Robot Nedir ? Robot Bilimine Giriş Robot Sistemleri Hakkında İlk Bilgi

1. Giriş

Hayatı daha kolay yaşamak amacıyla çevresindeki nesnelerden yararlanan insanlık, şimdilerde adına robot dediği makinelerle üretimini, yaşantısını oldukça kolaylaştırmış durumda. Teknoloji ile birlikte gelişen robot sektörü kesinlikle gelecekte insanlığın kendisini soyutlayamayacağı bir birikim olacağını ispatlamıştır. Hayatımızın vazgeçilmezleri arasına girecek/alacağımız bu kavramın anlaşılması şüphesiz çok önemli. Biz mi onları kullanacağız onlar mı bizi gibi felsefi tartışmalara girmeyen sadece temel konulara ait bu çalışmada 2. Bölümde robotun doğumu, tanımı, robotu neyin robot yaptığı, otomasyon kavramı, robotların sınıflandırılma çeşitleri ve birkaç robot örneği anlatılmıştır. 3. Bölümde ise kontrol kavramı,robot kontrolleri ve kontrol çeşitleri sunulmuştur. Robotların çevreyle etkileşimini sağlayan sensörler ve algılama kavramı ise 4. Bölümde anlatılmıştır. 5. Bölümde hareket mekanizmaları ve servo motorların çalışma prensipleri sunulmuştur. 6. bölümde bir örnek robot tasarımıyla anlatılanlar somutlaştırılmış ve son bölümde çalışma özetlenmiştir.

2. Robot Nedir?

Akıllı robot çevresinden bilgi alabilen ve bu bilgiyi anlamlı bir amaç için kullanabilen makineye denir. Bir robot sistemi fiziksel olarak vardır. Bilgisayar programlarından farklı olarak ona elimizle dokunabiliriz. O çevresini sürekli algılar ve çevresine tepkide bulunur.

2.1 Bir Robotu Hangi Özellikleri Robot Yapar?

Her robotun tanımı gereği temel 3 özelliği vardır.

1-İşlem yapma yetisi : Bir işlemi yerine getirebilmelidir yoksa robot olmaz sadece bir madde olur.

2-İşlemin sonucunu belirleme yetisi : İşlemi yaptıktan sonra mutlak olarak işlemin sonucunu belirlemelidir ki işlem tam olarak yapılmış olsun.

3-Karar verme yetisi : İşlemin sonucuna göre yada dış etkenlere göre mutlaka bir yargı kurabilmelidir.

2.2 Robot Kavramının Doğuşu

Medeniyet, en devrimci sınıf olan burjuvazinin oluşturduğu kölelik düzeni sayesinde bugünkü olağanüstü seviyeye ulaşmıştır. Bir köle tükettiğinden fazlasını üretmek zorundadır. Amerika da şeker kamışı toplayan zenci köleler sahiplerini milyarlarca dolar kazandırırken kendileri açlıktan, sağlıksız ortamlardan ölmüşlerdir. Bu çirkin olaylar Amerika iç savaşı ve ardından dünya çapında kölelik düzeninin sona ermesiyle çalışan ihtiyacı duyan işverenler eskisi gibi ucuza isçi bulamamakta, bulduklarıyla da istediği kadar verim alamamaktaydı. Çünkü artık zorlama yoktu, çalışma hakları ve sendikalar vardı. İşte bu kötü durumdan insanları işten çıkarıp yerlerine birkaç insanın işini yaptırabilecekleri mekanizmalar aramaya başlandı. Ve o günden günümüze dek teknolojiyle bağlantılı olarak robot kavramı değişti ve gelişti.

2.3 Robot Kavramının Tarihteki Gelişimi

Ortaçağda suyun kinetik ve potansiyel enerjisinden faydalanılarak makineler yapılmaya başlandı. 17. Yüzyıldan itibaren mekanik harikası makineler ortaya çıkmaya başladı. Bunlara örnek olarak 1805 yılında Londra’da Henri Meillardet tarafından yapılan yazı yazabilen ve resim yapabilen makine verilebilir.

Dünya literatüründe ilk defa "Robot" kelimesi 1917 yılında Karel Capek’in kısa hikayesi olan Opilec’de geçmiştir. Fakat asil kavram olarak robot anlayışını 1921 yılında yine ayni yazarın Rossum’s Universal Robots (R.U.R.) adli tiyatro eserinde ortaya atılmıştır. Eserde robotlar Rossum ve oğlunun topluma hizmet için oluşturduğu insan görünüşlü yaratıklardı. Robot kelime olarak ise Çek dilinden gelmektedir. Ağır, sıkıcı, angarya iş manasındadır.

Dünyada ilk olarak robotlarla ilgilenen bilim dalına "Robotic" ifadesini kullanan kişi Issac Asimov’dur. Issac Asimov göre robot kavramında insanlığın geleceği için üç önemli kuram vardır: (Daha sonradan 0. Kuramı eklemiştir)

0.kuram: Robotlar asla insan olgusuna zarar vermemelidir. 
1.kuram: Robotlar asla insanlığa zarar vermemelidir. Diğer aşağıdaki kuramlar tarafından aksi iddia edilemez.
2.kuram: Robotlar insanoğlundan aldığı emirleri yerine getirmelidir. Diğer aşağıdaki kuramlar tarafından aksi iddia edilemez.
3.kuram: Robotlar kendi varlıklarını diğer kuramları bozmadan ellerinden geldikçe korumalıdırlar.

90’lı yıllara gelindiğinde robotlar artık çok çeşitli alanlarda, özellikle insanların rahatlıkla yapamayacağı işleri kusursuz yaparak insanlığın yaşam sürecinde yerlerini aldılar. Bugün artık insan oğlunun inemediği derin sularda araştırma yapabilen, hiçbir mola vermeden yıllarca çalışabilen montaj robotları, cerrahların hata yapmasını engelleyen hatta cerrahlık mesleğini ortadan kaldıracak kadar iddialı olan ameliyat robotları, insan kolunun yerine takılabilen yapay kol, robot köpek ‘Aibo’ sanırım bu gelişmelere en iyi örneklerdir. [1]

2.4 Otomasyon Kavramı ve Robotların İşe Alınışı

İlk olarak tarihte otomasyon kavramı Henry Ford la birlikte başlamıştır. Henry Ford 1800’lü yıllarda Ford araba fabrikasını kurup işletirken aldığı araba siparişlerini karşılayamıyordu. O da en kısa sürede montajı nasıl tamamlayacağını düşünürken iki seçeneği göz önünde bulundurmuş.

a) Fabrikayı büyüterek daha çok işçi ve daha çok tezgah almak.

b) Tezgahları bir şekilde hızlandırarak bir tezgahı iki veya daha çok tezgah gibi çalıştırabilmek.

Bu iki kavramdan birincisinde üretim kesinlikle artacaktı ama kurulması ve de çalışması fabrikaya çok daha fazla iş getirecekti. Bunun için Ford tezgahları üretim sırasına dizdi ve bir hareketli bant ile tezgahlar arasında bağlantıyı kurdu. İşte o günden sonra Ford firmasının üretimi katlanarak büyüdü. O günler için yeterli görülen bu kavram birkaç sene sonra yetmemeye başladı. Çünkü insanlar yürüyen bantlara yetişemiyor, hata yapıyor, ürünlerde yüzde ellilere varan hatalı üretimlere dönüşmeye başlıyordu. Ürünlerin fiyatı artıyor ve maliyetin üç katını aşan fiyatlara satılıyordu. Ama bir gün, bir Japon bilim adamı microchip denen küçültülmüş elektronik kompleks parçayı yapınca isler biraz değişti artık üretimde 24 saat çalışabilecek maaş istemeyen, hata yapmayan, hasta olmayan, greve gitmeyen mükemmel işçi gelmişti, robotlar gelmişti. Bu olgunun yararları olarak üretim artışı, üretim maliyetinin düşmesi, kalite artışı, tehlikeli ortamlarda çalışabilme, yönetim ve denetim kolaylığı, tümleşik sistem organizasyonu, iş esnekliği ve uzu
n ömür sayılabilir.

2.5 Robotların Sınıflandırılmaları

Çeşitli sınıflandırma çeşitleri vardır. Aşağıda çeşitleri ve bu gruplara giren robotlar gösterilmiştir.

Robotların yapısal çeşitleri:

Kartezyen Robotlar: X,Y,Z koordinat düzleminde her kol bir öncekine göre dik açıyla kayar. Dikdörtgen şekline bir çalışma alanları vardır.

Silindirik Robotlar: Çalışma alanları silindiriktir. Kolun bir bölümü dikey, diğer bölümü ise yatay hareket eder.

Polar Robotlar: Kol taban etrafında dönebilir. Kolun bir parçası içeri dışarı öteleme hareketi yapabilir. Bir bölümünde aşağı yukarı dönebilir.

Revolüt Robotlar: Dönel veya küresel eklemler sahiptir. Taban eklemine bağlı olan kol taban etrafında döner ve diğer iki kısmı taşır. Dönel eklemler yatay ve dikey olarak birleştirilmiştir. Yarım küre şeklinde bir çalışma alanları vardır.

Diğer sınıflama şekillerine göre:

Güç kaynağının yapısına göre (Hidrolik, Elektriksel vb.)

Hareketli – Sabit robotlar.

Yeteneklerine göre (Ardışıl kontrollü robotlar, adaptif, zeki, tekrarlayan vb. )

Kontrol Yöntemlerine göre (Noktadan noktaya, Sürekli yörüngeli, Kontrollü yörünge izleyen vb.)

3 Robot Kontrolü

Robotların kontrolünden önce kontrol kavramını açıklayalım.

3.1 Kontrol Nedir?

Kontrol edilen nesnenin hangi durumda ne yapacağına, ne tepki göstereceğine karar verme işine kontrol etme diyoruz. Mühendislik açısından bakıldığında bir kontrol sistemi araçlar ve programlardan oluşur. Şimdi de kontrol yöntemlerine geçelim:

a – Reactive Kontrol (etki tepki prensibiyle çalışan)
b – Deliberative Kontrol (önce enine boyuna düşünen, sonra hareket eden)
c – Hybrid Kontrol ( düşünme ve hareket işini paralel olarak yürüten)
d – Davranışsal Kontrol

Şimdi 4 yöntemi ayrıntılarıyla inceleyelim

a – Reactive kontrolün özellikleri – Aslında ona reflekssel kontrol de diyebiliriz.

* Uyaran-cevap ikililerinden oluşan kurallar içerir
* Hafıza içermez (önceki durumları tutmak için)
* Çok hızlıdır (hiç düşünmediği için)
* İleriye yönelik plan yapamaz
* Öğrenemez (kurallarını değiştirmez)

b – Delibrative kontrolün özellikleri

* ‘algılamaàplanlamaàhareket etme’ modelini taban almıştır
* Düşünme ve hareket etme ardışıktır
* Planlama araştırma gerektirir
* Araştırma zaman aldığından yavaştır.

c – Hybrid kontrolün özellikleri

* Önceki iki uç yaklaşımın birleşiminden oluşur.
* Altta reactive kontrol, tepede delibrative kontrol, ortada bu ikisini bağlayan bir katmandan oluşur.
* Üç katman aynı zamanlı işlem görürler
* Katmanlarda bilginin sunumu farklıdır ara katman dönüşümleri gerçekleştirir

d – Davranışsal kontrolün özellikleri

* Hybrid kontrole alternatiftir. 
* Reactive ve delibrative hareket özelliklerine sahiptir.
* Hybrid kontrolün aksine orta katmanı yoktur
* Tüm sistemde bilginin sunumu aynıdır.

3.2 Kontrol Terimleri

Kontrol kavramını incelerken karşımıza birkaç terim çıkar: feedback (kapalı çevrim) kontrol, açık çevrim kontrol ve feed forward kontrol. Şimdi bu terimleri açıklayalım.

Feedback (Geri Besleme): Kontrolden bahsederken bir de feedback kavramına değinmemiz gerekir. Feedback kısaca algılayıcılardan alınan verileri bir sonraki hareketlerin düzenlenmesi işlemidir. İki çeşidi vardır.

Negatif feedback: Giriş değerlerine göre hareketi ayarlamaktır. Örnek olarak termostatlar,vücudumuzdaki kas sistemi verilebilir.

Pozitif feedback: Giriş değerlerine göre hareketi fazlalaştırmaktır. Örnek olarak linç etme verilebilir.

Feedback kontrol bir sistemi istenen duruma eriştirmek ve o halde kalmasını sağlamak amacıyla o anki durumla olması istenilen durumun sürekli karşılaştırılmasıdır. İstenilen durum iç veya dış olabilir. Örneğin bir termostat sistemi odanın iç sıcaklığını sürekli ölçerken, bir robot kalan batarya miktarını yada duvara olan mesafesini sürekli kontrol eder. Arzulanan durumla o anki durum aynı ise kontrol sistemine yapacak bir iş yoktur. Ama değilse ne yapılacağına nasıl karar verecek? İşte bu soru tüm kontrol mekanizmalarının nasıl dizayn edileceğini belirleyen sorudur.

Bir kontrol sistemi öncelikle o anki durumla istenilen durum arasındaki farkı bulmalıdır. Bu fark hata olarak adlandırılır ve kontrol sisteminin amacı bu hatayı minimize etmektir. Bazı sistemlerde hata değerlendirmesi sadece iki ifadeyle sağlanır: sıfır ve sıfır değil . Üzerinde çalışılan bilgi miktarı az olmasına karşın sistem olağanüstü başarılar elde edebilmektedir. Mesela destekli öğrenen sistemlerde sinyalin sadece iyi ya da kötü algılattırılmasıyla öğrenme sağlanmıştır.

Hata bilgisinin diğer bir ifade yolu da mesafe(magnitude) dir. Sistem kararlarında o anki durumun istenilen duruma ne kadar uzakta olduğunu kullanır.

Kontrol, sürekli çalışan ve ona hatanın uzaklık ve yön bilgisini sunan feedback sayesinde oldukça kolaylaşmıştır. Feedback sistemin davranışı bir nokta etrafında salınım yapar gibidir. Örneğin termostat sayesinde odanın sıcaklığı istenen sıcaklık etrafında salınır. Salınımın azaltılması içinse bir amaç noktası değil bir amaç aralığı seçilir. böylelikle sistemin yükü hafiflemiş olur. Mesela 23.00 derece değil de 22.90-23.10 aralığı amaç kabul edilir. Ayrıca sensörlerin çalışmalarındaki aksamalarda sistemin iyi çalışmasını etkiler. Feedback kontrol aynı zamanda kapalı çevrim kontrolü olarak da adlandırılır. Çünkü çıkış kullanılmak üzere girişe de bağlandığından bir kapalı çevrim oluşmaktadır. Bu sayede sistemin gelişimi ölçülebilmektedir ve gelecek durumlar için bilgi sahibi olunmaktadır.

Açık Çevrim Kontrol: Açık çevrim kontrol kapalı çevrime alternatiftir. Bu tip kontrolde geri besleme yapılmadığından sensörlere ihtiyaç yoktur. Bu tür sistemler sadece çok iyi derecede planlanmış durumlarda ve çevrenin sistemi etkilemediği durumlarda kullanılır.

Feed Forward Kontrol : Sistemin kendine istenilen noktalar koyduğu ve alt hedefler belirlediği sistemlerdir. Bunu şu anki durum bilgisini kullanma
dan önceden planlanmış bir şekilde yapar.

3.3 Kontrol Çeşitleri

Kontrol teorisinde kontrol sistemlerinin davranışlarına göre birbirinden farklı üç temel kontrol tipi bulunmaktadır. Bunlar proportional kontrol, proportional derivative kontrol, proportional integral derivative kontroldür.

a) Proportional Kontrol: Sisteme giren değerle çıkış arasında orantılı bir sabitin bulunduğu kontrol çeşididir. Yani giriş ile çıkışın oranı daima sabittir.

İstenilen durumdan ne kadar uzakta yada yakında olduğu fark etmez, sistem aynı şekilde davranır. Giriş çıkış denklemi aşağıdaki eşitlikte verilmiştir.

çıkış= oran * giriş (1)

Örneğin bir robotumuz var ve amacı hareketsiz bir hedefe gidip çarpmak , robotumuz gidene kadar hep aynı doğrultuda kontrol edilir. Kontrol mantığı ‘hızla git çarpana kadar’ gibidir. Hedefe uzaklığın kontrol mekanizmasıyla temelde bir bağlantısı yoktur. İşte bu tür kontrole proportional kontrol denir.

b) Proportional Derivative Kontrol : İstenilen durumdan uzaklık karar vermede etkilidir. Bir başka deyişle istenilen durumdan çok uzaktayken ile yakındayken verilen tepkiler sabit oranlı değildir. Örneğin bir robotumuz olsun ve robotun amacı bir aracı 10 metre mesafe ile takip etmek olsun. Robotumuz araçtan çok uzaktayken gitmesi gereken hızla, yakınındayken gitmesi gereken hız farklıdır, dolayısıyla robotumuzun derivative kontrole ihtiyacı vardır. Giriş çıkış denklemi aşağıdaki gibidir.

çıkış=(oran1* giriş)+(oran2*di/dt) (2)

c)Proportional Derivative İntegral Kontrol : Bu tip kontrollerde, sistemin düzenli hataları biriktirip önceden belirlenmiş bir eşik seviyesini aştıklarında sistemin hataları telafi etmesi yönünde kontrol edilir. Örneğin robotumuz yine bir aracı 10 metreden takip ediyor olsun. Aracımızın her yaptığı hata (rotadaki kayma) anında düzeltilmeyip ama kaydedilip ve hataların toplamı önceden belirlenmiş bir eşik değeri (örneğin 15 derece) aştığında robotumuzu istenilen yörüngeye sokma biçiminde bir kontrol mekanizmamız olsun. İşte bu tip kontrollere proportional derivative integral control denir. Aşağıda girş çıkış denklemi verilmişitir.

çıkış = oran1 * giriş + (oran2 * di/dt) + (oran3 * int i(t)dt ) (3)

4. Robot – Çevre Etkileşimi

Çevreyle etkileşebilmek için öncelikle çevreyi algılamak gerekir. Bu yüzden öncelikle algılama kavramını açıklayalım.

4.1 Algılama Nedir?

Algılamanın iki tanımını sunacağım

* Etrafındaki çevreyi örneklemedir
* Fiziksel dünyadan microcontroller’ların dünyasına bilgi dönüşümüdür.

Bu işlemi yani algılamayı yapan aletlere de sensör denir. Sensörler bir şeyleri ölçerler ve ölçümlerini kontrol aygıtına iletirler.

Neyin yada nelerin algılanacağı sensörlerin çeşitlerinin seçimine bağlıdır. Sensör seçimi robotun görevine uygun olarak yapılır. Örneğin araç izleyen robotumuzda bir mesafe ölçen sensörün olması şarttır.

Bir robot kendisinin sensör dünyası ve sensörlerinden gelmesi muhtemel tüm durumlar içinde vardır.

4.2 Sensörler

Sensörlerin kısaca çeşitlerini ve kullanım amaçlarını incelersek ;kullanıcıyla iletişim için bump, switchler, mesafe ölçümleri için ultrasound sensörler, radarlar, ışık seviyesi algılama için fotoseller ve kameralar, ses algılaması için mikrofonlar, ısı algılaması için termal ve kızıl ötesi ışınları kullanan sensörler, devir sayımı için encoderlar, magnetizma ölçümleri için dijital pusula vs. gibi geniş bir kullanım alanı olduğunu görürüz.

Aynı yada benzer özellikler birden fazla sensör tarafından ölçülebilir. Bu nedenle sensör kullanımında mümkün olan her alternatif incelenmelidir.

Sensörler sisteme ham bilgi sağlarlar. durum yada sembol algılamazlar, sadece sinyal algılarlar. Bu sinyalin sistem için kullanışlı bir hale, yorumlanabilecek bir duruma çevrilmesi gerekir. Bu işler elektroniğin ve yazılımın konularıdır. Örneğin bir anahtarın açık yada kapalı olduğunu anlamak için devredeki gerilimin ölçülmesi gereklidir. Eğer bir sesin tanınması gerekiyorsa bir sinyal işleme yazılımının çalışması gereklidir. Eğer bir kameradan alınan resimdeki nesne tanınacaksa bir görüntü işleme yazılımının çalışması gereklidir. İşte bu tip programların çalışabilmesi içinde sistemin bir hafızaya sabit diske vs. sahip olması gerekmektedir. Bu yüzden sistemin kullanım amacına göre gereksinimler iyi bilinmelidir.

Fiziksel dünyanın microcontroller dünyasına çevrimi microcontroller’ın kullanacağı çıkış dizileri şeklinde yapılır. Yani sensör algılar microcontroller’a iletir. İşte microcontroller’ın işleyeceği bu işaretler iki ana gruba ayrılır: digital ve analog işaretler. Çalıştıkları sinyallere göre doğal olarak iki tür sensör vardır.

Digital Sensörler: Diskrit sinyaller üretirler. Bu değerlerin sınırlı sayıda olması anlamındadır. Değerler kesiklidir. Örneğin bir anahtar digital sensördür ve iki değer üretir: açık yada kapalı . Tüm digital sensörler sadece iki değer üretmezler. Mesela digital pusulalar 360 farklı değer üretirler.

Anolog Sensörler: Sürekli sinyal üretirler yani sinyaller arası aralık yoktur. İşaret fonksiyonunun grafiği süreklilik gösterir. Çevirmeli radyolarımızda kullandığımız radyo kanalının ayarlama düğmesi analog sensörlere örnektir. Bu analog sinyaller eğer microcontroller tarafından işlenecekse microcontroller’ların doğası gereği digital sinyallere çevrilerek kullanılırlar. Bu yüzden analogtan digitale çeviren çeviricilere ihtiyaç vardır. Bu çevirme işlemi genelde scaling(bölümleme) şeklinde yapılır. Aşağıda buna bir örnek verilmiştir: 0-1 volt analog sinyalin 0-4 arası sayılara dönüşümü yapılmaktadır.

0-0,1 -> 0 0,1-0,2 ->1 0,2-0,4->2 0,4-0,8 ->3 0,8-1 -> 4 (4)

Sensör Birleştirmesi: Eğer gereken işlem için bir sensör çeşidi yoksa yada erişilemiyorsa o zaman eldeki farklı tip sensörler bir biçimde birleştirilir. Sensörlerin farklı çıkışlar üretmeleri ve aralarındaki iletişimin sağlanması gibi zorluklardan ötürü ustalık isteyen bir iştir. Bu duruma en iyi örnek insan beyni olarak verilebilir. Beyine birçok sensörden (göz, kulak, burun, dil, deri) bilgi gelmekte; hepsi ayrı ayrı yerlerde işlenerek karar verme mekanizmasına kaynak olarak sunulmaktadır.

< p align="justify">4.2.1 Sensör Çeşitleri

Sensörleri iki sınıfa ayırarak ayrıntılı olarak inceleyeceğiz

1-Pasif : Sadece çevresinden gelen fiziksel özellikleri ölçen sensörler

2-Aktif : Kendi üzerinde ölçüm yapan sensörler.

1- Pasif Sensörler

a)Switch Sensörleri : Anahtarlar en basit sensörlerdir. Herhangi bir işlem olmadan elektronik bir devrenin üzerinde çalışırlar. Eğer anahtar açıksa devreden akım geçmez, tersinde geçer. Anahtar sensörlerin çeşitleri ve farklı kullanım alanları vardır.

Kontakt sensörleri: Sensörün başka bir nesneye değip değmediğini algılar. Örneğin bir robotun duvara çarptığını anlamasında kullanılırlar. Bu sayede robot geri dönüp yoluna devam eder.

Limit sensörleri: Bir mekanizmanın maksimum yada minimum değere ulaştığını algılar. Robot kollarda bir nesneyi gerekenden fazla yada az sıkmamayı sağlayan sensörlerdir. Yaylı bir tuş dibe değdiğinde devre tamamlanır.

Anahtar sensörlere günlük hayattan örnekler vermek gerekirse fare ve klavye tuşları, telefon tuşları sayılabilir. Anahtar sensörler gayet basit yapılarına karşın oldukça etkili ve kullanışlı aygıtlardır.

b) Işık sensörleri(fotocell): Direnç mantığıyla çalışan sensörlerdir. Işığın değişimi sensörün direncini değiştirir ve bu değişiklik microcontroller’a değişik bir sinyal olarak yansır. Fotoselin direnci parlak ışıkta düşük, karanlıkta yüksektir. Fotoseller ışık yoğunluğunun değişimiyle ölçüm yaparlar.

c) Direnç sensörleri: Işık sensörleri gibi direnç özellikleriyle algılarlar. Bükülmeyi algılayan sensörler bu gruba girer. Genelde video oyunları için üretilen parçalarda kullanılırlar. Nintendo’nun powerglove’su buna örnek gösterilebilir.

d) Potansiyometreler : Bu aygıtlar genelde sesin ve tonun elle ayarlandığı durumlarda kullanılırlar. Potansiyometrenin bağlı bulunduğu düğmenin çevrilmesiyle direnç değişir. Ayarlı lambalar, radyo düğmeleri, müzik setlerindeki ses düğmeleri potansiyometrelere örnektir. Genelde robot sistemlerinin kontrol mekanizmasında, dönüş miktarının iletiminde kullanılırlar.

e) Piezoelectrik Film Sensörleri: Piezoelectrik film çok kullanışlı ve ucuz bir sensör materyalidir. Bu tip sensörler titreşim, uygulanan güç, sıcaklık, radyasyon değişimlerini algılamada kullanılırlar. Bu sensörler algılamaları istenilen değişkenin durumuna göre bir voltaj üretirler ve kontrol mekanizmasına bilgi sağlarlar.

2- Aktif Sensörler

Bu tip sensörler bir emitter (yollayıcı) ve bir dedektör (alıcı)’den oluşurlar. Bu iki elemanın birbiriyle ilişkisine bağlı olarak iki farklı türü vardır:

Reflektans Sensörleri : Emitter ve dedektör birbirlerinden bir bariyer ile ayrılmıştır. Objeler emitterden çıkan ışığı dedektöre yansıtınca algılanırlar. Break-Beam Sensörleri: Emitter ve dedektör birbirlerine yüzyüze bulunurlar. Objeler emitterden dedektöre yollanan ışığı kestiklerinde algılanırlar. Filmlerde elmasları korumak için kullanılan sensörler bunlara örnektir.

a) Optosensörler: Emitör genelde bir light-emitting diode (LED) tur. Dedektör ise fotodiyot yada fototransistördür. Fototransistörler fotoresistörlerden daha fazla duyarlılık sağlarlar. Fotodiyotlar oldukça geniş bir ışık yelpazesi için lineer sinyaller üretirler ve en ufak bir değişimi bile anında iletirler.

Optosensörler, resistif fotosellerle aynı teknolojiyi kullanmazlar. Resistif fotoseller basittir fakat yavaştırlar. Fotodiyotlar ve fototransistörler çok daha hızlıdırlar. Fototransistörlerin ve fotodiyotların kullanım yerlerine örnek olarak nesne varlığı algılama, nesne uzaklığı algılama, yüzey tipi algılama, sınır izleme, dönüş sayısı belirleme ve barkod teknolojileri sayılabilir.

Işık yansıması renge bağımlıdır. Parlak bir yüzey ışığı karanlık bir yüzeyden daha iyi yansıtır. Siyah bir yüzey üzerine gelen bir ışığı çok az yansıtır. Bu yüzden karanlık bir objeyi belirlemek parlak bir objeyi belirlemekten çok daha zordur. Objelerin mesafelerini ölçmede bu özellikten dolayı parlak objeler daha uzakta olsalar bile karanlık objelerden daha yakında algılanacaklardır. Bu olay bize kullanışlı araçlar kullanıldığında bile fiziksel dünyanın sadece bir parçasının algılanabileceğini göstermektedir.

Algılamadaki bir başka problem kaynağı da çevredeki ışıktır. Yani algılanmak istenen nesne hariç çevresinden yansıyan ışıktır. Bu problemi çözmenin en iyi yolu sensörün okuduğu değerden çevreden gelen ışığı çıkarmaktır. Bu emitör açıkken ve kapalı iken iki farklı okuma yapılıp birbirinden çıkartılarak yapılır. Emitör kapalı iken yapılan okuma çevreden gelen ışığı ölçecektir. Bu işleme sensör kalibresi denmektedir. Çevredeki ışık miktarı sürekli değişebileceğinden bu kalibrasyon işlemi de sürekli tekrarlanmalıdır.

Sensörlerle Dönüş Belirleme Metodu: Dönüş belirleyen sensörlerden olan speedometer bir aracın tekerleklerinin ne kadar hızlı olduğunu ölçer. Odometer ise tekerleklerin kaç kez döndüğünü ölçer.

Dönüşü belirleyebilmek için bir dönebilen parça monte edilir. Bir mil üzerine bir disk monte edilir ve diskin dış kenarlarına küçük çentikler atılır. Bir emitör ve dedektör diskin farklı taraflarına konur. Emitörden ışık sürekli olarak gönderilir. Emitörden çıkan ışık diskin sadece çentikli bölgesinden geçip dedektör tarafından okunur. Okuma sayıları tutularak hız ve çevrim ölçümleri yapılır.

Dönüş belirlemede bir başka yöntem de diski bir siyah, bir parlak boyamaktır. Karanlık bölgeler ışığı yansıtmayacak, parlak olanlar ise yansıtacaktır. Bu yöntemde emitör ve dedektör diskin aynı tarafında yer almaktadırlar.

Dönüş ölçen sensörlerde dedektörün ürettiği şey ışın miktarına bağlı olarak değişen bir dalga fonksiyonudur. Dalgaların tepe sayıları sayılarak kaç dönüş yapıldığı ve hız belirlenir.

Hareket Yönü Belirleme Metodu: Sadece hareketin hızının ölçümünün yeterli olmadığı durumlarda vardır (ör:bilgisayar fareleri). Yönü belirlemek içinse birbirine 90 derecelik pozisyonda bulunan iki sensör kullanılır. Yönü belirmede bu iki sensörün detektöründen gelen bilgiler karşılaştırmalı olarak kullanılır. Sadece birinde değişim olmuşsa o y
öne gidildiğine karar verilir. İki dedektörde de değişim varsa ikisinin arasında bir yöne dönüş sayısı fazla olana yakın bir yöne gidildiği anlaşılır. Bilgisayar fareleri de bu metotla veri toplamaktadırlar. Bu metot yönün önemli olduğu tüm mekanizmalarda kullanılmaktadır.

b) Infra Red (IR) Sensörler: Frekans spektrumunun kızıl tarafında işlem gören bir tür ışık sensörlerdir. Aktif sensörlerdir. Emitörleri ve dedektörleri vardır. Dedektörleri görünmez bölgedeki 880 nanometre dalga boyu civarındaki ışıklara duyarlıdır. Diğer ışık sensörleri gibi break beams veya reflektans prensibine göre çalışırlar. İnfrared sensörler çevresel ışıktan diğer ışıklara göre çok daha az etkilendiğinden kalibrasyonları çok daha başarılı ve güvenilirdir. Ayrıca IR iletişimi de yapılmaktadır. Modulated infra red bilgileri seri bir hat üzerindeymişçesine haberleşme için kullanılmaktadır.

c)Yakınlık Ölçen Sensörler: Adından da anlaşılacağı gibi yakında bulunan nesnelerin algılanmasında kullanılırlar. Yakınlık sensörlerinin kullanılabilmesi için aşağıdaki özelliklerden birinin sağlanması gerekmektedir.

1- Nesnenin doğası gereği sinyal göndermesi ( Ör: radyoaktif maddeler )
2 – Nesneye bir verici yerleştirilmesi
3 – Nesneye bir sinyalin gönderilip nesneden yansıyan sinyalin alınması

Ultrasonic Mesafe Algılama: Ultrasonic seslerle mesafe algılama uçuş zamanı prensibine dayanmaktadır. Emitör bir ses sinyali üretir. Sinyal havada ilerler, bir yere çarpar ve dedektöre geri döner. İşte emitörün üretiminde başlayan zaman ölçer dedektöre girişinde durur ve aradaki zaman farkı ve sesin havadaki hızı bize sinyalin çarptığı nesnenin sensöre uzaklığını verir. Bu metot doğanın modellenmesidir. Yarasaların görme yerine bu çeşit bir metotla çevrelerini algıladıkları anlaşıldıktan sonra yapay olarak insan tarafından oluşturulmuştur. Yarasaların sistemi insanların kurduğu sistemden çok daha fazla gelişmiştir. Yarasalar çok hızlı bir yaratığı sistemleri sayesinde fark ederler. Ayrıca yüzlerce yarasanın bulunduğu bir ortamda bile ki bu yüzlerce sinyal anlamına gelir her yarasa yönünü bulur ve avını takip eder.

Mesafe algılamadaki bu yöntemde açının büyük önemi vardır. Sinyalin çarptığı yüzeyle olan açısı yansıyan sinyalin dedektöre gidip gidemeyeceğini belirler. Yüzeyle sinyal arasında 90 derecelik bir açı varsa sonuç mükemmeldir. Açının daha küçük olduğu durumlarda ise dedektörün çapı büyütülerek sinyaller alınmaya çalışılır. Gündelik hayatta kullanılan ultrasonic sensörler hırsız alarmlarında, mesafe ölçümlerinde kullanılmaktadırlar.

Robot görmesi(robot vision): Robot görmesinde kameralar sensörler gibi kullanılırlar. Kameralar biyolojik gözün modelleridir ve tabi ki biyolojik olanlardan çok daha basit ve ilkeldirler.

Biyolojik görme sistemlerinde çevreden gelen ışık iristen içeriye girer, retina üzerindeki ışığa duyarlı elemanları uyarır. Bu elemanlar da bağlı bulundukları sinirleri uyarır. Beyne giden birçok görme sinyali beyinde işlenir. Kameralarda ise beyindeki ışığa duyarlı elemanların yerini fotoğraf filmleri veya ccd kameralarda kullanılan silikon devreler almıştır.

Resmin elde edilmesinden sonra sıra resimden bilgi edinilmesindedir. Bu işlemler esnasında görüntü işleme teknikleri (yazılımları) kullanılmaktadır. Hangi tekniklerin kullanılacağı ise sistemin amacına bağlıdır.

5 Robot Hareketleri

Robot hareketleri iki temel sınıftan oluşmaktadır. Biri yer değiştirme diğeri nesneleri tutmadır. Bu iki hareket türü iki farklı çalışma sahası açmıştır.

Mobile (seyyar) robotlar: Etrafta tekerlekleri sayesinde yada raylı sistemlerle gezinen, yüzen, uçan tüm robotlar bu sınıfta yer alır. İki ve üç boyutta hareket ederler.

Nesne tutucu robotlar(robot kollar) : Genelde endüstride ve tıpta kullanılırlar. Bir yada daha fazla düzlemde hareket edebilirler. Hassas ve yoğun işçilik gerektiren işlerde kullanılmaktadırlar.

Robotlarda hareketi sağlayan motorlar çoğunlukla servo motorlardır. Şimdi servo motorların çalışma prensiplerini inceleyelim.

5.1 Servo Motorlar

Servo motora giriş çeşitli seviyelerdeki gerilimlerdir. Bu gerilim seviyelerine göre motor mili hareket eder. Robot hareketlerinde kullanılan motor çeşitleri genelde servo motorlar olduğundan servo motorların iç yapısı anlaşılmalıdır.

Bir servo motor yapı olarak dört kısımdan oluşmaktadır. Dc elektrik motoru, planetar dişli sistemi, geri besleme potansiyometresi ve dc motor pozisyon kumanda elektroniği[4].

DC motor herhangi bir dc oyuncak motorundan farklı olmayan çift mıknatıslı bir statora ve fırçalı bobin rotora sahiptir. Motor mili 1:200 ile 1:300 arası dönme oranına sahip bir dişli sistemine bağlanır, bu sayede oldukça yüksek bir tork değerine ulaşılır.

Dişli sisteminin çıkışında bir 5k’lık potansiyometre, mil konumunu elektronik kumanda devresine iletir. Elektronik devrenin görevi mil konumunu gelen veri konumuna gelinceye kadar motoru iletimde tutup tam yerinde durdurmaktadır.

Elektronik devre bu konumu algılamak için PWM-(pulse width modulation)-darbe genişlik modülasyonu tekniğinden yararlanmaktadır. Kumanda devresi el kumandalı robotlarda kumanda çubuğunun konumuyla doğru orantılı olarak, pc kumandalı robotlarda programın istediği konumla doğru orantılı olarak 0 ile 2.5 milisaniye arasında dalga genişliği değişen bir sinyali her 20 milisaniyede bir servoya gönderir. 0-1.52 ms lik pulse hareket etmemeyi, 0-0.8 lik pulse 90 derece sola hareketi, 0-2.5 ms lik bir pulse ise 90 derece sağa hareketi ifade eder. Buradaki rakamlar ve ifade ettikleri hareketler üretici firmaya göre değişir. Servo içindeki elektronik devre ilk önce gelen darbelerin darbe genişliğini ölçer, daha sonra potansiyometre konumuna bakar ve kendi darbe osilatörünün darbe genişliği gelen darbelerle eşitlenene kadar motoru hareket ettirir. Bunu yapabilmesi için bizim de kontrol devresinin de kullandığı dalga boyları ve ifade ettiği açı miktarları eşit olmalıdır.

Servo motora uygulanan güç, motorun hareket edeceği mesafe ile oranlıdır. Yani eğer motor az bir derece gidecekse yavaşça döner, eğer büyük bir derece gidecekse tam hız hareket eder. Yani motor proportional kontrol edilmektedir.

int period=1400.0;
int k; servo_on();
while(1){
k = servo(period);
printf("period is %d\n", k);
period = period + 100;

Yukarıda bir servo motorun servo.icb kütüphanesini kullanan bir handy board’la kontrolünde yazılan C kodu gözükmektedir[5]. Period değişkeni servo motora
gönderilen dalga boyunu göstermektedir. Servo(int period) komutu robot hareketini sağlamaktadır. Başlangıçtaki ilk değer atama robotun nötr noktasına gidişini sağlar ve 1400 değeri ile harekete geçer. Başlangıç 1400 periyod değeri 0.7ms ye karşılık gelir. Kütüphane bulunan fonksiyonların parametre değerleri buna göre ayarlanmıştır. 0.7 değeri nötr değerden 1.52 küçüktür ve motorumuz saat yönünün tersine doğru her 20 ms de(servoya pulse gönderim periyodu) bir 90 derece dönecektir ta ki periyot değerimiz 1.52 ye denk olana kadar (1.52=3040). Periyodumuz 1400 ile 3040 arasında iken motorumuz dönmeyecek sabit kalacaktır. 3040 ile 5000 arasında ise saat yönünde yine her 20 ms de bir saat yönünde 90 derecelik dönüş yapacaktır. Fonksiyonlar 5000 i aşan periyotları tekrar 1400 e çevirmektedir. Bu sayede bu kodla kontrol edilen servo motorumuz program süresince bir çevrim süresince önce saat yönünün tersine dönecek, sonra duracak, sonra da saat yönünde dönüşler yapacaktır.

6 Örnek Bir Robot Tasarımı

Şu ana kadar anlattığımız kontrol mekanizmaları, sensörler, hareket konularını şimdi bir örnek üzerinde inceleyelim.

Robotumuzun amacı bir masa üzerindeki küpü alıp kullanıcı tarafından girilen bir koordinata taşımak olsun. Robotumuz masanın kenarına aşağıdaki gibi sabitlenmiş varsayalım.

Image

Şekil 1. Örnek Robot Tasarımı

Robotumuz görüldüğü gibi X ve Y eksenlerindeki yollar sayesinde tüm masayı tarayabilecektir. Z eksenindeki hareketi ise aşağı yukarı biçimindedir. X,Y ve Z eksenlerindeki hareketini servo motorları ve buna bağlı dişliler aracılığı ile gerçekleştirecektir. Uçta bir servo motora bağlanmış zincir olacaktır. Z eksenindeki harekette robotumuz zincire monte edilmiştir. Uçtaki motorun dönmesiyle zincire bağlı olarak robot kol hareket edecektir. X eksenindeki harekette Z eksenindeki hareketi sağlayan mekanizmaya bir boyut daha kazandırılmıştır. Burada da uçta bir motor ve buna bağlı bir zincir bulunmaktadır. Y eksenindeki hareketi sağlayan mekanizma zincire bağlıdır. Oluşturulan düzenekle robot kolumuz masanın her yerine erişebilecektir.

Robot elimizin yapısına gelince dört parmaklı ve her parmakta iki eklem yeri bulunmaktadır. Her eklem yerinde eklemin hareketini sağlayan servo motorlar vardır. Parmak uçlarında ise daha önce sözünü ettiğimiz limit sensörleri bulunmaktadır. Bu sensörler sayesinde nesnenin tutulup tutulmadığı anlaşılacaktır. Dört parmak 90 derecelik açılarla yerleştirilmiştir. Elin orta noktasında ise mesafe ölçen ultrasonic bir emitör ve dedektörden oluşan sensörümüz bulunmaktadır. Bu sensör sayesinde düz masa yüzeyinin daha üzerindeki bir noktadan gelen sinyal aranılan küp olarak anlaşılacaktır.

Robotumuzun kontrolü yazılımla sağlanmakta ve 11 adet servo motorun yönetilmesi, sensörlerden gelen sinyallerin yorumlanması işlemleri yapılmaktadır. Robotumuz bir pc ye bağlı olarak çalışsın. Robot programımızın ara yüzünde kullanıcı küpü nereye koymak istediğini (masayı koordinatlanmış olarak düşünürsek) koordinatları yazarak girsin ve işlem butonuna bassın. Robotumuzun kontrol yazılımı çalış emrini aldıktan sonra 11 motorunu, 5 sensörünü işletmeye geçer.

* İlk önce nesne bulunmalıdır.
* ikinci olarak nesne tutulup havaya kaldırılmalıdır.
* kullanıcının istediği koordinata gidilmelidir.
* nesne bırakılmalıdır. 

İlk işlem için küp herhangi bir yerde olduğundan x ve y eksenlerinde kolumuzu gezdiren motorlara rasgele değerler atanır(programı yazan kişiye göre). Başlangıç koordinatlarımız (0,0) olarak bilinmekte ve bulunduğumuz noktanın koordinatı motorun hareketlerinin mesafeye çevrilmesi sayesinde tutulmaktadır. Diğer yandan elimizin ortasındaki sensöre ultrasonic ses dalgalarını yayması söylenir. Kontrol yazılımı bir yandan x ve y motorlarına rasgele değerler göndererek kolu gezdirmekte diğer yandan mesafe ölçen sensörden gelen bilgileri birbiriyle karşılaştırmaktadır. Sensörden gelen bilgiler aynı kaldığı müddetçe bu işlem sürer. Kolumuz küpün üzerine geldiğinde mesafe ölçerin ölçeceği mesafe daha önce ölçtüklerinden az olacaktır. Kontrol yazılımımız bu farkı bulduğunda x ve y motorlarına durun sinyalini gönderir. Parmak eklemlerinde bulunan 8 motora da parmakların dışa doğru max derecede açılmaları için sinyal gönderilir, parmaklar açılır. Şimdi sıra Z eksenindeki motorun çalışmasındadır. Ultrasonic mesafe ölçen sensörümüz ses dalgaları üretmeye, mesafe ölçmeye devam etmektedir. Z ekseninde aşağıya doğru hareket, mesafe sensöründen okunan değer minimum noktaya gelene kadar yani sensör küpe değene kadar devam edecektir. Küpe dokunulduğunda eklemlerdeki 8 motora parmak uçlarındaki limit sensörlerden sinyal gelene kadar kapanın sinyali gönderilir. Mesafe sensörüne çalışmanı durdur sinyali gönderilir. Limit sensörlerinden sinyal gelmesi nesnenin sıkıca tutulduğunu bildirmektedir. Küp kavrandıktan sonra Z eksenindeki motorun ‘z yönünde çalışmasıyla havaya kaldırılır. Bulunduğumuz yerden kullanıcının istediği yere gidilmesi için X ve Y eksenlerindeki motorlara sinyaller gönderilir. Limit sensörlerinden gelen veriler uygun bir zaman aralığında okunmaktadır. Limit sensörlerinden gelen sinyalin kesilmesi küpün düşürüldüğü anlamına gelir. Eğer düşürülme olduysa mesafe ölçen sensör tekrar çalışmaya başlar gelinen yol boyunca geri gidilerek tekrar aynı işlemler tekrarlanır. Düşürme olmadan kullanıcının istediği koordinatlara gelindiyse daha önce yapılan Z ekseninde havaya kaldırma miktarı kadar aşağıya indirilir. Parmaklara açılın sinyali gönderilir. Z ekseninde kol yukarı kalkar, X ve Y eksenlerindeki motorlara kolu başlangıç yerlerine göndermek için gereken sinyaller gönderilir. Robotumuz artık amacına ulaşmıştır.

Aşağıdaki şekilde kontrol mekanizmasının akışı gösterilmiştir.

Image

Şekil 2. Kontrol mekanizması

Amacımızı bu hayali robot kolumuzla gerçekleştirdik. Burada kullanılan yöntemler, algoritmalar, sensör çeşitleri, hareket mekanizmaları tasarlayıcıya bağlı olarak değişir. Örneğin masamız ve küpün renkleri birbirine zıt renkler olsaydı mesafe ölçen ultrasonic sensör yerine reflektif bir sensör kullanılabilirdi.
Masa siyahsa zeminden yansıma olmayacak, beyaz nesnenin üzerine gelindiğinde yansıma olacak ve nesne belirlenebilecekti. Yada masanın tümünün bir fotoğrafı çekilip görüntü işleme teknikleriyle nesnenin yeri bulunabilirdi. Sabitlenmiş bir robot yerine mobile bir robot kullanılabilirdi.Seçenekler daha da arttırılabilir.

7 Sonuç

Bu çalışmada robot bilgisine sadece bir giriş yapıldı. Robotun tanımı, özellikleri ve çeşitleri sunuldu. En önemli iki konu olan çevreyle etkileşim ve kontrol metodları incelendi. Artık robotların temel olarak hangi parçalardan oluştuğunu nasıl kontrol edildiklerini biliyoruz. En azından hareket eden bir robot el gördüğümüzde sadece hayranlıkla seyretmek yerine şöyle yapılmış olabilir diye fikir yürütebilecek bilgi seviyesindeyiz.

Robot teknolojisinin şu anda ulaşmış olduğu düzey gelecekteki dünyamızda onların büyük bir yeri olacağını gösteriyor. Artık insan gibi yürüyebilen, dans edebilen, konuşabilen robotlar hayal değil. Tabi ki şu anda üretilmiş olan hiçbir robot bir denetleyicisi olmadan dış dünyada varlığını sürdürebilecek kapasitede değil . Ama insan robotların nereden nereye geldiğini gördüğünde gelecek için olamaz diyebileceği bir şey kalmıyor.

Bu yazı Uncategorized kategorisine gönderilmiş. Kalıcı bağlantıyı yer imlerinize ekleyin.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir