ROBOTİK UFUKLAR

»oç.Dr. Aydan ERKMEN (*)

Ç ağımızın üretim gerekleri, hız, kalite standardizasyon ve has sasiyete dayanır. Birkaç yıl ön cesinin katı mekanik otomasyo nu yerini bilgisayar ağırlıklı es lek otomasyona bıraktı. Bilgisayar ontrollu otomatik üretim çerçevesi ;inde bu tür üretim gereklerini karşıla nak üzere geliştirilen ve giderek oto nasyon mozayiğinde vazgeçilmez îlemanlar haline gelen robotlar üretim istemlerinin doğrusal olmayan, çok ;erbesti dereceli özelliklerini vurgular ar. Bu vurguların araştırılma ve uygu ama alanlarını hangi yönlere doğrulttuklarını analiz et neden önce, robot sistemlerinin kaynaklarını ve geliş nelerini kısaca gözden geçirelim.

TOBOT NEDİR ?

îilimsel çevrelerin yaygın olarak kabul ettiği, Robot Ins itute of America'nın tanımına göre, "değişik görevler ;erçevesi içinde, çeşitli hareketler için programlanmış nalzeme, endüstriyel parça ve özel amaçlı aletleri hare cet ettirmek için tasarımı yapılmış tekrar programlanabilir ;ok fonksiyonlu manipülatör" robottur. Bir başka deyişle, obot, harici duyargaçlarla donatılmış değişik montaj gö evlerini yapan genel maksatlı, tekrar programlanabilir nanipulatördür. Robotlar duyargaçlardan gelen sinyalle e göre kontrollü olarak hareket ederler. Robot sistemleri, doğrusal olmayan çok serbesti dereceli sistemler olup, amaçları da genelde kompleksdirler; dolayışı ile robot <ontrol teknikleri robot hareketlerinde ana öneme sahip :irler; bu yazımızda robot kontrolünü ayrı bir bölümde in ;eleyeceğiz.

Robotiks, robotların temel organizasyon ve çalışmalarını nceleme alanıdır. Bu alanda araştırmalar beş anadalda <ümeleşmişlerdir:

(*) Orta Doğu Teknik Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü

manipülatör tasarımı, kinetiği, dinami ği ve uzaktan kontrolü duyargaçlar programlama dilleri sistem mimarisi

Robotlar eklemlerine göre sınıflandırılır lar. Bunlardan en yaygım şekil ta'da görülendöner eklemli robot kollarıdır. Şekil 1b de ise yaygın kullanımda ikinci sırada bulunan prizmatik eklemli robot kolundan bir örnek verimiştir. Robot kolunu oluşturan seri bağlantılar zinci rinin bir ucu taşıyıcı bir baza oturur. Öbür ucu ise cisimleri istenilen görevlere göre tutup ha reket ettiren robot kıskacı veya robot eli bağlıdır (Şekil 2). Mekanik olarak robot, manipülatör, kol bilek ve elden oluşur ve tasarımı çalışma hacmindeki bir cisme ulaşabi lecek şekilde yapılmıştır. Rol kesimi genellikle üç serbesti derecesi olan birkonfigürasyondur. Bilekte de üç serbesti derecesi vardır: Bunlar yukarı aşağı, sağ sol ve dönme hareketleridir.

Eklemlerde seri olarak bağlı eğilmeyen parçalardan olu şan robot kollar hareket karakteristiklerine ve geometrile rine göre dört sınıfa ayrılırlar (Şekil 3):

Karteziyen koordinatlı (üç doğrusal eksen): ABM RS 1 robot Olivetti Sigma robot

Silindir koordinatlı (iki doğrusal bir dönme ekseni): PrabVerstan 600 robot

Küresel koordinatlı (bir doğrusal iki dönme ekseni): Uni matıon Inc. Unımate 2000 B

Dönme veya artikülasyonlu koordinat (üç dönme ekse ni): Cincinnati Milacron T3 Unimation Inc. PUMA

Robot kollarının başlıca kullanım alanları arasında imalat ve montaj işleri ve özellikle kaynak, sprey boyama, yük lü :. yük boşaltma gibi ölçü hassasiyeti gerektiren işler bu a. nur Diğer kullanım alanları insan için zor şartlar bes leyen ortamlardır, Örnek olarak uzay, su altı işleri ve pro tez araştırma ve uygulamalarını verebiliriz, insanlar için tehlikeli ortamlarda ise robotlar büyük önem taşırlar: ra

dioaktif malzeme ile çalışmada, nükleer santrallarda sı zıntı durdurmada, yangın söndürmede ve yer altı maden işlerinde

Döner Eklem

Düzlemsel

Silindirik Küresel

"Master slave" sistemlerinin sınırları, araştırmaları, dışarı dan yönlendirme beklemeyen, otonom ve saatlerce tek rar edilecek işleri yapabilen mekanizmaların tasarımları konularına yönelttiler. Bunun sonucu, Unımation Inc. 1959'da ilk ticari amaçlı endüstriyel robotunu PUMA se risinin başlangıcı olarak gerçekleştirdi.

Bilgisayar kullanımının yaygınlaştırması ile 1961 yılında MIT'da Ernst ile bilgisayar kontrollü mekanik el MH !'İ gerçekleştirdi. Dokunma duyargaçları ile tuttuğu blokları hissederek üst üste dizme işleminde uygulandı. Bu sis temin gelişmesi ile ANL Model 8 adlı altı serbesti dereceli ve 18 bitlik PX 0 bilgisayar kontrollü manipülatör yapıldı.

Bir yıl sonra Tomovic ve Beni basınç duyargaçlı prototip robot el gerçekleştirdiler. Bu el. motoruna geri beslenen bir sinyalle önceden programlanmış iki el biçiminden biri nin şeklini alıyordu.

Paralel olarak, Case Instıtute of Technology'de Resvvıck ve Mayer kuadruplejiklerde uygulanan bilgisayar kontrol lü ve bir operatör tarafından denetlenen manipülatör yaptılar. Bu tarihlerde Stanford Artificial Intelligence La boratory (SAIL)'de duyargaç olarak TV kameraları ve mikrofonlarla donatılmış bir robot kol yapıldı. Konuşularak verilen mesajları tanıma ve kamera ile tesbit edilen ci simleri tanıma yöntemleri içeren sistem, bu işlemin sonu cu olarak komutlara ve cisimlere göre görevini yerine getirmeye çalışıyordu.

Robot kolunun kinematik problemleri ancak 1968'de Pıe per'in çalışmalarında incelendi. Aynı yılda, bang bang, minimuma yakın zaman kontrollü bir robot kolunun dina miği ve kontrolü kahn roth tarafından incelendi.

Şekil 1:

TARİHE GÖZ ATINCA

İkinci dünya savaşı sonrası nükleer enerj> araştırmaların da araştırmacıların emniyetleri için radyoaktif maddeleri ile çalışmalarda mekanik kollar geliştirildi. 1947 de Ar gonne ulusal laboratuvarları insan el hareketlerini taklit eden genel maksatlı uzaktan kumandalı kol projesini başlattı. Sonuç "Master slave" uzaktan kumandalı meka nik kol sisteminin ilk tasarımı ve uygulaması oldu. Bu sis tem bir insan tarafından fiziksel olarak yönlendirilen "master" robot kolunun hareketini "slave" robotunun en yakın derecede kopya etme çalışması idi. Bu sistem ucuz karmaşık işler için çok uygundu ancak konum olarak "master" ve "slave"in yakın olma koşulu, her iki robotun yük taşıma kapasitelerinin sınırlı olması ve sisteminin kullanıcı gücüne bağlı olması ve kullanıcının hiçbir geri besleme ile kuvveti hissetmemesi bu tür sistemlerin ge lişmesini yavaşlattı ve çalışmalar geri beslemeli sistemler üzerinde yoğunlaştı.

1950'lerde geçmiş yılların, esnekliği az, sınırlı sistemler oluşturan mekanik aksam yerini elektrikli (General Elect ric Handyman) ve hidrolik (General Mili Minotaur I) ak samlarına bıraktı. Bu "master slave" kollar sualtında ve protezlerde kullanılmaya başladı.

Şekil 2: CESAR araştırma manipülatörü

28 378 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

k l I K I I K I N vtja X V /. koordiıullı

"Robot sistemleri, |ı doğrusal olmayan birbirine bağımlı çok değişkenli sistemlerdir ve bu sistemlerin kontrolü, bağunhhk parametreleri gibi sistem veya ortam bügi parametrelerinin değişimlerine adaptif olmak zorundadır."

Ktıri'sol koordinath

Donnu \e\a \rtikul;iM»nlıı Kourdiııal

Şekil 3: ÇEŞİTLİ robot kolu kategorileri

1970 yılları harici duyargaç tasarım alanında araştırmala rın yılları olarak sınıflandırılabilir. 1972'de, Stanford'da, Paul Bolles, kuvvet geri beslemesi ve kamerası bulunan Stanford kolunu, PDP 10 bilgisayar kontrolü ile araba su pompası montajında kullandı.

1974'lerde Draper Laboratuvalarında Nevis VVitney ve arkadaşları dış etkenlere uyumluluk (compliance) konu sunu ele aldılar. Bu arada, Bejczy, uzay araştırmaları için bilgisayarlı buru kontrol tekniğini Stanford kolu için geliş tirdi.

1980 yılları otonominin artışı ve duyargaçların integres yonu ile karakterize edilebilirler. Araştırma konuları, du yargaçlarından alınan sinyallere göre' robot sisteminin karar alma ve hareket etme amacına yönelik yoğunlaştı rıldı.

GÜNÜMÜZÜN ROBOT KONTROLÜNÜN ÖZELLİKLERİ

Robotiks problemleri mühendislik, bilgisayar ve matema tiksel psikoloji kökenlidirler. Robot kontrol konusunun matematik içeriği birçok bilim alanının amalgamından oluşur. Robot kontrolü, hareket kontrolundaki doğrusal olmayan problemleri, yörünge planlaması, işlem geo metrisi ve bilgi işlem olanaklarının optimal kullanımını içerir.

Robot hareketinin ana teması kinematik zincirdir. Motor larla sürülen bu zincir çalışma alanında herhangi bir yön de herhangi bir konuma gelebilir. Bu da en az altı eklem serbestisine karşılık altı motorla yerine getirilir. Sonuç olarak kontrol probleminin özünde karmaşık ve doğrusal olmama özellikleri bulunur. Bu karmaşıklığa örnek olarak ters kinematik problemini verebiliriz: Genellikle ve doğal

olarak robot yörüngeleri doğrusal verilmekle birlikte kontrol edilen değişkenler açısal değerlerdir. Üç boyutlu hareket uzayından üçten çok boyutlu açısal durum uza yına ters kinematik işlemi bilgisayarlı kontrol sisteminin olanaklarını cebirsel geometri açısından zorlayan komp leks bir problemdir.

Duyargaç bağımlı robot kontrolü, görüş ve/veya dokunma duyargaç geri beslemeli hareket kontrolüdür. Kontrolcu lara robotikste en meydan okuyan problemlerden biride bilgisayarlı görüş ve amaçlı hareket kontrolünün besle mesi ile bir robot elinin cisme doğru doğrultularak bu cis mi robot el ile tutma işleminin özüdür. Burada görüntü yorumuna göre kapalı döngü esasi ile esas zamanda ro bot elin yörüngesi kontrol sistemi tarafından otomatik olarak saptanır.

Robot kontrolü, ortamı algılamaya dayalı olduğu gibi amacada yöneliktir. Hareket amacının modellenmesi ise amaç alt,kümelerinin zamanlaması, kararsız eksik ve/ veya çatışan bilgi modelleri, amaç örüntüleri tasarımı gibi hala oturmamış aktif araştırma alanlarını kapsamaktadır. Elastikiyet kontrolü (compliance) bazı hassasiyet gerek tiren nazik robot işlemlerinin en önemli unsuru olur. Robot eli ile cisim tutuşunun elastikiyetini ve istikrarını muhafaza ederek cisme zarar vermeden ve cismi düşürmeden ge reken işlemi yerine getirmesi henüz çözülmüş bir kontrol problemi değildir ve ortamın değişkenliği varyasyonel te ori ile modellenerek kontrol metoduna entegrasyonu amaçlanır.

Robot sistemleri, doğrusal olmayan birbirine bağımlı çok değişkenli sistemlerdir ve bu sistemlerin kontrolü, ba ğımlılık parametreleri gibi sistem veya ortam bilgi para metrelerinin değişimlerine adaptif olmak zorundadır. Ro

18i) s

bot kontrol sistemleri mikro işlemci uygulamalı olup or tam, yük, amaç ve robot sistem parametre değişimlerine uyum gösterecek biçimde tasarlanırlar ve bu değişimler dekı kararsızlıklar probleme stokastik bir boyut kazandı

ESNEK AMAÇLI ROBOTLAR: Y ENİ KULLANIM ALANLARI

Genelde sanayi robotları katı otomasyonun bir parçası olarak görev alırlar. Bu robotlar, önceden programlanmı şolup değişmeyen kesin yapıdaki (well structured) or tamlara uygundurlar. Ortamın veya amacın en ufak deği şimi sistemin yeniden tasarımını gerektirir. Günümüzde yaygınlaşan esnek otomasyon sistemleri ise programla ma değişiklikleri ile ortamın veya amacın değişimlerine uyum sağlarlar. Burada ortam yine kesin yapıdadır ve değişimler deterministik veya istatistiksel olarak ön görü lebilir kabul edilirler. Esnek amaçlı robot sistemleri bu tür otomasyonun yapı taşlarından olduğu gibi akıllı otomas yonunda önemli elemanlarıdır. Akıllı otomasyon sistemleri kompleks dinamik ve kesin yapıda olmayan ortamlarda işlev görürler. Bu tür otomasyonun elemanları robotlar, ortam hakkında ön bilgi olmaksızın beklenmedik deği şimlere uymaları gerekir.

Böyle ortamlarda bulunan uygulama alanlarından örnek vermek gerekirse: 1) uzayda, deniz altında, nükleer santrallarda veya kimyasal kontaminasyona uğramış or tamlarda donatım bakım ve tamir işleri; 2) montaj işlem lerinin hızlı rekonfigürasyonu gerektiren akıllı imalat sis temleri; 3) tıbbi uygulamalar: teşhis ameliyatları, protez veya felçli hastalar için akıllı tekerlekli sandalye gibi yar dımcı robotlar; 4) katı otomasyona elverişli olmayan tarım, madencilik veya inşaat alanları.

Robotlarda amaç esnekliği ortam gereği olmasının yanı sıra, çok robot kollu sistemlerde ya da çok parmaklı robot ellerdeki koordinasyonun, seri ve paralel işlem esaslarına dayalı hücresel robot ağlarının işlemlerine, çok duyar gaçtan elde edilen örüntü entegrasyonunun ana gereği dir.

30 378 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

DOKSANLI Y ILLARDA ROBOT KONTROLÜ

Robot sistemlerinin akıllı kontrolleri nümerik kontrolün yanı sıra meta seviyede sembolik kontrolünü da gerektirir. Her iki tür kontrolün entegrasyonu ise deterministik, sko kastik, nümerik ve sembolik dinamik problemlerinin en tegrasyonuna dayalıdır. Bu problemlerin çözümleri, ağır lıklı olarak bilgisayar (data structures) ve dağıtılmış para lel işlem mimarilerinin geliştirilmesine bağlıdır. Bu yönde günümüzde araştırmalar yapay sinir ağları ile akıllı robot kontrol tasarımları üzerinde yoğunlaşmıştır.

Adaptif, kendini düzenleyen (self organizing) ve akıllı kontrol temalarının önemleri gittikçe atıyor. Otomatik adaptasyon günümüzde sınırlı kalmıştır. Gelecekte adaptif kontrol teorisi ile doğrusal olmayan dinamik sis tem teorisi kuvvetli etkileşim içinde olacaktır.

Ayrıca, akıllı robot kontrol sistemlerinde dinamik geri besleme döngüsü içinde nümerik, sembolik ve optik bil gilerin entegrasyonu aşılması gereken bir engel olarak beliriyor. Sayısal olay sistemleri ve örüntü entegrasyon modelleri bunu hedefleyen çeşitli çalışma alanlarından iki önemli ama robotikste uygulamaları ender olan örnek oluşturuyor.

BİLİM UFKUNDA ROBOT KONTROL

Geleceğin akıllı kontrol üniteleri, neyin kontrol edileceği ne, hangi kontrol stratejilerinin kontrol ortamının ne tür değişimleri altında kullanılacağına karar verebilecek şe kilde gelişecekleri ön görülebilir.

Bunun yanı sıra, geleceğin "akıllı robotları kontrol strate jilerini saptamada değişik soyutluluk seviyelerini (dere celerini) göz önünde tutacaklardır. Bu tür sistemlerde, yüksek seviye kumandaların yerine getirilmesi, klasik kontrol sinyalleri yerine sembol dizgeleri sonucu olacak tır.

Bu analize göre, çağımız, kontrol teorisi, yapay zeka, problem kavramcılığı, kuramcılığı ve bilgisayar biliminin amalgamı olan bir kontrol alanı gelişecek diyebiliriz. Bu teorik alan, modellerin yapısal gösterimini değişik soyut luluk derecelerinde inceleyip geliştirecek. Ayrıca bu alan, bilgisayar teknolojisinin aşamalarına bağlı olarak, öğren me, adaptasyon ve organizasyon konularına matematik sel değişiklikler getirecektir.