Κινηματική ανάλυση, σχεδιασμός και εφαρμογές ψηφιακού διδύμου για ρομποτικό βραχίονα

Γαντούρ, Καρίμ

Kinematic analysis, design and applications of digital twin for a robotic manipulator

Διπλωματική εργασία

Author

Γαντούρ, Καρίμ

Date

2022-07-11

Advisor

ZACHARIA, PARASKEVI

Διπλωματική Εργασία (7.123Mb)

Keywords

Ρομποτικός βραχίονας ; Κινηματική ανάλυση ; Σχεδιασμός ρομπότ ; Προγραμματισμός ρομπότ ; Ψηφιακό δίδυμο ; Προσομοίωση ρομποτικού βραχίονα ; Προσομοίωση ; Ρομπότ

Abstract

Με την εμφάνιση της τέταρτης βιομηχανικής επανάστασης η χρήση των ρομποτικών βραχιόνων αυξάνεται συνεχώς στο τομέα της παραγωγής για διάφορες εργασίες ,όπως συλλογή και τοποθέτηση , διαδικασία συγκόλλησης, βαφή και διαδικασίες χειρισμού. Με στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους εργασίας και την βελτιστοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας. Η μεγαλύτερη πρόκληση που υπάρχει κατά τη ρύθμιση του ρομποτικού βραχίονα είναι η σωστή τοποθέτηση του βραχίονα στο χώρο στην επιθυμητή θέση και προσανατολισμό, για να επιτευχθεί αυτό υπάρχουν δύο είδη κινηματικής ανάλυσης, η ευθεία και αντίστροφη. Η κινηματική ανάλυση αποτελεί έναν σημαντικό εργαλείο για το λειτουργικό σχεδιασμό μιας ρομποτικής εφαρμογής. Έτσι, για να βελτιωθεί η απόδοση ενός ρομποτικού βραχίονα απαιτείται η κατάλληλη ανάλυση της κινηματικής συμπεριφοράς του και ο σωστός σχεδιασμός, μελετώντας το βραχίονα περί υλικό κατασκευής και αντοχής σε ψηφιακό περιβάλλον. Κατά συνέπεια η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στην έννοια του βέλτιστου σχεδιαστικού προφίλ λαμβάνοντας υπόψη παραμέτρους σχεδιασμού, που καθιστούν αποτελεσματικό και αξιόπιστο έναν ρομποτικό βραχίονα. Σήμερα, για να επιτύχουμε την επιθυμητή βελτίωση, αξιοποιούμε εργαλεία μοντελοποίησης και προσομοίωσης που χρησιμοποιούνται ευρέως σε τέτοιες εφαρμογές, για τη διευκόλυνση και την επιτάχυνση των διαδικασιών σχεδιασμού. Όπως, η δομική ανάλυση, η δυναμική προσομοίωση, βελτιστοποίηση για τον κατάλληλο σχεδιασμό και συνολική βελτίωση της δομής του ρομπότ. Η σύγχρονή τεχνολογία του ψηφιακού διδύμου αποτελεί ισχυρό εργαλείο για την περιγραφή, την ψηφιακή απεικόνιση της συμπεριφοράς και τον έλεγχο ενός πραγματικού ρομποτικού συστήματος. Η συγκεκριμένη τεχνολογία βρίσκει μεγάλη εφαρμογή στην βιομηχανία 4.0, για την απαίτηση δημιουργίας ενός δυναμικού μοντέλου ενός συστήματος εντός ορισμένου προσομοιωτή. Επιπλέον, εφαρμογές που περιλαμβάνουν λειτουργίες από κατασκευή εξαρτημάτων, συναρμολόγηση μερών, παλετοποίηση και τον ρομποτικό χειρισμό. Στην περίπτωση ρομποτικής εφαρμογής θεωρείται σημαντικό εργαλείο για την συγκριτική ανάλυση του συστήματος μέσω της ψηφιακής απεικόνισης, διότι με το πέρασμα του χρόνου ένα ρομποτικό σύστημα τείνει να μειωθεί η επαναληψιμότητα του για διάφορους λόγους. Επίσης, από το λογισμικό προσομοίωσης του ψηφιακού διδύμου υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου του ρομποτικού συστήματος σε πραγματικό χρόνο, για εκτίμηση αποκλίσεων από τις προδιαγραφές του ψηφιακού μοντέλου. Συγκεκριμένα, στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας σχεδιάστηκε ένας ρομποτικός βραχίονας με τη χρήση τρισδιάστατου σχεδιαστικού προγράμματος (SolidWorks), όπου και έγινε η μοντελοποίηση του βραχίονα. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια προσομοίωση στον ψηφιακό προσομοιωτή CoppeliaSim του σχεδιαζόμενου βραχίονα σε βιομηχανικό περιβάλλον εκτελώντας ορισμένη βιομηχανική εφαρμογή, ως ψηφιακό δίδυμο.

Abstract

With the advent of the fourth industrial revolution, the use of robotic manipulators is constantly raising in the production sector for various tasks, such as assembly and installation, welding, painting and handling. Aiming to minimize production costs and optimize the production process. The biggest challenge when it comes to adjust the robotic manipulator is to place correctly the arm in the space in the desired position and orientation, in order to achieve this there are two types of kinematic analysis, the straight and the reverse. The Kinematic analysis is an important tool for the functional design of a robotic application. In order to improve the performance of a robotic manipulator requires proper analysis of the kinematic behavior and correct design, studying the arm for construction material and strength inside a digital environment. Therefore, the present research focuses on the concept of the optimal design profile taking into consideration design parameters, which make a robotic manipulator efficient and reliable. Today, to accomplish the desired improvement, we use modeling and simulation tools that are extensively used in such applications to simplify and speed up design processes. As, Structural analysis, dynamic simulation, optimization for proper design and overall improvement of the robot structure. The new digital twin technology is a powerful tool for description, digital behavior representation and controlling a real robotic system. This technology is suitable in the industry 4.0, for the reason it requires a dynamic model simulation. In addition, applications that include part manufacturing, part assembling, organize and robotic handling. In the case of robotic applications, it considered important tool for comparative analysis of the system through digital imaging, because over time the repeatability of a robotic system tends to be reduced for a variety of reasons. Also, using a digital simulation software it is possible to control the robotic system in real time to estimate divergences from the digital model specifications. In detail, a robotic arm was designed in the context of this diploma thesis using SOLIDWORKS, where also the manipulator was modeled. Later, simulation is presented using the digital simulator CoppeliaSim of the designed manipulator performing a certain industrial application as a digital twin.