Design and robot operating system based control of a modular robot manipulator

Abstract

Bu tezde yeni modüler robot manipulator tasarımı ve Robot İşletim Sistemi ile kontrolü sunulmaktadır. Modüller, farklı robot manipulator konfigürasyonları oluşturmaya izin veren ayarlanabilir büküm açılarına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Tutucu modülünün kinematik sentezi gerçekleştirilmiş ve tutucunun yapısal parametreleri belirlenmiştir. Modüllerdeki eksen takımları Denavit-Hartenberg yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. İleri ve geri yön kinematic analizleri ve tekillik analizleri gerçekleştirilmiştir. Üç serbestlik derecesinden fazla modüler robot manipülatörler için nümerik ters kinematik çözücüsü önerilmiş ve etkinliği değerlendirilmiştir.Robot manipülatörlerin kontrolü için de önemli olan robot dinamik modeli modüler robot manipülatör için oluşturmuştur. Belirlenen kinematik yapıya uygun olarak ROS ortamında modüler robot manipülatör modeli oluşturulmuş ve model, MATLAB simülasyon sonuçları ile kıyaslanarak doğrulanmıştır. Hesaplanan tork kontrolü ROS ta geliştirilmiş ve performansı tek eklem kontrolcüsünde olduğu gibi simülasyon ortamında test edilmiştir.Modüler robot manipülatörün performansını test etmek için bir deney düzeneği oluşturulmuştur. Eklem yörünge kontrolcüsü 2 serbestlik dereceli ve 3 serbestlik dereceli modular robot manipülatörler için uygulanmış ve yörünge takip performansları verilmiştir.Simülasyon modeli üzerinde ve deney düzeneği üzerinde hareket planlaması alışmaları gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen kullanıcı arayüzü sayesinde robotu manuel kontrol etme, robota nokta öğretme ve ön tanımlı komut setleri ile hareket planlaması yapma imkanı tanınmıştır.

In this thesis, a new design of the modular robot manipulator and its control with Robot Operating System is presented. The modules are designed to have an adjustable twist angle, which enables to create different robot manipulator configurations. Kinematic synthesis on the gripper module is conducted and structural parameters of the gripper is determined. Axis sets on the modules are determined by Denavit-Hartenberg method. Inverse and forward kinematic analysis and singularity analysis are performed. Numerical inverse kinematic solver is proposed for modular robot manipulators with more than 3 degrees of freedom and the effectiveness of solver is evaluated. The robot dynamic model, which is also important in the control of robot manipulators, is created for modular robot manipulator. Modular robot manipulator model is created in ROS environment in accordance with determined kinematic structure and dynamic model and the resulted model is verified by comparing it with MATLAB simulation results. Computed torque controller is developed in ROS and its performance is tested on simulation model as well as single joint controllers in ROS.In order to test the performance of modular robot manipulator an experimental rig is created. Joint trajectory controller is implemented on 2 DOF and 3 DOF modular robot manipulators and trajectory tracking performance of the controller is given.Motion planning studies are performed both on simulation model and experimental setup. By means of developed graphical user interface, it is allowed to control the robot with jog mode, teach points to the robot and plan motions with predefined command sets.