امروزه ربات های دوپا توجه بسیاری از محققان در سراسر دنیا را به خود جلب کرده است و تحقیقات زیادی در این زمینه در حال انجام می باشد. ربات های دوپا دارای تحرک پذیری بهتری نسبت به ربات های چرخ دار به ویژه برای عبور از محیط های ناهموار، پله ها و موانع می باشد. برای آنکه ربات قادر باشد بر روی سطوح مختلف حرکت نماید، لازم است که ربات حرکتش را با شرایط مختلف سطح وفق داده و با حرکت مناسب پا و بالا تنه، پایداری خود را تضمین نماید.بسیاری از پارامترهای اساسی حرکت انسان را می توان توسط یک ربات دوپای هفت عضوی صفحه ای بیان نمود. در این تحقیق، مدلسازی دینامیکی، تحلیل پایداری دینامیکی، طراحی مسیر و کنترل یک ربات دوپای هفت عضوی با شش مفصل با قابلیت حرکت از روی موانع، گودال ها و پله مورد مطالعه قرار گرفته است.معیار نقطه ممان صفر (zmp) به عنوان معیار پایداری دینامیکی ربات انتخاب شده است. مسیرهای حرکت مفاصل ران و مچ پاها در فضای کارتزین با استفاده از چند جمله ای هایی با درجه مناسب به گونه ای طراحی گشته که اثر ضربه پاها با زمین حذف گردد و مسیرهای مفاصل ربات و در نتیجه مسیر نقطه ممان صفر هموار و پیوسته گردد. پارامترهای کلیدی مسیر مفصل ران در راستای حرکت ربات با استفاده از مرزهای ناحیه پایداری ربات به گونه ای بدست آمده که پایداری دینامیکی ربات در طول حرکت تضمین گردد. سپس بالاترین موقعیت مچ پای متحرک در صفحه طولی با استفاده از دو تابع هدف متفاوت بهینه شده است. یک روش جدید برای طراحی مسیر ربات با طول گام های متفاوت که برای طراحی مسیرهای برخط کاربرد دارد ارائه شده است. کارایی بودن روش های بیان شده با استفاده از شبیه سازی ها و اعمال نتایج بر روی یک ربات دوپای ساخته شده به اثبات رسیده است. سرانجام نقطه ممان صفر ربات با استفاده از بالا تنه به عنوان جرم جبران ساز برای داشتن حرکتی پایدار کنترل شده است.

تیرها کاربردهای متنوعی دارند و بررسی رفتار ارتعاشی آنها از اهمیت زیادی در بسیاری از کاربردهای مهندسی همچون طراحی ماشینها و سازه ها برخوردار است. یکی از مهمترین و قدیمی ترین مسائل دینامیک سازه که در این رابطه مطرح است تحلیل رفتار دینامیکی پلها تحت عبور بار متحرک است. در این رساله ابتدا فرمولاسیون تکنیک المان مجزا برای عبور جرم نقطه ای از روی تیر به مسأله عبور جرم گسترده از روی تیر تیموشنکو توسعه می یابد. جهت نزدیکی هر چه بیشتر مدل به مسائل واقعی ، این روش برای تعیین پاسخ دینامیکی تیر تیموشنکو براثر عبور سیستم جرم گسترده همراه با فنر و مستهلک کننده مورد استفاده قرار می گیرد. جهت تأیید صحت نتایج از روش المان محدود استفاده می شود. نیروهای کوریولیس و گریز از مرکز نیز که در تکنیک المان مجزا نادیده گرفته می شد با اصلاح فرمولاسیون مزبور در نظر گرفته می شود. این نیروها به خصوص برای اجرام بزرگ و سرعتهای زیاد می توانند بسیار مهم باشند. موضوع دیگری که در این رابطه مطرح است ارتعاشات شدید تیرها تحت عبور بار با سرعت زیاد است. بررسیها نشان می دهد که تشدید به وجود آمده به دلیل تکرار در عبور بار از روی پل است. بنابراین در گذشته، بررسیهایی برای تعیین سرعتهای بحرانی که منجر به تشدید می شوند انجام شده و این سرعتها معرفی گردیده اند. اما در این رساله به صورت تحلیلی نشان داده می شود که برخی از این سرعتها نقشی در بروز تشدید ندارند و در طرف مقابل سرعتهای بحرانی دیگری هستند که نادیده گرفته شده اند. یکی از نقایص معمول در سازه ها ترک است که می تواند تأثیر خطرناکی بر رفتار سازه داشته باشد تا جایی که ممکن است منجر به تخریب آن شود. به طور کلی ترک سختی سازه و فرکانسهای طبیعی آن را کاهش می دهد. در طی دو دهه گذشته مطالعات زیادی در مورد دینامیک سازه های ترک دار انجام شده است ولی تاکنون تحقیقات کمی در رابطه با تأثیر ترک بر مسأله عبور بار از روی تیر گزارش شده است. بخش دیگر رساله حاضر بدین موضوع اختصاص یافته است. در این بخش اختلاف بین دو مدل ترک کاملا باز و باز و بسته شونده بررسی و نشان داده می شود که مدل ترک باز و بسته شونده افزایش جابجایی و کاهش فرکانس طبیعی کمتری را در مقایسه با مدل ترک کاملا باز از خود نشان می دهد. در مدل ترک باز و بسته شونده، ترک بین دو حالت کاملا باز و کاملا بسته، به انحنای تیر در محل ترک وابسته است و تغییر می کند. به دلیل سختی کمتر، تیر تیموشنکو جابجایی بیشتری را نسبت به اویلر- برنولی نشان می دهد که این می تواند منجر به بروز خطا در پیش بینی رفتار واقعی در صورت کاربرد تئوری اویلر برنولی شود. در این رساله پاسخ دینامیکی تیر تیموشنکوی دارای چندین ترک تحت عبور جرم متحرک مورد بررسی قرار می گیرد که قبلا با کاربرد تئوری اویلر برنولی به دست آمده بود. همچنین رفتار دینامیکی تیر دارای ترک و قیود میانی مورد بررسی قرار می گیرد. در سالهای اخیر استفاده از پیزوالکتریکها به عنوان سنسور و عملگر به دلیل قابلیتهایی همچون وزن کم مورد توجه بوده است. در اینجا نیز برای تعمیر ترک و حذف اثرات سوء آن بر افزایش جابجایی و کاهش فرکانسهای طبیعی تیر تیموشنکو مورد استفاده قرار می گیرند که بدین منظور از روش ماتریس انتقال استفاده می شود. پاسخ دینامیکی مجموعه ای از تیرهای تیموشنکو که به صورت الاستیک به هم متصل شده اند بر اثر عبور بار از روی یکی و یا تعدادی از آنها به دست می آید. بدین منظور n تیر موازی که با تعداد محدودی فنر به هم متصل شده اند در نظر گرفته می شود. در روشی که مورد استفاده قرار می گیرد از تغییر متغیر خاصی جهت جدا کردن معادلات کوپل استفاده می شود. در کارهای گذشته تنها دو تیر که از مدل اویلر- برنولی تبعیت می کردند در نظر گرفته می شد که فنرها نه به صورت جدا از هم بلکه به شکل بستری الاستیک بین آنها قرار گرفته بودند. در اینجا ضمن در نظر گرفتن تئوری تیر تیموشنکو جهت مدل کردن مسأله، تعداد آنها و نیز تعداد فنرهای متصل کننده آنها دلخواه خواهد بود. همچنین وقوع پدیده آشوب در سیستمهای دینامیکی غیر خطی به خصوص در یک دهه اخیر مورد توجه بوده است. بیشتر بررسیها در این رابطه روی روتورها و یا گاورنرهای گریز از مرکز متمرکز شده است. در این رساله وقوع پدیده آشوب در عبور متوالی جرم از روی تیر تیموشنکوی دارای تکیه گاه غیر ایده آل میانی مورد بحث قرار می گیرد که در آن یک لقی ناخواسته برای تکیه گاه در نظر گرفته می شود.

یکی از بحث های مورد توجه در سال های اخیر در زمینه سیستم های غیرخطی به ویژه سیستم های رباتیک، طراحی مشاهده گر جهت تخمین بخشی از متغیرهای حالت سیستم و کنترل سیستم های غیرخطی مبتنی بر استفاده از مشاهده گر بوده است. به دلیل پیچیدگی دینامیک سیستم های غیرخطی و همچنین امکان پذیر نبودن طراحی جدا از هم مشاهده گر و قانون کنترلی، نتایج کارآمد برای سیستم های غیرخطی به ویژه سیستم های رباتیکی کمتر ارائه شده است. در این پژوهش به طراحی مشاهده گر و قانون کنترلی مبتنی بر استفاده از مشاهده گر برای سیستم های غیرخطی و سیستم های رباتیکی پرداخته شده است. ضمن مروری بر کارهای اصلی انجام شده در طراحی مشاهده گر غیرخطی، دو روش جدید در طراحی مشاهده گر برای سیستم های رباتیکی ارائه شده است. مشاهده گر ارائه شده در روش اول اختصاص به سیستم های رباتیکی سری دارد و از خواص معادلات دینامیکی این ربات ها استفاده می کند. در روش دوم، مشاهده گر حالت کلی تر داشته و علاوه بر سیستم های رباتیکی برای دسته وسیعی از سیستم های لیپشیتز قابل استفاده است. پایداری خطای تخمین در مشاهده گر و خطای تعقیب در سیستم کنترلی به طور همزمان با استفاده از روش مستقیم لیاپونوف بررسی شده است. الگوریتم های پیشنهادی مبتنی بر مدل هستند، با این وجود نسبت به تغییر پارامترهای سیستم مقاوم هستند. این ارزیابی ها با استفاده از شبیه سازی های عددی در محیط matlab تأیید شده اند. یکی دیگر از بحث های مورد توجه در دهه اخیر طراحی قانون کنترلی با در نظر گرفتن دینامیک محرک ها است، در این پایان نامه مشاهده گرهای سرعت و کنترل کننده های مبتنی بر مشاهده سرعت پیشنهادی با در نظر گرفتن دینامیک موتورهای محرک برای این سیستم ها نیز تعمیم داده شده است.

این تحقیق ضمن مروری بر روش ها و مدل های شناسایی سیستم و تقسیم بندی های رایج و کلاسیک در این زمینه، مروری بر طراحی سیگنال های تحریک، بهینه سازی و همچنین مدل های رایج جعبه خاکستری بازوهای مکانیکی، لقّی واصطکاک دارد. در ادامه روش پیش پردازش و مشتق گیری از داده های پریودیک ارائه شده است. روش فیلتر کردن داده های پریودیک و مشتق گیری دقیق و بدون ایجاد تأخیر زمانی در آن ها، با انتقال داده ها به حوزه فرکانس و انجام عملیات های لازم و سپس برگرداندن داده ها به حوزه زمان انجام شده است. بدین ترتیب روشی مناسب برای پیش پردازش داده ها ارائه شده است. هر چند شناسایی در حوزه زمان انجام شده است ولی با توجه به داده برداری پریودیک و فرکانس داده برداری انتخاب شده، از خطاهایی مانند تداخل و نشتی جلوگیری شده است، بدین ترتیب در صورت لزوم مقدمات شناسایی در حوزه فرکانس نیز امکان پذیر می باشد. دو مدل برای بازوی مکانیکی تک لینکی صفحه ای ارائه گردیده است، یکی برای سرعت های بالا و دیگری سرعت های پایین. سپس با استفاده از داده های اندازه گیری شده از ولتاژ موتور به عنوان ورودی سیستم و موقعیت زاویه ای موتور به عنوان خروجی سیستم، پارامترهای مدل فضای حالت خطای خروجی توسط روش بهینه سازی غیرخطی کمترین مجموع مربعات خطا تخمین زده شده است. این کار توسط جعبه ابزار شناسایی سیستم نرم افزار مطلب ، با تعریف مدل به صورت جعبه خاکستری انجام شده است. برای رسیدن به مدل مناسب از مدل اصطکاکی غیرخطی جدید و همچنین مدل ترکیبی انعطاف پذیری- لقّی غیرخطی جدیدی که در این تحقیق ارائه شده است استفاده شده است. سپس برای کنترل سیستم با استفاده از روش گشتاورهای محاسبه شده از مدل های شناسایی شده استفاده شده است و نتایج آن ارائه شده است. در نهایت روش شناسایی فوق برای بازوی مکانیکی دو لینکی صفحه ای بکار رفته است و نتایج کنترل آن نیز ارائه شده است. نتایج ارائه شده از تأثیر قابل ملاحظه مدل های جدید در کاهش خطای سیستم در سرعت های پایین و بالا است.

امروزه در صنایع به صورت گسترده از سیستم های رباتیک استفاده می شود که توسط انسان و از راه دور هدایت می شوند. در بسیاری از موارد انسان باید درک درستی از میزان نیروی اعمالی توسط رباتی که هدایت می کند، داشته باشد. بنابراین سرمایه گذاری های فراوانی برای پیاده سازی انواع روش های بازخورد نیرو بوسیله ی سیستم های "نمایش لمسی" انجام شده است. این سیستم ها علاوه بر ایجاد بازخورد نیرو در سیستم های واقعی برای شبیه سازی محیط های مجازی به منظور آموزش و یا مقاصد دیگر نیز استفاده می شوند. یکی از این کاربردها در سیستم های کنترل لودینگ شبیه سازهای پرواز است. سیستم های کنترل لودینگ فرامین خلبان را دریافت کرده و به نرم افزار دینامیک پرواز گزارش می دهند و سپس نیروی محاسبه شده توسط این نرم افزار را روی دست خلبان اعمال می-کنند تا درک صحیحی از میزان نیرویی که هنگام پرواز باید اعمال کند، داشته باشد. در این پایان نامه موضوع طراحی و ساخت یک سیستم نمایش لمسی با کاربرد ویژه در سیستم کنترل لودینگ شبیه ساز پرواز دنبال شده است. ابتدا با بررسی سیستم کنترل هواپیما، وظایف سیستم کنترل لودینگ بیان شده است. سپس با بررسی مکانیزم های مختلفی که در دنیا برای سیستم های کنترل لودینگ استفاده شده است، سه طرح کلی برای این مکانیزم منظور شده و با بررسی مزایا و معایب هر کدام از آن ها، طرح مکانیزم الکتریکی انتخاب شده است. در ابتدا برای بررسی تاثیر پارامترهای طراحی بر عمل کرد این سیستم، مکانیزم یک درجه آزادی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این شبیه سازی نشان می دهد که هر چه ضریب تبدیل و لختی مکانیزم بیشتر باشد، سیستم کندتر عمل خواهد کرد. در ادامه یک مکانیزم دو درجه آزادی الکتریکی برای سیستم کنترل لودینگ طراحی و ارائه شده است. این مکانیزم که بر اساس مقاومت کنترل شده ی یک موتور الکتریکی در مقابل حرکت کار می کند، برای اولین بار در دنیا طراحی شده است. سینماتیک این مکانیزم که کاملا غیر خطی است، به سه روش تحلیل شده و پس از انطباق نتایج این شبیه سازی ها و اطمینان از درستی مدل مکانیزم در محیط simmechanics، از این مدل برای تحلیل دینامیکی و دیگر تحلیل های سیستم استفاده شده است. با توجه به زمان بری شبیه سازی سینماتیکی و دینامیکی سیستم با این مدل از مکانیزم، استفاده از آن در کارهای عملی به صورت بهنگام میسر نیست. بلکه در کاربردهای عملی به جای مدل مکانیزم در محیط simmechanics، از مدل-های شبکه عصبی از مکانیزم استفاده شده است. برای این منظور ابتدا به صورت نابهنگام داده های تحلیل های سینماتیکی و دینامیکی مکانیزم از مدل مکانیزم در محیط simmechanics استخراج شده و سپس شبکه های عصبی آموزش داده شده اند که با سرعت بسیار بالاتر می توان در شبیه سازی های سیستم برای تحلیل های سینماتیک مستقیم و دینامیک معکوس مکانیزم از آن ها استفاده کرد. برای بستن حلقه ی کنترلی سیستم، یک کنترل کننده شبکه عصبی narma-l2 برای کار با سیستم آموزش داده شده و از آن به عنوان بلوک انسان استفاده شده است. در نهایت مکانیزم کامل ساخته شده است. در این مکانیزم از سروو موتورهای ac برای اعمال نیرو و از بال اسکرو برای انتقال و تبدیل نیرو استفاده شده است. برنامه های کنترلی مورد نیاز سیستم به صورت عملی در نرم افزار labview نوشته شده و ارتباط بین این نرم افزار با درایو موتورها بواسطه ی کارت های جمع آوری داده ی advantech انجام شده است. در نهایت اگرچه مکانیزم ساخته شده به دلیل مشکلات ساختی عمل کرد کامل مورد انتظار را ارائه نکرد، اما به عنوان اولین نمونه ی ساخته شده عمل کرد قابل قبولی از خود نشان می دهد.

در ربات های دوپا کم بودن تعداد عملگرها از تعداد درجات آزادی در طول حرکت باعث ناپایداری ذاتی این ربات ها می شود. در این تحقیق به مسائلی که کم عملگری در ربات های دوپا ایجاد می کند پرداخته می شود. برای این منظور مدل ربات دوپای فاقد مچ پا که مدل مناسبی برای بررسی کم عملگری در ربات های دوپا است انتخاب شده است و طراحی گام پایدار و کنترل حرکت این ربات دوپا در صفحه سهموی بررسی می گردد. در این ربات دوپا تماس پای تکیه گاه با زمین در صفحه حرکت بصورت نقطه ای است از این رو معیارهای پایداری قبلی نظیر نقطه ممان صفر که بر پایه ی وجود چند ضلعی تکیه گاه استوار هستند قابل استفاده نمی باشند و در طراحی گام معیارهای دیگری بایستی جهت تضمین پایداری حرکت در نظر گرفته شوند. در این تحقیق طراحی گام متناوب و پایدار به وسیله تحلیل نقاط ثابت نگاشت پوانکاره ارائه می شود و مسئله دنبال کردن گام پایدار، به منظور همگرایی سریع تر به حرکت متناوب، برای ربات دوپای فاقد مچ پا بررسی می گردد. ابتدا با تحلیل پایداری حرکت یک ربات دوپای فاقد مچ پا در طول فاز تک تکیه گاهی و ضربه، معیاری جهت نشان دادن پایداری حرکت استخراج می گردد. سپس گام پایدار و متناوب برای این ربات دوپا طراحی می شود در این قسمت بهینه سازی مصرف انرژی در طول حرکت نیز مورد توجه قرار می گیرد. با در دست داشتن گام پایدار به عنوان مسیر مرجع، به منظور دنبال کردن مسیر مرجع در طول گام های متوالی، کنترل حرکت ربات با توجه به کم عملگری ربات ارائه می شود. سپس با استفاده از نگاشت پوانکاره پایداری حرکت ربات دوپا در حین عبور از سطوح غیر هموار و نَرم بررسی می شود. در مرحله ی بعد یک مشاهده گر غیر خطی جهت تخمین متغیرهای زاویه ای عضو غیر فعال(ساق پا) طراحی می گردد. این متغیر های باید در زمان کمتر از پریود گام تخمین زده شوند از این رو مشاهده گر با در نظر گرفتن همگرایی در زمان محدود طراحی می شود. در مرحله ی بعد این تحقیق، طراحی گام پایدار و متناوب برای ربات دوپای فاقد مچ پا مادامی که حرکت ربات شامل فازهای تک تکیه گاهی و دو تکیه گاهی می باشد ارائه می شود. در این حالت ربات دوپا در فاز تک تکیه گاهی و دو تکیه گاهی به ترتیب با کمبود عملگر و افزونگی عملگر مواجه است از این رو پایدار سازی ربات در فاز دو تکیه گاهی انجام می شود. با اعمال کردن کنترل مینیمم زمان در فاز دو تکیه گاهی، مسئله ی همگرایی به گام پریودیک در اولین قدم نشان داده می شود. علاوه بر آن مسئله ی شروع به حرکت این ربات از حالت سکون مورد بررسی قرار می گیرد و پایداری حرکت ربات نشان داده می شود.

در این پژوهش به آنالیز سینماتیک و دینامیک ربات موازی شبیه سازهای حرکتی با محرک های دورانی و کنترل آن با استفاده از روش کنترل فازی pdc به همراه راه اندازی نمونه آزمایشگاهی ربات پرداخته شده است. این ربات از یک سکوی ثابت و یک صفحه متحرک، شش بازوی دورانی (مجهز به سیستم محرک) متصل به سکوی ثابت و شش بازوی میانی تشکیل شده که توسط اتصالات گوی و کاسه و یونیورسال به صفحه متحرک و بازوهای دورانی متصل می شوند. روابط سینماتیکی ربات با لحاظ کردن قیود حرکتی مفاصل، بصورت جبری و دیفرانسیلی و معادلات دینامیکی آن با استفاده از روش لاگرانژ برای سیستم های مقید، استخراج شده اند. سپس نحوه حذف ضرایب لاگرانژ به کمک ماتریس مکمل متعامد و فرم کاهش یافته معادلات جهت طراحی کنترل کننده ارائه شده است. در مدل سازی سینماتیکی و دینامیکی ربات از لقی و انعطاف پذیری مفاصل همچنین اصطکاک در مفاصل صرف نظر شده است. نتایج حاصل از تحلیل سینماتیک و دینامیک، برای طراحی کنترل کننده فازی pdc مورد استفاده قرار گرفته اند. در این روش کنترلی ابتدا نقاطی در فضای کار ربات انتخاب می شوند؛ پس از آن معادلات غیرخطی سیستم حول این نقاط خطی خواهند شد. شایان ذکر است به دلیل در دست نبودن فرم بسته معادلات دینامیکی تغییراتی در روند خطی سازی ایجاد شده است. پس از استخراج فرم خطی شده معادلات دینامیک غیرخطی، معادلات غیرخطی سیستم با استفاده از روش تاکاگی- سوگنو به صورت ترکیبی از معادلات سیستم های خطی مدل می شود. در ادامه قانون کنترلی به صورت ترکیبی فازی از قوانین کنترل خطی تعیین خواهدشد. برای اثبات پایداری کنترل کننده فازی از تئوری پایداری لیاپانوف استفاده شده که ارضاء شرایط آن منجر به حل نامعادلات خطی ماتریسی برای پیدا کردن ماتریس مثبت معین معرفی شده در این تئوری و ماتریس های فیدبک حالت برای هرکدام از سیستم های خطی می گردد. با توجه به این که ربات موازی شبیه سازهای حرکتی دارای نقاط منفرد فراوان در مرز فضای کاری خود است و از طرفی تعداد درجات آزادی این ربات بالاست و علاوه بر آن دینامیک بسیار پیچیده ای دارد، بنابراین در این ربات ها تعیین تعداد و محل نقاط برای طراحی کنترل کننده فازی از اهمیت بالایی برای این ربات برخوردار است و بهینه سازی کنترل کننده ضروری است. به همین دلیل در این پژوهش برای دستیابی به یک کنترل کننده بهینه از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. در این نوع بهینه سازی نقاطی که برای طراحی کنترل کننده فازی استفاده می شوند، به صورت بهینه انتخاب می شوند. برای دستیابی به این هدف، یک تابع برازندگی متشکل از شش نقطه در فضای کار ربات به عنوان ورودی و انتگرال خطای شبیه سازی حرکت ربات به عنوان خروجی در نظر گرفته شده است. همچنین نشان داده شده که کنترل کننده فازی بهینه سازی شده با شش نقطه، عملکرد بهتری نسبت به کنترل کننده بهینه سازی نشده با ده نقطه دارد. علاوه بر تجزیه و تحلیل نظری ربات موازی مورد مطالعه راه اندازی یک نمونه آزمایشگاهی این ربات جزء اهداف این پژوهش است که نتایج راه اندازی و کنترل این نمونه آزمایشگاهی نیز ارائه شده است.

در این پژوهش تحلیل سینماتیک و دینامیک ربات موازی شبیه سازهای حرکتی با محرک های دورانی، کنترل موقعیت پارامترهای فضای کار این ربات با بکارگیری روش کنترل مقاوم مودهای لغزشی، راه اندازی نمونه آزمایشگاهی ربات و پیاده سازی کنترل کننده های pid و مود لغزشی بر روی ربات مدنظر قرار گرفته است. ربات مورد بررسی از سکوی ثابت، صفحه متحرک، شش بازوی دورانی (مجهز به سیستم محرک) متصل به سکوی ثابت و شش بازوی میانی تشکیل شده که توسط اتصالات گوی و کاسه و یونیورسال به صفحه متحرک و بازوهای دورانی متصل می شوند. روابط سینماتیکی ربات با لحاظ کردن قیود حرکتی مفاصل، بصورت جبری و دیفرانسیلی استخراج شده و حل سینماتیک مستقیم و معکوس ربات صورت پذیرفته است. معادلات دینامیکی کامل غیر خطی ربات با استفاده از روش لاگرانژ برای سیستم های مقید، بدست آمده است. سپس با حذف ضرایب لاگرانژ به کمک ماتریس مکمل متعامد ماتریس ژاکوبین قید، فرم کاهش یافته معادلات جهت طراحی کنترل کننده استخراج شده است. در مدل سازی سینماتیکی و دینامیکی ربات از لقی و انعطاف پذیری مفاصل همچنین اصطکاک در مفاصل صرف نظر شده است. به دلیل این که ربات مورد مطالعه همانند اغلب ربات ها در معرض اغتشاشات و نامعینی ها قرار دارد، کنترل کننده های مقاومی برای آن طراحی شده است. برای این منظور روش کنترلی مود های لغزشی به عنوان روشی مقاوم در برابر نامعینی ها و اغتشاشات برای کنترل موقعیت ربات در فضای کار بکار گرفته شده است. بررسی پایداری این روش کنترلی با استفاده از روش لیاپانوف، منجر به تشکیل نامعادلاتی می شود که شرایط پایداری سیستم هستند و با استفاده از آن ها ضرایب مقاوم سازی کنترل کننده طراحی می گردد؛ با توجه به این نکته که معادلات دینامیکی مستقل ربات بصورت تحلیلی یا فرم بسته قابل استخراج نبوده است برای نزدیک شدن به اثبات پایداری کنترل کننده ی طراحی شده، نامعادلات مذکور، با روندی منطقی، به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور ارزیابی عمل کرد کنترل کننده طراحی شده، اغتشاشات خارجی به صورت نیروهایی وارد بر صفحه ی متحرک مدل شده است؛ همچنین جرم و پارامترهای اینرسی صفحه ی متحرک به عنوان نامعینی ساختاری سیستم و مکان مرکز جرم صفحه ی متحرک در راستای قائم به عنوان نامعینی غیر ساختاری در مدل سازی لحاظ شده اند. سپس عمل کرد کنترل کننده در قالب شبیه سازی های مختلف مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. سپس به منظور بهبود عمل کرد کنترل کننده و کاهش خطای ردیابی سیستم با ترکیب روش کنترل تطبیقی و مودهای لغزشی به طراحی کنترل کننده ی قدرتمند مود لغزشی- تطبیقی پرداخته شده است. هچنین عمل کرد کنترل کننده های گشتاور محاسبه شده، مودهای لغزشی و مود لغزشی- تطبیقی در شرایط مختلف برای سیستم مقایسه شده است. به منظور پیاده سازی کنترل کننده بر روی ربات، طراحی کنترل کننده ی مودهای لغزشی در فضای مفاصل نیز صورت پذیرفته و نهایتا به راه اندازی و پیاده سازی کنترل کننده های pid و مودهای لغزشی پرداخته شده است.

یک ربات سری مقید همراه با اصطکاک تماسی بین پنجه ربات و محیط مفروض می باشد. برای چنین سیستمی، یک کنترل کننده ی هوشمند و مقاوم کنترل ترکیبی نیرو و موقعیت طراحی شده است. کنترل کننده شامل دو بخش است؛ بخش اول، کنترل کننده ی اصلی است که شامل تخمین زن اصطکاک بر اساس مدل اصطکاکی لوگری، خطی سازها و کنترل کننده های خطی برای حلقه های بسته ی موقعیت و نیرو می باشد. بخش دوم، یک کنترل کننده ی شبکه ی عصبی وفقی است که خطای کنترل کننده ی اصلی را می نیمم یا صفر می کند. در واقع، بخش دوم با هوشمندسازی کنترل کننده، عملکرد آن را در حضور نامعینی ها ارتقا می دهد. پایداری سیستم با استفاده از تئوری های لیاپانوف و پسیویتی اثبات شده است. عملکرد کنترل کننده به صورت شبیه سازی و عملی بر روی یک ربات دو عضوی صفحه ای که در تماس با یک دیوار است، نشان داده شده است. نتایج نشان می دهند که کنترل کننده ی شبکه ی عصبی، عملکرد را به طور قابل ملاحظه ای بهبود می بخشد.

امروزه با پیشرفت تکنولوژی و فن آوری، کاربرد ربات ها در صنعت بسیار چشمگیر شده است. استفاده از ربات های متحرک به علت تحرک پذیری و مانورپذیری بالا در کارخانه ها بسیار رایج شده است. از جمله مباحثی که در اینگونه ربات ها مطرح است، مبحث افزونگی درجات آزادی است. هر چند به دلیل افزونه بودن درجات آزادی سیستم، پیچیدگی سینماتیکی، دینامیکی و کنترلی بیشتری در این دسته از سیستم های رباتیکی بوجود می آید، اما از طرف دیگر این موضوع می تواند منجر به کاهش نقاط منفرد و یا امکان انجام عملیات های ثانوی در طول مسیر حرکت ربات گردد. طراحی مسیر رباتهای افزونه شدیداً وابسته به مدل سینماتیکی و دینامیکی ربات است. در این تحقیق چگونگی طراحی و کنترل تطبیقی یک بازوی مکانیکی با پایه متحرک چرخ دار که ذاتا یک ربات با افزونگی درجات آزادی است مورد توجه قرار گرفته است و دو مسئله طراحی مسیر بهینه و کنترل ربات در یک عملیات دو فعالیتی بررسی شده است. ابتدا مسئله طراحی مسیر بهینه برای مجموعه ای از اندیس های سینماتیکی و دینامیکی به صورت تحلیلی انجام گرفته است. با توجه به ماهیت مدل مبنا بودن مسئله طراحی مسیر، مسئله طراحی و کنترل تطبیقی مسیر بهینه به عنوان رویکردی در طراحی مسیر مطالعه شده-است. مطالعه انجام گرفته نشان می دهد استفاده از پارامترهای اصلاح شده کنترل کننده در بخش طراح مسیر منجر به بهینه تر شدن مسیر طراحی شده می شود. از آنجا که کنترل کننده تطبیقی مورد استفاده، با رویکرد اصلاح تاثیر پارامترهای فیزیکی(جرم، اینرسی و غیره) طراحی شده است، اثر اصلاح پارامترها در طراحی تطبیقی مسیر برای اندیس های دینامیکی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته است.. در خصوص طراحی مسیر برای اندیس های محلی روشی برای بهینه سازی تقریبی و بلادرنگ ارائه و برای ربات متحرک چرخ دار پیاده سازی و مورد ارزیابی قرار گرفته است. در روش پیشنهادی بخش بهینه ساز به قسمت تعقیب کننده منتقل شده است. تعقیب کننده وظیفه کنترل مسیر حرکت ربات روی مسیر مرجع را دارد و بهینه ساز تقریبی نیز وظیفه بهینه نگه داشتن اندیس سینماتیکی یا دینامیکی موردنظر را برعهده دارد. این بهینه ساز تقریبی قابلیت برخط شدن را در مجموعه وسیعی از اندیس ها دارد. از مزایای این روش این است که چنانچه حل تحلیلی یا عددی معادلات بهینه سازی در کنار محاسبات کنترلی در مدت زمان محدود پریود نمونه برداری امکان پذیر نباشد، می توان با استفاده از این ساختار بهینه ساز، در ازای تقریبی شدن بهینه سازی، بهینه سازی را به صورت بلادرنگ انجام داد. همچنین در این پایان نامه با تقسیم دینامیک ربات به دو بخش فضای کار (حرکت پنجه) و فضای هیئت (حرکت داخلی) و تقدم بخشیدن به حرکت فضای کار نسبت به فضای هیئت مسئله کنترل مسیر حرکت ربات در یک عملیات دو فعالیتی نیز بررسی شده است. یکی از استفاده های سودمندی که از این توانایی می توان کرد اینست که، ربات بدون برخورد به موانع مسیر مطلوب را طی کند.

کنجکاوی در محیط اطراف همواره یکی از مهم ترین دلایل برای پیشرفت های تکنولوژیکی بشر بوده است. در این میان فضا و اعماق آب ها همواره از اهمیت خاصی برخوردار بوده اند. به علت عدم توانایی انسان برای دسترسی به این محیط ها و همچنین به علت خطرات موجود، انسان دست به ساخت وسایلی زد تا جایگزینی برای او در دسترسی به این محیط ها شود و همچنین برخی از کارها را همانند کشف منابع موجود، نصب، بازرسی و تعمیر تاسیسات ایجاد شده در این محیط ها و ... را برای وی انجام دهد. از جمله ی این تجهیزات می توان به ربات های شناور برای استفاده در فضا و ربات های غوطه ور برای استفاده در زیرآب اشاره کرد. ساختار کلی این وسایل از یک پایه ی متحرک و یک بازوی نصب شده بر پایه تشکیل شده است. این سیستم ها به علت درجات آزادی پایه دارای درجات آزادی بیشتر از حد نیاز برای برآوردن هدف مورد نظر که همانا رسیدن پنجه به موقعیت و جهت دلخواه است می باشند و در اصطلاح دارای افزونگی سینماتیکی هستند و همین امر سبب می شود که مساله ی سینماتیک معکوس آن ها دارای حل های بیشماری گردد و می توان از همین مطلب استفاده کرده و در کنار انجام وظیفه اصلی اهداف کنترلی ثانویه ای را برآورده ساخت. در این تحقیق سعی شده است تا یک روش مناسب برای حل سینماتیک معکوس بر خط این سیستم ها با توانایی اولویت دهی به وظایف ارائه شود و و با توجه به آن که انجام وظایف در این نوع از سیستم ها هم از طریق کنترل حرکت پایه و هم از طریق کنترل بازوی سینماتیکی امکان پذیر است، یک کنترلر فازی وظیفه انتخاب نوع حرکت را بر عهده دارد. در ادامه قصد داریم یک کنترل کننده برای این سیستم طراحی کنیم، با توجه به نوع مساله مورد علاقه یعنی تعقیب مسیر توسط یک ربات و همچنین طبیعت غیرخطی معادلات حرکت با استفاده از روش گشتاور محاسبه شده کنترل کننده ای برای سیستم شناور-بازوی مکانیکی مورد مطالعه طراحی شده است و در این راه از حل سینماتیک معکوس بدست آمده به عنوان مسیرهای مطلوب در طراحی کنترلر استفاده شده است. در کاربردهای فضایی این سیستم ها برای کنترل موقعیت لازم است به جای استفاده از عملگرهای پیوسته از عملگرهای گسسته یا تراسترهای دو وضعیتی به عنوان پیشران پایه استفاده کنیم. تراسترهای دو وضعیتی که با نام تراسترهای روشن-خاموش نیز شناخته می شوند تنها دو مقدار نیرویی می توانند در اختیار قرار دهند. در ادامه با استفاده از تراسترهای دو وضعیتی و بکارگیری روش مدولاسیون پالس به مساله کنترل این سیستم پرداخته شده است. در نهایت با توجه به آن که یک خواسته می تواند با ترکیب های متفاوتی از حرکت در درجات آزادی پایه به انجام برسدکه الزاما از لحاظ ملاحظات عملی یکسان نیستند، با استفاده از یک روش فازی تصمیم گیری برای چگونگی استفاده از درجات آزادی پایه انجام گرفته است.

یکی از مسایل مهم در سیستم های رباتیکی و بازوهای مکانیکی، طراحی مسیر است. مسئله طراحی مسیر در محیط های شناخته شده می تواند به صورت خارج از خط انجام گیرد. اما چنانچه محیط حرکتی ربات بطور کامل شناخته شده نباشد و تغییرات از قبل پیش-بینی نشده ای داشته باشد، طراحی مسیر عملا می بایست بصورت همزمان انجام گیرد و در این طراحی مسیر، سرعت و دقت محاسباتی الگوریتم های مورد استفاده از اهمیت ویزه ای برخوردار است. چنانچه مسئله طراحی مسیر همراه با بهینه سازی یک تابع مشخص باشد و در اصطلاح، طراحی یک مسیر بهینه مدنظر باشد، این مشخصه های الگوریتم های محاسباتی، اهمیت مضاعفی خواهند داشت. مسئله طراحی مسیر در ربات های با افزونگی درجه آزادی به دلیل همین افزونگی منجر به حل یک مسئله بهینه سازی می شود. این مسئله هم می تواند به صورت بهینه سازی محض یا بهینه سازی دینامیکی حل شود و هم می تواند به صورت بهینه سازی پارامتری یا بهینه سازی جبری انجام گیرد. در مسئله طراحی مسیر بهینه به صورت پارامتری با فرض توابع حل به صورت ترکیبی از توابع شناخته شده، در عمل مسئله بهینه سازی منجر به پیداکردن بهترین ترکیب و ضرایب مربوط به آن می شود. در این پایان نامه، برای طراحی بهینه مسیر، از الگوریتم های هوشمند بهره گرفته شده است. طراحی مسیر بهینه بازوهای مکانیکی با افزونگی درجات آزادی در فضای مفاصل، به گونه ایانجام می-گیرد که مسیر داده شده در فضای کار را دنبال کرده و در حین حرکت اندیس سینماتیکی و دینامیکی داده شده ای بهینه گردد و این کار برای یک ربات صفحه ای سری و یک ربات صفحه ای موازی در حضور قیدهایی که شامل معادلات دینامیکی و سینماتیکی حاکم می-باشند، انجام می شود. به منطور اعتبارسنجی پاسخ الگوریتم ها در ابتدا پاسخ آن ها با روش جستجو مقایسه شده است. برای هر یک از حالات مختلف مسئله و قیدها، طراحی مسیر با استفاده از الگوریتم های هوشمند، شامل الگوریتم ژنتیک، الگوریتم بهینه سازی دسته ذرات و الگوریتم بهینه سازی کلونی زنبورها، انجام شده و نتایج آن ها با هم مقایسه می شوند. با مقایسه این نتایج مشخص شده است که در طراحی بهینه مسیر، الگوریتم بهینه سازی دسته ذرات از سرعت و دقت بسیار بهتری نسبت به دیگر الگوریتم های هوشمند مورد استفاده، برخوردار است. به همین دلیل از این الگوریتم به منظور تولید داده ، برای آموزش شبکه عصبی در طراحی بهینه مسیر به صورت بلادرنگ بهره گرفته شده است. در ادامه مسئله طراحی مسیر در محیط دینامیکی و با استفاده از شبکه عصبی انجام می گیرد. این طراحی مسیر در ابتدا برای حالتی که مسیر حرکت پنجه معلوم است و سپس برای مسیر نامعلوم حرکت پنجه و با مشخص بودن نقطه ابتدا و انتهایی مسیر انجام می شود که در این حالت می بایست مسیر حرکت در طی مسئله بهینه سازی محاسبه شود. در این بخش نیز طراحی مسیر در دو حالت محیط استاتیکی و دینامیکی انجام می شود و در محیط دینامیکی از شبکه عصبی استفاده شده و در این طراحی مسیر دو روش ارائه شده که در روش اول از سنجش موقعیت مانع و در روش دوم از سنجش موقعیت و سرعت مانع برای تخمین مسیر استفاده می شود و چون خطا اجتناب ناپذیر است،الگوریتمی برای اصلاح خطا ارائه شده است. کلمات کلیدی: طراحی مسیر، ربات های افزونه، بهینه سازی، الگوریتم های هوشمند، موقعیت و سرعت مانع، همزمان(بلادرنگ)

امروزه، تنوع و زمینه ی کاربرد ربات ها با سرعت زیادی در حال افزایش است و پیشرفت فناوری، امکانات جدیدی در به کارگیری هر چه بیشتر و بهتر ربات ها را فراهم می کند. سیستم های تک رباتی در همه ی کاربردها بهترین راه حل نیست. طیف روزافزونی از مسائل موجود و مسائلی که در آینده مطرح خواهند شد از مزایای بالقوه ی سیستم های چند رباتی بهره مند خواهند شد. به عنوان مثال، مسأله ی جستجو و نجات، نقشه برداری از محیط های خطرناک و مناطق دوردست، شناسایی و تعقیب اهداف، و تحقیقات و اکتشافات فضایی و زیردریایی، از جمله وظایفی هستند که از سیستم های چند رباتی برای اجرای آنها استفاده خواهد شد. اما به کارگیری یک گروه از ربات ها جهت انجام وظایفی، نیاز به طراحی مکانیزمی به منظور ایجاد هماهنگی بین رفتار و حرکت آنها دارد. در واقع یکی از موضوعات و چالش های مطرح در سیستم های چند رباتی، بحث کنترل و اجرای هماهنگی می باشد، به گونه ای که ربات ها بتوانند ضمن ارتباط متقابل و همکاری لازم با سایر ربات ها، وظایف خود را به نحوی موثر به انجام برسانند. از این رو، این تحقیق در راستای طراحی یک مکانیزم هماهنگی جهت بهبود عملکرد و کارایی سیستم های چند رباتی حرکت خواهد کرد. در این پایان نامه، مسأله ی طراحی حرکت و هماهنگی سیستم های چند رباتی به روش میدان پتانسیل مصنوعی مطالعه و بررسی می گردد. مأموریت سیستم آن است که یک هدف متحرک را در یک محیط دینامیکی ضمن عبور از عوامل موجود در محیط تعقیب نماید. بنابراین، در طراحی حرکت ربات ها با بررسی سه مسأله ی اصلی مواجه خواهیم بود: 1) مسأله ی تعقیب جسم هدف توسط ربات ها؛ 2) مسأله ی احتمال برخورد ربات ها با موانع موجود در محیط؛ و 3) مسأله ی برخورد بین ربات ها. به منظور طراحی حرکت و هماهنگی ربات ها یک میدان پتانسیل کل متشکل از میدان های پتانسیل هدف، ربات ها و موانع تعریف کرده به گونه ای که با اعمال نیرو به هر کدام از ربات ها، آنها را به سمت هدف هدایت نموده، و مسیری عاری از مانع را برای آنها فراهم نماید. نتایج ارزیابی و شبیه سازی، کارایی سیستم چند رباتی طراحی شده را به خوبی نشان می دهند. روش میدان پتانسیل در کنار مزیت های منحصر به فردی که دارد در برخی از شرایط ممکن است مشکلاتی هم داشته باشد. از این رو، در بخش دیگری از کار تحقیق، مشکل نقاط مینیمم موضعی روش میدان پتانسیل توضیح داده شده و روشی جدید برای حل آن پیشنهاد می شود. در ادامه، مسأله ی نزدیک بودن هدف به مانع- که یکی دیگر از مشکلات روش میدان پتانسیل مصنوعی می باشد- مورد بررسی قرار گرفته و راه حل آن توضیح داده می شود. نتایج شبیه سازی های انجام شده، عملکرد و اثربخشی این روش ها را تأیید می کنند. در پایان، ضمن نتیجه گیری، برای علاقه مندان به موضوع سیستم های چند رباتی چند مسأله ی تحقیقاتی پیشنهاد داده می شود.

در سال های اخیر محققان با الهام گرفتن از طبیعت و مشاهده نمونه های بیولوژیکی از اندام هایی همانند خرطوم فیل، بازوی اختاپوس و زبان به تحقیق و بررسی در مورد ربات هایی با پیکره انعطاف پذیر پرداخته اند. برخلاف ربات های رایج که از اتصال بازوهای صلب ساخته می شوند، پیکره اصلی این ربات ها از مواد انعطاف پذیر تشکیل می شود. در این تحقیق به طراحی، تحلیل و کنترل یک ربات با ستون فقرات پیوسته پرداخته شده است. مدل سازی سینماتیکی این ربات با فرض شعاع انحنای ثابت هر بخش از ربات انجام شده است و معادلات حاکم بر سینماتیک مستقیم ربات استخراج شده اند. آنالیز نیرویی ربات نیز به کمک اصل کار مجازی و تکنیک های رفع افزونگی محرک به منظور بهینه سازی نیرویی مورد بررسی و شبیه سازی قرارگرفته است. به دلیل وجود افزونگی سینماتیکی در ربات های چند بخشی، حل بسته ای برای مسئله سینماتیک معکوس این ربات ها وجود ندارد. بنابراین طراحی مسیر برای این ربات به صورت عددی و با استفاده از روش معکوس تعمیم-یافته ژاکوبین انجام شده است. نوآوری در تحقیق انجام شده در ارتباط با کاربرد افزونگی برای انجام وظایف ثانویه در حین طراحی مسیر حرکت ربات، از قبیل اجتناب از منفرد شدن، محدودیت حرکتی مفاصل و برخورد با موانع فضای کار و همچنین تطبیق پیکره ربات بر منحنی دلخواه، است. سپس نمونه ای آزمایشگاهی از یک ربات پیوسته دو بخشی با ستون فقرات سوپرالاستیک و چهار درجه آزادی حرکت طراحی و ساخته شده است. طراحی و انتخاب قطعات مکانیکی و سخت افزارهای الکترونیکی به نحوی انجام شده است که کوچک-سازی قطر پیکره اصلی ربات تا حد زیاد امکان پذیر بوده و کشش و فشار ستون های فقرات ربات با دقت بالا انجام شود. از یک سیستم بینایی استریو نیز برای تشخیص موقعیت سه بعدی دیسک انتهایی ربات در فضای کارتزین استفاده شده است. سرانجام یک کنترل کننده بر پایه مدل سینماتیکی طراحی شده و عملکرد آن با پیاده سازی روی ربات مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این تحقیق قابلیت بالای ربات با ستون فقرات پیوسته در کاربرد های دقیق و حساس که نیازمند عبور از مجراهای تنگ با فضای کاری محدود است را نشان می-دهد. همچنین نتایج حاصل از پیاده سازی عملکرد مطلوب کنترل کننده طراحی شده در فضای مفاصل ربات را نشان می دهد.

روش های آنالیز مودال برای سیستم های متغیر با زمان، همانند سیستم های lti، هم در حوزه فرکانس و هم در حوزه زمان توسعه یافته اند، ولی به دلیل ماهیت متغیر با زمان بودن این سیستم ها، استفاده از روش های زمان-فرکانسی برای شناسایی این سیستم ها نیز در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در این پایان نامه ابتدا، با توجه به روش های آنالیز مودال برای سیستم های lti، روشی در حوزه زمان برای استخراج پارامترهای مودال سیستم های ltv ارائه می گردد و پس از شناخت مراحل روش، پارامترهای مودال یک تیر با جرم متحرک با استفاده از این روش استخراج می شوند و نتایج مورد بررسی قرار می گیرند. عموماً روش های آنالیز مودال در حوزه زمان از ریاضی پیچیده ای برخوردار بوده و پیاده سازی آن ها نیز مشکل است (روش معرفی شده در این پایان نامه نیز از این قاعده مستثنی نیست). در ادامه برای جایگزین کردن روشی ساده تر و همچنین با همگرایی بالاتر، سراغ روش ها زمان-فرکانسی رفته و تبدیل هیلبرت-هانگ معرفی می گردد. تبدیل هیلبرت-هانگ روشی تطبیقی بوده که نسبت به دیگر روش های زمان-فرکانسی مانند تبدیل موجک، روشی ساده تر بوده و همچنین از توانمندی های بیشتری برخوردار است. پس از معرفی کامل روش مدنظر، روش استخراج پارامترهای مودال با استفاده از پاسخ ارتعاشات آزاد و اجباری یک سیستم ارتعاشی به کمک این تبدیل تشریح می گردد و روش های معرفی شده بر روی سیستم های مختلف پیاده سازی شده و پارامترهای مودال استخراج می شوند. نکته کلیدی تبدیل هیلبرت-هانگ استفاده از روش تجربی تجزیه مودی می باشد، که با تجزیه یک سیگنال ارتعاشی به چندین تابع ذاتی، برای استخراج اطلاعات هر مود، از این توابع استفاده می کند. همانند روش های آنالیز مودال برای سیستم های lti، که هم در حوزه زمان و هم در حوزه فرکانس توسعه یافته اند، در ادامه روشی برای استخراج پارامترهای مودال سیستم های خطی متغیر با زمان پریودیک در حوزه فرکانس معرفی می شود. در همین راستا ابتدا با اثبات عدم کارایی فرض های در نظر گرفته شده برای تعیین تابع پاسخ فرکانسی سیستم های lti، به منظور تعیین تابع پاسخ فرکانسی سیستم های خطی متغیر با زمان پریودیک، با تعریف فضای فرکانسی جدید، تابع پاسخ فرکانسی برای یک سیستم خطی متغیر با زمان به صورت پریودیک محاسبه می گردد و در ادامه نشان داده می شود که با تلفیقی از این تابع و روش های آنالیز مودال در حوزه فرکانس برای سیستم های lti، می توان پارامترهای مودال یک سیستم متغیر با زمان پریودیک را استخراج کرد. نکته کلیدی در این فصل، تعداد فرکانس های طبیعی در هر مود برای یک سیستم متغیر با زمان است. در انتها نیز با طرح این سوال که آیا برای یک پل در حال استفاده، با فرض رفتار خطی پل و استفاده از پاسخ پل به حرکت ماشین ها بر روی آن، می توان فرکانس های طبیعی پل تنها را محاسبه کرد؟ روش اختلالی هموتوپی مورد بررسی قرار می گیرد. مطالعات و تحقیقات انجام گرفته در زمینه هموتوپی، یا به بهبود روش هموتوپی پرداخته اند و یا از این روش برای حل معادلات غیرخطی استفاده کرده اند. البته اخیراً از این روش برای تحلیل پایداری سیستم هایی مانند سیستم مورد مطالعه نیز استفاده می شود. در این پایان نامه ابتدا با تعمیم این روش برای سیستم های چند درجه آزادی، روش حل بهبود داده شده و در ادامه با استفاده از این ایده و استفاده از جملات سکولار در فرآیند حل، فرکانس های طبیعی تیر نیز استخراج می شوند.

شباهت ساختاری ربات های انسان نما به انسان، کاربردهای بالقوه و متنوعی را برای این ربات ها ایجاد می کند. این مساله باعث شده که در یکی دو دهه ی اخیر توجه بسیاری از محقیقن در دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی سراسر دنیا به این شاخه از علم رباتیک معطوف باشد. اگرچه یکی از مزیت های اصلی ربات های انسان نما نسبت به سایر انواع ربات ها، توانایی آن ها در عبور از سطوح ناهموار می باشد، اما با توجه به پیچیدگی مساله حفظ پایداری، در این حوزه پیشرفت های کم تری حاصل شده به گونه ای که اغلب وجود انحرافی اندک در سطح نیز می تواند منجر به سقوط ربات گردد. در این پایان نامه بهبود حرکت ربات های دوپا بر روی سطوح ناصاف مورد توجه قرار گرفته و برای این منظور یک مدل هفت عضوی صفحه ای که به چهار سنسور نیرو در پاها مجهز می باشد، در نظر گرفته شده است. این چهار سنسور در پاشنه و پنجه هر پا قرار گرفته و از اطلاعات آن ها برای تشخیص وجود ناهمواری در سطح استفاده می شود. طراحی مسیر اولیه ربات بر مبنای حرکت روی سطح صاف انجام شده است. در این تحقیق کنترل کننده موقعیت/ نیرویی ارائه می شود که بر اساس خطای تعقیب نیروهای مطلوب به اصلاح مسیر پایه اولیه می پردازد. این کنترل کننده از سه قسمت اصلی تشکیل شده است. قسمت اول یک کنترل کننده مدار بسته موقعیت برای تعقیب مسیر مطلوب، قسمت دوم کنترل کننده مدار باز نیرو برای جبران نیروهای اعمالی به پاها و قسمت سوم یک کنترل کننده مدار بسته نیروی قابل تنظیم می باشد. در این کنترل کننده خاصیتی نهفته است که در صورت ایجاد شدن خطای تعقیب نیرو در پاها، به صورت خودکار با اصلاح موقعیت ربات، در جهت جبران خطای نیرو عمل می نماید. این اصلاح مسیر باعث بهبود انطباق ربات با ناهمواری شده و برای رباتی که ارتفاع آن در حالت ایستاده 1.2mاست، عبور از فرورفتگی هایی به عمق 4.5cm و برآمدگی هایی با ارتفاع حداکثر 3.5cm را ممکن می سازد. به منظور بهبود بیشتر حرکت ربات روی سطوح ناهموار کنترل کننده دیگری نیز ارائه می شود. این کنترل کننده علاوه بر دارا بودن ویژگی های کنترل کننده قبلی، امکان کنترل کننده مستقل مسیر مفصل ران و زاویه ی مطلق بالاتنه را نیز فراهم می کند. این ویژگی کنترل کننده، ربات را قادر می سازد که بر برآمدگی هایی با حداکثر ارتفاع 7cm و فرورفتگی هایی به عمق حداکثر 11cm به صورت پایدار قرار گیرد. در این پایان نامه برای استخراج معادلات حرکت ربات از نرم افزار متلب و برای شبیه سازی های عددی از نرم افزار شبیه ساز یوبوتیکز استفاده می شود.

با گسترش و پیشرفت علم رباتیک، مطالعه و تحقیق بر روی ربات های دارای پا و به خصوص ربات دوپا افزایش یافته است و توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی و صنعتی را به خود جلب کرده است. در سال های اخیر، ربات های انسان نمای متعددی در سراسر دنیا ساخته شده است و در برخی کشورها مانند ژاپن ساخت ربات انسان نما به عنوان پروژه ملی مطرح است به نحوی که نمادی از پیشرفت تکنولوژی محسوب می شود. ربات های دوپا به این دلیل که از نظر ساختاری شبیه انسان هستند، توانایی انجام بسیاری از فعالیت های انسان را دارند. همچنین به علت ماهیت ناپیوسته حرکت ربات دوپا، بسیاری از مشکلاتی که ربات های چرخ دار و مارسان در عبور از سطوح ناهموار، پله ها، موانع و شکاف ها دارند برای این دسته از ربات ها وجود ندارد. از میان تحقیقات زیادی که بر روی ربات های دوپا انجام شده می توان به بررسی پایداری، طراحی مسیر، بهینه سازی راه رفتن و کنترل آن ها اشاره نمود. از این میان، مهم ترین و پیچیده ترین مسئله ای که هنوز به طور کامل حل نشده است، مفهوم پایداری راه رونده ها و معیارها و روش های کنترل آن می باشد. اگرچه تاکنون پایداری وضعی، که حفظ پایداری راه رونده را برابر با کنترل وضعیت قرارگیری تکیه گاه ها و مفاصل بر روی یک مسیر از پیش طراحی شده دارای پایداری وضعی می گیرد، مبنایی برای کنترل پایداری آنها به حساب می آمده است، برخی از محققین مفهوم پایداری این سیستم ها را بسط داده اند و آن را معادل با نرفتن به وضعیتی می دانند که منجر به زمین خوردن(افتادن) می شود که برداشت اخیر از پایداری و کنترل آن، مورد نظر تحقیق حاضر است. همچنین، برخلاف روش های متداول که حرکت راه رونده را در فضای مفاصل(کمیت های جزئی داخلی) پیگیری می کنند، تحلیل های پایداری و کنترل پایداری ارائه شده در این پژوهش، به راه رونده به صورت یک سیستم کلی نگاه می کند و روشی جامع در فضای اندازه حرکت(کمیت های کلی) ارائه می دهد که با توجه به وجود یک نگاشت بین این دوفضا، پیاده سازی آن را بر روی هر راه رونده ای، ممکن می سازد. بر این اساس، ابتدا معادله حرکت پایه برای راه رونده در فضای اندازه حرکت کلی بدن استخراج شده است که در نهایت به ارائه دو مدل ریاضی(سیستم دینامیکی تکه تکه پیوسته) به نام های مدل ساده شده راه رفتن(swm) و مدل کامل راه رفتن(cwm) می انجامد. همچنین، با انجام فرضیاتی نزدیک به واقعیت بر روی معادله حرکت پایه، معادله حرکتی ساده شده، به نام معادله حرکت گام به گام به دست می آید. برای محاسبه حل حرکت دائمی سیستم، با اعمال شرط تکرار بر روی این معادله، سیکل های حرکتی ساده و مرکب استخراج خواهند شد که ازاین میان سیکل ساده پیش رونده، الگویی برای حرکت راه رفتن معمولی ارائه می دهد. این سیکل-ها دارای پایداری مرزی هستند و در عمل به واسطه کوچکترین اختلالی با رشدی نمایی واگرا خواهند شد. با تعریف پایدارسازی حرکت راه رفتن به صورت هدایت حرکت از یک شرایط اولیه دلخواه به سمت یک سیکل حرکتی مطلوب و کنترل حرکت حول آن، دو راهبرد کنترل پایداری، 1) تغییر پیوسته مرکز فشار در ناحیه تکیه گاهی و 2) تغییر پی درپی طول و زمان فرودگام، ارائه شده است. بر اساس این دو راهبرد و با مبنا قراردادن مدل ساده شده راه رفتن(swm)، چهار کنترل کننده پایداری با نام کلی پایدارسازهای سیکل حرکتی ارائه شده و توانایی پایدارسازی هر یک از آنها تجزیه و تحلیل شده است. سپس برای بررسی توانایی پایدارسازها بر روی مدل کامل راه رونده(cwm)، تعدادی شبیه سازی بر روی یک مدل فیزیکی دارای محدودیت های واقعی انجام شده و توانایی و نارسایی هر یک از کنترل کننده های پایداری بررسی شده است. در پایان، برای فائق آمدن بر نارسایی های پایدارسازهای سیکل حرکتی، روشی به نام کنترل پایداری بهینه به عنوان راه حلی کامل برای مسئله ارائه گردیده و عملکرد آن با انجام شبیه سازی بر روی مدل فیزیکی، بررسی شده است. در این پژوهش سعی شده است با نگاهی جامع تر به دو مقوله پایداری و کنترل پایداری در مقایسه با نگاه متداول، مسئله پایداری و کنترل پایداری راه رونده با رویکردی حداکثری دنبال گردد.

امروزه با توسعه روزافزون صنعت رباتیک و افزایش نیاز به بازوهای صنعتی در انجام امور طاقت فرسا، دغدغه اصلی طراحان کنترل را برطرف کردن مشکلات موجود در کنترل این سیستم ها تشکیل می دهد. مشکلاتی از قبیل ساده تر کردن سخت افزار و در عین حال افزایش کارایی کنترل کننده. یکی از زمینه ها یی که می توان ساختار ربات را ساده نمود حذف سنسورهای متعدد در ربات و واگذاری این وظیفه به عهده کنترل کننده ها است. در این پایان نامه روش های کنترلی برای تخمین نیروی خارجی وارد به ربات و همچنین کنترل آن ارائه شده است که نیاز به نصب سنسور نیرو را در رباتها رفع می کند. این روش ها به ترتیب شامل تخمین زن تطبیقی نیرو، تخمین زن تطبیقی محیط خطی، و تخمین زن محیط غیر خطی با استفاده از شبکه عصبی موجک می شود که همه آن ها برای تخمین نیروی وارده به مجری نهایی طراحی شده اند و پارامترهای آن ها با قوانین وفقی طراحی شده به روز می شوند. در تخمین زن های محیط علاوه بر اندازه گیری نیرو با استفاده از آن ها، تخمین آنها در کنترل کننده تعقیب نیرو مورد استفاده قرار می-گیرد. در روند اثبات پایداری هر روش اثبات رسیدن مجری به مرز محیط در حالتی که ربات با محیط در تماس نیست نیز ارائه شده است. همچنین این کنترل های وفقی بر خلاف دیگر روش های کنترل نیرو بدون استفاده از سنسور نیرو که نیاز به مدل دقیق ربات دارند برای ربات هایی با نامعینی های پارامتری تعمیم داده شده است تا علاوه بر نیروی خارجی، پارامترهای نامعین ربات نیز تخمین زده شوند. مزیت دیگر این روش ها نسبت به روش های بر پایه مشاهده گرها رفع نیاز به محاسبه معکوس ماتریس ژاکوبین در محاسبه نیروی تخمینی ربات است. بنابراین نقاط تکین ربات محدودیتی در عملکرد کنترل کننده داخلی ایجاد نمی کنند. هرچند اکثر روش های بدون سنسور برای تنظیم نیرو استفاده شده اند، روش های ارائه شده کنترل تعقیب نیرو را در حالت بدون سنسور نیرو نیز امکان پذیر می کنند. برای نمونه یک ربات دو درجه آزادی واقع در صفحه افقی برای بررسی صحت نتایج به دست آمده در شبیه سازی ها استفاده شده است.

در این رساله نقش مفصل پنجه در کیفیت راه رفتن و پایداری ایستادن بررسی شده است. در بخش راه رفتن یک مطالعه ی سینماتیکی و یک مطالعه ی دینامیکی انجام شده است. در مطالعه ی سینماتیکی داده های آزمایشگاهی مربوط به راه رفتن انسان های سالم جهت محاسبه ی یک شاخص سینماتیکی جمع آوری شده است. با استفاده از این شاخص چند نمونه راه رفتن شامل راه رفتن بدون استفاده از مفصل پنجه مورد ارزیابی قرار گرفته و با یکدیگر مقایسه شده است. در مطالعه ی دینامیکی با تهیه ی یک مدل نه- میله ای شامل مفصل پنجه و طراحی یک مسیر پایدار برای یک گام راه رفتن روی سطح افقی و سطح شیبدار، گشتاورها و شاخص های مصرف انرژی و توان برای دو حالت حرکت با استفاده از حرکت پنجه و حرکت با مفصل پنجه ی قفل شده محاسبه و با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج نشان داد استفاده از مفصل پنجه باعث کاهش حداکثر مقدار گشتاور و همچنین مصرف انرژی در ربات می شود. در این پژوهش برای مدل کردن ایستادن ربات با فرض وجود اغتشاش های کوچک از راهبرد قوزک استفاده شده است. به این منظور تنه با یک پاندول وارون و کف پا با دو عضو صلب به عنوان عضوهای پاشنه و پنجه مدل شده است. بین کف پا و زمین دو نوع قید نیرویی و قید وضعیتی در نظر گرفته شده است. قیدهای نیرویی بر اساس نیروهای واکنش زمین و موقعیت نقطه اثر آن ها و قیدهای وضعیتی بر اساس موقعیت عمودی کف پا از روی سطح زمین تعریف شده اند. در مرحله ی نخست با تعریف سه قید نیرویی، محدوده های مجاز گشتاور مفصل های قوزک و پنجه برای برآورده شدن قیدها به دست آمده است. کنترل تعادل ایستادن ربات سپس با استفاده از دو راهبرد انجام شده است: راهبرد قوزک و راهبرد قوزک- پنجه. در راهبرد قوزک با شرط حفظ تماس کامل کف پا بر روی زمین، کنترل کننده گشتاور قوزک را برای پایدارسازی تعیین کرده و از گشتاور مفصل پنجه برای تامین حداکثر محدوده ی مجاز گشتاورها استفاده می کند. در این راهبرد با اعمال قیدهای نیرویی به مساله، پایدار سازی به دو روش کنترل تناسبی- مشتقی سوییچ شونده و کنترل پیش بین مدل انجام شده است. شبیه سازی ها نشان داد عملکرد کنترل تناسبی- مشتقی با نتایج پژوهش های انجام شده ی قبلی انطباق خوبی دارد و کنترل پیش بین مدل دارای عملکرد بهتر از نظر میزان گشتاور مفصل ها و تغییر زاویه ی تنه در طول پایدار سازی است. در راهبرد قوزک- پنجه با فراهم شدن امکان حرکت مفصل پنجه در طول پایدار سازی، کنترل کننده ی طراحی شده گشتاور هر دو مفصل را محاسبه می کند. کنترل تعادل ایستادن با استفاده از این راهبرد در دو بخش یکی با اعمال قیدهای وضعیتی و دیگری بدون اعمال قید انجام شد. در بخش نخست از کنترل پیش بین مدل و در بخش دوم از کنترل بازخورد حالت بر اساس روش lqr استفاده شده است. برای تحلیل پایداری سیستم کنترل در این راهبرد از مفهوم نماهای لیاپانف استفاده شده است. به این ترتیب ضمن بررسی پایداری، ناحیه های جذب نیز به دست آمده است. این تحلیل همچنین برای راه رفتن با کف پا با پاشنه ی بلند نیز انجام شده است.

موضوع این پایان نامه، پیاده سازی و توسعه روش ekf slam با استفاده از تلفیق اطلاعات imu بر روی ربات سیار خورشید صبا است. حل مسئله slam گام مهمی در راستای خودمختار کردن ربات های پایه متحرک است. در این پایان نامه لزوم استفاده از رباتیک احتمالی به دلیل وجود عدم قطعیت های موجود در محیط تشریح شده و ابزاری مناسب برای برخورد با یکی از مسائل رباتیک احتمالی ارائه شده است. همچنین بررسی کاملی راجع به اجزای الگوریتم ekf slam دو بعدی از جمله ویژگی های توصیف محیط صورت گرفته و نوآوری هایی در روش های استخراج ویژگی انجام شده است. در ادامه پس از پیاده سازی الگوریتم ekf slam با ویژگی از جنس خط بر روی ربات خورشید صبا، این الگوریتم با داده های imu تلفیق شده است تا سازگاری لازم در محیط های سه بعدی را ایجاد کند. با استفاده از نوآوری انجام شده، ربات قادر است ضمن ترسیم دقیق نقشه دوبعدی یک محیط ناهموار، توصیفات سه بعدی مناسبی را در کنار نقشه دوبعدی ارائه کند. تمام پیاده سازی های پروژه با بسترسازی در هسته دینامیک و رباتیک بر روی رباتی انجام شده که خود اینجانب بالغ بر 4 سال به عنوان سرپرست گروه در یک کار تیمی در طراحی، ساخت و راه اندازی آن ایفای نقش کرده ام.

دراین رساله الگوریتم چنداولویتی در سطح دینامیک به منظور کنترل همزمان چندین وظیفه با اولویت های معین در یک سیستم افزونه رباتیک ارائه می شود. با مقایسه با الگوریتم های موجود در تحلیل افزونگی نشان خواهیم داد که چگونه می توان از این الگوریتم به صورت یک چهارچوب کلی برای تحلیل افزونگی و کنترل بدنه ربات بهره برد. بعلاوه، مساله پایداری داخلی به همراه راه حلی برای تکینگی الگوریتمی در کنترل چنداولویتی در سطح شتاب ارائه می شود. کنترل امپدانس در فضای پوچ به صورت یکی از نتایج کنترل چنداولویتی در سطح شتاب معرفی می شود. ایده کلی در این روش داشتن کنترل بر روی برهم کنش بدنه ربات با محیط (غالبا انسانی) از طریق یک رفتار امپدانسی در فضای مفاصل و در فضای پوچ وظیفه اصلی در کنار کنترل فضای وظیفه اصلی ربات است. در ادامه مطالعات گسترده ای در راستای تصحیح خطای اعمال شده روی وظیفه اصلی در حین برهم کنش با بدنه ربات، انجام شده است. به این منظور دو روش کلی برای طراحی مشاهده گر اختلال یکی بر اساس خطای ایجاد شده در فضای وظیفه و دیگری بر اساس ممنتوم سیستم ارائه شده است. با استفاده از این روش ها می توان در کنار داشتن یک برهم کنش ایمن بین ربات و محیط انسانی، خطای حاصل از این برهم کنش روی فضای آزمایش شده و kuka lwr وظیفه را نیز مینیمم کرد. تمامی الگوریتم های پیشنهادی به صورت عددی و تجربی بر روی ربات کارایی آنها در عمل نشان داده شده است.

در حال حاضر، بسیاری هستند که از ناتوانی در حین راه رفتن به دلیل آسیب هایی از قبیل آسیب ستون فقرات و یا سکته رنج می برند. در این رساله، طراحی یک اُرتز غیرفعال نوین توانبخشی راه رفتن را جهت بازتوانی افرادی که توانایی راه رفتن را به دلیل آسیب های دستگاه عصبی و یا عارضه های دیگر مانند سکته مغزی از دست داده اند، به انجام رسانده ایم. همانطور که می دانیم، حرکت های لگن نقش مهمی در ایجاد تعادل و راه رفتن در طی یک سیکل گامی ایفا می کند. در این تحقیق نیز یک اُرتز غیرفعال جهت کمک به حرکت لگن بیمارانی که در راه رفتن دارای ناتوانی می باشند شبیه سازی و طراحی می گردد. این اُرتز لگنی بهینه سازی شده بدون موتور و صرفاً دارای المان های غیرفعال مانند فنر می باشد. به علاوه، همراه این وسیله یک مجموعه مهارکننده وزن فرد جهت حذف اثر بخشی از وزن بیمار در حین راه رفتن بر روی تردمیل طراحی شده است. شبیه سازی های انجام شده براساس ارائه یک مدل سه بعدی مناسب دینامیکی از حرکت اعضای پایین تنه در حین راه رفتن می باشد. همچنین مقادیر پارامترهای ساختاری دستگاه در طی حل مسائل بهینه سازی تعریف شده بر مدل دینامیکی مربوطه استخراج گردیده است. عملکرد اصلی این وسیله در راستای نزدیک نمودن حرکت های چرخشی سه گانه لگن به حالت مطلوب و همچنین کاهش گشتاور عملگر فرضی محرک لگن در مفصل ران پای ایستا در حین راه رفتن بر روی تردمیل در طی دو مرحله شبیه سازی و بهینه سازی مسأله مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی در مرحله اول بهینه سازی نشان می دهد که نمودار زمانی دوران های لگن به نمودارهای مرجع بسیار نزدیک بوده و وسیله بهینه غیرفعال طراحی شده می تواند حرکت مطلوب لگن را بدون تلاشی از طرف بیمار تأمین نماید. همچنین در مرحله دوم شبیه سازی و بهینه سازی، مقایسه گشتاور عملگر محرک لگن مدل شده در مفصل ران پای ایستا در حالت استفاده کاربر از دستگاه در مقابل شرایط عادی بدون اتصال به دستگاه بیانگر کاهش مطلوب مقدار گشتاور در یک سیکل کامل گامی می باشد. در تحقیق حاضر، علاوه بر تئوری مدل سازی و انجام شبیه سازی مسأله، پروسه ساخت کلیه اجزای دستگاه و استخراج نتایج آزمایشگاهی استفاده از آن نیز انجام پذیرفته است. البته نتایج آزمایشگاهی صرفاً در مراحل اولیه اتصال دستگاه به یک کاربر سالم با هدف اعتبارسنجی مدل سازی و شبیه سازی مسأله و همچنین امکان سنجی استفاده از آن ارائه گردیده است. با توجه به سالم بودن کاربر و امکانات موجود، نتایج آزمایشگاهی و بررسی عملکرد اُرتز لگنی با مطالعه دو معیار تغییرات بازه حرکت های دورانی لگن و همچنین میزان انرژی مصرفی کاربر براساس تغییرات سرعت ضربان قلب وی در دو حالت کلی همراه با دستگاه و بدون استفاده از آن در حین راه رفتن بر روی تردمیل ارائه گردیده است. نتایج آزمایشگاهی بدست آمد? مبتنی بر افزایش بازه حرکتی لگن در دو جهت دورانی و نیز کاهش مصرف انرژی در حالت بکارگیری دستگاه، موید اعتبار نتایج شبیه سازی و امکان استفاده از دستگاه برای کاربر بیمار در آینده می باشد.

شاخه مکانیک هندسی مشتمل بر بررسی دینامیک سیستمهای لاگرانژی و هامیلتونی با دیدگاهی مبتنی بر هندسه و تقارن است. با تکیه بر این دیدگاه، روش کاهش دسته وسیعی از سیستمهای مکانیکی با قید غیر انتگرالپذیر در فضای حاصل ضربی گروه های لی توسعه داده میشود. بستر انجام عمل کاهش مرتبه معادلات از روی اصل لاگرانژ-دالامبر صورت می گیرد و به معادلات اویلر-پوآنکاره روی فضای کاهش یافته می انجامد. این نظریه بر روی اجسام در حال غلتش بدون لغزش بکار گرفته می شود. مفاهیم متعددی از حوزه مکانیک هندسی برای تحلیل و کنترل یک سیستم متحرک غیر متداول که مشتمل است بر یک ربات محاط شده درون یک پوسته کروی بکار گرفته می شود. نمونه فوق بر روی سطح زمین توسط یک سیستم محرکه داخلی شامل روتورهای اینرسی به حرکت غلتشی وادشته می شود. تقارن های گروه لی برگرفته از طبیعت این سیستم، همچون ناوردائی لاگرانژین سیستم و توزیع سرعت نسبت به عمل گروه، کاهش مرتبه معادلات را امکان پذیر می کند. سیستم مذکور با بهره برداری از قابلیت تبادل تکانه زاویه ای و انرژی بین اجزای آن محرک می شود و از قید حرکتی موجود کنترل پذیری خود را می گیرد که امکان جابجائی به هر موقعیت و موضع دورانی مشخص را فراهم میآورد. ناوردائی دینامیک سیستم نسبت به عمل گروه لی دوران/انتقال بر چارچوب جسم این امکان را می دهد که در فضائی کاهش یافته به بررسی کنترل پذیری سیستم پرداخته شود. همچنین با حفظ ساختار هندسی مسأله، تحلیل بدون اتکای به دستگاه مختصات خاصی صورت می گیرد که با مشخص بودن منشأ فیزیکی هر جمله در معادلات، طراحی کنترل کننده ی را سهولت می بخشد. مشاهده می شود که نمونه ارائه شده می تواند به واسطه شباهت ساختار دینامیکی آن با نمونه معلق در فضا، به عنوان بستر آزمایشگاهی جهت آزمایش مانورهای ماهواره ای مورد استفاده قرار گیرد. بدین ترتیب، کنترل کننده ای از نوع تطبیقی طراحی می شود تا کارآئی دو منظوره فضائی- زمینی سیستم در حضور عدم تعین در پارامترهای اینرسی ناشی از مصرف سوخت و یا باز و بسته شدن بازوهای نصب شده مورد محک قرار گیرد. در راستای اهمیت موضوع پایداری چرخشی ماهواره ها، تحلیلی مشابه برای بررسی پایداری سیستم های غلتشی انجام می گیرد. با تعبیه یک ژایرو داخلی، قانونی جهت پایدارسازی دوران بر اساس کمینه ساختن تابع پتانسیل مقید به ثابت های حرکت سیستم تدوین میگردد. برای دستیابی به مانورپذیری از میان موانع و عبور از راهروهای تنگاتنگ به طرح ریزی و کنترل حرکت با نگاشت موانع به کمک یک تابع پتانسیل پرداخته می شود. شبیه سازی های انجام گرفته نشان می دهد که در سناریوهای مختلف گذر سیستم به نواحی با زبری سطح متفاوت رفتارهای غیر منتظره ای ممکن است بروز کند.

در سال های اخیر استفاده از وسایل نقلیه رباتی زیرآبی (urvs) در سطح وسیعی و در کاربردهای مختلف از قبیل جستجو و گشت زنی، اقیانوس شناسی، جمع آوری اطلاعات، مین یابی، جوشکاری خطوط لوله در زیردریا و تحقیقات علمی مورد توجه مراکز مختلف پژوهشی، نظامی و صنعتی قرار گرفته است. به همین علت، در این پژوهش مسئله ربات شش پا زیرآبی به لحاظ تحلیل دینامیکی و کنترلی مورد بررسی دقیق قرار گرفته شده است. بدین منظور ابتدا با شناخت از مختصات های مرجع به مدل سینماتیک و استخراج معادلات حرکت بدنه صلب و محاسبه نیروها و گشتاورهای گرانشی، شناوری، هیدرودینامیکی و رانشی پرداخته ایم. نهایتا با بدست آمدن کامل معادلات غیرخطی حرکت در مختصات مرجع زمین ثابت، با شبیه سازی آن ها قسمت دینامیک مسئله را به سرانجام رسانده ایم. طراحی کنترل کننده برای ربات های زیرآبی و مخصوصا ربات زیرآبی مورد بررسی از ظرافت و پیچیدگی زیادی برخوردار است. عواملی که موجب دشواری در طراحی کنترل کننده برای ربات های زیرآبی شده است عبارتند از: غیر خطی و پیچیده بودن معادلات حاکم بر حرکت، درجه بالایی از عدم قطعیت به علت شناخت ضعیف از ضرایب هیدرودینامیکی، اختلالات غیر قابل اندازه گیری (مانند جریان های زیرآبی)، تفاوت بین مراکز شناوری و گرانش، نیروهای هیدرولیکی مختلف از جمله شناوری و میرائی هیدرودینامیکی می باشد. با توجه به تحقیقات انجام گرفته پیرامون روش های کنترلی گوناگون بر روی وسایل نقلیه زیرآبی و نیز با توجه به معادلات غیرخطی حرکت برای ربات شش پا زیرآبی، در این پژوهش از دو رویکرد مختلف برای کنترل حالت های ربات زیرآبی استفاده کرده ایم. در رویکرد اول به ارائه یک روش جدید کنترل غیرخطی مقاوم مبتنی بر تاخیر زمانی برای ربات های زیرآبی پرداخته می شود. کنترل مقاوم با استفاده از قانون کنترل تاخیر زمانی (tdc) دارای ساختاری بسیار ساده و کارامد است که نیازی به دینامیک غیرخطی مدل نامی در این قانون کنترلی نیست. این قانون کنترل باعث تضعیف اثر دینامیک ناشناخته و اختلالات غیرمنتظره می شود که این کار به وسیله تخمین مستقیم از یک تابع (شامل نامعینی ها و نیز بخش هایی از مدل ربات) با استفاده از اطلاعات بهنگام از شتاب و ورودی کنترل کننده در مرحله قبلی و سپس اعمال آن در قانون کنترل صورت می گیرد. به جز عبارت های اینرسی، این قانون کنترل نیازی به شناخت و یا ساختار عدم قطعیت و یا کران های عدم قطعیت ندارد. در رویکرد دوم ارائه شده پس از خطی سازی معادلات حرکت، برای مقابله با عدم قطعیت های موجود و دینامیک ناشناخته ربات شش پا زیرآبی از روش بهینه چند منظوره مبتنی بر نرم بی نهایت ?h استفاده کرده ایم. در روش بهینه ?h کنترل کننده آن چنان طراحی می شود که یک کران بالا بر روی نرم بردار خروجی های (وزن دهی شده) سیستم چند متغیره ارضا شود. در این رویکرد طراحی کنترل کننده در قالب یک مسئله در آمده که در آن کمینه کردن تابع هزینه حساسیت مخلوط، فرموله می شود و این مسئله به صورت عددی توسط روش lmi در ?h قابل حل است. برای ارزیابی رفتار کنترل کننده خطی ?h، آن را به مدل غیرخطی ربات زیرآبی به صورت حلقه بسته، متصل می کنیم. در نهایت از نتایج شبیه سازی ها مشاهده می شود که هر دو روش کنترلی به طور مو ثر می توانند ردیابی مسیر مرجع داده شده را در حضور عدم قطعیت پارامترهای هیدرودینامیکی وسیله به خوبی انجام دهند.

امروزه آنالیز مودال تجربی کاربردهای گسترده ای در تصحیح دینامیک سازه ها، بهبود مدل های تحلیلی، طراحی دینامیکی بهینه، کنترل ارتعاشات، عیب یابی و پایش سلامت سازه ها در زمینه های مهندسی هوافضا، مکانیک و عمران پیدا کرده است. برای انجام آزمون مودال معمولاً سیستم مورد نظر به آزمایشگاه منتقل شده و پس از شبیه سازی شرایط مرزی با اعمال نیروهای تحریک ساخته شده و معین به ارتعاش واداشته می شود. سپس با استفاده از پاسخ و نیروی تحریک اندازه گیری شده توابع پاسخ فرکانسی محاسبه و از طریق روش های مختلف آنالیز مودال، پارامترهای مودال سیستم شامل فرکانس های طبیعی، نسبت های میرایی و شکل مودها استخراج می شود. برای بسیاری از سیستم های ارتعاشی نظیر سازه های بزرگ صنعتی و عمرانی آنالیز مودال تجربی با مشکلات و محدودیت هایی روبرو می شود. به عنوان نمونه انتقال یک پل یا یک ماشین صنعتی بزرگ به آزمایشگاه در عمل ناممکن است. اندازه گیری توابع پاسخ فرکانسی در محل نیز مستلزم خارج کردن مجموعه از سرویس کاری، حذف تمام نویزهای مزاحم مکانیکی و الکتریکی و تحریک آن سازه بزرگ بوده که بسیار مشکل و گاه ناممکن است. از طرف دیگر در بسیاری مواقع شرایط کاری سیستم با شرایط آزمون متفاوت و نتایج حاصل جوابگوی نیازها نخواهد بود. به منظور رفع این محدودیت ها، روش آنالیز مودال عملیاتی (oma) توسعه و بکار گرفته شده است. در این روش پاسخ ارتعاشی سیستم تحت تأثیر نیروهای محیطی در شرایط کاری عادی اندازه گیری شده و به منظور استخراج پارامترهای مودال سیستم مورد استفاده قرار می گیرد. از مزایای این روش در مقایسه با آنالیز مودال متعارف عدم نیاز به دستگاه های تحریک و شبیه سازی شرایط مرزی، خارج نکردن سازه از سرویس کاری و در نتیجه سرعت بالاتر و هزینه کمتر است. به علاوه در این روش مدل خطی شده حول شرایط نیرویی و مرزی واقعی برای کل سیستم (و نه بخش جدا شده ای از آن) بدست می آید. آنالیز مودال ماشین های دوار بزرگ و سازه های مرتبط با آنها یکی از مواردی است که به دلیل وجود نیروهای ارتعاشی حاصل از ماشین و بروز مسایل و مشکلات ارتعاشی، کاربرد زیادی دارد اما به دلیل محدودیت های ذکر شده انجام آزمون مودال تجربی به روش های متعارف معمولاً غیر ممکن و یا بسیار پر هزینه است. oma می تواند روشی کاربردی برای استخراج پارامترهای مودال ماشین های دوار باشد. اما پاسخ ارتعاشی ماشین های دوار حاوی تحریک های هارمونیک متعدد و قدرتمندی است که روش های oma را با مشکل روبرو می کند. زیرا در همه این روش ها نیروهای تحریک بصورت نویز سفید فرض می شوند. به منظور استفاده از oma در شرایط وجود تحریک های هارمونیک لازم است اجزای هارمونیک ابتدا شناسایی شده و سپس تأثیر آنها در oma و پارامترهای مودال حاصل مد نظر قرار گیرند و یا اینکه سیگنال پاسخ ابتدا به دو قسمت تصادفی و پریودیک جداسازی شده و سپس بخش تصادفی مورد استفاده قرار گیرد. در این رساله اندیس های مختلف تشخیص اجزای هارمونیک مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته به منظور افزایش دقت و حساسیت در تشخیص هارمونیک ها یک اندیس جدید پیشنهاد گردیده است. به منظور استخراج پارامترهای مودال روش های مبتنی بر تبدیل حوزه فرکانس (fdd) شامل efdd و cfdd، مورد مطالعه و پیاده سازی قرار گرفته اند. در این روش ها قبل از استخراج پارامترهای مودال، اجزای هارمونیک شناسایی شده بوسیله اندیس هارمونیک، از طریق میانیابی خطی از توابع پاسخ فرکانسی حذف می گردند. به منظور بهبود عملکرد این روش ها در شرایط وجود تحریک های هارمونیک در این رساله روش اصلاح شده mcfdd پیشنهاد شده است. روش دیگری که در این پروژه برای عبور از مشکل وجود تحریک های هارمونیک مورد استفاده قرار گرفته جداسازی سیگنال های پاسخ قبل از آنالیز مودال عملیاتی است. پس از مطالعه و بررسی روش های مختلف موجود جهت جداسازی سیگنال ها به دو بخش تصادفی و پریودیک، روش های مناسب پیاده سازی و مورد استفاده قرار گرفته است. از بخش تصادفی سیگنال جهت استخراج پارامترهای مودال توسط روش های fdd در حوزه فرکانس و ssi در حوزه زمان استفاده شده است. دقت و کارآیی روش های موجود و پیشنهادی ابتدا از طریق شبیه سازی نرم افزاری بررسی و مقایسه شده و سپس کارآیی آنها در آزمایشات عملی از طریق آزمون آنالیز مودال عملیاتی یک تیر فولادی و یک فن شرکت فولاد مبارکه ارزیابی گردیده است. نتایج شبیه سازی و آزمون های عملی بهبود نتایج حاصل از روش پیشنهادی نسبت به روش های موجود را نشان داده است.

در این رساله، راهبرد وفقی جهت دفع اختلالات نیروی خارجی ناشناخته وارد بر ربات ارایه شده است. در این راهبرد، فیدبک موقعیت و سرعت مفاصل، و پیش تغذیه نیرو در کنترل سیستم و دفع اختلالات نیرو مورد استفاده قرار گرفته اند. سیگنال های موقعیت و سرعت با استفاده از سنسورهای مربوط، و سیگنال نیرو به دلیل پر هزینه بودن و مشکلات فنی به کارگیری سنسور نیرو، با استفاده از تخمین زن وفقی نیرو استخراج شده اند. بر مبنای این تخمین زن، الگوریتم های وفقی جهت کنترل بازوی ربات به گونه ای پیشنهاد شده اند که برای حالات در نظر گرفته شده، سیستم کنترل قابلیت دفع اختلالات نیرو را داشته و در نتیجه، ربات توانایی تعقیب مسیر حرکت مورد نظر را داشته باشد. الگوریتم های مناسب برای حالتی که دینامیک ربات کاملا مشخص است و نیز حالتی که پارامترهای دینامیکی ربات نامعین می باشند ارایه گردیده اند. در هر یک از این حالات، نوع محدوده و شرایط پایداری سیستم حلقه بسته تحلیل و اثبات شده اند. از آنجایی که نامعینی غیر ساختاری می تواند تاثیر قابل ملاحظه ای در تقلیل عملکرد و پایداری سیستم داشته باشند، جهت مقاوم کردن سیستم کنترل نسبت به این نوع نامعینی، یک الگوریتم کنترل وفقی مقاوم پیشنهاد شده و پایداری یکنواخت آن در قالب یک فضیه اثبات شده است. پایداری مجانبی یکنواخت سراسری (guas) و کراندار بودن نهایتا یکنواخت (uub) خطای تعقیب با قوانین کنترلی پیشنهادی برای حالت های خاص تضمین گردیده اند. مطلوبیت عملکرد و کارآمد بودن هر یک از روش های پیشنهادی، و نیز صحت نتایج حاصل از مباحث تیوری با استفاده از نتایج شبیه سازی انجام شده بر روی یک بازوی ربات نمونه نشان داده شده است.

گوجه فرنگی از سبزیجات اصلی سبد غذایی مردم کشورمان در تمام فصول سال است. محصولی حساس به ضربه و فشار، که زمان و روش برداشت مناسب را طلب می کند تا با کیفیت بالایی به دست مصرف کننده برسد. از متداولترین روش های تولید خارج از فصل، تولید در گلخانه است. به علت تراکم زیاد بوته در واحد سطح، نیروی کارگر زیادی نیاز دارد. به طوری که 40% کل هزینه های تولیدی به نیروی کارگری اختصاص دارد. به دلیل غیر یکنواخت بودن توزیع این محصول روی هر بوته و بوته های متفاوت، داشتن سیستمی هوشمند و توانا، سرعت و کیفیت برداشت را تا حد زیادی افزایش می دهد. در تحقیق حاضر یک بازوی سه درجه آزادی، جهت هدایت گیرنده نهایی به سمت گوجه فرنگی، طراحی، ساخته و کنترل شد. همچنین خواص فیزیکی و مکانیکی گوجه فرنگی اندازه-گیری شد. آزمایش های تعیین مقاومت میوه به سوراخ شدگی و تعیین منحنی نیرو- تغییر شکل میوه تا حد پارگی به وسیله دستگاه جامع بارگذاری کشش و فشار انجام شد. به منظور طراحی و ساخت بازو، ابتدا طراحی مکانیزم و تحلیل سینماتیکی و دینامیکی انجام شد. بعد از انجام شبیه سازی و انتخاب موتورها، مدل مکانیکی بازو در نرم افزار مدلسازی شد. در نهایت ساخت و عیب یابی قسمت مکانیکی ربات انجام شد. در قسمت کنترل، شناسایی گوجه فرنگی با بهره گیری از یک سیستم پردازش تصویر انجام شد و یک سیستم کنترل بازو را برای رسیدن به نقطه هدف هدایت می کرد. در ارزیابی های انجام شده، دقت بازو در نقطه نهایی در راستای محورهای x، y و z به ترتیب 2/1،1/1 و 4/1 میلی متر اندازه گیری شد. دقت زاویه ای هر مفصل 1 درجه برآورد شد.

ارتعاشات و نوسانات نیرو در دستگاه های نورد گرم هر ساله خسارات فراوانی را به صنایع فولاد وارد می کند. ارتعاشاتی که در نورد گرم مشاهده شده است، بر خلاف نورد سرد از جنس ارتعاشات خود تحریک نیست زیرا در نورد گرم بدلیل دمای بالای ورق،کاهش مدول الاستیسیته تاثیر قابل توجهی بر پایداری سیستم می گذارد. از سوی دیگرتنش تسلیم برشی هم بدلیل وابستگی به دما و نرخ کرنش در این پایداری بی تاثیر نیست. ارتعاشاتی که در قفسه های نورد گرم مجتمع فولاد مبارکه مشاهده شده است از جنس ارتعاشات اجباری است و منبع این ارتعاشات وجود عیوب مختلف دراجزای مکانیکی این سیستم می باشد که در این پروژه با شبیه سازی دستگاه و فرایند نورد گرم در نرم افزار سیمولینک و مطلب و مدل سازی عیوب موجود در خط نورد گرم به عیب یابی این سیستم پرداخته شده است. مدل نورد گرم از دو بخش مدل سازه و مدل فرایند تشکیل شده است. محققان پیشین مدل فرایند نورد سرد را تهیه کرده اند ولی هنوز مدلی برای فرایند نورد گرم ارایه نشده است و یکی از ابتکارات این پروژه ارایه مدل مناسب برای فرایند نورد گرم می باشد. با تلفیق این دو مدل و وارد کردن مدل مناسب نیرویی برای وجود یک خرابی دردستگاه نورد می توان به بررسی پاسخ سیستم نورد به این منابع ارتعاشی و مطالعه روی فرکانس و دامنه های ماکزیمم در این پاسخ ها پرداخت. در فصل اول، تعاریف، تاریخچه مطالعات و تقسیم بندی های ارتعاش بیان گردیده و به توضیح مسیله پرداخته شده است. در فصل دوم مدل های مختلف سازه نورد و نحوه محاسبه سختی های پیچشی و عمودی ارایه شده است. در فصل سوم ماهیت فرایند نورد و مدل های مختلفی که تاکنون برای آن مطرح کرده اند، آورده شده و سپس به ارایه مدل فرایند نورد گرم پرداخته شده است.در فصل چهارم مدل های مناسبی برای عیوب مختلف در اجزای دستگاه نورد بیان شده که از پژوهش های محققین گذشته استفاده شده است. در فصل پنجم به بررسی نتایج شبیه سازی پرداخته شده و تاثیر پارامترهای مختلف در نوسانات نیرو مورد تحلیل قرار گرفته است.

سیستم های انتقال دهنده توزیع شده عموما از تعداد زیادی محرک مشابه در تعامل با یکدیگر تشکیل شده که با یک استراتژی کنترل شیی یا اشیایی را حرکت می دهند. هدف اغلب سیستم های انتقال دهنده توزیع موقعیت دهی دقیق اشیاء صفحه ای از تمام وضعیت های آغازین است در این پایان نامه ابتدا به دینامیک یک سیستم انتقال دهنده باتعداد n محرک توزیع شده پرداخته شده است. مدل کردن این سیستم ها مشکل است قسمتی از آن به به این دلیل که د ینامیک سسیستم غیر یکنواخت و هم نامعین است. نامعینی های سیستم با فرضیات معقولی حل شده و برای حالت خاص چهار چرخ بررسی و جایگذاری شده است. پس از تحلیل دینامیک سیستم نوع کنترل کننده ای که قرار است مورد استفاده قرار می گیرد بحث وبررسی شده است. مزیت و معایت کترل کننده ها فازی در مقایسه با کنترل کننده های مرسوم بیان گردیده و در نهایت به جزییات طراحی کنترل کننده فازی و تعیین پارامترهای آن پرداخته شده است برای تعیین این پارامترهای کنترل موقعتیت و جهت و کنترل جسم در تعقیب مسیر هر کدام به صورت جداگانه برای حالت چرخ داری دو در جه آزادی و چرخ دارای یک درجه آزادی مورد بررسی قرار گرفته و پارامترهای آنها تعیین شده است. برای ارزیابی نتایج نظری به صورت عملی بک مجموعه آزمایشگاهی طراحی و ساخته شده است ساختار سخت افزاری و نر م افزاری سیستم ازمایشگاهی و جایگاه هر یک از اجزا آن در کارکرد کل سیستم در این پایان نامه بیان گردیده و معایب و مزایای آنها مطالعه و بررسی شده است همچنین در این قست در مورد تاثیر دقت اندازه گیری پارامترهای سیستم توسط پردازش تصویر بر کنترل جسم و موقعیت دهی ان توضحیاتی داده شده است. مقایسه نتایج تست های عملی با شبیه سازی عددی اخرین بخش کارهای انجام شده در این تحقیق را تشکیل می دهند این مقایسه برای یک مورد کنترل موقعیت و دو مورد تعقیب مسیر صورت گرفته و مشابهت ها و دلیل تفاوت های نمودارهای حاصل از داده های شبیه سازی و داده های تجربی بیان شده است . در انتها به جمع بندی نتایج و ارایه پیشنهاداتی در جهت بررسی همه جانبه تر این نوع سیستم ها در حالت کلی و بهبود کنترل و بهینه سازی پارامترهای آن در مورد نمونه آزمایشگاهی ساخته شده پرداخته شده است.

سیستمی که در این پایان نامه به تحلیل دینامیکی آن پرداخته شده، از یک ماهواره ی اصلی در حال گردش به دور زمین در مداری دایره ای با حرکتی از پیش تعریف شده تشکیل شده، که بیشتر جرم سیستم ناشی از ماهواره است. در این ماهواره، مکانیزم قرقره ی تعبیه شده، با تولید سرعت خطی در طنابی که به دور آن پیچیده شده تغییر طول ایجاد می کند. به انتهای تتر یک بازویی دو عضوی متصل شده و پنجه ی ربات سازه ای صلب و همگن را حمل می کند. موقعیت دهی سازه و انتقال آن در روی یک مسیر داده شده، ماموریت این سیستم را تشکیل می دهند. روش های کنترلی معمول به دلیل بازه ی محدود تغییرات طول تتر در حین عملیات کارآمد نیستند و کنترل سیستم چالش اصلی این پژوهش است. ابتدا با در نظر گرفتن فرضیاتی مشخص، معادلات دینامیکی سیستم با تتر صلب استخراج شده است. سپس برای سیستم صلب کنترل کننده ای که پاسخ گوی اهداف پایان نامه باشد طراحی شده است و در انتها اثر انعطاف پذیری تتر در دینامیک سیستم کنترل شده ارزیابی شده است. تمرکز اصلی این پژوهش بر مسئله کنترل سیستم با توجه به محدویت تغییر طول تتر است. با تفکیک دینامیک سیستم به دو بخش حرکت نوسانی-دورانی تتر و حرکت بازوی رباتیکی، کنترل سیستم تجزیه وتحلیل شده است. از آنجا که به دلیل گشتاورهای اعمالی روی مفاصل ربات و سازه، کنترل این دو بخش راحت تر انجام می گیرد، ایده ی به کار رفته در حل مسئله کنترل سیستم این است که حرکت دروانی تتر مستقل از زوایای مفاصل ربات و سازه کنترل شوند و اثر تداخل دینامیکی حرکت بازو بر حرکت تتر به صورت اختلال در کنترل تتر در نظر گرفته شود. کنترل کننده ای که برای کنترل زوایای مفاصل ربات و سازه پیشنهاد شده، کنترل کننده ی گشتاورهای محاسبه شده است. کنترل چالش برانگیز زاویه ای تتر با حفظ طول تتر در یک رنج محدود ابتدا برای یک سیستم ساده تتر فضایی به عنوان الگو، با استفاده از روش کنترلی مبتنی بر پیش بین مدل، model predictive control، بررسی شده است. سپس با بکارگیری یک کنترل کننده ی ترکیبی nmpc-ctm مسئله کنترل سیستم اصلی در دو حالت حمل سازه و ربات بدون سازه بررسی و شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی سیستم در نتیجه ی اعمال کنترل کننده های طراحی شده نشان دهنده عملکرد خوب این کنترل کننده ها است. در آخر اثر انعطاف پذیری تتر به فرضیات مسئله اضافه شده معادلات سیستم برای این شرایط استخراج شده اند. تاثیر این انعطاف پذیری در کنترل سیستم به عنوان اغتشاش ساختاری برای سیستم در مدل دینامیکی در نظر گرفته شده و نتایج حاصل از شبیه سازی برای کنترل سیستم در انتقال سازه به نقطه ی هدف ارائه شده است.

مکان یابی و نقشه یابی همزمان ربات سیار، بخشی بسیار مهم و ضروری از مسئله ی کلی تماماً خودمختار کردن این ربات ها است. مکان یابی دقیق به نقشه ای از محیط نیاز دارد و برای تولید نقشه نیز به مکان سنجی دقیق نیاز است. اولین حل ارائه شده از این مسئله، حل توسط فیلتر کالمن توسعه یافته، مشکلاتی از جمله کند بودن و عدم توانایی اجرای به هنگام را داشت. حل بعدی که برای مسئله ی slam ارائه شد، حل توسط فیلترهای ذره ای بود که fast-slam نام داشت. روش فیلتر ذره ای به علت استفاده از نمونه ها برای معرفی توابع چگالی احتمال، محدود به فرض گوسی بودن نویزهای محیطی نیست. بعلاوه در این روش فرض محدودکننده ی خطی بودن معادلات سیستم، که در فیلترهای کالمن در نظر گرفته می شد، وجود ندارد و می توان از مدل سیستم و مدل مشاهده ی غیرخطی در معادلات فیلتر، استفاده کرد. محدود نبودن این نوع از فیلترها به معادلات خطی، استفاده از فیلترهای ذره ای را برای حل مسئله ی slam که معادلاتی غیرخطی دارند، بسیار مناسب کرده است. الگوریتم fast-slam با وجود ویژگی های بسیار مثبت خود نسبت به روش های قبلی حل مسئله ی slam، به علت نقص در معادلات فیزیکی، در شیب های مثبت و منفی محیطی دچار خطا می شود. در این پژوهش خطای موجود در الگوریتم اصلاح شده و بر روی ربات پیاده سازی شده است. این پیاده سازی به صورت به هنگام صورت می گیرد به این معنی که الگوریتم همزمان با داده برداری ربات از محیط، اجراشده و نقشه ی محیط را تشکیل داده و مکان ربات را اصلاح می کند. اصلاح مدل حرکت و مدل مشاهده موجب برطرف شدن خطای موجود در الگوریتم پایه خواهد شد. در ادامه مکان یابی ربات از دو بعد به 5/2 بعد ارتقا یافته است. مکان یابی ربات که پیش تر به صورت صفحه ای (در صفحه ی x,y) انجام می شد، به مکان یابی در فضا (در سه بعد x,y,z) ارتقا یافت. برای انجام این کار، از داده های رسیده از حسگر اینرسی و قید به وجود آمده در حرکت ربات بر روی شیب استفاده شد. معادلات قید به وجود آمده و معادلات مشاهده ی اصلاح شده در یک فیلتر کالمن توسعه یافته جایگذاری شده و با استفاده از این فیلتر اصلاح موقعیت در راستای z انجام شده است.

در این رساله مسئله ی آنالیز پایداری دینامیکی سیستم تیر تحت اثر جسم متحرک مورد مطالعه قرار گرفته است. مبتنی بر تئوری فلاکه (floquet theory) که یک روش مناسب برای آنالیز پایداری سیستم های متغیر با زمان خطی است، شرایط بروز ناپایداری در این سیستم مطالعه شده است. اثر شیوه ی مدل سازی شامل اثر ترم های اینرسی خطی و غیرخطی اینرسی جرم متحرک، مدل سازی جسم متحرک به صورت جرم نوسان کننده دارای سیستم تعلیق و جسم صلب نوسان کننده ی دارای سیستم تعلیق، اثر میرایی و نیروی محوری و تغییر در خصوصیات هندسی و فیزیکی در تیر بر روی نتایج آنالیز پایداری مورد مطالعه قرار گرفته شده است. مجموعه ی نتایج به صورت نقشه های پایداری در صفحه ی جرم- سرعت جسم متحرک ارائه شده و سعی شده است با این بررسی ها مطالعات انجام شده ی قبلی تکمیل شود. در ادامه برای اولین بار روش آنالیز هموتوپی (homotopy analysis method) و روش اختلالی هموتوپی(homotopy perturbation method) به منظور تعیین شرایط پایداری دینامیکی و تشدید یک سیستم دینامیکی معرفی شده اند. مقایسه ی نتایج بکارگیری این روش ها در آنالیز پایداری سیستم تیر- جرم متحرک با نتایج آنالیز انجام شده به روش تئوری فلاکه نشان دهنده ی آن است که ضمن اینکه به خوبی شرایط پایداری توسط این روش ها تعیین می شود، برای اولین بار ضابطه ی ریاضی مرز بین نواحی پایدار و ناپایدار در صفحه ی تیر- جسم متحرک تعیین می شود. همچنین شرایط بروز تشدید جدیدی که تاکنون گزارشی از وجود آنها براساس بهترین دانش نگارنده وجود ندارد و نیز روش تئوری فلاکه قادر به تعیین آنها نیست توسط این روش ها از طریق تعیین ضابطه ی مرز بین نواحی پایدار و ناپایدار تعیین می شود. مقایسه ی بین نتایج آنالیز هموتوپی و اختلالی هموتوپی نشان می دهد که اگرچه هر دو روش نتایج خوب و قابل قبولی را ارائه می دهند ولی دقت نتایج حاصل شده بوسیله ی روش آنالیز هموتوپی دقیق تر از نتایج حاصل شده توسط روش اختلالی هموتوپی است. یکی دیگر از جنبه هایی که بر اساس بهترین دانش نگارنده مورد توجه محققین در بررسی رفتار دینامیکی سیستم تیر- جرم متحرک قرار نگرفته است بررسی اثر لحاظ اصطکاک بین تیر و جسم متحرک بر روی نتایج آنالیز پایداری دینامیکی این سیستم است. لحاظ این اثر سبب پیچیده تر شدن معادله ی دینامیک حاکم بر مسئله و تغییر آن از نوع متغیر با زمان خطی به متغیر با زمان غیرخطی می شود. در این پایان نامه آنالیز پایداری این سیستم با استفاده از روش اختلالی هموتوپی انجام شده است. در انتها نیز جهت فرونشاندن ارتعاشات تیر تحت اثر جرم متحرک اقدام شده است. برای این منظور از روش های تنظیم کننده ی خطی (lqr)، فازی (fuzzy) و فازی وفقی (adaptive fuzzy) استفاده شده است. نشان داده شده است که روش فازی وفقی در برابر نامعینی های سیستمی عملکرد مناسبی دارد.

نشستن و برخاستن یکی از معمول ترین و متداول ترین اعمال در زندگی روزمره است و این حرکت مقدمه ای برای حرکات دیگر بدن مانند راه رفتن، دویدن و ... است.علیرغم اهمیت فوق العاده ای که عمل نشستن و برخاستن دارد، با این وجود امروزه افراد زیادی هستند که قادر به انجام این عمل ساده و در عین حال مهم نمی باشند. بنابراین طراحی وسیله ای توانبخش که به ناتوانان حرکتی به ویژه افراد مسن در انجام این حرکت کمک کند بسیار مفید است. در این رساله ابتدا برای پیدا کردن شناخت کافی از حرکت، این حرکت را از دیدگاه سینماتیکی و دینامیکی مورد تجزیه و تحلیل قرار دادیم در این بخش اثرات عوامل مختلف موثر در حرکت بررسی شد. این بررسی ها نشان داد که خم کردن بالاتنه به جلو و تکیه کردن بر دست ها در کاهش فشار وارد بر مفاصل مفید است.از دیگر اطلاعاتی که از تحلیل حرکت بدست آوردیم سهم بالای گرانش در گشتاورهای مورد نیاز برای حرکت بود و با توجه به این مطلب بر آن شدیم تا با استفاده از روش ترکیبی بالانس گرانشی اثر گرانش را درحرکت کاهش دهیم. کارهایی که تا به حال در زمینه وسایل توانبخشی انجام شده بود همه به صورت کاملاً فعال و یا کاملاً غیرفعال بودند که هر کدام مزایا و معایبی دارند. در این رساله با تلفیق محاسن هر دو نوع از این وسایل به طراحی رباتی توانبخش به صورت هیبرید فعال و غیر فعال پرداختیم. به این منظور با اتصال تعدادی رابط به عضوهای ساق پا، ران و در امتداد بالاتنه و همچنین اتصال تعدادی رابط کمکی به این رابط ها مرکز جرم را مشخص کردیم ولی با توجه به این-که طول این رابط ها برای شخصی خاص محاسبه شده است بایستی این رابط ها به صورت تلسکوپی ساخته شوند تا بتوان طول رابط ها را برای اشخاص مختلف تنظیم نمود. پس از مشخص کردن مرکز جرم با بررسی چیدمان های مختلف برای فنرها، توانستیم با استفاده از دو فنر با ضرایب سختی معقول و مناسب گشتاور مورد نیاز در مفاصل را به میزان قابل توجهی کاهش دهیم. رابط ها و فنرهای ذکر شده بخش غیرفعال ربات توانبخش ما را تشکیل می دهند. با اعمال اثر این بخش بر روی مفاصل شخص در طول حرکت، تنها گشتاور قابل توجه باقیمانده که بایستی تأمین شود در زانو وجود دارد. با توجه به این مطلب و ضعف حرکتی که افراد مسن (که هدف اصلی ما در این رساله طراحی وسیله ای برای کمک به حرکت در این افراد است) غالباً در زانو دارند. تأمین این گشتاور را توسط محرک انجام دادیم و با انتخاب محرکی مناسب و طراحی کنترل کننده برای آن، بخش فعال را نیز طراحی نمودیم. در پایان این رساله برای مشخص شدن علت ترکیب حالت فعال و غیر فعال، سیستم های کاملاً فعال و کاملاً غیرفعال را با طرح ارائه شده در این رساله مقایسه کردیم. از ویژگی های قابل توجه این سیستم نسبت به سیستم های قبلی ذکر شده سبک بودن، کم بودن تعداد محرک ها در آن ، قابل حمل بودن و قابلیت نصب آن بر روی ویلچر می باشد. همچنین با استفاده از این وسیله شخص بایستی در مفاصل ران و مچ پا مقداری گشتاور نیز خود اعمال کند و در زانو نیز با توجه به انتخاب روش کنترل موقعیت، شخص می تواند تا حدی گشتاور مورد نیاز برای حرکت را خود اعمال کند که این موضوع از تحلیل رفتن قدرت باقیمانده در ماهیچه ها جلوگیری می کند.

چکیده پیشرفت صنایع مختلف کاربردهای جدیدی برای ربات ها ایجاد کرده است که در آن هم مهارت بازو و هم بزرگی ابعاد فضای کاری بطور همزمان نیاز است. از این رو دسته جدیدی از ربات های مار شکل ساخته شده اند. از مشخصات اکثر ربات های مار شکل داشتن افزونگی درجات آزادی است که این افزونگی درجات آزادی را می توان برای انجام وظایف جانبی و یا برای بهینه کردن شاخص هایی به کار برد. از آنجا که اکثر کاربردهای ربات های مار شکل در محیط های ناشناخته و بعضا پیچیده است، لزوم ایجاد روش های کنترلی متفاوت با کنترل زمان مبنا برای کنترل آنها احساس می شود. در تحقیق حاضر ابتدا سینماتیک ربات های مار شکل صفحه ای بررسی می شود. در ادامه روشی برای بدست آوردن معادلات دینامیکی ربات های مار شکل ارائه و با استفاده از آن معادلات دینامیکی حاکم بر سه نوع ربات های مار شکل بدست آورده می شود. در قسمت بهینه سازی دو نوع معیار کلی اکسترموم انرژی جنبشی لحظه ای و اکسترموم انتگرال انرژی جنبشی ارائه می گردد. از طرف دیگر دو نوع معیار دیگر اکسترموم کار انجام شده در طی مسیر و اکسترموم زمان طی مسیر ارائه می گردد و بیان می شود که بر حسب شرایط کاری کدام یک از روش ها مناسب تر است. در بخش کنترل ابتدا روش کنترل زمان مبنا1 بررسی می شود که در آن با استفاده از کنترل pid و با تغییر در یکی از پارامتر های حرکت سرپنوئیدی و با هدف کاهش خطا که از مقایسه موقعیت ربات با یک خط دلخواه بدست می آید سعی می شود سر ربات خط دلخواه را تعقیب کند. در انتها با مقایسه نتایج مشاهده می شود که کنترل رویداد مبنا2 برای ربات های مار شکل در تعامل با محیط های پیچیده و در سازگاری با حوادث پیش بینی نشده و نامعینی های سیستم بسیار موفق تر از کنترل زمان مبنا عمل می کند. پس از آن یک ربات مار شکل پانزده درجه آزادی در تعقیب به منظور رسیدن به یک هدف متحرک شبیه سازی شده و نتایج حاصل از چهار معیار مختلف اکسترمم سازی (انرژی جنبشی لحظه ای ، انتگرال انرژی ، کار انجام شده در مسیر و زمان طی مسیر) با کنترل رویداد مبنا ارائه و مقایسه گردیده و معایب و محاسن هر یک از آنها مقایسه می گردد.

امروزه شبیه سازها به عنوان وسایلی جهت آموزش، آز‍مایش، شبیه سازی حرکت و طراحی سیستم ها، در زمینه های مختلف تحقیقاتی و صنعتی به کار گرفته می شوند. شبیه سازی از راهکارهای اساسی کاهش هزینه ها و افزایش قابلیت اعتماد در موارد ذکر شده می باشد. شبیه سازهای پرواز نیز در رشد و توسعه صنعت هوافضا نقش بسزایی دارند. هدف از این تحقیق، طراحی فیلتر حرکت برای شبیه سازی پرواز توسط یک شبیه ساز سه درجه آزادی می باشد. سکوی متحرک شبیه سازهای پرواز از طریق ایجاد حرکاتی متناظر با حرکت واقعی هواپیما نقش مهمی در القاء احساس واقعی حرکت در خلبان دارد. هر چند از آنجا که یک شبیه ساز پرواز بر روی زمین ثابت است و دارای فضای کاری محدودی است و قادر به تامین حرکات واقعی یک هواپیما نیست، بایستی به بهترین نحو قابلیت های آن را مورد استفاده قرار داد تا قسمت های قابل احساس و ضروری حرکات را تامین کند. در ضمن در این فرآیند باید از ایجاد حرکات غیر واقعی و احساس های غلط اجتناب شود. وظیفه مقیاس نمودن و حذف حرکت های غیرمهم و یا غیر قابل تقلید توسط سکوی متحرک شبیه ساز بر عهده فیلتر حرکت شبیه ساز قرار دارد. فیلتر حرکت شبیه ساز، شتاب ها و سرعت هایی را که در پرواز واقعی احساس می شوند، به نحوی بازتولید و فیلتر می کند که شبیه ساز مورد نظر از محدوده عملکرد فیزیکی خود خارج نشود. به عبارت دیگر، فیلترهای حرکت به نحوی طراحی می شوند که ضمن برآوردن قیود حرکتی سکوی متحرک، احساس لازم را نیز در خلبان ایجاد نمایند. از دیگر محدودیت های شبیه سازی این است که، سکوی متحرک شبیه ساز از تمامی درجات آزادی هواپیما برخوردار نباشد. یکی از مسائل موجود در این رابطه، جبران حرکات انتقالی جانبی و رو به جلو در شبیه ساز سه درجه آزادی است که قابلیت تامین حرکات خیز، غلتش و پیچش را دارد. در این راستا فیلتر حرکت شش درجه باید به نحوی اصلاح شود تا حرکات مذکور را بتوان بازتولید نمود. در این تحقیق، علاوه بر طراحی فیلترهای حرکت کلاسیک و ترکیبی کلاسیک-وفقی برای شبیه ساز شش درجه آزادی، الگوریتم جدیدی برای تبدیل فیلتر های شش درجه آزادی به سه درجه آزادی ارائه شده است و از آنجا که شبیه سازهای سه درجه آزادی هزینه و پیچیدگی کمتری در مقایسه با انواع شش درجه دارند، فیلتر مذکور جهت پیاده سازی بر روی این نوع شبیه ساز طراحی شده است. الگوریتم کلاسیک طراحی شده برای شبیه ساز شش درجه آزادی، شامل فیلترهای خطی بالاگذر و پایین گذر با پارامترهای ثابت می باشد. تنظیم پارامترهای ثابت این الگوریتم نیز که از مراحل اساسی در طراحی فیلترهای حرکت می باشد، بررسی شده است. همچنین الگوریتمی جهت بازگرداندن زاویه چرخش به وضعیت صفر و نیز تطبیق حرکات دورانی شبیه ساز و هواپیما ارائه شده است. ویژگی اصلی الگوریتم کلاسیک، سادگی و قابل فهم بودن آن است. در ادامه الگوریتم وفقی معرفی شده است که دارای فیلترهای غیر خطی است و پارامترهای آن با استفاده از اصول کنترل وفقی بدست می آیند. الگوریتم ترکیبی کلاسیک- وفقی به عنوان طرح بعدی برای شبیه سازهای شش درجه آزادی انتخاب و طراحی شده است که این الگوریتم، فیلترهای غیر خطی وفقی را در ساختار کلی الگوریتم کلاسیک به کار می گیرد و پارامترهای آن بر اساس اصول کنترل وفقی و مطابق با وضعیت جاری شبیه ساز بدست می آیند. این الگوریتم، طرح هایی را از دو الگوریتم کلاسیک و وفقی الگو گرفته است و در عین ساده تر بودن نسبت به نوع وفقی، نتایج بهتری را در مقایسه با نوع کلاسیک می دهد. جهت تبدیل فیلترهای حرکت شش درجه آزادی به سه درجه آزادی، الگوریتم جدیدی طراحی شده است که این الگوریتم نیز بر اساس اصول کنترل وفقی عمل کرده و شتاب های خطی مورد نیاز در حرکات رو به جلو و جانبی را با اعمال شتاب زاویه ای مناسب به سکوی متحرک، بازتولید می کند. نتایج حاصل از این الگوریتم، با نتایج الگوریتم جمع ساده آثار مقایسه شده است که نشان از برتری الگوریتم جدید در حرکات دورانی دارد. نتایجی که برای فیلترهای شش درجه و سه درجه، در مانورهای مختلف ارائه شده است، حاکی از آن است که فیلتر حرکت طراحی شده برای شبیه ساز سه درجه آزادی در مقایسه با انواع شش درجه، شتاب های خطی مورد نیاز را نسبتاً خوب بازتولید می کند.

این تحقیق مروری بر سیستماتیک و دینامیک مکانیزم سه درجه آزادی با طراحی جدید با محرک های خطی (هیدرولیکی)، کنترل مکانیزم را مورد مطالعه قرار داده است. روابط سیستماتیکی، با استفاده از قیود زنجیره هندسی بسته مکانیزم، به صورت جبری و دیفرانسیلی و معادلات دینامیکی با استفاده از روش لاگرانژ سیستم های مقید، استخراج شده اند. ضرایب لاگرانژ به کمک ماتریس مکمل متعامد حذف و فرم کاهش یافته معادلات، جهت طراحی کننده ارائه شده است. در ادامه روش خطی سازی معادلات دینامیک سیستم های مقید، تنها بر حسب پارامترهای مستقل آورده شده است. استفاده از معادلات خطی شده برحسب پارامتر مستقل در کنترل کننده هایی که از تکنیک های روش های خطی استفاده می کنند، دارای مزیت حجم محاسبات کمتر و کاربرد حسگر ها کمتر در کنترل مکانیزم است. برای کنترل مکانیزم ابتدا یک کنترل کننده به روش مفاصل مجزا، در نظر گرفتن دینامیک کلی مکانیزم برای کنترل هر یک از محرک ها مکانیزم به صورت جداگانه، طراحی شده است. دو مرحله بعد یک کنترل کننده غیر خطی فازی به روش takagi-sugeno طراحی گردیده است. در طراحی کنترل کننده فازی، دینامیک غیر خطی مکانیزم به صورت ترکیب خطی از دینامیک خطی شده محلی در نقاط منتخب از فضای کاری مکانیزم، ارائه شده است، قانون کنترل فاز به صورت ترکیب خطی از قوانین خطخطی کنترل محلی آورده شده است. سپس یک کنترل کننده فازی وفقی مبتنی بر مدل برای کنترل مکانیزم یا دینامیک ناشناخته طراحی شده است. نتایج عددی حاصل از سبیه سازی و پیاده سازی عملی کنترل کننده بر روی مکانیزم مورد نظر در تحقیق ارائه شده است.

موضوع ارتعاش تیر با جسم عبوری متحرک تقریباً بیش از یک قرن موضوع مورد تحقیق پژو هشگران بوده و از جهات مختلف مورد بررسی قرارگرفته است. اغلب تحلیل های ارائه شده عمدتاً بدون در نظر گرفتن جرم جسم متحرک و/یا کنار گذاشتن سایر اثرات اینرسی آن، فقط با لحاظ جملات خطی و صرف¬نظر نمودن از عوامل غیرخطی و به ویژه، با عدم توجه به ماهیت متغیر با زمان معادله¬ی دیفرانسیل حاکم بر مسأله انجام گرفته است. با لحاظ کردن ضرایب متغیر با زمان معادله¬ی حاکم بر مسأله، ویژگی¬های جدیدی از سیستم آشکار می¬شود که عدم توجه به آنها در طراحی بسیاری از مسایل مهندسی مرتبط می¬تواند منجر به شکست طرح شود. از مهمترین مشخصه¬های تازه آشکار شده در این تحقیق برای مسأله¬ی مورد نظر، می¬توان به ظهور نواحی ناپایداری متعدد در صفحه¬ی پارامترهای مسأله اشاره کرد که قبلا گزارش نشده است. هم چنین یافته-ی دیگر این مسأله، وقوع پدیده¬ی پاسخ همزمان برای سیستم تیر-جرم متحرک است. با وقوع این پدیده، برخی از زبانه¬های ناپایداری در صفحه¬ی پارامترها ناپدید می¬شوند. این پدیده هنگامی اتفاق می¬افتد که یک جفت از منحنی¬های مرز ناپایداری دقیقا روی یکدیگر واقع شده و در نتیجه باعث از بین رفتن زبانه¬ی ناپایداری می¬شوند. وقوع این پدیده برای سیستم تیر-جرم متحرک، با استخراج دترمینان هیل مسأله و حل آن نشان داده می¬شود. اهمیت توجه به منحنی پاسخ همزمان در صورت تغییر جزئی شرایط مسأله به خوبی هویدا می¬شود. از این قبیل می¬توان به اثر اضافه کردن نیروی جزئی محوری فشاری و یا کششی اشاره نمود که باعث می¬شود سیستم دیگر واجد شرائط وقوع پدیده¬ی انطباق پاسخ¬های همزمان نبوده و دهانه¬ای بین منحنی-های متناظر باز شده و تبدیل به یک زبانه¬ی ناپایدار می¬گردد. با اضافه کردن جملات غیرخطی ناشی از روابط کرنش-جابجایی غیرخطی به معادله دیفرانسیل حاکم بر مسأله، نشان داده می¬شود که مرزهای جداکننده¬ی نواحی پایدار و ناپایدار در صفحه¬ی پارامترهای مسأله منطبق بر مرزهای سیستم خطی می¬باشند، با این تفاوت که صرفا تمیز دهنده رفتار پایدار از ناپایدار نیست و به نحو پیچیده¬تری وابستگی پاسخ سیستم به عوامل دیگری را نیز نشان می¬دهد. در واقع، با استفاده از روش¬های مقیاس های چند گانه و توازن هارمونیک¬ها نشان داده می-شود که با تغییر پارامترهای مسأله¬ی غیرخطی و عبور از مرزهای پایداری، پاسخ سیستم به واسطه¬ی وجود جملات غیرخطی با روندی شبه نامحدود رشد می¬کند که به صورت پدیده¬هایی مانند پرش و سیکل حدی بروز می¬نماید. همچنین با استفاده از روش بسط دو متغیره نشان داده می¬شود که شرایط اولیه¬ی حرکت نیز می¬تواند در کنار پارامترهای انتخابی مسأله منجر به پیدایش الگوهای پاسخ متنوع شود.

با توجه به گسترش روز افزون کاربرد ربات ها که در راستای کمک به انسان و کاهش هزینه ها و خطرات انجام ماموریت های متفاوت است، این تحقیق به یکی از فرآیند های مهم در رباتیک پرداخته است. فرآیند سرهم سازی یک فرآیند بسیار مهم و پرکاربرد در رباتیک است، در این فرآیند ربات ها سازه های مجزا را به یکدیگر متصل نموده و تشکیل یک سازه جدید می دهند. این فرآیند هم در زمین و هم در فضا قابلیت کاربرد دارد. در این تحقیق به مطالعه فرآیندی پرداخته شده که در طی آن دو سازه مجزا از دو مکان متفاوت توسط دو ربات پایه آزاد حمل می شوند ودر نقطه ای موسوم به "نقطه برخورد" به یکدیگر متصل شده و سپس سازه جدید به مکان دلخواه منتقل می شود. در واقع با تقسیم بندی چهار مرحله ای فرآیند سرهم سازی را مدلسازی و شبیه سازی شده است. بصورت خلاصه این چهار مرحله عبارتند از: 1- نزدیک کردن دو سازه جدا از هم توسط دو ربات، 2- برخورد سازه ها به یکدیگر و اتصال دو سازه به یکدیگر، 3- پایدار سازی سازه های برخورد کرده و 4- انتقال سازه جدید به مکان دلخواه. در واقع با این تقسیم بندی ، بررسی دینامیک سیستم و کنترل سیستم در هر مرحله صورت گرفته است.

در این پایان نامه، یک ربات سیار با قابلیت تهیه نقشه، مکان یابی و طراحی مسیر همزمان به منظور ناوبری در محیط های ناشناخته یا نیمه شناخته شده، طراحی و ساخته شده است. اصولا ربات های سیاری که بتوانند با تکیه بر الگوریتم های slam، به یادگیری از محیط پرداخته و در هر لحظه مکان خود را در نقشه بر خط تولیدی محاسبه کنند قدمی مهم در ناوبری خودمختار ربات سیار محسوب می شوند. در این پایان نامه از الگوریتم fastslam به منظور حل مسئله تهیه نقشه و مکان یابی همزمان استفاده شده است. به علاوه به منظور برنامه ریزی حرکت، از الگوریتم های *a و پنجره دینامیکی استفاده شده است. ربات قادر است در یک محیط ناشناخته حرکت کرده، نقشه را تولید کرده و از موانع دینامیکی و استاتیکی اجتناب می نماید.

یکی از زمینه های چالش برانگیز در زمینه کنترل سیستم های رباتیک، طراحی کنترل کننده در حالتی است که تمامی متغیرهای حالت سیستم قابل اندازه گیری نیستند و تنها تعدادی از این متغیرها در خروجی سیستم مشاهده می شوند. مسأله طراحی مشاهده گر در صورت نیاز به دانستن اطلاعات داخلی سیستم با اندازه گیری خروجی سیستم مطرح می گردد. به طور کلی به دلائل اقتصادی و محدودیت های فن آوری امکان استفاده از تعداد بسیار زیاد سنسورها جهت اندازه گیری سیگنال-های مورد نیاز وجود ندارد، به ویژه اینکه اندازه این سیگنال ها ممکن است بسیار زیاد شود و همچنین سیگنال ها ممکن است از انواع مختلفی باشند: سیگنال های توصیف کننده سیستم که با زمان تغییر می کنند (همچون متغیرهای حالت سیستم)، سیگنال های ثابت (همچون پارامترهای سیستم) و سیگنال های اندازه گیری نشده خارجی (همچون اغتشاشات). مواجهه با نامعینی ها یکی دیگر از مسائل چالش برانگیز در زمینه کنترل سیستم های رباتیک به شمار می آید. یکی از روش های متداول جهت مقابله و شناسایی نامعینی های ساختاری سیستم، روش کنترل وفقی است. چالش دیگری که در زمینه کنترل سیستم-های رباتیک وجود دارد و نوعاً در مطالعات نادیده گرفته می شود، دینامیک محرک های ربات و تأثیر آن بر دینامیک کل سیستم است. در نظر گرفتن دینامیک محرک ها موجب افزایش مرتبه سیستم، پیچیدگی در کنترل سیستم و اندازه گیری متغیرهای حالت سیستم می شود. در تحقیق پیشرو کنترل کننده موقعیت و نیرو برای سیستم های رباتیک مبتنی بر تخمین نامعینی های پارامتری، سرعت مفاصل و جریان موتورها طراحی شده است. فعالیت های انجام شده در تحقیق حاضر در 4 سرفصل زیر دسته بندی شده است: 1- در قسمت اول از تحقیق روشی جدید در کنترل وفقی سیستم های رباتیک مبتنی بر مشاهده سرعت مفاصل ارائه می شود. نشان خواهیم داد که استفاده از این روش باعث مقاوم تر شدن سیستم در مواجهه با اغتشاشات و دینامیک های مدل نشده می شود. همچنین روش ارائه شده موجب بهبود کارآیی سیستم از لحاظ تعقیب متغیرهای مطلوب و تخمین متغیرهای اندازه گیری نشده می-شود. 2- در قسمت دوم از تحقیق روشی جدید در کنترل وفقی موقعیت و نیروی سیستم های رباتیک مبتنی بر مشاهده سرعت مفاصل و بدون پارامتریزه کردن اضافی ارائه می شود. استفاده از این روش باعث مقاوم تر شدن سیستم در مواجهه با اغتشاشات می شود. همچنین روش ارائه شده موجب افزایش کارآیی سیستم در تعقیب مسیر مطلوب، تعقیب نیروهای مطلوب و تخمین متغیرهای اندازه-گیری نشده سیستم می شود. در قیاس با تحقیقات پیشین، روش ارائه شده نیازمند به تخمین تعداد بسیار کمتری از پارامترهای نامعین است. 3- در قسمت سوم از تحقیق کنترل کننده وفقی مبتنی بر مشاهده سرعت مفاصل و جریان موتورها برای سیستم های رباتیکی با محرک های الکتریکی طراحی شده است. در این بخش سه تخمین گر جدید جهت تخمین سرعت مفاصل، جریان موتور ها و پارامترهای نامعین ربات طراحی می شوند. سپس کنترل کننده ولتاژ با پسخورد از موقعیت اجزاء ربات و تخمین سرعت مفاصل، جریان موتورها و پارامترهای نامعین طراحی می شود. 4- در قسمت چهارم از تحقیق به مسأله کنترل گروهی از سیستم های غیرخطی لیپشیتز مبتنی بر استفاده از مشاهده گر کاهش یافته پرداخته شده است. روش ارائه شده امکان طراحی کنترل کننده برای سیستم های رباتیک مبتنی بر پسخورد از موقعیت مفاصل و بدون نیاز به سعی و خطا را فراهم می سازد. روش ارائه شده قابل استفاده برای سیستم های رباتیک آزاد و مقید است.

رفتار حرکتی، تشخیص عیب و بازیابی حرکت در ربات موازی 6 درجه آزادی فضایی با محرک های دورانی موضوع پژوهش حاضر می باشد. انواع عیوب احتمالی در این ربات بررسی شده و روش هایی برای تشخیص عیوب احتمالی در ربات و جبران اثرات این عیوب روشهایی پیشنهاد شده است. روابط سینماتیکی ربات با لحاظ کردن قیود حرکتی مفاصل و مدل کردن حلقه های سینماتیکی ربات استخراج شده است. مدل سازی ربات برای وقوع عیوب مختلف در ربات مرحله بعدی این پژوهش را تشکیل می دهد. در این مرحله سه دسته عیوب اصلی ربات شامل شکستگی بازو، قفل شدن محرکه و ازکارافتادن محرکه بررسی می شود. برای جبران عیب قفل شدگی مفصل فعال، ابتدا تغییر درجات آزادی و افزونگی ربات در اثر وقوع عیب بررسی می شود و سپس خطای ناشی از عیب تا حد امکان جبران می شود. برای رفع عیب از دو استراتژی اولویت بندی کاربری های ربات و کمینه کردن خطای سرعت پنجه ربات استفاده می شود. در نهایت الگوریتم های جبران عیب پیشنهادی بر روی نمونه آزمایشگاهی پیاده سازی شده اند.

موضوع این پایان نامه ارائه یک سامانه به هنگام تهیه نقشه سه بعدی بر مبنای داده های تصویر تولید شده توسط حسگر دوربین و مکان یابی همزمان در ربات سیار خودمختار می باشد. در این راستا جدیدترین روش حل مسئله slam تحت عنوان isam مورد استفاده قرار گرفته است. پیاده سازی در محیط نرم افزاری ros و بر اساس داده های حسگر rgb-d kinect بر روی ربات experia ساخته شده در آزمایشگاه رباتیک و مکاترونیک پیشرفته دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شده است. نماهای مختلف از نقشه تولیدی ارائه شدند که نتایج به دست آمده از پیاده سازی نشان از دقت خوب سامانه در تهیه نقشه سه بعدی می دهند. سامانه مورد نظر در تعیین زوایای غلتش و پیچش دچار خطای قابل ملاحظه ای است که در بخش نوآوری به اصلاح و بهبود این زوایا از طریق ترکیب اطلاعات کینکت و imu پرداخته شده است که در نتیجه آن زوایا و نقشه تولیدی بهبود یافته اند.

در این تحقیق در ابتدا سینماتیک و دینامیک ربات موازی سه درجه آزادی فرز cnc، مورد مطالعه قرار گرفته و روابط سینماتیکی و دینامیکی حاکم بر آن استخراج شده است. روابط سینماتیکی، با استفاده از قیود زنجیره هندسی بسته مکانیزم، بصورت جبری و دیفرانسیلی و معادلات دینامیکی با استفاده از روش لاگرانژ برای سیستم های مقید، استخراج شده اند. سپس نحوه حذف ضرایب لاگرانژ به کمک ماتریس مکمل متعامد و فرم کاهش یافته معادلات ارائه شده است. برای اطمینان از صحت معادلات بدست آمده، پاسخ معادلات دینامیکی و سینماتیکی با پاسخ مکانیزم شبیه سازی شده در بخش simmechanics نرم افزار matlab مقایسه شده و نتایج آن ارائه شده است. مکانیزم مورد بررسی دارای سه درجه آزادی لغزشی و عملا سه متغیر مستقل است. با کنترل این سه متغیر مستقل می توان ابزار فرزکاری را به نقطه موردنظر انتقال داد. در ادامه برای کاهش هزینه ی محاسبات و هزینه ی استفاده از حسگرهای اضافی، معادلات دینامیکی مکانیزم بر حسب متغیرهای حالت مستقل، خطی سازی شده است. هدف اصلی دنبال شده در این تحقیق طراحی کنترل کننده های گوناگون برای مکانیزم و مقایسه نتایج و پیاده سازی عملی آنها است. با توجه به این هدف در ابتدا یک کنترل کننده خطی به روش مفاصل مجزا، بدون در نظر گرفتن دینامیک کلی مکانیزم برای کنترل هر یک از محرک ها طراحی شده است. همانگونه که ذکر شد، در این کنترل کننده هر یک از محرک ها بصورت جداگانه بدون توجه به ارتباط آن با محرک های دیگر و نیروهای خارجی وارد بر آن کنترل می شود. کنترل کننده دیگری که در این تحقیق مورد مطالعه قرار گرفته است،کنترل کننده غیرخطی فازی به روش takagi-sugeno است. در ابتدا مدل فازی t-s ارائه شده و نحوه ی طراحی کنترل کننده pdc و آنالیز پایداری سیستم کنترلی توضیح داده شده است. سپس کنترل کننده فازی مناسب برای مکانیزم مورد بررسی، طراحی شده و نتایج شبیه سازی آن آورده شده است. به منظور حذف خطای کنترل کننده فازی، در آخرین قدم از طراحی کنترل کننده، یک کنترل کننده فازی وفقی مبتنی بر مدل نیز برای سیستم طراحی شده است. کنترل کننده مفاصل مجزاء طراحی شده بر روی مکانیزم آزمایشگاهی پیاده سازی و نتایج آن ارائه شده است.

چکیده ندارد.

عملیات تولید یک منحنی حرکتی به صورت تابعی از زمان از نقطه شروع به نقطه هدف بدون برخورد با موانع که از نقاط مورد نظر عبور کند و قیود حرکتی مورد نظر را ارضا کند، طراحی مسیر نامیده می شود. طراحی مسیر ربات به دو صورت انجام می شود. طراحی مسیر غیرهمزمان و طراحی مسیر بلادرنگ. هر یک از این دو روش با توجه به شرایط محیطی ربات کاربرد پیدا می کنند. محیط و شرایط کاری رباتها به دو بخش کلی "استاتیکی" و "دینامیکی" تقسیم می شوند. چنانچه در محیط کاری ربات موقعیت تمام اشیاء مورد نظر و موانع ثابت و از قبل مشخص باشند، محیط یک محیط استاتیکی شناخته می شود. گاهی اوقات شرایط کاری ربات ثابت نیست و دائماً در حال تغییر است. در این صورت مسأله طراحی مسیر به یک مسأله طراحی مسیر در محیط دینامیکی تبدیل می شود. محیطهای دینامیکی بسته به اینکه تغییر موقعیت موانع و اجسام از پیش شناخته شده باشند یا نباشند، به دو دسته "محیطهای دینامیکی ساختارمند" و "محیطهای دینامیکی بدون ساختار" تقسیم می شوند. مسئله گرفتن جسم متحرک با حرکت نا مشخص که در این پایان نامه مد نظر می باشد یکی از مسائل زیر شاخه طراحی مسیر بلادرنگ در محیط های دینامیکی بدون ساختار می باشد. مسئله گرفتن از نظر چگونگی حرکت جسم متحرک به دو دسته گرفتن جسم با سرعت مانور پایین و گرفتن جسم با سرعت مانور بالا تقسیم می شوند. روش های متعددی برای حل این مسئله ارائه شده است. در این پایان نامه روشی مبتنی بر طراحی مسیر نقطه به نقطه برای دسته اول ارائه می شود. در این روش مسیری برای ربات طراحی می شود و در حین حرکت ربات با توجه به تغییرات شرایط محیط در بازه های زمانی مشخص اصلاح می شود. برای حل مسئله در دسته دوم از روش های مبتنی بر هدایت و ناوبری استفاده شده است. در این روش بجای طراحی مسیر، بردار شتابی به سرپنجه ربات اعمال می شود. این شتاب سعی در کاهش فاصله سرپنجه با جسم هدف و در نهایت گرفتن آن را دارد.

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.

در این پایان نامه روشهای مختلف برآورد خطا و اصلاح شبکه معرفی شده است . می توان آنها را به دو دسته عمده تقسیم نمود، روش باقیمانده المانی و روش مبتنی بر بهبود مقادیر. روش مبتنی بر بهبود مقادیر که در این پایان نامه بطور خاص مورد استفاده قرار گرفته است ، بصورت تفصیلی توضیح داده شده است . از میان سه روش رایج بر اصلاح شبکه که عبارتند از روش h ، روش p و روش h-p ، روش h مورد استفاده قرار گرفته است . روش برآورد خطا z-z که یکی از روشهای مبتنی بر بهبود مقادیر است ، بکار گرفته شده است . در این روش ابتدا مقادیر تنش تقریبی حاصل از حل اجزاء محدود بهبود می یابند که به آنها تنش بهبود یافته گفته می شود. تفاضل این دو، که خطای تخمینی نامیده می شود، برای اصلاح شبکه بکار گرفته می شود. در اصلاح شبکه با روش h می توان شبکه جدید را هم با استفاده از حل تطبیقی(اصلاح محلی شبکه) و هم با استفاده از اصلاح یکنواخت شبکه بدست آورد. با مقایسه این دو روش ، نتیجه می شود که حل تطبیقی بسیار دقیق تر و سریعتر همگرا می شود.

رباتهای انعطاف پذیر در مقایسه با رباتهای صلب دارای مزایای بیشتری می باشند . مشکلات موجود برای کنترل رباتهای الاستیک یکی از عوامل بازدارنده استفاده از رباتهای انعطاف پذیر است. در این تحقیق نخست مسیر حرکت ربات را که به علت وجود درجه های آزادی اضافی ناشی از انعطاف پذیری می توانند پیچیده باشند با معرفی قیدهای مصنوعی مدل شده اند سپس برای سیستم هایی که تحت تاثیر قیدهای مصنوعی قرار دارند و تعداد عملگرهای آنها کمتر از تعداد درجه های آزادی شان هستند ( سیستمهای کم - عملگر ) فرمول بندی جدیدی پیشنهاد گردیده که در نهایت معادلات حداقل مرتبه دینامیکی حاکم بر رفتار سیستم را که در ضمن دسته قیدهای مصنوعی را ارضا می کنند استخراج می شوند. سرانجام چگونگی اعمال نیروهای قیدی که از این طریق اعمال می شوند و در واقع قانون کنترل مدار باز ربات را تشکیل میدهند ارایه شده است. در این روش پنجه مقید به حرکت بر روی مسیر تعیین شده است ضمن ان که عضوهای الاستیک از آزادی نسبی در انجام حرکت های الاستیک برخوردارند . از پیامدهای این روش عدم نیاز به هموار سازی سیگنال کنترل که موجب کند شدن سیستم می شود می توان نام برد. هرچند این روش برای سیستمهای الاستیک ارایه گردیده اما آن را هم چنان می توان در سیستمهای کم - عملگر با پایه متحرک نیز به کار برد .ویژگی های روش ارایه شده باعث گردیده تا آن را بتوان در مواردی از قبیل کنترل رباتهای الاستیک ، کنترل رباتهای شناور ، و حتی کنترل رباتهایی که بعضی از عملگرهای آن از کار افتاده باشند استفاده کرد. شبیه سازی برای مدل یک ربات الاستیک با پنج درجه آزادی و یک ربات شش درجه آزادی شناور که هر کدام باید قیدهای مربوطه را ارضا نمایند کارایی روش را برای لحاظ اثر انعطاف پذیری سیستم و کنترل سیستمهای کم عمگر با پایه متحرک اثبات کرده است.

پدیده گالواپینگ پدیده ای است که در اثر آن نوسانات با دامنه بالا و فرکانس پایین بر روی کابل های انتقال جریان فشار قوی به وجود می آید. این پدیده به علت ناپایداری حالت تعادل استاتیکی کابل ها و در اثر اغتشاشات اولیه به وجود می آید. اگر سرعت باد که در راستای عمود بر کابل می وزد از یک سرعت بحرانی بیشتر شود حالت تعادل استاتیکی کابل ناپایدار می گردد و نوسانات کوچک اولیه به تدریج رشد می کنند و نهایتا به نوسانات حدی با دامنه بالا و فرکانس پایین می رسند. در اثر این پدیده برخورد بین فازها به وجود می آید و به کابل ها و سازه ها ی نگه دارنده آنها صدمات زیادی وارد می شود. آگاهی نسبت به دامنه نوسانات کابل ها در اثر این پدیده برای رعایت فاصله بین فازها و استفاده در طراحی ها بسیار ضروری می باشد.در این پایان نامه معادلات حرکت کابل ها با استفاده از روش تقریبی مودهای فرضی استخراج می گردند. شرط ناپایداری حالت تعادل استاتیکی کابل و سرعت بحرانی با خطی کردن معادلات به دست می آید. روش معمولی برای حل معادلات حرکت استفاده از رو ش عددی حل معادلات دیفرانسیل می باشد علاوه براین در این پایان نامه روش تقریبی اختلالات با فرض اینکه معادلات حرکت معادلاتی به مقدار کم غیر خطی باشند برای به دست آوردن دامنه نوسانات حدی کابل مورد استفاده قرار می گیرد و نتایج به دست آمده از این روش با نتایج به دست آمده از حل عددی معادلات مقایسه می گردند.

این تحقیق ضمن مروری بر سینماتیک و دینامیک مکانیزم استورات، اثر سیستم اندازه گیری در عملکرد مکانیزم را نیز مورد مطالعه قرار می دهد. روابط سینماتیکی با استفاده از زنجیره هندسی بسته مکانیزم ، بصورت جبری و دیفرانسیلی ، بدست می آیند.معادلات دینامیکی با استفاده از روش لاگرانژ برای سیستمهای مقید ، استخراج می شوند.ضرایب لاگرانژ به کمک ماتریس مکمل متعامد حذف و فرم کاهش یافته معادلات ، جهت طراحی کنترل کننده محاسبه می شوند. کنترل کننده مکانیزم با استفاده از روش خطی سازی به کمک فیدبک طراحی شده است، در این کنترل کننده برای جبران خطای ماندگار ناشی از نامعینی های مکانیزم از یک انتگرالگیر در حلقه بیرونی ، کمک گرفته می شود. انتخاب متغیرهای مورد اندازه گیری و متغیرهای مورد محاسبه و تاثیر آن بر عملکرد مکانیزم بطور مشروح مورد بررسی قرار می گیرد.