20298

۲۰۲۹۸

مدلسازي و شبيه سازي زنجيره ي رباتيكي همكار سيار الاستيك با مفاصل دوراني كشويي -

دكتري تخصصي

ارتعاشات و كنترل

۹۲-۹۷

۱۳۹۷/۰۸/۲۳

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

مكانيك

نياز به استفاده از زنجيره‌هاي رباتيكي با حركت دقيق و سريع و همچنين مصرف انرژي بهينه سبب شده است، ساختار اينگونه از ربات‌ها بازطراحي شود. در نتيجه اين موضوع، كاربرد انواع مختلف مفاصل در زنجيره‌هاي رباتيكي الاستيك با ساختار متوالي و حلقه سينماتيكي باز و بسته مورد توجه قرار گرفته است. اين در حالي است كه استفاده از مفاصل دوراني - كشويي به‌واسطه‌ي پيچيدگي مدل‌سازي به نسبت مفاصل دوراني و يا كشويي در زنجير‌هاي رباتيكي با لينك‌هاي الاستيك به‌ندرت مورد توجه بوده ‌است. به‌واسطه‌ي تغيير طول لينك در مفاصل كشويي، معادلات ديناميكي اين نوع از زنجيره‌هاي رباتيكي به‌صورت متغير با زمان به دست آمده كه علت آن تغيير ماتريس اينرسي سيستم در حين حركت به‌صورت تابعي از زمان مي‌باشد. با افزايش تعداد لينك‌هاي زنجيره‌ي رباتيكي براي استخراج معادلات حركت، كاربرد فرمولاسيون‌هاي سيستماتيك ضروري و اجتناب ناپذير است. بنابراين فرمولاسيون گيبس اپل بازگشتي به‌واسطه بهينه بودن حجم پيچيدگي محاسباتي آن در استخراج معادلات حركت به نسبت روش‌هاي مشابه مورد بهره‌برداري قرار گرفته است. نوآوري مدل ديناميكي زنجيره‌ي رباتيكي الاستيك ارائه‌شده در اين رساله شامل: استفاده از مفاصل دوراني - كشويي در هر بازو، در نظر گرفتن اثر ديناميكي مفاصل در زنجيره‌ي رباتيكي، محاسبه تغيير فرم الاستيك لينك‌هاي زنجيره رباتيكي با استفاده از تئوري تير تيموشنكو درحالي‌كه مودشيپ‌هاي آن با زمان تغيير مي‌نمايند و همچنين مدل ارتعاشات سازه‌اي ناشي از الاستيسيته غلاف مفصل كشويي مي‌باشد. اين موارد دقت معادلات حركت را افزايش داده، همچنان كه دقت عملكردي سيستم نيز ارتقاء يافته است. براي توسعه‌ي دسترسي و فضاي كاري زنجيره‌هاي رباتيكي الاستيك، از آن‌ها در حالت سيار نيز استفاده شده است. اگرچه اين ربات‌ها محدوديت‌هايي به‌واسطه‌ي جرم جسم در پنجه، ابعاد و هندسه آن نيز دارند. بنابراين استفاده از مجموعه زنجيره‌هاي رباتيكي سيار با لينك‌هاي الاستيك و مفاصل دوراني - كشويي پيشنهاد شده است. به‌منظور عملكرد هم‌زمان اين ربات‌ها، معادلات حركت هر يك به‌صورت سينماتيكي و با تعريف ضرايب لاگرانژ به يكديگر مقيد شده و با حذف اين ضرايب، معادلات حركت مجموعه زنجيره‌هاي رباتيكي سيار همكار حاصل گرديده است. در كاربردهاي خاص، از زنجيره‌هاي رباتيكي همكار الاستيك سيار به‌صورت بازوهاي آزاد و مقيد استفاده مي‌شود. در هر دو حالت معادلات حركت برايM زنجيره رباتيكي N لينكي الاستيك استخراج شده‌اند. در حالتي كه زنجيره‌ي رباتيكي همكار حلقه سينماتيكي بسته تشكيل ‌دهد، قيود ديناميكي و سينماتيكي في‌مابين جسم مشترك و پنجه‌ي بازوها تعريف شده است. در پايان پياده‌سازي كنترل حلقه بسته براي زنجيره رباتيكي الاستيك با مفاصل دوراني - كشويي مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور، از الگوريتم كنترلي مبتني بر روش خطي سازي ورودي - خروجي براي به دست آوردن معادلات سيستم خطي معادل استفاده شده و با توجه به درجه نسبي ورودي و خروجي سيستم، ديناميك داخلي حاصل از الاستيسيته لينك‌ها بررسي گرديده است. با استفاده از مدل خطي به‌دست‌آمده، كنترلر مناسب خطي در دو حالت براي برنامه‌ريزي مسير حركت ربات طراحي و پياده‌سازي شده است. به‌منظور ارزيابي عملكرد فرمولاسيون ديناميكي استخراج شده براي زنجيره رباتيكي الاستيك با مفاصل دوراني – كشويي، از سيستم آزمايشگاهي ساخته شده در آزمايشگاه تحقيقاتي رباتيك دانشگاه علم و صنعت ايران استفاده به عمل آمده است.

1398/01/21

Modelling and Simulation of a Flexible Cooperative Mobile Manipulator with Revolute-Prismatic Joints

4/10/2019 12:00:00 AM

The needs to use manipulator with precise and fast movements while it has efficient energy consumption cause to reconstruct theire structures. Therefore, It makes the using other joint's type in serial manipulator being interesting when used with the elastic links in open or closed kinematic chain. Revolute–Prismatic joints application's in flexible links manipulator will be discussed rarely because of the model derivation complexity with respect to each other type of joints such as revolute or prismatic ones. Due to the link's length variation in prismatic joints, the manipulator's dynamic equations extracted in time varying form because of the system inertia matrix changes with respect to time during the motions. For derivation process, the systematic and automatic formulations need when the number of links and joints increase. Therefore, the Gibss-Appell formulation has been used in recursive form by considering the efficient computational complexity with respect to similar approaches. The main contribution of the models illustrated in this thesis for these type of manipulators include: utilization of revolute - prismatic joints in each arms, considering the manipulator's joints dynamic model, computations of manipulator's flexible link's deformation with the use of Timoshenko beam theory while the beam mode shapes changes in each steps, and the prismatic joints structural vibrations resulted from the joint's hub elasticity. These are improving the motion equations accuracy as well as offering the precise robotic system performance. For demonstrating the manipulators dexterity, and workspace, the flexible manipulator developed in the form of mobile robots. This robotic system has some limitations due to the object mass, dimensions and geometry where placed in robot's gripper. Therefore, the multi mobile manipulators with flexible links and revolute–prismatic joints suggested. For concurrent motions of these robots, each manipulators motion equations coupled kinematically by defining the Lagrange multipliers. Then, by omitting these coefficients, the cooperative mobile manipulator's motion equations concluded. In certain application, the cooperative flexible mobile manipulators with constrained and free arms have been studied. In both cases, the motion equations obtain for M manipulators with N flexible links. When the cooperative manipulators used in closed kinematic chain, the kinematic and dynamic constrains defined between the arm's end effector and common object. Finally, the control algorithm presents by using the input-output linearization to reach the equivalent linear dynamic model while with respect to relative degree of system's input and output, the system's internal dynamics illustrated. By using the linear equivalent model, the linear control algorithm design and implement in two approaches for system motions trajectory. For evaluating the resulted dynamic formulation for flexible manipulator with revolute – prismatic joints, the IUST experimental setup built in robotic laboratory of Iran University of science and technology has been used.