Βελτιστοποίηση τοποθετήσης και κινήσεων βιομηχανικών ρομπότ μέσω υβριδικής μεθόδου
Creators: name: Σαγρής, Δημήτριος Στ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Βελτιστοποίηση
Υβριδικός
Γενετικός
Hybrid
Genetic

description: Η παρούσα εργασία πραγματεύτηκε ενότητες αναφορικά με τον τρόπο χρήσης των ρομποτικών βραχιόνων, στοχεύοντας στην ανάπτυξη μεθοδολογιών βελτιστοποίησης και κατ' επέκταση στην μεγιστοποίηση της απόδοσής τους. Επικέντρωσε την δραστηριότητά της σε αντικείμενα που αφορούν αρχικά στην ανάπτυξη μοντέλου προσομοίωσης για ρομποτικό βραχίονα, καθώς και περιβάλλοντος off line προγραμματισμού και ελέγχου του, με αυτοματοποιημένες διαδικασίες χειρισμού. Αναφορικά με τις μεθόδους βελτιστοποίησης, στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αναπτύχθηκαν νέοι υβριδικοί αλγόριθμοι, που συνδυάζουν μεθοδολογίες, με σκοπό την εκμετάλλευση μόνο των πλεονεκτημάτων των επί μέρους διαδικασιών. Ο όρος υβριδικός περιλαμβάνει τον κλασικό γενετικό αλγόριθμο ως βήμα προσδιορισμού αρχικών λύσεων, μια μέθοδο κλίσεων quasi-Newton για τον προσδιορισμό τοπικών ακρότατων στην περιοχή των αρχικών λύσεων, και ενίοτε συνδυάζεται και μέθοδος περιορισμού των ορίων των μεταβλητών, για ταχύτερη αναζήτηση. Αναλύθηκε μαθηματικά και προσδιορίσθηκαν βέλτιστες λύσεις στο πρόβλημα του καθορισμού των γεωμετρικών χαρακτηριστικών ενός βραχίονα, καθώς ταυτόχρονα και του προσδιορισμού της βέλτιστης τοποθέτησής του, όταν έχουν προκαθορισθεί ένα πλήθος διακριτών επιθυμητών τελικών θέσεων ή ομάδες τελικών θέσεων. Αναλύθηκε και επιτεύχθηκαν βέλτιστες λύσεις στο πρόβλημα του προσδιορισμού της σχετικής τοποθέτησης μεταξύ του βραχίονα γνωστής γεωμετρίας και του τεμαχίου κατεργασίας, στο οποίο έχουν προκαθορισθεί είτε ένα πλήθος διακριτών θέσεων κατεργασίας, είτε ένα πλήθος ομαδοποιημένων, γειτονικών μεταξύ τους, σημείων. Για μια δεδομένη γεωμετρία βραχίονα και γνωστή τοποθέτηση της βάσης του, προσδιορίσθηκε η βέλτιστη διαδρομή κίνησης μεταξύ των θέσεων κατεργασίας, απαλλαγμένη από συγκρούσεις των μελών του ρομπότ με εμπόδια του χώρου εργασίας. Για κάθε μια εκ των παρεμβαλλόμενων θέσεων, επιλύθηκε ταυτόχρονα και το αντίστροφο πρόβλημα. Σχετικά με την ανάπτυξη του μοντέλου προσομοίωσης, αναπτύχθηκαν εργαλεία για την γραφική προσομοίωση της κίνησης των μελών του βραχίονα, με ταυτόχρονους γραφικούς ελέγχους αποφυγής σύγκρουσης, αποφυγής θέσεων ιδιομορφίας και λειτουργίας εντός των αποδεκτών γωνιών των αρθρώσεων. Οι διαδικασίες βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκαν, εντάχθηκαν ως τμήματα του συστήματος off line προγραμματισμού δημιουργώντας ένα ισχυρό και ολοκληρωμένο λογισμικό. Με σκοπό την εκτέλεση των off line προσομοιωμένων διαδικασιών, αναπτύχθηκε σύστημα αυτόματης παραγωγής κώδικα NC για την τροφοδοσία του βραχίονα
description: In the frame of the present doctoral thesis a hybrid method was developed for the optimization of problems in fields of robotics. The proposed algorithm combines a genetic algorithm (GA) with a hill climbing method (quasi-Newton algorithm - QNA) and furthermore a constraints handling method (CHM) is involved. The proposed algorithm is very efficient in finding the optimal solution in a reduced computation time. In order to test the efficiency of the developed method, it is applied on several fields of robotics. The determination of optimum robot base position and joint angles, considering discrete end-effector positions of a spatial 6-DOF manipulator with revolute joints, is approached using this method. Furthermore it is applied to robot design in order to determine the optimum robot geometry, robot base position and joint angles of a 2-DOF spatial RR manipulator. The optimization method is also applied on the problem of path planning through the determination of an amount of intermediate configurations as node poses for given initial and final configurations. The fitness function that quantifies the problem in each case consists of the sum of the deviations squares between the prescribed poses and the real poses of the end-effector, the manipulability measure of each configuration, the total cycle time of the process, as well as the obstacles avoidance. Furthermore the smoothness of the path and the normal distribution of the intermediate poses are taken into account, as well as the workspace restricts and variables limits. Numerical examples according all the aforementioned problems, demonstrate the efficiency of the developed method in comparison with other optimization methods. An off line system for manipulation of robots is developed that includes optimization procedures through an application that combines a user form with a 3D graphic model in Solidworks environment. Some of the available tools for the robot programming are the setting and reading the end-effector pose through the direct and inverse kinematics problem, the graphical collision avoidance, the path simulation and the NC code automatic generation. This off line system includes the aforementioned developed optimization algorithms like robot base placement, path planning and point clouds generation. The proposed system can be used further for optimization of the cycle duration of the process