Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
613046		Control of spring-mass running through virtual tuning of leg damping / Yay kütleli koşunun sanal bacak sönümlenme katsayısı aracılığı ile kontrolü Yazar:GÖRKEM SEÇER Danışman: PROF. DR. ULUÇ SARANLI Yer Bilgisi: Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering Dizin:Doğrusal olmayan dinamik = Nonlinear dynamics ; Geri beslemeli kontrol = Feedback control ; Hareketli robotlar = Mobile robots	Onaylandı Doktora İngilizce 2020 157 s.
Yay ve kütle tabanlı modeller ko¸su davranı¸slarını tanımlamakta oldukça ba¸sarılıdırlar. Bu ba˘glamda, Yaylı Ters Sarkaç (YTS) modeli do˘gal ve robotik ko¸suların hibrit dinamiklerini muhteva eden hassas bir modeldir. Bacaklı robotlar üzerine YTS çerçevesinde yapılmıs arastırmalar genellikle ya sadece bozuk zeminde kararlılık ve gürbüzlük ya da sadece düz zeminde kararlı halde ko¸su sırasındaki enerji verimlili˘gine odaklanırlar. Bir di˘ger yandan, YTS modeli enerjisini korudu˘gu için, bacaklı robotların ko¸su enerjisinin nasıl değiştirileceğini tanımlayamaz. Bu tezde, ko¸su enerjisinin kontrolü için, kontrol hassasiyeti ve verimliliği göz önüne alarak, YTS modeline değişstirilebilir sanal bir sönümlenme katsayısı eklenmesini yeni bir kontrol yöntemi olarak öneriyoruz. Tezin ilk bölümünde, teorik yakla¸sımımız ve katkılarımız sunulmaktadır. Basit YTS modelini her adımda de˘gi¸stirilebilir sanal bir sönümlenme katsayısı ile geni¸sleterek, dikey zıplama hareketi için enerjinin etkin bir ¸sekilde kontrol edilebildi˘gi gösterilmektedir. Bu yakla¸sım ait olan olan ölü vuru¸slu kontrol probleminin iç bükey oldu˘gu gösterildikten sonra, bu kontrolcü iki boyutlu ko¸su hareketine genellenir. Bu genelleştirme kontrol probleminin birbiriyle ba˘glantılı iki alt probleme ayrılmasını gerektirir : toplam enerjinin kontrolü ve enerjinin farklı serbestlik derecelerine da˘gıtımı. Bu bölümün geri kalan kısmında bu problemin verimli bir ¸sekilde nasıl çözülebilece˘gi ele alınmı¸stır. Bu amaçla, literatürde YTS için önerilmi¸s olan mevcut analitik yakla¸sık çözümlerin geçerlili˘gi korunarak, temel olarak sönümlenme katsayısının her adımda de˘gi¸stirilmesine dayalı bir takım kontrolcü iyile¸stirmeleri yapılmı¸stır. Bu bölümde, son olarak, önerdi˘gimiz yakla¸sımın enerji/güç verimlili˘gi ve kontrol do˘grulu˘gu açısından avantajlarını ortaya koyan kapsamlı simulasyon sonuçları sunulmustur. Tezin ikinci kısmında, teorik iddialarımız deneysel olarak do˘grulanmaktadır. Bu amaçla, öncelikle, seri elastik eyleyicili dikey zıplayan bir robot tasarlanıp, üretilmi¸stir. Deneysel gerçeklenmeye yönelik olarak ko¸su kontrolcülerinin sa˘glamasının performansı artıraca˘gı bazı kısıtlar önerildikten sonra, ilk bölümde tanıtılan kontrolcü seri elastik eyleyicili platformlarda yapılan negatif i¸sin ortadan kaldırılması yönünde optimize edilmi¸stir. Bu anlamda, analitik yakla¸sık çözümlerin uygulanabilirli˘gi korunurken en verimli kontrolcü elde edilerek, üretilen platforma ait yüksek do˘gruluklu simülasyonda bu kontrolcünün literatürdeki mevcut tüm alternatiflerden daha iyi performans sa˘gladı˘gı gösterilmi¸stir. Daha sonra bu kontrolcü deneysel olarak gerçeklenmi¸s ve elde edilen deney sonuçları ile teorik bulguların uyumlu oldu˘gu görülmü¸stür. Bu bölümde, son olarak, önerdi˘gimiz kontrolcünün kompleks bir insansı robot olan ATRIAS üzerinde gerçeklenmesine yönelik eforlarımız ve elde etti˘gimiz öncül deneysel sonuçlar sunulmustur.
Spring-mass models have been very successful in both describing and generating running behaviors. In this regard, the Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) is a useful model to represent hybrid dynamics of both natural and robotic runners. Existing research on dynamically capable legged robots, particularly those based on this model, generally considers improving in isolation the stability and control accuracy on the rough terrain or the energetic efficiency in steady state. On the other hand, the pure SLIP model is energetically conservative, hence being unable to define a way for modulation of running energy in legged robots. In this thesis, we propose a new method based on incorporating a virtually tunable leg damping onto the SLIP template model in order to control running energy while addressing both accuracy and efficiency. In the first part of this thesis, we present our theoretical approach. Proposing to extend the basic SLIP model with a once per step tunable leg damping, we show that energy can be effectively controlled for a vertical hopping task. After showing invertibility of step-to-step Poincare map, we formulate a deadbeat controller with single step convergence. Then, we generalize this controller to planar running, which requires decomposition of the control problem into two coupled subproblems: the regulation of system energy, and the distribution of this energy among different degrees of freedom in the system. The rest of this part focuses on how to efficiently solve this problem, minimizing the energetic expenditure as well as the required computational power. To this end, we preserve the validity of the existing analytic approximations to the underlying SLIP model, propose improvements to increase the predictive accuracy, and construct accurate, model-based controllers that use the tunable damping coefficient of the template model. This part concludes with results of extensive comparative simulations to establish the energy and power efficiency advantages of our approach, together with the accuracy of model-based gait control methods. In the second part of this thesis, we experimentally verify our theoretical claims. To this end, we, first, build a vertical hopping robot with series elastic actuation. After formulating a set of feasibility constraints towards implementation on such robotic platforms, we optimize our approach with a new gait controller allowing to use the entire stance phase for injection/removal of energy, decreasing the maximum necessary actuator power for series-elastically actuated robotic platforms while eliminating wasteful sources of the negative work altogether. Enabling the most efficient use of actuator power in this manner while preserving analytic tractability, we then show through high fidelity simulations of the robotic platform that the proposed strategy establish substantial performance gains with respect to all available alternatives. Furthermore, experimental evaluation of this approach shows that numerical results translate to the hardware, hence verifying our theoretical claims. Finally, we present our efforts towards implementation of the proposed gait controller on ATRIAS biped, which is a compliant humanoid robot with point feet. Preliminary experimental investigation on this platform reveals that our approach can provide accurate control of running on a complex bipedal robot.