بخشی از مقاله
چکیده -
دراین مقاله به منظور ردیابی بازوي ربات دو درجه آزادي با داشتن نامعینی هاي پارامتري، الگوریتم کنترلی مبتنی بر منطق فازي و روش مود لغزشی پیشنهاد شده است. براي جبران این نامعینی ها و تعیین سطح لغزش، در دو بخش از منطق فازي که توانایی تقریب هر نوع تابع غیرخطی را داراست استفاده گردیده است.
روش کنترلی پیشنهادي به منظور کاهش اثر تقریب، از قوانین کنترل تطبیقی مود لغزشی بهره گرفته است به طوریکه نه تنها به نامعینی هاي ساختاریافته بلکه نامعینی هاي بدون ساختار نظیر اصطکاك و اغتشاش نیز مقاوم می باشد و به منظور حذف اثر چترینگ ناشی از مود لغزشی نیز از کنترل کننده فازي استفاده نموده است . اعتبار روش پیشنهادي توسط شبیه سازي با استفاده از نرم افزار Matlab مورد ارزیابی قرار گرفته است. طبق نتایج شبیه سازي به دست آمده به ازاي ورودي هاي پله و سینوسی، کنترل کننده پیشنهادي به خوبی قادر به ردیابی خروجی می باشد و قابلیت بالاي کنترل کننده در ردیابی ورودي مرجع در حضور نامعینی ها نشان داده شده است.
-1 مقدمه
موضوع بحث در این مقاله، کنترل بازوي دو محوره - بازوي آرنجی - با استفاده از کنترل کننده مد لغزشی فازي می باشد.
کاربرد مستقیم قوانین حرکت نیوتن براي حرکت سیستم هاي ساده راحت و آسان است. اما در صورتی که تعداد ذرات سیستم بیشتر شود، استفاده از قوانین کار دشواري خواهد شد. در این حالت از روش لاگرانژ استفاده می شود. به این ترتیب می توان معادلات حرکتی براي تمام سیستم هاي دینامیکی را پیدا کرد بدین منظور روش هاي کنترلی مختلفی بر حسب شرایط در دو قالب کنترل کننده خطی و غیر خطی استفاده می شود که کنترل کننده خطی تنها در زمانی که دینامیکی ربات به صورت خطی باشد بکار می رود. در حالی که در کنترل کننده غیرخطی در زمانی که معادله دینامیکی ربات به صورت غیر خطی باشد به کار می رود. ربات ها با دینامیک انعطاف پذیر داراي دینامیک پیچیده اي هستند که ناشی از غیر خطی بودن و عدم قطعیت و انعطاف در مفاصل است. بدین منظور لازم است در روش کنترل مد لغزشی راهبرد کنترل گشتاور استفاده شود.
در این پایان نامه ترکیب منطق فازي و کنترل کننده مد لغزشی براي کنترل بهتر سیستم ربات استفاده خواهد شد. هدف از این مطالعه، غلبه بر برخی از ضعف هاي سیستم منطق فازي و کنترل کننده مد لغزشی - - SMC است. بدین صورت که یک کنترل کننده منطق فازي مستقیم طراحی شده و کنترل کننده مد لغزشی براي جبران کردن خطاهاي تقریب فازي اضافه خواهد شد.
در ادامه این مقاله داریم: در بخش 2 مدل یک بازوي ربات دو درجه آزادي و معادلات دینامیکی حاکم بر آن مورد بررسی قرار می گیرد. در بخش 3 برخی از روش هاي انجام شده براي کنترل بازوي ربات دو درجه آزادي را بررسی خواهیم کرد. در بخش 4 به پیاده سازي الگوریم کنترلی پیشنهادي پرداخته و نتایج شبیه سازي نشان داده شده است. بخش پایانی نیز به نتیجه گیري و ارایه پیشنهادات جهت ادامه کار، پرداخته خواهد شد.
-2 سوابق تحقیقی کنترل بازوي ربات دو درجه آزادي
ارائه مدل مناسبتر براي پنجه ها و بهینه سازي مسیر حرکت آنها براي کاهش توان مصرفی و یا بهینه کردن سایر پارامترهاي عملکردي ربات مانند کنترل بهینه آن یکی ازچالشهاي مهم مهندسی رباتیک است.
حل هر مساله اي باید در ابتدا با تحلیل مساله آغاز شود. طراح شبیه ساز باید از فهم کامل و شفاف مسأله اي که مطرح شده است، اطمینان حاصل نماید. یکی از اساسی ترین مسایل در طراحی سیستم هاي مکانیکی جابجایی دقیق بار میباشد. با وجودي که کاربردهاي گسترده، متنوع و رو به افزایشی از بازوهاي مکانیکی ماهر وجود دارد، اما در همه این کاربردها نیازهاي اساسی مشترکی وجود دارند، از جمله دلائل اهمیت شبیه سازي و مدلسازي حرکات دست انسان، می توان به کاربردهاي آن در سیستم هاي تحریک الکتریکی عملکردي - FES - و طراحی پروتز هاي حرکت و سیستم هاي بازتوانی حرکت دست اشاره کرد. به منظور ایجاد حرکات مناسب دست براي رسیدن به یک شی، طراحی کنترل کننده مناسب اهمیت زیادي دارد
با این وجود اصلی ترین مانع درسیستم هاي تحریک عصبی-عضلانی، غیرخطی و متغیر بودن خواص عضله تحریک شده، خستگی عضلانی و تغییر روز به روز خواص عضله می باشد. این مشکلات استفاده از الگوي تحریک از پیش تعیین شده و سیستم کنترل حلقه باز را محدود می کند .[2] با توجه به این مشکلات، لزوم کنترل حلقه بسته احساس می شود. در دو دهه اخیر روش هاي کنترلی مدار -بسته متعددي مورد ارزیابی قرار گرفته اند. روش هاي کنترلی مورد استفاده، هم از نوع جلو سو و هم از نوع پسخوردي بوده اند
در این پایان نامه کنترل کننده مدلغزشی فازي به منظور کنترل حرکت بازوي دو محوره شبیه ساز دست انسان مورد بررسی قرار می گیرد. کنترل سیستم هاي غیرخطی با فرضیات مختلف به طور گسترده اي در تحقیقات گذشته مدنظر بوده است.
باتوجه به اینکه در مدلسازي سیستم هاي واقعی دینامیک هاي غیرخطی و نیز عدم قطعیت هاي مدل وجود دارد، روش هاي مطرح شده در جهت تضمین پایداري وعملکرد مقاوم در شرایط مختلف می باشد. به طور کلی کنترل سیستم هاي غیر خطی به دو دسته کلاسیک و غیر کلاسیک تقسیم می شود که شیوه کلاسیک از روشهاي متداول کنترل استفاده می شود ودر شیوه غیر کلاسیک از روش هاي هوشمند استفاده می گردد.
ارتباط بین پارامترهاي سینماتیکی و پارامترهاي نیرو در یک سیستم بازوي دومحوره دو عضله اي در صفحه افق به وسیله معادلات دینامیک بیان می شود. همواره نخستین گام در طراحی مسیر و کنترل کننده براي هر سیستم رباتیک مدل سازي و تحلیل دینامیک سیستم مورد نظر بوده است. منظور از مدل سازي دینامیکی بیان وضعیت حرکت سیستم در اثر اعمال نیروها و گشتاورهاي خارجی با استفاده از معادلات دیفرانسیل است. بدیهی است هر چه مدل سازي دینامیکی یک سیستم ساده تر باشد کنترل آن ساده تر است و هرچه مدل غیرخطی و پیچیده باشد، کنترل آن مشکل تر است.براي استخراج معادلات دینامیکی سیستم هاي مکانیکی روش هاي مختلفی چون روش لاگرانژ ، نیوتن- اویلر و... وجود دارند که هر کدام مزایا و معایب خود را دارند
طراحی مدل در این مرحله در واقع شامل انتخاب روش مدلسازي و پیاده سازي آن می باشد. این مدل ممکن است معادله اي ریاضی باشد که در هر مرحله بااعمال تغییرات در پارامترهاي آن و یا در نظر گرفتن عوامل بیشتر در معادله، به سیستم واقعی نزدیکتر می شویم. روشهاي مختلفی براي حل تحلیلی سیستم هاي مکانیکی وجود دارد. در این بخش روش لاگرانژ به عنوان یکی از مرسوم ترین روشها، مورد استفاده قرار گرفته است.
اساس روش لاگرانژ بر پایه ي قانون بقاي انرژي است. در این روش ابتدا متغیرهاي مستقل و نیروهاي تعمیم یافته که از نیروهاي غیر پایستار تشکیل شده اند، شناسایی می شوند. روابط کلی انرژي جنبشی و پتانسیل سیستم بر اساس متغیرهاي مستقل ومشتقات آنها محاسبه میشود. لاگرانژین عبارتی است که از تفاضل انرژي جنبشی و پتانسیل تشکیل شده است. با جایگذاري عبارت لاگرانژین در معادله لاگرانژ به معادلات دینامیکی دست پیدا می کنیم.
آقاي نوشیروان در سال 2005 تغییر شکل دست انسان را طی عمل چنگ زنی مورد مطالعه قرار دادند.
در سال 2010 توزیع بهینه نیرو در پنجه هاي چند انگشتی با استفاده از سینماتیک معکوس و شبکه هاي عصبی مصنوعی مورد بررسی قرار گرفته است
نظري و همکارانش در سال 2008 خصوصیات آشوب گونه بازو در هنگام ورودي متناوب خارجی مورد بررسی قرار دادند. همچنین ایشان مسئله کنترل بازوي دو محوره با استفاده از کنترل کننده سلسله مراتبی را بررسی کردند.
نوشیروان و همکارانش در سال 2011 ضمن بررسی پدیده آشوب در مدل بازوي انسان موضوع کنترل حرکت بازوي دو محوره شش عضله اي مورد بررسی قرار دادند. روش کنترلی ارائه شده روش یادگیري تقویتی می باشد. این روش کنترلی به عنوان مدلی می باشد که عملکرد آن شبیه دوپامین در مغز انسان می-باشد که قادر است الگوي هاي تحریک را بدون احتیاج به مسیر مطلوب تولید کند.
افتخاري و همکارانش نوع خاصی از الگوریتمهاي PSO با نام الگوریتم PSO غیر همزمان بمنظور حصول به پارامترهاي کنترل کنندهایی که مشخصه هاي رفتاري بهینه و مورد نظر را به دست دهند را استفاده نمودند. علاوه بر آن روشهاي تحلیل و طراحی مربوط به سیستم هاي خطی به سیستمهاي کنترل غیر خطی چند متغیره توسعه و تعمیم داده شد و یک روش خطی سازي تحت عنوان EIDF به کار گرفته شد
مطالعات دیگري در زمینه کنترل بازو مانند استفاده از طراحی کنترل کننده VPIBC با استفاده از بهره گیري از نقشه هاي فضایی برگرفته از حرکت دست انجام گردید
در یک مقاله، کانگ و همکارانش سال 2012 یک مدل پویا که از بازوي ربات پیوسته الهام گرفته از حرکات اختاپوس پیشنهاد کردند . سینماتیک و دینامیک براي یک بازوي تک، متاثر از تجزیه و تحلیل و فرموله کردن حرکات از جمله عضلات طولی و عضلات شعاعی می باشد. در این تحقیق مدل ابتدایی یک بازو تک بوده که به یک سیستم چند بازوي با قابلیت تولید الگوهاي حرکت نمونه اولیه مانند خزنده و شناگر و ... گسترش یافته است
همچنین برخی از مطالعات کنترلی با رویکرد استفاده و کنترل سیگنال هاي مغزي براي کنترل بازو براي گرفتن یک شی بر روي میمون انجام شده است که استفاده از کنترلر براي هدایت دست با فرمان هاي مغزي با عنوان BCI شناخته می شود
در سال2015 نیز با استفاده از کنترل کننده فازي طرحی براي حل مشکل کنترل حرکت یک ربات دو بازو براي حرکت گرفتن یک شی ناشناخته با ورودي غیر متقارن مورد بررسی قرار گرفت. یک واحد منطق فازي چند ورودي - چند خروجی براي تخمین دینامیک ربات براي بدست آوردن بازده بهتر به کار گرفته شد.
در مقاله حاضر الگوریتم کنترلی مبتنی بر منطق فازي و روش مود لغزشی پیشنهاد شده است. براي جبران این نامعینی ها و تعیین سطح لغزش، در دو بخش از منطق فازي استفاده گردیده است. روش کنترلی پیشنهادي به منظور کاهش اثر تقریب، از قوانین کنترل تطبیقی مود لغزشی بهره گرفته است که در ادامه به بیان آن، پرداخته خواهد شد.
-3 مدل بازوي ربات دو درجه آزادي
یک بازوي ربات به عنوان زنجیره حرکتی از لینک هاي صلب تعریف می شود و هر درجه آزادي آن به وسیله گشتاور مستقلی کنترل می گردد. مدل ریاضی سیستم مورد بحث در این مقاله، یک بازوي ربات به صورت آرنجی است
