Μοντελοποίηση, έλεγχος και προγραμματισμός ρομπότ επίπεδου διαστημικού εξομοιωτή

Abstract

Στην παρούσα Διπλωματική Εργασία παρουσιάζεται η μοντελοποίηση, ο έλεγχος και ο προγραμματισμός ενός ρομπότ επίπεδου διαστημικού εξομοιωτή. Αναλυτικότερα: (α) αναλύονται οι δυναμικές εξισώσεις κίνησης του ρομπότ, (β) αναπτύσσεται ο αλγόριθμος ελέγχου βασισμένος στο μοντέλο του ρομπότ, (γ) παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης διαφόρων κινήσεων σε περιβάλλον MATLAB/Simulink, (δ) υλοποιούνται βασικές εφαρμογές για το λογισμικό του ρομπότ σε γλώσσα C και τέλος (ε) παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από πειράματα με το ρομπότ στον εξομοιωτή. Ο σκοπός του διαστημικού εξομοιωτή είναι η αναλυτική και πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς ενός ρομπότ σε συνθήκες οι οποίες εξομοιώνουν έλλειψη βαρύτητας στο επίπεδο, σε ένα εργαστηριακό περιβάλλον. Ο εξομοιωτής αποτελείται από ένα ρομπότ (μάζας περίπου 15 kg) και την τράπεζα γρανίτη (τραχύτητα μικρότερη από 5μm). Το ρομπότ αιωρείται πάνω στην τράπεζα σε ένα λεπτό στρώμα αερίου CO2, χρησιμοποιώντας τρία αεροέδρανα. Με αυτόν τον τρόπο, εξομοιώνεται επίπεδη κίνηση σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας. Το ρομπότ έχει πλήρη υπολογιστική και ενεργειακή αυτονομία καθώς και πλήρη αυτονομία κινήσεων. Επίσης, είναι μικρής μάζας και διαθέτει υποσυστήματα αντίστοιχα με αυτά των πραγματικών διαστημικών συστημάτων. Οι επενεργητές του ρομπότ είναι: τρία ζεύγη προωθητήρων (αέριο: CO2), ένας σφόνδυλος αντίδρασης και δύο βραχίονες με δύο περιστροφικές αρθρώσεις ο καθένας. Επάνω στο ρομπότ βρίσκεται μία φιάλη με CO2, η οποία τροφοδοτεί τα αεροέδρανα και τους προωθητήρες. Το κίνητρο για την ανάπτυξη ενός διαστημικού εξομοιωτή είναι η συνεχώς αυξανόμενη σπουδαιότητα των αυτόνομων ρομποτικών συστημάτων στο διάστημα σε περιπτώσεις όπως: κατασκευή, συντήρηση, επίβλεψη/επιθεώρηση, προσέγγιση και πρόσδεση σε άλλες κατασκευές καθώς και διαστημική εξερεύνηση. Ωστόσο, η ανάπτυξη ενός αυτόνομου ρομποτικού συστήματος είναι χρονοβόρα, παρουσιάζει πληθώρα τεχνικών δυσκολιών, και έχει υψηλό κόστος κατασκευής. Για κάθε ρομποτικό σύστημα πρέπει πρώτα να επαληθευτεί αναλυτικά και πειραματικά η σωστή λειτουργία του. Ο επίπεδος διαστημικός εξομοιωτής παρέχει τη δυνατότητα πειραματισμού και επαλήθευσης δυναμικών μοντέλων, αλγορίθμων ελέγχου και μεθόδων σχεδιασμού τροχιάς, προσέγγισης, σύνδεσης και σύλληψης αντικειμένων με τελικό σκοπό την επιτυχημένη ανάπτυξη αυτόνομων διαστημικών ρομποτικών συστημάτων. Η πρωτοτυπία του εξομοιωτή έγκειται στο ότι το ρομπότ είναι μικρής μάζας, πλήρως αυτόνομο και με υποσυστήματα ανάλογα με αυτά ενός πραγματικού ρομποτικού συστήματος. Τα χαρακτηριστικά αυτά σε συνδυασμό με την εξομοίωση επίπεδης κίνησης σε έλλειψη βαρύτητας, καθιστούν τον εξομοιωτή πολύ ρεαλιστικό.

The present study is the authoress' Diploma Thesis for the fulfilment of the requirements at the School of Mechanical Engineering, National Technical University of Athens (NTUA). In this thesis, the modelling, control, programming and simulation & experimental results of a robot for a planar space emulator are presented. In particular: a) the dynamic equations of motion for the robot are derived, b) the model-based control algorithm is developed, c) the simulation and experimental results are discussed and d) the C functions necessary for programming the robot are presented. The motivation for the development of the space emulator is that the growing importance of space robots in satellite servicing, in EVA assistance, in removing orbital debris and in space exploration requires their analytical and experimental task validation. To this end, the planar space robot emulator developed at the NTUA provides a low cost, long duration and easily reconfigurable platform for the analytical and experimental validation of different control, dynamics, and planning schemes, thus facilitating the transition from theory and analysis to application. The emulator consists of a granite table of minimum roughness (less than 5 micron) and a small robot (approximately 15 kg) supported on three air-bearings. The robot hovers over the granite table on a 10μm CO2 film and is therefore capable of horizontal frictionless motion on the table, thus allowing for 2D emulation of zero gravity in a laboratory environment. The robot is fully autonomous. Its propulsion autonomy is achieved by an on-board CO2 tank used to provide gas to the air bearings and to three couples of propulsion thrusters. The robot is also equipped with a reaction wheel to control its angular momentum. Moreover, the robot is equipped with two arms, with two joints each. Computational autonomy is achieved with a PC104 mounted on the robot and power autonomy is achieved with a set of on- board batteries. Additionally, three optical sensors at the robot’s base in conjunction with an external camera provide position and velocity feedback. The novelty of this configuration is that the robot is not only of low mass and completely self-contained but it is also composed of subsystems analogous to those of a space system, therefore making the emulator significantly more realistic.