Μεθοδολογίες προγραμματισμού κίνησης σε νευρο-ρομποτικά συστήματα
Authors: Παπαγεωργίου Ξανθή 
Published: January 2014

Η παρούσα διατριβή έχει σκοπό την ανάπτυξη μεθοδολογιών και αλγορίθμων για το σχεδιασμό και προγραμματισμό της κίνησης ενός ρομποτικού βραχίονα. Ο βραχίονας θα εκτελεί κινήσεις οι οποίες θα προέρχονται από τη διασύνδεση του ρομπότ με το νευρικό σύστημα του ανθρώπου. Ένα απλό μέσο διασύνδεσης του ρομπότ με το περιφερειακό νευρικό σύστημα του ανθρώπου είναι τα ηλεκτρομυογραφικά σήματα (EMG - electro myographic signals). Πρόκειται για σήματα που παράγονται και μπορούν να καταγραφούν, από την ηλεκτρική διέγερση που προκαλείται στους μύες του ανθρώπου κατά την εκτέλεση μίας κίνησης. Ωστόσο, ο προσδιορισμός της κίνησης του ανθρώπου με τη χρήση τέτοιων σημάτων, στις περισσότερες των περιπτώσεων, δεν είναι πολύ ακριβής, ώστε να είναι εφικτό μόνο μέσω των πληροφοριών που παρέχουν αυτά, να οδηγηθεί ο ρομποτικός βραχίονας. Το πρόβλημα αυτό γίνεται πιο δύσκολο σε περιπτώσεις όπου το ρομπότ είναι αναγκασμένο να πλοηγηθεί σε περιβάλλοντα που περιέχουν διάσπαρτα αντικείμενα-εμπόδια, τα οποία εισάγουν επιπλέον περιορισμούς στο χώρο δράσης του. Σε τέτοιες περιπτώσεις απαιτείται η ανάπτυξη μεθοδολογιών οι οποίες να επιτρέπουν στο ρομπότ να είναι υποχωρητικό προς συγκεκριμένες επιφάνειες, ενώ ταυτόχρονα να έχει τη δυνατότητα να αποφεύγει εμπόδια που μπορεί να αναχαιτίσουν την κίνησή του. Επίσης, ένα πολύ σημαντικό μέρος των μεθοδολογιών αυτών είναι η αντιμετώπιση του προβλήματος που προκύπτει όταν οι εν λόγω επιφάνειες είναι καμπυλωμένες και περιέχουν κάποιες περιοχές προς τις οποίες το ρομπότ απαγορεύεται να κινηθεί. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες προγραμματισμού και ελέγχου της κίνησης ενός ρομποτικού βραχίονα με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, ο οποίος χρησιμοποιείται για την εκτέλεση κάποιων καθηκόντων σε επιφάνειες (τρισδιάστατες πολυπλοκότητες) που βρίσκονται μέσα στο χώρο δράσης του. Ταυτόχρονα, επιτεύχθηκε ο περιορισμός του εύρους των ταχυτήτων της κάθε άρθρωσης του ρομπότ, με αποτέλεσμα να διασφαλίζεται η λειτουργία του μηχανισμού μέσα στα όρια που έχουν τεθεί από τον κατασκευαστή του, και μέσα στα οποία έχει τη δυνατότητα να κινηθεί με ασφάλεια. Τα καθήκοντα τα οποία ο ρομποτικός βραχίονας καλείται να εκτελέσει συνοψίζονται στα εξής: • Το ρομπότ θα πρέπει να μπορεί να σταθεροποιήσει του άκρο του σε κάθε σημείο του χώρου κοντά ή και πάνω σε μία επιφάνεια, ασκώντας παράλληλα σταθερή δύναμη σε αυτή. • Το άκρο του ρομπότ θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα παρακολούθησης μίας συγκεκριμένης και προκαθορισμένης τροχιάς πάνω στην επιφάνεια (διατηρώντας σταθερή απόσταση από αυτήν ή και αναπτύσσοντας συγκεκριμένη επαφή με αυτήν). Η πραγματοποίηση των παραπάνω καθηκόντων συνοδεύεται από ταυτόχρονη αποφυγή οποιουδήποτε εμποδίου υπάρχει μέσα στο χώρο δράσης του ρομπότ, ακόμα και αυτών που βρίσκονται πάνω στην επιφάνεια που μας ενδιαφέρει (απαγορευμένες περιοχές). Με βάση τη μαθηματική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε, την επαλήθευση των αποτελεσμάτων με κατάλληλες αριθμητικές προσομοιώσεις και τη διενέργεια των απαραίτητων πειραμάτων σε ένα ρομποτικό βραχίονα με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, αποδεικνύεται ότι το σύστημα κλειστού βρόχου είναι ομοιόμορφα, ασυμπτωτικά ευσταθές.