Μοντελοποίηση και έλεγχος μικρορομποτικών συστημάτων

Abstract

Τα μικρορομποτικά συστήματα έχουν αναπτυχθεί την τελευταία δεκαετία και σταδιακά έχουν αποτελέσει μία από τις πιο σημαντικές συνιστώσες της προηγμένης ρομποτικής. Σε παγκόσμιο επίπεδο σχεδιάζονται και κατασκευάζονται μικρορομποτικοί μηχανισμοί για την επεξεργασία κυττάρων, ιστών και πρωτεϊνών ή τη συναρμολόγηση μικρομηχανισμών. Μικροχειρισμοί οι οποίοι προηγουμένως δεν ήταν εφικτοί ή απαιτούσαν μονότονη και εξαιρετικά επίπονη εργασία από ειδικευμένο προσωπικό με ιδιαίτερα ακριβό εξοπλισμό, τώρα είναι πραγματοποιήσιμοι χάρις σε ειδικευμένους ρομποτικούς μηχανισμούς, ενώ στο προσεχές μέλλον θα μπορούν να γίνουν μαζικά και σε μικρή χρονική διάρκεια. Ενώ αρχικά τα μικρορομποτικά συστήματα περιορίζονταν σε βραχίονες στερεωμένους σε ένα σημείο του χώρου, τώρα επικρατεί η τάση για κατασκευή αυτόνομων κινούμενων μικρορομπότ τα οποία εκτελούν συνεργατικά καθήκοντα σε περιορισμένους χώρους εργασίας όπως αυτόν του μικροσκοπίου. Ιδιαίτερη σχεδιαστική πρόκληση στα κινούμενα μικρορομπότ αποτελεί ο μηχανισμός κίνησης που χρησιμοποιούν. Αυτός καθορίζει την ακρίβεια μετατόπισης του μικρορομπότ, την πολυπλοκότητα των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, τις διαστάσεις και την ενεργειακή αυτονομία του μικρορομπότ. Οι μηχανισμοί κίνησης που έχουν διεθνώς επικρατήσει χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικά στοιχεία, τα οποία όμως παρουσιάζουν λειτουργικά προβλήματα και δεν διευκολύνουν τη σμίκρυνση και την αυτονομία των κινούμενων μικρορομποτικων συστημάτων. Η παρούσα διατριβή μελετά έναν διεθνώς πρωτότυπο μηχανισμό κίνησης μικρορομπότ, ο οποίος σε αντίθεση με τη συνηθισμένη πρακτική, δεν βασίζεται σε πιεζοηλεκτρικά στοιχεία και ο οποίος δεν έχει μελετηθεί ή σχεδιαστεί προηγουμένως από άλλον ερευνητή. Ο μηχανισμός αυτός εκμεταλλεύεται φυγόκεντρες δυνάμεις, οι οποίες παράγονται από εκκεντροφόρους κινητήρες εγκατεστημένους πάνω στο μικρορομπότ. Στα πλαίσια μοντελοποίησης, ανάλυσης και σχεδιασμού τέτοιου κινούμενου μικρορομποτικού συστήματος: Μελετήθηκε πρωτότυπη μέθοδος κίνησης, η οποία εκμεταλλεύεται της φυγοκεντρικές δυνάμεις επενέργησης που δημιουργούν εκκεντροφόροι κινητήρες. Η αρχή λειτουργίας αυτής της μεθόδου κίνησης παρουσιάστηκε και εξηγήθηκε εκτενώς σε θεωρητικό παράδειγμα μονοδιάστατου μηχανισμού. Σχεδιάστηκε μικρορομποτική πλατφόρμα η οποία εκμεταλλεύεται τη μέθοδο κίνησης με φυγοκεντρική επενέργηση για να εκτελέσει επίπεδη κίνηση. Η πρώτη εκδοχή της πλατφόρμας φέρει τρεις εκκεντροφόρους κινητήρες, η δεύτερη εκδοχή φέρει δύο εκκεντροφόρους κινητήρες. Τελικά, επιλέχτηκε για περαιτέρω μελέτη και κατασκευή η δεύτερη εκδοχή, διότι είναι απλούστερη κατασκευή, καταναλώνει λιγότερη ισχύ, υλοποιείται σε μικρότερες διαστάσεις και απαιτεί απλούστερο έλεγχο. Μελετήθηκε η κίνηση της πλατφόρμας δύο κινητήρων όταν αυτοί λειτουργούν συγχρονισμένα. Μέσα από θεωρητικά αποτελέσματα προσδιορίστηκε το ωφέλιμο εύρος ταχύτητας επενέργησης για το οποίο η πλατφόρμα μπορεί να ολισθαίνει ελεγχόμενα. Επιπλέον, θεωρητικά αποτελέσματα έδειξαν, ότι η σύγχρονη επενέργηση, σε συνδυασμό με συμμετρική κατανομή του βάρους της πλατφόρμας, οδηγεί σε μονοδιάστατη κίνηση με βήματα των οποίων το πλάτος ρυθμίζεται από την ταχύτητα περιστροφής των επενεργητών. Δείχθηκε ότι, θεωρητικά σε μονοδιάστατη κίνηση μπορούν να επιτευχθούν βήματα με απειροελάχιστο πλάτος. Όλα τα παραπάνω θεωρητικά αποτελέσματα επαληθεύτηκαν και από σειρά αριθμητικών προσομοιώσεων. Μελετήθηκε η κίνηση της πλατφόρμας για ασύγχρονη επενέργηση. Μέσα από εκτενή ανάλυση, φάνηκε ότι η ασύγχρονη επενέργηση δίνει τη δυνατότητα στην πλατφόρμα για κίνηση δύο βαθμών ελευθερίας στο επίπεδο και επιπλέον της παρέχει τη δυνατότητα να αντισταθμίζει συστηματικά σφάλματα οφειλόμενα σε κατασκευαστικές ασυμμετρίες και ανομοιομορφίες του συντελεστή τριβής του δαπέδου. Θεωρητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι, στην περίπτωση της ασύγχρονης επενέργησης, η πλατφόρμα περιστρέφεται προς το μέρος του κινητήρα με τη μικρότερη ταχύτητα περιστροφής. Το βασικό μειονέκτημα της ασύγχρονης επενέργησης είναι ότι εμφανίζει περίπου 10% συστηματική παρασιτική μετατόπιση στον y-άξονα και μικρή ταλάντωση στη γωνιακή μετατόπιση. Όλα τα παραπάνω θεωρητικά αποτελέσματα επαληθεύτηκαν και από σειρά αριθμητικών προσομοιώσεων. Σχεδιάστηκε ελεγκτής ο οποίος περιλαμβάνει: (1) Εσωτερικό βρόχο για έλεγχο ταχύτητας των επενεργητών. Ο έλεγχος αυτός εξασφαλίζει τη σύγχρονη λειτουργία των επενεργητών και αυξάνει την ταχύτητα απόκρισής τους, βελτιώνοντας με αυτόν τον τρόπο την ανάλυση κίνησης. (2) Εξωτερικό βρόχο για έλεγχο θέσης της πλατφόρμας, ο οποίος σε συνδυασμό με τον εσωτερικό βρόχο, και με κατασκευαστική συμμετρία, εξασφαλίζει ότι η πλατφόρμα μπορεί να εκτελεί απλή γραμμική ή απλή περιστροφική κίνηση με πολύ καλή ανάλυση. Σήματα ελέγχου κλειστού βρόχου, με μεγάλη ισχύ, μπορούν να επιτύχουν ανάλυση καλύτερη του ενός μm. Εάν όμως, για λόγους ενεργειακής αυτονομίας το σήμα ελέγχου είναι φραγμένο, τότε η ανάλυση της κίνησης χειροτερεύει, γίνεται δηλαδή μερικές δεκάδες μm. Μελετήθηκε η δυνατότητα της πλατφόρμας να εφαρμόζει δυνάμεις σε προς χειρισμό αντικείμενα. Η ανάλυση έδειξε ότι με κατάλληλο σχεδιασμό, η πλατφόρμα μπορεί να εφαρμόζει σε σταθερό αντικείμενο ελεγχόμενες, ομαλές δυνάμεις απαλλαγμένες από κρουστικές συμπεριφορές. Κατασκευάστηκε πλατφόρμα δύο κινητήρων και χρησιμοποιήθηκε σε σειρά πειραμάτων κίνησης με έλεγχο ανοικτού βρόχου. Τα πειράματα επαληθεύτηκαν όλα τα θεωρητικά μοντέλα που καταστρώθηκαν κατά τη φάση της ανάλυσης και του σχεδιασμού. Επιπλέον, τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι η μέθοδος κίνησης επιτυγχάνει στην πράξη μετατοπίσεις με ανάλυση όχι καλύτερη από μερικές δεκάδες μm. Συνεπώς για καλύτερη ανάλυση κίνησης επιβάλλεται η χρήση ελεγκτή κλειστού βρόχου αλλά και η όσο το δυνατόν καλύτερη κατασκευαστική συμμετρία. Διεξήχθησαν πειράματα δύναμης, τα οποία επίσης επιβεβαίωσαν τα θεωρητικά αποτελέσματα. Γενικότερα, τα πειραματικά αποτελέσματα (τόσο της κίνησης όσο και της δύναμης) έδειξαν ότι ο μηχανισμός κίνησης παρουσιάζει κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος η οποία επιτρέπει την τροφοδοσία της πλατφόρμας για τριάντα λεπτά της ώρας από μικρού μεγέθους επαναφορτιζόμενες κυψέλες NiMH. Τέλος, κατασκευάστηκε η τελική έκδοση του πρωτότυπου μικρορομπότ δύο κινητήρων, στο οποίο το σύνολο των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων (τεχνολογίας SMD) καθώς και η τροφοδοσία τοποθετήθηκαν πάνω στο μικρορομπότ, επιτρέποντας έτσι την ασύρματη λειτουργία του και την ενεργειακή του αυτονομία.