Η παρούσα διπλωματική ασχολείται με την πλοήγηση κινούμενου ρομπότ. Δεδομένου ενός χώρου με εμπόδια και στόχο, ασχολείται με την δημιουργία ενός αλγορίθμου για την οδήγηση του ρομπότ διαμέσου του χώρου στο στόχο, αποφεύγοντας τα εμπόδια κατά την κίνηση. Επικεντρώνεται σε δίτροχα ρομπότ και αναλύει βήμα βήμα την διαδικασία εύρεση μονοπατιού, δημιουργία τροχιάς και έλεγχο του ρομπότ. / The present thesis deals with the navigation of moving robots. Granted an area with obstacles and target, it deals with the creation of an algorithm for guiding the robot through space at target, avoiding obstacles during movement. It focuses on two-wheeled robots and analyzes step by step the process of finding a path, creating the trajectory and controlling the robot.

Η διατριβή αυτή εξετάζει την χρήση γενετικών αλγορίθμων (ΓΑ) για την επίλυση του προβλήματος του σχεδιασμού κίνησης ρομποτικών συστημάτων τα οποία εκτελούν εργασίες εφοδιαστικής (όπως εργασίες λήψης και μεταφοράς από σημείο σε σημείο, μετακίνησης υλικών επί συνεχούς διαδρομής, κ.α.) στα πλαίσια λειτουργίας τους εντός ενός ευέλικτου συστήματος παραγωγής (ΕΣΠ). Το πρόβλημα του σχεδιασμού κίνησης (ΠΣΚ) είναι ένα υπολογιστικά άλυτο συνδυαστικό πρόβλημα βελτιστοποίησης (έχει αποδειχτεί PSPACE-hard) το οποίο μπορεί να οριστεί ως εξής: «Πως μπορεί ένα ρομπότ να αποφασίσει ποιες κινήσεις πρέπει να αποδώσει προκειμένου να εκτελέσει με επιτυχία επιθυμητές εργασίες στο περιβάλλον εργασίας του;» Προς τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε ένας αριθμός νέων, πρωτότυπων αλγορίθμων εμπνευσμένων από τη Βιολογία των οποίων η απόδοση μετρήθηκε τόσο μέσω πειραμάτων προσομοιωμένων σε υπολογιστή, όσο και σε πραγματικά ρομποτικά περιβάλλοντα στο εργαστήριο του Τμήματος. Συγκρινόμενοι με τις κλασσικές από τη βιβλιογραφία μεθόδους επίλυσης του ΠΣΚ, οι ΓΑ βρέθηκαν ανώτεροι τόσο από πλευράς ποιότητας των λύσεων που παρήγαγαν, όσο και από πλευράς ταχύτητας σύγκλησης (δηλαδή του χρόνου που χρειάστηκαν για τον εντοπισμό αυτών των λύσεων). Επιπρόσθετα, εξετάστηκαν και αντιμετωπίστηκαν με επιτυχία πολύπλοκα προβλήματα κινηματικής που αναφύονται κατά τον σχεδιασμό κίνησης ρομποτικών βραχιόνων σε ένα ΕΣΠ, όπως: Το αντίστροφο κινηματικό πρόβλημα ρομποτικών βραχιόνων με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, η μεγιστοποίηση της επιδεξιότητας του ρομπότ κατά την εκτέλεση των εργασιών του και η παραγωγή με το άκρο εργασίας του ρομπότ ασφαλών και αξιόπιστων τροχιών επί προκαθορισμένων επιθυμητών διαδρομών. Η επίλυση αυτών των προβλημάτων είναι πολύ σημαντική σε πολλές πραγματικές βιομηχανικές εφαρμογές όπως εργασίες συγκόλλησης, βαψίματος ή επάλειψης με ψεκασμό, λείανσης, κ.α. / The use of genetic algorithms (GAs) for the solution of motion planning of robotic systems which perform logistics operations within a flexible manufacturing system (FMS), as well as, logistics tasks in indoors hazardous environments was investigated. Robot motion planning (RMP) is a PSPACE-hard combinatorial problem loosely stated as: How can a robot decide what motions to perform in order to achieve desired tasks in its environment? A number of new biological-inspired approaches were implemented and evaluated on computer simulated environments, as well as, on real industrial environments. In comparison to existing RMP methods, GAs were found superior in terms of both solutions quality and speed of convergence. Furthermore, focusing on RMP of robot manipulators, the proposed approaches tackled with high success difficult kinematics problems such as: the inverse kinematics for robots with redundant degrees of freedom, the maximization of robot’s manipulability, the path following by the robot’s end-effector on demanded trajectories.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως κύριο αντικείμενο μελέτης την μοντελοποίηση και έλεγχο ενός μικρορομποτικού βραχίονα αναλυόμενου σε σφαιρικά πεπερασμένα στοιχεία σε περιβάλλον με εξωτερικές δυνάμεις Van Der Waals και συνυπολογίζοντας την τριβή. Τα κύρια σημεία είναι η εισαγωγή των εξωτερικών δυνάμεων στο μοντέλο του μικρορομπότ, η δημιουργία προσαρμοστικού ελέγχου για την επίτευξη ακολουθίας τροχιάς με αναγνώριση και ακύρωση των ισχυρών μεταβαλλόμενων εξωτερικών δυνάμεων, η αναγνώριση της θέσης και η αποφυγή εμποδίων σε άγνωστο περιβάλλον κλίμακας μικρομέτρων και ο καθορισμός τροχιάς για προσέγγιση σημείων στον χώρο εργασίας του μικρορομπότ. Προτείνεται επίσης ένα σύστημα επενέργησης σε διάταξη τένοντα με νανοκαλώδια και γίνεται μελέτη της αντοχής του σε σχέση με τις μέγιστες δυνάμεις-ροπές που παρουσιάζονται κατά τον έλεγχο. Για την αναγνώριση των εξωτερικών δυνάμεων δοκιμάζονται διαφορετικά είδη εκτιμητών και εξετάζεται η απόδοσή τους στο συνολικό σύστημα. / The present PhD thesis has a key object the modeling and control of a micro robotic manipulator, represented by spherical particles in an environment with external Van Der Waals forces and taking friction into account. The main points are a) the insertion of the external forces in the micro robot model, b) the adaptive control used in order to follow a desired trajectory, with identification and cancellation of the external forces, the position identification and avoidance of obstacles in an unstructured micrometer scale environment and the trajectory planning towards a target point in the task space of the microrobot. Also a tendon like actuation system is proposed, using nanowires and its mechanical properties are studied in order to determine the viability of its use in relation to the required torques during the control process. For the external force identification scheme, various types of estimators are proposed and their efficiency in the system is studied.