پایان نامه دکترا (دانشکده برق – گروه کنترل )
طراحی کنترل برای روباتها از اوایل دهه ۱۹۷۰ توجه مهندسان کنترل را به خود جلب کرد و کم‌کم روباتها در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه روباتهای چند‌محوره در کاربردهای مختلف فضایی، صنعتی و غیره به کار گرفته شده‌اند که اغلب با کنترلگرهای متداول مانند PID کار می‌کنند و می‌توان ادعا کرد که مسئلة کنترل مکان برای روباتهای صلب امروزه به طور مناسبی فهمیده و حل شده است [ ]. اما رفته‌رفته در اثر جایگزینی روباتهای متداول با روباتهای جدید که کوچکتر، سبکتر، سریعتر و باهوشتر هستند دیگر کنترلگرهای متداول پاسخ مناسبی به نیازهای کنترلی روباتها نداده و مسائل جدیدی در مهندسی کنترل رخ می‌نماید. می‌توان نشان داد که در اغلب کاربردهای جدید مانند روباتهای پیشرفتة فضایی، روباتهای خدمتکار، سیستم‌های پس‌خورانندة نیرو ، دستها و بازوهای ماهر روباتیکی [ ] و ریزروباتها ، مسئلة مشترک اصلی برای کنترل روباتها «کشسانی مفاصل» است. در اغلب موارد، کشسانی نتیجة ذاتی القا شده از طرف ساختار روبات می‌باشد؛ اما در مواردی نیز کشسانی عمداً به روبات اضافه می‌شود. تا چندی پیش رویکرد طراحی روباتها «هرچه صلب‌تر بهتر» بود و این رویکرد نه به خاطر نارسایی روباتهای کشسان، بلکه به خاطر سادگی کنترل در روباتهای صلب اتخاذ می‌شد [ ، و ]؛ اما امروزه این رویکرد کمرنگ شده است زیرا در واقع صلب بودن و کشسانی هر کدام مزیتهای خود را دارند. در عملگرهای صلب پهنای باند بالایی برای اعمال نیرو وجود دارد که کنترل را ساده می‌کند؛ از طرف دیگر اگر از عملگرهای کشسان استفاده شود کنترل نیروی پایدار و کم‌نویز به علاوة ایجاد ایمنی در تعامل با اشیای خارجی و برخوردهای اتفاقی را خواهیم داشت [ و ].
منشأ ایجاد کشسانی در مفاصل، اغلب سیستم انتقال توان می‌باشد اگر در آن از عناصری مانند هارمونیک‌درایو، تسمه (مانند روبات RTX [ ]) یا محورهای بلند [ ] استفاده شده باشد. علاوه بر سیستم انتقال توان، حسگرهای گشتاور و یا برخی عملگرها [۶، ۷، ] نیز می‌توانند منشأ کشسانی باشند. از نظر تعداد، در اغلب روباتهای کشسان‌مفصل (FJR) منشأ ایجاد کشسانی هارمونیک‌درایو است (مثلاً در بازوی ایستگاه فضایی بین‌المللی (شکل ۱ ۱)، دست روباتیکی ساخته شده در مرکز فضایی آلمان (شکل ۱ ۲) و روبات صنعتی GE-P50 [ ]) و دیگر موارد ذکر شده به صورت انگشت‌‌شمار رخ می‌نمایند. (برای آشنایی عمومی با هارمونیک‌درایو به مرجع [ ] رجوع نمایید).
فهرست مطالب
فهرست مطالب أ
فهرست اشکال د
فهرست جداول ز
۱- مقدمه
۱-۱- جایگاه روباتهای کشسان‌مفصل در مهندسی کنترل
۱-۲- مشکلات کنترل روباتهای کشسان‌مفصل
۱-۳- کنترل با وجود محدودیت دامنه
۱-۴- نوآوریهای این پژوهش
۱-۵- نمای کلی رساله
۲- مروری بر پژوهشهای قبلی و بیان چالشها
۲-۱- کنترل روباتهای کشسان‌مفصل
۲-۱-۱- پژوهشهای اولیه
۲-۱-۲- ادامة خط اولیه
۲-۱-۳- ارتقای مدل
۲-۱-۴- پیشنهادات مختلف برای کنترل
۲-۱-۵- کمیت‌های فیدبک شده و تقلیل اندازه‌گیری‌ها
۲-۱-۶- کنترل تطبیقی
۲-۱-۷- کنترل مقاوم و پایداری
۲-۱-۸- پیاده‌سازی عملی
۲-۱-۹- جمعبندی و بیان چالشها
۲-۲- مسئلة اشباع عملگر و روشهای برخورد با آن
۲-۲-۱- مشکلات ناشی از اشباع
۲-۲-۲- روشهای عمومی برخورد با مسئلة اشباع
۲-۲-۳- روشهای بهینه و مقاوم در برخورد با اشباع
۲-۲-۴- روشهای تعدیلی
۲-۲-۵- مسئلة اشباع در روباتها
۳- حلقة ناظر فازی، روشی برای برخورد با مسئله اشباع عملگر
۳-۱- بیان مسئله
۳-۲- معرفی روش
۳-۳- مزایای روش پیشنهادی
۳-۴- استفاده از حلقة ناظر بر روی دو سیستم عمومی
۳-۴-۱- سیستم ناپایدار دو ورودی-دو خروجی
۳-۴-۲- سیستم دارای تأخیر
۳-۵- نکات عملی در طراحی
۴- مسئلة اشباع در FJR و استفاده از روش حلقة ناظر برای برخورد با آن
۴-۱- مدلسازی روباتهای کشسان‌مفصل
۴-۱-۱- کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای کنترل FJR ها
۴-۲- استفاده از حلقة ناظر در ساختار ترکیبی برای FJR
۴-۳- بررسی عملکرد روش ارائه شده با شبیه‌سازی
۴-۴- اثبات پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر»
۴-۴-۱- پایداری زیر سیستم تند
۴-۴-۲- لم‌های مورد نیاز برای اثبات پایداری
۴-۴-۳- اثبات پایداری سیستم کامل
۵- نگاه دوم: روشهای بهینة H و H2 برای مقابله با اثرات اشباع در FJR
۵-۱- طراحی با رویکرد حساسیت مخلوط
۵-۲- طراحی با رویکرد H2 /H
۵-۳- بررسی کارایی روشهای ارائه شده
۶- پیاده‌سازی عملی
۶-۱- معرفی مجموعة آزمایشگاهی ساخته شده
۶-۱-۱- سخت‌افزار الکترومکانیکی
۶-۱-۲- نرم‌افزار
۶-۲- مدل پارامتریک سیستم
۶-۳- تخمین پارامترهای سیستم
۶-۴- نتایج پیاده‌سازی
۶-۴-۱- کنترل ترکیبی
۶-۴-۲- کنترل ترکیبی تحت نظارت ناظر فازی
۷- نتایج و تحقیقات آتی
پیوست الف: کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای FJR چند محوره
پیوست ب: طراحی کنترل بهینة چند‌منظوره مبتنی بر نرم H با تبدیل به LMI
پیوست ج: راهنمای کار با جعبه‌ابزار زمان حقیقی نرم‌افزار MATLAB
پیوست د: راهنمای فنی روبات خواجه‌نصیر
پیوست هـ : نتایج بیشتری از پیاده‌سازیها
واژه‌نامه انگلیسی به فارسی
واژه‌نامه فارسی به انگلیسی
مقالات استخراج شده از این پژوهش
مراجع
فهرست اشکال
شکل ۱ ۱- بازوی ایستگاه فضایی بین‌المللی
شکل ۱ ۲- دست ۴ انگشتی DLR و میکرو‌هارمونیک‌درایو به کار رفته در آن
شکل ۲ ۱- ساختار ارائه شده در مقالة [۱۰۸] برای مقابله با اشباع
شکل ۳ ۱- سیستم حلقه بسته
شکل ۳ ۲- ساختار حلقه بسته با حضور حلقة ناظر
شکل ۳ ۳- تعریف متغیرهای زبانی برای دامنة سیگنال کنترل
شکل ۳ ۴- تعریف متغیرهای زبانی برای مشتق سیگنال کنترل
شکل ۳ ۵- تعریف متغیرهای زبانی برای بهرة ضرب شده در خطا
شکل ۳ ۶- نگاشت غیر خطی معادل با منطق مورد استفاده
شکل ۳ ۷- خروجیها در حالت Sat
شکل ۳ ۸- خروجی اول در دو شبیه‌سازی Fuz و NoSat
شکل ۳ ۹- خروجی دوم در دو شبیه‌سازی Fuz و NoSat
شکل ۳ ۱۰- مقدار بهره در شبیه‌سازی Fuz
شکل ۳ ۱۱- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة ۵/۰
شکل ۳ ۱۲- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة ۷/۰
شکل ۳ ۱۳- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة ۹/۰
شکل ۳ ۱۴- مقدار بهرة اعمال شده توسط ناظر برای ورودی مرجع با دامنة ۹/۰
شکل ۳ ۱۵- اثر حلقة ناظر بر دامنة کنترل برای ورودی مرجع با دامنة ۹/۰
شکل ۴ ۱- روبات کشسان‌مفصل یک درجه آزادی
شکل ۴ ۲- ساختار کنترل ترکیبی برای FJR
شکل ۴ ۳- نحوة استفاده از حلقة ناظر برای FJR
شکل ۴ ۴- ردیابی در حالت NoSat، بدون محدودیت عملگر و بدون ناظر
شکل ۴ ۵- ناپایداری ناشی از اشباع با کران = ۸۳۰ در حالت Sat
شکل ۴ ۶- ردیابی در حالت Fuz با کران اشباع به اندازة = ۸۳۰
شکل ۴ ۷- مقدار در حالت Fuz با کران اشباع به اندازة = ۸۳۰
شکل ۵ ۱- نمودار حلقه بستة سیستم با عدم قطعیت ضربی در ورودی
شکل ۵ ۲- چگونگی وزن‌دهی سیگنالها برای مسئلة حساسیت مخلوط
شکل ۵ ۳- مدلهای شناسایی شده (P1 تا P20) و مدل نامی P0
شکل ۵ ۴- چگونگی اختیار کران بالای عدم قطعیت
شکل ۵ ۵- نمودارهای بود دو کنترلگر
شکل ۵ ۶- ردیابی برای ورودی مرجع سینوسی با = ۱۲
شکل ۵ ۷- سیگنال کنترل برای ورودی مرجع سینوسی با = ۱۲
شکل ۵ ۸- ناپایداری رویکردهای مختلف برای محدودیت دامنة = ۹
شکل ۶ ۱- تصویر روبات مورد استفاده
شکل ۶ ۲- چگونگی عملکرد هارمونیک درایو
شکل ۶ ۳- نمودار بلوکی روبات مورد استفاده
شکل ۶ ۴- تصویر مفصل کشسانِ ساخته شده
شکل ۶ ۵- مدل بلوکی بازوها
شکل ۶ ۶- مدل مورد استفاده برای اعمال ولتاژ به موتور دوم
شکل ۶ ۷- مدل مورد استفاده برای خواندن کدگذار سوم
شکل ۶ ۸- بازوی یک درجه با جعبه دنده
شکل ۶ ۹- دیاگرام بلوکی دینامیک بازوی یک محوره
شکل ۶ ۱۰- زاویة اندازه‌گیری شدة بازوی دوم و مقدار شبیه‌سازی شدة آن
شکل ۶ ۱۱- زاویة اندازه‌گیری شدة موتور دوم و مقدار شبیه‌سازی شدة آن
شکل ۶ ۱۲- کنترل حلقه بستة PD برای بازوی دوم با اندازه‌گیری مکان عملگر
شکل ۶ ۱۳- رفتار بازو با کنترل PD صلب برای ورودی سینوسی
شکل ۶ ۱۴- کنترل حلقه بستة PD برای بازوی دوم با اندازه‌گیری مکان بازو
شکل ۶ ۱۵- رفتار بازوی دوم با کنترل PD صلب با اندازه‌گیری مکان بازو
شکل ۶ ۱۶- رفتار بازو با سوییچ کردن کنترل ترکیبی و کنترل صلب
شکل ۶ ۱۷- رفتار بازو با کنترل ترکیبی با بهره بالا
شکل ۶ ۱۸- دامنة کنترل در روش کنترل ترکیبی
شکل ۶ ۱۹- چگونگی پیاده‌سازی منطق نظارت
شکل ۶ ۲۰- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال ۲۰Sin(2t) برای نقطه کار ۱۸۰ درجه
شکل ۶ ۲۱- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة ۲۰ برای نقطه کار ۰ درجه
شکل ب ۱- دیاگرام بلوکی مسألة مخلوط H2/H
شکل ج ۱- چگونگی نصب کارت جدید
شکل ج ۲- تنظیمات مربوط به بلوکهای ورودی یا خروجی
شکل ج ۳- تنظیم پارامترهای شبیه سازی
شکل ج ۴- تنظیم پارامترهای زمان حقیقی
شکل ج ۵- تولید کد C ، ارتباط با پورت ، اجرای برنامه
شکل د ۱- نمایی از رابط کاربر برنامة FjrInit.exe
شکل ه ۱- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال ۴۰Sin(2t) برای نقطه کار ۱۸۰ درجه
شکل ه ۲- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال ۲۰Sin(4t) برای نقطه کار ۰ درجه
شکل ه ۳- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال ۲۰Sin(2t) برای نقطه کار ۹۰- درجه
شکل ه ۴- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة ۲۰ برای نقطه کار ۰ درجه
شکل ه ۵- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة ۲۰ برای نقطه کار ۰ درجه – با میرایی
فهرست جداول
جدول ۲ ۱- اولین مقالات ارائه شده در مورد روباتهای کشسان‌مفصل
جدول ۲ ۲- مقالاتی که خط اولیه را پی گرفته‌اند.
جدول ۳ ۱- قواعد فازی
جدول ۴ ۱- کران کمینة قابل قبول برای دو حالت Sat و Fuz
جدول ۴ ۲- نرمهای خطا برای دو حالت Sat و Fuz به ازای مقادیر مختلف
جدول ۵ ۱- مقادیر min برای ورودیهای مختلف
جدول ۶ ۱-ضریب کشسانی اندازه‌گیری شده برای نقطة کار ۹۰ درجه
جدول ۶ ۲-ضریب کشسانی اندازه‌گیری شده برای نقطة کار ۹۰- درجه
جدول ۶ ۳-پارامترهای شناسایی شده
جدول ۶ ۴-پارامترهای محاسبه شده
جدول د ۱- مشخصات موتور اول
جدول د ۲- مشخصات موتور دوم همراه با جعبه دنده
جدول د ۳- مشخصات هارمونیک‌درایو
جدول د ۴- مشخصات سیگنالهای اعمال شده از رایانه به روبات
جدول د ۵- مشخصات سیگنالهای اندازه‌گیری شده توسط رایانه
طراحی و پیاده سازی کنترلگر موقعیت برای روبات کشسان‌مفصل با لحاظ مسئلة اشباع عملگر