download-thesis.com · Web viewدانشكده ی مهندسی مکانیک پایان نامه ی کارشناسی ارشد در رشته ی مهندسی مکانیک (طراحی

دانلود متن کامل درdownload-thesis.com

دانشکده ی مهندسی مکانیک

پایان نامه ی کارشناسی ارشد در رشته ی مهندسی مکانیک)طراحی کاربردی(

دینامیک وکنترل فازی تطبیقی مد لغزشی زمان محدود روباتموازی هگزا با استفاده از خطای همزمان سازی

به وسیله ی.………………

استاد راهنمادکتر محمد اقتصاد

١٣٩٢مهر

د

http://download-thesis.com/


چکیده

دینامیک و کنترل فازی تطبیقی مد لغزشی زمان محدود روباتموازی هگزا با استفاده از خطای همزمان سازی

به کوشش.……………

توسعه و افزایش تولید صنایع و در پی آن رشد اقتصادی و اجتماعی یک جامعه در قرن جدی%%د، با خودکار کردن روندهای تولید گ%ره خ%ورده اس%ت. روب%ات ه%ا یکی از اج%زای اص%لی خودک%ار ساختن صنایع می باشند. پس از استفاده فراوان از روبات های سریال در صنایع و انجام پژوهش های پایه ای بر روی طراحی و کنترل آن ها در دو دهه اخ%%یر، توج%%ه پژوهش%%گران ب%%ه س%%اختار روبات های موازی جلب شده است. یکی از آخرین طراحی های مورد توجه در بین روبات ه%%ای موازی، روبات موازی هگزا است که موضوع مورد بررسی در این پایان نامه نیز بوده است. در این

ه



پایان نامه به حل تحلیلی مسأله سینماتیک معکوس، دینامیک الگرانژی و کنترل روبات هگزا با استفاده از خطای همزمان سازی می پردازیم. در نهایت ب%%ه اثب%%ات پای%%داری کن%%ترلر ب%%ر اس%%اس تئوری پای%%داری لیاپ%%انوف و بررس%%ی عملک%%رد کن%%ترلر در تعقیب مس%%یرهای مختل%%ف ب%%ا تغی%%یر

پارامترهای کنترلی می پردازیم.

واژگان کلیدی: سینماتیک معکوس- ماتریس ژاکوبین- دینامیک الگرانژی- خطای همزمان سازی و خطای موقعیت مرکب- کنترل ف>>ازی تط>>بیقی م>>د لغزش>>ی زم>>ان

محدود- تابع لیاپانوف

فهرست مطالب

عنوان صفحه فصل اول:تاریخچه پژوهش های پیشین و مقدمه ای بر روبات های موازی

٢............................................................................................................- تاریخچه تکامل روبات ها١-١7..................................................................................................................- دسته بندی روبات ها٢-١

7......................................................................................- دسته بندی از نظر درجه آزادی١-٢-١7..................................................................- دسته بندی روبات ها از نظر نیروی محرکه٢-٢-١8.....................................................................................- دسته بندی از نظر فضای کاری٣-٢-١٩............................................................................................- دسته بندی از نظر هندسی٤-٢-١٩.............................................................................................- روبات های سریال و موازی٥-٢-١

١٣....................................................................خچه روبات های موازیتاری بر نگاهی- ١-٥-٢-١٢0......................................................................................................- روبات موازی هگزا٢-٥-٢-١

٢٢...........................................................................................................................پیشینه تحقیق- ٣-١٢٤.........................................................................................................................- هدف پایان نامه٤-١٢٥.................................................................................................................- فصل های پایان نامه٥-١

٢6..........................................................................................................: سینماتیک روبات هگزافصل دوم٢7...........................................................................................................................................-مقدمه ١-٢

٢7.................................................................. -وضعیت دو دستگاه مختصات نسبت به یکدیگر٢-٢٢7..................................................................................................................................... مکان١-٢-٢٢8.................................................................................................................-% ج%ه%ت% گ%ی%ر%ی%٢-%٢-%٢٣١........................................................................................ارچوب )دستگاه مختصات( چ-٣-٢-٢

و



٣١.................................................................- نگاشت از یک چارچوب به چارچوب دیگر٤-٢-٢٣٣.....................................................................................................................- تبدیل های دوران٣-٢

٣٣...........................................................................................................R−P−Y- زوایای ١-٣-٢٣٥.......................................................................................................................- زوایای اویلر٢-٣-٢

٣6.................................................................................................................- سینماتیک روبات ها٤-٢٣8....................................................................................- حل مسأله سینماتیک مستقیم١-٤-٢٣٩.............................................................................................- مسأله سینماتیک معکوس٢-٤-٢

٣٩................................................................................................- سرعت انتقالی و دورانی جسم٥-٢٤0..............................................................................................................ماتریس ژاکوبین- ١-٥-٢

٤٢..................................................- بررسی و حل مسأله سینماتیک معکوس در روبات هگزا6-٢٤٢.............................................................................................- ساختار روبات موازی هگزا١-6-٢٤٥.............................................- حل مسأله سینماتیک معکوس در روبات موازی هگزا٢-6-٢

٤٩.........................................................................................مدلسازی دینامیکی روبات هگزافصل سوم: ٥0...............................................................................................................................- روش الگرانژ١-٣

٥0...............................................................- آشنایی با الگرانژین یک سیستم دینامیکی١-١-٣٥٢................................................................................................................- دینامیک روبات هگزا٢-٣

٥٢.....................................................................................- انرژی جنبشی صفحه متحرک١-٢-٣٥٣...............- انرژی جنبشی صفحه متحرک روبات هگزا ناشی از جابجایی خطی١-١-٢-٣٥٣................................- انرژی جنبشی صفحه متحرک روبات هگزا ناشی از دوران٢-١-٢-٣٥٤...................................................- انرژی جنبشی کل صفحه متحرک روبات هگزا٣-١-٢-٣٥٤...............................................................انرژی پتانسیل صفحه متحرک روبات هگزا- ٢-٢-٣٥٥.........................................................................- الگرانژین صفحه متحرک روبات هگزا٣-٢-٣٥٥......................................................................... ام روبات هگزاi- انرژی جنبشی بازوی ٤-٢-٣

٥6............................................................................. روبات هگزاi- انرژی پتانسیل بازوی ٥-٢-٣٥6................................................................................................- الگرانؤین بازوهای روبات6-٢-٣

٥6............................................................................ ام روبات هگزاi انرژی جنبشی میله -7-٢-٣٥6....................................................................... ام روبات هگزاi- تحلیل سرعت میله ١-7-٢-٣٥8........................................................................... ام روبات هگزاiانرژی پتانسیل میله - 8-٢-٣٥8................................................................................... الگرانژین میله های روبات هگزا-٩-٢-٣٥8.....................................................دینامیکی روبات هگزا به دست آوردن معادالت -١0-٢-٣٥٩...................................................................خواص معادله دینامیک حاکم بر روبات -١١-٢-٣٥٩............................................................................................................ماتریس جرم- ١-١١-٢-٣60.......................................................ماتریس نیروی کوریولیس و جانب به مرکز- ٢-١١-٢-٣60..............................................................................................................بردار گرانش- ٣-١١-٢-٣M−2پادمتقارن بودن ماتریس -٤-١١-٢-٣ C......................................................................6060.............................................................................خطی بودن بر حسب پارامترها- ٥-١١-٢-٣

6٢.........................................................................همزمان سازی سیستم های دینامیکیفصل چهارم: 6٣..........................................................................................................................................- مقدمه١-٤

ز



6٤...............................................................................................................- تعریف همزمان سازی٢-٤6٥....................................................- خطای همزمان سازی و موقعیت مرکب در روبات هگزا٣-٤

6٩...........................................................................کنترل روبات هگزا و اثبات پایداری آنفصل پنجم: 70...........................................................................................................- تئوری پایداری لیاپانوف١-٥

7٢...................................................................................................- روش مستقیم لیاپانوف١-١-٥7٣.........................................................................................................قضایای معکوس لیاپانوف- ٢-٥7٣..........................................................................................................................کنترل تطبیقی- ٣-٥

7٥.................................................................دسته بندی تکنیک های کنترل تطبیقی- ١- ٣-٥76......................................................................................................................کنترل مد لغزشی -٤-٥

76...............................................................................................................................- مقدمه١-٤-٥77................................................................................- تعریف مد لغزشی و سطح لغزشی٢-٤-٥78.....................................................................................................................- طرح کنترلی٣-٤-٥80............................................................................................................- مبانی تئوریک١-٣-٤-٥8٢....................................................................................کنترل مد لغزشی زمان محدود- ٤-٤-٥8٤.............................................- کنترل مد لغزشی زمان محدود روبات موازی هگزا١-٤-٤-٥

86................................................................................................................................- کنترل فازی٥-٥86................................................................................................................................- مقدمه١-٥-٥86...................................- مجموعه های کالسیک، مجموعه های فازی و منطق فازی٢-٥-٥86................................................................- محدودیت های مجموعه های کالسیک١-٢-٥-٥88....................................................................................................مجموعه های فازی- ٢-٢-٥-٥

٩٢.............................................................................................- عملگرهای منطق فازی٣-٢-٥-٥٩٣.......................................................................................................................- فازی سازی٣-٥-٥

٩٣.....................................................................................................................- قوانین فازی٤-٥-٥ ٩٤.................................................................................................قوانین فازی ممدانی -١-٤-٥-٥٩٥...................................................................................................................- استنتاج فازی٥-٥-٥٩6.................................................................................................................غیرفازی سازی- 6-٥-٥٩7.................................................................................................غیرفازی ساز عمومی- ١-6-٥-٥٩7..........................................................................................غیرفازی ساز مرکز سطح- ٢-6-٥-٥٩8.........................................................................................................ساختارکنترل فازی- 7-٥-٥

١0٢.................................................................................- قوانین فازی و استنتاج فازی١-7-٥-٥١0٤.......................................................................................................- غیر فازی سازی٢-7-٥-٥

- کنترل فازی تطبیقی مد لغزشی زمان محدود روبات موازی هگزا و اثبات پایداری8-٥-٥١0٥.....................................................................................................................................................آن

١0٥........................................................................................................................- مقدمه١-8-٥-٥١06..........................................- کنترل مد لغزشی زمان محدود روبات موازی هگزا٢-8-٥-٥١08..................................................................- کنترل فازی مد لغزشی زمان محدود٣-8-٥-٥١١٢..................................................- کنترل فازی تطبیقی مد لغزشی زمان محدود٤-8-٥-٥

١١6..........................................................- نتایج عملی کنترل مدار بسته برای روبات هگزا6-٥

ح



١١7......................................................................zB- جابجایی صفحه متحرک در جهت ١-6-٥١٢0......................................................................yB- دوران صفحه متحرک حول محور ٢-6-٥١٢٣........................................................................xB جابجایی صفحه متحرک در جهت ٣-6-٥١٢6................................................ zB- حرکت روی مسیر دایره ای در صفحه عمود بر٤-6-٥١٢٩...........١بر روی کارایی کنترلر در مسیر شماره α- بررسی اثر تغییرات پارامتر ٥-6-٥١٣0...............٢برروی کارایی کنترلر در مسیر شماره γ- بررسی اثر تغییرات پارامتر 6-6-٥١٣٣.........................٣- بررسی عملکرد کنترلر در حضور اغتشاشات در مسیر شماره 6-7-٥ کارایی کن%%ترلر بر ،S- بررسی تأثیر چگونگی تعریف ماتریس انتقال همزمان سازی، 6-8-٥

١٣6........................................................................................................................١در مسیر شماره ١٣8...............................................................................................فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادها

ط



فهرست جدول ها

صفحهعنوان و شماره١٢ مشخصات عملکرد برخی از روبات های سریال-١-١جدول شماره ی١٤ مروری بر خواص روبات های موازی و سریال-٢-١جدول شماره ی٢٢- مقایسه سه نوع روبات موازی مختلف٣-١جدول شماره یα١٢٩- بررسی کارایی کنترلر روبات هگزا با تغییرات پارامتر ١-٥جدول شماره ی ب%ا١- بررسی کارایی کنترلر روبات هگزا در تعقیب مس%یر ب%ازوی ش%%ماره ٢-٥ جدول شماره یγ١٣0تغییرات پارامتر ب%ا٣- بررسی کارایی کنترلر روبات هگزا در تعقیب مس%یر ب%ازوی ش%%ماره ٣-٥ جدول شماره یγ١٣0تغییرات پارامتر ب%ا٥- بررسی کارایی کنترلر روبات هگزا در تعقیب مس%یر ب%ازوی ش%%ماره ٤-٥جدول شماره ی γ١٣١تغییرات پارامتر - بررسی کارایی کنترلر روبات هگزا هنگامی که ماتریس انتق%%ال همزم%%ان٥-٥جدول شماره ی

١٣6سازی بر اساس خطای دو بازوی مجاور تعریف می گردد - بررسی کارایی کنترلر روبات هگزا هنگامی که ماتریس انتق%%ال همزم%%ان٥-6جدول شماره ی

١٤0سازی بر اساس خطای بازوی مجاور تعریف می گردد

فهرست شکل ها

صفحهعنوان٣ میالدی١٢00نمونه طراحی های الجزری، سال -١-١شکل ٤ میالدی١8موتور بخار جیمز وات، قرن -٢-١شکل ١٩٢١٤صحنه ای از فیلم کارل کاپک، سال - ٣-١شکل ١٩6١٥ کارخانه فورد، سال Unimateروبات - ٤-١شکل ١0 استوارت-گاف موازی- روبات ٥-١شکل٢007١١- دستگاه تنفس مصنوعی، دانشگاه ماکئو چین، سال 6-١شکل

ی



١٩٣0١٣- نخستین طرح ثبت شده از روبات های موازی، سال 7-١شکل ١٩٣١ طرح سینمای متحرک، احتمااًل نخستین طرح از یک مکانیزم موازی، سال -8-١شکل

١٤١٥، دانشگاه کاسلMAST نمونه یک سیستم -٩-١شکل کارخانجات چوب٢000، راست نمونه جدید روبات گاف، سال ١٩٥٤ روبات گاف، -١0-١شکل ١6دانلوپ١٩6٥١7- طرح استوارت برای شبیه ساز پرواز، سال ١١-١شکل ١٩60١7- اولین شبیه ساز پرواز بر پایه یک روبات شش پای موازی، دهه ١٢-١شکل ١8- طرح روبات دلتا١٣-١شکل ABB١٩- روبات دلتا جهت برداشت وگذاشت سریع، محصول کارخانجات ١٤-١شکل راست روبات فرزکار دلتا، چپ روبات برداشت و نصب سریع ،محصول کارخانج%ات-١٥-١شکل

١٩هیتاچی٢0 طرح روبات هگزا-١6-١شکل ٢8- نمایش یک بردار نسبت به یک دستگاه١-٢شکل ٢٩- مکان و جهت گیری گیره روبات نسبت به پایه٢-٢شکل ٣٢- بیان یک بردار در دو دستگاه٣-٢شکل ٣٣ثابت X−Y−Z- زوایای ٤-٢شکل } چارچوب - بردار سرعت زاویه ای٥-٢شکل B }به چارچوب نسبت{ A }٣٩}در چارچوب ωB∨A- مؤلفه های بردار سرعت زاویه ای 6-٢شکل A }٤0٤٣- معرفی اجزای روبات هگزا7-٢شکل ٤٤- مکان قرار گرفتن مفاصل چرخشی روی پایه روبات8-٢شکل ٤7- نمای شماتیک یک زنجیره سینماتیک روبات هگزا٩-٢شکل 76- ساختار یک کنترلر خود تنظیم کننده مستقیم١-٥شکل 78مسیر یک سیستم تحت کنترل مد لغزشی- ٢-٥شکل 87- یک توصیف ممکن از مفهوم مبهم »جوانی« توسط یک مجموعه صریح٣-٥شکل 88- یک توصیف ممکن از مفهوم مبهم »جوانی« توسط یک مجموعه فازی٤-٥شکل ٩0- نمونه ای از تابع عضویت یک مجموعه فازی یگانه٥-٥شکل ٩١- نمونه یک تابع فازی محدب6-٥شکل ٩١- نمونه یک تابع فازی غیرمحدب7-٥شکل - نمون%ه ه%ایی از چه%ار مجموع%ه ف%ازی ورودی رایج در کن%ترل/مدلس%ازی ف%ازی: )8-٥شکل

٩٢( زنگوله ای شکل٤( گاوسی، و )٣( مثلثی، )٢(ذوزنقه- ای، )١٩٣- نمونه ای برای نشان دادن فازی سازی مجموعه های فازی٩-٥شکل ٩6- نمایش گرافیکی تعریف روش استنتاج فازی کمینه ممدانی١0-٥شکل ٩٩- ساختار یک کنترلر فازی ممدانی تک ورودی-تک خروجی١١-٥شکل - نمایش چگونگی فازی سازی متغیرهای ورودی توسط مجموعه های فازی ورودی١٢-٥شکل ١0١

١0٢- نمونه مجموعه های فازی یگانه برای خروجی کنترلر فازی١٣-٥شکل

ک



- مجموعه های فازی ورودی و خروجی کنترلر فازی مد لغزشی زمان محدود١٤-٥شکل ١0٩

چندخروجی-چند ورودی کنترلر فازی مد لغزشی زمان محدود- ساختار یک ١٥-٥شکل ١١١

-چن%د ورودیکن%ترلر ف%ازی تط%بیقی م%%د لغزش%%ی زم%%ان مح%%دود - س%اختار یک١6-٥شکل ١١٣چندخروجی

١١١7روبات هگزا در مسیر شماره ١- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ١7-٥شکل ١١١7 روبات هگزا در مسیر شماره٢- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ١8-٥شکل ١١١8روبات هگزا در مسیر شماره ٣- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ١٩-٥شکل ١١١8روبات هگزا در مسیر شماره ٤- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢0-٥شکل ١١١٩روبات هگزا در مسیر شماره ٥- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢١-٥شکل ١١١٩روبات هگزا در مسیر شماره 6- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢٢-٥شکل ٢١٢0روبات هگزا در مسیر شماره ١- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢٣-٥شکل ٢١٢0روبات هگزا در مسیر شماره ٢- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢٤-٥شکل ٢١٢١روبات هگزا در مسیر شماره ٣- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢٥-٥شکل ٢١٢١روبات هگزا در مسیر شماره ٤- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢6-٥شکل ٢١٢٢روبات هگزا در مسیر شماره ٥- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢7-٥شکل ٢١٢٢روبات هگزا در مسیر شماره 6- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢8-٥شکل ٣١٢٣روبات هگزا در مسیر شماره ١- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٢٩-٥شکل ٣١٢٣روبات هگزا در مسیر شماره ٢- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣0-٥شکل ٣١٢٤روبات هگزا در مسیر شماره ٣- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣١-٥شکل ٣١٢٤روبات هگزا در مسیر شماره ٤- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣٢-٥شکل ٣١٢٥روبات هگزا در مسیر شماره ٥- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣٣-٥شکل ٣١٢٥روبات هگزا در مسیر شماره 6- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣٤-٥شکل ٤١٢6روبات هگزا در مسیر شماره ١- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣٥-٥شکل ٤١٢6روبات هگزا در مسیر شماره ٢- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣6-٥شکل ٤١٢7روبات هگزا در مسیر شماره ٣- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره٣7-٥شکل ٤١٢7روبات هگزا در مسیر شماره ٤- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣8-٥شکل ٤١٢8روبات هگزا در مسیر شماره ٥- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٣٩-٥شکل ٤١٢8روبات هگزا در مسیر شماره 6- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤0-٥شکل α١٢٩- خطای تعقیب مسیر بازوهای روبات هگزا به ازای دو مقدار مختلف ٤١-٥شکل γ روبات هگزا به ازای دو مقدار مختلف ٢ و١- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤٢-٥شکل ١٣١

γ روبات هگزا به ازای دو مقدار مختلف 6 و ٣- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤٣-٥شکل ١٣٢

γ روبات هگزا به ازای دو مقدار مختلف ٥ و ٤- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤٤-٥شکل ١٣٢

١٣٣ روبات هگزا در حضور اغتشاشات١- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤٥-٥شکل

ل



١٣٣ روبات هگزا در حضور اغتشاشات٢- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤6-٥شکل ١٣٤ روبات هگزا در حضور اغتشاشات٣- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤7-٥شکل ١٣٤ روبات هگزا در حضور اغتشاشات٤- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤8-٥شکل ١٣٥ روبات هگزا در حضور اغتشاشات٥- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٤٩-٥شکل ١٣٥ روبات هگزا در حضور اغتشاشات6- خطای تعقیب مسیر بازوی شماره ٥0-٥شکل

م



اولفصل

تاریخچه پژوهش های پیشین و مقدمه ای بر روبات های موازی



مقدمه

تاریخچه تکامل روبات ها- ١-١ بشر در طول تاریخ کوشیده است که از نیروی طبیعت در راس%%تای نیازه%%ای خ%%ود اس%%تفاده

سال پیش نشان از رام شدن اسب و گاو و نخستین١٥000کند. نقاشی های غارهای متعلق به بهره برداری مکانیکی بشر از طبیعت دارد. انسان توانست ب%ا س%وار ش%دن ب%ر اس%ب ب%ه س%رعت جابجایی بسیار بیشتری که ضرورت حیاتی زندگی عصر یخبندان در کوچ های مکرر بود، دست یابد. همچنین او پس از یکجانشینی و کشف کش%%اورزی ی%%وغ خیش را ب%%ر گ%%ردن گ%%او، حی%%وان مقدس جهان باستان نهاد که بدون او زمینی آماده کشت نمی شد و حی%%ات انس%%ان در مع%%رض

نابودی قرار می گرفت. گرچه این همه کشف های بزرگی در تاریخ حضور انسان بر زمین بودند، اما به جز چرخ ک%%ه جابجایی را سهل تر و اقتصادی تر می کرد، تا دو سه سده اخیر هزاره دوم پس از میالد مس%%یح زمین، عرصه تالطم شکل گیری خرد نو و جنگ بقای بقایای تمدنهای باستانی بود. در این فضا چندان مجالی برای اختراع و اکتشاف بزرگی وجود نداشت و چنانچ%%ه چ%%یزی هم ص%%ورت می- پذیرفت یا به آتش دادگاه های تفتیش عقاید غرب می سوخت و یا در فراموشخانه مردم خسته شرق مدفون می گردید. در گرد و غبار این همه هیاهو جابر این حیان به واس%%طه کت%%اب اس%%رار

سال پیش در١٢00آمیز االشجار به عنوان یکی از پیشگامان علم روباتیک شناخته می شود. او این کتاب مکانیزم هایی را برای تقلید حرکت عنکبوت و مار طراحی کرد. جالب است ک%%ه ج%%ابر روشهای نمادگذاری خاصی ب%%رای توض%%یحات نقش%%ه ه%%ایش اب%%داع نم%%ود ک%%ه آن را تنه%%ا ب%%رای

سال پس از جابر دانشمند دیگر مسلمان الج%%زری مک%%انیزم٤00شاگردانش مفهوم می ساخت. های بسیاری را که با آب کنترل می شدند طراحی و ارائه و یا تکمی%%ل ک%%رد. ش%%اید اگ%%ر بج%%ای مکانیزم هایی که درآن موتورها با نیروی محرکه آب به حرکت در می آمدند، مکانیزمی ک%%ه ب%%ه

س%%ال پیش از٥00آن بسیار عالقه مند بود به نیروی بخار آب توجه کرده ب%%ود انقالب ص%%نعتی اروپا در مشرق زمین، با اختراع موتور بخار رخ داده بود. به گفته امروزین الجزری یک مهن%%دس مکانیک عالقه مند به طراحی مکانیزم ها بود. الجزری نخستین کسی است که ی%%ک روب%%ات آدم

(.١-١نما با کنترل حرکات بر اساس جریان آب طراحی کرد )شکل

]٣١ میالدی [١٢00- نمونه طراحی های الجرزی، سال ١-١شکل

پس از انقالب صنعتی و توجه به علوم تجربی تالش بسیاری در ط%%راحی و س%%اخت دس%%تگاه های خودکار و یا خود تنظیم صورت پذیرفت. منشأ این حرک%%ات اخ%%تراع ماش%%ین بخ%%ار توس%%ط

(. این رویداد شاه کلید استفاده کنترل شده بشر از سیس%%تم٢-١جیمز وات انگلیسی بود )شکل های حرکتی و جایگزینی نیروی بازوی انسان واسب و گاو با دیگ های جوشان بخار بود.

142



پس از آن موتورهای بخار مختلف، س%ود سرش%اری را روان%ه جیب طراح%ان و س%رمایه داران حامی آنها نمود و موجب رشد فزاینده تولید و کاهش زم%%ان س%%اخت گردی%%د و ب%ر خالف تص%%ور عمومی، اتوماسیون به دلیل افزایش حجم تولید فرصت های ش%%غلی بیش%%تری ب%%رای ک%%ارگران و

واسطه ها فراهم نمود.

]٣١ میالدی [١8- موتور بخار جیمز وات، قرن ٢-١شکل

در ابتدای قرن هجدهم میالدی ژاکار یک دستگاه بافندگی قابل برنامه ریزی را اختراع ک%%رد. در آن زمان کسی نمی اندیشید این ابتکار وی بعدها به یکی از مهمترین اجزای صنعتی تب%%دیل شده و حتی به ش%%کل ی%%ک رقیب ب%%رای انس%%ان ظ%%اهر ش%%ود. پس از ژاک%%ار، میالدرت عروس%%کی مکانیکی ساخت که می توانست نقاشی کند. نزدیک به ی%%ک س%%ده هیچکس این اخ%%تراع ه%%ا را جدی نگرفت. اختراع آن ها سازه های بسیار پیچیده و در ضمن، غیر قابل اعتم%%اد ب%%رای تولی%%د انبوه صنعتی بودند. ضمناً موتورها و جک ها هنوز یا وج%%ود نداش%تند و ی%%ا بس%یار غ%%یر دقی%ق و غیرقابل کنترل بودند. از این نکته بگذریم که هنور هیچ حسگر الکترونیکی ساخته نشده ب%%ود و

حسگرها غیر دقیق، سنگین، مکانیکی و بزرگ بودند. سه سال پس از پایان جنگ جهانی اول،کلمه روبات از سوی کارل کاپک نویسنده نمایشنامه

"Rossum's Universal Robots" از کلمه چک ١٩٢١ در سال "robotnic"به معنی کارگر به کار گرفته شد. در این نمایشنامه یک ماشین انسان- نما، قدرتی بیش از انس%%ان یافت%%ه

(.٣-١بود و در پایان به شورش علیه سازندگان خود می پرداخت )شکل

]٣١[ ١٩٢١- صحنه ای از فیلم کارل کاپک، سال ٣-١شکل توس%%ط جی.١٩٤6 سال زمان نیاز بود تا اولین جرفه انفجار فن%%اوری روباتی%%ک در س%%ال ٢٥

سی. دول آمریکایی زده شود. او وسیله ای اختراع کرد که می توانست عالیم الک%%ترونیکی را ب%%هطور مغناطیسی ثبت کند و آن ها را دوباره برای یک ماشین مکانیکی مورد استفاده قرار دهد.

اختراع وی مسیر علم کنترل را از روی کاغذ کتاب به کارگاههای ساخت و کارخانجات تغییر داد. یک سال بعد تولد تزانزیستور در آزمایشگاه ب%%ل، طوف%%انی در عرص%%ه تکنول%%وژی برپ%%ا ک%%رد. تئوری های ریاضی اکن%%ون عرص%%ه عم%%ل خ%%ود را می یافتن%%د و در این می%%دان دانش مع%%ادالت

اولین نمون%ه١٩٥٢دیفرانسیل به کنترل محیط زندگی انسان پرداخت. شش سال بعد در س%ال ماشین کنترل عددی پس از چند سال تحقیق در دانشگاه ام.آی.تی. به نمایش درآمد. بخشی از

منتشر شد.١٩6١زبان برنامه ریزی آن، ای.پی.تی. بعدها تکامل یافت و در سال کن داورد مخترع بریتانیایی تقاضای ثبت روبات را برای تخستین ب%%ار مط%%رح١٩٥٤در سال

کرد. همزمان با این درخواست اریک گاف مهندس یک شرکت انگلیسی روب%%ات م%%وازی خ%%ود را برای آزمایش ارابه فرود هواپیما به کار گرفت. این اولین روبات موازی استفاده ش%%ده در ص%%نعت

بود. پنج سال بعد از گاف شرکت پالنت نخستین روبات تجاری را به بازار معرفی نمود. در کارخان%%ه ف%%ورد، ب%%رای جاب%%ه ج%%اییUnimate نخستین روب%%ات تج%%اری ١٩6١در سال

(.٤-١ماشین ریخته گری تحت فشار نصب شد )شکل

143



]٣١[ ١٩6١ کارخانه فورد، سالUnimate- روبات ٤-١شکل

پنج سال پس از آن یک شرکت نروژی روباتی را برای رنگ پاش%%ی در کارخان%%ه خ%%ود نص%%ب روبات سیاری به نام شیکی در موسسه پژوهشی استانفورد ساخته شد. این١٩67کرد. در سال

روبات دارای حسگری گوناگون از جمله دوربین و حسگرهای لمس کننده بود و می توانست ب%%ه یک روبات دست برقی و زبان برنامه ری%زی١٩7٢اطراف خود حرکت کند. این دانشگاه تا سال

و به دنبال آن زبان ال را به دنیا مع%%رفی نم%%ود. بع%%دها این دو زب%%ان ب%%ه زب%%ان١روبات به نام ویو 6روب%اتی ک%اماًل ب%رقی ب%ه ن%ام آی.آر.بی. ١٩7٤تجاری وال تبدیل شدند. شرکت آ.ث.آ. در سال

عرضه کرد. یک سال بع%د، روب%ات زیگم%ا در عملی%%ات مونت%%اژ ب%ه ک%%ار گرفت%%ه ش%%د، این یکی از سیس%%تم برداش%%تن اش%%یا از١٩80نخستین کاربردهای روبات درخط مونتاژ بود. در ابتدای دهه

جعبه توسط روبات در دانشگاه ردآیلند به نمایش درآمد. این روبات توانست ب%ا اس%%تفاده از ی%%ک دوریبن، قطعات پراکنده را از جعبه بردارد. دهه هشتاد، دهه ظهور و تکامل روباتها بود. ش%%رکت

را عرضه کرد. سال بعد گزارش هایی١ پس از چند سال تالش روبات آر.اس.١٩8٢آی.بی.ام در در مورد پژوهش های شرکت وستینگهاوس به سرپرستی بنیاد علوم آمریک%%ا در م%%ورد سیس%%تم مونتاژ برنامه پذیر و قابل تطبیق منتشر شد که طرح آزمایشی برای برنامه ریزی خط مونت%%اژ ب%%ا

چن%%د ن%%وع سیس%%تم١٩8٤استفاده از روبات محسوب می شد. در یک نمایشگاه روبات در س%%ال برنامه ریزی غیرمستقیم عرضه می شد. این سیستم ها این امکان را فراهم آورده بودند تا برنامه روبات را بتوان با استفاده از یک محیط گرافیکی بر روی کامپیوترهای شخصی تهیه و سپس ب%%ه روبات منتقل کرد. در همین زمان ایده ساخت روبات موازی دلتا توسط ریموند کالول ارائه شد.

فرانسیس پیروت با اصالح ساختار روبات موازی دلتا، روب%%ات م%%وازی هگ%%زا را ب%%ا١٩٩١در سال شش درجه آزادی برای صفحه انتهایی آن در یک مقاله معرفی نمود.

تحقیقات در زمینه های مختلف روباتیک همچنان ادامه دارد. از جمله موض%%وع ه%%ای ج%%الب امروزه روباتیک می توان به ط%راحی و کن%ترل روباته%ای هیبری%د )ک%ه روب%ات ه%ایی م%رکب از

ب%ا%ال%ت%ر% ا%ز%ب%ا د%ر%ج%ا%ت% آ%ز%اد%ی ساختارهای سریال و موازی هستند(، روبات های همکار و روبات های

از دوربین)ها( و پردازش تصاویر با استفادهروبات وضعیت شش اشاره نمود. همچنین دریافت مورد توجه پژوهشگران بسیاری بوده است.

- دسته بندی روبات ها٢-١

1 Wave

144



جهت انجام مطالعات دقیق%%تر و طبق%%ه بن%%دی روباته%%ا ب%%ر اس%%اس ک%%ارایی و کاربردهایش%%ان، متخصصان روبات ها را از نظرگاههای متفاوت دس%%ته بن%%دی و بررس%%ی می کنن%%د ک%%ه در اینج%%ا

دسته های عمده و معروف این روبات ها معرفی می گردند.

- دسته بندی از نظر درجه آزادی١-٢-١ یکی از معمول ترین دسته بندی روبات ها، با توجه به تع%%داد درج%%ات آزادی آن هاس%%ت. در حالت ایده آل یک روبات شش درجه آزادی با چیدمان مناسب مفاصلش می تواند به مک%%ان ه%%ا وزاویه های دلخواه در فضای سه بعدی کاری اش حرکت کند. به روباتی که شش درج%%ه آزادی دارد، روبات همه کاره و چنانچه بیش از شش درج%%ه آزادی داش%%ته باش%%د، روب%%ات اف%%زوده و در

صورتی که کمتر از شش درجه آزادی داشته باشد، روبات ناقص می گویند.

- دسته بندی روبات ها از نظر نیروی محرکه٢-٢-١

مراجع

145



[1] F. Pierrot, P. Chiacchio, A. Fournier. "Hexa; A Fast Parallel Robot" , Journal of Robotic Systems, December, 1991, 345-352.

[2] Yoshico Koseki, Tatsuo A rai, Kouichi Sugimoto, Toshiyuki Takatuki, "Design and Accuracy Evaluation of High Speed and High Precision Parallel Mechanism", 1998 IEEE International Conf. on Robotics and Automation, Leuven, Belgium,1998.

[3] M. Uchiyama, K.Iimura, F. Pierrot, K.Unno, O.Toyama, "Design and Control of a Very Fast 6-DOF Parallel Robot", MASC/SICE’92, Kobe, Japan, pp. 473-478, 1992.

[4] P. Chiacchio, F. Pierrot, L. Sciavicco, B. Siciliano, "Robust Design of Dependent Joint Controllers with Experimentations on a High-Speed Parallel Robot", IEEE Trans. On Industrial Electronics,Vol.40,No.4,P.393-402,1993.

[5] P. Begon, F. Pierrot, P. Dauchez, "Fuzzy Sliding Mode Control of a Fast Parallel Robot", IEEE ICR&A, Nagoya, Japan, pp.1178-1183,1995.

[6] A. Vivas, P. Poignet, F. Marquet, F. Pierrot, M. Gautier, "Experimental Dynamic Identification of a Fully-Parallel Robot", ICRA 2003: 2003 IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, September, 2003

[7] F. Marquet, O. Company, S. Krut, F. Pierrot, " Enhancing Parallel Robot Accuracy with Reundant Sensors", In Proc. Of IRCA 2002: 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, September, 2003.

146



[8] Patrick Maurine, De Man Liu, Masaru Uchiyama, "Self Calibration of a New Hexa Parallel Robot",4th Japan-France and 2nd Europe-Asia Congress on Mechatronics, Kitakyushu, Japan,1998.

[9] J. Hesselbach, C. Bier, A. Campus, H.Lowe, "Direct Kinematic Singularity Detection of a Hexa Parallel Robot", Proc, International Conf. on Robotics and Automation Barcelona, Spain, April, 2005

[10] P.Last, C. Budde, C. Bier, J. Hesselbach, "Hexa-Parallel-Structure Calibration by Means of Angular Passive Joint Sensors", Proc, International Conf. on Mechatronics and Automation Niagara Falls, Canada, July, 2005

[11] P.Last, C. Budde, J. Hesselbach, "Self Calibration of Hexa Structure", Proc, of the international Conf. on Automation Science and Engineering Edmonton, Canada, August, 2005

[12] P.Last, J. Hesselbach, N. Plitea, "An Extended Inverse Kinematic Model of the Hexa-Parallel-Robot for Calibration Purposes", Proc. Of the International Conf. on Mechatronics and Automation Niagara Falls, Canada, July, 2005

[13] D. N. Nechev, M. Uchiyama, "Singularity–Consistent Planning and Control of Parallel Robot Motion through Instantaneous-Self-Motion Type Singularities", Proc. of the International Conf. on Robotics and Automation, Minnesota, April, 1996

[14] A. Bonev, M. Gosselin, "A Geometric Algorithm for the Computation of the Constant Orientation Workspace of 6 RUS Parallel Manipulator", Proc. of DETC’00 ASME Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conf. Baltimore, 2000.

[15] Tartari Filho, S. and E. Cabral, "Kinematics and Workspace Analysis of a Parallel Architecture Robot: the Hexa", In: ABCM Symposium Series in Mechatronics, 158-165,2006.

[16] M. Dehghani, M. Ahmadi, A. Khayatian, M. Eghtesad, "Inverse Dynamics of Hexa Parallel Robot Using Lagrangian Dynamics formulation",Feb. 2008,WAC 2009

147



[17] M. Dehghani, M. Ahmadi, A. Khayatian, M. Eghtesad,"Wavelet Based Neural Network Solution for Forward Kinematics Problem of Hexa Parallel Robot", Feb, 2008, Miami, FL, USA.

[18] R. Lu "Synchronised Trajectory Tracking Control for Parallel Robotic Manipulators", Ph.D thesis , University of Toroto, 2005. [19] I,I Blekhman, A.L. Fradkov, H. Nijmeijer, A.Y. Pogromsky , " On Self-Synchronization and Controlled Synchronization", Systems and Control Letters, 31(5), 299-305,1997.

[20] S. Li Tzuu-Hseng, Yun-Cheng Huang, "MIMO Adaptive Fuzzy Terminal Sliding-Mode Controller for Robotic Manipulators", Information Sciences – ISCI, Vol. 180, No. 23, P. 4641-4660, 2010

[21] Y.Feng, X.Yu, Z. Man, "Nonsingular Terminal Sliding-mode Control of Rigid Manipulators" , Automatica 38 (2002) 2159-2167

[22] Y. Guo, P. Woo," An Adaptive Fuzzy Sliding ModeController for Robotic Manipulators, IEEE Transaction on System" , Man, and Cybernetics –Part A:Systems and Humans 33 (2) (2003) 149-159.

[23] W. Pedrycz, F. Gomide, "An Introduction to Fuzzy Sets: Analysis and Design" , MIT Press, Cambridge, MA, 1998.

[24] J.J.E. Slotine, W. Li, "Applied Nonlinear Control " , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1991.

[25] C.W. Tao, J.S. Taur, M.L. Chan, " Adaptive Fuzzy Terminal Sliding-mode Controller for Linear Systems with Mismatched Time-Varying Uncertainties", IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics – Part B:Cybernetics 34 (1), (2004), 255-262.

[26] X.H. Yu, M. Zhihong, " Fast Terminal Sliding-mode Control Design for Nonlinear Dynamical Systems" , IEEE Transaction on Circuits and Systems I, Fundamental Theory and Applications 49 (2) , (2002), 261-264.

[27] R. Lu, J.K. Mills, D. Sun, " Adaptive Synchronized Control of a Planar Parallel Manipulator: Theory and Experiment" , ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 128 (4), (2006), 982-988.

148



[28] H.J.C Huijberts, H. Nijmeijer, R.M.A. Willems, " Regulation and Controlled Synchronization for Complex Dynamical Systems", International Journal or Robust and Nonlinear Control, 10(5), (2000), 363-373.

[29] A. Rodriguez-Angeles, H. Nijmeijer," Mutual Synchronization of Robots Via Estimated State Feedback: A Cooperative Approach", IEEE Transaction on Control System Technology, 12(4), (2004), 542-554

[30] K. Miller, R. Clavel, " The Lagrange-Based Model of Delta-4 Robot Dynamics" , Robotersysteme, Springer-Verlag, 8(4), (1992), 49-54.

[31] M. Ahmadi, "Design, Fabrication and Model Control of a Hexa Parallel Robot" , M.S. Thesis in Mechanical Engineering, Shiraz University, (2009), 2-20.

ABSTRACT

149



DYNAMICS AND FUZZY ADAPTIVE TERMINAL SLIDING MODE CONTROL OF HEXA PARALLEL ROBOT USING

SYNCHRONIZATION ERRORBY

PEIMAN KEIKHAEI

Industry production growth and therefore economical and social development of a society in new century, is highly related to production procedures automation. Robot manipulators are amongst the major elements in industries automation. After numerous usage of serial robots in industries and implementation of the basic researches on their design and control in the last two decades, parallel robot structures have attracted researchers attention. One of the recent and advantageous designs amongst parallel robots is Hexa parallel robot which is the case to be studied in this thesis. Analytical solution of inverse kinematics problem, derivation of dynamical model using Lagrangian dynamics and synchronized control of Hexa robot are some of the fields of study in this research. Finally, we prove controller stability based on Lyapanov stability theory and analyze controller performance for different trajectories through simulation runs.

Key words: Inverse kinematics- Jacobian matrix- Lagrangian dynamics- Synchronization error and coupling position error- Fuzzy adaptive terminal sliding mode control- Lyapanov function

150


Documents

download-thesis.com · Web viewدانشكده ی مهندسی مکانیک پایان نامه ی کارشناسی ارشد در رشته ی مهندسی مکانیک (طراحی