Ευσταθής Λαβή Και Μεταβίβαση Φορτίου Αντικειμένου Από Ρομπότ Σε Άνθρωπο

Abstract

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τα προβλήματα της λαβής αντικειμένων από ρομποτικά χέρια και της απτικής αλληλεπίδρασης μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ κατά τη μεταβίβαση φορτίου αντικειμένων. Συγκεκριμένα, επεκτείνεται ένας νόμος ελέγχου ευσταθούς λαβής για άγνωστο βάρος αντικειμένου, ώστε να χρησιμοποιηθεί για τη σχεδίαση δύο στρατηγικών για την ασφαλή και φυσική μεταβίβαση του φορτίου ενός αντικειμένου μεταξύ ανθρώπου και ρομπότ στην περίπτωση όπου αυτή πραγματοποιείται στη διεύθυνση του πεδίου της βαρύτητας. Η επέκταση γίνεται ως προς την επιθυμητή δύναμη λαβής και τη μάζα του αντικειμένου σε κάθε χέρι, με βάση ανθρώπινες μελέτες που έχουν γίνει για τις δυνάμεις λαβής και φορτίου που αναπτύσσονται από το δότη και το δέκτη. Η πρώτη στρατηγική προϋποθέτει η ανταλλαγή δυνάμεων να γίνεται αυστηρά γραμμικά και με το ρυθμό που ορίζει ο δότης και επομένως προϋποθέτει ο δέκτης να είναι ένας πλήρως συνεργάσιμος και υγιής άνθρωπος ή ρομπότ. Σε αντίθετη περίπτωση το αντικείμενο μπορεί να ολισθαίνει στα δάχτυλα του ρομπότ-δότη καθώς αυτή η στρατηγική δε λαμβάνει υπόψη τη συμπεριφορά του δέκτη και επομένως προτείνεται για εφαρμογή σε μεταβιβάσεις αντικειμένου μεταξύ δύο ρομπότ ή από άνθρωπο-δότη σε ρομπότ-δέκτη. Στη δεύτερη στρατηγική ο δότης περιμένει την εκκίνηση της μεταβίβασης του φορτίου από το δέκτη και παρακολουθεί την μεταβίβαση του φορτίου μέσω απτικών ερεθισμάτων καθόλη τη διάρκεια της διαδικασίας έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η ασφαλής μεταφορά του αντικειμένου και επομένως μπορεί να εφαρμοστεί και σε περιπτώσεις που ο δέκτης είναι άνθρωπος ο οποίος δεν ακολουθεί την ονομαστική γραμμική μεταφορά του φορτίου λόγω ηλικίας ή άλλων προβλημάτων κίνησης. Παρουσιάζονται η θεωρητική ανάλυση και τα προσομοιακά αποτελέσματα και για τις δύο στρατηγικές, όπου αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα της δεύτερης στρατηγικής. Η δεύτερη προτεινόμενη στρατηγική γενικεύεται για περιπτώσεις όπου τα δάχτυλα του χεριού που χρησιμοποιείται στο ρομπότ δεν διαθέτουν δυνατότητα κύλισης πάνω στην επιφάνεια του αντικειμένου και για τις περιπτώσεις όπου η μεταβίβαση του φορτίου δεν πραγματοποιείται στη διεύθυνση του πεδίου της βαρύτητας. Συνδέεται επίσης με ελεγκτή κίνησης βραχίονα για την ολοκλήρωση της διαδικασίας παράδοσης αντικειμένου και επικυρώνεται μέσω προσομοιακών αλλά και πειραματικών αποτελεσμάτων. Η επιτυχία της προτεινόμενης στρατηγικής μεταβίβασης φορτίου βασίζεται στην ύπαρξη ενός νόμου ελέγχου λαβής και ενός εκτιμητή μάζας του αντικειμένου. Ο νόμος ελέγχου που χρησιμοποιήθηκε στις στρατηγικές μεταβίβασης φορτίου επεκτείνεται στη συνέχεια για αβαρές αντικείμενο, έτσι ώστε να επιτυγχάνονται επιπλέον στόχοι πέραν της ευσταθούς λαβής, οι οποίοι αφορούν τη βέλτιστη δύναμη λαβής που απαιτείται ανάλογα με το αντικείμενο ή και ταυτόχρονα σχετίζονται με το ακόλουθο επιδιωκόμενο έργο του ρομπότ αφού έχει πιάσει πρώτα το αντικείμενο. Αυτό επιτυγχάνεται με τη ρύθμιση του επιθυμητού σχετικού προσανατολισμού των δακτύλων προς την κατεύθυνση κύλισης μέσω της εκ των προτέρων βελτιστοποίησης του ελλειψοειδούς δυνητικής δύναμης λαβής. Παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση για τον προτεινόμενο ελεγκτή και επικυρώνεται μέσω προσομοιακών και πειραματικών αποτελεσμάτων. Τέλος, ο νόμος ελέγχου λαβής επεκτείνεται στον τρισδιάστατο χώρο όπου η ρύθμιση του επιθυμητού σχετικού προσανατολισμού των δακτύλων πραγματοποιείται προς δύο κατευθύνσεις κύλισης πάνω στην επιφάνεια επαφής. Ο ορισμός των δύο αυτών κατευθύνσεων καθορίζει τον τρόπο χειρισμού του αντικειμένου εντός του χεριού. Παρουσιάζονται προσομοιακά αποτελέσματα που επικυρώνουν τη θεωρητική ανάλυση.