Η παρούσα διπλωματική εργασία περιλαμβάνει την σχεδίαση και τον έλεγχο μέσω προγράμματος σε περιβάλλον LabView, ενός διπλού παράλληλου μηχανισμού με Τεχνητούς Πνευματικούς Μύες (Pneumatic Artificial Muscles (PAMs)). Η μηχανική διάταξη που κατασκευάστηκε είναι ένας διπλός παράλληλος μηχανισμός βασισμένος σε δύο τροποποιημένες πλατφόρμες τύπου Stewart. Ως ενεργοποιητές για την κίνηση στις πλατφόρμες χρησιμοποιήθηκαν Τεχνητοί Πνευματικοί Μύες ενώ για την στήριξη αυτών σε συγκεκριμένο ρυθμιζόμενο ύψος πνευματικά έμβολα διπλής δράσης, με μη περιστρεφόμενα πιστόνια. Παράλληλα, πάνω στις πλατφόρμες τοποθετήθηκαν δύο κλισιόμετρα προκειμένου να παρέχουν πληροφορίες για την κλίση αυτών. Ο έλεγχος της πίεσης του αέρα που υπάρχει στους μύες και στα έμβολα γίνεται μέσω αναλογικών ρυθμιστών πίεσης. Σε λειτουργία Ανοικτού Βρόγχου (Open loop Operation) ο μηχανισμός μπορεί να εκτελέσει παράλληλες ή περιστροφικές κινήσεις σε κάθε πλατφόρμα ξεχωριστά ή και στις δύο ταυτόχρονα. Ο χρήστης επιλέγει το εύρος της κίνησης αλλά και τη συχνότητα εκτέλεσής της. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετήθηκε η ανταγωνιστική λειτουργία των μυών και εξετάστηκαν τρόποι για την βελτίωσή της. Σε λειτουργία κλειστού βρόγχου (Closed Loop Operation) ο χρήστης εισάγει στον υπολογιστή με τον οποίο είναι συνδεδεμένη η διάταξη, τις επιθυμητές γωνίες στις οποίες θέλει να βρεθεί η κάθε πλατφόρμα. Υλοποιείται αλγόριθμος ελέγχου τύπου PID για κάθε ζεύγος μυών και μέσω αυτών υπολογίζονται οι κατάλληλες πιέσεις που πρέπει να έχει ο κάθε μυς, ώστε οι πλατφόρμες να επιτύχουν την επιθυμητή γωνία. Όλες οι διεργασίες ελέγχου της πλατφόρμας τόσο σε λειτουργία ανοικτού όσο και σε λειτουργία κλειστού βρόχου υλοποιούνται μέσω τους προγραμματιστικού περιβάλλοντος LabView της εταιρείας National Instruments (NI). / This thesis, presents the development of a double parallel mechanism actuated by Pneumatic Artificial Muscles (PAMs) and controlled via LabView. The mechanical arrangement is a double parallel mechanism based on two modified Stewart platforms. PAMs have been used as platforms’ actuators and also non revolute double action pneumatic cylinders have been incorporated in order to support them at a user specified height. In addition two dual axis inclinometers have been utilized in order to provide the necessary angle feedback for the control loop. The pressure regulation in the PAMs and in the pneumatic cylinders is performed by proportional pressure regulators. In the Open Loop Operation, the mechanism can perform parallel or circular motions, in each platform independently or combined. The user chooses the range and the frequency of the performed motion. Furthermore the antagonistic operation of the PAMs has been studied. In the Closed Loop Operation the user inserts the platforms’ desired angles. A PID controller is implemented for every pair of antagonistic muscles, giving the necessary pressures in the antagonistic PAMs. All the control operations both in Open and Closed Loop are performed via National’s Instruments LabView software.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία, μέσω προγραμματισμού, μιας πειραματικής διάταξης αυτοματισμού που περιλαμβάνει εξοπλισμό όπως πνευματικά έμβολα κλατικού τύπου ή τύπου μυών, αισθητήρες θέσης κλπ.- είτε ανεξάρτητα είτε συνδυασμός αυτών - και έναν Προγραμματιζόμενo Λογικό Ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Το κομμάτι του προγραμματισμού αναφέρεται στο PLC. Η πειραματική διάταξη αυτοματισμού που κατασκευάστηκε είναι ένας μηχανικός αναρριχητής. Η διάταξη αναρρίχησης αποτελείται απο 4 έμβολα / τεχνητούς μύες πεπιεσμένου αέρα προσαρμοσμένα στο ένα τους άκρο σε μια κοινή βάση (σώμα του αναρριχητή). Στο άλλο άκρο υπάρχει κατάλληλος μηχανισμός ολίσθησης που τους επιτρέπει να κινηθούν πάνω στην επιφάνεια των κάθετων δοκών αλουμινίου που συνθέτουν τη διαταξη προς αναρρίχηση. Κάθε μηχανισμός ολίσθησης διαθέτει μικρό έμβολο πεπιεσμένου αέρα με χρήση του οποίου επιτυγχάνουμε την παύση της ολίσθησης του άκρου. Η συνδυασμένη και διαδοχική έκταση-συστολή των εμβόλων προκαλεί την κίνηση προς τα πάνω ή προς τα κάτω του σώματος, το οποίο μιμείται κατά έναν τρόπο την αναρρίχηση του ανθρώπου σε σκάλα. Η λειτουργια της διάταξης έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε ο αναρριχητής να φθάνει στο επιθυμητό ύψος το οποίο και θα ορίζεται απο τον χρήστη. Η αναρρίχηση στο επιθυμητό σημείο μπορεί να εκτελεστεί με τέσσερις (4) διαφορετικους τροπους: 1) Αναρρίχηση με λειτουργία μόνο των άνω άκρων. 2) Αναρρίχηση με λειτουργία μόνο των κάτω άκρων. 3) Αναρρίχηση με ταυτόχρονη λειτουργία των άνω και κάτω άκρων. 4) Αναρρίχηση με λειτουργία των άνω & κάτω άκρων και PID έλεγχο θέσης. Ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ορίσει το επιθυμητό σημείο θέσης και να διαλέξει ένα από τα τέσσερα μοτίβα ανάβασης. Στα τρία πρώτα μοτίβα η έκταση και συστολή των μυών γίνεται με χρήση προκαθορισμένων τιμών πίεσης. Με αυτό το τρόπο για τα τρία αυτά σενάρια κίνησης ο έλεγχος θέσης προσεγγίζει τη διακοπτική ON/OFF θεωρία ελέγχου. Στο τέταρτο σενάριο, η ανάβαση πραγματοποιείται επίσης με το διακοπτικό ON/OFF τρόπο, ο τελικός όμως έλεγχος θέσης επιτυγχάνεται με χρήση PID ελεγκτή. Μετά την ολοκλήρωση ή και κατά την διάρκεια εκτέλεσης του εκάστοτε μοτίβου κίνησης, ο χρήστης έχει επίσης την δυνατότητα ενεργοποίησης της ρουτίνας κατάβασης που επιστρέφει τον αναρριχητή στην αρχική του θέση. / This Diploma Thesis consists of the construction and operation, through the means of programming, of an experimental automated system which includes equipment such as pneumatic cylinders (classic or muscle type), position sensors etc. - combined or independent – and a Programmable Logic Controller (PLC) which controls the functions of the automated system. The programming part is referred to the PLC. The experimental automated system that was constructed is that of a mechanical climber. The climber consists of 4 pneumatic cylinders / artificial muscles, the one end of which is attached to a common body. The other end is attached to a sliding mechanism which allows the movement of the muscles on the surface of the vertical aluminum beams that compose the climbing structure. A small pneumatic cylinder is attached on every sliding mechanism, which is used to stop the sliding of the muscles. The combined and successive outstroke and instroke of the cylinders causes the upward or downward movement of the climber’s body, which mimics in a way the movements of a human body while climbing a ladder. Those functions are designed so that the mechanical climber reaches a desired height, which is set by the user. The climb to the desired height can be executed with four (4) different movement patterns: 1) Climb using only the upper limbs. 2) Climb using only the lower limbs. 3) Climb using the upper and lower limbs simultaneously. 4) Climb using the upper and lower limbs and PID position control. The user can set the desired height and choose one of the four movement routines. During the first three movement patterns, the instroke and outstroke of the cylinders is done with the use of predetermined pressure values. In this way, during those patterns the position control approximates the ON/OFF control theory. During the fourth movement pattern, the climb is executed with the same ON/OFF way but the final position control is done by use of a PID controller. After the completion of a movement pattern, or even during movement, the user can always enable the descendance movement routine which returns the climber to its former position.

Η προσομοίωση της κίνησης των ζώων αποτελεί αντικείμενο έρευνας στον τομέα της ρομποτικής από το 1960. Έκτοτε έχουν κατασκευαστεί πολλά ρομπότ τα οποία εξομοιώνουν πλήρως την κίνηση των θηλαστικών, των πτηνών και των ερπετών και συμπεριφέρονται ακριβώς όπως αυτά. Συγκεκριμένα στον τομέα των ερπετών ο Hirose το 1972 παρουσίασε το τον ACMIII, το πρώτο φίδι ρομπότ, το οποίο μπορούσε να κινηθεί μόνο σε λεία επιφάνεια, προσομοιώνοντας την κίνηση του φιδιού. Εν συνεχεία, με την πρόοδο της τεχνολογίας και τον πνευματικό κόπο χιλιάδων επιστημόνων, κατασκευάστηκαν διάφορα εξελιγμένα μοντέλα ρομπότ-φιδιών με τεράστιες δυνατότητες. Αποτελεί, πλέον, πραγματικότητα η ύπαρξη ρομπότ-φιδιών, που μπορούν να κινηθούν σε οποιαδήποτε επιφάνεια. Στη διπλωματική αυτή πραγματοποιήθηκε η κατασκευή και η λειτουργία ενός σύνθετου ενεργοποιητή αποτελούμενου από μια συστοιχία πνευματικών μυών πεπιεσμένου αέρα και ελεγχόμενου μέσω ενός προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (PLC). Τα έμβολα συνδέονται μεταξύ τους είτε με σταθερή είτε με ελεύθερη άρθρωση επιτρέποντας στη συστοιχία να κινηθεί ευθύγραμμα ή καμπυλόγραμμα αντίστοιχα. Κατά την ευθύγραμμη κίνηση η κατασκευή αποτελείται από 7 τεχνητούς μύες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με σταθερή άρθρωση και τροφοδοτούνται από ψηφιακές βαλβίδες. Επίσης, η συστοιχία είναι εφοδιασμένη με μια συμπαγή σιδερένια κατασκευή ως ουρά και έναν αυτοσχέδιο μηχανισμό φρένων. Ο χρήστης, αφού φορτώσει το αντίστοιχο πρόγραμμα στην CPU του PLC, με το πάτημα ενός μπουτόν ξεκινά την κίνηση της διάταξης. Στο πρόγραμμα αυτό χρησιμοποιείται ένα πλήθος από χρονομετρητές οι οποίοι καθορίζουν πότε πραγματοποιείται η διαστολή και η συστολή των εμβόλων ρυθμίζοντας έτσι τη συμπεριφορά του πνευματικού ενεργοποιητή. Στην παρούσα διπλωματική αναλύθηκαν 3 μοτίβα ευθύγραμ-μης κίνησης. Στο πρώτο μοτίβο η συστολή και η διαστολή είναι ανεξάρτητες, στο δεύτερο έχουμε διαδοχική συστολή/διαδοχική διαστολή και στο τρίτο η διαστολή επικαλύπτει τη συστολή. Η διακοπή της κίνησης γίνεται μέσω του μπουτόν λήξης. Για το σενάριο της οφιοειδούς και της πλάγιας κίνησης η κατασκευή αποτελείται από 5 τεχνητούς πνευματικούς ενεργοποιητές. Οι 4 χρησιμοποιούνται ως ενεργό μέρος της συστοιχίας, ενώ ο πέμπτος ως κεφαλή. Ανάμεσα στα έμβολα υπάρχει αρθρωτή ζεύξη με δυνατότητα κίνησης. Έτσι, κατά τη συστολή και την διαστολή των μυών δημιουργείται μια γωνία μεταξύ τους. Ρυθμίζοντας αυτή τη γωνία κατάλληλα μέσω της πίεσης επιτυγχάνουμε την οφιοειδή κίνηση του σύνθετου πνευματικού ενεργοποιητή. Ο χρήστης μέσω μπουτόν έχει τη δυνατότητα να ελέγχει την κίνηση της συστοιχίας. Επιλέγει την έναρξη και τη λήξη της κίνησης καθώς και το αναποδογυρίζει. Στην ευθύγραμμη κίνηση εστιάσαμε την προσοχή μας στην εύρεση του βέλτιστου πλάνου κίνησης ώστε να επιτευχθεί το γρηγορότερο αποτέλεσμα. Από την άλλη μεριά στην καμπυλόγραμμη κίνηση τα πράγματα δεν ήταν τόσο απλά. Κύριο ζητούμενο εδώ ήταν η προσομοίωση της οφιοειδούς κίνησης. Η αδυναμία εφαρμογής του θεωρητικού υπόβαθρου που ήδη υπάρχει για τα φίδια-ρομπότ, εξαιτίας της ασυμμετρίας της κατασκευής, της αδυναμίας να επιτευχθούν οι επιθυμητές γωνίες λόγω παραμόρφωσης του σκελετού και της μη γραμμικής συμπεριφοράς της, οδήγησαν στη διενέργεια πολλών πειραμάτων ώστε να υπερκεραστούν οι δυσκολίες και να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Παράλληλα, στην πλάγια κίνηση μελετήθηκε η ικανότητα μετακίνησης της συστοιχίας σε ανισόπεδα τερέν. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων παρουσιάστηκε μια πληθώρα προβλημάτων τα οποία έπρεπε να αντιμετωπιστούν τόσο στην ευθύγραμμη όσο και στην οφιοειδή κίνηση. Λόγω της μεγάλης δύναμης που ασκούν οι μύες κατά την εκτόνωσή τους και του μικρού συντελεστή τριβής του εδάφους του εργαστηρίου, η συστοιχία κατά τη διαστολή των εμβόλων ολίσθαινε προς τα όπισθεν, δημιουργώντας έτσι σημαντική καθυστέρηση στην συνολική μετακίνηση της συστοιχίας. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου αυτού χρησιμοποιήθηκε ένα σιδερένιο βαρίδιο και ένα αυτοσχέδιο φρένο στην “ουρά” της συστοιχίας, που συγκρατούσαν τη συστοιχία κατά τη διαστολή των μυών και την ωθούσαν προς τα εμπρός. Αυτή η μεγάλη δύναμη των μυών ήταν πρόβλημα και για την καμπυλόγραμμη κίνηση, καθώς προκαλούσε παραμόρφωση του σκελετού, εισάγοντας έτσι σημαντικούς περιορισμούς στη μέγιστη πίεση των μυών. Ταυτόχρονα, οδηγούσε σε “χαλάρωση” των βιδών που συγκρατούσαν την κινούμενη άρθρωση. Εκτός αυτών, ένα επιπλέον εμπόδιο που παρουσιάστηκε ήταν η παρακώλυση της κίνησης από τους σωλήνες που τροφοδοτούσαν τα έμβολα. Αυτό το θέμα ήταν μείζονος σημασίας για την οφιοειδή κίνηση, καθώς αν δεν ομαδοποιούνταν κατάλληλα οι σωλήνες, η μετακίνηση της συστοιχίας ήταν μηδενική. Τέλος, οι βαλβίδες έπρεπε να είχαν τη δυνατότητα της εύκολης μετακίνησης, καθώς, λόγω του περιορισμένου μήκους σωλήνων, εισάγονταν περιορισμοί στο διάστημα που μπορούσε να διανύσει η συστοιχία. Τα θέματα αυτά αντιμετωπίσθηκαν με πρακτικούς τρόπους ώστε η μεταφορά των βαλβίδων να γίνεται εύκολα και με ασφάλεια, χωρίς να παρενοχλείται η κίνηση. Εν κατακλείδι, το αποτέλεσμα της προσπάθειας αυτής ήταν να δημιουργηθεί ένας σύνθετος ενεργοποιητής, ο οποίος έχει τη δυνατότητα να κινείται πλάγια, ευθύγραμμα, καθώς και να προσομοιώνει την κίνηση του φιδιού σε πολύ ικανοποιητικό βαθμό με μικρό όμως αποτέλεσμα ως προς την ταχύτητα. Η χρήση αισθητήρων για μέτρηση της γωνίας που δημιουργείται μεταξύ των εμβόλων και η κατασκευή πιο ανθεκτικού σκελετού, ώστε να αντέχει στη μεγάλη δύναμη που ασκούν οι μύες, θα οδηγούσαν σε ένα καλύτερο αποτέλεσμα αλλά θα ξέφευγε από τα όρια της εργασίας αυτής. / --

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και λειτουργία μιας πειραματικής διάταξης, η οποία περιλαμβάνει δύο ρομποτικές αρθρώσεις δύο βαθμών ελευθερίας η καθεμία, οκτώ πνευματικά έμβολα τύπου μυών και ισάριθμες αναλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα, μία οθόνη χειρισμού SCADA και έναν Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) για τον έλεγχο της διάταξης. Πιο συγκεκριμένα, η πειραματική διάταξη που κατασκευάστηκε είναι ένας ρομποτικός βραχίονας. Ο βραχίονας αποτελείται συνολικά από τις δύο αρθρώσεις και δύο μεταλλικούς σωλήνες, ο ένας από τους οποίους στερεώθηκε σε πάγκο εργασίας, ενώ ο δεύτερος παρεμβάλλεται μεταξύ των αρθρώσεων. Κάθε άρθρωση έχει εσωτερικά δύο ζεύγη νηματόσχοινων, όπου καθένα προκαλεί από μία κίνηση, περιστροφική με άξονα τον σωλήνα ή περιστροφική περιορισμένη στο επίπεδο που είναι κάθετο στον σωλήνα. Η έλξη του ενός ή του άλλου σκοινιού από κάθε ζεύγος ορίζει τη φορά περιστροφής. Τα νηματόσχοινα, που εκτείνονται εσωτερικά των σωλήνων, εξέρχονται στο κάτω μέρος, όπου εφαρμόζουν σε πνευματικούς μύες, υπεύθυνους για την έλξη. Το άλλο άκρο των μυών είναι στερεωμένο στο δάπεδο, ενώ τροφοδοτούνται με πεπιεσμένο αέρα από κατάλληλες βαλβίδες ρύθμισης πίεσης. Η πίεση του αέρα που παρέχεται στους μύες κάθε στιγμή ελέγχεται μέσω του PLC. Στα πλαίσια των πειραμάτων, αναπτύχθηκαν δύο τρόποι κίνησης του βραχίονα. Στην πρώτη περίπτωση, ο χειριστής έχει τη δυνατότητα να ελέγχει καθεμιά από τις τέσσερις δυνατές κινήσεις ξεχωριστά, μέσω κατάλληλα διαμορφωμένης οθόνης χειρισμού SCADA. Στη δεύτερη περίπτωση, έχει προγραμματιστεί μια προκαθορισμένη κίνηση επίδειξης, που ξεκινά και τερματίζει με εντολή του χρήστη, αλλά δεν μπορεί να επέμβει κατά τη διάρκεια εκτέλεσής της. / -

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τον έλεγχο μιας πειραματικής διάταξης παράλληλου ρομποτικού μηχανισμού, η οποία περιλαμβάνει ηλεκτροπνευματικό εξοπλισμό, όπως τέσσερα πνευματικά έμβολα τύπου τεχνητών μυών, ισάριθμες ανάλογικές βαλβίδες πεπιεσμένου αέρα και έναν προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC) που ελέγχει τη λειτουργία της διάταξης. Η πειραματική διάταξη που σχεδιάσαμε και κατασκευάσαμε είναι ένας παράλληλος ρομποτικός μηχανισμός πέντε βαθμών ελευθερίας, ο οποίος αποτελείται από τέσσερις δοκούς, δύο βασικά γρανάζια περιστροφής, δύο οδοντωτούς ιμάντες, μια βάση στήριξης και επιπρόσθετα βοηθητικά στηρίγματα. Οι δοκοί συνδέονται μεταξύ τους μέσω περιστροφικών αρθρώσεων και αποτελούν μια κλειστή κινηματική αλυσίδα, στα άκρα της οποίας τοποθετούνται οι κινητήριες αρθρώσεις (γρανάζια). Στόχος είναι με τον έλεγχο της περιστροφής των γραναζιών να εξασφαλίζεται μια επιθυμητή τροχιά του τελικού σημείου. Ο έλεγχος της περιστροφής των γραναζιών επιτυγχάνεται μέσω της ανταγωνιστικής λειτουργίας των μυών της διάταξης μας. Η τροφοδοτούμενη πίεση στους μύες, ελέγχεται μέσω του PLC. Πιο συγκεκριμένα, οι επιθυμητές τροχιές που επιχειρήθηκαν ήταν η παράλληλη, η κατακόρυφη και η κυκλική τροχιά. Οι έλεγχοι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ένας έλεγχος ανοιχτού βρόχου και ένας PID έλεγχος κλειστού βρόχου. Συμπερασματικά, τα ζητήματα που μας απασχόλησαν κατά τη διεξαγωγή της διπλωματικής εργασίας είναι ο προγραμματισμός του PLC, οι πνευματικοί μύες, η ανταγωνιστική τους λειτουργία, η μαθηματική περιγραφή του μοντέλου του παράλληλου μηχανισμού και ο έλεγχος για την επίτευξη των επιθυμητών τροχιών. / The thesis consists of designing, manufacturing and controlling a parallel robotic mechanism, including electro-pneumatics equipment, such as four pneumatic artificial muscles, four analogue pneumatic valves and a programmable logical controller (PLC), in order to control the structure's operation. This structure is a 5-degrees-of-freedom robotic mechanism, consisting of four beams, two basic rotating gears, two toothed belts and other complementary brackets. Beams are connected to each other by use of rotary joints and, therefore, constitute a closed kinematic chain. At the ends of the chain are placed the rotating gears. The thesis goal is to achieve the mechanism's end successful move through a certain track by controlling the gears' rotating angles. This is achieved by the competitive operation of pneumatic artificial muscles. Pneumatic muscles' pressure is controlled through the PLC. A parallel, a vertical and a circular track were executed. An open loop and a PID closed loop controller where designed. In conclusion, issues taken into consideration in this thesis were PLC programming, pneumatic artificial muscles and their competitive operation, parallel mechanism's mathematical model description and control implementation.