Reconfigurable modular snake robot locomotion via learning based hybrid motion control system architecture
Öğrenme temelli melez hareket kontrol sistem mimarisi ile yeniden yapılandırılabilir modüler yılan robot hareket kabiliyeti
- Tez No: 763452
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER MORGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Mekatronik Mühendisliği, Nöroloji, Engineering Sciences, Mechatronics Engineering, Neurology
- Anahtar Kelimeler: Böcek robot, Denetim sistemleri, Hareket denetimi, PID denetleme, Robotlar, Snake robot, Control systems, Motion control, PID control, Robots
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yılan robotlar, gürbüzlükleri ve çok yönlü operasyon kabiliyetleri sayesinde bilhassa belirsiz, kaotik ortamlara ve öngörülemeyen senaryolara yönelik kayda değer avantajlar sunmaktadırlar. Birbirinden farklı karakteristikte gerçekleyebildikleri hareket kontrol kabiliyetlerine ek olarak, minimum gereklerden fazlasını barındıran mimarileri sayesinde olası hatalara ve arızalara karşı dirençli şekilde operasyon gösterme kapasitesine sahiptirler. Elektromekanik mimarileri açısından yılan robotların sunmakta olduğu söz konusu üstünlüklere rağmen komplike ve çok yönlü hareket karakteristikleri dolayısıyla hareket kontrolü güncel zamana değin süregelen bir problem olarak ortaya çıkmaktadır. Bu noktayı ele almak üzere, yılan robot lokomasyonuna yönelik matematiksel analizler temel alınarak minimum gerekler belirlenmiştir. Belirlenen gerekler temelinde yeniden yapılandırılabilir modüler bir yılan robot tasarımı ve ilgili tasarıma yönelik temel elektromekanik mimarinin, tahrik bileşenlerinin ve sürtünme kuvvetinin modelleme işlemleri gerçeklenmiştir. Pekiştirmeli öğrenme temelli algoritmalar ve komut şekillendirme, kazanç planlama bileşenlerini barındıran katmanlı PID kontrolcü tasarımı ile bir hibrit hareket kontrol sistem mimarisi sunulmaktadır. Bu kapsamda, iki boyuttaki sofistike yılan hareket karakteristikleri pekiştirmeli öğrenme temelli algoritmalar ile elde edilirken, üst seviye planlama algoritmaları ve katmanlı PID kontrolcü mimarisi ile hareket kabiliyeti üç boyutlu uzaya taşınmıştır. Gerçekleştirilen incelemeler kapsamında farklı pekiştirmeli öğrenme algoritmalarına dair kıyaslamalar, ödül fonksiyonunu oluşturan bileşenlerin hareket karakteristikleri üzerine bireysel etkileri, farklı sayıda modüler bileşenden oluşan yılan robotların hareket karakteristikleri, arızalı bileşenler içeren robotların hata toleranslı eğitimleri ve üç boyutta olası operasyon senaryoları ele alınmaktadır. Ek olarak, bütüncül bir bakış açısı ile, ilgili robotun elektromekanik mimarisinin fiziki olarak gerçeklenmesine, kendiliğinden birleşme mekanizmalarının mekanik tasarım detaylarına, eğitim sürecine ve izlencesine ve farklı işlevler özelinde konfigüre edilmiş işbirlikçi robot sürülerine yönelik öğrenme temelli çoklu robot senaryolarına yönelik gelecek güzergahlar çizilmiştir.
Özet (Çeviri)
Snake robots propose significant advantages especially for indeterminate, chaotic environments through their robustness and versatility against unforeseen conditions and scenarios. In addition to distinct locomotion characteristics of snake robots, their redundant structure provides also fault tolerant operation capacity. However, sophisticated and versatile locomotion characteristics and redundant body structure also bring difficulty for dynamic modelling and motion control of snake robots and, for this reason, generation of snake locomotion patterns have been an ongoing challenge. To address this point; a reconfigurable, modular snake robot is designed and modelled with fundamental electromechanical structure, joint and actuation subsystem and contact force modellings based on minimal requirements which are determined by presented mathematical analysis for snake locomotion. A hybrid motion control system architecture which is constituted with state-of-the-art reinforcement learning based algorithms and a cascaded PID controller which comprises command shaper and gain scheduling components is presented. While reinforcement learning based algorithms which indicate promising potential for generation of sophisticated behaviours are employed for generation of 2D snake gait patterns with corresponding reward function terms, locomotion capabilities are expanded to 3D space with the proposed cascaded PID architecture and possible high level planners. Various experimentations that cover comparison of different reinforcement learning algorithms, individual effects of specified reward function terms, locomotion of snakes which are composed by different number of modules, fault tolerant locomotion trainings for defective snake robots and realization of 3D operation scenarios are investigated. In this content, from a holistic perspective, future directions are drawn for potential physical realization of the electro-mechanical structure, mechanical design details for self-assembly mechanisms, further improvements of the training process and curriculum, and learning based multi-robot scenarios which cover swarms of differently configured snakes to realize collaborative tasks.
Benzer Tezler
- Hierarchical and modular control of reconfigurable manufacturing systems
Yeniden ayarlanabilir üretim sistemlerinin hiyerarşik ve modüler kontrolü
ÖVÜL ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KLAUS VERNER SCHMİDT
- Self- reconfigurable modular exoskeleton
Kendi kendine şekillenebilen dış iskelet robotları
ÇAĞRI ALTINTAŞI
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDAN MÜŞERREF ERKMEN
- Modular reconfigurable robot module design, construction and control
Modüler yeniden yapılandırılabilir robot modülü tasarımı, üretimi ve kontrolü
ALİ KILIÇ
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiGaziantep ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADETTİN KAPUCU
- Centra-modular and reconfigurable battery management system design for lithium-ion battery packs
Lityum iyon batarya paketleri için merkezi-modüler ve yapılandırılabilir batarya yönetim sistemi tasarımı
EKREM CILIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DOĞU ÇAĞDAŞ ATİLLA
- Dynamic stability analysis of modular, self-reconfigurable robotic systems
Modüler, kendiliğinden şekil değiştirebilen robotik sistemlerin dinamik denge analizi
TEVFİK ALİ BÖKE
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REŞİT SOYLU