بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، طراحی محرکههای هیدرولیکی خطی ربات موازی گاف به عنوان سکوی حرکتی یک شبیهساز حرکتی بلدوزر بر اساس تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی انجام شده درون فضایکاری عملی ربات مد نظر قرار گرفته است. در این راستا، ابتدا مطالعه ساختاری و ابعادی ربات موازی گاف متناسب با نیازهای حرکتی یک شبیهساز بلدوزر صورت پذیرفته است. پس از آن، با انجام تحلیل سینماتیک معکوس، ایتدا فضایکاری دوران-ثابت و سپس فضایکاری عملی ربات بدست آمده است.
در ادامه، با انجام تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی نیرو در گستره فضایکاری عملی ربات، کرانپایین و کرانبالای نیرویهای مورد نیاز در محرکههای هیدرولیکی خطی ربات تعیین شده است. در آخر بر پایه تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی انجام شده، طراحی کامل مجموعه محرکههای خطی هیدرولیکی انجام شده است. طراحی این مجموعه شامل تعیین نوع جک هیدرولیکی، قطر سیلندر و پیستون، نیروی رفت و برگشت، حداکثر سرعت، فشار کاری مورد نیاز، انباره و حجم روغن مورد نیاز، دبی مورد نیاز پمپ هیدرولیک و توان مصرفی الکتروموتور آن است.
مقدمه
هدف شبیهسازهای حرکتی، به وجود آوردن فرصتی ایمن و کم هزینه برای تجربه هدایت وسایل نقلیه متفاوت است. با استفاده از شبیهساز حرکتی میتوان تجربه هدایت یک وسیله نقلیه را به طور واقعی برای سوار تداعی کرد به طوری که بتواند با چالش-ها و خطرات هدایت وسیله نقلیه رو به رو شده و با بدست آوردن تجربههای متعدد و کم هزینه مهارت کنترل و هدایت وسیله نقلیه مورد نظر را بدست آورد. اگرچه طراحی و ساخت شبیهسازهای کامل و تجاری هزینههای زیادی دارد اما در مقایسه با هزینههای جانی و مالی سوانح واقعی ناشی از خطاهای انسانی و مهندسی، بسیار مقرون به صرفه است
از این رو، اولویت طراحی و ساخت شبیهسازهای حرکتی همواره شبیهسازی وسایل نقلیه سنگین بوده است. بلدوزر به عنوان یک ماشین راهسازی سنگین که عمدتا در فعالیتهای عمرانی شهری استفاده میشود؛ در شرایط عملیاتی به مهارت بالایی برای هدایت و کنترل نیاز دارد. فراگیری این مهارت مستلزم صرف سالها زمان و مواجهه مستقیم و خطرناک با شرایط مختلف کاری است. بنابراین طراحی و توسعه شبیهساز حرکتی بلدوزر میتواند شرایط ایمن و کنترلشدهای برای تمرین و فراگیری مهارتهای هدایت بلدوزر در مواجهه با شرایط کاری گوناگون ایجاد کند. در نتیجه میتوان در زمان و هزینههای جانی و مالی تعلیم و تربیت رانندههای ماهر بلدوزر صرفهجویی کرد.
بلدوزر یک ماشین متحرک زمینی است که در سادهترین حالت سه درجه آزادی دارد که دو درجه آزادی انتقالی طولی و عرضی و یک درجه آزادی دورانی را شامل میشود. با در نظر گرفتن اثر ناهمواریهای مسیر حرکت و تعامل نیرویی تیغه بلدوزر با محیط اطراف، شاسی بلدوزر میتواند متاثر از این ناهمواریها و نیروها، چهار تا شش درجه آزادی داشته باشد. لذا در کلیترین حالت شاسی بلدوزر هر شش درجه آزادی را خواهد داشت. بنابراین مکانیزم حرکتی شبیهساز باید شش درجه آزادی داشته باشد تا بتواند همه جنبههای حرکت بلدوزر را در محیطهای واقعی و عملیاتی شبیهسازی کند
سکوهای حرکتی یکی از مهمترین بخشهای شبیهسازهای حرکتی به شمار میروند چرا که به شبیهساز قابلیت حرکت در بُعد و محدوده مورد نیاز را میدهند. به طور کلی سکوهای حرکتی بنا به مقیاس و قیمت بسیار گستردهاند. نمونههای صنعتی و نظامی در بالاترین سطح از طیف شبیهسازهای حرکتی قرار دارند در حالی که نمونههای تفریحی، آزمایشگاهی و خانگی به لحاظ قیمت و مقیاس در سطح پایینتری قرار میگیرند . - Pouliot et al, 1998 - از ابتدا تا کنون، مکانیزمهای متنوع و متفاوتی به عنوان سکوی حرکتی شبیهسازها به کار رفتهاند که هر کدام مزیتها و محدودیتهایی دارند. گاه مکانیزمهای سکوی حرکتی به صورت درجههای آزادی مستقل از هم - Wentink et al, 2005 - و گاه با ساختار سری - Giordano et al, 2010 - یا ساختار موازی - Murgovski, 2007 - استفاده شدهاند.
گاهی نیز به صورت ترکیبی با قرار دادن سکوی حرکت بر روی ریلهای انتقالی سعی شده است تا رنج حرکت انتقالی سکو افزایش یابد - . - Colombet et al, 2008 تجربه نشان داده است از مکانیزمهایی که درجه آزادی مستقل دارند کمتر به عنوان سکوهای شبیهساز استفاده میشود چون با افزایش تعداد درجههای آزادی، طراحی و تجهیز سکو با مشکلات بسیاری مواجه خواهد شود. اگر چه نمونههای موفقی از شبیهسازهای حرکتی وجود دارد که از مکانیزمهایی با ساختار سری برای سکوی حرکتی استفاده کردهاند؛ امروزه بیشتر از مکانیزمهایی با ساختار موازی استفاده میشود.. در واقع مزیتهای ساختاری مکانیزمهای موازی باعث شده است تا به عنوان سکویهای حرکتی در شبیهسازها رواج داشته باشند.
رباتهای موازی به دلیل قابلیت حمل بار بیشتر، سرعت، سختی و صحت بالاتر گزینه مناسبتری برای شبیهسازهای حرکتی هستند که در آنها نیاز به سرعتهای بالا و فضای کافی برای نصب و تجهیز اتاق سوار است . - Pradipta et al, 2013 - ربات موازی گاف متداولترین مکانیزم شش درجه آزادی است که در انواع شبیهسازهای تجاری به عنوان سکوی حرکتی به کار گرفته شده است. مزیتهای سینماتیکی و دینامیکی ساختار معرفی شده توسط گاف موجب گسترش کاربردهای صنعتی آن شده و توجه بسیاری از محققان را در زمینههای مختلف به خود جلب کرده است.
قدم اول در تحلیل ساختاری و طراحی ربات موازی گاف برای کاربردهای مختلف، تحلیلهای سینماتیک مستقیم، سینماتیک معکوس و بدست آوردن فضایکاری است.
مسئله سینماتیک معکوس ربات موازی گاف بسیار ساده بوده و پاسخ یکتای تحلیلی دارد؛ با این حال حل سینماتیک مستقیم ربات موازی گاف مسئلهای چالش برانگیز با پاسخهای چندگانه است که در بسیاری از پژوهشیهای تحلیلی و عددی مورد توجه قرار گرفته است . - Merlet, 2004 - چالش بعدی در تحلیل و طراحی ربات موازی گاف، بدست آوردن فضایکاری شش درجه آزادی ربات است که همچنان به عنوان یک زمینه پژوهشی جذاب میان پژوهشگران مطرح است. کارهای صورت گرفته در این حوزه شامل محاسبه فضایکاری انتقالی دوران-ثابت، فضایکاری دورانی، فضایکاری دسترس و فضایکاری عملی ربات با روشهایی از جمله روش گسستهسازی - Fichter, 1986 - ، روش هندسی - Gosselin, 1990 - ، روش آنالیز بازهای - Pickard and Carretero, 2016 - و روش بهینهسازی محدب - Karimi et al, 2014 - میشود.
با این حال همچنان محاسبه فضایکاری عملی عاری از تکینگی ربات موازی گاف با اعمال قیود محدوده حرکت محرکهها و مفاصل غیرفعال و در نظر گرفتن قید تداخل مکانیکی میلهها به عنوان یک مسئله باز مطرح است. در ادامه، مسئله بررسی و تحلیل کیفیت فضایکاری ربات از لحاظ چالاکی و دوری از تکینگی مطرح میشود . - Merlet, 2006 - همچنین بررسی سختی و مزیت مکانیکی ساختار ربات موازی گاف مسئلهای که بسیار مورد توجه قرار گرفته است
در این راستا، در اغلب موارد طراحی ساختاری و ابعادی ربات موازی گاف برای یک فضایکاری دلخواه در قالب یک مسئله بهینهسازی چند هدفه مطرح میشود. پس از مراحل طراحی ساختاری و ابعادی، تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی درون فضایکاری عاری از تکینگی ربات با هدف طراحی مسیر بهینه حرکت، طراحی سیستم کنترل ربات و طراحی مجموعه محرکهها مطرح میشود
مسئله طراحی بهینه مسیر حرکت - Dash, 2005 - و طراحی سیستم کنترل ربات موازی گاف - Briot et al, 2013; Liu et al, 2014 - در بسیاری از پژوهشهای پیشین مورد توجه قرار گرفته است؛ در حالی که به طراحی مجموعه محرکههای هیدرولیکی در ربات موازی گاف کمتر توجه شده است
در این مقاله، طراحی محرکههای هیدرولیکی خطی ربات موازی گاف به عنوان سکوی حرکتی یک شبیهساز حرکتی بلدوزر بر اساس تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی انجام شده درون فضایکاری عملی ربات مد نظر قرار گرفته است. در این راستا بر مبنای روش گسستهسازی الگوریتمی برای بدست آوردن فضایکاری عملی ربات موازی گاف معرفی شده است. در ادامه تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی نیرو در دستور کار قرار گرفته و طراحی مجموعه محرکههای هیدرولیکی شامل تعیین نوع جک هیدرولیکی، قطر سیلندر و پیستون، نیروی رفت و برگشت، حداکثر سرعت، فشار کاری مورد نیاز، انباره و حجم روغن مورد نیاز، دبی مورد نیاز پمپ هیدرولیک و توان مصرفی الکتروموتور هدف گذاری شده است.
ادامه مقاله بدین شرح سازماندهی شده است: در بخش دوم، ضمن معرفی ربات موازی گاف، ابتدا تحلیل سینماتیک معکوس ربات انجام شده و سپس فضایکاری دوران-ثابت و فضایکاری عملی ربات بدست آمدهاند. تحلیل استاتیکی نیروی محرکههای در بخش سوم انجام شده و در بخش چهارم تحلیل دینامیکی نیروی در گستره فضایکاری عملی ربات به انجام رسیده است. در بخش پنجم بر اساس تحلیلهای استاتیکی و دینامیکی انجام شده، مجموعه محرکههای هیدرولیکی ربات موازی گاف طراحی شده است. بحث و نتیجهگیری نیز در بخش ششم آورده شده است.
ربات موازی گاف
طرح گاف حالت خاصی از مکانیزمهای موازی ششپا است که در آن محل اتصال مفاصل در ابتدا و انتهای شش زنجیره سینماتیکی در یک صفحه قرار میگیرند. به این ترتیب تکیهگاه و مجرینهایی هر دو به شکل چند ضلعیهای صفحهای خواهند بود که به ترتیب صفحه ثابت - تکیهگاه - و صفحه متحرک - مجری نهایی - نامیده میشوند. تصویر شماتیک صفحه ثابت و متحرک ربات موازی گاف از نمای بالا در شکل 1 نشان داده شده است که در آن پارامترهای [ra, rb, ΘA, ΘB, q0] برای تعیین و تمییز ساختارهای هندسی متفاوت مکانیزم گاف تعریف میشوند.
نقاط Ai محل اتصال محرکههای خطی به صفحه ثابت ربات هستند و همگی در یک صفحه واقع شدهاند. نقاط Bi نیز محل اتصال محرکههای خطی به صفحه متحرک ربات هستند و همگی در یک صفحه واقع شدهاند. دستگاه مختصات مبدا {A}:[O,X,Y,Z] در مرکز صفحه ثابت ربات و دستگاه مختصات محلی {B}:[P,u,v,w] در مرکز صفحه متحرک ربات در نظر گرفته میشود.
