Pjezorobotų trajektorijų valdymas nanopalydovų stabilizavimui

Abstract

Spartėjanti pramonės pažanga reikalauja naujų mokslinių sprendimų ir našių, kokybę užtikrinančių technologijų. Pjezokeitiklių taikymas robotikoje leidžia sukurti didelio tikslumo ir valdymo sistemas. Kuriant autonominius robotus ypač svarbus yra judesio trajektorijų formavimo uždavinys. Trajektorijų formavimui taikomi klasikiniai interpoliavimo metodai yra tinkami tik tuomet, kai robotas turi judesį perduodančias dalis. Disertacijoje nagrinėjami pjezorobotai neturi jokių papildomų judesį generuojančių dalių, tik kontaktinius taškus su statine plokštuma. Todėl tradiciniai judesio formavimo metodai netinka ir reikalingi kitokie metodai aprašantys tokio pjezoroboto judesio trajektorijas. Šio darbo tikslas yra sukurti kelių laisvės laipsnių pjezorobotų trajektorijų valdymo algoritmą nanopalydovų stabilizavimui. Darbe sprendžiami šie pagrindiniai uždaviniai: atlikti pjezorobotų konstrukcijų analizę; išnagrinėti jų veikimo principus ir judesio formavimo metodus; išanalizuoti palydovų padėties stabilizavimo problemas ir pjezorobotų pritaikymo galimybes nanopalydovų stabilizavimui; sukurti pjezorobotų judesio formavimo metodą, atsižvelgiant į elektrodų žadinimo schemas; atlikti skaitinę analizę ir eksperimentinius tyrimus; nustatyti sukurtų pjezorobotų kiekybines charakteristikas ir judesio trajektorijas. Disertaciją sudaro įvadas, keturi pagrindiniai skyriai, išvados, naudotos literatūros ir mokslinių publikacijų disertacijos tema sąrašai, ir 5 priedai. Įvade aprašyti darbo aktualumas, tikslas, metodika, tyrimų uždaviniai, mokslinis naujumas, praktinė reikšmė ir ginamieji teiginiai. Pirmame skyriuje apžvelgiami pjezokeitiklių veikimo principai, daugiamačių pjezokeitiklių konstrukcijų analizė. Antrame skyriuje apžvelgiami palydovų padėties stabilizavimo principai bei su stabilizavimu susijusios problemos. Pristatomi judesio formavimo metodai daugiamačiams pjezorobotams. Trečiame skyriuje pateikiama išsami pjezorobotų skaitinė analizė. Skaitinė analizė atlikta naudojant baigtinių ele¬mentų metodą. Pateikiami pjezorobotų judesio trajektorijų formavimo algoritmai atsižvelgiant į elektrodų segmentų žadinimo schemas, bei kontaktinių taškų judėjimo trajektorijos. Ketvirtame skyriuje pristatomi eksperimentų rezultatai. Pateikiamas trajektorijų planavimas, palyginami skaitinės analizės ir eks¬perimentų rezultatai. Pateikiamos išvados apie pjezorobotų judesio formavimo algoritmų pagal elektrodų žadinimo schemas pritaikomumą. Disertacijos tema paskelbti 7 straipsniai, pristatyti 2 pranešimai tarptautinėse konferencijose. Moksliniai tyrimai buvo finansuoti Europos regioninės plėtros fondo, projektas Nr. DOTSUT-234 ir Lietuvos mokslo tarybos, projektas MIP-084/2015.

Rapid industrial advancement requires novel ideas, new scientific approaches and effective technologies that would ensure quality and precision. Application of piezoelectric actuators in robotics opens many possibilities to create systems with extreme precision and control. A very important step in the development of autonomous robots is the formation of motion trajectories. Classical inter¬polation methods used for formation of the trajectories are suitable only when robots have wheels, legs or other parts for motion transmission. Piezorobots that are analyzed in this dissertation have no additional components that create motion, only contact points with the static plane. Therefore, traditional motion formation methods are not suitable and a problem arises how to define motion trajectory of such device. The aim of this work is to create a trajectory control algorithm of multi-degrees-of-freedom piezorobot used for nanosatellite stabilization. In order to achieve the objective, the following tasks had to be solved: to analyze constructions of precise piezorobots, their operating principles and motion formation methods; to analyze stabilization problems of satellites and application of multi-degrees-of-freedom piezorobots for nanosatellite stabili¬zation; to create piezorobots’ motion formation algorithms according to electrode excitation schemes, to perform an experimental research; to determine quan¬titative characteristics of the constructed piezorobots and their motion trajectories. The introduction describes the importance and novelty of this thesis, goals of this work, its practical value and defended statements. The first chapter analyses the principals of ultrasonic devices, gives a thorough review of constructions of ultrasonic devices with multi-degrees-of-freedom. The second chapter provides a review of satellite stabilization principles and how multi-degrees-of-freedom piezorobots can be applied for nanosatellite stabilization. Motion formation methods for ultrasonic devices with multi-degrees-of-freedom are presented. The third chapter presents the detailed analysis of different piezorobots. In the fourth chapter experimental results are provided. Trajectory planning of piezorobot is shown, results are compared to numerical calculations performed in the third chapter. The conclusions about applicability of piezorobots’ motion formation algorithms according to electrode excitation schemes are given. Seven articles focusing on the subject of the dissertation have been published, two presentations on the subject have been presented in conferences at international level. The research for the dissertation has been funded by the Lithuanian State Science and Studies Foundation: European Regional Development Fund, Project No. DOTSUT-234 and Research Council of Lithuania, Project No. MIP-084/2015.