Έλεγχος ρομποτικού δακτύλου για τη θέση και την άσκηση δύναμης σε επίπεδη επιφάνεια.

Abstract

Η παρούσα εργασία ασχολείται με το πρόβλημα του ελέγχου ενός ρομποτικού δακτύλου με παραμορφώσιμο άκρο καθώς κινείται πάνω σε μια επίπεδη και άκαμπτη επιφάνεια προς μια προκαθορισμένη θέση έτσι ώστε να εκτελεί κίνηση κύλισης ασκώντας παράλληλα μια δύναμη προς την επιφάνεια. Δοκιμάζονται σε περιβάλλον προσομοίωσης και πειραματικά, νόμοι ελέγχου ως προς την ικανότητά τους να ελέγχουν τη θέση του ρομποτικού δακτύλου και τη δύναμη που αυτό ασκεί σε επιφάνεια, χωρίς τη χρήση αισθητήρων δύναμης και γνώση των συνθηκών επαφής που επικρατούν. Στο πρώτο μέρος της εργασίας γίνεται κινηματική και δυναμική ανάλυση του βραχίονα. Περιγράφονται οι σχέσεις που συνδέουν τις μεταβλητές των αρθρώσεων με το άκρο του βραχίονα όταν αυτό βρίσκεται ελεύθερο στο χώρο. Αναφέρονται επίσης οι εξισώσεις που προκύπτουν από τους κινηματικούς περιορισμούς που θέτει η κίνηση του δακτύλου πάνω στην επιφάνεια. Αναπτύσσονται οι δυναμικές εξισώσεις που περιγράφουν την κίνηση του ρομποτικού βραχίονα στην περίπτωση που κινείται στο χώρο, όταν εκτελεί κίνηση κύλισης πάνω στην επιφάνεια και στην γενική περίπτωση που η μορφή της κίνησης στην επιφάνεια είναι εκ των προτέρων άγνωστη. Το δεύτερο τμήμα αναφέρεται στην αξιολόγηση των νόμων ελέγχου σε περιβάλλον προσομοίωσης. Γίνεται συγκριτική ανάλυση των αποτελεσμάτων όσο αφορά την απόκριση του συστήματος για κάθε ελεγκτή και αξιολογούνται με βάση τα κριτήρια που έχουν τεθεί. Το τελευταίο μέρος αφορά την πειραματική διάταξη και τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών. Αναλύονται οι επιμέρους μηχανισμοί και περιγράφονται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε και τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν για την βαθμονόμηση και τον υπολογισμό των διάφορων παραμέτρων του συστήματος. Τέλος παρουσιάζονται τα πειραματικά δεδομένα, αναλύονται και εξάγονται συμπεράσματα.

This thesis deals with the problem of controlling a robotic finger with deformable edge as it moves on a flat rigid surface to a desired position so as to perform rolling motion by exerting a normal force to the surface. In the last decades many anthropomorphic robotic hands have made that try to approximate the anatomy, flexibility and dexterity of the human hand. The human hand can apply forces in order to obtain stable grasps or perform manipulation procedures. It is capable also of exploring an unknown environment providing information about the state of the interaction with it. The same features are desirable in robot hands. Each finger of a multi fingered robot hand can be considered as an independent manipulator that is able to interact with the environment. Contacts conditions between fingertip and contacted environment are important because they transmit forces and impose motion constraints. Position and force control is therefore critical to the proper performance of the robotic hand. Moreover, in order for robotic fingers to perform fine movements and secure manipulations, it is important to maintain rolling contacts motion without sliding. For small adjustments of the contacting position of the fingertip, the human hand uses rolling motion instead of sliding because it is more accurate. In addition a rolling contact is beneficial for haptic exploration of unknown objects with dexterous robotic hands because it is more accurate. Hence successful implementation of rolling contact control can significantly enhance the performance of a robot hand. In this work, control laws are examined as to their ability to control the position of the robotic finger and the force exerted on a surface without the use of force sensors and knowledge of the contact conditions. For this purpose a robotic finger with soft hemispherical tip was constructed. Laboratory experiments and simulations took place and the results are compared and evaluated for the final position of the fingertip, the kind of motion it makes (rolling or sliding) and the normal force that robotic finger applies to the surface.