Διερεύνηση Μεθοδολογίας και Εργαλείων Κατασκευής Μοντέλων Εικονικής Πραγματικότητας για Ρομποτικά Κύτταρα Κατεργασιών

Abstract

Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε η μεθοδολογία και τα εργαλεία κατασκευής μοντέλων εικονικής πραγματικότητας για ρομποτικά κύτταρα κατεργασιών, χρησιμοποιώντας το λογισμικό ανάπτυξης διαδραστικών εικονικών εφαρμογών 3DVIA Virtools. Στο πλαίσιο αυτό επιχειρήθηκε η προσομοίωση ενός σύγχρονου κέντρου τόρνευσης (Mori Seiki NT 4250) και ενός ρομποτικού βραχίονα έξι περιστροφικών αρθρώσεων 6R (Fanuc R2000iA- 125L) σε τέσσερις βασικούς άξονες: γεωμετρική, κινηματική, λειτουργική μοντελοποίηση και διάδραση. Σύμφωνα με τα παραπάνω υλοποιήθηκαν αλγόριθμοι κίνησης των διαφόρων μερών του κέντρου τόρνευσης και αλγόριθμοι ευθείας και αντίστροφης κινηματικής του ρομποτικού βραχίονα 6R, οι οποίοι ενσωματώθηκαν στο πρότυπο σύστημα ΕΠ, μέσω του λογισμικού 3DVIA Virtools, με την μορφή «συμπεριφορών», παρέχοντας τη δυνατότητα ανάκτησης των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης σε πραγματικό χρόνο. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκε εξοπλισμός εικονικής πραγματικότητας για την αλληλεπίδραση με το χρήστη. Συγκεκριμένα, έγινε χρήση χειριστηρίων, ενός μαγνητικού ανιχνευτή έξι βαθμών ελευθερίας, καθώς και συστήματος προβολικής επιπροσωπίδας. Μέσω της εικονικής προσομοίωσης και της αλληλεπίδρασης του χρήστη με το εικονικό περιβάλλον, το σύστημα αξιολογήθηκε ως κατάλληλο. Τα κύρια πλεονεκτήματα του είναι η δυνατότητα διάδρασης και εμβύθισης του χρήστη, καθώς και η δυνατότητα άντλησης χρήσιμων δεδομένων από το εικονικό περιβάλλον που μπορούν, υπό συνθήκες, να χρησιμοποιηθούν σε πληθώρα εφαρμογών πραγματικών συστημάτων κατεργασιών. Επιπλέον, το σύστημα επικυρώθηκε όσον αφορά στην ανίχνευση συγκρούσεων. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρουσιάζονται και ποσοτικά με μια σειρά παραδειγμάτων, δείγμα των δυνατοτήτων, αλλά και των περιορισμών, του συστήματος. Τέλος, οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν συνιστούν μια βιβλιοθήκη επαναχρησιμοποιήσιμου κώδικα με την μορφή «συμπεριφορών» στο 3DVIA Virtools, παρέχοντας τη δυνατότητα εφαρμογής τους σε αρθρωτούς ρομποτικούς βραχίονες 6R ή μέρη εργαλειομηχανών που παρουσιάζουν αντίστοιχα κινηματικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά. Σκοπός ήταν η βιβλιοθήκη να αποτελέσει τη βάση για επόμενες εργασίες και έρευνα πάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο.

The scope of this study is the investigation of the methodology and the tools for constructing virtual reality models of robotic manufacturing cells, using 3DVIA Virtools, a development platform for interactive virtual applications. Within this framework, the simulation of a modern turning center (Mori Seiki NT 4250) and a 6R articulated robotic manipulator (Fanuc R2000iA-125L) is presented, focusing in four main areas: geometric, kinematic, functional modelling and interaction. According to this, motion algorithms for the architectural components of the turning center as well as forward and inverse kinematics of the robotic manipulator were implemented. The algorithms were embedded in the VR environment, using 3DVIA Virtools, in the form of 'behaviors', making use of real-time data during simulation. Virtual reality equipment was used for the interaction of the user with the system; namely, the system was coupled and synchronized with a gamepad, a six DOF magnetic tracker and a Head Mounted Display (HMD). The thesis presents successful simulation, in terms of accurate implementation of the real machines and mechanisms, as well as with regard to user interaction with the virtual environment. The main advantages of the system is the immersion of the user into the virtual environment and the fact that data retrieved from the virtual system can be applied, under specific circumstances, upon real systems. Moreover, the system was confirmed in terms of collision detection. The simulation results are presented through a series of paradigms which show the system's capabilities, as well as its limitations. Lastly, the algorithms which were developed, form a library of reusable code of 'behaviors' in 3DVIA Virtools, applicable in similar 6R robotic manipulators and components of machine tools with relevant kinematic and functional features. This database and the proposed methodology, provide a solid basis for future research in this field.