PROKSİMAL VE DİSTAL İNTERFALANGEAL EKLEMLİ ROBOTİK ELİN ÜÇ BOYUTLU TASARIMI VE PID KONTROLÜ

Abstract

Bu tez çalışmasında, insan elinin anatomik ve kinematik yapısından esinlenerek Metakarpofalangeal (MCP), Proksimal İnterfalangeal (PIP) ve Distal İnterfalangeal (DIP) eklemlerini içeren biyomimetik bir robotik el modeli tasarlanmıştır. Tasarımın amacı, her parmak ekleminin bağımsız bir aktüasyon yapısı ile sürüldüğü ve böylece senkronizasyon gerektirmeden koordineli hareket üretebilen bir yapı geliştirmektir. Bu doğrultuda dört parmakta üçer, başparmakta ikişer olmak üzere toplam 14 servo motor kullanılmış; hareket limitleri insan elinin anatomik sınırlarına uygun şekilde belirlenmiştir. Tasarım süreci SolidWorks ortamında gerçekleştirilmiş, mekanik montaj ve kinematik uyumluluk doğrulanmıştır. Elde edilen üç boyutlu model, çalışmanın ikinci aşamasında fizik tabanlı bir benzetim ortamında değerlendirilmiştir. Bu aşamada kontrol algoritmaları Python dili kullanılarak tanımlanmış ve eklemler için moment–konum ilişkileri incelenmiştir. Farklı hedef açılar altında parmakların açılma ve kapanma hareketleri analiz edilerek sistemin dinamik tepkisi değerlendirilmiştir. Bu çalışma, literatürde yaygın olarak görülen tendon-tahrikli veya tek aktüatörlü yapılardan farklı olarak her eklemi bağımsız servo motorlarla sürülen çok girişli–çok çıkışlı (MIMO) bir mimari önermesi yönüyle özgünlük taşımaktadır. Yapılan analizler, geliştirilen sistemin gerçekçi moment koşullarında stabil çalışabildiğini ve PID tabanlı kontrol yaklaşımının biyomimetik robotik el tasarımında doğruluk sağladığını göstermiştir.

In this thesis, a biomimetic robotic hand model inspired by the anatomical and kinematic structure of the human hand is designed, incorporating the Metacarpophalangeal (MCP), Proximal Interphalangeal (PIP), and Distal Interphalangeal (DIP) joints. The primary objective of the design is to develop a structure in which each finger joint is driven by an independent actuation mechanism, enabling coordinated motion without the need for mechanical synchronization. In this context, a total of 14 servo motors were employed—three for each of the four fingers and two for the thumb—and the joint motion limits were defined in accordance with human anatomical constraints. The design process was carried out in the SolidWorks environment, where mechanical assembly and kinematic compatibility were verified. In the second stage of the study, the resulting three-dimensional model was evaluated within a physics-based simulation environment. During this phase, control algorithms were defined using the Python programming language, and the torque–position relationships of the finger joints were analyzed. The opening and closing motions of the fingers were examined under different target joint angles, allowing the dynamic response of the system to be evaluated. Unlike commonly reported tendon-driven or single-actuator robotic hand designs in the literature, this study proposes a multi-input multi-output (MIMO) architecture in which each joint is driven by an independent servo motor, contributing to the originality of the work. The analysis results demonstrate that the developed system operates stably under realistic torque conditions and that the PID-based control approach provides high accuracy for biomimetic robotic hand motion control.