyici dinamikleri denetleyici tasarımına dahil edilerek uyarlamalı görev uzayı takip denetleyicisi tasarımı gerçekleştirilmiştir. Denetleyici tasarımının doğrudan görev uzayında gerçekleştirilmesi sayesinde pozisyon seviyesinde ters kinematiğin hesaplanmasına ihtiyaç duyulmamaktadır. Geliştirilen tam durum geri beslemeli ve ivme ölçümlerine ihtiyaç duymayan denetleyici yapısı için Lyapunov tabanlı kararlılık analizi gerçekleştirilmiştir. Kararlılık analizinin sonucuna göre robot kolunun hem dinamik hem de kinematik modelindeki parametrik belirsizliklere rağmen görev uzayı takip hatasının asimptotik kararlılığı ve denetleyici girişleri de dahil olmak üzere sistemde kullanılan tüm işaretlerin sınırlılığı garanti edilmiştir. Ek olarak önerilen yöntemin performansını ve uygulanabilirliğini göstermek amacıyla düzlemde çalışan, iki serbestlik dereceli ve eklemleri fırçasız DA motorları ile sürülen robot kolunun dinamik modeli kullanılarak benzetim çalışması gerçekleştirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Uyarlamalı denetim, Robot kolları, Görev uzayı, Doğrusal olmayan kontrol, Fırçasız DA motorları

Destekleyen Kurum

TUBUTAK-1001

Proje Numarası

121E383

Teşekkür

Bu çalışmada sunulan araştırmaya verdiği destekten ötürü Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu’na (TÜBİTAK) teşekkür ederiz (proje numarası: 121E383). Ayrıca Yazar 1, 2211-C programı kapsamında desteklendiği için TÜBİTAK’a ve YÖK 100/2000 projesi kapsamında desteklendiği için Yükseköğretim Kurulu’na teşekkür eder.

Kaynakça

Albostan, A ve Gökbulut, M. (1998). Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Yapay Sinir Ağları ile Öz-Uyarlamalı Denetimi. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 11(1). Erişim adresi: https://dergipark.org.tr/en/pub/ogummf/issue/30463/329417
Bayrak, A. (2017). Sliding Mode Based Self-Tuning PID Controller for Second Order Systems. Süleyman Demirel University Journal of Natural and Applied Sciences, 21(3), 876-872. doi: https://doi.org/10.19113/sdufbed.07565
Braganza, D., Dixon, W, E., Dawson, D.M. ve Xian, B. (2008). Tracking Control for Robot Manipulators with Kinematic and Dynamic Uncertainty. International Journal of Robotics and Automation, 23(2). doi: 10.2316/Journal.206.2008.2.206-3102
Braganza, D., Dixon, W, E., Dawson, D.M. ve Xian, B. (2005). Tracking Control for Robot Manipulators with Kinematic and Dynamic Uncertainty. IEEE Conference on Decision and Control, 5293-5297. doi: 10.1109/CDC.2005.1583003
Bridges, M.M., Dawson, D.M. ve Gao, X. (1993). Adaptive control of rigid-link electrically-driven robots. IEEE Conference on Decision and Control, 159-165. doi: 10.1109/CDC.1993.325171
Bridges, M.M. ve Dawson, D.M. (1994). Adaptive control of rigid-link electrically-driven robots actuated with brushless DC motors. IEEE Conference on Decision and Control, 1284-1289. doi: 10.1109/CDC.1994.411145
Carrillo-Serrano, R.V., Hernández-Guzmán, V.M. ve Santibáñez, V. (2011). PD control with feedforward compensation for rigid robots actuated by brushless DC motors. Robotica, 29(4), 507–514. doi: https://doi.org/10.1017/S0263574710000329
Cheah, C.C. (2003). Task-space regulation of robots with approximate actuator model. Robotica, 21(1), 95–104. doi: https://doi.org/10.1017/S026357470200440X
Chen, Z., Yang, X. Ve Liu, X. (2019). RBFNN-based nonsingular fast terminal sliding mode control for robotic manipulator including actuator dynamics. Neurocomputing, 362, 72-82. doi: https://doi.org/10.1016/j.neucom.2019.06.083
Chwa, D. ve Kwon, H. (2022). Nonlinear Robust Control of Unknown Robot Manipulator Systems with Actuators and Disturbances Using System Identification and Integral Sliding Mode Disturbance Observer. IEEE Access, 10, 35410-35421. doi: 10.1109/ACCESS.2022.3163306

Çetin, K. (2016). Artık eklemli robot kollarının kontrolü ve telerobotik uygulamaları. (Doktora tezi), İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, İzmir, Türkiye.
Dawson, D.M., Bridges, M.M. ve Qu, Z. (1995). Nonlinear control of robotic systems for environmental waste and restoration. Prentice-Hall Inc.
Deng, W., Zhou, H., Zhou, J ve Yao, J. (2023). Neural network-based adaptive asymptotic prescribed performance tracking control of hydraulic manipulators. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 53(1), 285-295. doi: 10.1109/TSMC.2022.3178626
Dixon, W. E. (2007). Adaptive Regulation of Amplitude Limited Robot Manipulators with Uncertain Kinematics and Dynamics. IEEE Transactions on Automatic Control, 52(3), 488-493. doi: 10.1109/TAC.2006.890321
Doğan, K.M. (2016). Telerobotik uygulamalarda robot kollarının öğrenmeli denetimi. (Yüksek lisans tezi), İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü, İzmir, Türkiye.
Good, M.C., Sweet, L.M. ve Strobel, K.L. (1985). Dynamic Models for Control System Design of Integrated Robot and Drive Systems. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 107(1), 53-59. doi: https://doi.org/10.1115/1.3140707
Izadbakhsh, A. ve Khorashadizadeh, S. (2017). Robust Task-Space Control of Robot Manipulator Using Differential Equations for Uncertainty Estimation. Robotica, 35(1), 1923-1938. doi: https://doi.org/10.1017/S0263574716000588
Jhan, Z.Y. ve Lee, C.H. (2017). Adaptive Impedance Force Controller Design for Robot Manipulator including Actuator Dynamics. International Journal of Fuzzy Systems, 19(1), 1739-1749. doi: https://doi.org/10.1007/s40815-017-0358-2
Karamancıoğlu, A. ve Özdemir, C. (1996). A Tutorial On The Singular Value Decomposition. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 9(1). Erişim adresi: https://dergipark.org.tr/tr/pub/ogummf/issue/30406/328445
Keighobadi, J., Xu, B., Alfi A., Arabkoohsar A. ve Nazmara, G. (2022). Compound FAT-based prespecified performance learning control of robotic manipulators with actuator dynamics. ISA Transactions. doi: https://doi.org/10.1016/j.isatra.2022.04.027Get rights and content
Khalil, HK. (1996). Nonlinear Systems. Prentice-Hall Inc.
Kokotovic, P.V. (1992). The joy of feedback: nonlinear and adaptive. IEEE Control Systems Magazine, 12(3), 7–17. doi: 10.1109/37.165507
Lewis, F.L., Dawson, D.M. ve Abdallah, C.T. (2003). Robot manipulator control: theory and practice. CRC Press.
Liu, C. ve Cheah, C.C. (2005). Task-space adaptive setpoint control for robots with uncertain kinematics and actuator model. IEEE Transactions on Automatic Control, 50(11),1854-1860. doi: 10.1109/TAC.2005.858664
Liu, C., Cheah, C.C. ve Slotine, J.J. (2006). Adaptive Jacobian PID Regulation for Robots with Uncertain Kinematics and Actuator Model. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 3044-3049. doi: 10.1109/IROS.2006.282242
Marquez, H.J. (2003). Nonlinear control systems: analysis and design. John Wiley & Sons Inc.
Nakanishi, J., Cory, R., Mistry, M., Peters, J. ve Schaal, S. (2008). Operational space control: A theoretical and empirical comparison. The International Journal of Robotics Research, 27(6), 737–757. doi: https://doi.org/10.1177/0278364908091
Parlaktuna, O. ve Eroğlu, E. (2007). Gezgin Robotlarda Ultrasonik Mesafe Algılayıcılarla Robot Davranışlarının Kontrolü ve Çevre Haritalama. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 20(2). Erişim adresi: https://dergipark.org.tr/tr/pub/ogummf/issue/30184/325706
Patil, O.S., Sun, R., Bhasin, S. ve Dixon, W,E. (2022). Adaptive Control of Time-Varying Parameter Systems with Asymptotic Tracking. IEEE Transactions on Automatic Control, 67(9), 4809-4815. doi: https://doi.org/10.1109/TAC.2022.3161388
Peng, J., Ding, S ve Dubay, R. (2020). Adaptive Impedance Control Based on Neural Network for Electrically-Driven Robotic Systems. IEEE International Systems Conference, 1-6, doi: https://doi.org/10.1109/SysCon47679.2020.9275847
Saleki, A. ve Fateh, M.M. (2020). Model-free control of electrically driven robot manipulators using an extended state observer. Computers and Electrical Engineering, 87. Erişim adresi: https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2020.106768Get rights and content
Shojaei, K., Kazemy, A. ve Chatraei, A. (2021). An Observer-Based Neural Adaptive PID^2 Controller for Robot Manipulators Including Motor Dynamics with a Prescribed Performance. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 26(3), 1689-1699. doi: 10.1109/TMECH.2020.3028968
Si, W., Zhao, L., Wei, J. ve Guan, Z. (2021). Task-space regulation of rigid-link electrically-driven robots with uncertain kinematics using neural networks. Measurement and Control, 54(1-2), 102-115. doi: https://doi.org/10.1177/0020294020983383
Siciliano, B., Khatib, O. ve Kröger, T. (2008). Springer handbook of robotics, Springer.
Soltanpour, M.R., Khalilpour, J. ve Soltani, M. (2012). Robust nonlinear control of robot manipulator with uncertainties in kinematics, dynamics and actuator models. International Journal of Innovative Computing, Information and Control, 8(8), 5487–5498. Erişim adresi: http://www.ijicic.org/ijicic-11-04101.pdf
Şahan, G. (2021). Relaxations of Conditions of Lyapunov Functions. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 25(2), 238 - 244. doi: https://doi.org/10.19113/sdufenbed.808371
Tarn, T.J., Bejczy, A.K., Yun, X. ve Li, Z. (1991). Effect of motor dynamics on nonlinear feedback robot arm control. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 7(1), 114-122. doi: 10.1109/70.68075
Tatlıcıoğlu, E., McIntyre, M., Dawson, D.M. ve Walker, I. (2005). Adaptive Nonlinear Tracking Control of Kinematically Redundant Robot Manipulators with Sub-Task Extensions. IEEE Conference on Decision and Control, 4373-4378. doi: 10.1109/CDC.2005.1582850
Wai, R.J. ve Muthusamy, R. (2014). Design of Fuzzy-Neural-Network-Inherited Backstepping Control for Robot Manipulator Including Actuator Dynamics. IEEE Transactions on Fuzzy Systems, 22(4), 709-722. doi: 10.1109/TFUZZ.2013.2270010
Xiao, B., Yin, S. ve Kaynak, O. (2016). Tracking Control of Robotic Manipulators with Uncertain Kinematics and Dynamics. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 63(10), 6439-6449. doi: 10.1109/TIE.2016.2569068
Yayan, U. ve Erdoğmuş, A.K. (2022). Development of a fault injectıon tool & dataset for verification of camera based perception in robotic systems. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 30(3), 328-339. Erişim adresi: https://dergipark.org.tr/tr/pub/ogummf/issue/74024/1054761
Yazıcı, A. Ve Karamancıoğlu, A. (2008). A Nonlinear Programming Approach For The Swing-Up Control Problem. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 21(2), 109 - 124. Erişim adresi: https://dergipark.org.tr/en/pub/ogummf/issue/30163/325536
Yılmaz, B.M., Tatlıcıoğlu, E., Savran, A. ve Alcı, M. (2022). Self-Adjusting Fuzzy Logic Based Control of Robot Manipulators in Task Space. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 69(2), 1620-1629. doi: 10.1109/TIE.2021.3063970
Zergeroğlu, E., Kandemir, I., Seker, M. Ve Eroğlu, E. (2006). Dealing with uncertainty in dynamical systems: Lyapunov-based approaches. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 21(3), 587-602. Erişim adresi: https://dergipark.org.tr/en/pub/gazimmfd/issue/6669/88847
Zhou, B., Yang, L., Wang, C., Chen, Y. ve Chen, K. (2020). Inverse Jacobian adaptive tracking control of robot manipulators with kinematik, dynamic and actuator uncertainities. Complexity. doi: https://doi.org/10.1155/2020/5070354
Xu, L., Hu, Q. ve Zhang, Y. (2017). L_2 performance control of robot manipulators with kinematics, dynamics and actuator uncertainties. International Journal of Robust and Nonlinear Control, 27(2), 875–893. doi: https://doi.org/10.1002/rnc.3604

Ayrıntılar

Birincil Dil

Türkçe

Konular

Elektrik Mühendisliği

Bölüm

Araştırma Makalesi

Yazarlar

Şükrü Ünver
0000-0002-0836-9799
Türkiye

Erman Selim ^*
0000-0003-4479-0406
Türkiye

Enver Tatlıcıoğlu
0000-0001-5623-9975
Türkiye

Erkan Zergeroğlu
0000-0002-1211-0448
Türkiye

Musa Alcı
0000-0002-5382-3460
Türkiye

Erken Görünüm Tarihi

16 Aralık 2023

Yayımlanma Tarihi

16 Aralık 2023

Gönderilme Tarihi

15 Mart 2023

Kabul Tarihi

14 Eylül 2023

Yayımlandığı Sayı

Yıl 2023 Cilt: 31 Sayı: 3

DOI

https://doi.org/10.31796/ogummf.1264457

IZ

https://izlik.org/JA58PU86KR

APA

Ünver, Ş., Selim, E., Tatlıcıoğlu, E., Zergeroğlu, E., & Alcı, M. (2023). FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 31(3), 834-847. https://doi.org/10.31796/ogummf.1264457

AMA

1.Ünver Ş, Selim E, Tatlıcıoğlu E, Zergeroğlu E, Alcı M. FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ. ESOGÜ Müh Mim Fak Derg. 2023;31(3):834-847. doi:10.31796/ogummf.1264457

Chicago

Ünver, Şükrü, Erman Selim, Enver Tatlıcıoğlu, Erkan Zergeroğlu, ve Musa Alcı. 2023. “FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ”. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi 31 (3): 834-47. https://doi.org/10.31796/ogummf.1264457.

EndNote

Ünver Ş, Selim E, Tatlıcıoğlu E, Zergeroğlu E, Alcı M (01 Aralık 2023) FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi 31 3 834–847.

IEEE

[1]Ş. Ünver, E. Selim, E. Tatlıcıoğlu, E. Zergeroğlu, ve M. Alcı, “FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ”, ESOGÜ Müh Mim Fak Derg, c. 31, sy 3, ss. 834–847, Ara. 2023, doi: 10.31796/ogummf.1264457.

ISNAD

Ünver, Şükrü - Selim, Erman - Tatlıcıoğlu, Enver - Zergeroğlu, Erkan - Alcı, Musa. “FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ”. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi 31/3 (01 Aralık 2023): 834-847. https://doi.org/10.31796/ogummf.1264457.

JAMA

1.Ünver Ş, Selim E, Tatlıcıoğlu E, Zergeroğlu E, Alcı M. FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ. ESOGÜ Müh Mim Fak Derg. 2023;31:834–847.

MLA

Ünver, Şükrü, vd. “FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ”. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, c. 31, sy 3, Aralık 2023, ss. 834-47, doi:10.31796/ogummf.1264457.

Vancouver

1.Şükrü Ünver, Erman Selim, Enver Tatlıcıoğlu, Erkan Zergeroğlu, Musa Alcı. FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ. ESOGÜ Müh Mim Fak Derg. 01 Aralık 2023;31(3):834-47. doi:10.31796/ogummf.1264457

ADAPTIVE CONTROL OF ROBOT MANIPULATORS DRIVEN BY BRUSHLESS DC MOTORS WITH PARAMETRIC UNCERTAINTIES IN BOTH KINEMATIC AND DYNAMIC MODEL

Öz

Anahtar Kelimeler

FIRÇASIZ DA MOTORLARI İLE SÜRÜLEN VE HEM DİNAMİK HEM DE KİNEMATİK MODEL BELİRSİZLİKLERİ İÇEREN ROBOT KOLLARININ UYARLAMALI DENETİMİ

Öz

Anahtar Kelimeler

Destekleyen Kurum

Proje Numarası

Teşekkür

Kaynakça

Ayrıntılar

Birincil Dil

Konular

Bölüm

Yazarlar

Erken Görünüm Tarihi

Yayımlanma Tarihi

Gönderilme Tarihi

Kabul Tarihi

Yayımlandığı Sayı

DOI

IZ

Kaynak Göster