Çift kollu robotlar, büyük yapı panellerini taşırken tek kollu sistemlere göre daha yüksek yük kapasitesi ve daha geniş çalışma alanı sağlayabilir. Ancak panelin iki uç efektör tarafından hangi noktalardan tutulduğu robotun hem hareket kabiliyetini hem de mekanik yüklerini doğrudan etkiler. İncelenen çalışma, her biri 7 serbestlik dereceli iki hibrit robot kola sahip bir yapı paneli montaj robotu için optimum kavrama aralığını belirlemeyi amaçlamaktadır.

Çalışmada iki farklı performans grubu birlikte değerlendirilmiştir. Birinci grup dexterity, yani uç efektörün sabit bir konumda farklı yönelimlere ulaşabilme kapasitesidir. İkinci grup ise eklem torkları, yapısal rijitlik ve titreşim kararlılığı gibi mekanik özelliklerdir. Sonuçlar iki kriter arasında belirgin bir ödünleşim olduğunu göstermektedir: uç efektörler birbirine yakın olduğunda dexterity daha yüksektir; aralarındaki mesafe arttıkça ise eklem torkları düşmekte ve yapısal rijitlik iyileşmektedir.

İlk altı titreşim modu, eklem torkları, rijitlik ve dexterity birlikte değerlendirildiğinde, yaklaşık 3,5 m uzatılmış manipülatör konfigürasyonu için uç efektör merkezleri arasındaki 2,3–2,55 m aralık optimum bölge olarak belirlenmiştir. Gerçek operasyonda uç efektörlerin dış kenarları arasındaki karşılığı 2,0–2,25 m olarak verilmektedir.

Strateji daha sonra 2 m × 3 m boyutunda ve 350 kg kütleli cam cephe paneliyle gerçek robot prototipinde test edilmiştir. Merkezden merkeze kavrama aralığı 2,3 m olarak ayarlandığında üç ölçüm noktasındaki tekrarlı konumlandırma hataları 0,495 mm, 0,593 mm ve 0,536 mm olarak ölçülmüş ve sistemin ±1 mm tasarım gereksinimi karşılanmıştır.

Neden çift kollu robot?

Büyük prefabrik duvar ve cephe panellerinin montajı günümüzde birçok şantiyede hâlâ yoğun insan emeğine dayanır. Büyük panel kütlesi, geniş boyutlar ve yüksek montaj kotları; iş güvenliği, taşıma kapasitesi ve hassas konumlandırma açısından önemli zorluklar oluşturur.

Tek kollu robotlar otomatik montaj sağlayabilse de ağır ve geniş panellerde yük kapasitesi ve çalışma alanı sınırlamaları ortaya çıkabilir. İncelenen robot bu sorunu iki bağımsız fakat koordineli kol kullanarak çözmeye çalışmaktadır.

Robotun mekanik yapısı

Sistem paletli mobil bir şasi üzerine yerleştirilmiş iki simetrik 7-DoF robot kolundan oluşmaktadır. Her kol hibrit seri-paralel yapıdadır.

İlk dört serbestlik derecesi:

• bir dönel eklem,
• üç paralelkenar mekanizması

ile uç efektörün uzaysal konumunu ayarlar. Son üç dönel eklem ise wrist mekanizmasını oluşturarak uç efektör yönelimini kontrol eder.

Kavrama Mesafesi Robotun Dexterity'sini Nasıl Etkiliyor?

İki uç efektör arasındaki mesafe arttıkça robotun ulaşabildiği yönelim zarfı küçülmekte ve dexterity azalmaktadır; en yüksek dexterity, kavrama noktasının idealize edilmiş küresel hareket merkezine yakın olduğu durumda elde edilmektedir.

Dexterity nasıl tanımlandı?

Çalışma Vinogradov ve arkadaşlarının service sphere yaklaşımını kullanmaktadır. Sabit bir uç-efektör konumunda robotun erişebildiği yönelimlerin küresel yüzey alanı, toplam mümkün küresel yüzey alanına oranlanmaktadır.

Kavrama noktasındaki erişilebilir yönelim yüzeyi büyüdükçe dexterity yükselir. Zarf tam yarımküre oluşturduğunda kaynak bunu tam dexterity durumu olarak kabul etmektedir.

Neden tek kol modeli kullanıldı?

İki kol aynı mekanik yapıya sahip ve mobil platformun iki yanında simetrik yerleştirilmiştir. Bu nedenle hesaplamayı sadeleştirmek amacıyla bir kol ve panelin yarısı analiz edilmiş; çift kollu hareket bir manipülatör ile merkezde üç dönme serbestliğine sahip idealize edilmiş spherical-joint mekanizmasının bağlantısı olarak modellenmiştir.

Screw theory tabanlı kinematik

Robot kolu için home configuration dönüşüm matrisi:

\[ g_{st}(0) \]

ile tanımlanmış, her eklem için screw axis yönleri ve joint-axis position vektörleri belirlenmiştir.

İleri kinematik Product of Exponentials biçiminde:

\[ g_{st}(\theta) = e^{\hat{\xi}_1\theta_1} e^{\hat{\xi}_{21}\theta_{21}} e^{\hat{\xi}_{22}\theta_{22}} \cdots e^{\hat{\xi}_7\theta_7} g_{st}(0) \]

olarak oluşturulmuştur.

Aynı yöntem üç serbestlik dereceli spherical-joint modeline uygulanmış ve gerçek kol ile ideal küresel mekanizmanın aynı uç nokta pozisyonuna erişebildiği durumlar Monte Carlo benzeri rastgele joint sampling süreciyle aranmıştır.

200 mm aralıklarla yapılan dexterity taraması

Kaynakta kavrama noktası 0–3000 mm arasında 200 mm adımlarla değiştirilmiştir. Her pozisyonda ulaşılabilir yönelim zarfı oluşturulmuştur.

Sayfa 8'deki Şekil 6'da:

• 0 mm'de yaklaşık tam yarımküresel zarf,
• mesafe arttıkça giderek daralan yönelim alanı,
• 3000 mm civarında oldukça sınırlı yönelim kabiliyeti

görülmektedir.

Sayfa 9'daki Şekil 7 de bu değişimin genel olarak monoton azalan bir ilişki olduğunu göstermektedir.

Mekanik Performans Neden Uç Efektörler Uzaklaştıkça İyileşiyor?

Panel iki noktadan daha geniş bir açıklıkla tutulduğunda yük paylaşımı ve moment kolları değişmekte; kaynak analizinde 1–6 numaralı eklemlerdeki torklar azalmakta, yapısal deformasyon küçülmekte ve sistem rijitliği artmaktadır.

3500 N yük ile moment analizi

Panelin ağırlığı, merkezde aşağı yönlü:

3500 N

yük olarak modellenmiştir.

Her robot konfigürasyonunda yedi karakteristik moment noktası \(M_1\)–\(M_7\) tanımlanmış ve bu noktalar ile panelin ağırlık merkezi \(G\) arasındaki mesafeler hesaplanmıştır.

Moment büyüklüğü kaynakta temelde:

\[ M_i = G\,|M_{wiGz}| \]

ilişkisiyle belirlenmektedir.

Grasping distance değişimi, robotun base koordinat sisteminde end-effector'ın y doğrultusunda 0–1500 mm arasında doğrusal hareketi olarak modellenmiştir.

Eklem torklarının değişimi

Sayfa 12'deki Şekil 11 şu genel eğilimi gösterir:

• Joint 1 torku azalır,
• Joint 2 torku azalır,
• Joint 3 torku belirgin biçimde azalır,
• Joint 4 torku azalır,
• Joint 5 torku azalır,
• Joint 6 torku azalır,
• Joint 7 torku ise yükselir.

Kaynak, Joint 7'deki artışın eklemin optimum yük aralığı içinde kaldığını belirtmektedir.

Böylece ağır panel görevlerinde kavrama açıklığının büyümesi genel mekanik performansı iyileştiren bir eğilim oluşturmaktadır.

Sonlu eleman modeli

Robotun yapısal modeli sonlu elemanlar analizi için sadeleştirilmiş; chamfer, fillet, thread hole ve yük taşımayan küçük geometriler kaldırılmıştır.

Malzeme olarak Q355 çelik tanımlanmıştır:

Eklem temaslarında Bonded ve No Separation sınır koşulları uygulanmıştır.

Rijitlik analizi

Sayfa 13'teki Şekil 12'de 0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 ve 2,5 m grasping positions için toplam deformasyon dağılımları gösterilmektedir.

Kaynağın yorumu, kavrama açıklığı arttıkça deformasyonun azaldığı ve statik rijitliğin iyileştiği yönündedir.

Optimum Kavrama Mesafesi Neden 2,3–2,55 Metre?

Bu aralık yalnız dexterity'ye göre değil; eklem torkları, statik rijitlik, ilk altı titreşim modu ve ağır-yük görev gereksinimi birlikte değerlendirilerek seçilmiştir. Mekanik performans geniş kavrama açıklığını desteklerken dexterity açıklık büyüdükçe düşmekte ve 2,3–2,55 m bölgesi bu iki gereksinim arasında uygun çalışma alanı olarak belirlenmektedir.

Titreşim modal analizi

Robotun farklı kavrama konfigürasyonları için ilk altı doğal titreşim modu hesaplanmıştır.

Kaynak Şekil 13'te her mod için doğal frekansın kavrama mesafesine bağlı değişimi ayrı olarak gösterilmektedir.

Altı mod birlikte değerlendirildiğinde yaklaşık:

2,3–2,55 m

bölgesinde stabilite açısından tepe çalışma aralığı tanımlanmaktadır.

Bu bölgede:

• kavrama açıklığı yeterince büyüktür,
• eklem torkları düşmüştür,
• yapısal rijitlik yükselmiştir,
• titreşim kararlılığı iyi düzeydedir,
• dexterity hâlâ panel montaj görevi için yeterli kabul edilmektedir.

Merkezden merkeze ve kenardan kenara ölçüm farkı

Simülasyondaki kavrama mesafesi iki uç efektörün geometrik merkezleri arasındadır. Fakat gerçek şantiyede bu merkezleri hassas biçimde ölçmek kolay değildir.

Bu nedenle kaynak pratik uygulamada uç efektörlerin dış sınırları arasındaki mesafeyi kullanmaktadır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Araştırma zinciri

Çalışma dört ana teknik katmanı birleştirmektedir:

1. 7-DoF hibrit manipülatörün screw theory ve Product of Exponentials ile modellenmesi,
2. service-sphere yöntemiyle farklı kavrama noktalarında dexterity hesabı,
3. 3500 N yük altında joint torque ve static stiffness analizi,
4. ilk altı titreşim modu ve gerçek robot prototipinde positioning repeatability deneyi.

Gerçek prototip doğrulaması

Kaynağın deney bölümünde robot için özel bir çift-kollu end-effector geliştirilmiştir. Bu uç efektör teleskopik mekanizma içerir ve iki kavrama merkezinin birbirine göre mesafesinin ayarlanmasına izin verir.

Deney paneli:

• Boyut: 2 m × 3 m
• Malzeme/tip: cam curtain-wall board
• Kütle: 350 kg

olarak verilmiştir.

Deneyde merkezden merkeze kavrama mesafesi:

2,3 m

olarak ayarlanmış ve panel vacuum gripper'larla tutulmuştur.

Lazer tracker ile tekrarlanabilirlik testi

Robot çalışma alanında üç hedef nokta seçilmiştir:

Lazer tracker hareketi gerçek zamanlı izlemiş ve hedef noktalarındaki tekrarlı konumlandırma doğruluğu hesaplanmıştır.

Maksimum hata:

0,593 mm

olarak ölçülmüş ve ±1 mm tasarım gereksinimi içinde kalmıştır.

Deney neyi doğruluyor?

Deney, önerilen kavrama stratejisiyle ayarlanmış gerçek prototipin ağır bir paneli taşıyarak hedef noktalara yüksek tekrarlanabilirlikle ulaşabildiğini göstermektedir.

Buna karşılık deney:

• 2,3–2,55 m aralığındaki her noktayı ayrı ayrı karşılaştırmamıştır,
• tüm olası panel boyut ve kütlelerini test etmemiştir,
• uzun dönemli şantiye dayanıklılığını sınamamıştır,
• dinamik trajectory optimization gerçekleştirmemiştir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• İki uç efektör arasındaki mesafe arttıkça dexterity düşmektedir.
• Kavrama açıklığı arttığında 1–6 numaralı eklemlerin torkları azalmaktadır.
• Geniş kavrama açıklığı yapısal deformasyonu azaltıp rijitliği artırmaktadır.
• Titreşim modal analizinde 2,3–2,55 m bölgesi en uygun çalışma aralığı olarak belirlenmiştir.
• Pratik kenardan kenara referans aralığı 2,0–2,25 m'dir.
• 2,3 m merkez aralığında 350 kg panelle yapılan prototip deneyinde maksimum repeatability hatası 0,593 mm'dir.
• Bu değer robotun ±1 mm tasarım hedefini karşılamaktadır.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• Her panel için tek evrensel optimum kavrama mesafesinin 2,3–2,55 m olduğu söylenemez.
• 350 kg üzerindeki bütün yüklerde aynı doğruluğun korunacağı gösterilmemiştir.
• Dexterity ile kavrama mesafesi ilişkisi bütün robot geometrileri için evrensel kabul edilemez.
• Şantiye ortamındaki titreşim, zemin düzensizliği, rüzgâr ve uzun süreli çalışma koşulları mevcut deneyde kapsamlı biçimde test edilmemiştir.
• Dinamik trajectory planning bu çalışmanın bir sonucu değildir.
• 2,3–2,55 m optimum bölge yalnız deneyden değil; ağırlıklı olarak kinematik ve mekanik simülasyonların bileşik değerlendirmesinden elde edilmiştir.

Gelecek çalışma

Kaynak gelecekte özellikle aşağıdaki konuların incelenmesini önermektedir:

• robot ile panel arasındaki mesafenin sistem performansına etkisi,
• redundant actuation configuration etkisi,
• dinamik trajectory planning,
• cooperative grasping kararlılığının dinamik optimizasyonu,
• robotun genel workspace analizi,
• end-effector dexterous workspace'inin sınırlarının çıkarılması,
• karmaşık şantiye koşullarında erişilebilir pozisyon ve yönelim sınırlarının belirlenmesi.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: An End-Effector Grasping Strategy for Dual-Arm Robots During Construction Board Installation

Yazarlar: Zhengjiu Ma; Yuxin Liu; Yongbin Li; Zhi Niu; Zhaoqing Kang; Zedan Li; Tong Wang; Tiejun Li.

Kurumlar: Hebei University of Science and Technology; Hebei Key Laboratory of Robotics and Embodied Intelligence; Hebei Construction Engineering Group Co., Ltd.; Yanshan University; Hebei Construction Engineering Group Building Decoration Engineering Co., Ltd.

Corresponding authors: Yuxin Liu ve Yongbin Li.

Dergi: Machines.

Yayıncı: MDPI.

Cilt / sayı / makale: 14(6), 686.

DOI: 10.3390/machines14060686.

Gönderim: 3 Mayıs 2026.

Revizyon: 5 Haziran 2026.

Kabul: 9 Haziran 2026.

Yayın: 12 Haziran 2026.

Kaynak türü: Hakem değerlendirmesinden geçmiş araştırma makalesi.

Lisans: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Finansman: Araştırma National Natural Science Foundation of China Regional Innovation and Development Joint Fund, Hebei Provincial Department of Science and Technology, Hebei Education Department, Shijiazhuang Municipal Bureau of Science and Technology, Hebei Natural Science Foundation ve diğer yerel Ar-Ge programları tarafından desteklenmiştir. Proje numaraları kaynak makalede ayrıntılı olarak verilmektedir.

Veri erişilebilirliği: Bulguları destekleyen verilerin makale içinde bulunduğu, ek bilgi için corresponding authors ile iletişime geçilebileceği belirtilmiştir.

Çıkar çatışması: Yuxin Liu ve Yongbin Li Hebei Construction Engineering Group Co., Ltd.; Zedan Li ve Tong Wang Hebei Construction Engineering Group Building Decoration Engineering Co., Ltd. çalışanlarıdır. Yazarlar bu istihdam ilişkilerinin araştırma açısından ticari veya mali çıkar çatışması oluşturmadığını belirtmektedir.

Yöntem: Screw theory ve Product of Exponentials kinematik modelleme; service-sphere dexterity analizi; inverse kinematics; rigid-body moment analizi; finite element static stiffness analizi; birinci–altıncı mod titreşim analizi; 350 kg panelle prototip positioning repeatability testi.

Temel sonuç: Ağır panel montajında yalnız maksimum dexterity veya yalnız minimum eklem torku seçilmemiş; mekanik performans öncelikli, dexterity ikincil kriter olacak şekilde 2,3–2,55 m merkezden merkeze kavrama aralığı önerilmiş ve 2,3 m ayarında gerçek prototip 350 kg panel altında maksimum 0,593 mm tekrarlı konumlandırma hatası göstermiştir.

Temel sınır: Optimum aralık büyük ölçüde model ve FEA sonuçlarının bileşik değerlendirmesine dayanmaktadır. Deneysel doğrulama tek bir 2,3 m merkez aralığı ve belirli 350 kg panel üzerinde gerçekleştirilmiştir.