Αυτόματη συναρμολόγηση κυψελοειδούς ρομποτικής δομής

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται και αναπτύσσεται μία νέα κατασκευαστική διαμόρφωση του ρομποτικού κυττάρου ονόματι R-Cell (Robotic Cell). Την ανάλυση του κυττάρου αυτού ακολουθεί η επίλυση του προβλήματος της αυτόματης συναρμολόγησης μιας δομής αποτελούμενης από πολλά τέτοια κύτταρα. Το κάθε κύτταρο έχει τη δυνατότητα να συνδέεται μηχανικά με άλλα κύτταρα, διαμορφώνοντας με αυτό τον τρόπο συγκεκριμένες κυτταρικές/κυψελοειδείς ρομποτικές δομές, έτσι ώστε να καθίσταται δυνατή η ροή τόσο μηχανικής επενέργειας όσο και πληροφορίας μεταξύ των κυττάρων μιας δομής. Η τελική ρομποτική κατασκευή μπορεί να μεταβάλλει αυτόματα την εσωτερική συνδεσμολογία των κυττάρων της με αποτέλεσμα να μπορεί να ανταποκρίνεται βέλτιστα στις εκάστοτε λειτουργικές ανάγκες. Για να συμβεί αυτό, η δομή θα πρέπει να είναι ικανή για την εκτέλεση δύο βασικών λειτουργιών: • Αυτόματη Συναρμολόγηση (Self Assembly) Η δυνατότητα του κάθε ρομποτικού κυττάρου να μετακινείται αυτόνομα. • Αυτόματη Επιδιόρθωση (Self Repair) Η δυνατότητα αναγνώρισης κατεστραμμένων κυττάρων στη δομή και τοποθέτησης νέων στη θέση τους. Το υπό μελέτη ρομποτικό κύτταρο αποτελείται από τέσσερις βασικές κυτταρικές δομικές μονάδες (modules) οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους με τη βοήθεια ενός εσωτερικού συνδετικού κύβου. Το κύτταρο αυτό έχει τη δυνατότητα μεταφορικής κίνησης, κάτι που το καθιστά αυτόνομο σε σχέση με τα υπόλοιπα κύτταρα και τη δυνατότητα παραμόρφωσης, μεταβολής δηλαδή του εξωτερικού του περιγράμματος. Το τελευταίο επιτρέπει την άσκηση δυνάμεων και ροπών στο περιβάλλον υπό διαφορετικές μάλιστα διευθύνσεις. Οι δύο αυτές ιδιότητες που κατέχει το κύτταρο επιτρέπουν λοιπόν στην τελική δομή να μεταβάλλεται είτε μέσω αλλαγής της θέσης των κυττάρων της (reconfiguration) είτε μέσω παραμόρφωσής τους (deformation). Για την επίλυση του προβλήματος της αυτόματης συναρμολόγησης μελετάται μία οφιοειδής κυψελοειδής ρομποτική δομή. Θεωρώντας ένα πολύπλοκο χώρο εμποδίων, γίνεται χρήση των αρχών του προγραμματισμού πορείας (path planning) με σκοπό την εύρεση μιας βέλτιστης διαδρομής, μέσω της οποίας αποτυπώνεται η μορφή που θα πρέπει να έχει η δομή έτσι ώστε να συναρμολογηθεί και να φτάσει στη ζητούμενη θέση, χρησιμοποιώντας τις προαναφερθείσες δυνατότητες των κυττάρων.

In this thesis we present and develop a new form of the robotic cell named R-Cell (Robotic Cell). After the analysis of the cell, the problem of automated self assembly of a structure consisting of a number of such cells is being solved. Each cell has the ability to connect with other cells, forming thus specific cellular robotic structures. Moreover, this connection enables the flow of information between the cells of a structure. We demand that the robot can automatically change the internal position of each cell in order to meet specific operational needs. To do so, the structure should be able to perform two basic functions: • Automated Self Assembly The ability of each robotic cell to move independently. • Automated Self Repair The ability to recognize damaged cells in the structure and place others in their place. The proposed robotic cell consists of four basic cellular robotic blocks (modules) which are linked with the aid of a connecting block. The cell has the possibility of moving independently and the ability of deformation, in other words the ability of changing its external shape. The latter gives at the cell the ability to apply forces and moments on the environment even in different directions. These two properties allow at the whole structure to be able to alter its form either by changing the position of cells (reconfiguration) or by deformation. To solve the problem of automated self assembly we will consider a serpentine cellular robotic structure. Then, we consider a complex space with obstacles and by making use of the principles of path planning we end up in finding an optimal path which the structure should follow when being assembled, reaching the desired point, avoiding all obstacles and using the features of the cells described above.