Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τον συνεργατικό έλεγχο μιας ομάδας αυτόνομων ρομπότ. Θεωρώντας ότι μόνο ένα ρομπότ έχει πλήρη γνώση για το μονοπάτι που επιθυμούμε να ακολουθήσουν τα ρομπότ, θα πρέπει τα υπόλοιπα παίρνοντας μετρήσεις από διάφορους αισθητήρες και ανταλλάσοντας πληροφορίες μεταξύ τους, να σχεδιάζουν και να ακολουθούν τέτοιες τροχιές ώστε να πετύχουν τον στόχο τους. Από τη στιγμή που ένα μοναδικό ρομπότ γνωρίζει το επιθυμητό μονοπάτι, πρόκειται για ένα leader-follower σχηματισμό όπου κάθε ρομπότ καλείται να ακολουθήσει αυτό που προηγείται. Προκειμένου τα ρομπότ να μπορούν να ακολουθήσουν μία τροχιά αναπτύχθηκε σε περιβάλλον LabVIEW ένας ελεγκτής παρακολούθησης τροχιάς. Για την ανταλλαγή πληροφοριών και μηνυμάτων συντονισμού μεταξύ των ρομπότ, αναπτύχθηκε ασύρματο δίκτυο ZigBee. Το πρόβλημα γνώσης σχετικά με το που βρίσκεται ο leader κάθε ρομπότ λύθηκε με τη χρήση αλγορίθμων που επεξεργάζονται τις μετρήσεις των ενσωματωμένων Sonar. Επίσης το πρόβλημα γνώσης του πραγματικού προσανατολισμού κάθε ρομπότ, αντιμετωπίστηκε με την κατασκευή ενός ψηφιακού μαγνητομέτρου. Για κάθε ρομπότ ξεχωριστά, αναπτύχθηκε ο συνεργατικός αλγόριθμος ο οποίος εξασφαλίζει ότι η ομάδα θα πετυχαίνει τον στόχο που έχει αρχικά τεθεί. Τέλος παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα για ομάδες δύο και τριών ρομπότ. / The present thesis elaborates on the cooperative control of mobile robots. Assuming that one robot has complete knowledge of the desired path the robotic platoon must follow, a coordination control scheme must be created, based on sensor measurements and platoon communication, that generates desired trajectories for each of the members of the platoon. From the moment a single robot has complete knowledge of the path, the coordination scheme is based on leader-follower formation control. A trajectory tracking controller was developed in LabVIEW, while a ZigBee based wireless network was implemented for the platoon communication. To find the relative position of the leader for each robot, a sonar based localization algorithm was created, with position measurements through the robot’s encoders and orientation given from a magnetometer. For each robot seperately, the coordination algorithm was developed, that ensures that the platoon will achieve the original goal.

Η παρούσα εργασία μελετά την εξερεύνηση χώρου από κινούμενα ρομπότ. Πιο συγκεκριμένα, περιοριζόμαστε σε ένα δισδιάστατο χώρο γνωστού μεγέθους, στον οποίο υπάρχουν τυχαία τοποθετημένα εμπόδια. Τα όρια του χώρου είναι εκ των προτέρων γνωστά, ενώ τα εμπόδια είναι ανιχνεύσιμα εφόσον το ρομπότ είναι πλησίον τους. Η μελέτη αφορά σημειακά ρομπότ, τα οποία ξεκινούν από a priori γνωστές συντεταγμένες. Ο χώρος διαμερίζεται σε κελιά και το ρομπότ μπορεί να μεταβεί σε ένα από τα τέσσερα γειτονικά του κελιά. Παράλληλα τα ρομπότ ανταλλάσσουν πληροφορίες μεταξύ τους, αναφορικά με την περιοχή που έχουν ήδη καλύψει. Τελικός στόχος της εργασίας είναι τα ρομπότ, σε συνεργασία μεταξύ τους, να καλύψουν όλα τα κελιά στα οποία είναι διαμοιρασμένος ο χώρος στον ταχύτερο δυνατό χρόνο. / This thesis studies the surveillance problem using mobile robot. We consider an a priori known two-dimensional space, which has randomly placed obstacles. The boundary of the area is known in advance, while the obstacles are detectable, if they are inside the robot's sensing range. The study concerns point-robots, that start from a priori known coordinates. The space is partitioned into cells and the robot can move to one of the four neighboring cells. Furthermore, robots exchange information among themselves regarding the area that is already covered. The ultimate goal of this work is a collaborative scheme for mobile robots in order to survey the area at the smallest possible time.

Ο στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος ελέγχου για την κίνηση ενός επίπεδου ρομποτικού βραχίονα πλεονάζοντων βαθμών ελευθερίας με στόχο την αποφυγή εμποδίων έτσι ώστε να αποφευχθεί οποιαδήποτε πιθανή σύγκρουση. Αρχικά γίνεται εισαγωγή στα κινούμενα ρομπότ και στις παραμέτρους που τα χαρακτηρίζουν. Επίσης δεδομένου ότι η επικοινωνία του ρομπότ με το περιβάλλον γίνεται μέσω αισθητήρων γίνεται μια εισαγωγή για τη γενική λειτουργία αυτών. Πιο συγκεκριμένα αυτή η εργασία πραγματεύεται τους ρομποτικούς βραχίονες οι οποίοι είναι αρθρωτά ρομπότ η λειτουργία των οποίων είναι παρόμοια με αυτή του ανθρώπινου βραχίονα. Τέλος γίνεται αναφορά στους αισθητήρες θερμοκρασίας και συγκεκριμένα σε αυτούς που παρέχουν οι ολοκληρωμένες πλατφόρμες Telos motes οι οποίες συνδυάζουν χαμηλή κατανάλωση ισχύος και δυνατότητα ασύρματης μετάδοσης δεδομένων. Για να προσομοιώσουμε την αποφυγή εμποδίων και στη συνέχεια να εκτελέσουμε το πείραμα χρειάστηκε πρώτα να μελετήσουμε το ευθύ κινηματικό πρόβλημα, το οποίο προσδιορίζει τη θέση του τελικού σημείου όταν γνωρίζουμε τις γωνίες των συνδέσμων του βραχίονα. Επιπρόσθετα παρουσιάζεται το μαθηματικό μοντέλλο της θεωρίας της αποφυγής εμποδίων και η τελική εξίσωση η οποία εφαρμόζεται στον επαναληπτικό αλγόριθμο της αποφυγής. Σε αυτή την εργασία δεν ασχολούμαστε καθόλου με τη δυναμική των ρομπότ. Στο τρίτο κεφάλαιο προσομοιώνουμε με τη βοήθεια του λογισμικού πακέτου MATLAB την αποφυγή εμποδίων θεωρώντας πολλές περιπτώσεις ρομπότ διαφόρων βαθμών ελευθερίας και ποικίλων εμποδίων στο περιβάλλον του βραχίονα. Η στρατηγική αποφυγής έγγυται στο να προσδώσουμε στα σημεία του βραχίονα που απειλούνται από ενδεχόμενα εμπόδια μία ταχύτητα έτσι ώστε να τα οδηγήσει μακρύα από αυτά. Για να γίνει αυτό χωρίς να διακοπέι η πρωτεύουσα εργασία του ρομπότ, η οποία είναι η τοποθέτηση του τελικού σημείου δράσης σε ένα σημείο του επιπέδου, χρειάζεται ο βραχίονας να διαθέτει πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας ώστε να είναι αρκετά ευέλικτος σε ένα περιβάλλον με εμπόδια. Σε τελικό στάδιο παρουσιάζεται η πειραματική αποφυγή ενός εμποδίου χρησιμοποιώντας το λογισμικό Lab VIEW για την επικοινωνία του χρήστη με ένα ρομποτικό βραχίονα τριών βαθμών ελευθερίας. Εδώ εφαρμόσαμε για πρώτη φορά τη θεωρία της ανάδρασης δεδομένου ότι λόγω θορύβου και μηχανικών τριβών στα γρανάζια των επενεργητών η πραγματική θέση του ρομπότ θα διαφέρει από την επιθυμητή. Για μέτρηση της πραγματικής θέσης χρησιμοποιήθηκαν δύο ψηφιακοί και ένας οπτικός encoders. Τέλος για αισθητήρα χρησιμοποιήσαμε ένα Telos mote για αναγνώριση θερμοκρασίας του εμποδίου το οποίο ήτανε μια πηγή φλόγας. Με κατάλληλους μετασχηματισμόυς μετατρέψαμε αυτή τη μέτρηση θερμοκρασίας σε απόσταση η οποία είναι και η απόσταση του εμποδίου από το βραχίονα. Στο τελευταίο κεφάλαιο συνοψίζουμε τα αποτελέσματα της προσομοίωσης και του πειράματος και παραθέτουμε προτάσεις για περεταίρω έρευνα καθώς και για βελτίωση των αποτελεσμάτων σε μελλοντικά πειράματα. Εντέλει, αυτή η εργασία αποτελεί μία εισαγωγή στη ρομποτική και σε πειράματα ελεγχόμενα από ηλεκτρονικό υπολογιστή και τονίζει τη σπουδαιότητα της χρήσης τον ρομπότ στη σύγχρονη επιστήμη. / -

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ολοκληρωμένου συστήματος οδομετρίας που θα υπολογίζει την απόσταση μετακίνησης ενός κινητού μέσου με χρήση τεχνικών όρων της όρασης των υπολογιστών. Στα κλασικά μετρητικά συστήματα εμφανίζονται σημαντικές αποκλίσεις μεταξύ της πραγματικής και της υπολογισθείσας θέσης του ρομπότ. Σκοπός της ολοκληρωμένης διάταξης οδομετρίας που θα κατασκευαστεί είναι ο περιορισμός των σφαλμάτων αυτών. / Aim of this diploma thesis is the development of a dead-reackoning (odometry) system through a hollistic approach, in order to calculate the distance travelled by a mobile system (robot) by means of computer vision. In traditional systems there exist important deviations between the real and the calculated positions. Goal of the current work is to limit (minimize) the aforementioned deviations.

Η δημιουργία αυτόνομων ρομπότ (είτε οχημάτων ή αρθρωτών ρομπότ) έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών που ασχολούνται με το αντικείμενο της ρομποτικής. Τα ρομπότ πρέπει να είναι ικανά να δέχονται υψηλού-επιπέδου οδηγίες για την εργασία τους και να την εκτελούν (με το μικρότερο δυνατόν κόστος) παίρνοντας μόνα τους αποφάσεις καθώς κινούνται με ασφάλεια στο χώρο εργασίας τους. Οι οδηγίες θα καθορίζουν τι πρέπει να κάνουν χωρίς να ορίζουν το τρόπο που θα το κάνουν. Αναγνωρίζοντας ότι η εκτέλεση οποιασδήποτε εργασίας από ένα ή περισσότερα ρομπότ είναι μια ακολουθία από διαδοχικές κινήσεις στο χώρο εργασίας τους, το ελάχιστο που μπορεί κάποιος να περιμένει από ένα ρομπότ είναι η ικανότητα δημιουργίας της διαδρομής που πρέπει να ακολουθήσει για να εκτελέσει τις απαιτούμενες εργασίες. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη και η επίλυση του προβλήματος σχεδιασμού κίνησης για ένα ή περισσότερα ρομπότ (είτε οχημάτων ή βραχιόνων) τα οποία καλούνται να εκτελέσουν μια σειρά από εργασίες. Αρκετές βασικές βιομηχανικές και μη εφαρμογές όπως παραλαβή και παράδοση προϊόντων, συνεχής συγκόλληση, καθαρισμός κτιρίων κτλ, απαιτούν την ομαλή κίνηση του ρομπότ στο χώρο εργασίας του. Το ρομπότ θα πρέπει να αποφεύγει κινούμενα ή ακίνητα εμπόδια ή ακόμη και άλλα ρομπότ τα οποία μπορεί να εργάζονται στον ίδιο χώρο. Η δυσκολία του προβλήματος εξαρτάται από: τη γεωμετρία (πολυπλοκότητα) του περιβάλλοντος, τη διάσταση του χώρου εργασίας, τη διάσταση του ρομπότ και τους κινηματικούς περιορισμούς του ρομπότ. Αρχικά, έγινε η γενίκευση της Bump-Surface καθώς επίσης και το μαθηματικό της μοντέλο για την αντιμετώπιση του προβλήματος ΣΚΡ σε πολυδιάστατους χώρους. Με την χρήση της γενικευμένης Bump-Surface, οι ιδιότητες του χώρου εργασίας στον οποίο κινείται το ρομπότ μεταφέρονται στην επιφάνεια η οποία κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας γενικευμένες B-Spline επιφάνειες. Η διαδρομή του κινούμενου αντικειμένου παριστάνεται στο αρχικό περιβάλλον με μια B-Spline καμπύλη. Ο βασικός στόχος ήταν η ανάπτυξη μιας ενιαίας και ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για τον σχεδιασμό κίνησης ρομπότ. Με τον τρόπο αυτό συμβάλλουμε στην εξέλιξη των μεθόδων, σχεδιασμού κίνησης ρομπότ εισάγοντας μια μεθοδολογία η οποία θα μπορεί να επίλυση το πρόβλημα σχεδιασμού κίνησης μεταβάλλοντας την διάσταση του χώρου εργασίας και προσθαφαιρώντας κριτήρια και περιορισμούς ανάλογα με το πρόβλημα που θα έχουμε να αντιμετωπίσουμε. Έγινε διερεύνηση, της εξάρτησης του υπολογιστικού χρόνου που απαιτείται για την κατασκευή της γενικευμένης Bump-Surface από την διάσταση και την γεωμετρία του χώρου εργασίας και της εξάρτησης του υπολογιστικού χρόνου που απαιτείται για την επίλυση του προβλήματος ΣΚΡ όταν διατηρείται η γεωμετρία του περιβάλλοντος σταθερή και μεταβάλλεται ο αριθμός των ρομπότ που κινούνται στο χώρο εργασίας. Σε αντίθεση με τις προηγούμενες μεθόδους επίλυσης του προβλήματος σχεδιασμού κίνησης μη-ολονομικών ρομπότ οι οποίες έλυναν το πρόβλημα σε δύο στάδια: (α) προσδιορισμός της βέλτιστης διαδρομής του ρομπότ θεωρώντας το ρομπότ σημειακό (β) τροποποιούν τη διαδρομή λαμβάνοντας υπόψη τη διάσταση του και τους μη-ολονομικούς περιορισμούς του ρομπότ. Στη παρούσα διατριβή, προτάθηκε ένας ενιαίος τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος σχεδιασμού κίνησης μη-ολονομικών ρομπότ όπου τόσο η διάσταση του ρομπότ όσο και οι μη-ολονομικοί περιορισμοί στη κίνηση του λαμβάνονται υπόψη εξ’ αρχής στη διαδικασία εύρεσης της διαδρομής. Επίσης, επιλύθηκε για πρώτη φορά το πρόβλημα σχεδιασμού κίνησης για μια ομάδα ρομπότ με την ταυτόχρονη εύρεση της βέλτιστης διαδρομής για κάθε ένα ρομπότ. Τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε με επιτυχία στο συνδυαστικό πρόβλημα ΣΚΡ και προγραμματισμού εργασιών για αυτόνομο όχημα. Λόγω της πολυπλοκότητας των δύο προβλημάτων δεν είχαν προταθεί μέχρι τώρα μέθοδοι για την ταυτόχρονη επίλυση τους. / Developing autonomous robots (either mobile or articulated robots) is a fundamental goal in modern industrial production systems and has attracted the attention of many researchers from the robotics fields. The robots must be able to accept high-level instructions of their missions and carry out these missions (at the lowest cost) by making their own decisions while moving safely in the shop floor. Such vehicles will be capable to accept high level descriptions of desired tasks and execute them without any human intervention. The theme of this thesis is the study and the solution of the motion planning problem either for one robot or for a set of robots (mobile or articulated robots). Most of the industrial applications such as pickup and delivery of products, spot-welding, multiple drilling, laser cutting and car-painting, they demand the smooth motion of the robot (or the robots) in the workspace. Each robot should be able to avoid the obstacles (static or moving) or the other robots. The complexity of the problem is depended by the geometry of the environment, the dimension of the robots’ workspace and by the robots’ kinematical constraints. Firstly, the generalization of the Bump-Surface concept for the solution of the motion planning problem in multidimensional workspaces is presented. Using the generalized Bump-Surface concept, the properties of the workspace are transferred into the surface which is constructed by B-Spline Surfaces. The robot’s path is represented by a B-Spline curve in the initial environment. The main target was the development of a methodology which is able to solve the basic motion planning problem and its generalizations. Secondly, is presented the computational time study required to construct the generalized Bump-surface depends only on the geometry and on the dimension of the environment. Furthermore, is presented the computational time required to solve the motion planning problem with constant workspace and varying number of robots. In contract with previous methods which are solved the motion planning problem for non-holonomic robots in two phases, in the present thesis is presented a solution of the problem under a global way with the capacity to handle either holonomic or non-holonomic robot (or a set of robots) moving in a dynamic 2D environment. Furthermore, is presented for a first time the solution of the combinatorial problem of motion planning and task scheduling for a set of robots.

Στην παρούσα εργασία μελετάμε την εφαρμογή ενός ρομποτικού βραχίονα στην διαδικασία της ενδομυελικής ήλωσης, η οποία είναι η συνήθης τεχνική που χρησιμοποιείται σε διαδικασίες ρουτίνας, για την ανακατασκευή των καταγμάτων του μηριαίου οστού και της κνήμης. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά γίνεται προσπάθεια ανίχνευσης των οπών του ενδομυελικού ήλου, οι οποίες λαμβάνονται μέσω ενός C-arm, στον τρισδιάστατο χώρο. Στις οπές αυτές τοποθετούνται ειδικά μεταλλικά καρφιά που στοχεύουν στη συγκράτηση του ενδομυελικού ήλου με το οστό του ασθενούς. Από τη στιγμή που έχει προσδιοριστεί ο άξονας που συνδέει δύο οπές στον ήλο, οδηγείται ρομποτικός βραχίονας προκειμένου να τρυπηθεί το οστό του ασθενούς, κατά μήκος αυτού του άξονα. Η όλη διαδικασία μελετάται μέσω προσομοίωσης στην παρούσα εργασία. / The summary is not available.

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή και ο έλεγχος μιας ομάδας αυτόνομων και συνεργαζόμενων κινούμενων ρομπότ τα οποία θα είναι σε θέση να δημιουργήσουν ένα σύστημα επικοινωνίας με μεταβλητή εμβέλεια, κάνοντας χρήση των ίδιων των ρομπότ ως αναμεταδότες πληροφορίας. Τα δύο ρομπότ εκκινούν ως ένα και στη συνέχεια αποδεσμεύονται και ακολουθούν μια τροχιά σε σχηματισμό Leader-follower. Για την επίτευξη του στόχου αυτού κατασκευάστηκαν 2 όμοια μη ολονομικά οχήματα (ref μανεσης) με δύο κινητήριους και έναν παθητικό περιστρεφόμενο τροχούς (εικόνα) και υλοποιήθηκε αλγόριθμος μη γραμμικού ελέγχου των κινούμενων οχημάτων. Για την ασύρματη επικοινωνία μεταξύ των κόμβων του ηλεκτρονικού υπολογιστή και των 2 ρομπότ κατασκευάστηκε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα μετάδοσης της πληροφορίας και προγραμματίστηκε για χρήση με το πρωτόκολλο ZigBee Pro. Στο κεφάλαιο 1 παρατίθεται ένα εισαγωγικό κείμενο πάνω στις τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για την παρούσα διπλωματική εργασία μαζί με μια περιορισμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση. Στο κεφάλαιο 2 δίνεται η περιγραφή της πλατφόρμας Lego Mindstorms NXT που χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή των κινούμενων ρομπότ. Επίσης περιγράφεται η κατασκευή των ρομπότ, η διαδικασία απόσπασης των δύο μελών της ομάδας και δίνεται το κινοδυναμικό μοντέλο τους. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται αναφορά στην ασύρματη δικτυακή επέκταση της πλατφόρμας Lego Mindstorms NXT. Αναφέρεται ο σχεδιασμός του PCB στο οποίο ενσωματώνεται η πλατφόρμα ασύρματης επικοινωνίας (Jennic 5148), η δικτύωση του PCB για την επικοινωνία του με το Lego μέσω πρωτοκόλλου I2C καθώς και πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της πλατφόρμας ασύρματης επικοινωνίας. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ο έλεγχος των συνεργαζόμενων δικτυωμένων ρομποτικών οχημάτων και δίνονται η περιγραφή του σεναρίου που υλοποιήθηκε, οι νόμοι ελέγχου και τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο 5 βρίσκονται τα συμπεράσματα από το πείραμα μαζί με προτάσεις για μελλοντικές βελτιώσεις της διάταξης και χρήσης της ως εκπαιδευτικό μέσο για την εξοικείωση των φοιτητών με multi-agent προβλήματα ρομποτικής. Το κεφάλαιο 6 είναι η βιβλιογραφία, ενώ τα παραρτήματα Α και Β περιέχουν τον πηγαίο κώδικα σε C και LabView και τα schematics των PCBs. / Creation of non holonomic moving robots using Lego Mindstorms NXT, control and cooperation of two of those roobots and development of a wireless communication platform for the establishment of robotic networks.

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η ανάλυση και η κατασκευή ενός ρομπότ που επιλύει τον κύβο του Rubik με το κιτ Lego Mindstorms NXT. Το κιτ προγραμματίζεται σε γλώσσα NXC, ενώ συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω bluetooth για την επίλυση του κύβου με τον αλγόριθμο του Kociemba. / This diploma dissertation concerns the study, the analysis and the assembly of a robot that solves Rubik’s Cube with the Lego Mindstorms NXT kit. The kit is programmed in NXC, while it can be connected to a computer via bluetooth in order to solve the cube using Kociemba’s algorithm.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο την ανάπτυξη στρατηγικών ελέγχου του ρομπότ για το χειρισμό υφασμάτων κατά τη διαδικασία της ραφής. Ένα βασικό πρόβλημα που παρουσιάζουν τα υφάσματα σε σχέση με τα στερεά αντικείμενα είναι η δυσκολία χειρισμού τους εξαιτίας της πολύ δύσκολα προβλέψιμης συμπεριφοράς τους. Πιο συγκεκριμένα, τα υφάσματα έχουν χαμηλή αντίσταση σε κάμψη που συνεπάγεται την εμφάνιση παραμορφώσεων που μεταβάλλουν το σχήμα τους και επιπλέον, παρουσιάζουν έντονη μη-γραμμικότητα και ανισοτροπία με αποτέλεσμα τη μεγάλη δυσκολία μοντελοποίησής τους κυρίως για εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Η έρευνα για την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη στρατηγικών ελέγχου που βασίζονται σε μεθόδους Υπολογιστικής Νοημοσύνης (Ασαφή Λογική, Γενετικούς Αλγόριθμους και Νευρωνικά Δίκτυα) και Ανάδραση Όρασης. Τα ευφυή συστήματα ελέγχου με χρήση τεχνητής όρασης παρέχουν τη δυνατότητα στο ρομπότ να διεκπεραιώσει με επιδεξιότητα εργασίες σχετικές με τη ραφή υφασμάτων σε πραγματικό περιβάλλον με σκοπό την υψηλότερη ευελιξία και αυτοματισμό. Οι ειδικότεροι στόχοι της διατριβής είναι η ελαχιστοποίηση του συνολικού χρόνου εργασίας του ρομπότ για την ολοκλήρωση της ραφής και ο περιορισμός των σφαλμάτων στη ραφή μέσα στα αποδεκτά όρια. Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής, αναπτύχθηκε ένα ευφυές σύστημα για τη ραφή υφασμάτων που υλοποιήθηκε σε μια εργαστηριακή διάταξη που περιλαμβάνει ρομπότ, κάμερες και ραπτομηχανή, καθώς και μια ποικιλία υφασμάτων που χρησιμοποιήθηκαν ως δοκίμια. Το ρομποτικό σύστημα ραφής υφασμάτων περιλαμβάνει διαδικασίες που προηγούνται της ραφής, καθώς και τη διαδικασία της ραφής πάνω στο τραπέζι εργασίας μέχρι να ολοκληρωθούν όλες οι ραφές στο ύφασμα. Για τη ραφή των υφασμάτων πάνω στο τραπέζι εργασίας, αναπτύχθηκε ένα Ασαφές Σύστημα ελέγχου χρησιμοποιώντας μια ποικιλία διαφορετικών υφασμάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην ανάπτυξη του συστήματος ικανού να ανταπεξέρχεται στις πτυχώσεις που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια του χειρισμού του υφάσματος από το ρομπότ, χωρίς να οδηγείται σε αστοχία. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν μέθοδοι βελτιστοποίησης της διαδικασίας της ραφής με κριτήριο την ελαχιστοποίηση του συνολικού χρόνου εργασίας της ραφής θέτοντας εκ των προτέρων τα μέγιστα αποδεκτά σφάλματα για τη ραφή. Η ρύθμιση των παραμέτρων του Ασαφούς Συστήματος πραγματοποιήθηκε με Γενετικούς Αλγόριθμους εκτός της παραγωγικής διαδικασίας (off-line) και με ένα εποπτεύον Ασαφές Σύστημα εντός της παραγωγικής διαδικασίας (on-line). Για την πειραματική επαλήθευση του συστήματος, χρησιμοποιήθηκαν υφάσματα που αποτελούνται από ευθύγραμμα τμήματα. Σε επόμενο στάδιο, αναπτύχθηκε μια στρατηγική ελέγχου για τη ραφή υφασμάτων που αποτελούνται από καμπύλα τμήματα με αυθαίρετη καμπυλότητα. Η προτεινόμενη μέθοδος συνδυάζει τη μέθοδο εντοπισμού των κυρίαρχων σημείων με ένα μικρο-Γενετικό Αλγόριθμο με σκοπό την πολυγωνική προσέγγιση των καμπύλων τμημάτων. Το πρόβλημα που διαμορφώθηκε είχε στόχο την ελαχιστοποίηση των πολυγωνικών τμημάτων που προσεγγίζουν τα καμπύλα τμήματα με δεδομένα τα μέγιστα ανεκτά όρια για το σφάλματα στη ραφή. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα προσαρμοστικό νευρο-ασαφές σύστημα για τη ραφή υφασμάτων με καμπύλα τμήματα που έχει την ικανότητα να μαθαίνει από πρωθύστερη γνώση. Το σύστημα εκπαιδεύτηκε διεξάγοντας πειράματα ραφής με ένα αριθμό υφασμάτων διαφορετικών καμπυλοτήτων, οπότε καθίσταται ικανό να ανταποκριθεί με αξιοπιστία στη ραφή άλλων υφασμάτων, δηλ. υφασμάτων που δε χρησιμοποιήθηκαν στη διαδικασία εκπαίδευσης. Η δημιουργία του νευρο-ασαφούς αυτού συστήματος βασίστηκε στη χρήση μιας πρωτότυπης μεθόδου ομαδοποίησης δεδομένων. Η προτεινόμενη αυτή μέθοδος ομαδοποίησης βασίστηκε στην ανάπτυξη ενός Γενετικού Αλγόριθμου με χρωμοσώματα μεταβλητού μήκους, ο οποίος έχει το πλεονέκτημα ότι εξασφαλίζει ευελιξία όσον αφορά στον αριθμό των ομάδων που προκύπτουν. Η συμβολή της μεθόδου είναι διττή: αφενός, παράγει αυτόματα τον αριθμό των κέντρων των ομάδων και αφετέρου, αναζητά τα κέντρα σε όλο το πεδίο ορισμού, χωρίς να περιορίζεται στα δεδομένα. Η προτεινόμενη μέθοδος έχει γενικότερη αξία και δεν περιορίζεται μόνο στη χρήση της από το νευρο-ασαφές σύστημα. Αξίζει να σημειωθεί ότι όλες οι στρατηγικές ελέγχου του ρομπότ που αναπτύχθηκαν για το χειρισμό των υφασμάτων, εφαρμόστηκαν σε υφάσματα διαφορετικά ως προς το σχήμα (με ευθύγραμμα και καμπύλα τμήματα), το χρώμα και τις ιδιότητες / The objective of this thesis is the development of control strategies for robot handling of flexible sheets towards the sewing. Besides the difficulties that emerge when handling rigid materials using robots, flexible materials pose additional problems due to due to their unpredictable behavior. In particular, fabrics present low resistance in bending that leads to the appearance of deformations that change their shape and present non-linearity and anisotropy, which poses difficulty in modeling them for real-time applications. The research for this thesis has been focused on the development of control strategies based on Artificial Intelligence techniques (Fuzzy Logic, Genetic algorithms and Neural Networks) and Visual Servoing. The intelligent control systems with artificial vision enable robot to perform skilful tasks related to sewing fabrics in realistic environments towards higher flexibility and automation. The control strategies that have been developed are based on Artificial Intelligence techniques (Fuzzy Logic, Genetic algorithms and Neural Networks) and Visual Servoing. The basic goals of this thesis are the minimization of the total time for robot sewing fabrics and the constraint for the stitching errors inside the acceptable limits. In the context of this thesis, a complete intelligent system has been developed for the handling of fabrics towards sewing. This system is comprised of a robot, two cameras and a sewing machine and a wide range of fabric pieces that was used for experimental purposes. The sewing process is decomposed into preprocess planning and on-line handling subtasks (transferring towards the needle, stitching process and the rotation around the needle). A fuzzy control system was developed for robot handling fabrics on a worktable using a wide range of fabrics. Special emphasis was also given on the development of a system capable of tolerating deformations that may appear on the fabric towards robot handling. Next, optimization methods concerning the handling subtasks were developed in the direction of minimizing the total time for robot sewing fabrics considering the maximum allowable error limits. The parameters were tuned using Genetic Algorithms as an off-line process and a Supervisory fuzzy system in an on-line process. Fabrics comprised of straight edges were used for the experimental verification of the system. The next step concerns the development of a control strategy for robot sewing fabric comprised of curved edges with arbitrary curvatures. The proposed method combines the dominant point detection approach with a micro-Genetic Algorithm for the polygonal approximation of the curved edges. The optimization problem aims at the minimization of the polygonal edges that approximate the curved edges without exceeding the maximum acceptable error limits. In addition, an adaptive neuro-fuzzy system for robot sewing fabrics of curved edges is developed, which has learning capabilities. The system was trained through experiments with various fabrics of different curvatures and is capable to respond to new fabrics, which had not been included in the training process. The construction of the proposed neuro-fuzzy system is based on the use of a novel clustering method. The proposed clustering method is based on the development of a Genetic Algorithm with variable-length chromosomes that has the advantage of flexibility as far as the number of the resulting clusters is concerned. The contribution of the proposed method is twofold. On the one hand, the method evolves automatically the appropriate number of cluster centers, as well as the partitioning of the data, without a priori assumption on the cluster centers. On the other hand, it searches for candidate cluster centers in the universe of discourse and not only among data. The proposed approach is general and it is not limited to the construction of the neuro-fuzzy system. It is also worth noting that all developed control strategies have been applied to fabrics of different shape (with or without curvatures), color and properties.

Η χειρουργική δια μέσου φυσικών οπών ή NOTES (Natural Orifice Transluminal Endocopic Surgery) αποτελεί σήμερα ίσως το πιο ενδιαφέρον επίτευγμα της χειρουργικής από πλευράς τεχνικής. Η ανάπτυξη της τεχνολογία των υπολογιστών και της ρομποτικής αποτελεί ένα δυνατό εργαλείο για το σύγχρονο χειρουργό. Η πρόοδος της μικρο-ρομποτικής στις μέρες μας είναι αλματώδης. Συνεχώς κατασκευάζονται από ομάδες επιστημόνων όλο και μικρότερα σε μέγεθος ρομπότ με όλο και περισσότερες δυνατότητες κίνησης και επεξεργασίας σήματος ικανά να εισέλθουν στο ανθρώπινο σώμα δια μέσου των φυσικών οπών του, στην περιτοναϊκή κοιλότητα. Η τεχνική NOTES είναι ίσως η ιδανική για χρήση μικρο-ρομποτικής. Ο συνδυασμός αυτός ίσως φέρει επανάσταση και στην τηλεχειρουργική. Σκοπός τις εργασίας μας είναι να αναδείξουμε το ρόλο της ιατρικής πληροφορικής κατά τη χρήση μικρο-ρομποτ στη χειρουργική δια μέσου φυσικών οπών. Σχεδιάσαμε και εξομοιώσαμε ένα μοντέλο αρθρωτού μικρο-ρομποτ αποτελούμενου από υπομονάδες (modular robot) που θα μπορεί να εισέλθει δια μέσω των φυσικών οπών στο γαστρεντερικό σωλήνα ή και στην περιτοναϊκή κοιλότητα και θα έχει δυνατότητα κίνησης και χειρουργικών χειρισμών εξ αποστάσεως καθώς και παροχή πληροφοριών στο χρήστη από αισθητήρες. / Natural Orifice Transluminal Endocopic Surgery (NOTES) is perhaps the most interesting achievement of today’s surgery in terms of technique. The development of computer technology and robotics is a powerful tool for the modern surgeon. The progress of micro-robotics today is remarkable. Robotic working teams continuously produce smaller in size robots with more potential motion and signal processing that can enter into the peritoneal cavity through the body’s natural orifices. NOTES surgery is perhaps ideal for use of micro-robots. This combination could be a revolution for the Telesurgery. The aim of our work is to highlight the role of medical informatics in the use of micro-robots in NOTES surgery. We designed and simulated a model of an articulated micro-robot composed of subunits (modular robot) that can enter the gastrointestinal tract or the peritoneal cavity through the body’s natural orifices. It is capable of motion and surgical manipulations and can also provide sensor information to the user.-