Robot Kol Bitirme Tezi Projesi

Merhabalar,

2010 yılında bitirme tezi olarak hazırladığım robot kol projemin tüm detaylarını yararlanmanız için  aşağıda paylaşıyorum. PIC yazılımı için iletişime geçebilirsiniz.

Metinde bulunan alıntılar dışında tüm anlatım özgün olup bana aittir.

1.GİRİŞ

             Robot, Çekoslovak dilinde köle veya işçi anlamına gelmektedir[1].  Birçok görevi yapmak üzere programlanabilen elektromekanik bir cihaz olan robotların tarihine inildiğinde göze çarpan en önemli yapıtın 1805’de Maillardet’in yaptığı yaylarla çalışan resim çizebilen, İngilizce ve Fransızca yazabilen otomat olduğu açıkça görülebilmektedir. Bu otomatı kimin yaptığı yeniden restore edilip ilk çalıştırıldığında yazdığı yazının sonuna eklediği ‘Maillardart’ isminden öğrenilmiştir[3]

Otomasyonun temel taşlarını oluşturan bu yapılar sayesinde insan hep daha farklısını düşünüp hayal ederek ve hemen uygulamaya geçirerek düşündükleriyle yeni şeyler yapmaya çalışmıştır. Bunun sonucunda teknoloji günden güne gelişmiş ve artık işin içine bilgisayar teknolojisi de eklenerek uzun yıllar önce bir hayal olarak gözüken birçok şeyin başarılması sağlanmıştır.

Bilgisayar destekli tasarım ve bilgisayar destekli üretim gibi tekniklerin bulunmasıyla, endüstriyel otomasyon sistemleri kısa zamanda çok hızlı gelişmiştir. Bu hızlı gelişmenin sonucunda endüstriyel robotların kullanımı ivme kazanmıştır. Günümüze kadar büyük aşama kaydeden robotlar, madde taşınması(konveyör sistemler), boyacılık, kaynak endüstrisi, tıp vs. gibi birçok sektörde kullanılmaktadır[1].

Robotların bir kısmı otonom olup yapacakları hareketlere önceden yüklenen direktiflere göre otomatik olarak yaparlar. Diğer bir kısım robotlar ise insanlara yardımcı olmak üzere insanlar tarafından kontrol edilen cihazlardır. Robotlar doğru yapıldıkları ve programlandıkları sürece hata yapmayan makinelerdir[2].

Robot kolu, dönel veya kayar eklemlerle birbirine bağlanmış “uzuv” adı verilen eğilmez cisimlerden meydana gelen açık çevrimli bir zincirdir. Çevrimin bir ucu bir desteğe(temele) bağlanmış, diğer ucu ise serbesttir. Eklemler birbirine bağlı uzuvların izafi hareketine izin vermektedirler. Bu hareketlerin çözümü için robot kinematiğinden yararlanılır[4].

Kinematik kavramı robot biliminin temelini oluşturur. İki farklı yöntem izlenebilir kinematikte. Birincisi tabandan en uc noktaya ulaşmaya çalışmaktır ki bu işleme ileri kinematik hesabı denir. Diğeri ise en uç noktadan başlayarak sabit noktaya ulaşmay çalışmaktır. Bu yönteme de ters kinematik denir[5]. Ancak benim projemde kullanılan motorlar tamamen bireysel kontrol edilmişlerdir. Bu yüzden robot kinematiği kullanılmamıştır.

Robot bilim ise, matematik, fizik, kontrol, makine, elektronik ve bilgisayar mühendisliği gibi birçok bilim dalını içine alan bir bilimdir. Bu bilimlerden makine mühendisliği robotların dinamik ve statik yapısını incelerken, matematik robotların hareketlerini tanımlayıp modelini çıkarır. Kontrol mühendisliği kontrol algoritmalarını geliştirerek sistemin istenilen hareketi geçekleştirmesini sağlar. Elektronik mühendisliği, eyleyicilerin ve algılayıcıların tasarımıyla ilgilenir. Bilgisayar mühendisliği ise gerekli robot programlarının yapılmasında katkı sağlar[1].

Görüldüğü gibi birçok bilimle alakası bulunan bu teknoloji ürünlerinin tüm sektörlere yayılmaması için hiçbir neden bulunmamaktadır. Bu doğrultuda bitirme tezi olarak bir robot kol yapma fikri bende oluşmuş ve sonuç olarak bu ortaya çıkmıştır.

Benim bu projemde ki amacım, robot tekniğini kullanarak insan hayatının riske girebileceği noktalardan biri olan endüstriyel sistemlerde ki delme işlerinin yapılmasını sağlamaktır. Yazılan program sayesinde ister elle kontrol olsun isterse 2 adet sensor vasıtasıyla kolayca kontrol edilebilen bir sistem tasarlanmıştır. Bundan sonraki bölümlerde bu projede kullanılan teknikler, programlar ve materyaller hakkında bilgiler verilecektir.

2.GENEL OLARAK BİR ROBOT KAVRAMI

    Robot, mekanik sistemleri ve bunlarla ilişkili kontrol ve algılama sistemleriyle bilgisayar algoritmalarına bağlı olarak akilli davranan makinelerdir. Genel bir enstitü tarafından ise robot su şekilde tanımlanmaktadır:   Robot Yeniden programlanabilen; maddeleri, parçaları, aletleri, programlanmış hareketlerle yapılacak ise göre taşıyan veya isleyen çok fonksiyonlu makinelerdir". (Robot Institute of America, 1979)

    Robot nedir? Robot, bir kaide üzerinde en az bir kol, tutma organları(genellikle pensler, vantuzlar veya elektromıknatıslar), pnömatik, hidrolik veya elektriksel sensorlar ile konumu ve basınç algılayıcılarıyla, bilgi işlem organlarıyla donatılmış kontrollü-mekanik maniplelerdir."

    Yukarıdaki tanımlarda görüldüğü gibi robot temel bir işlemi yerine getirebilen, yetileri olan yeniden programlanabilen aygıtlardır. Temel olarak bir robotun aşağıdaki özelliklerinin olması gerekir:

1. İşlem yapma yetisi :Bir işlemi fiziksel veya farazi olarak 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 etmenlere göre mutlaka bir yargı kurabilmelidir.

    İste bu yapıları içeren her sisteme genel olarak robot diyebiliriz. Örneğin sınav robotu, ışık izleyen robot, vana açıp kapayan robot veya robot kol gibi. Fakat ası-l robot kavramı bu yapıların çok daha ilerisine giderek doğada en karmaşık yapı olan insanoğlunun yetilerini taklit etmek için yapılan makinelerdir. Robot kavramı da onlar üzerine kurulmuş olmasına rağmen tanım genel olarak farazi yapıları da içermektedir.

    Çeşitli ileri gelen dünya ülkeleri tarafından robot çeşitli şekilde tanımlanmış olmakla beraber hepsinin buluştuğu nokta “Robotlar yeniden programlanabilen mekanik aksamlardır” olmuştur. Bu kurumların ayrıldıkları nokta algılama ve sonuca varma yetisidir. Japon konseyi bu konuda algılama ve karar verme mekanizması olmayan robot kavramını kabul ederken İngiliz ve Amerikan Enstitüsü buna karşı çıkmaktadırlar[7].

3.ENDÜSTRİYEL ROBOTLAR

    Genel anlamda bir robotun fiziksel yapısı insan kolunu andırır ve üzerinde çeşitli eklemler bulundurur. Bu eklemlerin hareket sayısı robotun kaç serbestlik derecesine sahip olduğunu belirtir. Serbestlik derecesi sayısına bağlı olarak robotun hareket kabiliyeti ortaya çıkmaktadır. Bilindiği gibi insan kolu 6 serbestlik derecesine sahiptir(2 omuz, dirsek, 3 bilek) ve her türlü hareketi yapacak şekildedir[1]. Bu nedenle endüstride kullanılan robotların çoğu da yapacakları işlere göre kaç serbestlik derecesi gerektirdiği hesabı yapılarak imal edilmektedirler.

 

Şekil 3.1 Robot ile insan benzetimi

   Şekil 3,1 de 6 serbestlik derecesine sahip bir endüstriyel robot kol gösterilmiştir. Bu tip bir endüstriyel robot dört ana kısımdan meydana gelir:

1.Bir mekanik yapı yada eklemlerle birbirine bağlanmış sıralı sert cisimlerden(uzuvlardan) oluşan manipülatör ; manipülatör , serbestliği sağlayan bir koldan(arm) , el becerisi sağlayan bir bilekten(wrist) ve robotun yapması gereken görevi tamamlayan sonlandırıcıdan(end effector) oluşmaktadır.

2.Eklemlerin hareketlenmesiyle manipülatörün hareketini sağlayan hareketlendiriciler(actuators-motors)

3.Manipülatörün veya çevrenin durumunu gözleyen algılayıcılar(sensors)

4.Manipülatör hareketini kontrol eden ve yöneten bir kontrol sistemi

 

 3.1 BİR ROBOTU OLUŞTURAN TEMEL ELEMANLAR

Robot teknolojisinde üretim ve tasarım sırasında dikkate alınması gereken yapılardır. Bu yapılar bir simülasyon programında tasarlandıktan sonra üretimine geçilebilir. Bu sayede milimetrik hatalar engellenmiş olacaktır.

Robotun ana parçaları manipülatör, kontrol ünitesi ve güç kaynağıdır (Sürücüler ve sürücü mekanizması)[6].

Robotu oluşturan temel elemanlar sırasıyla:

• Eklemler ve manipülatörler
• Bilek
• El ya da uç elemanı
• Sürücüler ve sürücü mekanizması
• Kontrol mekanizması
• Sensörler
• Arabirimler

 

3.1.1 Eklemler ve Manipülatörler
            Genelde ağırlığı azaltmak ve vites aksamı, elektriksel kablolama, kontrol işareti hatları ve hava boşluklarına yer sağlamak için içi boş olarak yapılırlar. Kolun doğru şekilde konumlandırılabilmesi için eklemler hassas olarak yapılmalıdır. Eklemlerin doğru ve yumuşak şekilde hareket etmeleri için bilyeli yataklar kullanılır[9].

 

1. Döner ( Revolute – R ) Eklemler: Menteşeye benzer ve iki uzuv arasında dönme hareketine izin verir.

Şekil 3.2 Döner tip eklem

2.      Kayar ( Prismatic – P ) Eklemeler: İki uzuv arasında doğrusal harekete izin verir.

 

Şekil 3.3 Kayar tip eklem

3.1.2 Bilek

            Bilekler kolun sonuna monte edilirler ve iki ya da üç bağlantı yeri içerirler. Genelde tek bir birim olarak yapılırlar. Bileğin üç hareketi (dönme, yuvarlanma, atma) mevcuttur. Robotun işi verimli ve hassas şekilde yapabilmesi bilek tasarımına bağlıdır[9].

3.1.3 El ya da Uç Elemanı
            Bileğin üzerinde bulunan bir yerleştirme elemanıyla bilek ile birçok uç elemanının kullanılması mümkündür. Genelde kullanılan uç elemanları, kavrayıcılar, pençeler, kaynak tabancaları, havalı tutuculardır. Bu projede uç eleman olarak bir DC motor kullanılmıştır.

3.1.4 Sürücüler ve Sürücü Mekanizması
            Manipülatörleri bağlantı yerlerinin etrafında hareket ettirmek için elektrik motorları, hidrolik sistemler ve pnömatik sistemler kullanılmaktadır[9].

Robotun kullanacağı alana ya da gerek duyduğu güce göre tahrik sistemleri 3 çeşittir[8]. Genellikle sanayide kullanılan bu sistemler:

1-  Hidrolik sistem
2-  Elektrikli sistem
3-  Pnömatik sistem

3.1.4.1 Hidrolik Sistem

Bu tip robotlar daha çok ağır endüstride kullanılırlar. Ürettikleri yüksek torka oranla tükettikleri güç düşüktür[1].

Hidrolik tahrik sistemi, robota büyük hız ve güç verir. Bu sistem, mafsalların doğrusal ve dairesel hareket etmesini sağlayacak şekilde tasarlanır. Hidrolik sistemin temel dezavantajı robotun fazla yer işgal etmesidir. Ayrıca, sızıntı problemi vardır. Yüksek hız ve güç sağladığından bu sistem birçok endüstriyel robotta kullanılmaktadır. Sprey boyamadaki gibi elektrikli sistemlerin yangın çıkartma tehlikesi yüksek olan alanlarda hidrolik robotlar kullanılmaktadır[6].

3.1.4.2 Elektrikli Sistem

Hidrolik sistemlerle karşılaştırıldığında, elektrikli sistemler, daha az hız ve güç sağlarlar. Bundan dolayı elektrikli sistemler daha küçük robotlarda kullanılır. Fakat bu sistemler daha hassas ve daha iyi tekrarlanabilme kabiliyetinde ve kullanımı daha temizdir. En yaygın olarak endüstride bu tip robotlar kullanılır. Nümerik kontrollü tezgâhlarda olduğu gibi bu tip robotlar iki grupta sınıflandırılır: Adım motorlular ve doğru akımlı servo motorlulardır. Adım motorlu robotların çoğu açık döngü tipindedir, fakat geri besleme döngüleri bu robotlarda ortaktır. Step Motorlar, diğer motorlara göre sürücü ünitelerinin ucuz olmasından dolayı tercih edilirler. Ayrıca konum kontrolünde daha hassas kontrol yapmaktadır. Daha çok robot tutucularında kullanımı yaygındır [9].

 Servo sistemli robotlar, sistem ile robot arasında sabit olan geri besleme döngülerine sahiptirler[6]. AC Servo Motorlar, DC Servo motorlara göre daha ucuzdurlar, bakıma az ihtiyaç duyarlar ve sessiz çalışma özellikleri vardır. DC servo motorların robotlarda kullanılmasının en önemnli nedeni düşük gerilimde yüksek tork üretmeleridir[1].

3.1.4.3 Pnömatik Sistem

Pnömatik sistemler birçok endüstriyel robotta tahrik sistemi olarak kullanılmakta olup, maliyetleri oldukça düşüktür. Ancak kontrolleri oldukça karmaşıktır[9]. Robot uygulamalarında en basit tasarıma sahip sürücülerdir[1]. Basit yapılı robotlarda eksen hareketlerinin tahrikinde kullanılırken, gelişmiş robotların tutucu kısımlarının tahrik edilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır[9].

Pnömatik tahrikli sistemler, genellikle daha küçük robotlarda kullanılır. Bu robotlar daha az serbestlik dereceli ve malzemeleri bir yerden alıp başka bir yere nakletme işlemlerinde kullanılır. Bu işlemler genellikle basit ve kısa sürelidir. Bunlar, sınırlı hareketler yapan sıra robotlardır. Bu robotların büyük avantajı basit modüler yapıda olduğundan standart mevcut parçaların kullanılmasıdır. Bu da, bir firma için maddi açıdan önemli ölçüde kazanç sağlar[6].

 3.1.5 Kontrol Mekanizmaları

    Kontrol mekanizmaları deyimi, kollar, bilekler ve uç elemanlarını uyumlu bir şekilde hareketini sağlamak ve yönlendirmekte kullanılan tüm cihazları içine alır.
Yönetim PLC (Programmable Logic Controller) devreler ve son zamanlarda bilgisayarlar ile yapılır. Ancak sanayi söz konusu olunca PLC daha çok tercih edilir[9].
Çünkü PLC’ler entegre devrelerden oluşur ve komutları harfiyen yerine getirir.

3.1.6 Sensörler

Robot sisteminin en önemli özelliği çevresini algılayabilmesi ve sonuçları değerlendirip harekete geçmesidir[9]. Kontrolleri sırasında, robotların çevresindeki karakteristik özelliklerine duyarlı olmalıdırlar. Bu karakteristikler, kontrol sistemlerinin, manipülatör hareketlerinin verimli olmasını mümkün kılmak için geri besleme sağlar ve robotlara da daha çok esneklik verir[6].   Kullanılan sensörler robotun yapması istenilen işe ve işin hassasiyetine göre seçilir. En çok kullanılan sensörler basınç, sıcaklık, optik ve lazer sensörleridir[9].

3.1.7 Arabirimler

Arabirimler, robotun dış dünyayla olan bağlantılarıdır. Yardımcı cihazlar, bilgisayarlar ve dış duyargalardan elektriksel işaretlerin alınmasını içerir[9].

 

4. ROBOTLARIN SINIFLANDIRILMASI

Robotlar, serbestlik derecelerine, kontrol yöntemlerine, eyleyicilerin kullandığı güç kaynağına, kesinlik derecelerine ve ikili harf kodu olmak üzere beş farklı şekilde sınıflandırılabilir[1].

Robotlar kapsama alanlarına göre Kartezyen, kutupsal ve silindirik olabilirler[8]. Anlaşıldığı kadar bir robotun sınıflandırılmasındaki en önemli kaide robotun çalışma alanı olduğudur. Endüstride jkullanılan robotların genelinde ilk olarak çalışma alanının verimliliği öne çıkmaktadır. Buna paralel olarak çeşitli tiplerde robotlar üretilmiş ve kullanıma sunulmuştur.

4.1 Serbestlik Derecelerine Göre Robotlar

Günümüz endüstrisinde genellikle altı serbestlik dercesine sahip robotların kullanılması tercih edilmektedir. Robotlar serbestlik derecesine göre sınıflandırılırken ilk 3 bağın eklem özelliği dikkate alınır. Eğer ilk 3 bağın tamamı prizmatik eklemlere sahipse, sonuçta oluşan kinematik düzleşime Kartezyen(PPP),  ilk bağ döner, ikinci ve üçüncü bağ prizmatik eklemlere sahipse, bu tip sınıflandırma silindirik(RPP),  ilk iki bağ döner üçüncü bağ prizmatik eklemlere sahipse ve bütün eklemler birbirine paralelse, SCARA(RRP), ilk iki bağ döner üçüncü bağ prizmatik eklemlere sahipse küresel(RRP), ilk üç bağın tamamı döner eklemlere sahipse sonuçta oluşan kinematik düzleşime ise dönel(articulated-RRR) sınıflandırma denir[1].

4.1.1        Kartezyen(PPP) Düzleşim

         Bu konfigürasyon en kısıtlı hareket serbestine sahip robot şeklidir[8]. Kinematik düzleşimi en basit olan robottur[1]. Robot üç boyutlu dikdörtgen prizması hacmi içindeki noktalara kolunu hareket ettirebilir[6]. X,Y,Z koordinat düzleminde her kol bir öncekine göre dik açıyla kayar. Dikdörtgen seklinde bir çalışma alanları vardır[7]. Bazı parçaların montajı için gerekli işlemler Kartezyen konfigürasyonlu robotlar tarafından yapılır[10]

 

                            

Şekil 4.1 Kartezyen düzleşimde çalışan robot kol

                     

Şekil 4.2 Kartezyen robotun çalışma alanı

Resim  4.1 Kartezyen Robot

4.1.2        Silindirik(RPP) Düzleşim

Silindirik düzleşime sahip bir robotun ilk eklemi dönel, ikinci eklemi birinci ekleme paralel ve prizmatik, üçüncü eklemse ikinci ekleme dik ve prizmatiktir[1]. Bu tip robotlar temel bir yatak etrafında dönebilir ve diğer uzuvları taşıyan gövdeye sahip özelliktedir[10]. Kolun birkaç hareketli kısmı vardır. Bu hareketli parçalar kolu yukarı-aşağı ve içeri dışarı harekete geçirir[6]. Hareket düşeyde ve ana gövde eksen kabul edildiğinde radyal olarak sağlanır ayrıca genellikle mekanik özelliklerden dolayı gövde tam olarak 360° dönemez[10].

             

   

  Şekil 4.3 Silindirik düzleşimli robot 

                            

Şekil 4.4 Silindirik robotun çalışma alanı

            4.1.3 SCARA(RRP) Düzleşim

SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly) düzleşimine sahip bir robot eklem yapısı(RRP) itibariyle kürsel düzleşime benzemesine rağmen eklemlerin geometrisi açısından tamamen küresel robottan farklıdır[1]. Kol kısmının birkaç hareketli kısmı vardır. Bu hareketli kısımlar koklu yukarı-aşağı ve içeri-dışarı hareket ettirir ve bilek kısmının dönmesini sağlar[8].  Scara tipi robot, çok yüksek hıza ve en iyi tekrarlama kabiliyetine sahip olan bir robot çeşididir[10].

Şekil 4.5 da verilen SCARA robotun üç genel özelliği vardır:

1.         Doğruluk,
2.         Yüksek hız,
3.          Kolay montaj

                        

Şekil 4.5 SCARA tipi robot     

                                        

 Şekil 4.6 SCARA robotun çalışma alanı

        4.1.4  Küresel(RRP) Düzleşim

         Küresel düzleşime sahip bir robotun ilk iki eklemi dönel, üçüncü eklemi ise prizmatiktir. Bu robot düzleşimine sahip robotlarda SCARA gibi endüstride oldukça fazla tercih edilir[1]. Bu tip bir manipülatör mekanik olarak silindirik ve kartezyenden daha zayıf ve daha karmaşıktır. Çoğunlukla makine montajlarında kullanılırlar. Yapısında elektrik motorları tercih edilir[11].

Şekil 4.7 Küresel robotun çalışma alanı

Resim 4.2 Stanford Arm küresel robotu

            4.1.5 Dönel(RRR) Düzleşim

            Dönel düzleşime sahip bir robotun üç eklemi de döneldir[1]. Bağlantı parçalarında oluşan bu robot kollar genellikle antropomorfik veya mafsallı robot diye adlandırılır[10]. İnsan yapısına benzer şekilde tasarlanmıştır. Robotun, insan omuzu, dirsekl ve bilek mafsallarının yaptığı hareketlere benzer hareketler yapabilmesi için hareketli parçalar mafsallarla birleştirilmiştir[6]. Bu robotlar altı eksende de rahatça hareket ederler. Bu altı eksenden 3 y-tanesi kol hareketi için, diğer üç tanesi ise bilek hareketi içindir[10]. Yaygın bir şekilde kullanılır çünkü otomotiv endüstrisindeki nokta kaynağı ve boyama işlerinde olduğu gibi hareketleri yapabilecek kabiliyettedir[8].

                

Şekil 4.8 Dönel düzleşime sahip robot kol  

 Resim 4.3 Mafsallı Robot

            4.2              Kontrol Yöntemlerine Göre Robotlar

Kontrol yönünden iki alt sınıfa ayrılırlar.

4.2.1              Noktasal Kontrol Edilen Robotlar

Bu sınıfa giren robotların serbestlik dereceleri genelde altıdan düşüktür. Bir nesneyi bir yerden başka bir yere yerleştirmede (pick and place) kullanılır[1].

4.2.2        Sürekli Yörünge Kontrollü Robotlar

Bu robotlar belirli bir yörüngeyi izleyecek şekilde bir kullanıcı tarafından kontrol edilirler[1]. Yol boyunca tüm noktalar, robotun denetim belleğinde kesin olarak kaydedilmelidir. Düz hat eylemi bu tip robot için en basit örnektir[6]. Kaynak işlerini gerçekleştiren robotlar bu sınıfa girer[1]

4.3      Kesinlik Derecelerine Göre Robotlar

 Kesinlik derecelerine göre robotlar üçe ayrılır[1].

    4.3.1        Çözünürlük

Bir robotun çözünürlüğü, robotun iş hacmini bölebildiği hareketinin en küçük artışıdır[6]. Çok küçük yer değiştirmeyi gerçekleştirme yeteneği olan çözünürlük endüstriyel gelişmelere paralel olarak her geçen gün artmaktadır[1].

4.3.2        Doğruluk

Doğruluk bir robotun hareket edebilmesi için yazılan proğramın, uç işlevci tarafından gerçekleştirilme dercesidir[1]. Doğruluk çözünürlükle doğrudan ilişkilidir. Çünkü uzaydaki bir noktaya ulaşmak için robotun kabiliyeti, mafsal hareketlerini küçük artışlara bölme özelliğine bağlıdır[6].

4.3.3        Tekrarlanabilirlik

Robotun uç işlevcisinin birçok işlemi gerçekleştirdikten sonra tekrar aynı noktaya gelebilme özelliğidir[1].  Şekil 4.11a'daki uzaysal çözünürlüğün sınırlarından dolayı hassasiyet, B noktası olacaktır. A ve B noktaları arasındaki mesafe, uzaysal çözünürlükten dolayı robotun sınırlandırılmış hassasiyetinin bir sonucudur. Robota B noktasına gitmesi söylendiğinde, onun yerine C noktasına gidecektir. B ile C noktaları arasındaki mesafe, robotun tekrarlanabilirlik sınırlarının üzerindeki bir sonuçtur. Bu arada, robota B noktasına gitmesi söylendiğinde, robot, her zaman C noktasına gitmeyecektir. Bunun yerine C noktası civarında bir kümeleşme olacaktır. Tekrarlanabilirlik hataları genellikle normal dağılım şeklinde farz edilir. Bahsedilen hata kümesi geniş ise burada hassasiyet düşüktür denilir. Bu arada, hataların standart sapması düşük olursa bu durumda da tekrarlanabilirliğin yüksek olduğu söylenir[6].

Şekil 4.9   a) Çözünürlük ve tekrarlanabilirlik

b) Yüksek çözünürlük ve yüksek tekrarlanabilirlik

c) Yüksek çözünürlük düşük tekrarlanabilirlik

d)Düşük çözünürlük düşük tekrarlanabilirlik

5. İŞ HACMİ VE BENZETİM

 

5.1 İş Hacmi

            Görüldüğü gibi gelişen dünya teknolojisinde bugün artık neredeyse tüm sektörlere girmiş olan robot kollar öne çıkmaktadır. Bununla beraber bu kadar farklı üretimin içinden benzer olan robot kollar arasından seçim yapmakta zorlaşmaktadır. Seçim yaparken gerekli olan robot kolun iş hacmini belirleme kısmı öne çıkmaktadır.

 Çalışma hacmi veya çalışma zarfı olarak da bilinen iş hacmi, robot kolunun ulaşabildiği noktaları içeren hacimdir. Robotun ulaşamadığı yerler iş kapsamı içinde düşünülemez. Uygun bir robot seçiminde iş hacmi en önemli karakteristiklerden birisidir[6]. Çünkü uygulama alanı seçilen iş hacmi dışına çıkmamalıdır. Örneğin bir kartezyen konfigürasyonunun iş hacmi dikdörtgendir. Silindirik konfigürasyonun iş hacmi ise içi boş silindir şeklindedir.

            İş hacminin belirlenebilmesi için ise seçimi yapılacak robot kolunun bir benzetiminin yapılması gerekmektedir. Benzetimle iş hacmi belirlenip daha sonra bu benzetime uygun robot kolunun seçimi sağlanabilir. Ayrıca benzetim sayesinde robot kol için yazılan programın doğruluğu da her hangi bir zarar oluşmadan test edilebilir.

 

5.2 Benzetim

            Benzetim fiziksel bir etkinliği gerçekleştirmeden önce bilgisayar ortamında gerekli programlar yardımıyla olayı canlandırma işlemine denir[1]. Robot programları gerçek robotlar üzerinde denenmeden önce benzetim programları vasıtasıyla test edilebilir. Yazılan robot programının eksik olması durumunda robot beklenmeyen hareketler yaparak kendine ve çevresine zarar verebilir. Benzetim sayesinde robotun yapabileceği hareketleri önceden simülasyon ortamında görerek oluşabilecek tehlikeler ortadan kaldırılmış olur. Böylece bu programlar hem ekonomik hem de zamandan tasarruf sağlar[1]. Benzetim programları çevrimiçi ve çevrimdışı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.

            Çevrimiçi programlama tamamen üretim aşamasında gerçekleştirilir. Çevrimiçi programlama robotun çalışma alanının çok karmaşık ve değişken olduğu ortamlarda avantaj sağlar.

            Çevrimdışı programlama tamamen bilgisayar ortamında yapılmaktadır. Bu tür programlama kullanıcıya doğruyu bulana kadar deneme imkanı sağlar. Bu programlama sayesinde robotun her parçası üç boyutlu olarak bilgisayar ortamında modellendiğinden çarpışma ihtimali ortadan kalkar[1].

 

5. SERVO KONTROLLÜ ROBOT KOL 

 

            Daha önceki bölümlerde genel bir robot kavramı üzerinde durulmuş ve ayrıntılı olarak çeşitleri ve kullanım alanlarından bahsedilmiştir. Metnin bundan sonraki kısımlarında BALDEL2010 isimli proje üzerinde durulacak, kontrol devreleri ve bu devrelere bağlı olan yan devre ve elemanlar hakkında bilgiler verilecektir. Şimdi BALDEL2010 ‘un nasıl çalıştığına bir göz atalım.

Resim 5.1 Seçim ekranı

Resim 5.1 de görüldüğü gibi proje iki modda çalışmaktadır. Bunlardan biri sensorlu mod diğeri ise butonlu mod dur. Aşağı ya da yukarı butonlara basarak seçim yapılmaktadır.

Sensorlu modda mikrodenetleyici sensörlerden veri alış verişinin olup olamadığını sürekli kontrol etmektedir. Gelen bilgilere bağlı olarak hangi sensörden veri geliyorsa onun için program içinde hazırlanan bölüm devreye girmekte ve mikro denetleyici uygun komutları vererek sırasıyla servo motorları çalıştırmaktadır. En sonunda DC motor çalışmakta ve görev gerçekleştirilmiş olmaktadır. Kol konumunu sensörden veri kesilene kadar korumaktadır. Ne zaman ki sensör veri göndermemeye başladı işte o zaman mikro denetleyici DC motoru durdurmakta ve kısa sürede servo motorları sıfır konumuna geri getirmektedir.

 

 Resim 5.2 Sensörlü mod bekleme   

 Resim 5.3 Sensö2 devrede

            Sensörlü mod seçildikten sonra karşımıza gelen ekran Resim 5.2 de görülmektedir. Bu ekran sensörlerden herhangi birinden veri gelene kadar bu şekilde kalmaktadır. Resim 5.3 de ise sensör1 den veri geldiğini ve bu veriye bağlı olarak gerçekleşen işlem görülmektedir. DC motor sensörden veri geldiği sürece çalışacaktır. Sensör 0 konumuna geçtiğinde Dc motor duracak ve servolar sıfırlanacaktır.

Manüel mod yani butonlarla kontrol edilen modda ise 4 servo motor için 3 adet konum tanımlanmıştır. İki tane servo motor kolun omuz kısmını kontrol etmektedir. Ağırlığın büyük kısmının buraya düşeceği düşünülerek bu iki motor buraya bağlanmıştır. Konum1 tabandaki yani görünmeyen bölge olarak nitelendirdiğim en alt kısmı kontrol etmektedir. Konum2 omuz diye adlandırdığım iki adet servonun bulunduğu noktayı kontrol etmektedir. Ve son olarak Konuım3 ise dirsek kısmındaki servo motorun konumudur. Butonlu modda bunlar sırasıyla en fazla iki defa girilebilmektedir. Her konum ayarlandıktan sonra kayıt butonuna basılarak motorun o anki konumu kaydedilmektedir. En sonunda DC motor çalışmakta ve delme işlemi başlamaktadır.

Aşağıdaki resimlerde sırasıyla konumların girilmesini ve en sonunda DC motorun çalıştığını gösteren ekran resimleri bulunmaktadır. Konumlar girildikten sonra Konum2 tekrar girilmesi istenmektedir. Bunun amacı delme sırasında kolun yüzeye bastırılmasını sağlamaktır. Böylece oluşan kuvvetle DC motor delme işlemini gerçekleştirebilecektir. Delme işlemi tamamlandıktan sonra Kaydet butonuna basıldığında servo motorlar sıfırlanacak ve bekleme konumuna geçilecektir.

                

                      

Resim 5.4 Konum1 giriş ekranı 

 Resim 5.5 Konum2 giriş ekranı

Resim 5.6 Konum3 giriş ekranı   

  Resim 5.7 DC aktif Konum2 bekleniyor

            

                                   

Şimdi sırasıyla devre kartının çalışmasını sağlayan programlama dili olan JAL hakkında kısaca bir bilgiye yer verilecektir daha sonra ise kontrol devrelerini ve bu devrelere bağlı olan elemanlardan bahsedilecek ve aşağıdaki soruların cevapları aranılacaktır.

1. Mikro Servo motor nedir? Nasıl çalışır? Yapısı nasıldır?
2. Sensör nedir? Nasıl çalışır? Devredeki sensörlerin yapısı nasıldır?
3. DC motor nedir? Nasıl çalışır? Yapısı nasıldır
4. Güç kaynağı nedir? Nasıl yapılmıştır? Özellikleri nelerdir?
5. Kontrol kartı nedir? Çalışma şekli nasıldır? Üzerinde bulunan PIC16F877A özellikleri
6. nelerdir? Nasıl çalışır?
7. Kontrol kartı devresi nasıl yapılmıştır?

7. JAL PROGRAMLAMA DİLİ

BALDEL2010 projesinde Jal programlama dili seçilmiştir. Bunun sebebi olarak da daha önce programlama dili bilinmemesi ve proje isteklerine en kısa zamanda cevap verebilecek temel bilginin alınabileceği bir programlama dili olarak bunu görülmesidir. Araştırmalar sonucu bu bilgi elde edilmiş ve kitabı alıp okunduğunda gerçekten işe yarayacağı anlaşılmıştır. Bu andan itibaren deneme yanılma yoluyla projenin ana hatlarını tamamlanmıştır. Aşağıda JAL programlama dili ile ilgili biraz bilgi verilmiştir.

JAL, PIC mikro denetleyicileri için geliştirilmiş ücretsiz, yüksek seviyeli ve açık kaynak koduna sahip bir derleyicidir. JAL ücretsiz olması sebebiyle internet üzerinden rahatlıkla indirilebilir ve lisans problemi yaşamadan gönül rahatlığı ile kullanılabilir. JAL’ın açık kaynak kodlu olması sebebiyle kullanıcılar JAL’ın kaynak kodlarından yararlanıp programlar yazabilir veya JAL’ın kaynak kodlarını geliştirebilirler. JAL yazım kuralları olarak PASCAL ve C’yi temel almış olup oldukça  sade ve anlaşılır bir program yazım tekniği kullanır. Dolayısıyla önceden PASCAL veya C kullanan kişiler hızla JAL’a uyum sağlayabileceklerdir. Yeni başlayanlar ise kolay yazım kuralları sebebiyle uyum sağlamakta zorluk çekmeyeceklerdir.

JAL kullanarak PIC16C84, PIC16F84, PIC16F877, PIC12C509A, PIC12C508, PIC12CE674, PIC16F628, PIC18F252, PIC18F242, PIC18F442, PIC18F452, PIC12F629, PIC12F675, PIC16F88 isimli PIC’ler için program yazılabilir. Ayrıca temel mimarisi aynı olan mikro denetleyiciler için de program yazılmasına imkan sağlar. Örneğin PIC16F628 için yazılacak bir JAL programı, PIC16F628 ile aynı emel özelliklere sahip PIC16F627 ve PIC16F648 için de kullanılabilir.

JAL, en büyük açık kaynak kodu geliştirme organizasyonu olan sorceforce.net tarafından geliştirilmektedir. JAL hakkında yeni bilgilere http://jal.sourceforge.net/ adresinden ulaşılabilir.. JAL hakkında internette bulunan birçok haber grubu ve web sitesi sayesinde de kullanıcılar rahatlıkla istedikleri bilgiye ulaşabileceklerdir [11].

 

8. MİKRO(RC)  SERVO MOTOR

 

Resim 8.1 Mikro servo motor

 

“Servo” otomatik kontrol sistem için kullanılan genel bir addır. Latin kökenli bir kelime olan “servus” yani “köle” den gelmektedir[14].

RC servo model uçak, araba, tekne ve küçük güçteki robot uygulamalarında kullanılan motor çeşitlerindendir[12]. Servo motorlar torsiyonu yüksek, devirleri düşük, hassasiyetleri yüksek mekanik kontrol elemanlarıdır[13]. Servo motorun üç bağlantı ucu vardır. Bunlar bu projede kullanılan motorlar için sırasıyla Kahverengi(toprak), Kırmızı(+5V) ve Sarı(sinyal) uçlarıdır.

Bir servo motor içerisinde:

-          DC motor

-          Çıkış şaftı ve dişliler

-          Pozisyon sensörü

-          Kontrol devresi

bulunmaktadır[14].

 

Resim 8.2 Servo mekanik görünüm

Resim 8.3 Servo elektronik denetim PCB

Bu tip sistemler besleme terminallerine gerekli voltaj değeri verilir verilmez çalışmazlar. Çalışmaları için ayrıca besleme terminalleri dışında yer alan kontrol terminaline de PWM işaret yollamanız gerekir[13].

DC motor RC servo motora hareketi sağlayan elemandır. Dişliler motordan aldığı hareketin devrini düşürüp güçlendirmek için kullanılırlar. Servonun gücü motorun gücü ve dişlilerin devir düşürme oranına bağlıdır. Potansiyometre RC servonun milinin konumunu anlamakta kullanılır. Elektronik devre sinyal hattından gelen sinyali çözer bu sinyal ile potansiyometreden aldığı RC servonun o anki konumunu karşılaştırarak RC servoyu gerekiyorsa yeni konumuna yönlendirir[12].

 

 

Şekil 8.1 Şervo motor denetim çevrimi

Bu proje için alınan servolar TowerPro SG91R ½ metal dişli olan servolardır. Ve özellikleri:

Ağırlık: 12g

Boyutlar:23*12.2*29mm

Tork: 2kg/cm(4.8V)

Çalışma hızı: 0.1s/60derece(4.8V)

Çalışma gerilimi: 4.8V

Çalışma sıcaklığı: 0℃_ 55℃  (TowerPro)

 

Bu değerlerden anlaşılacağı kadar servonun kolundan 1 cm uzaklığa bağlanan yüke uyguladığı torkun 2kg/cm olduğu görülmektedir. Bu boyuttaki bir motordan çıkabilecek en iyi güçtür denebilir. Birçok kullanım alanı bulmasının sebebi de böylece anlaşılmış olmaktadır. Ayrıca hafif olması da bir avantaj sayılabilir. Bu tür bir servo motorun kontrolü için pwm işaretlerinin uygulanması gerekmektedir.

Bunun için şu tablo geçerlidir:

 

Vuru genişliği	Açı	Yorum
0.6  ms	-90 derece	Minimum vuru uzunluğu
1.5  ms	0 derece	Merkez vuru
2.4  ms	+90 derece	Maksimum vuru uzunluğu

           

Çizelge 8.1 Mikro servo vuru denetim süreleri

 

Tablodaki değerler açıklanacak olursa,  robot kol da bulunan bir servoya 0.6ms pwm işareti uygulandığında motor en sağ konumda yani yaklaşık olarak -90 derece civarında olacaktır. Eğer servoya 0.6ms den daha büyük 1.5ms den küçük bir süre boyunca pwm işareti uygulanırsa servo sola doğru hareket etmeye başlayacaktır. 1.5ms işaret uygulandığında ise 0 derece yani tam ortaya gelecektir. 2.4ms ye kadar artırıldığında ise en sol kısma yani +90 derece konumuna gelmiş olacaktır.

 

9. SENSÖRLER

 

            Sensörler(Algılayıcılar) fiziksel ortam ile elektrik ortam arasında haberleşmeyi sağlayan aygıtlardır. Ortamdan aldığı fiziksel bilgiyi elektriksel bilgiye dönüştürerek sistemin kararlı çalışmasını sağlamaktadırlar. Günümüzde üretilmiş yüzlerce tip algılayıcıdan söz edilebilir. Mikro elektronik teknolojisindeki inanılmaz hızlı gelişmeler bu konuda her gün yeni bir buluş ya da yeni bir uygulama tipi geliştirilmesine olanak sağlamaktadır[15].

Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi bir sensör çevresine karşı duyarlıdır.  Sensör tarafından dış dünyadan sensöre gelen ya da yansıyan fiziksel bir olay gerilime yada akıma çevrilmekte daha sonra bu gerilim veya akım işaretleri örneklenmektedir(filtreleme). AD dönüştürücü ile işaretler ikili (0 ya da 1) sayı koduna çevrilerek bilgisayar ara birim kartı ile verilerin okunması sağlanmaktadır. Burada bilgisayarın yerini bu projede bir mikroişlemci üstlenmiştir.

Şekil 9.1 Sensör- Mikrodenetleyici(bilgisayar) çalışma şeması

 

 

Aşağıda bazı algılayıcılar ve hangi özellikleri ölçtüklerini görebilirsininiz[16].

• ·         Kontak                         temas, anahtar
• ·         Uzaklık                        ultrasound, radar, infrared
• ·         Işık parlaklık seviyesi  photocell, kamera
• ·         Ses şiddeti                  mikrofon
• ·         Dönme                        enkoder
• ·         Magnetizm                  pusula
• ·         Koku                           kimyasal
• ·         Sıcaklık                       termal
• ·         Basınç                        basınç odacıkları
• ·         Yükseklik                    altimetre

·         Ve diğerleri…

 

Günümüzde çok çeşitli sensörler üretilmektedir. Fakat belli başlı sensör tipleri vardır. Bu bölümde sadece sensörlerin aktif ve pasif karakterlerine göre ayrım yapılacaktır. Pasif algılayıcılar çalışırken dışarıdan enerjiye ihtiyaç duyan elemanlardır. Aktif algılayıcılar ise çalışmak için dışarıdan bir enerji kaynağına ihtiyaç duymazlar[18].

Aşağıda aktif ve pasif algılayıcılara örnekler verilmiştir:

 

Pasif Algılayıcılar                                                         

1. Anahtar tipi algılayıcı                                
2. Kontak algılayıcı
3. Limit algılayıcı
4. Işık algılayıcı
5. Dirençsel pozisyon algılayıcı
6. Potansiyometre
7. Piezoelektrik film algılayıcı
8. Sıcaklık algılayıcı
9. Basınç algılayıcı

     Aktif Algılayıcılar

1. Şaft pozisyon algılayıcı
2. Infra Red algılayıcı
3. Yakınlık algılayıcı
4. Ultrasonik uzaklık algılayıcı

Baldel2010 projesinde bir ışık algılayıcı kullanılmıştır. Bu algılayıcı bizzat kendim tarafından yapılmış olup basit bir algılama düzeneğine sahiptir. Bundan iki adet yapılmış ve BALDEL2010’un iki yanına monte edilmiştir. Bu algılayıcılar vasıtasıyla sistem kontrollü bir şekilde çalışmaktadır. Şimdi bu algılayıcıların nasıl yapıldığının anlatılmasına geçilecektir.

Algılayıcının çalışma prensibi alıcı ve verici arasındaki ışığın bir cisim tarafından kesilmesi ve algılayıcının var-yok diğer bir ifadeyle 1-0 ikili sayı sistemine dayanmaktadır. Bu bir adet foto diyot ve bir adet fototransistor aracılığıyla sağlanmıştır. Fototransistor foto diyottan aldığı ışık vasıtasıyla çalışmaktadır. Piyasada H21A1 adı altında kolayca temin edilebilmektedir.

 

Resim 9.1 Baldel2010 sensörü

 Şekil 9.2 Sensör yapısı

                                      

Yukarıdaki resimde proje için yapılan algılayıcı görülmektedir. Ve yanında içeriğinde ne olduğu açıkça gösterilmiştir. Şimdi bunun kontrol devremize nasıl bağlandığını gösteren Proteus çizimini gösterelim.

Şekil 9.3 Sensör devre bağlantısı

Bu devre ile sensörden alınan bilgi PIC girişinin pic bacağına bağlanmasıyla doğrudan mikroişlemciye bildirilmektedir. Yapılan algılayıcı aslında bir optocouplerdür. Arada bulunan ışığın kesilmesiyle algılama işlemi yapılmaktadır. Bu algılayıcı  normalde lojik 0 çıkışı verirken araya bir cismin girmesiyle ışınım kesildiği için transistor iletimde olamayacak ve 47kohm direncine bağlı olan +5V gerilimi doğrudan mikroişlemci bacağına uygulanarak bu bacağın durumunu lojik 1 yapacaktır.

       

10. DC KONTROL BİRİMİ

             Elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren elemanlara “motor” denir. Elektrik motorları AC ve DC olmak üzere 2 türdür. DC motorlar çalışması ve kullanımı bakımından en kolay öğrenilebilecek motorlardır. Bir mıknatısın N ve S kutupları arasına bir bobin yerleştirilip, bobinden akım geçirilirse iletken manyetik alanın dışına itilir ve bunun sonucunda bir hareket meydana gelir. Basit bir DC motor bu prensibe göre çalışır[21].

 

Şekil 10.1 DC motor yapısı

DC motorları doğru akım enerjisini hareket enerjisine çevirirler. Bu tarz motorlar yapısına göre fırçalı ve fırçasız olmak üzere iki grupta incelenebilir. Şekil 10.1’de fırçalı dc motor görülmektedir. DC motorlar mikrodenetleyicilere genellikle bir sürücü devre ile bağlanırlar. Bunun nedeni mikrodenetleyicilerin motor için gerekli akımı sağlayamamasıdır. Motor sürücü devresi, mikrodenetleyici ve motor arasına uygun bir şekilde bağlanır. Mikrodenetleyici, sürücü devreyi kontrol ederek motorun hızını ve yönünü tayin edecektir.

DC motoru tek yönlü çalıştırmak için tek bir transistor yeterlidir. Motorun çalışması için gerekli akım BDX53 isimli 8 amperlik bir darlington güç transistoru üzerinden geçer[12]. Motorların içerisinde bobinler bulunur ve bobinler üzerinden akım geçirildiğinde bobin üzerinden geçen akıma zıt bir gerilim indüklenmesi olur. Bu gerilim besleme gerilimi ile birleşip kontrol elemanı olan transistor veya FET gibi elemanları bozabilir. Motora paralel bağlanacak bir diyot, motor üzerinde oluşabilecek bu zıt gerilim indüklenmesini üzerinden deşarj ederek engellemektedir[12]. 

Resim 10.1 DC motor ve sensör kontrol devresi

 

Resimdeki devrede bir adet BDX53 transistoru ve buna bağlı 47kohm, 100ohm ve 1n4001 diyotu vardır. Bunların haricinde sensör bağlantıları da bu devre üzerinde gerçekleştirilmektedir. İki adet sensör için dişi girişler mevcuttur. Ve DC motor için de ayrı yeten bir bağlantı vardır. Bu devre Dc motoru sürmekte ve sensörleri besleyerek onları uygun gerilim değerlerinde tutmaktadır.

Şekil 10.2 BDX53 transistor

BDX53, 8 ampere kadar dayanıklı Darlington güç transistörüdür. Genel amaçlı amfi devreleri ve düşük hızda anahtarlama için dizayn edilmiştir. Bu devrede DC motor için anahtarlama yapmaktadır.

 

 

 

Şekil 10.4 DC motor ve sensörlerin devre bağlantı şeması

 Yukarıdaki resimde ise devrenin tamamı açıkça gösterilmiştir. İki adet sensör ve bir adet DC motor bu devrede gösterilen bağlantı noktalarına bağlanmaktadır. Bu devreden çıkan 3 adet pic16F877A bağlantısı da doğrudan ana devreye bağlanmaktadır. Devre gücünü ana devrede bulunan servo motor bağlantılarından paralel olarak almaktadır.

11. GÜÇ KAYNAĞI

 

    Güç kaynakları devreyi akımla besleyen kısımlardır. Devrenin ihtiyacına göre tasarlanırlar.

    Güç kaynakları dört bölümden oluşur[19]:

1. AC gerilimi düşürme
2. AC gerilimi doğrultma
3. Dalgalı DC gerilimi filtreleme
4. Regüle etme

 

Şekil 11.1Güç kaynağı blok şeması

Birinci bölüm transformatörlerle gerçekleştirilir. Transformatörler AC gerilimi düşürür veya yükseltirler. Besleme katındaki transformatör gerilim düşüren transformatörlerdendir. Güç kaynağı ile çalışacak devrenin çalışma gerilimi ve çekeceği maksimum akım düşünülerek, transformatörün gücü ve çıkış gerilimi belirlenir.

İkinci bölüm ise düşürülen AC gerilimin doğrultma işlemi yapılmaktadır. Güç kaynaklarında genelde tam dalga doğrultma kullanılır.

Tam dalga doğrultma devrelerinde en çok tercih edilen metot ise köprü tipi tam dalga doğrultmadır.

  Şekil 11.2 Köprü diyot 

Şekil 11.3 7805 Regülatör entegresi  

Şekil 11.4 Kondansatör

Üçüncü bölümde ise doğrultucudan geçen dalgalı DC gerilimin filtreleme işi yapılır. Güç kaynaklarında genelde ön filtreleme için kondansatörler kullanılır. Filtre devreleri diyotların çıkışındaki salınımlı DC’yi filtreleyerek düzleştirmeye yararlar[20].

Dördüncü bölümde ise DC gerilimi regüle etme(sabitleme) işlemi yapılır. Regüle devreleri kararlı ve düzgün bir DC gerilim oluşturur[20]. Regüle etme yük tarafından çekilen akımların elde edilmesini sağlayabilmek, aynı zamanda gerilim düşmesine engel olmaktır. Regüle devrelerinde genelde kullanılan elemen Zener Diyot ve transistor dür. Regüle işlemi için entegreli gerilim regülatörleri de kullanılmaktadır[19].

    BALDEL2010 için hazırlanan güç kaynağı bir adet 25W trafo tarafından beslenmektedir. Bu trafo gereğinden fazla güçlüdür yani kullanılması için özellikle seçilmemiştir. Tek sebep malzeme olarak elde bunun olmasıdır. Bu trafonun 7.5V çıkışından alınan bir hattın doğrultucu ve filtre devreleri vasıtasıyla 7805 regülatörüne bağlanarak 5V çıkış gerilimi elde edilmektedir. Güç kaynağı, devre çalışır durumdayken fakat hiçbir işlem yapmazken 90mA akım çekmektedir. Çekilen bu akım sayesinde motorlar her an hazır tutulmaktadır. Servo motorlar çalışmaya başladığında ise yaklaşık olarak 250mA akım çekilmektedir. Akım uçtaki DC motorun zorlanması veya servo motorların zorlanmasıyla maksimum olarak 600mA olabilmektedir. Bu güç kaynağı ile dört adet servo motor, bir adet DC motor ve iki adet sensör beslenmektedir. Ayrıca güç kaynağı maketin alt kısmına konulmuş ve böylece ağırlık olarak da kullanılması amaçlanmıştır. Aşağıda güç katının devre şeması verilmiştir.

 

Şekil 11.5 Güç kaynağı devre şeması

 

Yukarıdaki devrede tam dalga doğrultucu devresi kullanılmıştır. Daha sonra doğrultularak elde edilen DC gerilimin daha kararlı olmasını sağlamak için filtreleme yapılmıştır. Bunun için 2200uF kondansatör ve bunun çıkışındaki parazitleri yok etmek için 330nF değerinde bir başka kondansatör bağlanmıştır. Sonra çıkış regülatör entegresine bağlanarak 7.5V DC gerilim 5V DC gerilime düşürülmüştür. Bundan sonra yine bir filtreleme yapılarak çıkış kullanılabilir duruma getirilmiştir. Aşağıda bu güç kaynağına ait resimler vardır.

 

Resim 11,1 Güç kaynağı devresi üstten görünüşü

 

            7805 regülatörünün üzerine soğutucu takılmıştır. Bununla regülatörün fazla ısınması engellenmeye çalışılmıştır. Tam dalga doğrultucu olarak bir adet bütünleşik diyot kullanılmıştır.

 

Resim 11.2 Transformatör ve devre

 12. KONTROL KARTI VE YAPIM AŞAMALARI

         BALDEL2010’da bulunan servo motorlar, dc motor, algılayıcılar ve kumanda kutusunda kullanıcıyı bilgilendirmek için konulmuş olan LCD ekranı çalıştırabilmek için bir kontrol kartına ihtiyaç duymaktadır. Bu kısımda BALDEL2010’u idare eden kumanda kartının nasıl yapıldığı anlatılmıştır.

 

Şekil 12,1’de görülen kontrol devresinin üzerinde bulunan elemanların dökümü:

• PIC16F877A
• BDX53
• 2 X 16 LCD
• 2 ADET KARŞILIKLI OPTİK ALGILAYICI
• 4 ADET MİKRO SERVO MOTOR
•  DC MOTOR
•  1N4001
•  1N4148
•  4MHz KRİSTAL
•  10KOHM, 1KOHM, 47KOHM VE 100OHM DİRENÇLER
•  22pF KONDANSATÖRLER
•  KIRMIZI VE YEŞİL LED’LER

 

Aşağıdaki şekilde görülen Proteus programında çizilen kontrol kartı devresi 4 adet alkaline pil ile beslenmektedir.

Şekil  12.1 BALDEL2010 devre şeması

Şimdi bu devrede öne çıkan elemanların özelliklerine göz atalım.

12.1.1 PIC16F877A MİKRODENETLEYİCİSİ

Mikro denetleyici, bir bilgisayarın temel özelliklerini içeren tek bir silikon kılıf içerisinde toplanmış bir tüm devre olarak düşünülebilir. Genel olarak bir mikro denetleyici, bir mikroişlemci çekirdeği, program ve veri belleği, giriş/çıkış birimleri, saat darbesi üreteçleri, zamanlayıcı/sayıcı birimleri, kesme kontrol birimi, analog-dijital ve dijital-analog çeviriciler, darbe genişlik üreteci, seri haberleşme birimi ve daha özel uygulamalar için kullanılan diğer çevresel birimlerden meydana gelmektedir. Mikrodenetleyici temel olarak dört bileşenden oluşmaktadır. Bunlar mikroişlemci, bellek, giriş/çıkış birimi ve saat darbe üretecidir[21].

 

12.1.2 Mikrodenetleyici Mimari Özellikleri

Mikroişlemci ve mikro denetleyiciler bellek kullanımı açısından Von Neuman ve Harvard; komut işleme açısından ise RISC ve CISC olarak adlandırılan mimariler temel alınarak tasarlanırlar.

Program belleği, program çalışırken kullanılacak kodun saklı tutulduğu hafıza alanıdır. Veri belleği, çalışma esnasında saklanması gereken verilerin tutulduğu bellek alanıdır. Von Neuman mimaride, program ve veri bellekleri aynı yapının içindedir. Harvard mimarisinde ise program ve veri bellekleri ayrı yapılar olarak tasarlanmıştır. Başlangıçta Von Neuman mimari yapısı kullanılmasına rağmen, günümüzde Harvard mimarisi yaygınlık kazanmıştır.

Karmaşık komut kümeli bilgisayar anlamına gelen CISC(Complex Instruction Set Computer) mimaride donanımın, her zaman yazılımdan daha hızlı çalıştığı gerçeği temel alınmıştır. CISC mimarisinde her işlem için farklı bir komut oluşturulmuştur.

Bu, programlayıcı açısından daha kısa programlar yazarak sonuca ulaşmak anlamı taşısa da karmaşık donanımsal yapısı, mimarinin dezavantajı olmaktadır. Azaltılmış komut kümeli bilgisayar anlamına gelen RISC(Reduced Instruction Set Computer) mimaride ise daha basit ve az sayıda komutlar kullanarak tüm devre karmaşıklığı azalmıştır. RISC mimaride kullanılan daha az, basit ve hızlı komutlar, uzun, karmaşık ve daha yavaş CISC komutlarından daha verimlidir[21].

  

 

12.1.3 PIC16F877A Özellikleri

Microchip firmasının üretmiş olduğu PIC16F877A mikrodenetleyicisi, PIC16FXXX ailesinin bir üyesidir. Komut işleme açısından RISC mimari, bellek kullanımı açısından Harvard mimarisi tercih edilerek tasarlanmıştır. Bu mikrodenetleyicinin genel özellikleri Çizelge

12.1’den incelenebilir.

 

Özellikleri	PIC16F877A
Çalışma hızı	DC-20 Mhz
Program belleği	8Kx14 words Flash bellek
Veri belleği(RAM)	368x8 bytes
EEPROM veri belleği	256x8 bytes
Giriş/çıkış port sayısı	33
Timer/Counter	Timer0, Timer1, Timer2
2x Capture, Compare ve PWM Modülleri	16bits, 16 bits, 10 bits
Seri Çevresel Arayüz	SPI (Master mod) ve I2C (Master/Slave) SPI Port (senkron seri port)
USART/SCI	9 bits adresli
Paralel Slave port	8 bits, harici RD,WR ve CS kontrollü
Analog özelliği	10 bits 8-kanal A/D çevirici

 

Çizelge 12.1 PIC16F877A genel özellikler

Mikrodenetleyicide, 15 farklı olay için interrupt (kesme) özelliği tanımlanmıştır. Ayrıca 8 katlı tasarlanmış stack (yığın) yapısı iç içe sekiz alt program çağırılmasını mümkün kılmaktadır. PIC16F877A mikrodenetleyicisinin bellek yapısı üç ayrı bloktan oluşur. Flash bellek, uzun ömürlü, fakat mikrodenetleyiciye yazma süresi uzun olan, programın kayıt edildiği bellektir. Programların kullandığı değişkenler için kullanılan bellek alanı ise statik RAM bellektir.

RAM bellek, enerji kesildiğinde sahip olduğu verileri kaybeder. Son bellek bloğu ise yazılması ayrıca bir programlama tekniği gerektiren EEPROM bellektir [21]. Mikrodenetleyicide tüm aritmetik ve lojik işlemlerin gerçekleştirildiği kaydediciye “akümülatör” denilmektedir. PIC16F877A mikrodenetleyicisinde bu görevi “W” kaydedicisi yapmaktadır. Merkezi işlem birimi tarafından yürütülecek komutun adresini tutan özel tanımlı kaydediciye program sayacı denir.

 

12.1.4  PIC16F877A   Pin Tanımlamaları

Mikrodenetleyici 33 adet giriş-çıkış pinine sahiptir. 40 pinli PDIP paketi Şekil 12.2’de görülmektedir. PIC16F877; 6 bitlik A portu, her biri 8 bitlik B,C ve D portları ve 3 bitlik E portu olmak üzere 5 porta sahiptir. I/O pinlerinin gerekli konfigürasyonlar yapılarak başka amaçlarla kullanılması da mümkündür.

Şekil 12.2 PIC16F877A 40-pinli PDIP görünümü[22].

Giriş-çıkış pinleri dışındaki pinler besleme gerilimi, osilatör, reset(MCLR) gibi mikrodenetleyicinin çalışması için gerekli donanıma ayrılmıştır. PIC16F877A mikrodenetleyicisinin MCLR bağlantısı, reset ve programlama anlarını normal çalışmadan ayırmaya yarar. Mikrodenetleyici, bu pinine 5V verildiği andan itibaren içindeki programı çalıştırma moduna girer. 13V verildiğinde içine yeni program yüklenmeye hazır hale gelir, toprağa bağlanırsa mikrodenetleyici resetlenir. Vss bacağı toprak girişidir, Vdd bacağı 5V besleme girişidir. OSC1 ve OSC2 pinleri mikrodenetleyicinin çalışma frekansını belirleyen kristal veya RC osilatörü bağlantısı için ayrılmıştır.

PORTA “6 bit”lik hem giriş hem çıkış özelliğine sahip bir porttur. TRISA kaydedicisinde, “1” olarak belirlenen bitlerin karşılığı olan port pinleri giriş, “0” olarak belirlenen bitlerin karşılığı olan port pinleri çıkış olarak tanımlanır. PORTA, yeni bir veri gönderilene kadar eski veriyi üzerinde tutar. Mikrodenetleyici portları birkaç amaç için kullanılabilmektedir. RA4 pini, TMR0 sayacına giriş olabilecek şekilde seçilebilmektedir. Bu uçtan, diğer PORTA pinlerinden farklı olarak analog giriş yapılamamaktadır. Ayrıca bu pin, open-drain yapılı olmasından kaynaklı çıkış olarak koşullamak istenirse, 5-10K arasında bir direnç ile besleme gerilimine pull-up yapılmalıdır. Mikrodenetleyici resetlendiğinde porta analog girişi olarak kurulur. Dijital giriş olarak kullanılmak istendiğinde ADCON1 kaydedicisinde gerekli değişikliğin yapılması gerekir. PORTA giriş olarak seçildiğinde dışarıya 20mA verebilmekte veya 25mA içeriye akım akmasına olanak sağlamaktadır. PORTA pinleri, 1μA akım çekerken, RA4 pini 5μA akım çeker.

PORTB hem giriş hem çıkış özelliğine sahip “8 bit”lik bir porttur. RB3/PGM, RB6/PGC ve RB7/PGD pinleri programlayıcı veya devre üzerinde hata ayıklayıcı uçlar olarak da seçilebilir. PORTB’nin en önemli özelliği RB0 kesme girişi ve RB4-RB7 arasında pinlerin değişikliğinde oluşan kesme durumudur. RB0 kesme girişi olarak kurulduğunda isteğe göre, yükselen kenarda veya düşen kenarda bir kesme üretebilmektedir. Portun diğer bir özelliği ise giriş sırasında seçeneğe bağlı olarak entegre içerisinden pull-up direnci kullanılabilmesidir. Böylece dışarıdan direnç bağlamaya gerek kalmamıştır. PORTB çıkış olarak yönlendirildiğinde bu dirençler kendiliğinden iptal olur. PORTB uçları programlama ve hata ayıklama dışındaki amaçlarda kullanıldıkları sürece PORTA’da olduğu gibi TTL gerilim seviyelerinde çalışır. Giriş olduğunda çektiği akım, çıkış olduğunda verebileceği akım PORTA ile aynıdır.

PORTC, mikrodenetleyicinin en çok özelliğine sahip olan portudur. Tüm girişler schmitt - trigger tampona sahiptir. Bunun sebebi, tüm pinlerin değişik seri haberleşme fonksiyonlarına sahip olmasıdır. Seri haberleşme, eğer TTL devrelerle yapılırsa kararsız bölge oldukça geniş bir bölgeyi işgal ettiği için yanlış veri aktarımı daha olasıdır. Bu portun TRISC kaydedicisi çevresel özelliklerin doğru kullanılabilmesi için dikkatli bir şekilde koşullandırılmalıdır. PORTD ve PORTE genelde birlikte kullanılan iki porttur. Mikrodenetleyici veri yollarıyla 8 bit paralel iletişim için kullanılır. PORTD, 8 bit veri ve adres yolunu oluştururken, PORTE kontrol uçları olarak ayrılmıştır. Tüm girişler, paralel iletişim sırasında TTL seviyelerde, giriş-çıkış olarak kullanıldığında schmitt-trigger seviyelerde çalışır. PORTE aynı zamanda PORTA gibi analog giriş olarak da seçilebilmektedir[21].

 

12.2 BASKI DEVRE ÇIKARIMI

            Elektronik devre elemanlarının üzerine yerleştirildiği ve bu elemanlar arasındaki elektriksel ilişkinin bakırlı yüzde oluşturulan yollarla sağlandığı plakalara baskı devre denir.

            Baskı devrelerde yalıtkan plaket üzerine ince bir bakır tabakası güçlü ve dayanıklı bir yapıştırıcı ile tutturulmuştur[23]

Resim 12.1 Bakır plaket

 

            Baskı devrelerde bakır yüzeyin bir bölümü eritilerek bakır yollar meydana getirilir. Baskı devre üzerine yerleştirilen devre elemanlarının bacakları deliklerden geçirilir ve alt bölümdeki bakırlı bölgeye lehimlenir. Elektronik devre elemanları bu bakırlı yollar aracılığıyla birbirine bağlanır. Böylece devre elemanı hem fiziki hem de elektriksel olarak devreye bağlanmış olur[23].

            Elektronik devrelerin baskı devrelerinin hazırlanması için birçok yöntem geliştirilmiştir. Bütün yöntemlerde baskı devre şekilleri asite dayanıklı boya ile bakır plakete geçirilir. Üzerine şekil geçirilmiş plaket özel bir asit karışımına atılır. Bu asit karışımı üzerinde boya olmayan bakır yüzeyi eritmekte ve sonuçta boyalanmış alandaki bakır yüzey korunmuş olmaktadır. Baskı devre yöntemlerinin büyük çoğunluğu baskı devre şeklinin bakır plakete geçirilmesi yönünden farklılık göstermektedir. Serigrafi, pozitif 20 gibi yöntemler en sık kullanılan baskı devre yöntemlerindendir. Fakat ev ortamında bunların uygulanması oldukça zordur[2].

           

Bu bölümde BALDEL2010 projesinin yapımında kullanılan baskı devre çıkarma yöntemi anlatılacaktır. Kontrol kartına ait devrenin yapımında Serkan AYYILDIZ tarafından yazılan Kendi Robotunu Kendin Yap isimli kitap kaynak olmuştur. Bu devre üzerinde gerekli oynamalar yapılarak BALDEL2010 için hazır hale getirilmiştir.

Resim 12.2 Asetat üzerinde baskı devre şekli

 

Yukarıdaki resimde asetat üzerine fotokopi makinesiyle çıkarılmış olan baskı devre çizimini görmekteyiz. Bu çizim Proteus programının Ares kısmında hazırlanmıştır. Asetat üzerindeki bu resim aslında devrenin ters halidir. Bakırlı plaket üzerine tonerli kısım yapıştırıldığında devrenin asıl yüzeyi ortaya çıkmaktadır.

 

Bunun için izlenen adımlar şöyledir:

 

1.      Asetat üzerine çıktısı alınan baskı devre şemasını bakırlı plakete geçirmek için ütü kullanılacaktır. Yapılan işlemde ütü ile ısı transferi gerçekleştiği için ısıya dayanıklı bir bakır plaket seçilmelidir. Kullanılacak plaketin ayrıca iyice temizlenmesi ve kuru olması gerekmektedir.

2.      Temizlenen plaket üzerine asetat doğru bir şekilde yerleştirilmelidir. Asetatın tutunabilmesi için şeffaf bant kullanılabilir ama ben yapıştırdığımda bant hemen erimişti ve ütüye yapışmıştı. En iyisi asetatı biraz büyük kesip kenarlarından kısa bir süre tutmak oldu.

3.      Daha sonra ütüleme işlemine geçilir. Ütü tarafından verilen sıcaklıkla asetat üzerindeki toner bakır plakete geçmektedir.

4.      Ütünün ısı ayarı 3. Kademede olabilir. Çok ısındığında asetatın erimesine neden olacağından ben birkaç kez denedikten sonra yapabildim. Ütülemenin kolay olmasını sağlamak için asetatla ütü arasına kağıt konulabilir. Bu ütünün kolayca kaymasını sağlayacaktır. Ütüleme işlemi iyice bastırılarak ve onurluk her kenarına gidilerek en az 5 dakika yapılmalıdır. Ancak burada dikkat edilmesi gereken nokta çok fazla ütüleme sonrasında bakır yüzeye geçen tonerin dağılmasına engel olmaktır. Dağıldığında elde edilen sonuç sadece 0 olacaktır. Eğer toner dağılırsa yapılacak tek işlem plaketin soğumasının ardından tinerle ya da bulaşık süngeri yardımıyla temizlenerek tekrar kullanılabilir hale getirmek olacaktır.

5.      Ütüleme bittikten sonra plaket soğutulur. 5-10 dakika beklenebilir ya da benim gibi beklemek istemeyenler soğuk bir tabaka üzerine plaketi koyabilirler. Daha çabuk soğuyor böylece. Soğuduktan sonra asetat yavaşça çıkarılır ve bozuk olan kısımlar CD kalemi ve cetvel yardımı ile düzeltilir.

6.      Hazırlanan plaket artık eritilmeye başlanabilir. Bunun için özel bir çözelti hazırlanacaktır. Bu çözelti tuz ruhu ve perhidrol karışımıdır. Karışım oranı ise 3 kapak tuz ruhu ve 1 kapak perhidroldür.

7.      Hazırlanan çözeltiden mümkün olduğunca uzak durulmalı ve el ile temasından kaçınılmalıdır. Elde temas edilen noktalar tüm gün boyunca inanılmaz bir acı vermektedir ve oluşan beyazlık hiç gitmemektedir. Karışıma plaket bir cımbız yardımıyla bırakılmalıdır. Ayrıca çözelti metallere karşı duyarlı olduğu için plastik bir kapta hazırlanmasında fayda vardır. Balkırın erimesi sırasında çıkan zararlı gazlardan korunmak gerekir.

8.      Eriyen plaket çözeltiden alınır ve durulandıktan sonra yine en iyi olduğuna inandığım ince zımpara ile iyice temizlenir.

9.      Temizlenip kurulandıktan sonra artık plaketimiz delmek için hazır hale getirilmiştir. Son aşamada 0.7mm ya da 1mm matkap ucu ile delikler delinerek lehimleme için hazır hale getirilir.

Resim 12.3 Bakır plakete basılmış kontrol devresi

Yukarıdaki resimde baskı devrenin son hali görülmektedir. Baskı yapıldıktan sonra delinmiş ve elemanlar yerleştirilerek lehimleme yapılmıştır. Üzerindeki bantların yanlarından devrenin hatları açıkça belli olmaktadır. Aşağıdaki resimde ise kontrol kartının üstten görünüşü vardır.

Resim 12.4 Kontrol devresini üstten görünümü

 

            Plaket üzerine baskı yapıldıktan sonra her bir eleman tek tek lehimlenmiştir. Montajın kolay olması için bağlantı kabloları erkek-dişi soket şeklinde yapılmıştır. Bu karta sensörlerin ve DC motorun kontrol edildiği minik kartta bağlanmaktadır. Bu karta ait bilgiler daha önceki bölümlerde verilmiştir. Kontrol kartının dış etmenlerden korunmasını sağlamak amacıyla bir kutuya koyulması düşünülmüş ve sonuç olarak Kumanda diye de tabir edebileceğimiz bir yapı ortaya çıkmıştır. Bu yapı aşağıdaki resimde gösterilmektedir.

 

Resim 12.5 Kontrol kartının bulunduğu kumanda

 

Tüm bu yapıların birleştirilmesi sonucu BALDEL2010 oluşmuş ve kullanıma hazır hale getirilmiştir. Bu projenin kontrol kartına ait program ise sonraki kısımda verilecektir. Aşağıda tamamlanan projenin son haline ait resim görülmektedir.

Resim 12.6 BALDEL2010

13. KONTROL KARTI  PROGRAMI

 İletişime geçebilirsiniz... 

KAYNAKLAR

[1] Birgül, Z., Küçük, S., (2005), “Robot Tekniği I”, Birsen Yayınevi, İstanbul

[2] Ayyıldız, S., (2006), “Kendi Robotunu Kendin Yap”, Altaş Yayıncılık, İstanbul

[3] Barutçuoğlu, E. I., (2001), “Robotların Tarihçesi”

[4] Mühürcü, A., Durmuş, B., “Beş Eklemli Bir Robot Koluna Ait İleri Kinematik

Hesaplama Yönteminin YSA İle Çözümü”

[5] Saeed, B. Niko, “Intruduction To Robotics Analysis Systems, Applications”

[6] Mumcu, H., “Robotik Sistemler”, D.P.Ü. Simav Teknik Eğitim Fakültesi

[7] Türksever, Z. C., (2003), “Robot Kol Tasarımı”

[8] “Robotik”, Megep, (2007)

[9] Danacı, T., “Robotlara İlişkin Birkaç Söz”, İTÜ İşletme Mühendisliği Bölümü

[10] “Robotik Notları”, http://websitem.gazi.edu.tr/rborklu

[11] “Robot Nedir?”, www2.omu.edu.tr

[12] Ayyıldız, S.,(2008), “Jal İle Pic Programlama”, Altaş Yayıncılık, İstanbul

[13] Dinç, B.,”Servo Motor Nasıl Kontrol Edilir”, www.bolatdinc.com

[14] “Intro to RC Servos”, http://www.horrorseek.com

[15] Gürsoy, H., “Algılayıcılar”, www.bilgiustam.com

[16] “Algılayıcılar”, robot.metu.edu.tr

[17] “Sensör nedir?”, www.robotiksistem.com

[18] “Sensörler ve Transdüserler”, Megep, (2007)

[19] ”Güç Kaynağı”, Megep, (2007)

[20] “Güç Kaynağı Yapımı”, www.t-robot.info

[21] Ünlü, B., “İnternet Üzerinden Mobikl Robotun Kontrolü”,

[22] www.microchip.com

[23] “Lehimleme ve Baskı Devre”, Megep