Σχεδιασμός και μέθοδοι επενέργησης τετράποδων ρομπότ με έμφαση στους κινητήρες χωρίς ψήκτρες και μελέτη μονόποδου ρομπότ απευθείας οδήγησης

Πολυδώρου, Πέτρος - Άγγελος; Polydorou, Petros - Angelos

dc.contributor.author	Πολυδώρου, Πέτρος - Άγγελος	el
dc.contributor.author	Polydorou, Petros - Angelos	en
dc.date.accessioned	2018-06-26T08:59:26Z
dc.date.available	2018-06-26T08:59:26Z
dc.date.issued	2018-06-26
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47120
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15380
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Κινητήρες χωρίς ψήκτρες	el
dc.subject	Μέθοδοι επενέργησης τετράποδων ρομπότ	el
dc.subject	Experimental validation of brushless motors	el
dc.subject	BLDC & PMSM	el
dc.subject	Simulation of direct driven monopod robot	el
dc.subject	Actuation schemes in quadrupedal robots	el
dc.subject	Προσομοίωση μονόποδου ρομπότ απευθείας οδήγησης	el
dc.subject	Πειραματικός προσδιορισμός παραμέτρων κινητήρων χωρίς ψήκτρες	el
dc.title	Σχεδιασμός και μέθοδοι επενέργησης τετράποδων ρομπότ με έμφαση στους κινητήρες χωρίς ψήκτρες και μελέτη μονόποδου ρομπότ απευθείας οδήγησης	el
dc.title	Design and actuation methods for quadrupedal robots with emphasis in brushless motors and study of a directly driven monopod	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Robotics	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02-23
heal.abstract	Από τα αρχαία χρόνια τα τετράποδα ζώα αποτέλεσαν πιστό συνεργάτη και φίλο του ανθρώπου καθώς πρόσφεραν πολύτιμες υπηρεσίες όπως τη γρήγορη και αξιόπιστη μεταφορά σε δύσκολα εδάφη (ημίονος) και τον εντοπισμό και διάσωση θυμάτων σε φυσικές και μη καταστροφές (σκύλος). Tα τετράποδα κινούνται με χαρακτηριστική ευκολία στο φυσικό και στο ανθρώπινο διαμορφωμένο περιβάλλον. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την εντυπωσιακή πρόοδο των αρθρωτών ρομπότ οδήγησε την επιστημονική κοινότητα να αναγνωρίσει τα οφέλη που τα ρομπότ με πόδια και δη τα τετράποδα ρομπότ μπορούν να προσφέρουν στον άνθρωπο. Παρόλο που τα τροχοφόρα και ερπυστριοφόρα μηχανήματα – οχήματα χρησιμοποιούνται ευρέως, εμφανίζουν το μειονέκτημα πως περίπου το 50% της χερσαίας επιφάνειας της γης είναι μη προσβάσιμο σε αυτά. Σήμερα στο πλαίσιο ερευνητικών προγραμμάτων έχουν κατασκευαστεί πολλά ρομπότ ικανά να εκτελούν διάφορες κινήσεις όπως περπάτημα, τρέξιμο και υπερπήδηση εμποδίων, αναρρίχηση και περπάτημα στον πάγο. Προκειμένου να καταφέρνουν όμως να προσαρμόζονται σε τόσο διαφορετικές απαιτήσεις θα πρέπει να μπορούν να αλληλοεπιδρούν με το έδαφος και πιο συγκεκριμένα να μπορούν να ελέγξουν τις δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ του περιβάλλοντος και αυτών. Ως εκ τούτου θα πρέπει να μπορούν να προσαρμόσουν την ενδοτικότητά τους κάθε φορά όπως συμβαίνει και στην περίπτωση π.χ. ενός τετράποδου ζώου το οποίο υποσυνείδητα ανάλογα με τις απαιτήσεις ελέγχει κατάλληλα τους μύες του και τους τένοντες του ώστε να ισορροπεί και να κινείται αποτελεσματικά. Τα σύγχρονα ρομπότ προκειμένου να μπορούν να μεταβάλλουν την ενδοτικότητά τους και να εμφανίζουν την κατάλληλη συμπεριφορά ακολουθούν διάφορα σχήματα επενέργησης αλλά και σχεδίασης ποδιών. Σε αυτά επιχειρείται η εκτίμηση της δύναμης που αναπτύσσεται στο πέλμα και η εφαρμογή διαφόρων αλγορίθμων (virtual leg compliance) για τον έλεγχο της ενδοτικότητας του ρομπότ σε διάφορες καταστάσεις. Στην παρούσα διπλωματική, αναλύουμε τα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχει ο μηχανισμός του ποδιού και εστιάζουμε στις διάφορες μεθόδους επενέργησης, που συνδέονται με τη συμπεριφορά του ρομπότ. Γενικά είναι επιθυμητό να μην χρησιμοποιήσουμε αισθητήρα δύναμης για τον έλεγχο δύναμης αλλά αυτή να υπολογίζεται μέσω ειδικών ιδιοδεκτικών χαρακτηριστικών. Αυτό με την σειρά του συνεπάγεται ορισμένα μηχανικά χαρακτηριστικά που η μέθοδος επενέργησης αλλά και ο μηχανισμός του ποδιού πρέπει να έχουν. Για παράδειγμα το υψηλό εύρος ζώνης (high bandwidth) του συστήματος επενέργησης και η χαμηλή μηχανική εμπέδηση (low mechanical impedance) του μηχανισμού του ποδιού είναι μερικά από αυτά. Μία από τις μεθόδους επενέργησης που καλύπτει αυτά τα χαρακτηριστικά είναι η μέθοδος απευθείας οδήγησης (Direct-Drive Actuation). Επειδή όμως οι απαιτήσεις ροπής στις εφαρμογές τετράποδων ρομπότ είναι πολύ υψηλές για να εφαρμοστεί αυτή η μέθοδος επενέργησης απαιτούνται κινητήρες που παράγουν μεγάλη ροπή όπως για παράδειγμα οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες, όπου ο δρομέας περιστρέφεται εξωτερικά (outrunner brushless motors). Όμως η μεγάλη θεωρία και οι πολλοί τρόποι λειτουργίας των κινητήρων χωρίς ψήκτρες, τραπεζοειδής και ημιτονοειδής οδήγηση, έλεγχος πεδίου (field oriented control) απαιτούν ανάλυση και μελέτη σε εξονυχιστικό βαθμό ώστε κάποιος να εκμεταλλευτεί πλήρως τις δυνατότητές τους. Επίσης επειδή οι συγκεκριμένοι κινητήρες προέρχονται από την βιομηχανία των drones, συνηθώς πολλά από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά δεν δίνονται στα φύλλα κατασκευαστή (αδράνεια δρομέα) και ως εκ τούτου η μελέτη διαφόρων πειραματικών μεθόδων για την εξακρίβωση των διαφόρων παραμέτρων ήταν αναπόφευκτη στην παρούσα διπλωματική. Τέλος λόγω ότι στην μέθοδος απευθείας οδήγηση, όσο μεγάλη και να είναι η ροπή που παράγει ο εκ κατασκευής κινητήρας, δεν χρησιμοποιείται μείωση για αύξηση ροπής, η χρήση προσομοίωσης για να εξετάσουμε τα μεγέθη που μπορεί να έχει ένα μονόποδο ρομπότ είναι απαραίτητη.	el
heal.abstract	From the ancient years, quadruped animals have been a loyal partner and friend of humans, offering valuable services, such as fast and reliable transportation through difficult terrains (mule) or tracking and rescuing victims of natural disasters (dog). Quadrupedal robots move with great agility in domestic and rugged terrain, in association with the impressive evolution in the field of articulated robots have lead the researchers to recognize the potential benefits of constructing quadruped robots. Although wheeled and tracked systems are used widely up to date, the have the drawback that approximately 50% of earth landscape is inaccessible for them. To this day, many research programs have led to the construction of a number of promising quadruped robots that can run fast, jump over obstacles, carry heavy loads, climb stairs and walk on ice. However, in order to adjust in so many different situations, they have to interact with ground and more specifically they have to control the forces that are developed between robot and ground. Therefore, they have to be able to adjust their compliance as a quadrupedal animal does, which subconsciously controls its muscles and tendons depending on the task achieving to be stable. Similarly, biomimetic modern robots, in order to control their compliance and to be able to show the appropriate behavior, they have been constructed with different actuation schemes and leg designs through which they try to sense the forces that are developed between the leg toe and the ground, and to apply different algorithms such as virtual leg compliance. In this thesis, we study the main requirements and parameters a leg mechanism has to meet focusing on the different actuation schemes connected directly the robot’s behavior. In this study, it becomes clear that force sensing required for force – control, needed for the different compliance algorithms, is better to be accomplished through proprioceptive actuation characteristics, eliminating the usage of a force sensor. This implies that actuation methods and leg mechanism have to meet requirements such as high bandwidth and low mechanical impedance respectively. One of the current actuation methods uses electromagnetic motors which meet these requirements is direct-drive actuation. Due to the fact that quadrupedal robots have great demands of torque, this method relies on specific motors such as outrunner brushless motors which, have large rotor radius and short length producing large torque. Due to the fact that theory and operation of these motors (trapezoidal, sinusoidal commutation and field-oriented control) are extended, it is necessary to study them in detail so that their capabilities are exploited fully. Furthermore, outrunner motors are mostly used in the drone industry and thus their operational parameters such as inertia or rated current are not given in the manufacturer’s datasheets. Therefore, experimental methods are needed to find the motor’s parameters was a focus on this thesis. Finally, in direct-drive actuation method, that this kind of motors outputs larger torque than common motors of same power, gears and transmissions have been eliminated and therefore simulations were necessary to estimate how large and heavy a monopod robot could be.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	176 σ.
heal.fullTextAvailability	true