Σχεδιασμός ρομπότ για την αυτόνομη μεταφορά φορτίου σε οριζόντια θέση στο επίπεδο

Abstract

Η διπλωματική αυτή, αφορά την σχεδίαση ενός ρομπότ που θα μπορεί να μεταφέρει ένα αντικείμενο σε κεκλιμένο επίπεδο χωρίς να ανατραπεί. Το ρομπότ θα διαθέτει μηχανισμό που μπορεί να μεταβάλει το κέντρο βάρους του και θα λειτουργεί με ένα σύστημα ελέγχου που παίρνει τα κατάλληλα δεδομένα από την κλίση του εδάφους και μετακινεί το κέντρο βάρους στη σωστή θέση ώστε το ρομπότ να έχει την καλύτερη δυνατή πέδηση στο έδαφος. Το σύστημα της ισορροπίας θα πρέπει να λειτουργεί τελείως αυτόματα, χωρίς κάποια χειροκίνητη εισαγωγή δεδομένων για τη φύση του εδάφους ή άλλων συνθηκών. Το ρομπότ θα διαθέτει πλατφόρμα επάνω στην οποία ένα φορτίο αδιευκρίνιστης μάζας και κέντρου βάρους θα είναι σταθερά τοποθετημένο. Το σύστημα ισορροπίας θα πρέπει να είναι σχεδιασμένο να λειτουργεί με διαφορετικό φορτίο κάθε φορά και όχι για ένα συγκεκριμένο φορτίο με πεπερασμένο κέντρο μάζας. Θεωρείται όμως ότι το φορτίο θα παραμένει σταθερό καθ’ όλη την διάρκεια της λειτουργίας και δεν θα υπάρχει καμία μεταβολή της μάζας ή του κέντρου βάρους όσο το ρομπότ θα βρίσκεται εν κινήσει. Το ρομπότ μπορεί να στηρίζεται σε τέσσερις τροχούς, με τους οποίους μετακινείται στο έδαφος, οι οποίοι όμως δεν είναι απαραίτητα συνδεδεμένοι με το σύστημα ελέγχου της ισορροπίας. Η ιδέα είναι ότι ένας άνθρωπος ή ένα σύστημα θα μπορεί να δίνει εντολές στο ρομπότ όσον αφορά την κατεύθυνση της κίνησής του στο χώρο, αλλά παράλληλα, σε ότι έδαφος και αν βρεθεί κατά την διάρκεια της κίνησης, το ρομπότ θα διατηρήσει την ισορροπία του αυτόματα. Η κίνηση του ρομπότ στο χώρο με τη χρήση των τροχών, δεν μελετήθηκε εκτεταμένα κατά την διάρκεια της συγκεκριμένης εργασίας, καθώς δεν ήταν το κύριο αντικείμενο μελέτης. Κύριο ζητούμενο της εργασίας είναι να σχεδιαστεί ο μηχανισμός και το σύστημα ελέγχου της ισορροπίας του σώματος, το οποίο θα λειτουργεί ανεξάρτητα από οποιαδήποτε άλλη πιθανή κίνηση. Για την κατασκευή του ρομπότ θα χρησιμοποιηθούν φθηνά και απλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα από το λιανικό εμπόριο, διότι η εργασία δεν έχει στόχο να μελετήσει τη λειτουργία εξεζητημένων μηχανισμών, αλλά να κάνει μια έρευνα σε απλά συστήματα εισόδου – εξόδου και να παρέχει μια πρακτική εφαρμογή της τεχνολογίας. Η λειτουργία του συστήματος θα βασιστεί στην πλατφόρμα Arduino, καθώς είναι εύχρηστο και θεωρήθηκε ότι είναι κατάλληλο να εκτελέσει την ζητούμενη λειτουργία. Για την κατασκευή του ρομπότ θε γίνει χρήση 3D εκτυπωτή, καθώς είναι το φθηνότερο και καλύτερο μέσο κατασκευής στο οποίο υπάρχει εύκολη πρόσβαση καθ’ όλη την διάρκεια της εργασίας. Επίσης η 3D εκτύπωση παρέχει μεγάλη ελευθερία στο στάδιο της σχεδίασης, καθώς πολλαπλασιάζει τις δυνατότητες για περίπλοκα και πρωτότυπα σχέδια, χωρίς να βασίζεται σε μηχανισμούς ή φόρμες του εμπορίου.

This thesis is about the development of a robot which will be able to transfer an object with undefined mass and center of gravity, in inclined ground, without causing the robot to overturn. Robot’s mechanism will be able to move the total center of gravity of the system and will work using a control system that receives data about the angle of the ground, and then transform the center of gravity accordingly, in order to have the best possible holding on the ground. The system of balance will have to be completely autonomous, without any human input about the form of the ground of other ground conditions. The robot will have a platform on which the load will have been fixed before the startup. The system will have to be able to work with a different load in every use, without any standard mass or center of gravity. It is also considered that once the robot turns on, the load will remain the same, and won’t be any changes at the mass or the center of gravity of the object. The robot can be supported by four wheels for its movement on the ground, but they will not necessarily be controlled by the automatic control system. The idea behind this, is that the robot will be moved on the ground by a human or a system, but either way the system of balance will work automatically. The movement on the ground by the use of wheels was not studied extensively, because it was not the main field of study. The wanted outcome of this thesis is the balance control system, which will work independently of any other movement system. For the construction of the robot, the electronic systems will be simple and cheap components from the market, since the goal is not to study the function of any advanced electronic circuits, but to make a simple research on the input – output systems and provide a simple application of the control theory. The functionality of the system will be relied on the Arduino platform, since it’s easy to use and was considered capable to perform the wanted operations. The construction of the hardware of the robot, will be don with the use of a 3D printer, since it’s the simplest and cheapest means of construction that there is easy access to. Also 3D printing provides great liberties while designing, since it can create multiple complex and original forms to cover all the necessary needs, without relying exclusively on the market for products.