بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله رباتی انعطافپذیر دارای دو بازو مدنظر است. در اثر دوران بازوهای ربات دچار ارتعاش شده و همین ارتعاشات حرکت دورانی ربات را تحت الشعاع قرار میدهند. از این رو هدف اصلی این مقاله کنترل ارتعاشات بازوهای ربات میباشد. فرض شده است که لایههای پیزوالکتریک به عنوان عملگر و حسگر بر روی بازوهای ربات چسبانده شدهاند. همچنین ربات ربات دارای دو درجه آزادی میباشد که توسط دو موتور این حرکات دورانی کنترلر میگردد.
ابتدا معادلات دینامیکی ربات دو درجه آزادی انعطافپذیر با استفاده از روش انرژی و روش مودهای فرضی استخراج گردید. سپس از کنترل تطبیقی مود لغزشی استفاده میشود که علاوه بر کنترل مانور ربات، ارتعاشات بازوهای آن را نیز کاهش دهد. در پایان کل سیستم شبیه سازی شده و نتایج شبیهسازی حاکی از عملکرد مطلوب کنترل تطبیقی مود لغزشی میباشد.
مقدمه
در زمینه مدلسازی سازه های انعطاف پذیر فعالیتهای بسیار زیادی صورت گرفته و در مقالات متعددی مطالعات بسیاری توسط محققان مختلف انجام گرفته است. حجم زیادی از این مطالعات توسط تعدادی از مولفان، از جمله میزرا و ورکم [1]، مودی [2]، مودی و مان [3]، چن و همکارانش [4]، دوبوسکی و پاپادوپولوس [5] و دیگران، انجام شده است.
در تحقیقات مختلفی به مساله کنترل ارتعاشات تیر انعطافپذیر پرداخته شد. اردانگ و همکارش [6] ارتعاشات پانل هوشمند یک ماهواره انطافپذیر را کنترل نمودند. ایکسین و پن [7] نیز در تحقیقی با استفاده از کنترل بهینه ارتعاشات ماهواره ای را کنترل نمودند.
به منظور کاهش ارتعاشات موجود در سازه هایی مانند ماهواره ها و یا ربات های انعطاف پذیر با پیشرفت های حاصل شده در زمینه ساخت سنسورها بسیاری از محققان به استفاده از مواد هوشمند به خصوص مواد پیزوالکتریک روی آوردند. در زمینه مدلسازی مواد پیزوالکتریک به عنوان قسمتی از یک تیر و یا به عنوان لایه ای که بر روی تیر اصلی قرار گرفته، از جمله اولین کارهای انجام شده، می توان به تحقیق انجام شده توسط بیلی و هوبارت [ 8] اشاره نمود.
در این مقاله با استفاده از تنش ایجاد شده در لایه پیزوالکتریک در اثر اعمال ولتاژ و تاثیر این تنش بر روی تیر روابط دینامیکی استخراج شده است. پس از آن در بررسیهای انجام شده توسط کرالی و لویس [9] و کرالی و اندرسون [10] پس از مدلسازی دینامیک تیری که پیزوالکتریک بر روی آن و یا به صورت لایهای در داخل تیر قرار داشت، محل بهینه قرارگیری لایه پیزوالکتریک بررسی شد و سپس با استفاده از نمونه آزمایشگاهی تاثیر لایه پیزوالکتریک در خواص الاستیک انواع مختلف کامپوزیت ها تحقیق شده است. پس از تحقیقات انجام شده در زمینه مدلسازی سازههای انعطافپذیر ساخته شده و یا پوشیده شده از مواد پیزوالکتریک، بسیاری از محققان به بررسی و ارائه روش های کنترلی جهت کاهش ارتعاشات سازه های انعطاف پذیر با وجود لایه های مواد پیزوالکتریک بر روی این سازهها پرداختند.
سان و میلز [11] پس از درنظر گرفتن پیزوالکتریک به عنوان ممان خارجی و مدل نمودن یک ربات یک عضوی، یک کنترل تناسبی- مشتقی برای مفصل و با استفاده از روش لیاپانوف برای PZT کنترلی به گونهای ارائه کردند که سیستم در مجموع پایدار میشد. کنترل ارائه شده برای پیزوالکتریک به گونه ای طراحی شده است که تنها نیاز به استفاده از سرعت خطی انتهای تیر میباشد. در تحقیق دیگری سان و میلز [12] از ایده مفصل مجازی نیز استفاده کردند.
پس از آن در کار انجام شده توسط لین و هوانگ [13] پس از استفاده از روش همیلتونین و اجزاء محدود، دینامیک یک تیر استخراج و تحلیل شد و سپس کنترلی بر اساس روش لیاپانوف برای آن ارائه شد. در این تحقیق از پیزوالکتریک هم به عنوان سنسور و هم به عنوان عملگر استفاده شده بود. سپس جلیلی و همکارانش [14] با استفاده از روش لیاپانوف کنترلی تطبیقی برای یک ربات انعطاف پذیر با پایه متحرک ارائه نمودند. مشابه همین روش بر پایه روش لیاپانوف کنترلی توسط دادفرنیا و همکارانش [ 15] و همچنین سان و همکارانش [16] ارائه شده است.
در تحقیق دیگری توسط لین و نین [17] با استفاده از روش کنترل بهینه ارتعاشات یک تیر یکسر گیردار کنترل شد. در این تحقیق تاثیرجهتگیری فیبر های تیر که از جنس مواد مرکب انتخاب شده بود و نیز محل قرارگیری عملگرها بررسی شده است. در تحقیقات متعددی که عمدتا آقای هو در آنها همکاری داشته اند از کاربرد مواد پیزوالکتریک در کاهش ارتعاشات تیر انعطافپذیر بهره برده شده است 18] تا .[20 حسنشاهی و همکارش [21] در تحقیقی به بررسی ارتعاشات تیر مدرج تابعی با تحریک تکیه گاه پرداختند.
اگرچه در سال های اخیر پیشرفتهای چشمگیری در بسیاری از جهات در زمینه رباتهای انعطافپذیر صورت گرفته است با این وجود هنوز مسائل بسیاری حل نشده باقی مانده است و ارائه کنترلی ساده، کارآمد و قابل اطمینان برای این دسته از رباتها زمینه فعالیت های آینده خواهد بود. به منظور کنترل ربات های مدل شده در مقالاتی که مختصرا ذکر شد، کنترلهای متنوعی ارائه شده است. درکنار کنترل های ارائه شده استفاده از مواد پیزوالکتریک می تواند کمک شایانی به میرا نمودن ارتعاشات سازه انعطاف پذیر بنماید. این مواد هوشمند که قالبا از نوع لید زیرکنات تیتانات هستند به عنوان سنسور و همچنین محرک به سازه کوپل می شوند و سپس با اعمال یک کنترل مناسب می توانند پاسخ سازه را به نحو مطلوب تغییر دهند. از این مواد در کنترل ارتعاشات رباتها نیز استفاده میشود.
