23891

طراحي مشاهده‌گر و اعمال روش اندازه‌گيري خيز بر روي ربات الاستيك

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1397-1399

1399/11/20

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مهندسي مكانيك

دستگاه‌ها با لينك¬هاي انعطاف¬پذير يكي از مباحث اصلي در علم رباتيك به جهت اهميت مصارف انرژي پايين براي حمل و جابجايي بار¬هاي مكانيكي مي¬باشند. با بهره¬گيري از لينك¬ها با ضخامت كم روي جابجا كننده¬ ها، وزن ربات كاهش مي¬يابد. در اين بحث، موضوع قابل ملاحظه¬، بازوي انعطاف‌پذير كه عامل به وجود آمدن درجات آزادي اضافي روي سيستم است، باعث محدوديت كاري از جمله حمل بار سبك¬تر، كاهش دقت و در نتيجه نياز مجموعه به واحد كنترلي مي¬شود. مطابق با اين امر كه دستگاه‌ها با چند بازوي الاستيك تا پيش از اين به كمك مفاصل دوراني مورد بررسي و كنترل قرار مي¬گرفته¬اند، موضوع مورد بررسي در اين پژوهش يك مدل ديناميكي با مفاصل كشويي و دوراني است. خاصيت مفصل كشويي و در نتيجه تغيير طول لينك، معادلات ديناميكي سيستم را متغير با زمان مي¬كند. خاصيت لينك انعطاف¬پذير نيز، باعث غير‌خطي بودن معادلات مي¬شود. در اين پروژه، بررسي و تحقيق بر روي يك مدل آزمايشگاهي از پيش ساخته‌شده است كه حاوي مفاصل دوراني و كشويي است كه يك لينك انعطاف¬پذير را جابجا مي¬كنند. ضمن كاليبره نمودن حس¬گر كرنش و اصلاح مدار الكترونيكي آن، حسگر¬هاي ديگري جهت صحت سنجي عملكرد مجموعه پيشنهاد مي¬شود. سيستم موجود حاوي ¬حس¬گر¬هاي كرنش جهت بررسي كرنش، خيز و ارتعاشات عرضي سيستم است. از آنجا كه اين حس¬گر¬ها داراي نويز و خطاي بالا مي¬باشند، روش كاليبره نمودن حس¬گر¬ها و درنهايت طراحي مشاهده¬گر براي خيز لينك الاستيك ارائه مي¬شود تا بستر مناسبي براي كنترل مجموعه بدون استفاده از حس¬گر دقيق و افزايش دقت داده¬هاي بازخورد مجموعه، آماده شود. مدل ديناميكي استفاده شده در اين مجموعه، به كمك روش لاگرانژ استخراج گرديده است و روش طراحي مشاهده¬گر اوليه به كمك روش لوئنبرگر است. در طراحي اوليه مشاهده‌گر، چند جابجا كننده ديگر مورد بررسي قرار گرفته اند. منطبق بر غيرخطي بودن سيستم الاستيك، نخستي مبحث كنترلي مورد استفاده روش طراحي مود لغزشي مناسب در سيستم تك لينك با يك مفصل دوراني است، لذا مشاهده¬گر طراحي شده مشاهده¬گر مودلغزشي است. در سيستم تك لينك با مفاصل دوراني كشويي نيز از مشاهده‌گر با ضرايب تناسبي انتگرالي مشتق‌گير در كنار مشاهده‌گر با ساختار فيلتر كالمن استفاده شده است. در راستاي بررسي دقيق و صحت سنجي مجموعه، سيستم تجربي اين ربات راه¬اندازي شده است و داده¬هاي جديد با داده¬هاي گزارش شده گذشته مقايسه مي¬شود. ضمن بررسي انواع مشاهده‌گر خطي و غيرخطي اعمال شده بر ربات‌ها با مفاصل انعطاف‌پذير، تخمين‌گر بيان شده داراي خطاي تخمين تا 10% خطا در متغير خيز و خطاهاي 3 و 5 درصد در تخمين متغير‌هاي زاويه و طول مي‌باشد. در پايان ضمن اصلاح و توضيح مدار الكترونيكي مجموعه روش¬هاي اندازه¬گيري تغيير شكل¬ لينك مفروض به تفصيل ارائه مي¬شود.

1400/03/28

Observer design and applying a deflection measurement method on an elastic robot

2/9/2022 12:00:00 AM

Flexible link systems are one of the main topics in robotics due to the importance of low energy consumption for transporting and handling mechanical loads. By using thin links on the manipulator, the weight of the robot is reduced. In this context, there is a significant issue of additional degrees of freedom on the system, which limits the work. Lighter load handling, reduced accuracy, and therefore the need for a control unit are examples of this problem. Since multi-degree elastic systems have already been studied and controlled by rotary joints, the subject of this study is based on a dynamic model with prismatic and rotating joints. The prismatic joint property, resulting in a change in link length, changes the system's dynamic equations over time. The flexible link property also makes the equations nonlinear. In this thesis, research is conducted on a prefabricated laboratory model that contains rotating and prismatic joints that move a flexible link. While calibrating the strain sensor and modifying its electronic circuit, other sensors are proposed to verify the performance of the system. The existing system contains strain sensors to study the strain, rise and transverse vibrations of the system. Since these sensors have high noise and error, the method of calibrating the sensors and the observer design for the elastic link is provided to provide a suitable platform for controlling the set without using precision sensors and increasing the accuracy of collection feedback data. The dynamic model used in this set is derived using the Lagrange method and the simplified observer design method is using the Leuenberger method. In the single-link system with prismatic rotary joints, the observer with the proportional integral and derivative coefficients is used alongside the observer beside the Kalman filter structure. In order to thoroughly examine and validate the collection, the experimental system of this robot has been set up and the new data is compared with the previously reported data. While examining the types of linear and nonlinear observers applied to robots with flexible links, the stated estimator has an estimation error of up to 10% error in the deflection variable and errors of 3 and 5% in estimating the angle and length variables. Finally, while modifying and explaining the electronic circuit, a set of methods for measuring the deformation of the assumed link is presented in detail.

ربات انعطاف پذير , مشاهده¬گر , لوئنبرگر , مودلغزشي , سيستم متغير با زمان , غيرخطي , مفصل دوراني كشويي

Flexible Link manipulato , Observer , Leuenberger , PID , Time-variant system , rotary-prismatic joint