مقاله طراحی کنترل کننده PID بازوی ربات جراح پنج درجه آزادی

بخشی از مقاله

چکیده

در این مطالعه طراحی و شبیهسازی کنترل کننده برروی ربات جراح پنج درجه آزادی صورت گرفته است. اما آنچه در تعامل رباتها و انسان اهمیت دارد حفظ امنیت و کنترل رفتاری ربات است. ربات جراح از دو قسمت اصلی پایه و پیرو تشکیل شده است. هدف اصلی این پروژه کنترل کردن نیرو و موقعیت ربات جراح است. یعنی نوک ابزار نهایی باید بتواند مقداری دلخواه نیرو وارد کرده و همچنین به مکان موردنظر رفته و جهتگیری مناسب را نیز اتخاذ کند.

هدف اصلی نحوه و استراتژی کنترل نیرو و موقعیت است. ابتدا ربات را مدل سازی کرده ومعادلات دینامیکی مربوط به بازوی ربات با مفاصل صلب وانعطاف پذیر بررسی و سپس با استفاده از معادلات سینماتیکی و دینامیکی بدست آمده الگوریتم کنترلی مناسب ارائه شده است و در قدم بعدی طراحی، تنظیم، پیاده سازی و ساختار کنترلکننده توضیح داده شده و نتایج شبیهسازی برای کنترل کننده ربات با مفاصل صلب با استفاده از کنترل کننده 3, به طور کامل بیان گردیده است.

-1 مقدمه

امروزه با پیشرفت تکنولوژی از رباتهای مختلفی برای استفاده در صنایع مختلف بهره برداری میشود. از این رو دانشمندان علم رباتیک درتکاپوی استفادههای گستردهتر از این موضوع میباشند. ربات های جراح یکی از رباتهای پر کاربرد در تحقیقات دانشگاهی و پزشکی است. یکی از مشکلات صنایع مختلف هزینه زیاد نیروی انسانی، خطاهای انسانی در تولید و سرعت کم نیروی انسانی است. با وجود رباتها و اتوماسیون صنعتی میتوان هزینه تولید را ضمن افزایش دقت و سرعت،کاهش داد.

در این مطالعه از روش تطبیقی و برمبنای فیدبک خروجی استفاده شده است. در این روش با خطی سازی مسیر از ورودی به خروجی در دینامیک سیستم نسبت به بدست آوردن مدل تطبیقی برای سیستم کنترل از راه دور شبکه ای اقدام شده است. در این پژوهش مسئله تاخیر زمان به صورت یک پارامتر متغیر با زمان وارد شده است. همچنین ورودیهای کنترلی سیستم بصورت فیزیکی و محدود شده در نظر گرفته شده اند از این رو نیاز بوده تا حل مسئله بصورت بهینه در نظر گرفته شود. این مسئله ربات جراح را قادر میسازد تا بتواند ورودیهای کنترلی مورد نظر را به سادگی بسازد . - Changchun Hua et al, 2015 -

در این پژوهش مدل کلی سیستم پایه/پیرو در رباتهای جراح در نظر گرفته شده است. مسئله تاخیر زمانی به صورت پارامتر ثابت و متغیر با زمان در نظر گرفته شده و مسئله برای هر دو حالت حل شده است. روش کنترل در این پژوهش بصورت متنوع ولی خطی در نظر گرفته شده است و مقایسه بین روشهای مختلف بعمل امده است . - Shafiqul Islam, P et al, 2015 -

در این مطالعه مسئله کنترل از راه دور ربات جراح از طریق اینترنت انجام گرفته است. در این پژوهش، مسئله نیروی محیط به عنوان یک متغیر بیرونی در نظر گرفته شده است. متغیر نیرو در اثر نیروی بیرونی وارد شده از طرف محیط بازوی جراح مدلسازی شده است و در مسئله کنترل هدف بررسی عدم ناکارامدی روش در حضور اغتشاش نیروی محیط میباشد . - W. Lo, P et al, 2004 -

در این پژوهش از فرآیند کنترل پیش بین به منظور کنترل سیستم بازوی جراح در حضور تاخیر ناشی از کانال اینترنتی استفاده شده است. در این روش، هدف استفاده از خروجیهای گذشته به منظور تخمین خروجی آینده در حضور اغتشاش میباشد. با تخمین اغتشاش و در نظرگیری اثر آن میتوان این عامل کانال اطلاعاتی را حذف و فرآیند کنترل از راه دور را بهبود بخشید - S. Munir and W. J.,2002 -

در این مطالعه تاخیر زمانی بصورت ثابت در نظر گرفته شده است. در این پژوهش از الگوریتمهای پسیو مجموعه روشهای انتگرالی-تناسبی به منظور کنترل سیستم ربات جراح استفاده شده است . - D. Lee and M. W, 2006 - در این پژوهش تاخیر تنها در مسئله انتقال اطلاعات در نظر گرفته شده است. در این پژوهش مسئله از دست دادن اطلاعات و یا خطا در نظر گرفته شده است. از الگوریتم نیرو به منظور کنترل بازو استفاده شده است . - I. G. Polushin, P. et al, 2007 -

دراین مطالعه مسئله کنترل بازوی ربات جراح با در نظر گرفتن و یا بدون در نظرگیری گرانش انجام شده است. طی این فرآیند میتوان عملیات پردازش را بدون در نظرگیری گرانش و با قبول خطا انجام داد. چنانچه با در نظر گرفتن گرانش عملیات کنترل پیچیده تر شده ولی خطای کار کاهش مییابد . - C. C. Hua and Y. N. Yang, 2012 - در این پژوهش تاخیر زمانی کانال بصورت یک تابع متغیر با زمان در نظر گرفته شده است.

الگوریتم کنترل مقاوم به منظور بدست آوردن مدل کنترل کننده مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش برخی نامعینیهای مدل ربات و نامعینی نیرویهای برگشتی محیط در نظر گرفته شده است. مجموعه نتایج نشان از کاربردی بودن این روش دارد . - Hilliard, 2013 - دراین مطالعه شبکه ای از سیستم بازوی جراح در نظر گرفته شده است. مبنای کنترل در این روش براساس کنترل گشتاور بازوی جراح میباشد. براین اساس با محاسبه گشتاور وارد شده به بازوی جراح الگوریتم کنترلی عمل میکند . - Liu, 2013 -

در این پژوهش محدودیتهای هولونومیک برای بازوی ربات جراح در حین طی مسیر حرکت در نظر گرفته شده است. این محدودیتها میتوانند حرکت ربات جراح را با توجه به محدودیتهای سینماتیک و دینامیک آن در مسیرهای مشخصی قرار دهند. تاخیرهای زمانی در نظر گرفته شده در این پژوهش از نوع زمان متغیر میباشند . - Z. Li, X . Cao, Y, 2013 -

-2نوع وروش تحقیق

روش تحقیق حاضر، توصیفی است. در حقیقت در تحقیق بنیادی به بررسی ماهیت اشیاء، پدیدهها و روابط بین متغیرها، اصول، قوانین و ساخت یا آزمایش تئوری ها و نظریه ها پرداخته میشود. همچنین این نوع تحقیق میتواند در دو نوع تجربی و یا نظری باشد. در این مطالعه با توجه به اهداف تحقیق به شبیه سازی بازوی ماهر جراح پرداخته شده است.

شبیه سازی با استفاده از نرم افزار متلب انجام خواهد شد. معمولاً در شبیه سازی قصد تقلید داریم و رسیدن به شبیه سازی که عیناً مانند شیء اصلی عمل میکند علیرغم دشواری ساخت مطلوب نیز نمی باشد. در واقع شبیه ساز نمونه ساده شده ای از سیستم است که علاوه بر برآوردن نیازهای مدنظر، امکان فهم طرز کارکرد شیء را به دلیل سادگی و قابل درک بودن، فراهم میآورد.

-3 مدل سازی ربات جراح

در این بخش معادلات دینامیکی مربوط به بازوی ربات ها با مفاصل صلب و انعطاف پذیر ارائه شده است. بازوی یک ربات از n لینک با n اتصال تشکیل شده است. هر لینک میتواند توسط انرژیهای الکتریکی، هیدرولیکی و یا پنوماتیکی تحریک گردد. محرک ممکن است در هر اتصال بطور مستقیم قرار گیرد و یا اینکه به صورت کنترلی از راه دور اعمال شود که برخی از ان عبارتند از: تسمه، زنجیرو ... . در ربات صلب فرض میشود که همه لینک ها و کوپلینگ بین محرک ها و لینک ها کاملا صلب هستند. بنابراین دینامیک ربات صلب میتواند توصیف گردد با    nمختصات تعمیم یافته که نشاندهنده ی درجات ازادی n اتصال است.