بالانسینگ بهینه روشی جدید بر مبنای کنترل بهینه است که در آن مجهولات بالانسینگ به اضافه مجهولات مسیر(مانند پروفیل سرعت) به طور همزمان محاسبه می شوند. این روش در افزایش عملکرد ربات های صنعتی اثر قابل توجهی دارد که باعث کاهش حداکثری در مصرف انرژی خواهد شد. علی رغم اینکه در بسیاری از کاربردهای رباتیک مانند چسب کاری و جوشکاری، مسیر مشخص است ولی مجهولات دیگری همچون پروفیل سرعت مجهول می باشد. در این پایان نامه روش بالانسینگ بهینه ابتدا برای بالانس کردن منیپولاتورهای بالانس شده با فنر در حرکت نقطه به نقطه پیاده سازی شده است. سپس نتایج حاصله از این روش برای بالانس کردن منیپولاتورها در یک مسیر تعیین شده بررسی می شود. روش های دیگر بالانسینگ مانند بالانس استاتیکی و بالانس دینامیکی که در رباتیک مرسوم است صرفاً برای کاهش اثرات گرانشی ربات در نظر گرفته شده و اثرات مصرف انرژی و نیز تغییر بار ربات در نظر گرفته نمی شود و در واقع بالانسینگ استاتیکی ربات بدون در نظر گرفتن شرایط کاری ربات انجام می شود. انجام بالانسینگ غیر فعال با اضافه کردن عناصر غیرفعال مانند جرم و فنر به ساختار اصلی ربات امکان پذیر است. البته مقادیر پارامترهای اتصالی(مانند فاصله وزنه تعادل یا نقطه اتصال فنر) و مقداری(مانند مقدار جرم تعادل و مقدار سختی فنر) مجهول بوده که در بالانسینگ استاتیکی برای انرژی پتانسیل ثابت معلوم شده و در بالانسینگ بهینه برای کاهش انرژی تعیین می شوند. علاوه بر بالانسینگ استاتیکی، در کارهای سایر محققین قبل بالانسینگ با استفاده از روش های دینامیکی و بار-تطبیقی برای بعضی از منیپولاتورهای خاص نیز ارائه شده است. در این پایان نامه با استفاده از تئوری کنترل بهینه و با فرض مشخص بودن مسیر برای پنجه ربات، مقادیر بهینه سختی فنر بصورت انرژی-بهینه محاسبه می شوند. پس از بیان کلی این روش و شبیه سازی های مربوط به آن، به بررسی شرایط مختلف کاری مانند، شرایط مرزی و زمان اجرای حرکت پرداخته می شود. در نتیجه دیده می شود که شاخص کارآیی و یا میزان مصرف انرژی در بالانسینگ بهینه کمتر از بالانسینگ استاتیکی است.

طراحی مسیر در روباتیک موضوع بسیار مهمی است که عموما به عنوان کنترل سطح بالا برای حرکت روبات مطرح می شود. روش های طراحی مسیر متعددی برای بازوها و پلت فرم ها با در نظر گرفتن قیود موجود و مدلسازی های مختلف وجود دارد و از این منظر، محققین این روش ها را به دو قسمت مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می کنند. هر دو این روش در این پایان نامه مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل سرعت زیاد در طراحی مسیر به روش مستقیم این روش برای حالت طراحی مسیر دینامیکی با موانع دینامیکی مورد مطالعه قرار گرفت. برای در نظر گرفتن دینامیک در روش مستقیم در این پایان نامه دینامیک غیرمستقیم پیشنهاد شده و با استفاده از این تکنیک طراحی مسیر با در نظر گرفتن مدل دینامیکی و فرض شرایط سینماتیکی حل شد. در روش دیگر یا روش غیرمستقیم، با استفاده از تئوری کنترل بهینه غیرخطی و اصل حداکثری پونتریاگین، معادلات بهینگی برای طراحی مسیر بهینه استخراج شد. اما به دلیل همگرایی ضعیف درحل این معادلات مشکلات عدیده ای به وجود آمد. در این پایان نامه مشکلات موجود با استفاده از تکنیک های معرفی شده، تا حدودی رفع شده اند. با استفاده از تئوری هموتوپی در حل کنترل بهینه مشکل همگرایی جواب و نزدیک بودن حدس اولیه به جواب نهایی رفع شد. و با تخمین شبه-حالت ها برای مشکل استخراج سمبولیک معادلات دیفرانسیل در حل مسئله کنترل بهینه برای طراحی مسیر مرتفع گردید. در این پایان نامه موضوع بالانسینگ بهینه برای روبات های بازویی معرفی و با معرفی روش بالانسینگ تکراری برای روبات های متحرک در ادامه شبیه سازی های موجود به بالانسینگ بهینه روبات متحرک گسترش داده شد. استفاده از بالانسر دینامیکی بهینه توسط محقق در ادامه مطرح گردیده و طراحی مسیر و کنترل بهینه آن به روش غیرمستقیم انجام شده است. همچنین در ادامه، مسائل متعددی نظیر رد مانع برای روبات متحرک دارای بازو، نیز در این زمینه حل گردید. در پایان، تمامی شبیه سازی ها و مدلسازی های مربوط به طراحی مسیر مستقیم و غیرمستقیم و نمایش سه بعدی روبات ها و مسیر، در مجموعه ای تحت عنوان جعبه ابزار getool در نرم افزار matlab ارائه شده است.

در این پروژه مدل غیر خطی یک ربات تک لینک صفحه ای با منیپولاتور انعطاف پذیر آورده شده است. مدل سازی دینامیکی به کمک توابع شکل و با استفاده از روش اجزاء محدود انجام شده است. معادلات حرکتی ربات با در نظر گرفتن مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل المان های ربات و استفاده از اصل لاگرانژ به دست آمده است. در محاسبه انرژی پتانسیل هر المان، ترم های غیر خطی کرنش در نظر گرفته شده است. بدیهی است که با افزایش انعطاف پذیری در بازوی ربات، استفاده از مدل غیر خطی در مدل سازی معادلات حرکتی ربات های الاستیک جوابی دقیق تر و مطمئن تر ارائه می دهد . در این تحقیق با در نظر گرفتن جابجائی های غیر خطی در رابطه کرنش که معمولا به دلیل کوچکی این تغییر شکلها از آن صرف نظر می شود، مدلی غیر خطی ارائه شده است. اثر این ترم های غیر خطی در منیپولاتور با انعطاف پذیری زیاد مشهود است. نهایتا نشان داده می شود برای گشتاور تحریک اعمالی فرکانس پائین، استفاده از مدل غیر خطی در منیپولاتور با انعطاف پذیری متوسط مناسب است، و برای گشتاور تحریک فرکانس بالا، استفاده از مدل خطی پیشنهاد می شود. همچنین نشان داده شده که در تیرهای با انعطاف پذیری کم با هر فرکانس تحریکی در گشتاور اعمالی می توان از مدل خطی استفاده نمود. برای صحه گذاری معادلات به دست آمده نتایج بدست آمده از تئوری با انجام آزمایش عملی مقایسه شده است.

بطور خاص، در این مجموعه حل سینماتیک مستقیم ربات های موازی به روش هموتوپی کانتینیوایشن مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. مراحل حل شامل استخراج معادلات حرکت، ساده سازی معادلات، تشکیل توابع هموتوپی، حل این توابع به روش hcm یا همان هموتوپی کانتینوایشن و سپس مقایسه ی جواب های بدست آمده با جواب های حاصله از حل این معادلات به روش های دیگر می باشد. از دیگر مسائل، مقایسه این روش با روش های دیگر حل معادلات غیر خطی و بیان برتری های این روش نسبت به روش های دیگر است. برتری هایی نظیر عدم نیاز به حدس اولیه دقیق، برتری هایی نظیر عدم نیاز به حدس اولیه دقیق، بدست آوردن تمام جواب های حقیقی و موهومی، کوتاهی راه حل و دقت بسیار دقیق جواب ها از مزایای این روش می باشد. حل معادلات سینماتیک مستقیم انواع مختلف ربات موازی 3rpr دو بعدی و سه بعدی و بدست آوردن جواب های آن ها موضوع اصلی این پایان نامه می باشد.

در این پایان نامه کنترلر غیر خطی و رویتگر اغتشاش و رویتگر حالت غیر خطی برای ربات بازویی با لینک انعطاف پذیر طراحی شده است. ربات مذکور ساخته شده تست آزمایشگاهی انجام شده و نتایج با نتایج تئوری مقایسه شده است.

معادلات برای منیپولاتورهای صلب و منیپولاتورهای با لینک انعطاف پذیر با سختیهای متفاوت استخراج می گردد و گشتاور و ارتعاش مینیمم برای این منیپولاتورها محاسبه می شود. به منظور بررسی صحت نتایج بدست آمده، شبیه سازی به جهت مقایسه ی منیپولاتورهای انعطاف پذیر با لینکها با سختیهای مختلف و منیپولاتورهای صلب معادل، توسط نرم افزار matlab انجام می شود. یک منیپولاتور تک لینکی انعطاف پذیر توسط دانشجویان قبلی ساخته شده و یک سری آزمایشات بر روی آن انجام شده است. هدف اصلی در این پروژه این است که صحت نتایج تحلیلی بدست آمده از طریق آزمایش مورد بررسی قرار گیرد.

پاندول های معکوس بخاطر داشتن ویژگی هایی همچون: ساخت آسان، کم محرک بودن، دینامیک غیر خطی و بعنوان سیستمی ناپایدار و غیر مینیموم- فاز به ابزاری کارآمد برای آموزش مفاهیم کنترل و همچنین تست الگوریتم های کنترلی تبدیل شده اند.. معمولاً در انواع آونگ معکوس اهداف زیر مد نظر است: 1- به نوسان در آوردن آونگ به طور کنترل شده به نحوی که آونگ با یک سرعت زاویه ای معین به حالت وضعیت معکوس درآید.2 - حفظ تعادل آونگ در وضعیت معکوس. برای هر کدام از این اهداف کنترلرهای متعددی ارائه شده است. کنترل انرژی و کنترلر مد لغزشی از نمونه های ارائه شده برای بالا آوردن پاندول و انواع کنترلرهای خطی و برخی از کنترلرهای غیر خطی از جمله کنترلر مد لغزشی کنترلرهای ارائه شده برای پایدارسازی پاندول معکوس به شمار می روند. در میان تعداد زیادی از کنترلرهای ارائه شده، کنترل بهینه چندان مورد توجه قرار نگرفته است. از کارهای انجام شده در این زمینه می توان به کنترل بهینه پاندول تک لینکی با استفاده از روش مستقیم و کنترل پاندول دو لینکی با استفاده از منطق فازی و شبکه های عصبی نام برد. هدف در این پروژه بالا آوردن لینک های یک پاندول معکوس دو لینکی خطی با صرف کمترین انرژی و با استفاده از روش غیر مستقیم و سپس تایید جواب های بدست آمده از طریق آزمایش می باشد.

ابتدا میکروگریپر بوسیله ترکیب مدل نیمه صلب(prbm) و تئوری الاستیک کلاسیک مدلسازی شده و سپس اصلاح مدل به کمک روش اجزاء محدود(fem)، انجام شده و نتایج آن از قبیل مقاسیه میزان تنش ماکزیمم و جابجایی نوک کارگیر به ازای مقادیر مختلف پارامترهای هندسی لولای منعطف از قبیل شعاع، ضخامت جان، موقعیت و شعاع انحناء آن نشان داده شده است. سینماتیک میکروگریپر بر مبنای نسبت جابجایی ورودی به خروجی آنالیز شده و مدل سینماتیکی آن نیز بر مبنای موقعیت مکانی لولا بدست آمده است. استفاده از مدل تیر یکسرگیردار موجب افزایش تراجکتوری مکانیزم شده و از طرفی ما را با محدودیت عدم تولید حرکت موازی بازوها روبرو می کند. در مدل ارائه شده، سعی شده است تا حد امکان حرکت بازوها بصورت موازی باشد. تحریک بازوی ورودی میکروگریپر توسط عملگر پیزو الکتریک و یا مکانیکی صورت می گیرد. با الگوگیری از مکانیزم دانیل آرایش هندسی اولیه تعیین شده است. با استفاده از الگوریتمهای بهینه سازی ضخامت لولاها بگونه ای بهینه سازی شده است تا تابع اثر پارازیتی کمینه گردد. نتایج تحلیل مدل نیمه صلب با نتایج اجزا محدود مقایسه گردیده است. باتوجه به آنکه جنس آن معمولا از آلیاژهای با محدوده الاستیک بالا می باشد، برای ساخت آن از روشهای ماشینکاری تخلیه الکتریکی(edm)، میکرو فرز، وایرکات و... استفاده شده است. مدل ساخته شده مورد تست قرار گرفته و نتایج توسط دوربین رزولوشن بالا ضبط شده و با استفاده از نرم افزار پردازش تصویر موقعیتهای نوک گریپر تحلیل شده است. نتایج تئوری مدل نیمه صلب و نتایج اجزا محدود توسط تست آزمایشگاهی مورد تایید قرار گرفته است. از اینگونه میکروگریپرها می توان در زمینه های مختلف مانند میکروماشینینگ( نگهداشتن ابزار و قطعه کار در مقیاس میکرون)، سنسورهای میکرو اپتیک و اسمبل اجزاء سیستم های بیومکانیکی استفاده کرد.

امروزه مصنوعات چوبی، جایگاه ویژه ای در مصارف صنعتی و ساختمان دارند. از جمله این مصنوعات، تخته نئوپان می باشدکه یکی از پارامترهای مهم آن ضخامت یکنواخت می باشد. در این تحقیق ابتدا خلاصه ای بر فرآیند تولید تخته نئوپان و ماشین آلات مربوطه خواهیم داشت و سپس ضمن بر رسی روند تکامل ماشین پرس در این صنعت، پرسی 4000 تنی که بتواند تخته با ضخامت یکنواخت تولید کند طراحی نمودیم. (مواد اولیه تشکیل دهنده تخته نئوپان، عمدتا خرده های چوبی می باشند که با نظم خاصی در غالب کیک به قالب پرس هدایت می شوند). در ادامه این تحقیق، یک مدل ریاضی از سیکل نیرو-جابجایی پرس را تعریف نمودیم. در مسائل مهندسی، اینگونه مسائل، به صورت تیر بر روی بستر الاستیک مورد بررسی قرار می گیرد. و ما هم با استفاده از همین تکنیک، معادله جابجائی پرس را به ازای نیروهای یکنواخت و سفتی های ثابت و متغیر کیک(خطی و غیر خطی) بدست آورده ایم. نتایج بدست آمده از روش خطی و غیر خطی نشان میدهد که سفتی کیک به ازای جابجایی تغییر می کند و لذا حل غیر خطی راه حل دقیق تری می باشد، و به نتایج آزمایشگاهی نزدیک تر است. سپس نتایج تئوری را با نتایج آزمایشگاهی مقایسه نمودیم. نتایج تئوری نشان میدهد که اعمال نیروهای یکسان، بر کیک با سفتی یکسان، تخته با ضخامت یکنواخت ایجاد می کند. ولی آزمایشات تجربی، نشان میدهد که در عمل امکان ایجاد کیک با سفتی یکسان، وجود نداشته و همچنین نیروی اصطکاک نیز، عامل عدم توزیع نیروهای یکسان بر سطح کیک می باشد. در نتیجه برای ایجاد جابجائی یکنواخت پرس، بایستی نیروهای متغیر و متناسب با سفتی هر سطح از کیک و اصطکاک مربوطه، اعمال گردد تا ضخامت تخته یکنواخت گردد. در پایان تحقیق، نقشه های ساخت اجزاء اصلی یک پرس یک طبقه را رسم کرده ایم.

ربات های کابلی زیرمجموعه ای از ربات های موازی هستند که در آنها کابلها به جای مفصل بندی بازوها مورد استفاده قرار می گیرند. حرکت صفحه یا مجری نهایی توسط چندین موتور صورت می گیرد که با حرکت دورانی محور موتور، طول کابل متصل به آن تغییر میکند. نکته مهم در رابطه با این نوع ربات ها آن است که کابل های محرک مورد استفاده در آنها همواره باید تحت کشش باشند. برخلاف حالت صفحه ای که نیاز به اعمال الگوریتم مثبت سازی کشش کابل دارد، در حالت فضایی با توجه به وجود نیروی گرانش، نیازی به مثبت سازی کشش کابل ها نداریم و مقدار کشش کابل ها همواره مثبت بدست می آیند. این ربات ها دارای برتریهایی چون وزن کمتر، بدلیل وجود کابلها و پوشش فضای کاری بزرگتر، نسبت به سایر ربات ها، می باشند. از سوی دیگر نسبت بار به وزن بیشتر، قابلیت انتقال آسانتر، راحت بودن نصب و تعمیر این ربات ها از دیگر ویژگیهای آنها به شمار می روند. در این پایان نامه پس از توضیحاتی کلی به منظور آشنایی با مفاهیم ربات کابلی و بیان تاریخچه ای از کنترل اینگونه ربات ها، به استخراج معادلات دینامیکی برای یک نمونه ربات کابلی صفحه-ای صلب و یک نمونه ربات کابلی فضایی صلب پرداخته شده است، سپس با استفاده از سه روش موفق کنترلی برای سیستم های دینامیکی غیرخطی، یعنی روش مود لغزشی، بازخورد خطی سازی شده و pd، مسیر از پیش تعیین شده توسط ربات کابلی در حضور و عدم حضور اغتشاش ردیابی شده است. در ادامه برای مثالی از ورودی ها و مشخصات سیستم، شبیه سازی انجام شده و نتایج گشتاور موتور ها و کشش کابل ها ارائه گشته اند. در نهایت، نتایج مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. درپایان توضیحاتی در مورد قسمت سخت افزاری و نرم افزاری پروژه در حال ساخت، یعنی ربات سه کابلی فضایی، داده شده است.

هدف این پایان¬نامه یافتن مسیر بهینه با کمترین تلاش، جهت جابجایی مجری نهایی ربات سه کابلی فضایی، در فضای کاریش می¬باشد. جهت این کار، ابتدا به مدلسازی سینماتیکی و دینامیکی ربات سه کابلی فضایی پرداخته می¬شود، سپس شبیه¬سازی و استخراج نتایج با دو روش مستقیم و غیر مستقیم انجام می¬گیرد. روش حل غیرمستقیم بر اساس روش حساب تغییرات می¬باشد. شرایط لازم بهینگی به منظور حداقل شدن گشتاور بین دو نقطه داده شده و با استفاده از اصل مینیمم پونتریاگن استخراج می-گردد. این شرایط بهینگی، تشکیل یک مساله مقدار مرزی دو نقطه¬ای می¬دهد که با الگوریتم¬های عددی قابل حل می باشد. روش مستقیم، از ترکیب یک روش بهینه¬سازی فراابتکاری و یک میانیاب چندجمله¬ای، به همراه معادلات ربات ایجاد می¬گردد. این پایان¬نامه برای روش مستقیم، دو الگوریتم بهینه¬گر مسیر ارائه می¬دهد، که اولی، از روش فراابتکاری بهینه¬سازی جام اعداد و میانیاب اسپیلاین مرتبه سه تشکیل شده و دومی، از روش فراابتکاری الگوریتم مثلث بهینه¬گر و میانیاب چندجمله¬ای درجه چهار ایجاد شده است. در ترکیب اولی، مقادیر میانی مسیر در سه جهت z,y,x به عنوان متغیرهای طراحی در نظر گرفته می¬شود و ترکیب دومی، ثابت¬های مشخصی از چند¬جمله¬ای¬ها را، متغیرهای طراحی جهت بهینه کردن مسیر، قرار می¬دهد. در انتها با مثال¬هایی کارایی مناسب دو روش مستقیم پیشنهادی در مقایسه با روش غیرمستقیم، که جواب دقیق را می¬دهد، مشخص می¬شود.

رباتهای کابلی نوع خاصی از رباتهای موازی هستند که در آنها نیروی محرک بوسیله کابل، از موتورها به مجری نهایی ربات منتقل میشود. با توجه به آنکه کابلها قادر به تحمل بارهای فشاری نیستند و همواره باید تحت کشش باشند، تحلیل این نوع رباتها نسبت به رباتهای موازی دیگر پیچیده تر می باشد. با توجه به مزایای رباتهای کابلی نسبت به دیگر رباتها و کاربردهای رو به افزایش این نوع رباتها در صنایع مختلف، همچنین سابقه تاریخی کوتاهتر تحقیقات انجام شده در زمینه رباتهای کابلی، اهمیت ساخت این نوع ربات برای کاربرد آن در صنایع کشور روشن میشود. از نو آوریهای این پایان نامه، تعیین حد پایین و بالای شتابهای کاتزین مجری نهایی یک ربات چهار کابلی فضایی است به گونه ای که قیود یک طرفه بودن نیروی کششی کابلها و همچنین محدود بودن گشتاور تولیدی موتورها را ارضا کنند.

پروژه پیش رو، روند مدلسازی و همچنین، ویژگیهای یک نوع صندلی پله پیما را تشریح میکند. صندلی پله پیما یا صندلی بالابر، وسیله ای است که برای جابه جایی حداقل یک نفر، روی پلکان بکار میرود و دارای موتور محرکه ای است که صندلی را روی یک مسیر مشخص، روی ریل، حرکت میدهد. کاربرد عمده این وسیله برای قشر سالمند جامعه میباشد که با توجه به کهولت سن و بروز مشکل در رفت و آمد و تحرک شخصی، در استفاده از پلکان محیطهای مسکونی، دچار مشکل هستند. در ابتدا توضیحاتی در مورد کلیات مدل موردنظر و ویژگیهای آن اعم از سیستم فرمان، ترمز و... آورده شده است و در ادامه، سیستم ها و نحوه کارکرد و مزیت های طرح مورد نظر بررسی شده است. در مرحله بعد، به بررسی روش مدلسازی آن پرداخته ایم. نرم افزار اصلی مورد استفاده در این پروژه، نرم افزار کتیا میباشد. تمام قطعات به طور جداگانه در نرم افزار، طراحی و سپس مونتاژ شده اند و در نهایت، مدل تکمیلی و نهایی را بوجود آورده اند. به همین دلیل در ادامه روند بررسی، کلیاتی در مورد نرم افزار کتیا، محیطهای کاری این نرم افزار، روش مدلسازی و مونتاژ نیز، آورده شده است .