11225

11225

افزايش بار مجاز ربات كابلي انعطاف پذير به روش كنترل بهينه حلقه بسته

دكتري

مكانيك

پروفسور حبيب نژاد كورايم

چكيده ربات‌هاي كابلي از انواع جديد ربات‌هاي موازي بوده كه در آن استفاده از كابل به جاي لينك باعث ايجاد وزن كمتر براي ربات، ظرفيت حمل بالا و دقت و سختي قابل قبول شده است و امكان استفاده از آن‌ها را در بسياري از كاربردهاي صنعتي مانند جرثقيل‌ها فراهم كرده است كه در آن تمام شش درجه آزادي فضايي بار قابل كنترل است. در كنار اين مزيت‌ها، به علت ماهيت ديناميك غير خطي اين ربات موازي، خاصيت ذاتي كابل‌ها در عدم تحمل فشار و هم چنين امكان ايجاد نوسانات زياد در اين گونه از ربات‌ها بحث كنترل عملگر نهايي در آن چالش انگيزتر از ربات‌هاي سري و لينكي خواهد بود. كنترلر در اين گونه از ربات‌ها علاوه بر تأمين دقت مناسب و برآورده سازي بهينه سازي‌هاي مورد دلخواه، مقيد به ارضاي قيد مثبت ماندن كشش كابل‌ها نيز خواهد بود. از آنجا كه مهم‌ترين كاربرد اين ربات‌ها حمل بار در مسير دلخواه يا بين دو نقطه مشخص در محيط هاي صنعتي و عمراني است، افزايش ظرفيت حمل بار و يافتن مسير بهينه ما بين دو نقطه با بيشترين توان حمل بار، آن هم به شكل حلقه بسته كه دقت بالايي تأمين كرده و در مقابل عدم قطعيت‌ها مقاوم باشد مي‌تواند مفيد واقع گردد. هدف اين رساله آن است تا عملگر نهايي ربات كابلي مذكور را به گونه اي در مسير بهينه‌ي طراحي شده كنترل كند تا ظرفيت حمل بار افزايش يابد. در اين راستا دو استراتژي متفاوت پيش رو خواهد بود. رويكرد اول آن است كه مسير بهينه كه به منظور افزايش ظرفيت حمل بار در حالت خارج خط طراحي شده به عنوان ورودي مسير دلخواه كنترلر به كنترلر وارد گشته و با طراحي مناسب كنترلر، عملگر نهايي با خطاي هر چه كمتر بر روي مسير بهينه‌ي طراحي شده هدايت گردد. به اين ترتيب نه تنها قيد مينيمم گشتاور كه باعث افزايش حمل بار مي‌شود به كمك روش كنترل بهينه تأمين مي‌گردد بلكه قيد دقت كنترلر، فضاي كاري مجاز و تداخل كابل‌ها نيز به علت اعمال دستورات كنترلري تضمين مي‌شود. رويكرد دوم استفاده از روش كنترل بهينه‌ي حلقه بسته براي حركت دادن عملگر نهايي از نقطه آغازي مشخص به نقطه‌ي پاياني مشخص مي‌باشد. در اين روش تنها نقاط ابتدايي و انتهايي مشخص بوده و ورودي‌هاي كنترلي به گونه اي تعيين مي‌گردد كه گشتاورهاي لازم براي موتورها كمينه و در نتيجه ظرفيت حمل بار آن بيشينه گردد. بنابراين روند مسير بهينه توسط سيستم كنترلي تعيين مي‌گردد. در اين روش نيز علاوه بر قيد گشتاور و دقت مجاز، به بررسي قيد حضور مانع بر سر راه عملگر نهايي و هم چنين بحث مرزهاي متحرك پرداخته و كنترلر تطبيقي براي اين قيود طراحي مي‌گردد. پياده سازي اين روش‌ها بر روي ربات كابلي ايده‌آل نشان دهنده‌ي كارايي آن‌ها در نائل آمدن به افزايش ظرفيت حمل بار است. به علت حساس‌تر بودن اين مسئله در مورد ربات‌هاي كابلي با موتور و يا كابل‌هاي انعطاف‌پذير كه مدلي نزديكتر به واقعيت هستند، ايده‌ي پياده سازي اين روش‌ها براي ربات‌هاي انعطاف پذير با عدم قطعيت‌هاي پارامتري و ساختاري كه در آن قيد دقت مسير به علت انعطاف پذيري سازه اهميت پيدا مي‌كند نيز در اين رساله گسترش داده خواهد شد. به همين منظور كنترلر مقاوم نيز طراحي و به سيستم اضافه مي‌گردد. در پايان هر قسمت نيز كارايي روش‌هاي پيشنهاد شده به كمك انجام شبيه سازي‌هاي مقايسه اي و تحليلي به اثبات رسيده و به كمك تست‌هاي آزمايشگاهي انجام شده بر روي نمونه‌ي ربات كابلي مقيد ناقص ساخته شده در دانشگاه علم و صنعت (ICaSbot) با شش درجه آزادي و شش كابل مورد بازبيني و صحه سنجي قرار خواهند گرفت. اين ربات در اين پژوهش به كمك روش بازخورد خطي سازي شده‌ي پيشنهاد شده در اين رساله به شكل حلقه بسته ارتقا پيدا كرده است. كلمات كليدي: ربات كابلي، كنترل بهينه حلقه بسته، بازخورد خطي سازي شده، LQR، تعقيب مسير (Tracking)، تنظيم‌گر (Regulator)، كنترلر بازدارنده از برخورد با مانع تطبيقي، كنترل مقاوم، عدم قطعيت مفصل و كابل انعطاف‌پذير