بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به تحلیل و بهینه سازی سیستم پیشرانش ربات ماهی مقلد ماهی تن و تاثیر شکل دم بر آن می پردازد. ابتدا یک مدلسازی دینامیکی نوین براساس تئوری دامنه بزرگ لایتهیل به منظور استخراج نیروی پیشرانش تولیدی ارائه میگردد. در ادامه سهم نیروی تولیدی توسط انتهای دم انعطاف پذیر و بدن ربات ماهی مقایسه گردیده است. همچنین توسط تست تجربی صحت مدلسازی انجام شده تایید میگردد. بدین منظور از ربات ماهی مقلد تن ساخته شده در مرکز سیستمها و فناوریهای پیشرفتهی دانشگاه تهران استفاده شده است.
در بخش بعد با توجه به اهمیت افزایش بازده این سیستمها و همچنین افزایش عمر عملیاتی آنها، بهینه سازی سینماتیکی سیستم با هدف افزایش بازده صورت میگردد. در این بخش تعداد درجات آزادی فعال سیستم و طول هر یک از لینکها با استفاده از الگوریتم ژنتیک محاسبه گردیده است. علاوه بر این با ساخت 8 دم انعطاف پذیر برای ربات ماهی از لاستیک فشرده با اشکال مختلف، نقش شکل دم در نیروی پیشرانش به صورت تجربی نیز بررسی گردیده است. در این قسمت مشاهده گردید با کاهش ضریب منظر1 دم، نیروی تولیدی ربات در فرکانس ثابت و سطح مقطع ثابت تا %80 افزایش می یابد .در یک فرکانس ثابت میتوان نیروی تولیدی را تا 3 برابر افزایش داد .
مقدمه
در حال حاضر وابستگی زندگی بشر به ربات ها بسیار زیاد و رو به افزایش است .رباتها نه تنها بسیاری کارها را برای انسان آسان میکنند، بلکه برخی از کارهای ناممکن را برای وی ممکن میسازند . محیطهای زیر آب از گذشتهای نه چندان دور، به جز از منظر منابع غذایی موجود در آنها که همواره مورد توجه بشر بودهاند، از جهات دیگر نیز مورد توجه بشر قرار داشتهاست. البته انسان به طور ذاتی محدودیتهای اساسی برای کار در زیر آب دارد. از این رواساساً بسیار مفید خواهد بود که بتوان کارها را در این حوزه بر عهده ی رباتها گذاشت.
همچنین محدودیت منبع انرژی این رباتها و تمایل به عملکرد طولانیتر، انگیزهی یافتن راههای افزایش بازدهی آنها را تشدید میسازد. در سالهای اخیر رباتهای الهامگرفته از طبیعت مورد توجه بسیاری از محققین قرارگرفتهاند. از جملهی این رباتها میتوان به رباتهای ماهی اشارهکرد. این نمونه از رباتها در زمینههای مختلف تحقیقاتی و صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.[9-1] یکی از این مدل رباتها ، ربات ماهی مقلد ماهی تن میباشد که در مرکز سیستمها و فناوریهای پیشرفتهی دانشگاه تهران، طراحی و ساخته-شدهاست. این ربات بر پایهی ماهی تونا با مکانیزم حرکتی کرنجیفرم2 ساخته شدهاست. حرکت کرنجیفرم شامل حرکت موجی کل بدنه میشود که با رشد دامنه در دم اتفاق میافتد.
در ابتدای قرن 21 طراحی و ساخت رباتهای مقلد ماهی به طور جدی آغاز شد. جانژییو و همکارانش در سال 2003 جزو اولین کسانی بودند که یک بدنهی انعطافپذیر به همراه یک ورقهی نوسانی به عنوان موتور طراحی کردند.[10] آنها در سال 2005 مدل خود را ارتقا داده و یک ربات ماهی شکل چند تکه به همراه دم نوسانی ارائه نمودند[11] و در سال 2008 مدل خود را به صورت یک ربات مقلد ماهی ارائه نمودند.
[12] ژیگانک ژان و همکارانش نیز در سال 2004 یک مدل انعطافپذیر، همراه با دم صلب و یک جفت باله ارائه نمودند که توسط سرو موتور به حرکت درمیآمد.[13] به طور کلی انعطافپذیر بودن رباتهای ماهی شکل، خواستهی غالب محققین و طراحان این زمینه میباشد.[14-10] یکی دیگر از بخشهای مهم و مورد علاقهی محققین نحوهی بهبود عملکرد رباتهای ماهی میباشد که مورد مطالعهی بسیاری از دانشپژوهان قرارگرفتهاست.[16-15] در این مقاله ضمن ارائهی یک مدلسازی اولیه برای ربات مقلد ماهی، تاثیر دم بر روی حرکت ماهی و نیروی پیشرانش تولیدی به طور کامل بررسی شده و بهینهسازی سینماتیکی بر روی مدل اصلی صورت گرفتهاست.
مدل سازی سیستم پیشرانش ربات ماهی
برای کاربردهای طراحی، مدلسازی، بهینهسازی و کنترل ربات ماهی باید به دنبال مدلهای تحلیلی که به اندازه کافی ساده و در عین حال دقیق باشند بود. تاکنون تئوریهای مختلفی برای بررسی حرکت ماهیها و تحلیل هیدرودینامیکی آن ها به طور خاص اشاره شده است که ممکن است بتوان با استفاده از آنها به چنین مدلهایی دست یافت.
در این مقاله برای تعیین نیروی پیشرانش ماهی با استفاده از تئوری حرکت اجسام با دامنه بزرگ و ترکیب آن با روش المان محدود استفاده شده است. حرکت ربات ماهی در عمق ثابت در نظر گرفته شده است. دم ماهی نیز یک صفحه انعطافپذیر که به قسمت انتهایی ماهی متصل شده است و به صورت المان محدود و قطعات ریز با یک درجه آزادی در نظر گرفته می شود.
بردارهای یکه و به ترتیب در راستای بدن ربات ماهی و عمود بر آن هستند. بردارهای یکهی و نیز به ترتیب در راستای دم و عمود بر آن می باشند. a پارامتر فاصله ی هر نقطه ی p روی دم از انتهای دم است و در بازهی [0,L] تغییر میکند که طول کل دم است. زاویهی بدن ربات ماهی با محور x با و زاویه دم با بدن با نشان داده میشود. u , v سرعت مرکز جرم بدن ربات در راستای بردارهای یکه و هستند و - up - a,t - ,vp - a,t سرعت نقطه-ی P در فاصلهی a و در زمان t در راستای و هستند. سرعت نقطهی P در راستای و با و نشان داده می-شوند. رابطهی کلی محاسبهی نیروهای وارد بر بدنهی ماهی به صورت زیر بدست میآیند.
نتایج حاصل از شبیه سازی نیروی پیشرانش
به منظور بررسی و تایید روش ارائه شده جهت محاسبهی نیروی پیشرانش آزمونهای مناسبی با همان فرضیات موجود در تئوری انجام پذیرفتهاست. همانگونه که در رابطهی 2 مشاهده میشود سهم نیروی تولیدی حاصل از انتهای مکانیزم یا همان دم انعطافپذیر به مراتب بیشتر از بدن ربات میباشد. عبارت اول نیروی تولیدی توسط دم انعطافپذیر و قسمت پایانی بدن و عبارت دوم حاصل نیروی تولیدی توسط بدن ربات ماهی میباشد. در شکل 1 و شکل 2 نتایج حاصل از شبیهسازی و تست تجربی مشاهده میشوند.
بهینه سازی سیستم پیشرانش ربات ماهی
بهینه سازی سینماتیکی عبارت است از مجموعه فعالیت هایی که هنگام طراحی ربات و قبل از مراحل ساخت انجام میپذیرد. جهت بهینهسازی سینماتیکی ربات ماهی لازم است ابتدا پارامترهای موثر بر حرکت بهینه سیستم شناسایی شود . در یک دسته بندی کلی می توان پارامترهای موثر در طراحی سینماتیکی سیستم را به شرح زیر بیان نمود.
1. تعداد درجات آزادی فعال سیستم
2. نسبت طول لینک های فعال
3. پارامترهای دم انعطاف پذیر
4. نسبت طول نوسان کننده به طول ماهی RL که می تواند تأثیر بسزایی در مانور پذیری سیستم و بازده آن داشته- باشد، با افزایش طول نوسان کننده مانور پذیری افزایش می یابد، اما بازده کاهش پیدا می کند.
نسبت طول نوسان کننده به طول کل بدنه ماهی را می توان از نمونه طبیعی انتخاب شده به عنوان الگو تعیین نمود .در این پژوهش ماهی ساخته و بررسی شده بر پایه ماهی تونا با مکانیزم حرکتی کرنجیفرم بررسی می گردد که نسبت طول نوسانکننده به طول کلی ماهی حدود% 40 می باشد. حرکت بهینه سیستم در حالت ایده آل همانند رفتار ماهی واقعی می باشد. برای نزدیک شدن به رفتار ماهی واقعی تعداد درجات آزادی فعال مناسب کمک شایانی به این روند می کند. اما با توجه به محدودیت تکنولوژی موجود در عملگرها و ابعاد آنها امکان استفاده به تعداد زیاد در حجم محدود وجود ندارد.
مدل کرنجیفرم ربات ماهی به دو بخش صلب و انعطاف پذیر تقسیم میگردد. شکل موج بدن با توجه به مشاهدات تجربی لایتهیل مطابق رابطه زیر بیان میشود. که در این رابطه پارامترها طبق جدول زیر تعریف میشوند. با افزایش تعداد درجه آزادی سیستم مقدار انحراف از پروفیل ایده آل کاهش می یابد ولی افزایش تعداد درجه آزادی سیستم بیش از حد به سبب مشکل جانمایی و به کار گیری سیستم امکان پذیر نمی باشد.
به منظور انتخاب پارامترهای بهینه از روشهای بهینهسازی استفاده میشود. در این تحقیق از الگوریتم ژنتیک جهت انتخاب بهینه پارامترها استفاده شدهاست. همچنین جهت استفاده از الگوریتم های بهینهساز نیاز است تابع هدف برای سیستم تعریف گردد. از آنجایی که در این پروژه هدف تطابق حداکثری سیستم واقعی و ایده آل می باشد، مساحت بین نمودار واقعی و ایده آل به عنوان تابع هدف تعیین می گردد. پروفیل ایده آل در شکل 5 مشاهده میشود.
