Girdi gecikmeli mobil manipülatörlerin pozisyon/kuvvet denetimi

Abstract

Mobil manipülatörlerin; manipülasyon için sabit tabanlı manipülatörlere göre daha geniş bir çalışma uzayına sahip olmaları, endüstriyel, savunma, uzay araştırmaları gibi pek çok alanda kullanımlarını yaygınlaştırmaktadır. Mobil manipülasyon sırasında platformun ve manipülatörün eş zamanlı olarak denetlenmesi gerekmektedir. Ancak mobil manipülatör dinamiğinin doğrusal olmaması, belirsizlikler, bozucu etkiler ve kısıt kuvvetleri içermesi, mobil manipülatörün girdi (giriş) zaman gecikmesine maruz kalması ve platform ile manipülatörün bağlantılı dinamiği sebebiyle eş zamanlı çalışan denetleyici tasarlamak oldukça zordur. Tez kapsamında mobil manipülatörün pozisyon ve kuvvet denetimi gerçekleştirilmektedir. Tezde dinamiği belirsizlik, bozucu etkiler, holonomik ve holonomik olmayan kısıtlar içeren mobil manipülatörün indirgenmiş durum dinamik modeli sunulmakta ve bu model hem platform ve manipülatörün eş zamanlı denetimi hem de manipülatörün yüzeye temas edip/etmediği durumlarda pozisyon/kuvvet denetimi için temel oluşturmaktadır. Literatürde mobil manipülatörün pozisyon/kuvvet denetimi için önerilen gürbüz denetleyicilerden farklı olarak; pozisyon/kuvvet takibinde daha iyi başarım sağlamak için gürbüz geri beslemeli denetleyici tasarlanmaktadır. Tasarlanan denetleyicinin gerçekçi kısıtlar altındaki başarımının gösterilmesi için Gazebo ve Matlab-Simulink ortamında benzetim gerçekleştirilmektedir. Buna ek olarak, giriş zaman gecikmesine maruz kalan mobil manipülatörlerin denetimi için var olan çalışmalarda, giriş gecikmesinin bilindiği ve sabit olduğu varsayılmaktadır. Literatürde bilinmeyen ve zamanla değişen giriş gecikmesine sahip mobil manipülatörün pozisyon/kuvvet denetimine yeterince değinilmediği göz önünde bulundurularak; tezde zaman gecikmelerinin sebep olduğu olumsuz etkilere karşı mobil manipülatör için bölgesel ve yarı-küresel pozisyon/kuvvet takibini sağlayan denetleyiciler tasarlanmaktadır. Dinamiğinde giriş zaman gecikmesi, belirsizlikler, çevresel ve modellenemeyen bozucu etkiler, holonomik/holonomik olmayan kısıtlar, kare olmayan giriş dönüşüm matrisi bulunan ve görev uzayının boyutundan fazla eyleyiciye sahip olan mobil manipülatörlerin yarı-küresel pozisyon/kuvvet yörüngelerinin takibini sağlayan özgün gürbüz geri beslemeli denetleyici tasarımının ise ilgili literatürde yapılan çalışmalara büyük katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Lyapunov tabanlı kararlılık analizi ile bölgesel/yarı-küresel ve hatanın mutlak bir sınıra yakınsadığı sonuçlar elde edilmekte olup; tasarlanan tüm denetleyiciler, hem pozisyon hem de pozisyon/kuvvet yörüngelerinin takibini başarılı bir şekilde sağlamaktadır.

Due to the fact that mobile manipulators have a more extensive workspace with respect to a fixed-base manipulator for manipulation; their use is becoming widespread in many areas such as industrial, space exploration, defense, etc. During mobile manipulation, both the platform and the manipulator need to be controlled simultaneously. Since the mobile manipulators have non-linear dynamics, uncertainties, disturbances and constraint forces, coupled dynamics between the platform and manipulator, and input delay in their dynamics, the simultaneous control design for mobile manipulator is challenging. The position/force control of the mobile manipulator is carried out within this dissertation. The reduced-order dynamic model of the mobile manipulator which has uncertainty, disturbances, holonomic and non-holonomic constraints in its dynamics is presented and this model provides the basis for both the simultaneous movement of the platform and the manipulator and the position/force control whether the end effector touches the surface or not. Unlike the proposed robust controllers in the relevant literature for position/force control for the mobile manipulator, a novel robust feedback controller is designed to provide better performance in position/force tracking. The simulation is carried out in the Gazebo with Matlab-Simulink environment to show that the designed controller operates under realistic constraints. In addition to that, in previous studies for the control of mobile manipulators, which is subjected to input time delay, the value of the input delay is assumed to be known and constant. Considering that the position/force control of the mobile manipulator with an unknown and time-varying input delay in the literature is not studied sufficiently, controllers that provides local and semi-global position/force tracking for the mobile manipulator and overcomes the disturbances caused by time delays is designed in the dissertation. The robust controller which provides semi-global tracking of position/force trajectories of the mobile manipulator; whose dynamic model has input delay, uncertain parameters, environmental and unmodelled disturbance effects, non-square input transformation matrix, both holonomic and non-holonomic constraints, redundancy; is considered as it contributes greatly to the studies in the relevant literature. Lyapunov based stability analysis is used to provide local/semi-global UUB results and designed controllers in this dissertation successfully track both the position and position/force trajectories.