شماره ركورد
34209
پديد آورنده
پويا ملاحي كلاهي
عنوان
مدلسازي ديناميكي و كنترل ربات هوشمند فرومغناطيسي نرم در محيطهاي پيچيده
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1399
تاريخ دفاع
1404/07/14
استاد راهنما
دكتر محرم حبيب نژاد كورايم
استاد مشاور
/
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
پيشرفتهاي اخير در رباتيك پزشكي، زمينهساز توسعه رباتهاي هوشمند مغناطيسي با قابليت هدايت توسط ميدانهاي مغناطيسي خارجي شده است. اين رباتها به دليل انعطافپذيري بالا و مقياس كوچك، امكان دسترسي به مسيرهاي پيچيده و باريك آناتوميكي مانند رگهاي خوني و مجاري داخلي بدن را فراهم ميكنند. با اينحال، پيشبيني و كنترل تغيير شكل آنها تحت اثر ميدانهاي مغناطيسي به دليل ماهيت پيوسته و درجه آزادي بالا، چالشي اساسي محسوب ميشود. دستيابي به عملكرد دقيق و ايمن در چنين كاربردهايي مستلزم ارائه مدلهاي رياضي و رويكردهاي كنترلي پيشرفته براي تحليل و هدايت اين رباتها است. در اين رساله، مدلسازي رباتهاي هوشمند فرومغناطيسي تحت تأثير ميدان مغناطيسي خارجي توليدشده توسط سيستمهاي الكترومغناطيسي ارائهشده است. با استفاده از تئوري كاسرات، معادلات سينماتيكي تغيير شكل رباتها استخراج شده و تعادل بين موقعيت، جهتگيري، نيرو و گشتاورهاي داخلي حل شده است. به منظور اعتبارسنجي مدل، نتايج شبيهسازي ربات مغناطيسي با شبيهسازيهاي كامسول و دادههاي آزمايشگاهي اخير مقايسه گرديد. مقايسهها نشان داد كه مدل پيشنهادي تغيير شكلها را با دقت بالايي پيشبيني ميكند، بهطوريكه خطاي پيشبيني در طول ربات كمتر از 8 % بوده است. همچنين، تأثير پارامترهاي هندسي كليدي شامل طول و سطح مقطع بر ميزان تغيير شكل بررسي شد و تحليلها نشان داد كه تغيير اين پارامترها نقش قابل توجهي در بهينهسازي عملكرد رباتهاي فرومغناطيسي دارد. اين دقت و تحليل كمي، اهميت ويژهاي براي كاربردهاي پزشكي و هدايت ايمن رباتها دارد. در ادامهي رساله، مدل ديناميكي رباتهاي هوشمند فرومغناطيسي تحت اثر ميدان مغناطيسي خارجي ارائهشده است. مدلسازي بر پايهي تئوري كاسرات و گسستهسازي هندسي ربات انجام شده تا تحليل دقيق رفتار ديناميكي و پيادهسازي سريعتر شبيهسازيها فراهم گردد. براي اعتبارسنجي، نتايج شبيهسازيهاي عددي با دادههاي آزمايشگاهي و نتايج بخش اول رساله مقايسه شدند. اين مقايسه نشان داد كه مدل پيشنهادي رفتار ديناميكي رباتها را با خطاي كمتر از 7 % پيشبيني ميكند و تطابق مناسبي با دادههاي تجربي دارد. نتايج نشان ميدهند كه مدل ارائهشده قابليت قابلتوجهي براي تحليل و طراحي كنترل رباتهاي هوشمند در كاربردهاي پزشكي پيچيده فراهم ميكند. در بخش پاياني رساله، يك كنترلكننده مبتني بر مدل براي رباتهاي هوشمند فرومغناطيسي ارائهشده است. اين كنترلكننده با تركيب اطلاعات مدلهاي سينماتيكي و ديناميكي، تغيير شكل ربات را پيشبيني كرده و آن را بهصورت زمان واقعي كنترل ميكند؛ اين قابليت، انجام وظايف حساس پزشكي در محيطهاي پيچيدهي بدن را ممكن ميسازد. طراحي كنترلكننده در دو مرحله انجام شد: ابتدا، يك شبكه عصبي براي نگاشت موقعيتهاي هدف به تغيير شكلهاي متناظر، بر اساس مدل سينماتيك، آموزش داده شد؛ سپس، يك كنترلكننده مد لغزشي غيرخطي براي تضمين پايداري و دقت در تنظيم موقعيت نوك ربات و دنبالكردن مسيرهاي موردنظر توسعه يافت. نتايج شبيهسازيهاي نقطهبهنقطه و مسيرمحور نشان داد كه كنترلكننده قادر است موقعيتهاي هدف را با خطاي كمتر از 2 % نسبت به طول ربات دنبال كند. اين عملكرد، اثربخشي روش پيشنهادي را در كاربردهاي پزشكي دقيق و زمان واقعي نشان ميدهد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/09/26
عنوان به انگليسي
Dynamic Modeling and Control of a Soft Intelligent Ferromagnetic Robot in Complex Environment
تاريخ بهره برداري
10/6/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
پويا ملاحي كلاهي
چكيده به لاتين
Recent advances in medical robotics have enabled the development of intelligent ferromagnetic robots that can be guided by external magnetic fields. Due to their high flexibility and small scale, these robots can access complex and narrow anatomical pathways, such as blood vessels and other intricate structures. However, predicting and controlling their deformation under magnetic fields remains a significant challenge due to their continuum nature and high degrees of freedom. Achieving accurate and safe operation in such applications requires the development of precise mathematical models and advanced control strategies for the analysis and guidance of these robots. In this dissertation, the modeling of intelligent ferromagnetic robots under the influence of external magnetic fields generated by electromagnetic systems is presented. Using Cosserat theory, the kinematic equations describing the robots’ deformation were derived, and the equilibrium between position, orientation, internal forces, and moments was solved. To validate the model, the simulation results of the magnetic robots were compared with COMSOL simulations and recent experimental data. The comparisons showed that the proposed model predicts the deformations with high accuracy, with a prediction error along the robot length of less than 8%. Furthermore, the effects of key geometric parameters, including length and cross-sectional area, on the deformation were investigated, revealing that variations in these parameters play a significant role in optimizing the performance of ferromagnetic robots. This quantitative accuracy and analysis are particularly important for medical applications and the safe guidance of these robots. Subsequently, the dynamic modeling of intelligent ferromagnetic robots under the influence of external magnetic fields is presented. The modeling is based on Cosserat theory and geometric discretization of the robots, enabling precise analysis of their dynamic behavior and more efficient implementation of numerical simulations. To validate the model, the numerical simulation results were compared with experimental data and the findings from the first part of the dissertation. The comparison showed that the proposed model predicts the robots’ dynamic behavior with a prediction error of less than 7%, demonstrating good agreement with experimental data. These results indicate that the developed model provides a significant capability for analyzing and designing the control of intelligent robots in complex medical applications. In the final part of the dissertation, a model-based controller for intelligent ferromagnetic robots is presented. This controller combines information from the kinematic and dynamic models to predict the robot’s deformation and control it in real time, enabling the execution of delicate medical tasks within complex anatomical environments. The controller design was carried out in two stages: first, a neural network was trained to map target positions to the corresponding deformations based on the kinematic model; then, a nonlinear sliding mode controller was developed to ensure stability and accuracy in positioning the robot tip and following the desired trajectories. Point-to-point and trajectory-based simulation results demonstrated that the controller can track target positions with a prediction error of less than 2% relative to the robot length. This performance highlights the effectiveness of the proposed approach for precise, real-time medical applications.
كليدواژه هاي فارسي
ربات هوشمند مغناطيسي , مدلسازي سينماتيك , مدلسازي ديناميك , تئوري كاسرات , شبكه عصبي , كنترل غيرخطي
كليدواژه هاي لاتين
Ferromagnetic continuum robot , Kinematic Modeling , Dynamic Modeling , Cosserat Theory , Neural Networks , Nonlinear Control
Author
Pouya Mallahi Kolahi
SuperVisor
Moharam Habibnejad Korayem