Not : Daha önce yazdığım proje yazısının birebir olmasa da çevirisi sayılabilecek bir yazı hazırladım. This is a short summary of our (me and my friend Umut Yuksekbas) graduation project. Sorry for the grammatical mistakes.

Computer & Microcontroller Based Closed Loop Robot Position Control System

Abstract : Robot systems scope out the problems fast and sensitive, don’t affected the factors which destructive of health for humans. For this reason they are needed at industrial areas. Robots are used for precise applications in a wide area such as automotive industry, medicine, nuclear power stations and biomedical. They can be used in critical applications like sensitive surgical operations. That’s commonly utilized as a mechanical arm for handicapped ones. Our project’s subjects are automatic control systems and position control of a robotic arm with the coordinates that send from computer. We intended to design a closed loop control system of a mechatronic system. Manipulator system is a multi-input multi-output (MIMO) system and each joint is fed by different input signals for position check. Dynamic model of the manipulator system is not linear and contains interactive terms between joints. We have designed a 6-degree-of-freedom robot arm and a control system. DC motors on the joints provide the movement of the manipulator. We used L298 IC which contains H-Bridges for driving the DC motors and PIC 16F877 as microcontroller. Max232 serial interface sets up the communication between computer and microcontroller. We developed the position control algorithm in MPLAB IDE by using the Hitech PICC Compiler. Microcontroller takes the analog feedback signals from the potentiometers placed on joints then convert them to digital signals by built-in ADC modules. The PI control system uses the analog signals in order to calculate the optimum PI control parameters then provides the target movement with minimum error.

SYSTEM COMPONENTS

Hardware Component

PIC 16F877-20MHz contains 8 ADC channel and 2 PWM module and L298 contains two H-Bridge in it. This driver is very robust and is able to work with 46 V source voltage and 4 A source current. In this project  15 V source voltage and 0.5 A max current are utilized.

Block Diagram

Position data which transmitted from computer come to the PIC’s serial port over the Max232 serial interface. After that, the ADC module reads and converts the analog values and transmits signals to the motor drivers for holding the arm in target position. The algorithm determines the transaction direction for decreasing the error and sends the signals. It breaks the motors when the arm is on the target position. Microcontroller checks all of the joint positions repeatedly and if it senses a deviation on the joint, brings the joint back to the target position. The algorithm changes the motor voltages directly proportional to the error

Schematics

PCB Design

A 2-layer circuit board was designed and assembled. L298 ICs can be seen on the right side of the first image. The sockets from top to bottom;

• Power
• Analog Feedbacks (From joint pots)
• Motors

PCB 1

PCB 2

Software Component

We developed the microcontroller code by using HITECH PICC in MPLAB IDE. The P.I. Control System on the microcontroller side, calculates the error by differentiating the feedback values which read from ADC module and the expected value, continuously for each joint. This error value multiplied by Kp constant. All these error values summed and multiplied by Ki constant. The control signal which derived by summing the proportional and integral control signals, limited in a desirable range.

Control Signal

This calculation repeats for each joint over and over again for providing the position control. Ziegler-Nichols method were used for designing the control system, because it was not possible to get the technical data about mechanical system for deriving the mathematical model.

Controller Design

D and I constants of PID controller let by zero and, the P constant were increased until the system oscillates. The P constant on that oscillation time called Kc and the oscillation frequency called Tc.

Oscillation

The optimum P.I. Control parameters were derived by using the Ziegler-Nichols method. The system response is below mentioned.

System Response

Graphical User Interface Design

Graphical User Interface (GUI) was developed by using QT Designer and Kdevelop Integrated Development Environment in C++ programming language. The GUI design can be seen below. QT libraries are suitable for creating platform independent code. By this way, the GUI can be compiled and run under various platforms, such as Unix, Linux, FreeBSD, MacOS and Windows.

GUI

The coordinate data transmitted over the USB bus by using a USB/Serial converter with a 57600 baud rate. Control System variables can be changed or modified with the GUI in realtime. Serial port device, baud rate and control system parameters can be selected and changed by using the GUI.

GUI Ayarlari

Conclusion

The system that we developed can do a position control in Cartesian Coordinate System. It keeps its position unless the operator will give a new coordinate, and can perform a coordinate change in a desirable time. I believe that this project is providing a useful design for industrial areas such as production and test, biomedical, security, situations that harmful for human, and academic study. The future plan for my study is making two robotic arms work together and in cooperation.

Geçtiğimiz hafta itibariyle arkadaşım Umut YÜKSEKBAŞ ile beraber tamamladığımız lisans bitirme projemizin kısa bir özetini yazmak istedim. Projemizi 16.05.2007 tarihinde sunup, 18.05.2007 tarihinde demosunu gerçekleştirmemizle birlikte, aylardır laboratuvarda yaşamamıza neden olan ömür törpümüz, sevimli mi sevimli manipülatörümüzle vedalaşma vaktimiz geldi artık. Proje raporu kitapçığını da yazdıktan sonra kendisine veda edeceğiz. Hüzünlü bir ayrılık olacak.

ÖZET
Endüstri sahalarında robot sistemlere; problemlere hızlı ve hassas çözümler getirmeleri, insan sağlığı ve güvenliğine zararlı olan pek çok faktörden etkilenmemeleri gibi sebeplerle ihtiyaç duyulmaktadır. Otomobil imal-montaj, ilaç, nükleer santraller, biyomedikal gibi alanlarda robotlar çok hassas işlerin yapımında kullanılmaktadır. Tıbbi alanda kritik ve hassasiyet gerektiren ameliyatlarda kullanılabilirler. Protez kol olarak kullanımları da yaygındır.

Projemizin çalışma konuları otomatik kontrol sistemi ve bilgisayardan gönderilen koordinatlarla robot manipülatörün konum kontrolüdür. Projemizde mekatronik bir sistemin kapalı çevrim kontrolü amaçlanmaktadır. Manipülatör sistemi, çok girişli çok çıkışlı bir sistemdir ve her eklem pozisyon denetimi için ayrı giriş sinyallerine ihtiyaç duymaktadır. Manipülatör sisteminin çeşitli yöntemlerle elde edilen dinamik modeli doğrusal değildir ve eklemlerin birbiri ile etkileşimini ifade eden bağlantılı terimler içerir. Sistemde altı serbestlik dereceli bir mekanik kol ve otomatik kontrol sistemi tasarlanmıştır. Robot manipülatörün hareketi, eklem yerlerinde bulunan DC motorlar ile sağlanır. Bu DC motorları sürmek için içinde H-Bridge (köprü) bulunan L298 entegresi ve kontrolör olarak da PIC 16F877 kullanılmıştır. Kontrolör ile PC arasındaki haberleşme Max232 seri arabirimi ile sağlanmıştır. MPLAB’ta PIC C derleyicisi kullanılarak geliştirilen algoritma ile robot manipülatörün pozisyon kontrolü sağlanmıştır. Robot manipülatörün eklemlerinden alınan analog geri besleme bilgisi PIC içerisinde bulunan ADC modülleriyle okunup, tasarlanan P.I. kontrol sistemi sayesinde istenilen konuma en az hatayla gitmesi sağlanmıştır.

SİSTEMİN BİLEŞENLERİ
Donanım Bileşeni
Projede kullanılmış olan PIC 16F877-20Mhz kontrolör içerisinde 8 adet ADC kanalı, iki adet PWM modülü bulunmaktadır. Motor sürücü entegresi olarak içerisinde iki H-Bridge (Köprü) bulunan L298 kullanılmıştır. Bu sürücüler 46 Volt kaynak gerilimine ve 4 Amper akıma kadar dayanabilmektedir. Kullanılan güç kaynağından sağladığımız gerilim değeri 15 volt olup, çekilen akım 0.5 amperi geçmemektedir. PC ‘den pozisyon bilgilerini PIC ‘e göndermek için seri arabirim olarak Max232 seri arabirimi kullanılmıştır.

Sistemin Blok Diagrami

PC ‘den gönderilen pozisyon bilgileri Max232 seri arabirim aracılığıyla PIC ‘in seri modülüne ulaşır. Robot Manipülatör eklemlerinden alınan geri besleme bilgisi PIC içerisindeki ADC modülü ile okunup, istenen analog değere yani istenen konuma gelmesi için PIC ‘in çıkışına bağlı olan L298 ‘in girişlerine sinyaller gönderilir. Geliştirilen algoritma, hatanın sıfırlanabilmesi için manipülatörün hangi yöne hareket etmesi gerektiğine karar verir ve sürücülere gerekli sinyalleri gönderir. Robot manipülatör istenilen konuma geldiğinde ise motor frenlenerek konumunu koruması sağlanır. Mikrokontrolcü ile tüm eklemlerin konumları devamlı kontrol edilir ve herhangi bir konum değişikliği algılandığında istenilen konuma tekrar gelmesi sağlanır. Algoritma aynı zamanda hatayla orantılı bir şekilde motor uçlarındaki gerilimi de değiştirerek hassas konum kontrolü sağlamaktadır.

Devre Semasi

Yazılım Bileşeni

Mikrokontrolör için geliştirilen yazılım, MPLAB ‘ta HI-TECH PICC derleyicisi ile derlenmiştir. Kontrolör tarafında gerçekleştirilen P.I. kontrol sistemi; her 6 eklem için devamlı olarak, ADC modülünden okunan geri besleme değeri ile istenen değer arasındaki farkı hesaplayarak hata değerlerini bulur. Bu hata değeri oransal Kp değeri ile çarpılır. Daha sonra hata değerlerinin integrali alınarak toplam hata bulunur ve toplam hata ile integral parametresi Ki çarpılır. Oransal ve integral kontrol sinyallerinin toplanmasıyla elde edilen kontrol sinyali belirli sınırlar içerisinde tutularak P.I. kontrol sistemi tasarlanmış olur.

Her eklem için bu hesaplama devamlı olarak yapılıp sürekli konum kontrolü gerçekleştirilir.

Robot Kol

Sistemin matematiksel modeli çıkarılamadığından tasarlanan P.I. kontrol sistemi için Ziegler-Nichols metoduna başvurulmuştur.

Controller Design

PID kontrolörün I,D katsayıları 0 yapılarak, P sistem osilasyona gidene kadar yavaş yavaş arttırılır. Sistemin osilasyona gittiği andaki P değerine Kc, osilasyon frekansına Tc denilmiştir.

Kontrol Katsayilari Tablosu

Oscillation

Ziegler-Nichols parametrelerinden yararlanılarak optimum P.I. kontrol parametreleri tespit edilmiştir ve sistemin vermiş olduğu yanıt ise aşağıda gösterilmiştir.

System Response

Grafiksel Kullanıcı Arabirimi Tasarımı
Kullanıcı arayüzü tasarımı QT designer ve Kdevelop entegre geliştirme ortamları kullanılarak C++ dilinde geliştirilmiştir. Arayüzün görünümü aşağıdaki gibidir. QT kütüphaneleri platformdan bağımsız kod üretmeyi mümkün kılmaktadır. Bu şekilde geliştirdiğimiz arayüz Unix, Linux, FreeBSD, MacOS, Windows gibi platformlarda çalışabilmektedir.

GUI

Robotun koordinatlarını belirlemek için Denavit-Hartenberg metodu kullanılmıştır. Bu metoda göre uzuvların alacağı açılar transformasyon matrisleriyle hesaplanarak açı değerleri elde edilmiştir. Bilgisayar arayüzünde hesaplanan koordinat değerleri USB veri yolu üzerinden 57600 baudrate ile mikrokontrolöre gönderilmiştir.

Forward (İleri ) Kinematics Problem
Robotik çalışmada karşılaşılan problem türlerinden biri, bilinen link dönme açı bilgileri ve robot parametreleri için robot uç nokta koordinatlarının hesaplanmasıdır. Robot hem dönme hem öteleme
hareketi yapacağından Translation (Öteleme) matris ve Rotation (dönme) matrislerinin hesaplanması gerekmektedir.

Matrisler

Bu şekilde elde edilen Transformasyon Matrisleri arayüz ile seri arabirim üzerinden kontrolcüye gönderilerek kontolün sağlanması amaçlanmaktadır. Kontrol sistemi değişkenleri istenildiği takdirde arayüzden ayarlanabilir ve sistem bu ayarlarla çalışmaya devam edebilmektedir. GUI ‘nin ayarlar kısmından seriport aygıtımızın çeşidini, hangi baudrate değeri ile haberleşileceği, kontrol sistem parametrelerini ve motor uçlarına hangi oranda gerilim uygulanacağı seçilebilir.

GUI Ayarlari

Sonuç ve Değerlendirme
Geliştirdiğimiz sistem PC ile grafik arayüzden girilen kartezyen koordinatlara göre konum kontrolü yapabilmektedir. Operatör tarafından yeni bir koordinat verilmediği sürece pozisyonunu sürekli korumakta, istenilen herhangi bir zamanda koordinat değişikliği gerçekleştirilebilmektedir. Proje
sonucunda fabrikaların tüm alanlarında kontrol ve üretim açısından, biyomedikal alanlarda yardım açısından, savunma sanayisinde güvenlik açısından, insan sağlığına zararlı durumlardan koruma açısından ve akademik uygulamalarda eğitim amaçlı kullanılması açısından çok büyük yararlar elde
edilebilecek bir tasarım ortaya çıkarılmıştır. Projenin geliştirilebilecek yönü ise tıpkı insan beyninin kollarına hükmedebildiği gibi, iki robot manipülatörünün koordineli çalışabilmesi için kontrol sistemi geliştirilebilir.

PCB

PCB