سمینار برق بررسی انواع روشهای مدل سازی وکنترل ربات ها با مفاصل انعطاف پذیر

سمینار برق بررسی انواع روشهای مدل سازی وکنترل ربات ها با مفاصل انعطاف پذیر

چکیده 

در این سمینار ابتدا مرور مختصری بر انواع روش های مدلسازی و کنترل ربات ها با مفاصل انعطاف پذیر (Flexible joint robot, FJR) می کنیم. سپس یک مدل مناسب که روش خطی سازی فیدبک قابل اعمال به آن باشد را برای FJR انتخاب می کنیم. در ادامه با بررسی انواع روش های کنترل تطبیقی بر پایه خطی سازی فیدبک و تقریبگر که شامل روش های اصلاح قاعده تطبیق، انواع تقریبگرها، روش های جبران خطای تقریب و روش های OFB (فیدبک خروجی) می باشد، سعی می کنیم روش مناسبی را پیدا کنیم که بتواند بر نامعینی های موجود در FJR غلبه کرده و عملکرد مطلوبی را داشته باشد. 

مقدمه 

ربات ها یکی از بهترین گزینه ها، برای اتوماسیون صنعتی می باشند. در محیط هایی که ایمنی کمی وجود دارد، ربات ها می توانند جایگزین مناسبی برای عوامل انسانی باشند. قدرت تکرارپذیری، برنامه ریزی و دقت بالای عملکرد جزو خصوصیات اصلی ربات ها می باشند. یکی از انواع ربات ها از نظر شکل ظاهری “دست ماهر ربات” (robot manipulator) می باشد که در صنایع مختلف، کاربرد فراوانی پیدا کرده است. عمدتا ربات های صنعتی (industrial robots) به دست ماهر ربات اطلاق می شود که وظایف مختلفی از قبیل برداشتن و گذاشتن قطعات، جوشکاری، رنگرزی، مونتاژ، نصب قسمت های مختلف یک دستگاه و… بر عهده آن می باشد. 

دست ماهر ربات می تواند ساختار سری یا موازی داشته باشد. در اغلب موارد منظور از دست ماهر ربات همان ساختار سری می باشد. دست ربات با ساختار سری، شامل تعدادی مفاصل و رابط های پشت سرهم می باشد و چنانچه انتهای دست ربات با ابتدای آن از طریق محیط یا یک جسم خارجی در ارتباط باشد، دست ربات جزو ساختارهای موازی قرار می گیرد، ربات های شانه هیدرولیکی hydroulic shoulder robots نمونه های بارزی از ساختارهای موازی می باشند. 

دست ماهر ربات می تواند متحرک یا ثابت باشد. چنانچه نقطه ابتدایی دست ربات (پایه ربات) حرکت کند به دست متحرک (mobile robot manipulator) موسوم می باشد. طراحی، مسیریابی و کنترل دست های متحرک از پیچیدگی بیشتری نسبت به دست های ثابت برخوردار است. 

برای اینکه ربات ها بتوانند وظایف خواسته شده از آنها را به خوبی انجام دهند، علاوه بر طراحی و مسیریابی (trajectory planning) مناسب، باید کنترل کننده مناسب نیز برای آنها در نظر گرفته شود. همزمان با راه یافتن ربات ها به صنایع مختلف، کار بر روی کنترل آنها نیز آغاز شده و تاکنون ادامه دارد. کنترل کننده های دست ربات به سه دسته کلی تقسیم می شوند: 

– کنترل کننده موقعیت (سرعت) 

– کنترل کننده نیرو 

– کنترل کننده نیرو و موقعیت به طور همزمان 

در عملیاتی که دست ربات با محیط خارجی در تماس است، طبیعتا علاوه بر کنترل موقعیت ربات، نیروی اعمال شده توسط آن نیز باید کنترل شود. چنانچه یکی از دو عامل مهم یعنی نیروی اعمال شده توسط دست ربات به محیط خارجی و جابه جایی دست ربات بر یکدیگر ارجح باشند طبیعتا یکی از کنترل کننده موقعیت یا نیرو، کافی خواهد بود، در غیر این صورت باید از کنترل کننده موقعیت و نیرو به طور همزمان استفاده کرد.

با توجه به دینامیک کاملا غیرخطی و کوپله ربات ها، استفاده از روش های کنترل غیرخطی (بجز در موارد خاص که بتوان تقریب خطی مناسبی از دینامیک ربات به دست آورد یا از روش های کنترل خطی مقاوم و تطبیقی استفاده نمود) در مورد آنها ضروری است. 

اگرچه روش های دقیقی برای مدلسازی دست ربات ماهر براساس قوانین توسعه یافته در علم دینامیک وجود دارد اما حضور اغتشاش ها، تغییرات بار، دینامیک های مدل نشده، اصطکاک و تغییرات پارامترهای مربوط به اینرسی، جرم و… تنها به دست آوردن یک مدل نامی را امکان پذیر می سازد. بنابراین استفاده از روش های کنترل مقاوم و تطبیقی و هوشمند در مورد ربات ها ضروری است. 

در اکثر عملیات صنعتی، گشتاورهای بزرگی توسط ربات ها اعمال می شود. موتورهای الکتریکی یکی از متداول ترین محرک های روبات ها می باشند. گشتاور کم و دور زیاد جزو خصوصیت اصلی، اکر موتورهای الکتریکی است بنابراین برای اینکه نیروی کافی برای ربات ها مهیا باشد، باید از جعبه دنده استفاده شود. استفاده از جعبه دنده نه تنها باعث تطبیق دور و گشتاور موتورها به دور و گشتاور مورد نیاز ربات ها است بلکه در صورت بزرگ بودن ضریب جعبه دنده باعث غلبه عوامل خطی بر غیرخطی در دینامیک ربات ها، می شود. عیب استفاده از جعبه دنده، وجود لقی در آنها است که باعث کاهش پهنای باند نیروی اعمال شده توسط ربات ها می شود. برای غلبه بر مشکل فوق از جعبه دنده جدیدی به نام هارمونیک درایو (Harmonic drive) استفاده می کنند. خصوصیت اصلی هارمونیک درایوها، انعطاف پذیری آنها می باشد.