Macro-micro robotic manipulation: A laser cutting case study

Abstract

This dissertation focuses on investigation and devising of proper methodology to utilize a special type of kinematic redundancy, namely macro–micro manipulation, in the scope of robotic science. Briefly, macro-micro manipulation is comprised of two kinematically different mechanisms that have distinct characteristics, which work on macro and micro-scale. Aim of this dissertation is to present the most convenient motion planning and control algorithm to resolve kinematic redundancy for macro-micro manipulation concept. Controller designs, including the motion planning algorithms are devised taking into account the selected industrial case study. Additionally, a general framework controller is developed for macro-micro manipulation. Experiments with industrial setup and simulation verifications are done for the proposed methodologies. It is proven with simulation test results and experiments that the task completion duration for a laser cutting machine is reduced by enhancing the acceleration capability with the macro-micro manipulation. Although the proposed methodologies are implemented for a specific case, it can also be used for other systems considering the versatility of the proposed methodology. The core novelty of this research is the introduction of methodologies in order to achieve the maximum efficiency for the combined use of macro and micro-scaled manipulators. As an outcome of this study, a redundant laser cutting machine that can move with higher accelerations by making use of macro-micro manipulation is developed as a first of its kind in the Turkish machine industry and third of its kind in the world.

Bu tez, robotik bilimi kapsamında, özel bir kinematik fazlalık türü olan makromikro manipülasyon için uygun metodolojinin araştırılması ve tasarlanmasına odaklanmaktadır. Kısaca, makro-mikro manipülasyon, makro ve mikro ölçekte çalışan ve belirgin avantajlara sahip kinematik olarak farklı iki mekanizmadan oluşur. Bu tezin amacı, makro-mikro manipülasyon konsepti için kinematik fazlalığı kullanarak en uygun hareket planlama ve kontrol algoritmasını sunmaktır. Endüstriyel uygulama çalışması göz önüne alınarak, hareket planlama algoritmaları dahil olmak üzere denetleyici tasarımları geliştirilmiştir. Ek olarak, makro-mikro manipülasyon için genel bir çerçeve denetleyicisi geliştirilmiştir. Önerilen yöntemler için endüstriyel kurulum ve simülasyon doğrulamaları ile deneyler yapılmıştır. Sayısal sonuç ve deneylerle, bir lazer kesme makinesinin görev tamamlama süresinin, makro-mikro manipülasyon ile hızlanma yeteneğini artırarak, azaltıldığı kanıtlanmıştır. Önerilen metodolojiler belirli bir durum için uygulanmakla birlikte, metodolojinin çok yönlülüğü dikkate alınarak, diğer sistemler için de kullanılabilir. Bu araştırmanın temel yeniliği makro ve mikro ölçekli iki tip manipülasyonun birleşik kullanımı ile maksimum verimliliği sağlayacak metodolojilerin sunumudur. Yapılan çalışmaların bir sonucu olarak, makro-mikro manipülasyon konseptini kullanarak daha yüksek ivmelere ulaşabilen Türkiye makina endüstrisinde ilk, dünyada ise üçüncü lazer kesim makinası uygulaması geliştirilmiştir.