کنترل ربات با کمبود عملگر

سیستمهای رباتیکی با کمبود عملگر سیستمهایی هستند که همه درجات آزادی و یا مفاصل ربات دارای عملگر نبوده و به طور مستقیم کنترل پذیر نمی باشند. این رساله، بر موضوع کنترل یک ربات با کمبود عملگر در تعامل با محیط و بدون آن تمرکز یافته است. بدین منظور، ابتدا دینامیک ربات با کمبود عملگر در فضای کاری (مجری نهایی و پایه) با استفاده از ماتریس ترانهاده ژاکوبین موثر، بدست آمده است. سپس، برای کنترل یک ربات با کمبود عملگر بدون تعامل با محیط، روش کنترلی مدل-مبنا (mba)، روشهای کنترلی ترانهاده ژاکوبین موثر (tej) و ترانهاده ژاکوبین موثر بهبود داده شده (mtej) در فضای کاری طراحی شده اند. برای کاهش حجم محاسبات کنترلی و فراهم آوردن امکان پیاده سازی مناسب، در الگوریتمهای کنترلی tej و mtej نیاز به استفاده از ترمهای غیرخطی و بخشی از ماتریس جرم متناظر با مفاصل غیر فعال حذف گردیده اند. در ادامه، برای رباتهایی که مفصل آخر آنها غیر فعال است، روشی با استفاده از تغییر مختصات ارائه می شود که با استفاده از آن می توان ماتریس ژاکوبین موثر را دیکوپله کرد تا نیاز به محاسبه ماتریس اینرسی از بین برود. از آنجاییکه ممکن است صفر شدن سرعت در همه درجات آزادی ربات در انتهای مسیر مورد نیاز باشد، لذا روشی نیز بر پایه سوییچینگ برای حذف حرکت داخلی ربات پیشنهاد شده است. برای طراحی کنترل کننده در رده سرعت در فضای کاری، ماتریس ژاکوبین موثر به عنوان نگاشت سرعت مفاصل فعال به سرعت متغیّرهای فضای کاری برای رباتهایی که مفصل آخر آنها غیر فعالست، استفاده شده است. با استفاده از این نگاشت، کنترل کننده های وارون ژاکوبین موثر (iej)، tej و mtej در رده سرعت ارائه گردیده است. برتری الگوریتم tej و mtej بر iej در نداشتن نقاط تکین می باشد. همچنین، الگوریتم کنترلی mtej هم خاصیت tej در نداشتن نقاط تکین را داراست و هم خطی سازی تقریبی ایجاد می کند که منجر به حذف بهتر خطا نسبت به tej می گردد. نتایج تجربی که از همکاری آزمایشگاه رباتیک دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیر با انستیتو کنترل اتوماتیک دانشگاه فنی درسدن آلمان حاصل شد‏، توانمندی کنترل کننده های سینماتیکی ارائه شده را نشان می دهند. رباتهای با کمبود عملگر به دلیل داشتن مفاصل غیر فعال، عملکرد متفاوتی نسبت به رباتهای با عملگرهای کاملا فعال از خود نشان می دهند. از اینرو، در ادامه برای امکان ارزیابی حرکت ربات و انتخاب مسیرهای مطلوب مناسب، یک شاخص عملکردی جدید بر پایه مهارت دینامیکی و عدد وضعیت متناظر با آن و همچنین سرعت مفاصل، پیشنهاد شده است. با استفاده از این شاخص، مسیر زمانی نقطه به نقطه برای مجری نهایی و پایه با قید ساکن شدن ربات در انتهای حرکت با بکارگیری الگوریتم ژنتیک طراحی شده است. برای کنترل یک ربات با کمبود عملگر در تعامل با محیط، در به انجام رساندن وظیفه جابجایی بار، دینامیک الحاقی جسم و ربات در فضای کاری ارائه و برای ایجاد برخوردی نَرم میان جسم حمل شونده و محیط، الگوریتم کنترلی امپدانس توسعه داده می شود. سپس برای کاهش حجم محاسبات مدل دینامیکی در کنترل کننده، الگوریتم کنترلی امپدانس تقریبی ارائه گردیده است. نیاز به استفاده از ترمهای غیرخطی در این کنترل کننده حذف گردیده و حجم مدل استفاده شده با استفاده از استراتژی یک گام زمانی قبل کاهش یافته است. در ادامه، با استفاده از نیروی عمودی حاصل از تعامل جسم و محیط، الگوریتمی جدید ارائه شده که بتوان با تنظیم این نیرو، حرکت داخلی موجود در رباتی را که مفصل آخر آن غیر فعالست، حذف کرد. حمل اجسام سنگین معمولاً توسط چند ربات انجام می گیرد، لذا اگر این رباتها با کمبود عملگر باشند اتمام این وظیفه حائز اهمیت است. از اینرو کنترل همکاری رباتهای با کمبود عملگر برای حمل بار به دو روش برای شرایط متفاوت انجام شده است. در روش اول، ابتدا مدلسازی دینامیکی هر کدام از رباتهای همکار و جسم به طور مستقل نوشته شده و سپس کنترل کننده امپدانسی و همچنین امپدانس تقریبی برای همکاری میان رباتها توسعه داده شده است. در روش دوم، ابتدا دینامیک یکی از رباتها که جسم را به صورت صلب گرفته به صورت الحاقی و بقیه رباتها به صورت مستقل در فضای کاری توسعه داده می شوند. سپس با استفاده از اعمال کنترل امپدانس به ربات و جسم الحاقی و نیز بقیه رباتها، نیروها/گشتاورهای کنترلی به دست می آیند. لازم به ذکر است که در فصول و مباحث مختلف این پایان نامه، نقش متحرک بودن پایه ربات با کمبود عملگر نسبت به پایه ثابت در عملکرد کنترلی برای تعقیب مسیر مطلوب نیز مورد بررسی قرار گرفته است.