Design of a Physical Human-Robot Interface for Lifting Operations

Abstract

In this thesis, the design of a physical human-robot interface for lifting operations which controls the vertical movement of the payload is studied. The new design uses a low stiffness type of admittance control method that is aimed at reducing the surface impact force of the payload and providing better control for the operator while having the option of high stiffness admittance control. To reduce impact forces by using low stiffness admittance control, a sliding handle mechanism is introduced into the system. This type of design includes springs and bearings to create a low stiffness admittance-type user interface. Mathematical models are developed to calculate spring forces and mechanical strength. According to design requirements and mathematical calculations, the prototype is designed and manufactured. In the tests, it is seen that the spring forces are low, and the sliding motion of the handle is not consistent over different displacements. According to the test results, revisions are done, and the final design of the system is developed. In the final tests, it is seen that the new design of the physical human-robot interface performance is improved and the problem of the sliding motion of the handle is solved. Also, the surface impact forces are reduced with low stiffness admittance control. Another improvement of the new design is the ability to control the payload with high stiffness admittance control if the user chooses it. With this option, users can control the payload by touching the payload. Having both types of control methods, the user can choose which type of control method to use to handle payload in the factory.

Bu tezde, faydalı yükün dikey hareketini kontrol eden kaldırma operasyonları için fiziksel bir insan-robot arayüzü tasarımı incelenmiştir. Yeni tasarımda, yükün yüzey darbe kuvvetini azaltmayı ve operatör için daha iyi kontrol sağlamayı amaçlayan aynı zamanda yüksek direngenlik admitans tipi kontrol yöntemi seçeneği bulunan, bir düşük direngenlik admitans tipi kontrol yöntemi kullanılmıştır. Darbe kuvvetlerini düşük direngenlik admitans kontrolü kullanarak azaltmak için sisteme kayar kol mekanizması dahil edilmiştir. Bu tasarım türü, düşük direngenlik admitans tipi bir kullanıcı arayüzü oluşturmak için yaylar ve rulmanlar içermektedir. Yay kuvvetlerini ve mekanik mukavemeti hesaplamak için matematiksel modeller geliştirilmiştir. Tasarım gereksinimlerine ve matematiksel hesaplamalara göre prototip tasarlanmış ve üretilmiştir. Testlerde, yay kuvvetlerinin düşük olduğu ve kolun kayma hareketinin farklı yer değiştirmelerde tutarlı olmadığı görülmüştür. Test sonuçlarına göre revizyonlar yapılmıştır ve sistemin nihai tasarımı geliştirilmiştir. Son testlerde, fiziksel insan-robot arayüz performansının yeni tasarımının iyileştirildiği ve kolun kayma hareketi probleminin çözüldüğü görülmektedir. Ayrıca düşük direngenlik admitans kontrolü ile yüzey darbe kuvvetleri azaltılmıştır. Yeni tasarımın bir başka iyileştirmesi, kullanıcı isterse, yüksek direngenlik admitans kontrolü ile yükü kontrol etme yeteneğidir. Bu seçenek ile, kullanıcı yüke dokunarak yükü kontrol etme imkanına sahiptir. Her iki tür kontrol yöntemine sahip olan kullanıcı, fabrikada yükü taşımak için hangi tür kontrol yöntemini kullanacağını seçebilir.