Θερμική μελέτη, σχεδιαμός και κατασκευή συστήματος ηλεκτρικού κινητηρα και ενσωματωμένου πλανητικού μειωτήρα για επενέργηση των αρθρώσεων ποδιού τριών βαθμών ελευθερίας

Βάλβης, Ιωάννης

dc.contributor.author	Βάλβης, Ιωάννης	el
dc.date.accessioned	2020-12-16T06:58:01Z
dc.date.available	2020-12-16T06:58:01Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52550
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20248
dc.rights	Default License
dc.subject	Ρομπότ με πόδια	el
dc.subject	Πόδι τριών βαθμών ελευθερίας	el
dc.subject	Μονάδες επενέργησης	el
dc.subject	Κατασκευή μονάδας επενέργησης	el
dc.subject	Κατασκευή ρομποτικού ποδιού	el
dc.subject	Leg with three degrees of freedom	en
dc.subject	Legged robots	en
dc.subject	Actuation units	en
dc.subject	Implementation of actuation unit	en
dc.subject	Implementation of robotic leg	en
dc.title	Θερμική μελέτη, σχεδιαμός και κατασκευή συστήματος ηλεκτρικού κινητηρα και ενσωματωμένου πλανητικού μειωτήρα για επενέργηση των αρθρώσεων ποδιού τριών βαθμών ελευθερίας	el
dc.contributor.department	Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-11-16
heal.abstract	Στις μέρες μας τα ρομπότ εμφανίζονται ολοένα και περισσότερο στην καθημερινότητα των ανθρώπων. Μέχρι πρόσφατα, η χρήση τους γινόταν κυρίως σε βιομηχανικούς χώρους, όπου αυτά βρίσκονταν σε σταθερά σημεία και επιτελούσαν εργασίες δύσκολες, κουραστικές, ή επικίνδυνες για τον άνθρωπο. Με το πέρασμα των χρόνων, τα ρομπότ εξελίσσονται και χρησιμοποιούνται και σε περιβάλλοντα που είναι μη δομημένα. Εκεί οι απαιτήσεις είναι ακόμη πιο αυξημένες, γεγονός που απαιτεί μεγάλη προσοχή στην επιλογή και ανάπτυξη του κατάλληλου μηχανολογικού εξοπλισμού που αυτά φέρουν. Οι τεχνολογίες που είναι σχετικές με την κίνηση τέτοιων ρομπότ είναι συνήθως αυτές που θέτουν σήμερα κατά κύριο λόγο τα όρια των δυνατοτήτων τους. Με ρομποτικές διατάξεις όπου η κίνηση επιτυγχάνεται με την χρήση τροχών, για παράδειγμα, είναι αδύνατη η εκτέλεση εργασιών σε μέρη όπου δεν υπάρχει πρόσβαση μέσω κάποιου είδους σχετικά ομαλού δρόμου. Άρα, τα περισσότερα σημεία ενδιαφέροντος παραμένουν δυσπρόσιτα με τις περισσότερες συμβατικές τεχνολογίες. Την λύση στο πρόβλημα αυτό προσφέρει η ενσωμάτωση ποδιών στα ρομπότ. Η αντίστοιχη τεχνολογία έχει κάνει την εμφάνισή της κυρίως τα τελευταία χρόνια, με εντυπωσιακά αλλά μεμονωμένα και περιορισμένα σε εργαστήρια έρευνας παραδείγματα. Η περίπλοκη δυναμική που περιγράφει τα φαινόμενα της κίνησης με πόδια καθιστά δύσκολη την ανάλυση και τον έλεγχο τέτοιων ρομπότ. Μείζον και ανοιχτό για καινοτομία ζήτημα στη σχετική έρευνα αποτελεί ο σχεδιασμός και η υλοποίηση συστημάτων επενέργησης που θα πλησιάσουν όσο το δυνατόν περισσότερο τις εντυπωσιακές δυνατότητες των μυών που απαντώνται σε έμβιους οργανισμούς με πόδια. Μέχρι πρόσφατα, στα περισσότερα ηλεκτρικά επενεργούμενα ρομπότ, η επιστημονική κοινότητα παγκοσμίως υιοθέτησε την χρήση κινητήρων μικρής πυκνότητας ροπής σε συνδυασμό με κιβώτια μεγάλων λόγων μείωσης ως βασικό στοιχείο της επενέργησης των τμημάτων τους (βραχίονες, πόδια κ.α.). Η λύση αυτή ενσωματώθηκε κατά κόρον στα πλέον γνωστά ρομπότ αποτελώντας για πολλά χρόνια μονόδρομο στην επενέργηση ρομποτικών αρθρώσεων. Δεδομένου όμως ότι κατά την αλληλεπίδραση τέτοιων ρομποτικών διατάξεων με το περιβάλλον τους μπορούν να εμφανιστούν μεγάλα κρουστικά φορτία που καταπονούν τα δομικά τους μέρη (πχ. μειωτήρες), θεωρείται αναγκαία η χρήση ελαστικών εξαρτημάτων που προσφέρουν ενδοτικότητα και άρα προστασία στο σύστημα. Παρά τα πλεονεκτήματα τέτοιων μεθόδων επενέργησης, η χρήση μειωτήρων μεγάλης μείωσης σε συνδυασμό με σταθερά παθητικά ελαστικά στοιχεία αυξάνει στις περισσότερες περιπτώσεις τόσο την πολυπλοκότητα, όσο και το όγκο των διατάξεων. Ταυτόχρονα, για την σωστή λειτουργία τέτοιων ρομπότ σε χρήσιμες εφαρμογές είναι αναγκαία η χρήση αισθητήρων δύναμης/ ροπής για την μέτρηση των δυνάμεων αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον, γεγονός που αυξάνει επιπρόσθετα την πολυπλοκότητα και το κόστος, ενώ θέτει πολλές προκλήσεις στον έλεγχό τους. Όπως είναι φυσικό, αυτός ο τρόπος επενέργησης εμφανιζόταν μέχρι πολύ πρόσφατα και στην πλειοψηφία των ηλεκτρικά επενεργούμενων ρομπότ με πόδια. Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη κινητήρων με αρκετά υψηλή συγκέντρωση ροπής, έγινε δυνατός ο συνδυασμός τους με μειωτήρες μικρών λόγων μείωσης για την επενέργηση αρθρώσεων σε ρομποτικές διατάξεις. Αυτή η εναλλακτική υλοποίηση όχι μόνο οδηγεί σε ρομπότ με μειωμένο όγκο, κόστος και βάρος, αλλά ταυτόχρονα μειώνει την πολυπλοκότητα τόσο της κατασκευής όσο και του ελέγχου. Την ίδια στιγμή, διευρύνει τις δυνατότητες του ρομπότ εφόσον μειώνεται δραστικά η αδράνεια των αρθρώσεων λόγω των μικρότερων λόγων μείωσης. Παράλληλα, εφόσον οι μειωτήρες με μικρές μειώσεις δεν χρήζουν προστασίας απέναντι σε κρουστικά φορτία, ένα τέτοιο ρομπότ αποδεσμεύεται από σταθερά ελαστικά στοιχεία προστασίας που μπορούν να παίξουν κυρίαρχο ρόλο στην δυναμική του συστήματος και να δυσκολέψουν τον έλεγχο. Επιπρόσθετα, με απλή μέτρηση ρεύματος είναι δυνατή η εκτίμηση της ροπής των αρθρώσεων και άρα των δυνάμεων στα άκρα των τμημάτων ενός αρθρωτού ρομπότ, χωρίς την ενσωμάτωση αισθητήρων δύναμης/ ροπής. Έτσι, με κατάλληλη ρύθμιση των παραμέτρων ελέγχου (πχ. κερδών) είναι δυνατή η τροποποίηση της δυναμικής του ποδιού επιτυγχάνοντας για παράδειγμα δυνατότητα κίνησης με διαφορετική ενδοτικότητα ανάλογα με το περιβάλλον αλληλεπίδρασης. Στην παρούσα διπλωματική υιοθετείται η δεύτερη μέθοδος επενέργησης για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση μονάδας επενέργησης μικρής μείωσης που στην συνέχεια ενσωματώνεται στις αρθρώσεις ευέλικτου ποδιού τριών βαθμών ελευθερίας. Έμφαση δίνεται στη θερμική ανάλυση της μονάδας και στην εξαγωγή συμπερασμάτων που οδηγούν σε βέλτιστο σχεδιασμό. Τέλος, γίνεται η κατασκευή της μονάδας και του ποδιού που σχεδιάστηκε, και διεξάγονται κατάλληλα πειράματα κίνησης και μέτρησης θερμοκρασίας που πιστοποιούν τα αποτελέσματα που οδήγησαν τον σχεδιασμό.	el
heal.abstract	Nowadays, robots are increasingly entering the daily lives of humans. In the past, they were used mainly in industrial areas, where they were located in fixed locations and served purposes that were either difficult or dangerous to implement by humans. Over the years, robots have evolved and are increasingly used in unstructured environments. In these areas, the demands are even higher, which requires great care in the selection and development of the appropriate mechanical equipment that they will bring. The targeted choice of technologies for the movement of such robots is also the one that primarily sets the limits of their capabilities. In devices where movement is achieved by the use of wheels, for example, it is impossible to perform work in places where there is no access by some kind of road. The solution to this problem is offered by the integration of legs in robots. This technology has emerged in recent years mainly, while the complex dynamics that describe the phenomena of gait makes it difficult to analyze and control these robots. At the same time, a major issue in these cases is the implementation of power transmission systems at their links in the best possible way. In the early years of legged robots, the scientific community worldwide adopted the use of lowtorque motors combined with large reduction gearboxes as a key part of their actuation units. This solution was integrated into the most well-known robots that were built, while it was a one-way street, based on the existing technology until then regarding the existing motors and gearboxes. However, since the robotic devices develop large impact loads that strain the structural parts of the actuation system, it was necessary to use elastic components that offer flexibility in the system, thus protecting the components of the construction. However, their use in most cases increases both the complexity and the volume of the devices. At the same time, it was necessary to use force sensors at the extremities to measure ground forces, which makes this implementation even more complicated. In recent years, with the development of motors with high torque concentration, it is possible to combine them with small reduction gearboxes to actuate the legs in robotic devices. This alternative implementation not only leads to robots with reduced volume and weight, but also reduces complexity. At the same time, with proper current control it is possible to estimate the force at the ends of the legs, without the necessary integration of sensors. Also, by adjusting the control parameters of the joints, it is possible to modify the flexibility of the foot, a fact that is very important for the improvement of the performance during walking. In this diploma, this method of power transmission will be adopted for the design and implementation of an operation unit that will then be applied to a foot of three degrees of freedom.	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. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	104 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false