Σχεδιασμός, υλοποίηση και έλεγχος ρομποτικών βραχιόνων για ρομπότ διαστημικού εξομοιωτή - Παπαστεργίου, Γεώργιος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων, 2015)
Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον σχεδιασμό, την υλοποίηση και τον έλεγχο των ρομποτικών βραχιόνων του δεύτερου ρομπότ του επίπεδου διαστημικού εξομοιωτή, που αναπτύσσεται στα πλαίσια του ερευνητικού έργου του Εργαστηρίου Αυτομάτου Ελέγχου, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Ο διαστημικός εξομοιωτής αποτελείται από δύο παρόμοια, αυτόνομα ρομπότ, τα οποία δύνανται να αιωρούνται επί της λείας επιφάνειας τραπέζης γρανίτη, με χρήση αεροεδράνων. Κατ’ αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται άνευ τριβής κίνηση των ρομπότ στο επίπεδο, η οποία εξομοιώνει τις συνθήκες έλλειψης βαρύτητας του διαστήματος. Τα ρομπότ μπορούν να κινούνται ελεγχόμενα καθώς διαθέτουν έξι προωθητήρες και έναν σφόνδυλο αντίδρασης έκαστο, και οι θέσεις τους στο επίπεδο είναι γνωστές μέσω συστημάτων παρακολούθησης που βασίζονται σε μία κάμερα και οπτικούς αισθητήρες. Ο διαστημικός εξομοιωτής επιτρέπει την πειραματική επαλήθευση αλγορίθμων ελέγχου, δυναμικών μοντέλων, μεθόδων πρόσδεσης και συνεργασίας των ρομπότ, καθώς και την επαλήθευση της λειτουργικότητας εξαρτημάτων. Οι ρομποτικοί βραχίονες που σχεδιάστηκαν για το δεύτερο ρομπότ διαθέτουν δύο βαθμούς ελευθερίας με δύο περιστροφικές αρθρώσεις έκαστος, που μπορούν να περιστρέφονται γύρω από άξονες κάθετους στο οριζόντιο επίπεδο. Είναι προσδεμένοι σε αποσπώμενη από το κυρίως σώμα του ρομπότ βάση και έχουν δυνατότητα πλήρους αναδίπλωσης. Τα άκρα των βραχιόνων είναι κατάλληλα σχεδιασμένα για τοποθέτηση διαφόρων εργαλείων ή/και αισθητήρων δύναμης και ροπής. Έκαστος βραχίονας κινείται χάριν δύο DC ηλεκτροκινητήρων μετά πλανητικών μειωτήρων, οι οποίοι προκρίθηκε να τοποθετηθούν αμφότεροι στη βάση των βραχιόνων, για λόγους μείωσης της ροπής αδράνειας και επίτευξης ευνοϊκού κέντρου μάζας. Συνεπώς, απαιτείται σύστημα μετάδοσης για τη δεύτερη άρθρωση κάθε βραχίονα, το οποίο υλοποιείται με ιμάντες χρονισμού και οδοντωτούς τροχούς. Η κατασκευή των δύο βραχιόνων και της βάσης αποτελείται από 105 εξαρτήματα, 34 εκ των οποίων προμηθεύτηκαν από την αγορά – τα υπόλοιπα κατασκευάστηκαν εξολοκλήρου στο εργαστήριο. Για τις ανάγκες προσομοίωσης αναπτύχθηκε το πλήρες δυναμικό μοντέλο του δεύτερου ρομπότ, κατά τη μέθοδο Euler – Lagrange. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε ένας νόμος μη γραμμικού PD ελέγχου που αξιοποιεί το μοντέλο του ρομπότ και υπολογίστηκαν οι απαιτούμενες δυνάμεις και ροπές των επενεργητών του συστήματος. Επίσης σχεδιάστηκαν τροχιές στο Καρτεσιανό επίπεδο και στο πεδίο των αρθρώσεων, κατάλληλες για κίνηση του τελικού σημείου δράσης κάθε βραχίονα σε ευθεία γραμμή και για περιστροφή των αρθρώσεών του, αντίστοιχα. Τα παραπάνω χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη ενός μοντέλου για προσομοιώσεις σε Simulink και ενός ισοδύναμου αλγορίθμου για έλεγχο πραγματικού χρόνου σε Simulink Real-Time. Εν τέλει, διεξήχθησαν πειράματα και διαπιστώθηκε η ορθή λειτουργία των ρομποτικών βραχιόνων και του αλγορίθμου ελέγχου. Επιπλέον, διαπιστώθηκε η συμβατότητα μεταξύ των αποτελεσμάτων των πειραμάτων και των προσομοιώσεων.