Σχεδιασμός υβριδικού τετράποδου-τροχοφόρου ρομπότ μικρής κλίμακας με χρήση υλικών και μεθόδων χαμηλού κόστους

Ζουρνατζής, Ηλίας; Zournatzis, Ilias

dc.contributor.author	Ζουρνατζής, Ηλίας	el
dc.contributor.author	Zournatzis, Ilias	en
dc.date.accessioned	2019-09-06T11:21:13Z
dc.date.available	2019-09-06T11:21:13Z
dc.date.issued	2019-09-06
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49199
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16811
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	Ταχεία πρωτοτυποποίηση	el
dc.subject	Βιομημετική	el
dc.subject	Πόδια	el
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	3D Printing	en
dc.subject	Rapid prototyping	en
dc.subject	Biomimetics	en
dc.subject	Legged	en
dc.subject	Quadruped	en
dc.subject	Linear actuators	en
dc.subject	Arduino	en
dc.subject	Open source	en
dc.subject	Educational	en
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.title	Σχεδιασμός υβριδικού τετράποδου-τροχοφόρου ρομπότ μικρής κλίμακας με χρήση υλικών και μεθόδων χαμηλού κόστους	el
dc.title	Design of a small-scale hybrid quadruped/wheeled robot with low-cost methods	en
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Διπλωματική εργασία με θέμα τη κατασκευή τετράποδου ρομπότ με χρήση μεθόδων 3D Printing και στοιχείων χαμηλού κόστους του φοιτητή Ηλία Ζουρνατζή της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π.	el
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-22
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μέθοδο που ακολουθήθηκε για την μελέτη τον σχεδιασμό και την υλοποίηση του υβριδικού τετράποδου-τροχοφόρου ρομπότ του Εργαστηρίου Αυτομάτου Ελέγχου της σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΑΕ-ΕΜΠ) στα πλαίσια συνεργασίας με το πανεπιστήμιο Universität Duisburg-Essen. Ο σχεδιασμός του ρομποτικού συστήματος που αναλύεται στη παρούσα εργασία αποτέλεσε μια προσπάθεια γνωριμίας με τον χώρο των υβριδικών τετράποδων ρομπότ καθώς και την ενσωμάτωση της τεχνολογίας προσθετικής παραγωγής (Additive Manufacturing) στην κατασκευή ρομποτικών συστημάτων χαμηλού κόστους με σκοπό την ερευνητική και εκπαιδευτική τους χρήση. Αρχικά πραγματοποιείται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση του χώρου των υβριδικών ρομπότ με πόδια. Αυτά μελετώνται ως προς τις μεθόδους ενσωμάτωσης τροχών σε μηχανισμούς κίνησης με πόδια καθώς και τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους υλοποίησης τέτοιων συστημάτων. Με αυτό τον τρόπο αποκτάται τεχνογνωσία για τις ανάγκες που παρουσιάζει ο χώρος που μελετάται καθώς και τι θα μπορούσε να προσφέρει η κατασκευή που σχεδιάζεται σε αυτόν. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα τεχνολογικά στοιχεία του χώρου μελέτης, περιγράφοντας συνοπτικά τα κύρια στοιχεία που επιλέχθηκαν για τη κατασκευή όπως είναι η τεχνολογία 3D Printing, η χρήση σερβοκινητήρων τύπου "Hobby Robotics", καθώς και η μέθοδος γραμμικής επενέργησης αρθρώσεων στις κατασκευές. Στο στάδιο σχεδιαστικής ανάλυσης και μελέτης της κατασκευής, αναλύονται οι εξισώσεις που διέπουν τα προτεινόμενα μοντέλα ποδιού, σώματος και υποσυστήματος τροχών που σχεδιάστηκαν καθώς και ο ορισμός αυτών. Το προτεινόμενο μοντέλο ποδιού διαθέτει 3 περιστροφικούς βαθμούς ελευθερίας συμπεριλαμβανομένης της ύπαρξης τροχού στο άκρο του ποδιού. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις εξισώσεις γραμμικής επενέργησης της άρθρωσης γονάτου με σκοπό την απόκτηση τεχνογνωσίας των πλεονεκτημάτων που μπορούν να προκύψουν από μεθόδους επενέργησης με χρήση στοιχείων γραμμικής κίνησης. Αντίστοιχα το σώμα του ρομπότ διαθέτει 2 κατακόρυφους περιστροφικούς βαθμούς ελευθερίας περί τον κάθετο άξονα της άρθρωσης ισχίου των δύο μπροστινών ποδιών με σκοπό την προσομοίωση μεθόδου οδήγησης Ackermann. Ακολουθώντας τον ορισμό των εξισώσεων που διέπουν τη λειτουργία της κατασκευής η ανάλυση εστιάζει στην εκλογή κατάλληλων στοιχείων γραμμικής επενέργησης της άρθρωσης γονάτου. Παρουσιάζεται πληθώρα επενεργητών του εμπορίου, επιλέγονται ορισμένοι εξ' αυτών βασιζόμενοι ιδιαίτερα στην επίτευξη υψηλής πυκνότητας ισχύος με το μικρότερο δυνατό βάρος. Στη συνέχεια, εξετάζονται οι προτεινόμενοι επενεργητές ως προς την απόδοση τους σε σενάρια πραγματικής λειτουργίας των ποδιών. Αφού προταθούν οι κατάλληλοι επενεργητές για τους 3 βαθμούς ελευθερίας του ποδιού και τους 2 βαθμούς ελευθερίας οδήγησης Ackermann του σώματος, περιγράφεται λεπτομερώς η διαδικασία σχεδιασμού των ποδιών και του σώματος του ρομπότ. Σε κάθε περίπτωση εκλέγονται τα κατάλληλα στοιχεία επενέργησης των αρθρώσεων καθώς και σύνδεσης των επιμέρους μελών. Ταυτόχρονα σχεδιάζονται τα δομικά μέλη του ρομπότ και περιγράφεται η λειτουργία των επιμέρους μηχανισμών δομοστοιχειωτής φύσης του συστήματος. Κατά το πέρας του σχεδιασμού των δομικών στοιχείων, ορίζονται οι κινηματικές σχέσης μεταξύ τους και πραγματοποιείται έλεγχος αντοχής με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων στο περιβάλλον του Solidworks Simulation. Ακολούθως, εξετάζεται η ικανότητα κίνησης των ποδιών με χρήση των τροχών καθώς και η δυνατότητα επενέργησης των αρθρώσεων ισχίου και γονάτου σε στατικά και δυναμικά σενάρια φόρτισης. Ο πειραματικός ορισμός των ικανοτήτων του ρομπότ γίνεται με χρήση πειραματικών διατάξεων που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν συγκεκριμένα με γνώμονα τον πειραματικών έλεγχο της παρούσας κατασκευής. Καταλήγοντας, παρουσιάζεται το τελικό ρομπότ, αναλύονται τα χαρακτηριστικά και οι ικανότητες του και παρατίθενται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από τη παρούσα μελέτη καθώς και σημεία που εμφανίζουν ενδιαφέρον για μελλοντικές αναζητήσεις.	el
heal.abstract	This thesis addresses the methods followed towards the analysis, design and manufacturing of the hybrid quadruped/wheeled robot that is developed by the Control Systems Lab of the National Technical University of Athens in assosiation with the University of Duisburg-Essen. The design of the proposed robotic system is an attempt to get acquainted with the field of hybrid robots as well as to gain insight into the incorporation of additive manufacturing methods in the implementation of low-cost robotic systems for research and educational purposes. Initially, a literature review of the field of hybrid robots was conducted. These systems are studied with respect to the methods used for incorporating wheels into legs as well as the existing methods of designing such systems. In this way, a technical know-how of the field being studied is established as well as what the proposed design could contribute to it. Subsequently, the technological elements of the study area are presented and there is a brief description of the main elements that were used, such as 3D printing technology, hobby robotics servo motors, as well as the linear actuation of joints in various constructions. During the design analysis, the formulas describing the proposed leg, body and wheel subsystems are presented and analyzed. The proposed leg design features 3 rotational degrees of freedom, including the integration of a wheel at its end effector. Particular emphasis was placed on the definition of the equations describing the linear actuation of the knee joint, with the purpose of acquiring technical knowledge on the advantages which may result by using linear motion components in joint actuation. Correspondingly, the robot's body features 2 vertical rotational degrees of freedom around the perpendicular axis of the hip joint of the two front legs in order to achieve the Ackermann Steering method. Following the definition of the equations describing the core functions of the robot, the analysis focuses on the election of suitable linear actuators for the knee joints. A vast variety of commercial actuators is presented and a select few are chosen, based on the achievement of high power density with the lowest possible weight. In addition, the proposed actuators are tested over their performance in real-life scenarios of operation. After the suitable actuators have been proposed for the leg's 3 degrees of freedom and the 2 Ackermann Steering vertical degrees of freedom, the design process is described in detail. In each case the appropriate joint actuation components are elected, as well as the individual part connection elements are described. At the same time, the robot's building blocks are designed and the modularity mechanisms of the robot are depicted. Following the design of the main structural components, the appropriate kinematic relations are defined and durability simulations are performed using the Finite Element Analysis (FEA) method in the software of Solidworks Simulation. Additionally, using experimental methods, the definition of the robot's movement capabilities using wheels, as well as the effective ability of the legs to operate under static and dynamic loading scenarios takes place. The experimental testing process is based on physical arrangements, specifically designed for the experimental testing of the presented robot. Eventually, the final robot is presented, its specifications and capabilities are described and the conclusions drawn from this study as well as points of interest for future research are presented.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	242 σ.
heal.fullTextAvailability	true