Μεθοδολογία βέλτιστου σχεδιασμού μεταμορφικού ρομποτικού βραχίονα

Abstract

As products production shifts towards the paradigm of mass customization, looking for ways to produce products that are competitive and adapted to the customer / consumer requirements and needs, production systems must also adapt accordingly utilizing different operating and structuring modes in order to become more flexible and adaptable. Robotic manipulators, already a part of production systems with a significant and constantly growing role, also had to adapt to this new trend. Therefore ways to improve and increase their adaptability and flexibility were sought. Research on existing manipulators followed the path of improvement through the improvement and development of novel control systems, sensors and the capability of learning. Few steps have been taken to improve their structure, on the grounds that it was not necessary as these structures were in use for decades and therefore were thoroughly researched. However, a number of researchers, concluded that having a single, unchangeable structure was the main restriction to be addressed in order to achieve greater flexibility and adaptability and present better performance. It is well known that different types of structures (anatomies) of manipulators are better suited for the execution of different tasks than others. This does not restrict the types of tasks a manipulator can perform (at least to some extent), however a manipulator with a given anatomy is not capable of achieving the same high levels of performance for different types of tasks. Therefore, in order to resolve this issue, the paradigm of modular production systems was implemented in manipulator design, leading to the modular reconfigurable robotw. Utilizing this design, end user had the opportunity not only to build on optimization techniques and intelligent control models to perform tasks with maximum efficiency, but they could also construct anatomies with features perfectly suited to the requirements of the tasks to be performed. However, these systems mostly remained at laboratory demonstrators. In this thesis, a new class of open kinematic chain manipultors, the metamorphic manipulators are proposed and presented. The metamorphic manipulators are constructed so as to present positive characteristics of the two existing classes (fixed anatomy and modular reconfigurable manipulators), but also to excel them regard to flexibility, homogeneity and effectiveness in task execution. The general structure is modular, consisting of a number of key components, but an existing structure can be transformed into a multitude of different anatomies, to perform tasks with the utmost efficiency. The thesis focuses on the proposal and development of methods and tools for the optimal kinematic design of both the structures and the anatomies of metamorphic robotic arms. The pseudo-joint, a manual passive connector with two rotating parts is presented, through which it is possible to transform a metamorphic structure. The use of pseudo-joints in a metamorphic structure allows the changing of its Denavit-Hartenberg parameters thereof and therefore its transformation to different anatomies. A systematic representation of metamorphic structures is presented, as a tool to automate their production and a systematic enumeration of metamorphic links that can be constructed with the available modules is executed. The resulting information and a complete record of their structural characteristics and their form variation possibilities is presented in detail. The parametric analytical solution of the inverse kinematic problem, using the metamorphic parameters of a structure as parameters is also presented. The parametric inverse kinematics solution enables the production of solutions for all or most anatomies in which a metamorphic structure is transformed to using a single a set of equations. The conditions for achieving such a solution are stressed out extensively with corresponding examples. Making use of the systematic representation of the available metamorphic links and their characteristics, it is possible to quantify qualitative characteristics of a metamorphic structure, used to create a multicriteria index for the optimal design metamorphic structures. Based on this index, a methodology is proposed for solving the problem of optimal kinematic design of metamorphic structures. Given the optimal structure derived based on the designer's specification, the next step is the determination of this optimum anatomy. In this thesis, two methods for determining the optimal anatomy are presented, utilizing different approaches, a task based approach and global approach. Optimal kinematic performance measures, both task based and global are proposed respectively in each case and utilized in respective procedures for determining the optimum anatomy. Finally, in order to verify the results of the calculations for determining the optimal anatomy, an experimental setup of a metamorphic 3 dof arm is created, and experimental test are performed, the results of which are presented and analyzed extensively.

Καθώς η παραγωγή προϊόντων στρέφεται προς τη λογική του mass customization, ψάχνοντας τρόπους ώστε να παράγονται προϊόντα ανταγωνιστικά και προσαρμοσμένα στις απαιτήσεις και ανάγκες των πελατών/ καταναλωτών, τα συστήματα παραγωγής ακολουθώντας την στροφή αυτή προσαρμόζονται ακολουθώντας διαφορετικές οδούς λειτουργίας και δόμησης, ώστε να καταστούν πιο ευέλικτα και προσαρμόσιμα στο νέο αυτό πεδίο. Οι ρομποτικοί βραχίονες, ήδη μέρη των συστημάτων παραγωγής με μεγάλο και διαρκώς αυξανόμενο ρόλο σε αυτά, ήταν εμφανές ότι θα έπρεπε να ακολουθήσουν την νέα αυτή τάση. Ως εκ τούτου αναζητήθηκαν τρόποι για την βελτίωση και αύξηση της προσαρμοστικότητας και ευελιξίας τους όσον αφορά στις εργασίες που θα επιτελούσαν. Η έρευνα στους υπάρχοντες βραχίονες ακολούθησε την οδό της βελτίωσης τους μέσω της βελτίωσης και ανάπτυξης των συστημάτων ελέγχου, των αισθητήρων και της χρήσης τους και την προσθήκη δυνατοτήτων εκμάθησης. Ελάχιστα βήματα πραγματοποιήθηκαν για βελτίωση της δομής τους, με το σκεπτικό του ότι δεν απαιτούνταν καθώς αυτές οι δομές βρίσκονται σε χρήση για δεκαετίες και είναι εξαντλητικά μελετημένες ώστε να αποδίδουν τα μέγιστα. Εντούτοις, μια σειρά από ερευνητές, θεώρησαν ότι ο περιορισμός του να υπάρχει μια και μόνη δομή και να χρησιμοποιείται ο έλεγχος και οι αισθητήρες για την βέλτιστη αντιμετώπιση (με όρους αποδοτικότητας) διαφορετικών εργασιών ήταν πολύ σημαντικός. Είναι ευρέως γνωστό ότι δομές (ή ανατομίες) βραχιόνων είναι κατάλληλες ως επί το πλείστον για την βέλτιστη εκτέλεση διαφορετικών τύπων εργασιών. Αυτό βέβαια δεν περιορίζει τις εργασίες που ένας βραχίονας μπορεί να εκτελέσει (τουλάχιστον σε ένα βαθμό), εντούτοις δεν είναι δυνατό ένας βραχίονας με μια δεδομένη ανατομία να αποδίδει τα μέγιστα σε κάθε τύπο εργασίας. Ως εκ τούτου, ακολουθήθηκε το παράδειγμα των modular συστημάτων παραγωγής και παρουσιάστηκαν τα πρώτα modular αναδιαμορφώσιμα ρομπότ. Με αυτά ο χρήστης είχε την ευκαιρία όχι μόνο να αξιοποιήσει τεχνικές βελτιστοποίησης της εκτέλεσης της εργασίας, και μοντέλα ευφυούς ελέγχου για την εκτέλεση εργασιών με την μέγιστη επίδοση, αλλά μπορούσε πλέον να δομήσει ανατομίες με χαρακτηριστικά που ταίριαζαν απόλυτα στις απαιτήσεις της επιβαλλόμενης εργασίας. Εντούτοις, τα συστήματα αυτά ως επί το πλείστον παρέμειναν σε εργαστηριακά επίπεδα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, προτείνεται μια νέα κλάση ρομποτικών βραχιόνων ανοιχτής κινηματικής αλυσίδας, οι μεταμορφικοί ρομποτικοί βραχίονες. Οι μεταμορφικοί βραχίονες δομούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να παρουσιάζουν θετικά στοιχεία από τις δύο υπάρχουσες κλάσεις αλλά παράλληλα να τις υπερβαίνουν όσον αφορά στην ευελιξία, ομοιογένεια και επίδοση στην εξέλιξη εργασιών. Η γενική δομή τους είναι modular, αποτελούμενη από μια σειρά βασικών δομικών στοιχείων, αλλά μια υφιστάμενη δομή δύναται να μεταμορφωθεί σε μια πλειάδα διαφορετικών ανατομιών, ώστε να εκτελεί εργασίες με την μεγαλύτερη δυνατή επίδοση. Η διδακτορική διατριβή εστιάζει στην πρόταση και ανάπτυξη μεθόδων και εργαλείων για τον βέλτιστο κινηματικό σχεδιασμό τόσο των δομών όσο και των ανατομιών των μεταμορφικών ρομποτικών βραχιόνων. Παρουσιάζεται η ψευδο-άρθρωση, ένας χειροκίνητος παθητικός σύνδεσμος με δύο περιστρεφόμενα το ένα προς το άλλο τμήματα, μέσου του οποίου είναι δυνατή η μεταμόρφωση μιας μεταμορφικής δομής. Η χρήση των ψευδο-αρθρώσεων σε μια μεταμορφική δομή επιτρέπει την αλλαγή των παραμέτρων Denavit–Hartenberg αυτής και συνεπώς την μεταμόρφωση της σε διαφορετικές ανατομίες. Προτείνεται μια συστηματική αναπαράσταση των μεταμορφικών δομών, ως εργαλείο για την αυτοματοποίηση της παραγωγής αυτών, ενώ εκτελείται μια συστηματική απαρίθμηση των μεταμορφικών συνδέσμων που μπορούν να δομηθούν με τα διαθέσιμα στοιχεία, καθώς και μια πλήρης καταγραφή των δομικών χαρακτηριστικών τους και των δυνατοτήτων μεταβολής της μορφής τους. Η παραμετρική αναλυτική επίλυση του αντιστρόφου κινηματικού προβλήματος, λαμβάνει χώρα με παραμέτρους τις μεταμορφικές παραμέτρους του βραχίονα. Η παραμετρική λύση του αντιστρόφου επιτρέπει την παραγωγή λύσεων για όλες ή τις περισσότερες ανατομίες στις οποίες μια μεταμορφική δομή γίνεται να μεταμορφωθεί από μια ομάδα εξισώσεων. Οι προϋποθέσεις για την επίτευξη της λύσης παρατίθενται εκτενώς με αντίστοιχα παραδείγματα. Κάνοντας χρήση της συστηματικής καταγραφής των διαθέσιμων μεταμορφικών συνδέσμων και των χαρακτηριστικών τους, είναι δυνατή η ποσοτικοποίηση ποιοτικών χαρακτηριστικών μιας μεταμορφικής δομής, που χρησιμοποιούνται για την δημιουργία ενός πολυκριτηριακού δείκτη για τον βέλτιστο σχεδιασμό μεταμορφικών δομών, βάση προδιαγραφών που τίθενται από τον σχεδιαστή. Με βάση το δείκτη αυτό, προτείνεται η σχετική μεθοδολογία για την επίλυση του προβλήματος του βέλτιστου κινηματικού σχεδιασμού μεταμορφικών δομών. Με δεδομένη την βέλτιστη δομή, βάση των προδιαγραφών του σχεδιαστή, ακολουθεί η προτεινόμενη μεθοδολογία για τον καθορισμό της βέλτιστης ανατομίας αυτής. Ακολουθούνται δύο μέθοδοι καθορισμού της βέλτιστης ανατομίας, μιας επικεντρωμένης στην επιβαλλόμενη κινηματική εργασία, όπου για την εκάστοτε εργασία αναζητείται η βέλτιστη ανατομία για την εκτέλεση αυτής με την μέγιστη δυνατή επίδοση και μιας που καθορίζει τη βέλτιστη ανατομία με βάση την ολική επίδοση αυτής στο χώρο εργασίας της. Κινηματικοί δείκτες βέλτιστης επίδοσης, είτε βάση της εργασίας είτε ολικοί προτείνονται αντίστοιχα στην κάθε περίπτωση και αξιοποιούνται σε αντίστοιχες διαδικασίες καθορισμού της βέλτιστης ανατομίας. Τέλος, με στόχο την επαλήθευση των αποτελεσμάτων των υπολογισμών για τον καθορισμό της βέλτιστης ανατομίας, δημιουργήθηκε μια πειραματική διάταξη ενός μεταμορφικού βραχίονα 3 β.ε., στην οποία διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις, τα αποτελέσματα των οποίων παρουσιάζονται και αναλύονται εκτενώς.