مدل سازي دینامیکی و کنترل فعال ارتعاشات استوارت


مکانیزم استوارت یک ربات موازي شامل یک سکوي متحرك و یک سکوي پایه است که بوسیله شش بازو و از طریق مفاصل کروي
یا یونیورسال به یکدیگر متصل میشوند (شکل 1). مکانیزم استوارت توانایی اعمال شش درجه آزادي حرکت شامل سه حرکت

دورانی و سه حرکت انتقالی در راستاي سه محور متعامد را داشته و بسته به نوع عملگرهاي استفاده میتواند این حرکات دورانی و

انتقالی را با سرعت، دقت و ظرفیتهاي بارگذاري مختلف اعمال کند.

کاربرد کلاسیک و اولیه این مکانیزم در سیمولاتورهاي پروازي

بوده است اما از آغاز ابداع آن در سال 1965 تاکنون کاربردهاي بسیار متنوعی نظیر بکارگیري در انواع سیمولاتورهاي غیرپروازي
(خودرو، قایق و ...)، تجهیزات جراحی، تجهیزات ماشینکاري، ایزولاسیون ارتعاشات و نظایر آن مورد توجه قرار گرفته است.

مدل سازي دینامیکی و کنترل

1  مکانیزم ربات

به عنوان نمونه کارهایی که در این زمینه انجام شده است، می توان به رباتی که اکادا[1] طراحی نمود اشاره کرد. این سیستم ربات  از یک بازوی پنج درجه آزادی تشکیل شده بود. همانطور که در شکل 1 نمایش داده شده است این بازو به یک گیره­ی رباتی با 11 درجه آزادی متصل گردیده است. سه ربات وجود دارند، که هرکدام 4 درجه آزادی دارند، درحالیکه شصت تنها سه درجه آزادی دارد.

گیره­ی استنفورد/JLP با استفاده از شباهت انسانی و دغدغه­های جنبش­شناسی و کنترلی ساخته شد. طراحی نهایی گیره براساس تعدادی از رویه­های تحلیلی و بصری بود. در اینجا شبیه­سازی دست جهت بهینه­سازی موقعیت نسبی ربات، طول پیوندها و حرکت در محدوده­ی مفاصل مورد استفاده قرار گرفت.

همچنین Salisbury از یک حسگر در نوک ربات استفاده نموده که قادر است موقعیت، اندازه، و جهت یک نیروی اعمال شده از طریق تماس نقطه­ای را تعیین کند. خط عمل یک نیرو می­تواند تعیین گردد، اگر نیروها و گشتاورهای حاصل توسط حسگر شناخته شده باشند.

شکل1. 1 ربات Okada

شکل1. 2 ربات  استانفورد

مدل زیست­شناسی گیره­ی یوتا شواهدی ارائه داده که چنین طراحی برای دستکاری­های بسیار پیچیده کاراست. گیره­ی MIT دارای سه ربات با درجه­ی آزادی چهار و یک شست با درجه­ی آزادی چهار می­باشد و مشخص­ترین تلاش برای دستیابی به یک گیره با شابهت واقعی به دست انسان است (شکل 3). از آنجا که گیره جهت تحقیقات در مورد عملیات از راه دور به کار گرفته می­شود، طراحی ابتدایی آن با دست انسان قابل مقایسه است. این گیره با استفاده از سیلندرهای بادی بسیار سریع و از طریق تاندون­های پلیمری انرژی می­یابد.

شکل1. 3 ربات یوتا

گیره­ی MIT به طور متضاد با استفاده از یک راهبرد تاندون 2N فعال می­گردد که یک سیستم از 32 تاندون و سیلندر مستقل را الزام می­دارد. این امر برای کنترل انطباقی اشیا مناسب است، چراکه سازماندهی متضاد آن اجازه می­دهد سختی مفاصل قابل کنترل باشد. سیستم کنترل گیره­ی یوتا دو حرکت واکنشی را اجرا می­کند که در دست انسان مشاهده می­شوند. (1) سختی ابتدایی؛ و (2) پیچش انتهایی. از آنجا که طراحی آن بسیار نزیک به دست انسان می­باشد، می­توان از آن به عنوان دستگاه برده در سیستم عملیات از راه دور استفاده نمود.

در نمونه دیگری می توان به بازوی ماهر MultiChoiceGripper است که متخصص در گرفتن اجسام متغییر با زمان می باشد. ربات با سازگاری بالا ، تطبیق و انعطاف پذیری به شکل های متنوع با استفاده از تکنولوژی منحصر به فرد Fin Ray فستو ممکن می شود. با استفاده از این قابلیت می تواند اشیاء شکننده را بدون هیچ سنسور و یا تکنولوژی کنترلی اضافی نگهداشت. از کاربردهای قابل تصور درمورد این دستگاه می توان به مواردی همچون رباتیک کمکی برای کارهای مونتاژ و یا در مراکز تولید که در آن محصولات مختلف ساخته می شود نامبرد.

شکل1. 4 انعطاف پذیری بالا بازوی ماهر MultiChoiceGripper در گرفتن اشیاء با اشکال متفاوت

در پروژه‌ی دیگری ربات برداشت گوجه‌فرنگی توسط گریپر ارائه گردیده است که بیشتر به منظور طراحی مدل و گریپر می باشد که در شکل زیر عملکرد آن مشاهده می گردد.

شکل1. 5 طراحی گریپر گرفتن گوجه

1-1-1     تحلیل کنترلی

یکی از مسائل پایه ای در بررسی ربات ها، وادار نمودن آن ها در دنبال کردن یک مسیر از پیش تعریف شده برای مجری نهایی می باشد. هرچند بسیاری از کاربردهای صنعتی نیاز به تماس مجری نهایی ربات با محیط دارند، اما در ابتدایی ترین مرحله یک ربات باید توانایی حرکت دقیق درفضا را داشته باشد و بتواند در فاصله ای معین از اجسام قرار گیرد. روش های عمده کنترل یک ربات عمدتاً به دو حالت بدون نیازبه مدل و بر پایه مدل تقسیم بندی می شوند. همان گونه که از اسم این دسته ها نیز مشخص است، در گروه اول نیازی به استخراج هیچ مدلی نیست و با استفاده از مقادیر بدست آمده از ربات واقعی به کنترل یک مکانیزم پرداخته می شود که از جمله معروفترین آن ها می توان به کنترل کننده تناسبی-مشتق گیر-انتگرال گیر[2]اشاره نمود. در گروه دیگر به مدل سینماتیکی و دینامیکی ربات نیاز است. در این پژوهش از روش کنترل کلاسیک وکنترل کننده مد لغزشی[3]برای کنترل ربات شش درجه آزادی گاف استوارت استفاده شده است. البته در بخش سوم از مدل استراتژی کنترلی دیگری که سعی در پیش بینی حرکت ارتعاشی خواهد داشت، صحبت می شود.

کنترل کننده PID

کنترل کننده PID تاریخچه ای طولانی از زمان ارائه آن در سال 1942 توسط زیگلر و نیکلز [24] دارا می باشد. کنترلرPID یک مکانیزم با بازخورد حلقه بسته است، که به طور گسترده ای در صنعت، نظیر تنظیم سرعت، دما، جریان، فشار و سایر پروسه های متغیر، مورد استفاده قرار می گیرد. این کنترل کننده براساس مقدار خطای بین خروجی فرآیند و مقدار ورودی مطلوب محاسبه شده عمل می کند. هدف کنترلر تلاش برای به حداقل رساندن خطا با تنظیم ورودی های کنترل فرآیند است. در کنترل کننده PID ضریب موقعیت،  ، در مورد خطا های لحظه فعلی قضاوت می کند، ضریب انتگرال، ، تاثیر خطاهای گذشته را اعمال می کند و ضریب مشتق، ، هم به عنوان یک عامل پیش بین خطا در زمان های آینده عمل می کند. ویژگی بارز و برجسته کنترل کننده PID در سادگی ومفهوم فیزیکی ساده آن نهفته است، که مخصوصاً در صنعت نسبت به سیستم های کنترلی پیچیده ارجح می باشد.

[1] Okada

[2]PID

[3]Sliding mode controller