Mobil robotlar, 1940’lardan beri önemli bir araştırma konusu olarak araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Günümüzde birçok farklı alanda ve birçok farklı görevde mobil robotlarla karşılaşmak mümkündür. Mars’a gönderilen araştırma robotları, zorlu doğa şartlarına dayanabilen arazi robotları, insanların ulaşamayacağı yerlere gidebilen veya tehlikeli alanlarda kullanılan aramakurtarma robotları gibi pek çok örnek, mobil robotların günümüzde neden ön planda olduğunu açıkça göstermektedir. Mobil robotlar, sabit bir noktaya bağlı olmaması sebebiyle endüstriyel robotlardan ayrılmaktadır. Ayrıca mobil robotların en önemli özelliklerinin, fiziksel ortam şartlarına adapte olma ve fiziksel bir ortamda aktif bir şekilde hareket etme olduğu söylenebilir. Mobil robotlar, sadece endüstride, askeriyede, güvenlik sektöründe değil, aynı zamanda eğlence, temizlik gibi amaçlarla kapalı alanlarda ve evlerde de kullanılabilmektedir.
2001 yılında ticari amaçlarla üretilen Segway isimli kendi kendini dengeleyebilen araç, yeni bir mobil robot konsepti olarak dikkat çekmiştir. Türkiye’de Zencefil olarak tanınan Segway, iki tekerlekli kendini dengeleyebilen ulaşım amaçlı bir mobil robottur. Genel anlamda, mobil robotlar gibi karar merkezi ve hareket organları olmasına karşın kendi kendini dengeleyebilme özelliği, bu robotların normal mobil robotlardan ayrılmasını, belirli alanlarda daha fazla tercih edilmesini sağlamıştır. Günümüzde, kendini dengeleyen robotlar, taşıma amaçlı, şehir içi gezi turlarında ve güvenlik ekipleri tarafından sıklıkla kullanılmaktadır. Segway, ortaya çıkışı ile birlikte, kendini dengeleyen robot olarak adlandırılan benzer yapıdaki araçların doğmasını sağlamıştır.
Bu araçlar, ters sarkaç sistemi, hareketli bir taban, hareketli taban üzerindeki sabit bir nokta etrafında dönebilen bir çubuk ve bu çubuk üzerindeki kütleden oluşmaktadır. Ters sarkaç sisteminde sarkacın ucunun yer eksenine dik olacak şekilde yukarıya bakması istenir. Ancak sarkacın ucunun aşağıya baktığı durumda sarkaç dengede, yukarıya baktığında ise dengede değildir. Yani, sarkacın ucu yukarı baktığı anda sistem serbest bırakıldığında, sarkacın ucu aşağıya doğru hareket eder. Kendini dengeleyen robotlarda, ağırlığı taşıyan sarkaç robotun gövdesini oluşturur ve gövdenin iki yanında hareketi sağlayan tekerlekler vardır. Ters sarkaç sistemine benzer şekilde, kendini dengeleyen robot gövdesinin yer eksenine dik olması istenir.
Kendini dengeleyen robotların temel çalışma prensibine göre, sensörlerden alınan açı ve konum bilgileri kullanılarak, uygun kontrol algoritmalarıyla motorlara uygun veriler gönderilir. Robotun hareketini sağlayan motorların hareketidir. Robot gövdesinin hareketini sağlayan ise motorun hareketi ile oluşacak kuvvet ve bu kuvvete bağlı olarak oluşacak dönme hareketidir. Ters sarkaç prensibindeki gibi robotun gövdesinin yer eksenine dik olması istendiğinde, gövdenin hareketinin doğrudan motor hareketlerine bağlı olduğu görülmektedir. Bu açıdan bakıldığında kendini dengeleyen robot, iki girişli bir çıkışlı bir sistem olarak düşünülebilir. Sistemin girişleri robot gövdesi ile yer ekseni arasında kalan açı ve robotun yer eksenindeki konumu, çıkışı ise motorlarda oluşan kuvvet olduğu söylenebilir. Bu çok girişli tek çıkışlı sistem yapısı, kendini dengeleyen robotları güzel bir araştırma konusu haline getirmiştir.
Kendini dengeleyen robotlar birçok bileşenden oluşmuştur. Bu bileşenler; mekanik yapı, güç devreleri ve bataryalar, motorlar ve motor sürücü devreler, karar ve mikrokontrolör birimi, konum sensörleri, açı sensörleri ve haberleşme birimleri olarak sınıflandırılabilir. Günümüzde birçok farklı kendini dengeleyen robot çalışması bulunmaktadır. Bu çalışmalar incelendiğinde çok farklı robot tasarımlarının yapıldığı görülmektedir.
Kendini dengeleyen robotlarda, mekanik yapı için genellikle çok katlı silindirik bir yapı tercih edilmiştir. Çok katlı yapıda her katta farklı görevler yapan birimler yer almaktadır. Silindirik mekanik tasarımların yanı sıra çok katlı dikdörtgenler prizması, düz bir çubuk üzerine dikey elemanların dizilimi veya hazır kitler üzerine ekleme yapılmış birçok farklı kendini dengeleyen tasarımından bahsetmek mümkündür.
Kendini dengeleyen robotlarda genellikle düşük devirde ve gerilim değerlerinde çalışabilen fırçasız DC motorlar ve bu motorlara uygun motor sürücü devreleri kullanılmaktadır. Ayrıca, robotun konumunun belirlenebilmesi için motorlar ya enkoderli seçilmekte ya da uygun enkoder devreleri tasarlanmaktadır. Enkoder devreleri motorun dönüşü hakkında bilgi vermekte ve bu sayede robotun konumunun mikrokontrolör tarafından hesaplanmasını sağlamaktadır.
Robotun güç devreleri ve bataryasını önemli ölçüde motorlar belirlemektedir, çünkü diğer elektronik devreler düşük güçlerde çalışmakta ancak, motorlar ve sürücü devreleri daha yüksek güçlerde çalışmaktadır. Bu yüzden güç devreleri, motor sürücü devreleri ve gerilim düzenleyiciler olarak incelenebilir. Kendini dengeleyen robotlarda kullanılan birçok sensör ve elektronik kartlar için standart gerilim düzenleyicileri yeterli gelmektedir.
Kendini dengeleyen robotlarda kullanılan sensörler, sistemin başarı performansı için hayati öneme sahiptir. Robotun dik olduğu konumdan aralığı robotun doğrusal çalışma aralığını belirler, bu aralık dışında robot kararsız bölgededir. Bu yüzden açı ölçümlerinin hassas ve hatasız yapılması gerekmektedir. Bu amaçla tek bir sensör kullanımı yerine birkaç sensör kullanarak elde edilen verilerin harmanlanması tercih edilmektedir. Kendini dengeleyen robotlarda genellikle açı ölçümü için, ivmeölçer sensörü, jiroskop sensörü, ultrasoniksensör ve görüntü işlemeyle beraber kameralar kullanılmaktadır.
Kontrol ve Otomasyon Kulübü (OTOKON) 2009, 2011 ve 2012 yıllarında olmak üzere 3 adet farklı kendini dengeleyen projesi gerçekleştirmiştir. İlk kendini dengeleyen robot projesi 2 yıllık bir çalışmanın ürünü olarak çıkmış. Bu robot tasarımında bir tahta-balsa çerçeve üzerine motorlar ve diğer elemanların yerleştirilmesi tercih edilmiştir. Ayrıca ilk kendini dengeleyen robot projesi İstanbul Teknik Üniversitesi Robot Olimpiyatları’nda (İTÜRO) kendini dengeleyen robot kategorisinde dereceler elde etmiştir. İkinci yapılan kendini dengeleyen robot projesinde, robot hareketinin daha iyi analiz edilebilmesi için gerçeğe yakın bir 3 boyutlu simülasyon ve animasyon oluşturulmuştur. Gerçek robota ilişkin ağırlık yükseklik gibi verilere bağlı olarak MATLAB Virtual RealityToolbox yardımıyla animasyon oluşturulmuştur.
Altı aylık bir çalışmanın ürünü olan üçüncü kendini dengeleyen robot projesinde, ilk tasarımdan farklı olarak silindirik ve çok katlı bir mekanik yapı tercih edilmiştir. Çünkü yapılan araştırmalarda robotun dönme hareketi esnasında silindirik bir yapının olmayışının denge kayıplarına neden olduğu görülmüştür. Robotun yüksekliği ise ikinci tasarımdaki gibi çok kısa olmayacak şekilde yapılmıştır. Bu durumun sebebi ise ağırlık merkezinin yere çok yakın olması dolayısıyla kontrol işleminin zorlaşmasıdır. Robotun mekanik yapısı için ise hafif ve ince pleksiglas malzeme ve 3 katlı bir mimari tercih edilmiştir.
Kendini dengeleyen robot projesinde enkoderli fırçasız DC motor, motor sürücü devresi için ise motorun daha verimli hareketini sağlamak amacıyla H köprülü DC kıyıcı içeren motor sürücü entegre tercih edilmiştir. Enkoder verilerine daha düzgün erişebilmek için işaret koşullayıcı devre tasarlanmıştır. Robotun güç ihtiyacı orta büyüklükte akım-saate sahip bir lipo pil ile karşılanmış ve SMPS DC çeviriciler ile diğer elemanlar için gerekli gerilim değerleri ayarlanmıştır. Mikrokontrolör devresi olarak içinde ARM işlemci bulunan Arduino tercih edilmiştir. Sensör olarak hem ivmeölçer sensörü hem de elektronik jiroskop bulunduran bir IMU entegresi tercih edilmiş, açı bilgisinin ölçümü için iki sensörden gelen bilgi harmanlanmıştır. Ayrıca kendini dengeleyen robotun bilgisayar ile haberleşmesi için ZigBee kullanılarak güncel veriler incelenebilmiştir.
Kendini dengeleyen robotların modellenmesinde iki yöntem önerilmiştir; Newton yasalarına bağlı olarak hareket denklemleri, kinetik ve potansiyel enerji denklemlerine bağlı olarak Lagrange enerji denklemleri. Kendini dengeleyen robot projesinde enerji tabanlı bir yöntem olan Lagrange eşitlikleri kullanılarak sistemin durum uzay modeli elde edilmiştir. Çünkü bu yöntem ile tüm sistem bir bütün olarak değerlendirilmiş ve hareket denkleminde yerine yazılamayan birçok belirsiz parametre, sistem modelinin içine dâhil edilmiştir. Her iki modelleme yönteminde de kendini dengeleyen robot sisteminin girişi, motorların uyguladığı kuvvet, çıkışları ise robot konumu ve robot gövdesinin yer ekseni ile yaptığı açıdır. Kendini dengeleyen robotlarda genellikle PID veya LQR kontrolörler önerilmiştir. Kendini dengeleyen robot projesinde, sistemin çok giriş tek çıkışlı olması ve sistem durum uzay modelinin elde edilmesi sebebiyle, LQR tabanlı durum geri beslemeli kontrolör tercih edilmiştir. LQR tabanlı durum geribeslemeli kontrolör seçimi ile matematiksel denklemlerdeki bilinmeyen sistem modeli parametreleri, enerji denklemleri içinde ifade edilebilmiştir. Ayrıca kontrolör kazancını belirleyen durum geribesleme matrisinin elemanları, LQR hesaplamalarında kullanılan Q ve R matrislerinin seçimine bağlı olarak optimizasyon yapma imkanı da sağlamıştır.