مدل سازی و طراحی کنترل کننده برای یک انگشت دارای آلیاژهای حافظه دار

آلیاژهای حافظه دار دسته ای از مواد هوشمند هستند که امروزه در صنایع مختلف از جمله سیستم های رباتیکی مورد توجه قرار گرفته اند. یکی از کاربردهای این آلیاژها در سیستم های رباتیکی، ساخت عملگرهای مورد نیاز در انگشت ها و دست های مصنوعی است. از جمله مزایای این عملگرها می توان به سادگی مکانیکی، اندازه ی کوچک، نسبت نیرو به وزن بالا و عملکرد بی سر و صدا اشاره کرد. این عملگرها دارای دینامیک مکانیکی-الکتریکی-حرارتی پیچیده بوده و نتیجتا" مدل کردن آنها دشوار است. در واقع مشکل اصلی برای مدل کردن عملگرهای حافظه دار این است که دما و تنش آن ها به طور هم زمان تغییر می کند. بنابراین انتخاب مدلی مناسب که بتواند با وجود وابستگی دما و تنش رفتار آلیاژهای حافظه دار را به خوبی پیش بینی کند از اهمیت ویژه ای برخوردار است. برای مدل کردن آلیاژهای حافظه دار مدل سینتیک تغییر فاز و مدل ساختاری نیاز می باشند. مدل سینتیک بیان کننده ی تبدیل فاز آلیاژ حافظه دار می باشد و مدل ساختاری رابطه ی بین تنش، کرنش و دمای آن را بیان می کند. هیسترزیس غیر خطی و وجود نامعینی ها نیز کنترل عملگرهای حافظه دار را دشوار می کند. مدل کردن رفتار آلیاژهای حافظه دار جهت استفاده در الگوریتم کنترل، استفاده از روش کنترلی مناسب جهت جبران هیسترزیس و غلبه بر نامعینی ها به همراه سینماتیک انگشت ربات و در نهایت بررسی نتایج موضوع اصلی این تحقیق را دربر می گیرند. در این تحقیق به منظور مطالعه ی رفتار آلیاژهای حافظه دار و بررسی عملکرد کنترل کننده های ارایه شده یک بازوی دورانی که توسط آلیاژهای حافظه دار تحریک می شود مدل شده است. همچنین تغییر دمای آلیاژهای حافظه دار به منظور تحریک آن ها به صورت الکتریکی با اعمال ولتاژ انجام می پذیرد. شبیه سازی مدل ارایه شده توسط نرم افزار matlab انجام شده است. برای بازوی دورانی ذکر شده الگوریتم های کنترلی متفاوتی طراحی شده اند. ابتدا یک کنترل کننده ی pid بر پایه ی موقعیت طراحی شده است و نشان داده شده است که این کنترل کننده برای همه ی موقعیت های زاویه ای نمی تواند به خوبی عمل کند. همچنین این کنترل کننده در تعقیب مسیر نتوانسته است که عملکرد مناسبی ارایه دهد. با توجه به وابستگی دما و تبدیل فاز آلیاژهای حافظه دار به تنش، انتخاب تنش به عنوان ورودی مرجع می تواند کارآمد باشد. بنابراین یک کنترل کننده ی مود لغزشی بر پایه ی تنش طراحی شده است. بررسی نتایج، عملکرد بهتر این کنترل کننده را هم در رسیدن به موقعیت زاویه ای مطلوب و هم تعقیب مسیر نشان می دهد. با مطالعه ی نتایج مشخص می شود که انتخاب مقادیر متفاوت برای شیب سطح لغزشی بر عملکرد کنترل کننده اثر می گذارد. بنابراین برای بهبود عملکرد کنترل کننده ی مود لغزشی از یک تنظیم کننده ی فازی برای تنظیم شیب سطح لغزشی استفاده شده است. تنظیم کننده ی فازی بر اساس ورودی خطای موقعیت طراحی شده است. عملکرد بهتر کنترل کننده ی فازی-مود لغزشی نسبت به دو کنترل کننده ی قبلی نشان داده شده است. در نهایت برای بررسی مقاوم بودن کنترل کننده ی فازی-مود لغزشی عملکرد کنترل کننده با در نظر گرفتن ممان اینرسی بازو، ضریب میرایی و ضریب جابه جایی حرارتی به عنوان نامعینی های موجود تحقیق شده است. عملکرد الگوریتم های کنترلی طراحی شده برای کنترل موقعیت یک بازوی دورانی با یک درجه آزادی که توسط آلیاژهای حافظه دار تحریک می شود مورد مطالعه قرار گرفته و همین طور نحوه ی عملکرد یک انگشت سه بندی دارای عملگرهای ساخته شده از آلیاژهای حافظه دار به همراه برخی نتایج بیان شده است.