Compliance control of SHAD redundant robot

Abstract

SHAD robot, which is located in IYTE Robotics Laboratory, is designed as a 4 degrees-of-freedom manipulator which has a PRRR serial kinematic structure. The prismatic joint works along the vertical axis, and the revolute joints rotate about the vertical axis. Although the positioning task on the plane can be executed by two revolute joints, SHAD robot is designed to be kinematically redundant using three revolute joints. SHAD name is the abbreviations for SHoulder Haptic Device. The manipulator is constructed by using industrial servomotors coupled with high reduction ratio gears. Hence, this robot can only be used as a haptic device if admittance control is implemented for its control scheme. Accordingly, the aim of this study is to implement and test the admittance control algorithm on SHAD robot. However, since a human operator uses this haptic device when he/she is placed inside the workspace, certain safety precautions should be implemented. Therefore, initially, exploiting the kinematic redundancy of SHAD robot, an obstacle avoidance algorithm to move the robot’s links away from the human operator is implemented and tested in simulations and experiments. To do this; (1) SHAD’s mathematical model is derived, (2) This model is verified, and obstacle avoidance algorithm is validated by simulation tests in MATLAB/Simulink, (3) SHAD robot’s experimental setup is developed, (4) Experimental tests for obstacle avoidance are conducted. After the obstacle avoidance algorithm is implemented in the control of SHAD and proven that it works, admittance control experiments are carried out on human subjects to investigate the effects of the admittance term parameters, mass and damper, on certain performance metrics of the user. It is deduced that; (1) as the mass parameter of the admittance term is increased, accuracy of the operation is decreased while the total effort of the user is increased, (2) as the damper parameter of the admittance term is increased, both the accuracy of the operation and the total effort of the user are increased, (3) when the same corner frequency with different admittance term parameters are used, the accuracy of the operation is almost the same but total effort increases as the parameters increase.

Bu tezde SHAD (SHoulder Haptic Device) olarak adlandırılan, IYTE robotik laboratuvarında konumlandırılan 4 serbestlik derecesine sahip PRRR türde seri bir robot kullanılmıştır. Kullanılan robotun prizmatik mafsalı robotun dikey yöndeki hareketini sağlarken, döner mafsallar ise robotun yataydaki hareketini sağlamaktadır. Düzlemde konumlama iki döner mafsal ile sağlanabilirken, SHAD üç döner mafsalı ile kinematik olarak artıksıl olarak tasarlanmıştır. Robotta eklemlerdeki hareketin sağlanması için endüstriyel servo eyleyiciler ve bunlara bağlı yüksek çevrim oranlı dişli kutuları kullanılmıştır. Bundan dolayı, robotun haptik cihaz olarak kullanılabilmesi için admitans türünde bir kontrol uygulanması gerekmektedir. Buna bağlı olarak, tezin amacı admitans türünde bir kontrol algoritmasının SHAD’e uygulanması ve testlerinin gerçekleştirilmesidir. Robot haptik cihaz olarak kullanılırken, operatörün robotun çalışma uzayı içerisinde olduğundan, güvenlik önlemi uygulanmalıdır. Artıksıllıktan yararlanılan ve robotun uzuvlarının operatörden uzakta hareket etmesine dayalı oluşturulan engelden kaçınma algoritması, benzetim ortamında ve gerçek robot üzerinde uygulanmış ve testler gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla izlenen yol şu şekildedir; SHAD’in matematiksel modelinin çıkartılması, çıkartılan modelinin doğrulanması ve oluşturulan engelden kaçınma algoritmasının MATLAB/Simulink ortamında benzetim testlerinin gerçekleştirilmesi, SHAD’in test kurulumunun oluşturulması ve engelden kaçınma algoritmasının gerçek robot üzerinde deneysel testlerinin gerçekleştirilmesidir. Engelden kaçınmanın oluşturulmasından sonra, deneklerle admitans kontrol testlerine geçilmiş, testler sırasında elde edilen ölçümler aracılığıyla admitans terimi parametrelerinin (kütle ve damper) etkisi araştırılmıştır. Buradan çıkarılan sonuçlar şu şekilde olmuştur; kütle parametresi artırıldığında operasyonun hassasiyeti düşerken kullanıcının sağladığı toplam çaba artmaktadır, damper parametresi artırıldığında hem operasyonun hassasiyeti hem de kullanıcının sağladığı toplam çaba artmaktadır, aynı köşe frekansı ve farklı admitans terimi parametreleri kullanıldığında operasyonun doğruluğu hemen hemen aynı kalırken parametrelerin artışından kaynaklı toplam çaba artmaktadır.