Comparative evaluation of fuzzy control schemes in robotic applications

Abstract

V KISA ÖZET Bu tezde iki eklemli ve üç eklemli artık robot kollan için Bulanık Denetim yordamları, diğer denetim yöntemleriyle karşılaştırılmaktadır. İncelenen denetim yöntemleri şunlardır. Öz- Düzenleyici Bulanık Denetim; Doğrusal Olmayan Durum Geri Beslemeli Bulanık Denetim; Genelleştirilmiş Öngörülü Denetim; Hesaplanmış Moment Denetimi ve Doğrudan Uyarlamalı Denetim. Lagrange Yöntemi ile önce üç eklemli artık robot kolunun modeli türetilir. Sonra, Öz- Düzenleyici Bulanık Denetim için fark büyüklüklerden oluşan model matrisleri bulunup, bunlar başlangıçta sıfır olan bulanık denetim tablolarının öğelerini saptamak için kullanılır. Bu sürecin birçok kez yinelenmesi, bu denetim türünün ana fikrini oluşturur. Doğrusal Olmayan Durum Geri Beslemeli Bulanık Denetimde, önce-robot kolunun modelini basitleştirmek üzere durum değişkenlerinin doğrusal olmayan geri beslenmesi ve peşinden yeni modelin denetlenmesi amacıyla süreç hakkında öznesel yenilenme bilgilerine dayalı olarak türetilen bulanık denetim tablolarının kullanılması gerekir. Genelleştirilmiş Öngörülü Denetimde her eklem için bir CARIMA modeli varsayılmakta ve öngörülen çıktılar oluşturulmaktadır. Sonra, gelecekteki hataların ve denetim girdilerinin karesel bir fonksiyonu en küçültülmektedir. Hesaplanmış Moment Denetiminde, denetim kuralı, eklemlerin uyarı sinyallerini, modele ve izleme hatalarına göre hesaplar. Doğrudan Uyarlamalı Denetimde, kartezyen kordinatlarda izafi kuvvet vektörü elde edildikten sonra Jacobian matrisi ile eklem momentleri çıkarılır. Benzetim algoritmaları IBM PC/MS DOS işletim ortamında `Fortran 77` diliyle geliştirilmiştir.

iv ABSTRACT In this thesis, Fuzzy Control schemes are compared with other control methods for a two joint manipulator and for a three joint redundant manipulator. The control methods which are investigated can be stated as follows: Self-Organizing Fuzzy Control (SOC); Fuzzy Control with Nonlinear State Feedback (Fuzzy-NSF); Generalized Predictive Control (GPC); Computed Torque Control (CTC) and Direct Adaptive Control (DAC). First, the model of the three joint redundant manipulator is derived by Lagrange Method. Then, for Self-Organizing Fuzzy Control incremental model matrices are obtained and used to determine the entries of the fuzzy look-up tables which are initiallly zero. Repeating this process several times, constitutes the main idea of SOC. In Fuzzy Control with NSF, nonlinear state feedback is applied in order to simplify the model of the robotic manipulator. Then, the fuzzy look up tables which are derived using the subjective innovation about the process, are used in order to control the new model. In Generalized Predictive Control, a CARIMA (Controlled Auto-Regressive and Integrated Moving Average) model is assumed for each joint and a set of predicted outputs is generated. Then, a quadratic function of the future errors and controls is minimized. In Computed Torque Control, the control law calculates a vector of joint actuator signals by partitioning the control Into a model based portion and a servo portion. In Direct Adaptive Control, a virtual force vector is obtained in cartesian coordinates and then the joint torques are calculated using the Jacobian matrix. The simulation algorithms are developed on IBM PC/MS DOS environment using `Fortran-77` programming language.