Naslov (srp)

Adaptivno spajanje delova u tehnologiji robotizovane montaže primenom kinematski redundantnih robota : doktorska disertacija

Autor

Lukić, Nikola, 1986-

Doprinosi

Slavković, Nikola, 1981-
Babić, Bojan, 1959-2023
Stankovski, Stevan, 1962-
Rodić, Aleksandar, 1960-
Petrović, Petar, 1958-

Opis (srp)

Istraživanje u okviru ove doktorske disertacije fokusirano je na razvoj u oblasti tehnologijerobotizovane montaže, sa ciljem da se antropomorfni manipulacioni robotski sistem učini adaptivnimi fleksibilnim u izvršavanju zadataka spajanja. Polazeći od paradigme masovne kastomizacijeproizvoda, potiskuje se tradicionalni redukcionistički pristup, a traženje potencijalnog rešenja zaizazov izgradnje ekstremno fleksibilnih tehnoloških sistema za montažu je usmereno na robotizacijupripadajućih procesa.Poseban fokus je usmeren na proizvoljni netrivijalni slučaj procesa kvazi-statičkog spajanja, kaoekstremno zahtevan proces iz klase kontaktnih zadataka, a identifikacija svojstava manipulacionogsistema konzistentnih sa njegovom uspešnom realizacijom izvedena je na primeru pasivnog sistemapopustljivog oslanjanja delova (RCC). Kroz ovakvu analizu dalje je proistekao osnovni zahtev zaupravljanje kinetostatičkim ponašanjem, odnosno upravljanje svojstvima sopstvenog sistema matricegeneralizovane krutosti manipulacionog robota, kao ključne tehnološke veličine za izvršavanjezadatka spajanja. Za pronalaženje potencijalnog rešenja postavljenih zahteva odabran je pristupprimene kinematski redundantnih antropomorfnih manipulacionih robota, tako da se povećanikapacitet njihovog konfiguracionog prostora iskoristi za upravljanje svojstvima krutosti, aistraživanja u tom kontekstu su dalje usmerena ka matematičkom modeliranju baziranom nainstrumentarijumu linearne algebre.Primenom metodološkog okvira linearnih preslikavanja formulisana je analitička particija ukupnogkonfiguracionog prostora kinematski redundantne robotske ruke na podprostore slike i nule, što jedalje rezultovalo izgradnjom funkcionalno konzistentnog modela komplementarnih kretanjabaziranog na pseudoinverziji Jakobijan matrice i komplementarnim projektorima. Ovakav pristup jeu tehnološkom smislu povezan sa upravljanjem sopstvenim sistemom matrice generalizovanekrutosti, što se ostvaruje kretanjem u konfiguracionom prostoru nule, uz očuvanje kinematskekonzistentnosti primarnog zahteva kretanja vrha robota duž trajektorije spajanja, kao homogena ipartikularna komponenta komplementarnog modela, respektivno.Dogradnja funkcionalno konzistentnog matematičkog modela, vođena fizičkom realnošću gderobotski sistem za montažu nikada ne funkcioniše samo u partikularnom kontekstu optimizacijekrutosti, usmerena je ka formalno konsekventnom okviru opšte teorije stratifikovanih višenivojskihsistema. Imperativ primene ove metodologije identifikovan je kroz analizu hijerarhijske prirode iizražene strukturne složenosti tehnološkog zadatka spajanja. Primena kibernetskog konceptahijerarhijske organizacije omogućila je definisanje tehnološkog zadatka kao stratifikovanogkompozita sa procesnim primitivima primarnog i sekundarnog hijerarhijskog nivoa. Ekstenzijomprethodnog, kroz primenu kibernetskog koncepta koordinacije izgrađen je formalno konsekventniokvir za simultano nekonfliktno izvršavanje skupa međusobno spregnutih procesnih primitiva, što seu matematičkom smislu implementira kao pristup višekriterijumske optimizacije sa ograničenjimatipa jednakosti i nejednakosti. Primenom funkcionalno konzistentnog instrumentarijumakomplementarnih projektora unutar formalno konsekventnog okvira kibernetske koordinacijesintetisani su varijantni algoritmi koordinacije za izvršavanje strukturno složenog tehnološkogzadatka spajanja primenom antropomorfnih kinematski redundantnih manipulacionih robota.Algoritmi koordinacije sadrže podalgoritamske strukture za rešavanje pitanja ograničenja,konfliktnosti i prioritizacije procesnih primitiva, zatim sprezanja hijerarhijskih nivoa. Problemračunske kompleksnosti koja je inherentno sadržana kod analitički sintetisanih modela baziranih nainstrumentarijumu linearne algebre je takođe analiziran, a potencijalna mogućnost za rešavanje ovogpitanja je načelno usmerena ka primeni metoda metaheuristike i mašinskog učenja.Ključni sadržaji i rezultati teorijskih istraživanja verifikovani su eksperimentalno, virtuelno i fizički.Verifikacija je izvedena na eksperimentalnoj platformi koja sadrži sledeće ključne komponente:1)kinematski redundantan industrijski robot, Yaskawa SIA10F; 2)upravljački sistem FS100,nadograđen softverskom platformom za upravljanje otvorene arhitekture i nadzor, MotoPlus SDK, saodgovarajućim API okruženjem; 3)visokoprecizni laserski mikrometar, Micro-Epsilon ODC2520-46,za merenje i identifikaciju fizički ostvarenih kinetostatičkih svojstava kinematski redundantnerobotske ruke tokom izvođenja sintetisanih algoritama koordinacije. Eksperimentalno je potvrđenaefektivnost sintetisanih algoritama koordinacije i njihova primenljivost u virtuelnom i realnomfizičkom okruženju, u laboratorijskim uslovima, uz identifikaciju i analizu ograničenja primenjenogpristupa baziranog samo na kinematskoj redundansi i identifikaciju nesavršenosti primenjenogfizičkog robotskog sistema, kao i ograničenja koja su u tom smislu nametnuta

Opis (srp)

Mašinsko inženjerstvo - Proizvodno mašinstvo / Mechanical Engineering -Production Engineering Datum odbrane: 27.10.2022.

Opis (eng)

The research within this doctoral dissertation is focused on the field of robotic assembly technology,with the goal of making the anthropomorphic manipulation robotic system adaptive and flexible inperforming the corresponding part mating tasks. Building on the paradigm of mass customization,the traditional reductionistic approach becomes unsustainable, and the search for a potential solutionto the challenge of highly flexible assembly technology is directed towards the robotization ofassembly processes.Particular attention is given to the analysis of arbitrary non-trivial case of a quasi-static assemblyprocess, as an extremely demanding contact-rich task. The identification of manipulation systemproperties consistent with its successful implementation is performed on the example of passivecompliance support system (RCC). As a result of this analysis, the fundamental requirement forkinetostatic behaviour control of the manipulation robot has emerged, as the control of the generalizedstiffness matrix eigensystem properties has been identified as a key technological parameters forperforming the part mating task. To find a potential solution to the established control requirement,the approach of using kinematically redundant anthropomorphic manipulation robots was chosen inorder to exploit the increased capacity of their configuration space for the purpose of the stiffnessproperties optimization. In this context, research focuses on mathematical modelling based on linearalgebra apparatus. Using the methodological framework of linear mappings, the analytical partitionof the total configuration space to the image and null subspaces of the kinematically redundant roboticarm was formulated. This led to the functionally consistent model of complementary motions relatedto the orthogonal subspaces and based on the pseudoinversion of Jacobian matrix and complementaryprojectors. This approach is related to the control of the generalized stiffness matrix eigensystem bythe robot arm motion in the null space, while preserving the kinematic consistency of the part matingtrajectory tracking control in the image space, as a homogeneous and particular components of thecomplementary model, respectively.The upgrade of the formulated mathematical model is directed to a formally consistent cyberneticframework of the hierarchical multilevel systems. The necessity of applying this methodology wasidentified by the analysis of the hierarchical nature and structural complexity of the part mating task,where a robotic assembly system in a physical reality never works only in the particular context ofstiffness optimization. The application of the cybernetic concept of hierarchical organisation enabledthe part mating task to be defined as a stratified system composed of process primitives at the primaryand secondary hierarchical level. With the extension of the previous one, through the application ofthe cybernetic concept of coordination, a formally consistent framework for simultaneous non-conflict execution of a set of coupled process primitives was built. In mathematical sense this isimplemented as a multicriteria optimization approach with equality and inequality constraints. Theimplementation of the mathematical model of complementary motions within the formally consistentframework of cybernetic coordination has led to the synthesis of variant coordination algorithms forthe execution of part mating tasks. Coordination algorithms include sub-algorithmic structures toresolve constraints, conflicts and prioritization of process primitives, and couplings betweenhierarchical levels. The issue of inherent computational complexity in analytically synthesizedmodels was addressed, and the potential solution is directed towards applying metaheuristic andmachine learning methods.The key findings of the theoretical research were verified experimentally, virtually and physically.The verification was performed on an experimental platform consisting of: 1)kinematically redundantindustrial robot arm Yaskawa SIA10F; 2)control system, FS100, upgraded with the software platformfor open architecture control and monitoring, MotoPlus SDK, and appropriate API environment;3)high-precision laser micrometre, Micro-Epsilon ODC2520, for identifying the performed physicalkinetostatic behaviour and achieved properties of the robot arm during the execution of thesynthesized algorithms. The effectiveness of the synthesized coordination algorithms and theirapplicability in a virtual and real physical environment, in laboratory conditions, have beenexperimentally confirmed. The experimental research included the identification and analysis of thelimitations of the applied approach based only on kinematic redundancy and the identification ofimperfections of the applied physical robotic system, as well as the limitations imposed in that sense

Jezik

srpski

Datum

2022

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Mašine, alatke

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Veštačka inteligencija. Robotika

robotic assembly technology, part mating process, kinematically redundant robot arm, generalized stiffness, configuration null space, complementary projector, cybernetic concept of hierarchical organization and coordination, multicriteria optimization.

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Mašine, alatke

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Veštačka inteligencija. Robotika

tehnologija robotizovane montaže, proces spajanja delova, kinematski redundantni roboti, generalizovana krutost, konfiguracioni prostor nule, komplementarni projektor, kibernetski koncept hijerarhijske organizacije i koordinacije, višekriterijumska optimizacija