Macro-micro robotic manipulation: a laser cutting case study

Abstract

Bu tez, robotik bilimi kapsamında, özel bir kinematik fazlalık türü olan makromikro manipülasyon için uygun metodolojinin araştırılması ve tasarlanmasınaodaklanmaktadır. Kısaca, makro-mikro manipülasyon, makro ve mikro ölçekte çalışan vebelirgin avantajlara sahip kinematik olarak farklı iki mekanizmadan oluşur. Bu tezinamacı, makro-mikro manipülasyon konsepti için kinematik fazlalığı kullanarak en uygunhareket planlama ve kontrol algoritmasını sunmaktır. Endüstriyel uygulama çalışması gözönüne alınarak, hareket planlama algoritmaları dahil olmak üzere denetleyici tasarımlarıgeliştirilmiştir. Ek olarak, makro-mikro manipülasyon için genel bir çerçeve denetleyicisigeliştirilmiştir. Önerilen yöntemler için endüstriyel kurulum ve simülasyon doğrulamalarıile deneyler yapılmıştır. Sayısal sonuç ve deneylerle, bir lazer kesme makinesinin görevtamamlama süresinin, makro-mikro manipülasyon ile hızlanma yeteneğini artırarak,azaltıldığı kanıtlanmıştır. Önerilen metodolojiler belirli bir durum için uygulanmaklabirlikte, metodolojinin çok yönlülüğü dikkate alınarak, diğer sistemler için dekullanılabilir.Bu araştırmanın temel yeniliği makro ve mikro ölçekli iki tip manipülasyonunbirleşik kullanımı ile maksimum verimliliği sağlayacak metodolojilerin sunumudur.Yapılan çalışmaların bir sonucu olarak, makro-mikro manipülasyon konseptinikullanarak daha yüksek ivmelere ulaşabilen Türkiye makina endüstrisinde ilk, dünyadaise üçüncü lazer kesim makinası uygulaması geliştirilmiştir.

This dissertation focuses on investigation and devising of proper methodology toutilize a special type of kinematic redundancy, namely macro–micro manipulation, in thescope of robotic science. Briefly, macro-micro manipulation is comprised of twokinematically different mechanisms that have distinct characteristics, which work onmacro and micro-scale. Aim of this dissertation is to present the most convenient motionplanning and control algorithm to resolve kinematic redundancy for macro-micromanipulation concept. Controller designs, including the motion planning algorithms aredevised taking into account the selected industrial case study. Additionally, a generalframework controller is developed for macro-micro manipulation. Experiments withindustrial setup and simulation verifications are done for the proposed methodologies. Itis proven with simulation test results and experiments that the task completion durationfor a laser cutting machine is reduced by enhancing the acceleration capability with themacro-micro manipulation. Although the proposed methodologies are implemented for aspecific case, it can also be used for other systems considering the versatility of theproposed methodology.The core novelty of this research is the introduction of methodologies in order toachieve the maximum efficiency for the combined use of macro and micro-scaledmanipulators. As an outcome of this study, a redundant laser cutting machine that canmove with higher accelerations by making use of macro-micro manipulation is developedas a first of its kind in the Turkish machine industry and third of its kind in the world.