Δυναμική και έλεγχος ρομποτικών συστημάτων με πόδια

Abstract

Σταδιακά τα τελευταία χρόνια η ρομποτική φεύγει από το εργοστάσιο, που αποτελούσε τον παραδοσιακό τόπο εφαρμογής της και πλέον χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο σε κοινωνικές, αμυντικές και πολιτισμικές εφαρμογές. Στις καινούριες αυτές εφαρμογές, συχνά είναι επιθυμητό τα ρομπότ να έχουν τη δυνατότητα κίνησης στο χώρο, και για το λόγο αυτό έχει αναπτυχθεί μεγάλη ποικιλία ρομπότ με ρόδες. Παρόλο τη χρησιμότητά τους τα ρομπότ με ρόδες δεν είναι κατάλληλα για κίνηση σε εδάφη με πολλά εμπόδια, κενά, ή σαθρό υπόστρωμα. Η ανάγκη για κίνηση σε τέτοια εδάφη, μετά από παρατήρηση της ευκολίας κίνησης που έχουν τα θηλαστικά, οδήγησε στην ανάπτυξη της περιοχής των ρομπότ με πόδια. Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο τη μελέτη της κίνησης των ρομπότ με πόδια, και τον έλεγχο της κίνησης αυτής. Ο έλεγχος της κίνησης αποσκοπεί στη διατήρηση της ευστάθειας του ρομπότ και την επίτευξη επιθυμητών χαρακτηριστικών κίνησης, όπως πρόσθια ταχύτητα και ύψος αναπήδησης. Μελετώνται συστήματα με ένα πόδι και στη συνέχεια συστήματα με τέσσερα πόδια. Ιδιαίτερος σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη αλγορίθμων ελέγχου με τη χρήση του μικρότερου δυνατού πλήθους επενεργητών, δηλαδή έναν επενεργητή ανά πόδι του ρομπότ. Η χρήση περισσότερων επενεργητών απλοποιεί το πρόβλημα του ελέγχου, όμως αυξάνει την κατανάλωση ισχύος του ρομπότ, αυξάνει το βάρος του και περιπλέκει το μηχανολογικό του σχεδίασμά. Για τη μελέτη της κίνησης χρησιμοποιείται συνδυασμός αναλυτικών και αριθμητικών μεθόδων. Η δυναμική των ρομπότ με πόδια παρουσιάζει ιδιαίτερες προκλήσεις στη μελέτη της, καθώς μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της κίνησης, ανάλογα με τον αριθμό των ποδιών που βρίσκονται στο έδαφος. Επιπλέον παρουσιάζει έντονη μη-γραμμικότητα και σύζευξη μεταξύ των βαθμών ελευθερίας του ρομπότ. Το σύστημα με ένα πόδι χρησιμοποιείται ως απλοποίηση ενός πολυπλοκότερου συστήματος με περισσότερο από ένα πόδι. Συμπεριλαμβάνει όλα τα κύρια χαρακτηριστικά της δυναμικής των ρομπότ με πόδια που αναφέρθηκαν παραπάνω, όμως δεν απαιτεί συντονισμό πολλαπλών ποδιών για την επίτευξη της κίνησης. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη και αξιολόγηση καινούριων προσεγγίσεων ελέγχου, που μπορούν μετά να γενικευθούν για συστήματα με περισσότερα πόδια. Τα συστήματα με ένα πόδι που μελετώνται απαρτίζονται από σώμα αναρτημένο σε πόδι το οποίο διαθέτει πρισματική άρθρωση και ελατήριο, ώστε να συμπιέζεται. Το πόδι συνδέεται με το σώμα με ατροφική άρθρωση, η οποία επενεργείται. Για το ρομπότ με ένα πόδι, περιγράφεται η δυναμική του και αναπτύσσονται δύο αλγόριθμοι ελέγχου. Ο πρώτος αναφέρεται στην περίπτωση ενός ρομπότ με ένα πόδι που θα κινείται στο επίπεδο, χωρίς άλλους περιορισμούς στην κίνηση του σώματος. Το ρομπότ διαθέτει τρεις βαθμούς ελευθερίας και ένα μόνο επενεργητή. Ο αλγόριθμος ελέγχου επιτυγχάνει την ευστάθεια της κίνησης του ρομπότ από τυχαίες αρχικές συνθήκες κίνησης. Ο δεύτερος αλγόριθμος αναφέρεται στην περίπτωση ενός ρομπότ με ένα πόδι το οποίο όμως θεωρείται ως αφαίρεση ενός συστήματος με περισσότερα πόδια. Στην περίπτωση αυτή αναπτύσσεται ένας μηχανισμός μεταφοράς ενέργειας, ο οποίος χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη αλγορίθμου ελέγχου με τον οποίο μπορεί να ελεγχθεί τόσο η πρόσθια ταχύτητα της κίνησης όσο και το ύψος αναπήδησης. Το ρομπότ με τέσσερα πόδια είναι ένα ρομπότ που έχει τη δυνατότητα για πλήρως αυτόνομη κίνηση σε ποικίλα εδάφη. Το κάθε πόδι διαθέτει μια πρισματική άρθρωση με παθητικό ελατήριο και μια περιστροφική άρθρωση που επενεργείται. Επίσης στο σώμα του ρομπότ υπάρχει τοποθετημένη αδρανειακός σφόνδυλος που χρησιμεύει για τον έλεγχο της κλίσης του σώματος. Για το ρομπότ αυτό αναπτύσσεται αλγόριθμος ελέγχου με τον οποίο είναι εφικτή η ρύθμιση της πρόσθιας ταχύτητας του ρομπότ από το χρήστη. Ο αλγόριθμος ελέγχου εφαρμόζεται στο ρομπότ σε προσομοίωση, όπου φαίνεται η σωστή παρακολούθηση τροχιάς επιθυμητής ταχύτητας σε μεγάλο εύρος ταχυτήτων. Το ρομπότ με τέσσερα πόδια μελετάται και στην περίπτωση που δεν διατίθεται αδρανειακός σφόνδυλος στο σώμα. Και στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται μόνο ένας επενεργητής σε κάθε πόδι του ρομπότ. Επιπλέον η κίνηση μελετάται στη γενική περίπτωση εδάφους με κλίση. Αναπτύσσεται αλγόριθμος ο οποίος επιτρέπει στο χρήστη να ρυθμίζει τόσο την πρόσθια ταχύτητα του ρομπότ όσο και το ύψος αναπήδησης από το έδαφος. Προσομοιώσεις της κίνησης του ρομπότ δείχνουν πολύ καλή παρακολούθηση της επιθυμητής πρόσθιας ταχύτητας και του επιθυμητού ύψους αναπήδησης ακόμα και σε έδαφος με κλίση μέχρι 20 μοιρών. Για την πειραματική μελέτη της κίνησης των ρομπότ με πόδια αναπτύχθηκαν δύο πρωτότυπα ρομποτικά συστήματα. Το πρώτο από αυτά διαθέτει ένα πόδι, ενώ το δεύτερο διαθέτει τέσσερα πόδια. Και στα δύο ρομπότ χρησιμοποιείται μονάχα ένας επενεργητής ανά πόδι. Περιγράφεται σε βάθος η ανάπτυξη των συστημάτων του κάθε ρομπότ, δηλαδή των αισθητήρων, της επεξεργαστικής ισχύος, της ισχύος κίνησης και της επενέργησης. Παρουσιάζονται και αποτελέσματα κίνησης από την εφαρμογή ορισμένων αλγορίθμων ελέγχου που αναπτύσσονται στην εργασία.