Μελέτη και σχεδιασμός ενδοτικού ρομποτικού βραχίονα τριών 
βαθμών ελευθερίας χαμηλού κόστους για βιομηχανικά
περιβάλλοντα

Αλιγιάννης, Φώτιος; Aligiannis, Fotios

dc.contributor.author	Αλιγιάννης, Φώτιος	el
dc.contributor.author	Aligiannis, Fotios	en
dc.date.accessioned	2023-11-13T10:02:41Z
dc.date.available	2023-11-13T10:02:41Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58290
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25986
dc.rights	Default License
dc.subject	Ρομποτικός Χειρισμός	el
dc.subject	Ενδοτικότητα	el
dc.subject	Επενέργηση	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Στοιχεία Μηχανών	el
dc.subject	Robotic Manipulation	en
dc.subject	Compliance	en
dc.subject	Actuation	en
dc.subject	Modelling	en
dc.subject	Machine Elements	en
dc.title	Μελέτη και σχεδιασμός ενδοτικού ρομποτικού βραχίονα τριών βαθμών ελευθερίας χαμηλού κόστους για βιομηχανικά περιβάλλοντα	el
dc.title	Study and design of a low-cost compliant three degree-of-freedom robotic manipulator for industrial environments	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Robotics	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-07-07
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και το σχεδιασμό ενός ενδοτικού ρομποτικού βραχίονα τριών βαθμών ελευθερίας χαμηλού κόστους, ο οποίος προορίζεται για λειτουργία σε βιομηχανικό περιβάλλον, ενώ ταυτόχρονα έχει τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης και συνεργασίας με ανθρώπους. Το εν λόγω σύστημα, σε αντίθεση με την πλειοψηφία των ρομποτικών βραχιόνων που απαντώνται στη βιομηχανία, έχει τη δυνατότητα υποχώρησης και προσαρμογής σε απρόσμενες εξωτερικές διαταραχές (ενδοτικότητα), οι οποίες χαρακτηρίζουν τα ανθρωποκεντρικά περιβάλλοντα. Αυτή η προσέγγιση αποκλίνει από τη μέχρι πρόσφατα υιοθετούμενη στο πεδίο του ρομποτικού χειρισμού, καθώς τα ρομπότ αυτά κατά κανόνα λειτουργούσαν υπό απολύτως ελεγχόμενες συνθήκες και εκτελούσαν προκαθορισμένες ενέργειες. Η ειδοποιός διαφορά των δύο συστημάτων είναι πως οι ρομποτικοί βραχίονες μέχρι τώρα ενεργούσαν με βάση τον έλεγχο θέσης, ενώ στην εξεταζόμενη εφαρμογή απαιτείται έλεγχος δύναμης. Ταυτόχρονα, με αφορμή την εκτενή προσπάθεια που γίνεται από την επιστημονική κοινότητα με σκοπό τα ρομποτικά συστήματα να γίνουν διαθέσιμα στο ευρύ κοινό, εξετάζεται η δυνατότητα σχεδιασμού ενός τέτοιου συστήματος με χαμηλό κόστος, χωρίς όμως να υπολείπεται επιδόσεων. Αρχικά, ύστερα από μια σύντομη βιβλιογραφική ανασκόπηση, απαριθμούνται οι σχεδιαστικές απαιτήσεις με βάση τις οποίες σχεδιάζεται ένας ενδοτικός ρομποτικός βραχίονας, με τις σημαντικότερες να είναι ενδοτικότητα, υψηλός λόγος ωφέλιμου φορτίου προς μάζα και χαμηλό κόστος. Γίνεται αναλυτική παρουσίαση των κυρίαρχων λύσεων που μπορούν να βρεθούν στο εμπόριο και στη βιβλιογραφία και αξιολογούνται με σκοπό να επιλεχθούν αυτές που ικανοποιούν τις σχεδιαστικές απαιτήσεις. Αναλυτικότερα, εξετάζονται αρχικά τα συστήματα επενέργησης ως προς τις επιδόσεις τους σε θέματα πυκνότητας ροπής, μέτρησης δύναμης, κόστους και εύρους ζώνης ελέγχου δύναμης. Επιλέγεται η μέθοδος επενέργησης άμεσης μετάδοσης, με την οποία επιτυγχάνεται έλεγχος δύναμης μέσω ιδιοδεκτικότητας και κρίνεται πως πληροί σε μεγαλύτερο βαθμό όλα κριτήρια σε σχέση με τις εναλλακτικές. Στη συνέχεια μελετώνται οι διαφορετικές μηχανικές δομές του βραχίονα, με την πιο κατάλληλη να είναι η ανθρωπομορφική, λόγω των αυξημένου χώρου εργασίας αλλά και της μηχανικής αξιοπιστίας της. Εξετάζεται η τοποθέτηση των κινητήρων σε σχέση με τις αρθρώσεις και συγκρίνονται η σειριακή και η παράλληλη διάταξη. Κατά την σύγκριση αυτή, αναπτύσσεται στο επίπεδο το μοντέλο του βραχίονα (κινηματικές και δυναμικές εξισώσεις (μέθοδος Euler-Lagrange)) για την κάθε περίπτωση, και επιλέγεται η παράλληλη διάταξη χρησιμοποιώντας ως κριτήριο το ωφέλιμο φορτίο που μπορεί να διαχειριστεί ο βραχίονας σε κάποια ονομαστικά σενάρια λειτουργίας (στατική φόρτιση, ευθύγραμμη και κυκλική τροχιά τελικού στοιχείου δράσης). Καθώς η παράλληλη διάταξη συνεπάγεται πως ο κινητήρας του αγκώνα τοποθετείται ομοαξονικά με τον κινητήρα του ώμου, είναι επιτακτική η χρήση ενός συστήματος μετάδοσης κίνησης για τη μεταφορά της ισχύος στην άρθρωση. Επιλέγεται ιμάντας χρονισμού καθώς ενδείκνυται για εφαρμογές ακριβείας και λόγω της εύκολης εγκατάστασής του. Στη συνέχεια σχεδιάζεται ο βραχίονας με βάση τις παραπάνω αποφάσεις, χρησιμοποιώντας το λογισμικό SolidWorks. Επιλέγεται κινητήρας με στόχο τη μεγιστοποίηση της πυκνότητας ροπής ο οποίος συνοδεύεται από το κατάλληλο σύστημα οδήγησης. Για το βραχίονα χρησιμοποιούνται κυρίως υλικά υψηλής ειδικής αντοχής (λόγος αντοχής προς βάρος), όπως αλουμίνιο 7075-t6 και ανθρακόνημα. Επιλέγονται οι τελικές διαστάσεις του βραχίονα μέσω παραμετρικής ανάλυσης σε μοντέλο που αναπτύχθηκε στο λογισμικό MATLAB της εταιρείας Mathworks βασισμένο στις δυναμικές εξισώσεις του βραχίονα (μέθοδος Euler-Lagrange), με σκοπό την ταυτόχρονη ικανοποίηση απαιτήσεων χώρου εργασίας και ωφέλιμου φορτίου. Τέλος, εξάγονται οι προδιαγραφές / επιδόσεις του βραχίονα σε θέματα ωφέλιμου φορτίου, λόγου ωφέλιμου φορτίου προς βάρος, χώρου εργασίας και γίνεται εκτίμηση του κόστους του. Βρίσκεται πως ο βραχίονας έχει συγκρίσιμες προδιαγραφές με αντίστοιχους του εμπορίου, ενώ το κόστος του είναι τάξεις μεγέθους μικρότερο και μάλιστα παρόμοιο με άλλα συστήματα που αναπτύχθηκαν σε ερευνητικό πλαίσιο με τον ίδιο σκοπό.	el
heal.abstract	This thesis concerns the design of a compliant three degree-of-freedom low-cost manipulator. The goal is for it to be able to operate in industrial environments, while also having the capability to interact and cooperate with humans. In contrast with the majority of robotic manipulators found in industry, this system is able to sense and adjust its behavior to unpredictable external disturbances (compliance), which greatly characterize anthropocentric environments. This approach deviates from the common path followed in the field of robotic manipulation, due to the fact that these robots mainly operated under well-defined conditions and executed pre-determined tasks. The main difference between the two systems is that up until now, robotic manipulators acted based on position control, while the application at hand demands the implementation of force control schemes. At the same time, the possibility of achieving a low-cost design is being examined, thus contributing to the extensive effort made by the scientific community to make robots accessible to the general public. The thesis begins with a brief literature review. Then, the design requirements for the development of such a system are defined, with the most important ones being compliance, high payload-to-weight ratio and low cost. Based on these requirements, the most prominent solutions found either in industrial or research context are examined. More specifically, firstly, the actuation system is studied in terms of force sensing capabilities, cost and bandwidth. The direct-drive actuation method is selected, which achieves force control through proprioception and it displays the greatest degree of fulfilment of the aforementioned criteria. Subsequently, the various alternatives concerning the mechanical structure are studied and the anthropomorphic configuration is chosen due to its increased structural reliability and workspace. Following that, the placement of the actuators relative to the joints is being addressed and, in that context, the serial and parallel configuration are compared. During this comparison, the two-dimensional models (kinematic and dynamic equations (Euler-Lagrange Method)) of each case are developed, and the parallel configuration is selected based on its payload capabilities in different nominal operation scenarios (static load, horizontal, vertical and circular movement of the end-effector). Since the parallel configuration dictates that the actuator of the elbow joint is placed coaxially with the actuator of the shoulder joint, a transmission system had to be implemented for the power to be transmitted between the motor and the joint. Timing belt is selected as the method of transmission, since it is suitable for precision applications and also for its relatively simple installation procedure. The next step is to design the manipulator according to the previous design decisions. First of all, a BLDC motor and a suitable BLDC motor driver are chosen, based on torque density maximization (torque-to-weight ratio). For the manipulator’s design, materials of high specific strength (strength-to-weight ratio) are used, mainly Aluminum alloy 7075-t6 and carbon fiber. The selection of the final values of the geometric parameters of the robot (link lengths) is accomplished through a parametric analysis, executed on the model of the manipulator developed in MATLAB, based on the kinematic and dynamic (Euler-Lagrange Method) equations. The goal of the analysis is to select the parameter values such that the workspace and payload requirements are simultaneously satisfied. Finally, the developed manipulator is evaluated in terms of payload, payload-to-weight ratio, acceleration and velocity development capabilities. Also, its total cost is estimated. It is concluded that the system has comparable capabilities to the already existing robotic manipulators. As for the cost, it is lower by an order of magnitude and it is similar to that of other robots developed as part of research on the matter.	en
heal.advisorName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.advisorName	Manolakos, Dimitrios	en
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Manolakos, Dimitrios	en
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Markopoulos, Angelos	en
heal.committeeMemberName	Μπενάρδος, Πανώριος	el
heal.committeeMemberName	Benardos, Panorios	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών. Εργαστήριο Κατεργασιών των Υλικών (Μηχανουργικό και Μηχανολογικό Εργοστάσιο)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	123 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false