Üç Serbestlik Dereceli Bir Manipülatörün Sayısal Analizi, Simülasyonu ve Prototip Uygulaması

Bu çalışmada, üç serbestlik derecesine sahip bir robot kolunun mekanik tasarımı gerçekleştirilmiş; kinematik ve dinamik analizleri yapılarak sistemin fiziksel üretimi ve kontrolü uygulanmıştır. Çalışmanın temel amacı, istenen hareket kabiliyetlerini sağlayabilen, kompakt ve üretilebilir bir robot kolu tasarlamak ve elde edilen teorik analiz sonuçlarını sayısal, simülasyon ve deneysel yöntemlerle doğrulamaktır. Robot kolunun mekanik tasarımı SolidWorks yazılımı kullanılarak yapılmış, parça ve montaj modelleri oluşturulmuştur. Tasarlanan sistemin yapısal ve dinamik davranışları ANSYS yazılımı yardımıyla incelenmiş; eklemler ve bağlantı elemanları üzerindeki gerilme, yer değiştirme ve hareket karakteristikleri analiz edilmiştir. Robot koluna ait ileri ve geri kinematik denklemleri ile dinamik model, sembolik ve sayısal hesaplamalar yapmaya olanak sağlayan Mathematica ortamında oluşturulmuş ve analiz edilmiştir. Geliştirilen robot kolunun fiziksel prototipi üç boyutlu yazıcı kullanılarak üretilmiş ve montaj işlemleri tamamlanmıştır. Robot kolunun hareket kontrolü Arduino tabanlı bir kontrol sistemi ile sağlanmış; motor sürme işlemleri ve eklem hareketleri programlanmıştır. Yapılan analizler, simülasyonlar ve deneysel çalışmaların karşılaştırılması sonucunda, tasarlanan sistemin hedeflenen hareket kabiliyetlerini sağladığı ve mekanik tasarımın doğrulandığı görülmüştür. Bu çalışma, eğitim amaçlı ve hafif endüstriyel uygulamalarda kullanılabilecek robot kolu tasarımları için temel bir yaklaşım sunmaktadır.

In this study, the mechanical design of a robotic arm with three degrees of freedom was carried out; kinematic and dynamic analyses were performed, and the physical production and control of the system were implemented. The main objective of the study is to design a compact and manufacturable robotic arm capable of providing the desired motion capabilities and to validate the theoretical analysis results obtained using numerical, simulation, and experimental methods. The mechanical design of the robotic arm was performed using SolidWorks software, and part and assembly models were created. The structural and dynamic behaviors of the designed system were investigated using ANSYS software; stress, displacement, and motion characteristics on the joints and connecting elements were analyzed. The forward and inverse kinematic equations and dynamic model of the robotic arm were created and analyzed in the Mathematica environment, which enables symbolic and numerical calculations. The physical prototype of the developed robotic arm was produced using a 3D printer, and the assembly process has been completed. The motion control of the robotic arm was provided by an Arduino-based control system; motor driving operations and joint movements were programmed. As a result of comparing the analyses, simulations, and experimental studies, it was observed that the designed system provided the targeted motion capabilities and that the mechanical design was validated. This study presents a fundamental approach for robotic arm designs that can be used for educational purposes and light industrial applications.