Stewart Platform ve Hareketli Yarış Simülasyonu

👤Ömer Faruk Özdemir, Akışkan Otomasyon
Stewart platformu altı adet lineer aktüatör ile tahrik edilen paralel robot yapıdır. Paralel robotlar makine endüstrisinde kullanıldığı gibi hava, deniz ve kara araçları için eğitim ve eğlence simülatörlerinde de kullanılmaktadır. Kullanılan aktüatörler mekanik, pnömatik veya hidrolik olabilirler. Pozisyon ve yük dengesinin çok hassas olduğu durumlarda vidalı milli veya kapalı çevrim hidrolik sistem Simohyd® teknolojisi tercih edilir. Simohyd® teknolojili stewart platform ülkemizde Akışkan Otomasyon tarafından üretilmiştir. 6 serbestlik dereceli (X, Y, Z, Pitch, Roll, Yaw) paralel robotu istenilen pozisyona götürmek için bütün aktüatörler aynı anda hareket ederler. İstenilen platform pozisyonu için aktüatörlerin gitmesi gereken pozisyonlar her bir yazılım çevriminde tekrar hesaplanarak platformun pozisyon hatası minimumda tutulur. Araç simülasyonunda stewart platform Paralel robotların düzlemsel ve açısal hareketleri birbirlerini limitlemektedir. Araç simülasyonundaki en büyük problem araç uzayının sonsuz, platform uzayının ise kısıtlı olmasıdır. Bu problemi aşmak için geliştirilen çözüm washout algoritmalarıdır. Washout algoritması platforma gelen pozisyon setpointlerini limitler, ivme verilerinin platformda işlenebilecek kısmının aktüatörlere setpoint olarak geçebilmesine izin verir ve en önemlisi platformu “0” noktasına çekmeye çalışır. Böylece sonsuz bir uzayda hareket eden araçtan alınan ivme verileri kısıtlı bir uzaya sahip stewart platformu ile simüle edilebilir. Herkesin bildiği hareket formülleri aşağıdaki gibidir. Elimizde ivme-zaman verisi varsa birim zamanda simüle edilen aracın aldığı yol hesaplanabilir. Simüle edilen araç sonsuz bir uzayda yol aldığından yer değişimi vektörünün (displacement vector) çok kısıtlı stewart platform uzayında ham halde işlenmesi mümkün değildir. İşte bu noktada mekatronik mühendislik yaklaşımı devreye giriyor. Vücudumuzun denge organı iç kulağımızdaki yapılardır. İvmeleri ve vücudumuzun açısını bu yapılarla hissederiz. İnsan vücudu düşük ivmeleri hissetmeyeceğinden daha önce bahsedilen washout algoritmaları ile platform araç ivmesini simüle ettikten sonra çok düşük ivmelerle platformu “0” pozisyonuna çekmeye çalışır. Yüksek frekanslı hareket sinyalleri platformu hareket ettirirken, düşük frekanslı hareket sinyalleri açısal harekete dönüştürülmektedir. Bu algoritmadaki en büyük sorun düşük frekanslı(uzun soluklu) ivmelerin kaybolmasıydı. Bu problemin üstesinden gelmek için açısal dengeleme (tilt coordination) fikri geliştirildi. Yer çekimi ivmesi olduğunu biliyoruz. Bu yer çekimi vektörünün z komponentidir. Eğer simülatöre bir miktar yunuslama setpointi verirsek yer çekimi vektörünün x komponentindeki değişim şeklinde olacaktır. Bir önceki paragrafta bahsettiğimiz açısal setpointlere eklenen düşük frekanslı düzlemsel ivmelenme komponentleri bu şekilde açısal olarak simüle edilmektedir. Yapılan testlerde 18-19° açısal hareketten fazlası simülasyon pilotunda düşme hissi uyandırdığından, simüle edilen araçın açısı+açısal dengeleme öğesinin maksimum değeri limitlenmektedir. Hareket kontrol teknolojisi Siemens Simotion, PLC fonksiyonlarını da içeren bir hareket kontrolörüdür. Point-to-point pozisyonlama, lineer enterpolasyon, dairesel enterpolasyon fonksiyonlarının yanında hazır tanımlı kinematikleriyle hareket kontrol mühendisliğini kolaylaştırmaktadır. Simotion için hazırlanmış kartezyen, scara, delta gibi tanımlı kinematik çözümlemeler mevcuttur. Simotion kütüphanesinde hazırda bulunmayan 6DOF stewart platformu için kinematik çözümlemeler tarafımızdan hazırlanan kütüphane ile hareket kontrolörüne gömülmüştür. Stewart platformlar hakkında doğru bilinen yanlışlar Çoğu kişi 6DOF hareketli platform denildiğinde kastedilenin 6 eksen olduğunu düşünür. Oysaki her bir DOF platformun hareket edebileceği bir serbestliktir ve serbestlik derecesi (DOF) platformun hareket kabiliyeti ve kısıtlılıklarının (constraints) birbiriyle ilişkisinden hesaplanır. Stewart platform için DOF hesabı aşağıdaki gibidir: SD: mekanizmanın serbestlik derecesi n: Mekanizma bağlantıları j: Eklem sayısı fi: i mafsalının serbestlik derecesi l: Mekanizmanın uzaydaki serbestlik derecesi l = 6;n=14; //taban+platform+6 sabit+6hareketli parça j=18; //12mafsal+6 lineer aktüatör Dolayısıyla; SD=6(14-18-1)+(18¹2) = 6DOF Bu serbestlikler: 3 x Düzlemsel hareket (X,Y,Z), 3 x Dönme hareketi (Yunuslama, Yalpalama, Sapma) şeklindedir. Yandaki figür üzerinde serbestlikler gösterilmiştir. Teknoloji Örnek bir 6DOF stewart platform kapasite tablosu aşağıdaki gibidir; Bu özelliklerde bir simülasyon tabanı ile 6-9 kişilik 5d sinemalar, kabinli-kabinsiz kara-hava-deniz taşıtları eğitim simülatörleri ve eğlence sektörü için yarış simülatörleri yapılabilir. Uzaktan yazılım güncellemesi ve parametrelendirme yapılabileceği gibi dünyanın neresinde olursa olsun anlık verilerin takibi ethernet arabirimi ile mümkündür. Sonuç Tamamen yerli know-how ile geliştirilmiş ve imal edilmiş 2DOF – 3DOF – 6DOF hareketli yarış simülatörleri ve hareket platformları simülasyon sektörünün hizmetine sunulmuştur. Müşteri ihtiyaçlarına özel çözümler Akışkan Otomasyon tasarım ekibi tarafından gerçekleştirilebilmektedir.