طراحی مسیر بهینه و کنترل فرآیند جابجایی یک جسم توسط دو بازوی همکار صفحه ای
چکیده
همکاری بین ربات ها از یک سو باعث افزایش قابلیت سیستم های رباتیکی و تنوع کاربرد های آن شده و از سوی دیگر به دلیل ایجاد زنجیره های بسته، پیچیدگی های سینماتیکی، دینامیکی و کنترلی بیشتری را به این سیستم ها تحمیل می کند. در این تحقیق ضمن مروری بر سینماتیک، دینامیک و کنترل مجموعه ای از بازوهای همکار صفحه ای، مسأله طراحی مسیر بهینه (با اندیس های مختلف بهینه سازی) در دو فاز مجزای حرکتی قبل و بعد از اتصال بازوها به جسم مورد بررسی قرار گرفته است. روابط سینماتیکی یا ارتباط متغییرهای فضای کار و فضای مفاصل در دو فاز حرکتی سیستم، به طور جداگانه و به دو صورت جبری و دیفرانسیلی یا به عبارت دیگر در دو فرم موقعیت وسرعت، با استفاده از قیود هندسی مکانیزم استخراج شده اند. معادلات دینامیک مکانیزم در فاز نزدیک شدن بازوها به جسم با بکارگیری دو روش نیوتون-اویلر بازگشتی و لاگرانژ و در فاز انتقال جسم توسط بازوها با استفاده از روش لاگرانژ برای سیستم های مقید به دست آمده اند. در ادامه، مسأله کنترل سیستم بازوهای همکار بررسی شده است. کنترل بازوهای مکانیکی همکار به دو روش کلی غیرمتمرکز یا مجزا و متمرکز یا یکپارچه امکان پذیر است. در روش غیرمتمرکز، هر بازو به صورت جداگانه کنترل شده ولی در روش متمرکز مجموعه بازوهای همکار به عنوان یک سیستم واحد در نظر گرفته شده وتنها یک کنترل کننده برای کنترل کل سیستم طراحی می شود. با معرفی روش های گوناگون کنترلی برای کنترل سیستم های رباتیکی، در نهایت با طراحی کنترل کننده به دو روش یکپارچه تورک محاسباتی و فازی، مسأله قرار گرفتن مکانیزم در یک مسیر مشخص توسط این دو کنترل کننده مورد بررسی قرار گرفته است. طراحی مسیر بهینه موضوع اصلی این تحقیق است. در این تحقیق مسأله طراحی مسیر بهینه در دو فاز مجزای نزدیک شدن بازوها به جسم و انتقال جسم توسط بازوها، به ترتیب در فضای مفاصل و فضای کاری ربات بررسی شده است. در فاز نزدیک شدن بازوها به جسم بهینه یابی بر روی سه اندیس زمان (جهت کمینه کردن زمان رسیدن بازوها به جسم)، سینماتیکی (جهت کمینه کردن انتگرال مجذور نُرم دوم مفاصل ربات) و دینامیکی (جهت کمینه کردن انرژی مصرفی عملگرها) انجام گرفته است. همچنین در فاز انتقال جسم توسط بازوها اندیس های سینماتیکی و دینامیکی جهت دست یافتن به مسیر بهینه انتخاب شده اند. بهینه سازی دینامیکی با استفاده از توابع تقریبی و به کمک سه روش متفاوت گسسته سازی فیزیکی، گسسته سازی ریاضی با استفاده از چندجمله ای های ساده تابع زمان و گسسته سازی ریاضی با استفاده از ترکیب خطی تعداد محدودی از چندجمله ای های لِژاندر انتقال یافته به یک مسأله بهینه سازی پارامتری تبدیل و سپس به کمک الگوریتم ژنتیک حل شده اند. با اعمال سه دسته قیود سینماتیکی، دینامیکی و هندسی وارد بر سیستم به فرم توابع پنالتی به مسأله مورد نظر، مشخص شد که روش گسسته سازی ریاضی با ترکیب خطی تعداد محدودی از چندجمله ای های لژاندر انتقال یافته به دلیل بالا بودن فضای جستجوی آن، منجر به نقطه کمینه مناسب تر برای اندیس های مورد نظر خواهد شد.