Μεθοδολογία βέλτιστου σχεδιασμού μεταμορφικού ρομποτικού βραχίονα
Authors: Βάλσαμος Χαράλαμπος 
Published: September 2021

Καθώς η παραγωγή προϊόντων στρέφεται προς τη λογική του mass customization, ψάχνοντας τρόπους ώστε να παράγονται προϊόντα ανταγωνιστικά και προσαρμοσμένα στις απαιτήσεις και ανάγκες των πελατών/ καταναλωτών, τα συστήματα παραγωγής ακολουθώντας την στροφή αυτή προσαρμόζονται ακολουθώντας διαφορετικές οδούς λειτουργίας και δόμησης, ώστε να καταστούν πιο ευέλικτα και προσαρμόσιμα στο νέο αυτό πεδίο. Οι ρομποτικοί βραχίονες, ήδη μέρη των συστημάτων παραγωγής με μεγάλο και διαρκώς αυξανόμενο ρόλο σε αυτά, ήταν εμφανές ότι θα έπρεπε να ακολουθήσουν την νέα αυτή τάση. Ως εκ τούτου αναζητήθηκαν τρόποι για την βελτίωση και αύξηση της προσαρμοστικότητας και ευελιξίας τους όσον αφορά στις εργασίες που θα επιτελούσαν. Η έρευνα στους υπάρχοντες βραχίονες ακολούθησε την οδό της βελτίωσης τους μέσω της βελτίωσης και ανάπτυξης των συστημάτων ελέγχου, των αισθητήρων και της χρήσης τους και την προσθήκη δυνατοτήτων εκμάθησης. Ελάχιστα βήματα πραγματοποιήθηκαν για βελτίωση της δομής τους, με το σκεπτικό του ότι δεν απαιτούνταν καθώς αυτές οι δομές βρίσκονται σε χρήση για δεκαετίες και είναι εξαντλητικά μελετημένες ώστε να αποδίδουν τα μέγιστα. Εντούτοις, μια σειρά από ερευνητές, θεώρησαν ότι ο περιορισμός του να υπάρχει μια και μόνη δομή και να χρησιμοποιείται ο έλεγχος και οι αισθητήρες για την βέλτιστη αντιμετώπιση (με όρους αποδοτικότητας) διαφορετικών εργασιών ήταν πολύ σημαντικός. Είναι ευρέως γνωστό ότι δομές (ή ανατομίες) βραχιόνων είναι κατάλληλες ως επί το πλείστον για την βέλτιστη εκτέλεση διαφορετικών τύπων εργασιών. Αυτό βέβαια δεν περιορίζει τις εργασίες που ένας βραχίονας μπορεί να εκτελέσει (τουλάχιστον σε ένα βαθμό), εντούτοις δεν είναι δυνατό ένας βραχίονας με μια δεδομένη ανατομία να αποδίδει τα μέγιστα σε κάθε τύπο εργασίας. Ως εκ τούτου, ακολουθήθηκε το παράδειγμα των modular συστημάτων παραγωγής και παρουσιάστηκαν τα πρώτα modular αναδιαμορφώσιμα ρομπότ. Με αυτά ο χρήστης είχε την ευκαιρία όχι μόνο να αξιοποιήσει τεχνικές βελτιστοποίησης της εκτέλεσης της εργασίας, και μοντέλα ευφυούς ελέγχου για την εκτέλεση εργασιών με την μέγιστη επίδοση, αλλά μπορούσε πλέον να δομήσει ανατομίες με χαρακτηριστικά που ταίριαζαν απόλυτα στις απαιτήσεις της επιβαλλόμενης εργασίας. Εντούτοις, τα συστήματα αυτά ως επί το πλείστον παρέμειναν σε εργαστηριακά επίπεδα. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, προτείνεται μια νέα κλάση ρομποτικών βραχιόνων ανοιχτής κινηματικής αλυσίδας, οι μεταμορφικοί ρομποτικοί βραχίονες. Οι μεταμορφικοί βραχίονες δομούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να παρουσιάζουν θετικά στοιχεία από τις δύο υπάρχουσες κλάσεις αλλά παράλληλα να τις υπερβαίνουν όσον αφορά στην ευελιξία, ομοιογένεια και επίδοση στην εξέλιξη εργασιών. Η γενική δομή τους είναι modular, αποτελούμενη από μια σειρά βασικών δομικών στοιχείων, αλλά μια υφιστάμενη δομή δύναται να μεταμορφωθεί σε μια πλειάδα διαφορετικών ανατομιών, ώστε να εκτελεί εργασίες με την μεγαλύτερη δυνατή επίδοση. Η διδακτορική διατριβή εστιάζει στην πρόταση και ανάπτυξη μεθόδων και εργαλείων για τον βέλτιστο κινηματικό σχεδιασμό τόσο των δομών όσο και των ανατομιών των μεταμορφικών ρομποτικών βραχιόνων. Παρουσιάζεται η ψευδο-άρθρωση, ένας χειροκίνητος παθητικός σύνδεσμος με δύο περιστρεφόμενα το ένα προς το άλλο τμήματα, μέσου του οποίου είναι δυνατή η μεταμόρφωση μιας μεταμορφικής δομής. Η χρήση των ψευδο-αρθρώσεων σε μια μεταμορφική δομή επιτρέπει την αλλαγή των παραμέτρων Denavit–Hartenberg αυτής και συνεπώς την μεταμόρφωση της σε διαφορετικές ανατομίες. Προτείνεται μια συστηματική αναπαράσταση των μεταμορφικών δομών, ως εργαλείο για την αυτοματοποίηση της παραγωγής αυτών, ενώ εκτελείται μια συστηματική απαρίθμηση των μεταμορφικών συνδέσμων που μπορούν να δομηθούν με τα διαθέσιμα στοιχεία, καθώς και μια πλήρης καταγραφή των δομικών χαρακτηριστικών τους και των δυνατοτήτων μεταβολής της μορφής τους. Η παραμετρική αναλυτική επίλυση του αντιστρόφου κινηματικού προβλήματος, λαμβάνει χώρα με παραμέτρους τις μεταμορφικές παραμέτρους του βραχίονα. Η παραμετρική λύση του αντιστρόφου επιτρέπει την παραγωγή λύσεων για όλες ή τις περισσότερες ανατομίες στις οποίες μια μεταμορφική δομή γίνεται να μεταμορφωθεί από μια ομάδα εξισώσεων. Οι προϋποθέσεις για την επίτευξη της λύσης παρατίθενται εκτενώς με αντίστοιχα παραδείγματα. Κάνοντας χρήση της συστηματικής καταγραφής των διαθέσιμων μεταμορφικών συνδέσμων και των χαρακτηριστικών τους, είναι δυνατή η ποσοτικοποίηση ποιοτικών χαρακτηριστικών μιας μεταμορφικής δομής, που χρησιμοποιούνται για την δημιουργία ενός πολυκριτηριακού δείκτη για τον βέλτιστο σχεδιασμό μεταμορφικών δομών, βάση προδιαγραφών που τίθενται από τον σχεδιαστή. Με βάση το δείκτη αυτό, προτείνεται η σχετική μεθοδολογία για την επίλυση του προβλήματος του βέλτιστου κινηματικού σχεδιασμού μεταμορφικών δομών. Με δεδομένη την βέλτιστη δομή, βάση των προδιαγραφών του σχεδιαστή, ακολουθεί η προτεινόμενη μεθοδολογία για τον καθορισμό της βέλτιστης ανατομίας αυτής. Ακολουθούνται δύο μέθοδοι καθορισμού της βέλτιστης ανατομίας, μιας επικεντρωμένης στην επιβαλλόμενη κινηματική εργασία, όπου για την εκάστοτε εργασία αναζητείται η βέλτιστη ανατομία για την εκτέλεση αυτής με την μέγιστη δυνατή επίδοση και μιας που καθορίζει τη βέλτιστη ανατομία με βάση την ολική επίδοση αυτής στο χώρο εργασίας της. Κινηματικοί δείκτες βέλτιστης επίδοσης, είτε βάση της εργασίας είτε ολικοί προτείνονται αντίστοιχα στην κάθε περίπτωση και αξιοποιούνται σε αντίστοιχες διαδικασίες καθορισμού της βέλτιστης ανατομίας. Τέλος, με στόχο την επαλήθευση των αποτελεσμάτων των υπολογισμών για τον καθορισμό της βέλτιστης ανατομίας, δημιουργήθηκε μια πειραματική διάταξη ενός μεταμορφικού βραχίονα 3 β.ε., στην οποία διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις, τα αποτελέσματα των οποίων παρουσιάζονται και αναλύονται εκτενώς.