Εικονικά συστήματα κατεργασιών βασισμένα σε ευφυή αντικείμενα

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αφορά στην μοντελοποίηση συστημάτων κατεργασιών σε εικονικά περιβάλλοντα με χρήση ευφυών αντικειμένων. Λόγω της φύσης του αντικειμένου, εκτός από την περιοχή των συστημάτων κατεργασιών, η διατριβή εκτείνεται σε αρκετές ερευνητικές περιοχές. Κύρια απαίτηση στην ανάλυση ενός συστήματος αποτελεί η κατηγοριοποίηση / ταξινόμηση των αντικειμένων που αποτελούν ένα ΣΚ, ώστε να είναι δυνατή η δημιουργία μοντέλων για περαιτέρω ανάλυση. Ερευνητική περιοχή που ασχολείται ακριβώς με την ανάλυση των αντικειμένων και την δημιουργία κόσμων είναι η περιοχή των σημασιολογικών μοντέλων. Επίσης σημαντικό ζήτημα αποτελεί η εικονοποίηση του μοντέλου ενός ΣΚ και η διάδραση με τον χρήστη μέσω προηγμένης μορφής διεπιφανειών χρήστη-μηχανής, αντικείμενο που καλύπτει η περιοχή της εικονικής πραγματικότητας. Ακόμα ένα κεντρικό ζήτημα αφορά στην ενσωμάτωση ευφυΐας που πρέπει να έχουν τα αντικείμενα του εικονικού ΣΚ, κατά πόσον δηλαδή θα χρησιμοποιηθούν αλγόριθμοι και για την εκτέλεση ποιών εργασιών εντός του εικονικού συστήματος. Κύριος στόχος της διατριβής είναι η δημιουργία μιας μεθοδολογίας που συνδυάζει στοιχεία από της προαναφερθείσες περιοχές και η υλοποίησή της, με τελικό αποτέλεσμα μια πιλοτική εφαρμογή που επιτρέπει την ανάλυση και προσομοίωση συστημάτων κατεργασιών μέσω εικονικού περιβάλλοντος. Το τελικό αποτέλεσμα πρέπει αφενός να προσθέτει διαφορετική οπτική στην ανάλυση και προσομοίωση ενός ΣΚ, με έμφαση στην καλύτερη ενσωμάτωση του χρήστη-αναλυτή, αφετέρου να προσβλέπει στην γενίκευση της πρακτικής σε παραπλήσιους τομείς που δύναται να επωφεληθούν. Σε συνδυασμό, δε, με την αρθρωτή δομή της μεθοδολογίας και την κάλυψη διαφορετικών επιπέδων ανάλυσης ενός ΣΚ (σχεδιασμού/ελέγχου), καθώς και της -άνευ ουσιαστικών περιορισμών- επεκτασιμότητας, καθίσταται σαφές ότι ενισχύεται σημαντικά ο ρόλος του χρήστη. Στο πρώτο κεφάλαιο επιχειρείται μια ανασκόπηση των τμημάτων της ερευνητικής περιοχής, με έμφαση στον τομέα της εικονικής πραγματικότητας και στην χρήση της στην μηχανολογία και, συγκεκριμένα, στα συστήματα κατεργασιών. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται η δομή της προτεινόμενης μεθοδολογίας που ακολουθεί η διδακτορική διατριβή. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσέγγιση της μοντελοποίησης μέσω σημασιολογικής ανάλυσης. Η προσέγγιση πραγματοποιείται από πάνω-προς-τα-κάτω, δηλαδή από το γενικότερο σημασιολογικό μοντέλο ενός μηχανολογικού εργοστασίου μέχρι τα αντικείμενα που εμφανίζονται σε ένα κύτταρο κατεργασιών. Παράλληλα, παρουσιάζονται τα διαφορετικά εννοιολογικά πλαίσια και ο τρόπος με τον οποίο επιδρούν στις διασυνδέσεις των αντικειμένων. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται λεπτομερώς οι αλγόριθμοι που σχετίζονται με τα χαρακτηριστικά των αντικειμένων. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται ο αλγόριθμος της ευθείας και της αντίστροφης κινηματικής ανάλυσης των ρομποτικών βραχιόνων, καθώς και οι αλγόριθμοι που διέπουν τις κατεργασίες που λαμβάνουν χώρα στους τόρνους. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται ο αλγόριθμος χωροταξικής τοποθέτησης των αντικειμένων εντός του κυττάρου κατεργασιών. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την ανίχνευση συγκρούσεων μεταξύ αντικειμένων. Επεξηγείται πλήρως ο σχετικός αλγόριθμος, ο οποίος κάνει χρήση των οριακών κουτιών που περιβάλλουν τα αντικείμενα, καθώς και ο τρόπος εύρεσης του χώρου σύγκρουσης για τις διαφορετικές υποπεριπτώσεις. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η προσέγγιση της δυναμικής του συστήματος κατεργασιών μέσω δικτύων Petri. Παρουσιάζεται το γενικότερο πλαίσιο των δικτύων, καθώς και οι κανόνες (μορφής if-then) που προκύπτουν, καλύπτοντας το συνολικό φάσμα των εργασιών που λαμβάνουν χώρα εντός του κυττάρου κατεργασιών. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το εικονικό περιβάλλον και η διάδραση του χρήστη με αυτό. Περιγράφεται η δομή, τα κυριότερα χαρακτηριστικά, και ο τρόπος λειτουργίας του, ενώ αναλύονται και τα διαφορετικά υποσυστήματα του (σχεδιασμού, λειτουργίας) και ο σχετικός εξοπλισμός. Στο έβδομο κεφάλαιο περιγράφεται η πιλοτική εφαρμογή που υλοποιήθηκε. Παρουσιάζονται παραδείγματα χρήσης της τόσο στο επίπεδο σχεδιασμού ενός κυττάρου κατεργασιών, όσο και στην χρήση των αντικειμένων του κυττάρου για τυπικές εργασίες, όπως ο χειρισμός του υλικού από ρομποτικούς βραχίονες και η πραγματοποίηση κατεργασίας στους τόρνους. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διδακτορικής διατριβής, με μία συνολική αποτίμηση τόσο της μεθοδολογίας όσο και της υλοποίησης των επιμέρους στοιχείων. Η διατριβή καταλήγει με εκτενή παρουσίαση των δυνατοτήτων επέκτασης του συστήματος. Συμπερασματικά, η διατριβή προτείνει μια γενικευμένη μεθοδολογία μοντελοποίησης αντικειμένων που συναντώνται κατά την ανάλυση συστημάτων κατεργασιών, με έμφαση στον ρόλο του χρήστη εντός ενός εικονικού περιβάλλοντος . Η μεθοδολογία κάνει χρήση διαφορετικών εργαλείων για την δημιουργία του εικονικού κόσμου και την επίλυση προβλημάτων που προκύπτουν κατά την εικονοποίηση λειτουργικών αντικειμένων και την μεταξύ τους αλληλεπίδραση· τα σημασιολογικά μοντέλα προσφέρουν τον απαιτούμενο φορμαλισμό, οι κινηματικοί αλγόριθμοι ενισχύουν την λειτουργικότητα των αντικειμένων, η ανίχνευση συγκρούσεων υποδεικνύει στον χρήστη προβλήματα μεταξύ των αντικειμένων, τα δίκτυα Petri καλύπτουν τον τομέα συγχρονισμού των αντικειμένων. Συνολικά, η πιλοτική υλοποίηση ισορροπεί ανάμεσα στην αυτοματοποίηση διαδικασιών και στην ελευθερία επιλογών του χρήστη. Ταυτόχρονα, αποτελεί μια ικανή βάση για περαιτέρω επεκτάσεις είτε μέσω προσθήκης αντικειμένων είτε μέσω διεύρυνσης της εμβύθισης του χρήστη, αλλά και την συμμετοχή περισσοτέρων χρηστών ταυτόχρονα. Η παρούσα διατριβή εκπονήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος ΠΕΝΕΔ 2003 με τίτλο «Καινοτόμα Συστήματα Υποστήριξης Εικονικών Περιβαλλόντων» (κωδικός έργου 03ΕΔ217). Το έργο υλοποιήθηκε στο πλαίσιο του Μέτρου 8.3 του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανταγωνιστικότητα» του Γ΄ Κοινοτικού Πλαισίου Στήριξης καισυγχρηματοδοτήθηκε κατά: • 80% της Δημοσίας Δαπάνης από την Ευρωπαϊκή Ένωση – Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο • 20% της Δημοσίας Δαπάνης από το Ελληνικό Δημόσιο – Υπουργείο Ανάπτυξης –Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας.

The doctoral thesis concerns the modeling of manufacturing systems in virtual environments using intelligent objects. Due to the nature of the object, apart from the area of manufacturing systems (MS), the study spans several other research areas. The primary requirement in the analysis of a system is the categorization / classification of objects that constitute an MS, in order to allow the creation of models for further analysis. The relevant research area that deals directly with the analysis of objects and the creation of worlds is the area of semantic modelling. Another important issue is the visualization of a model of an MS and the interaction of the user through advanced forms of user-machine interfaces, which directs to the area of virtual reality. Another key issue concerns the integration of intelligence to the objects of the virtual MS, namely whether or not algorithms should be used and for what tasks inside the virtual system. The main objective of this study is to develop a methodology that combines elements from the aforementioned areas and its implementation, and ultimately a pilot application that allows analysis and simulation of manufacturing systems through virtual environments. The final result should add a different perspective to the analysis and simulation of an MS, with an emphasis on better integration of the user-analyst while, on the other hand, it should allow neighboring areas to benefit via generalization of the practice. Furthermore, it is clear that through the modular structure of the methodology, its scalability and the coverage of different levels of analysis of an MS (design / control), without essential constraints, the user’s role is strongly enhanced. Chapter 1 is an overview of the research areas, with emphasis on virtual reality and its usage in engineering, specifically in manufacturing systems. In addition, the structure of the proposed methodology is presented. Chapter 2 describes the approach to semantic modeling analysis. The approach is top-down, i.e. from the general semantic model of a factory down to the objects displayed in a manufacturing cell. Furthermore, we present the different contexts and how they affect the connections between objects. Chapter 3 describes in detail the algorithms associated with the characteristics of the objects. Specifically, we present the algorithms for direct and inverse kinematic analysis of robotic arms and the algorithms that govern the processes taking place in CNC lathes. In addition, the algorithm for spatial placement of objects within the cell is also presented. Chapter 4 presents the approach taken to detect collision between objects. We introduce a collision detection algorithm, which uses the bounding boxes surrounding the objects, and the method of finding the area of collision for the different subcategories. Chapter 5 describes the approach for the dynamics of the manufacturing system through Petri nets. The general context of the networks, as well as the rules (if-then) created, is presented, covering the full range of the processes taking place within the manufacturing cell. Chapter 6 presents the virtual environment and the user's interaction with it. The structure, main characteristics, and operation, are presented, while the different subsystems (design, operation) and associated equipment is also analyzed. Chapter 7 describes the pilot implementation. Examples of both designing manufacturing cells and usage of objects within the cell for typical operations such as material handling manipulators and CNC turning processes are presented. Chapter 8 presents the conclusions of the thesis, with an overall assessment of both the methodology and the implementation of individual components. The thesis concludes with an extensive presentation of the possibilities of extending the system. In conclusion, the thesis proposes a general methodology for modeling objects encountered in the analysis of manufacturing systems, with emphasis on the role of the user in a virtual environment. The methodology makes use of different tools for the creation of the virtual world and for solving problems that arise in the visualization of functional objects and their interaction; semantic models provide the necessary formalism, kinematic algorithms enhance the functionality of the objects, collision detection indicates to the user relevant problems between the objects, Petri nets cover the area of object synchronization. Overall, the pilot implementation is balanced between process automation and freedom-of-choice for the user. At the same time, it provides a sufficient basis for further extensions either through addition of objects or through enhancement of the user’s immersion, or by involving multiple users simultaneously. This thesis was produced as part of the 03ED217 research project titled “Novel Virtual Reality Support Systems”, implemented within the framework of the “Reinforcement Programme of Human Research Manpower” (PENED) and was co-financed by National and Community Funds (20% from the Greek Ministry of Development – General Secretariat of Research and Technology and 80% from E.U. – European Social Fund)