ردیابی مسیر یک بازوی قابل انعطاف به کمک متد کنترل بهینه

ردیابی مسیر یک بازوی قابل انعطاف به کمک متد کنترل بهینه

چکیده

رباتهای با بازوی انعطاف پذیر و الاستیک دارای کاربرد فراوانی در علوم مهندسی بوده و به عنوان ایده­ای نو در علم رباتیک شناخته می­شوند که استفاده از این رباتها در سالهای اخیر گسترش چشمگیری یافته است. از طرفی یکی از کارهای متداول در دنیای رباتیک، حرکت یک بازوی قابل انعطاف و ردیابی یک مسیر خاص یا به عبارتی بحث ردیابی ورودی مرجع توسط یک بازوی رباتیک می­باشد. تا کنون روش­های مختلفی برای کنترل و ردیابی مسیر توسط یک سیستم رباتیک ارائه شده­اند که هر کدام دارای مزایا و معایبی می­باشند. بسته به نوع کاربرد ربات، کنترلر طراحی شده باید به گونه ای طراحی شود تا مشخصات زمانی و دینامیکی خاصی بر آورده شود و تا حد امکان در برابر عدم قطعیت سیستم مقاوم باشد. در این تحقیق ابتدا مدل دینامیک یک بازوی انعطاف­پذیر تک لینکی ارائه شده و سپس با استفاده از طراحی کنترل فیدبک به کمک کنترلر بهینه سعی شده که پاسخ سیستم به ورودی­های مرجع، دارای زمان نشست و فراجهش کمی باشد. بدین منظور با بیان معادلات سیستم در فضای حالت، شبیه سازی برای یک مورد ربات انعطاف پذیر انجام شده و با بررسی نتایج شبیه­سازی کارآیی روش پیشنهادی مورد تایید قرار گرفته است.

واژه هاي کليدي :  کنترل بهینه ،  بازوی رباتیک ، انعطاف پذیر، مدل دینامیک

مقدمه

با رشد سریع تکنولوژی امروزه شاهد حضور ربات ها در صنایع مختلف هستیم. آنها در رنج وسیعی از صنایع نظیر اتومبیل سازی، ریسندگی، کنسرو سازی، مهندسی پزشکی، حمل ونقل و … نقش بازی می کنند. به دلیل دقت بالا، کار ۲۴ ساعته و … ، ربات ها به سرعت جای نیروی انسانی را گرفته اند و باعث شکوفایی و بازده بالاتر در صنایع شده اند به این فرایند حضور خودکار ربات بدون کمک انسان اتوماتیک شدن صنایع گویند. از سوی دیگر ربات ها باید قادر باشند که کارهای مختلف را به خوبی انجام دهند تا بتوان درصد خطا و خرابی محصول را تا آنجا که ممکن است پایین آورد. یکی از کارهای متداول در دنیای رباتیک حرکت یک بازوی قابل انعطاف و ردیابی یک مسیر خاص است. این نوع کاربرد بسیار در صنایع مختلف متداول است. بسته به نوع کاربرد کنترلر باید به گونه ای طراحی شود تا مشخصات زمانی و دینامیکی خاصی بر آورده شود و تا حد امکان در برابر عدم قطعیت سیستم مقاوم باشد. امروزه به دلیل مزایای قابل توجه بازوهای رباتیک قابل انعطاف در مقایسه با بازوهای رباتیک صلب از قبیل وزن، گشتاور راه انداز کمتر و عدم احتیاج به موتور و تقویت کننده های مولد گشتاور، تمایل استفاده از آن ها در فعالیت های کنترلی نظیر عمل های جراحی، کاوش های فضائی و … افزایش یافته است. تاکنون تلاش های بسیاری جهت کنترل این سیستم های فوق العاده غیرخطی انجام شده است، اما طراحی کنترل کننده با عملکرد بالا و در عین حال مقاوم برای این بازوها، کاری دشوار خواهد بود. از طرفی با توجه به اهمیت مسئله کنترل و ردیابی یک بازوی ربات در این پروژه از روشی مناسب برای این امر بهره خواهیم گرفت. تئوری کنترل بهینه که به مرور نقش مهمتری را در طرح سیستم­های مدرن بازی می­کند دارای هدفی به صورت حداکثر کردن بازیابی، حداقل کردن قیمت در عملکرد فرآیندهای فیزیکی، اجتماعی و یا اقتصادی می­باشد. هدف سیستم کنترل بهینه، تعیین سیگنال­های کنترل به طوری است که در محدودیت­ها یا قیود فیزیکی صدق کرده و در ضمن نحوه عملکرد یا معیار معینی را کمینه(حداقل) یا بیشینه(حداکثر) نماید.

اتوماسیون در بخش­های مختلف صنعت و کارهای تولیدی در چند دهه اخیر ظهور پیدا کرده است و روز به روز نیز در حال توسعه می باشد. بیش از چند دهه از ظهور کارخانجات کاملاً مکانیزه که در آنها تمامی پروسه ها اتوماتیک بوده و نیروی انسانی در آن نقش اجرائی ندارد، نمی گذرد. اما در چند ساله اخیر شاهد بوجود آمدن کارخانجات مکانیزه­ای بوده ایم که طراحی، ساخت و نحوه کار آنها واقعاً حیرت انگیز است. ایده و دانش کنترل اتوماتیک و استفاده از سیستم­های مکانیزه در کارخانجات به جنگ جهانی دوم می رسد. اما تحولات عظیم و چشمگیر آن در سال­های اخیر بوقوع پیوسته است. ربات­ها جدیدترین مرحله تلاش انسان برای استفاده در صنایع اتوماتیک به شمار می روند. رباتها ماشین­های ساخت بشر هستند که لزوماً حرکت­هایی شبیه انسان ندارند ولی توان تصمیم­گیری و ایجاد و کنترل فعالیت­های از پیش تعیین شده را دارند.

سال­های بسیاری است که در کشورهای بزرگ صنعتی استفاده از ربات در خطوط تولید مرسوم شده است. عمده­ترین دلایل استفاده از این سیستم ها را می­توان کاهش هزینه­ها، افزایش کیفیت محصول و تولید با کیفیت یکنواخت، افزایش تولید، کاهش ضایعات، کاهش مصرف مواد اولیه و کاهش مصرف انرژی نام برد. بهبود کیفیت کار برای کارمندان و ایمنی و سلامت آنها و در نتیجه کاهش هزینه­های درمان و سختی کار نیز از دیگر نتایج استفاده از این سیستم­ها در خطوط تولید است. اما بد نیست بدانیم که استفاده از بازوهای رباتیک موجب کاهش فضای کار، کاهش هزینه سرمایه­ای، افزایش بهره­وری و افزایش انعطاف­پذیری تولید محصول نیز می گردد. انعطاف­پذیری بازوهای رباتیک با توجه به برنامه­پذیر بودن آن ها نکته مثبتی است که این امکان را به صنایع می­دهد تا انجام هر عملی را با دقت و سرعت بالا از این سیستم ها انتظار داشته باشند. لذا با تغییر فرآیند محصول یا تغییر در نوع و مدل محصول، دیگر نیازی به خرید ماشین­آلات جدید یا تغییرات عمده در خطوط تولید نیست. ساده ترین مدل ربات های صنعتی که عموماً ارزان­ترین مدل­ها نیز هستند قدرت حمل باری در حدود ۹۰ تا ۱۵۰ کیلوگرم و شعاع دسترسی در حدود ۲ تا ۳ متر دارند. منظور از قدرت حمل، ماکزیمم وزنی است که این ربات­ها می­توانند بلند کنند و این بدان معنا نیست که حتماً باید در استفاده از آن­ها بیشترین وزن ممکن بر روی ربات قرار گیرد. عموماً نیز مشاهده شده به علت هزینه­های اندک این مدل­ها، برای کارهای سبک نیز از آن­ها استفاده می­گردد. همانطور که گفته شد از بازوهای رباتیک برای انجام هر عملی در صنایع می­توان استفاده نمود. در ادامه به برخی از فرآیندهایی که تا کنون توسط ربات­ها در صنایع جهان انجام شده است اشاره خواهیم کرد.

پس از بیان اهداف کلی در فصل اول، در فصل دوم به معرفی بازوی رباتیک قابل انعطاف و مروری بر کارهای قبلی از طریق بررسی مقالات خواهیم پرداخت. در فصل سوم، به بررسی و معرفی مدل­ دینامیک مناسب برای یک بازوی ربات قابل انعطاف جهت انجام شبیه­سازی پرداخته شده است. در فصل چهارم به طراحی و شبیه­سازی کنترلر مناسب بر روی مدل استخراج شده در فصل قبل و در نهایت فصل پنجم به ارزیابی نتایج حاصل از روش پیشنهادی و ارائه نتایج پرداخته شده است.

فهرست مطالب

چکیده: ۱

فصل اول.. ۲

کلیات تحقیق.. ۲

۱-۱ مقدمه. ۳

۱-۲ بیان مسئله. ۴

۱-۳  اهمیت و ضرورت تحقیق.. ۴

۱-۴ فرضیات تحقیق.. ۴

۱-۵ اهداف تحقیق.. ۵

۱-۶ جنبه نوآوری تحقیق.. ۵

۱-۷ روش تحقیق.. ۶

۱-۸ مراحل انجام تحقیق.. ۶

۱-۹ ساختار پایان‌نامه. ۶

فصل دوم. ۸

معرفی ، بررسی و مرور کارهای قبلی انجام شده روی بازوهای رباتیک قابل انعطاف… ۸

۲-۱ مقدمه. ۹

۲-۲ بازوی مکانیکی ماهر. ۱۰

۲-۲-۱ سنسورها ۱۲

۲-۲-۲ کنترلر. ۱۲

۲-۲-۳ واحد تبدیل توان.. ۱۳

۲-۲-۴- محرک مفاصل.. ۱۳

۲-۳- کاربردهای بازوهای رباتیک…. ۱۳

۲-۴- مروری بر کارهای پیشین.. ۱۴

۲-۵- جمع بندی.. ۲۹

فصل سوم. ۳۰

مدلسازی بازوی ربات قابل انعطاف تک لینکی و بررسی روش کنترل بهینه. ۳۰

۳-۱ مقدمه. ۳۱

۳-۲ مدلسازی یک بازوی ربات قابل انعطاف تک لینکی.. ۳۲

۳-۲-۱ معادلات فضای حالت… ۳۷

۳-۳ کنترل کننده بهینه. ۴۱

۳-۳-۱ مقدمه. ۴۱

۳-۳-۲ تشریح سیستم و برآورد عملکرد آن.. ۴۲

۳-۳-۳ تنظیم صورت مسئله. ۴۳

۳-۳-۴ مدل ریاضی.. ۴۳

۳-۳-۵ قیود یا محدودیتهای فیزیکی.. ۴۵

۳-۳-۶ ارزیابی عملکرد یا تابع معیار ۴۵

۳-۳-۷ مسئله کنترل بهینه. ۴۶

۳-۳-۸ شکل کنترل بهینه. ۴۸

۳-۳-۹ تابع معیار یا ارزیابی عملکرد. ۵۰

۳-۳-۹-۱ توابع معیار برای مسائل کنترل بهینه. ۵۱

۳-۳-۹-۲ انتخاب تابع معیار ۵۴

۳-۴ جمع بندی فصل.. ۵۴

فصل چهارم. ۵۵

شبیه سازی و کنترل.. ۵۵

۴-۱ مقدمه. ۵۶

۴-۲ طراحي کنترل کننده با استفاده از روش کنترل بهینه. ۵۷

۴-۲-۱ بررسي پاسخ حلقه باز سيستم.. ۵۷

۴-۲-۲ طراحی تنظیم کننده خطی.. ۶۲

۴-۲-۲-۱ نحوه محاسبه ماتريس ………. ۶۴

۴-۲-۳ تعقیبکننده خطی.. ۷۲

۴-۲-۳-۱ شبیه سازی تعقیب کننده خطی برای ورودی پله. ۷۶

۴-۲-۳-۲ شبیه سازی تعقیب کننده خطی برای ورودی شیب… ۸۱

۴-۳ جمع بندی فصل.. ۸۶

فصل پنجم.. ۸۷

نتیجه گیری و پیشنهادات… ۸۷

۵-۱ نتیجه گیری.. ۸۸

۵-۲ پیشنهادات… ۸۹

منابع و مآخذ. ۹۱