Σχεδιασμός, υλοποίηση και έλεγχος ρομποτικών βραχιόνων για ρομπότ διαστημικού εξομοιωτή

Παπαστεργίου, Γεώργιος; Papastergiou, Georgios

dc.contributor.author	Παπαστεργίου, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Papastergiou, Georgios	en
dc.date.accessioned	2015-12-04T12:07:40Z
dc.date.available	2015-12-04T12:07:40Z
dc.date.issued	2015-12-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41754
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11018
dc.rights	Default License
dc.subject	Διάστημα	el
dc.subject	Βραχίονες	el
dc.subject	Εξομοιωτής	el
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Έλεγχος	el
dc.subject	Space	en
dc.subject	Lagrange	en
dc.subject	Emulator	en
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	Manipulators	en
dc.title	Σχεδιασμός, υλοποίηση και έλεγχος ρομποτικών βραχιόνων για ρομπότ διαστημικού εξομοιωτή	el
dc.title	Design, implementation and control of robotic arms for the space robot emulator	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Space robotics	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh93007117
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-07-10
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον σχεδιασμό, την υλοποίηση και τον έλεγχο των ρομποτικών βραχιόνων του δεύτερου ρομπότ του επίπεδου διαστημικού εξομοιωτή, που αναπτύσσεται στα πλαίσια του ερευνητικού έργου του Εργαστηρίου Αυτομάτου Ελέγχου, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Ο διαστημικός εξομοιωτής αποτελείται από δύο παρόμοια, αυτόνομα ρομπότ, τα οποία δύνανται να αιωρούνται επί της λείας επιφάνειας τραπέζης γρανίτη, με χρήση αεροεδράνων. Κατ’ αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται άνευ τριβής κίνηση των ρομπότ στο επίπεδο, η οποία εξομοιώνει τις συνθήκες έλλειψης βαρύτητας του διαστήματος. Τα ρομπότ μπορούν να κινούνται ελεγχόμενα καθώς διαθέτουν έξι προωθητήρες και έναν σφόνδυλο αντίδρασης έκαστο, και οι θέσεις τους στο επίπεδο είναι γνωστές μέσω συστημάτων παρακολούθησης που βασίζονται σε μία κάμερα και οπτικούς αισθητήρες. Ο διαστημικός εξομοιωτής επιτρέπει την πειραματική επαλήθευση αλγορίθμων ελέγχου, δυναμικών μοντέλων, μεθόδων πρόσδεσης και συνεργασίας των ρομπότ, καθώς και την επαλήθευση της λειτουργικότητας εξαρτημάτων. Οι ρομποτικοί βραχίονες που σχεδιάστηκαν για το δεύτερο ρομπότ διαθέτουν δύο βαθμούς ελευθερίας με δύο περιστροφικές αρθρώσεις έκαστος, που μπορούν να περιστρέφονται γύρω από άξονες κάθετους στο οριζόντιο επίπεδο. Είναι προσδεμένοι σε αποσπώμενη από το κυρίως σώμα του ρομπότ βάση και έχουν δυνατότητα πλήρους αναδίπλωσης. Τα άκρα των βραχιόνων είναι κατάλληλα σχεδιασμένα για τοποθέτηση διαφόρων εργαλείων ή/και αισθητήρων δύναμης και ροπής. Έκαστος βραχίονας κινείται χάριν δύο DC ηλεκτροκινητήρων μετά πλανητικών μειωτήρων, οι οποίοι προκρίθηκε να τοποθετηθούν αμφότεροι στη βάση των βραχιόνων, για λόγους μείωσης της ροπής αδράνειας και επίτευξης ευνοϊκού κέντρου μάζας. Συνεπώς, απαιτείται σύστημα μετάδοσης για τη δεύτερη άρθρωση κάθε βραχίονα, το οποίο υλοποιείται με ιμάντες χρονισμού και οδοντωτούς τροχούς. Η κατασκευή των δύο βραχιόνων και της βάσης αποτελείται από 105 εξαρτήματα, 34 εκ των οποίων προμηθεύτηκαν από την αγορά – τα υπόλοιπα κατασκευάστηκαν εξολοκλήρου στο εργαστήριο. Για τις ανάγκες προσομοίωσης αναπτύχθηκε το πλήρες δυναμικό μοντέλο του δεύτερου ρομπότ, κατά τη μέθοδο Euler – Lagrange. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε ένας νόμος μη γραμμικού PD ελέγχου που αξιοποιεί το μοντέλο του ρομπότ και υπολογίστηκαν οι απαιτούμενες δυνάμεις και ροπές των επενεργητών του συστήματος. Επίσης σχεδιάστηκαν τροχιές στο Καρτεσιανό επίπεδο και στο πεδίο των αρθρώσεων, κατάλληλες για κίνηση του τελικού σημείου δράσης κάθε βραχίονα σε ευθεία γραμμή και για περιστροφή των αρθρώσεών του, αντίστοιχα. Τα παραπάνω χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη ενός μοντέλου για προσομοιώσεις σε Simulink και ενός ισοδύναμου αλγορίθμου για έλεγχο πραγματικού χρόνου σε Simulink Real-Time. Εν τέλει, διεξήχθησαν πειράματα και διαπιστώθηκε η ορθή λειτουργία των ρομποτικών βραχιόνων και του αλγορίθμου ελέγχου. Επιπλέον, διαπιστώθηκε η συμβατότητα μεταξύ των αποτελεσμάτων των πειραμάτων και των προσομοιώσεων.	el
heal.abstract	This thesis deals with the design, implementation and control of robotic manipulators for the second robot of the planar space emulator that is developed within the framework of the research work of the Control Systems Lab, of the National Technical University of Athens. The space emulator consists of two similar, autonomous robots, which can hover over the smooth surface of a granite table, by using air bearings. In this way, the frictionless motion of the robots on a plane is achieved, which emulates the zero gravity conditions in space. The robots can move under control since they are equipped with six thrusters and a reaction wheel each and their locations on the plane are known through monitoring systems based on a camera and optical sensors. The space emulator enables the experimental verification of control algorithms, dynamic models, docking and cooperation procedures, as well as verification of component functionality. The robotic manipulators that were designed for the second robot have two degrees of freedom with two rotary joints each that can rotate about axes perpendicular to the horizontal plane. They are mounted on a chassis that is detachable from the main body of the robot and are capable of folding fully. The ends of the manipulators are properly designed for mounting various tools and/or force and torque sensors. Each manipulator is powered by two DC electric motors with planetary gearboxes. It was deemed best that both of them be placed on the chassis of the manipulators, in order to achieve reduced moment of inertia and a favorable center of mass location. Therefore, a transmission system is required for each manipulator’s second joint, which is implemented via timing belts and pulleys. The assembly of the two manipulators and the chassis comprises of 105 parts, 34 of which were supplied by the market; the rest were manufactured in-house. For simulation purposes, the second robot’s full dynamic model was developed, based on the Euler – Lagrange method. Subsequently, a non-linear model based PD control law was applied and the required actuators’ forces and torques were calculated. Furthermore, trajectory planning was implemented in the Cartesian plane and the joint space, suitable for straight line movement of the end effector of each manipulator and for its joints’ rotation, respectively. All of the above were utilized for the development of a simulation model in Simulink and the development of an equivalent algorithm for real time control in Simulink Real-Time. Finally, experiments were conducted which verified that the robotic manipulators and the control algorithm operate properly. In addition, the compatibility between the results of the experiments and the simulations was verified.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Κρικέλης, Nικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	191 σ.
heal.fullTextAvailability	true