Χειρισμός αντικειμένων σε επίπεδο χώρο εργασίας με αποφυγή εμποδίων για 3Δ εκτυπωμένο ρομποτικό βραχίονα
Loading...
Date
2024-10-09
Authors
Πρίντζιος, Λάμπρος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Τις τελευταίες δεκαετίες, οι ρομποτικές εφαρμογές έχουν εξαπλωθεί μαζικά και ραγδαία σε όλες σχεδόν τις πτυχές της καθημερινότητάς μας. Συναντώνται, μεταξύ άλλων, σε οικιακούς χώρους (π.χ. αυτοκινούμενες ηλεκτρικές σκούπες καθαρισμού), στη βιομηχανία (ρομποτικοί βραχίονες σε εργασίες διαλογής και κατασκευής προϊόντων), στον τομέα της αγροτικής παραγωγής (με τη χρήση drones για την παρακολούθηση και καταμέτρηση μεγάλων καλλιεργήσιμων εκτάσεων), καθώς και στον χώρο της ιατρικής (με την εισαγωγή ρομποτικών χειριστών στη διεξαγωγή περίπλοκων χειρουργείων). Σε μια πληθώρα τέτοιων εφαρμογών, τα ρομποτικά συστήματα χρειάζεται να γνωρίζουν την κατάσταση του περιβάλλοντός τους με ακρίβεια ανά πάσα χρονική στιγμή, ώστε να περιηγούνται εντός αυτού και να αντιδρούν αποτελεσματικά στις πιθανές μεταβολές του. Επιπλέον, η ολοένα αυξανόμενη αλληλεπίδραση ρομπότ και ανθρώπων επιβάλλει την ανάγκη της αξιόπιστης λειτουργίας των πρώτων για την ασφάλεια των δεύτερων.
Στα πλαίσια αυτά, το πρόβλημα της αποφυγής σύγκρουσης ενός ρομπότ με το περιβάλλον του (είτε αυτό είναι άνθρωποι, είτε αντικείμενα που αντιμετωπίζονται ως εμπόδια) έχει εξελιχθεί σε ένα μείζον και κεντρικό πρόβλημα προς επίλυση, στα επιστημονικά πεδία της ρομποτικής και του αυτομάτου ελέγχου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάω ένα μέρος του σύνθετου αυτού ζητήματος: την αποφυγή στατικών εμποδίων που τοποθετούνται πάνω σε έναν επίπεδο χώρο εργασίας. Ειδικότερα, το ζητούμενο είναι η πλοήγηση του τελικού στοιχείου δράσης ενός ρομποτικού χειριστή, από μία οποιαδήποτε αρχική θέση πάνω στον επίπεδο χώρο εργασίας προς μία οποιαδήποτε διαφορετική τελική θέση – στόχο, διασφαλίζοντας την αποφυγή σύγκρουσης με τα υπάρχοντα εμπόδια.
Τα εμπόδια είναι 3D εκτυπωμένα, πρισματικά στερεά αυθαίρετου σχήματος αλλά του ίδιου ύψους, συνεπώς με ενδιαφέρει η διδιάστατη γεωμετρία του συνόρου της άνω επιφάνειάς τους. Η αναγνώριση αυτής πραγματοποιείται με μία απλή κάμερα και σύγχρονες μεθόδους επεξεργασίας εικόνας. Δημιουργείται λοιπόν μία ακριβής ψηφιακή αναπαράσταση του επίπεδου χώρου εργασίας, η οποία μπορεί να τροφοδοτηθεί σε έναν κατάλληλο νόμο ελέγχου που θα παράγει τη ζητούμενη διαδρομή στον ελεύθερο από εμπόδια χώρο. Επειδή ο καταγεγραμμένος χώρος εργασίας διαθέτει αρκετά σύνθετη μορφή, χρειάζεται να απλοποιηθεί μαθηματικά εφαρμόζοντας διαδοχικούς μετασχηματισμούς, και πιο συγκεκριμένα μία αρμονική και μία ακτινική απεικόνιση. Στον τελικό μετασχηματισμένο χώρο κατασκευάζεται ένα τεχνητό, βαθμωτό δυναμικό πεδίο (στηριζόμενο σε μία αρμονική συνάρτηση και τις ιδιότητές της), το οποίο στοχεύει στην πλοήγηση του τελικού στοιχείου δράσης του ρομποτικού χειριστή μακριά από τα εμπόδια, με κατεύθυνση προς το σημείο – στόχο. Βάσει αυτού του πεδίου, υπολογίζεται με την κλασική μέθοδο gradient descent ο παραμετρικός νόμος ελέγχου της κίνησης του τελικού στοιχείου δράσης πάνω στο επίπεδο.
Ως ρομποτικός χειριστής της πειραματικής διάταξης αξιοποιείται ένας σειριακός ρομποτικός βραχίονας 6 βαθμών ελευθερίας. Κατασκευάζεται από την αρχή, με 3D εκτύπωση όλων των δομικών κομματιών του. Η συναρμολόγησή του γίνεται με τους απαιτούμενους ηλεκτρικούς επενεργητές και ιδιοδεκτικούς ηλεκτρονικούς αισθητήρες, που λαμβάνουν / στέλνουν σήματα από / προς τον υπολογιστή μέσω ενός μικροελεγκτή. Μία λεπτή κυλινδρική ράβδος τοποθετείται στη θέση του τελικού στοιχείου δράσης. Για τον σχεδιασμό της τροχιάς του συνδυάζονται τα αποτελέσματα του νόμου ελέγχου, μαζί με τις εξισώσεις αντίστροφης διαφορικής κινηματικής του βραχίονα. Επειδή ένας 6 DOF βραχίονας δεν είναι ειδικά σχεδιασμένος για κίνηση στο επίπεδο, δοκιμάζονται κι άλλοι, πιο ταιριαστοί με την εφαρμογή ρομποτικοί χειριστές (π.χ. Gantry, Scara), όμως μονάχα σε περιβάλλον προσομοίωσης στον υπολογιστή.
Για την επίλυση του περιγραφόμενου προβλήματος και την αναπαραγωγή των αποτελεσμάτων της εργασίας, αναπτύσσεται επίσης μια πλήρης γραφική διεπαφή με τη δημοφιλή γλώσσα προγραμματισμού python. Στόχος μου είναι η όσο το δυνατόν καλύτερη αυτοματοποίηση ολόκληρης της διαδικασίας, ώστε να προσφέρεται στον χρήστη άνεση και ευκολία. Η εφαρμογή επιτρέπει τη σχεδίαση, μοντελοποίηση και κινηματική ανάλυση ποικίλων σειριακών ρομποτικών χειριστών. Προσφέρει ακόμα δυνατότητες ελέγχου της κίνησης ενός πραγματικού ρομποτικού συστήματος, μέσω σειριακής σύνδεσης με τον υπολογιστή. Διαθέτει βέβαια και όλες τις απαιτούμενες λειτουργίες για την αναγνώριση και καταγραφή των εμποδίων, τον μετασχηματισμό του πραγματικού επίπεδου χώρου εργασίας, τη σχεδίαση του νόμου ελέγχου πλοήγησης, καθώς και την υλοποίηση της υπολογισμένης τροχιάς του εκάστοτε προσομοιωμένου ή πραγματικού ρομποτικού χειριστή.
Description
Keywords
Ρομποτικός βραχίονας, 3Δ εκτύπωση, Σχεδιασμός διαδρομής/τροχιάς, Αποφυγή εμποδίων, Νόμος ελέγχου πλοήγησης, Αρμονικές συναρτήσεις, Τεχνητά αρμονικά δυναμικά πεδία