ماهواره می بایست دارای پایداری سه محوره، در حالتی که بوم فضا را نشانه رفته است، باشد . این عمل با بهره گیری از کنترلر های تناسبی– مشتق گیر و کنترلرهای فازی محقق شد . علاوه بر موارد تئوریک، این پایان نامه در بردارنده بخش هایی از ملاحظات عملی نیز می باشد . تحلیل پایداری برای به دست آوردن مقادیر مناسب ممان های اینرسی ماهواره، به منظور دستیابی به کنترلر غیر فعال بوسیله بوم گرادیان جاذبه انجام شد . بیشترین کاربرد گشتاور دهنده های مغناطیسی برای تولید گشتاورهای کنترلی در ماهواره های کوچک می باشد . از آنجا که گشتاور دهنده های مغناطیسی، بر مبنای بر همکنش میان سه کویل مغناطیسی عمود بر هم و میدان مغناطیسی زمین عمل می کنند و بر این اساس قوانین کنترلی برای ایجاد گشتاور کنترلی بر روی ماهواره به دست آمده اند. گشتاوردهی مغناطیسی برای ایجاد گشتاور های کنترلی در ماهواره های کوچک مورد توجه قرار گرفته اند ، چراکه سیستم های کنترلی نسبتاً سبک بوده، توان کمی نیاز داشته و ارزان قیمت هستند . رفتار این نوع عملگرهای مغناطیسی متغیر با زمان است، چراکه، سیستم کنترلی وابسته به تغییرات میدان مغناطیسی زمین در طول مدار ماهواره می باشد. بطور میانگین برای محدوده وسیعی از زوایای انحراف مدار، سیستم کنترل پذیر است و پایدار سازی وضعیت ممکن است . اگر مدار در نظر گرفته شده بتواند تغییرات میدان مغناطیسی زمین را که برای پایدارسازی ماهواره لازم است، شامل شود، پایدارسازی سه محوره امکان پذیر است. به همین منظور مدلی را برای میدان مغناطیسی در نظر گرفته که تغییرات میدان را در نقاط مختلف مدار شامل می شود و کنترلر های مغناطیسی طراحی شده و عملکرد آنها از طریق شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفت و در پایان نیز با بهره گیری از کنترلرهای فازی پایداری ماهواره را مورد بررسی قرار داده و نتایج حاصل از دو شبیه سازی را با هم مقایسه نمودیم که مشخص شد استفاده از کنترلر فازی بهینه و مناسب تر می باشد.

الگوریتم فضای تهی عکس العمل، یک الگوریتم بر مبنای معادلات مومنتم و کوپلینگ دینامیکی بین ربات و پایه است که سرعت های مفصلی را از فضای مفصلی به فضای تهی عکس العمل ماتریس کوپلینگ دینامیکی نگاشت می کند. با انتگرال گیری عـددی از سرعت های مفصلی فضـای تهـی عکس العمل، حرکت مفصلی بازوهای ربات در فضای تهی عکس العمل به دست می آید. با حرکت ربات در فضای تهی عکس العمل ماتریس کوپلینگ، ربات و پایه از هم دی کوپله شده و هیچ عکس العملی در پایه ایجاد نمی شود. درنتیجه تغییرات موقعیت و وضعیت پایه ناشی از حرکت ربات برابر صفر است. در این پایان نامه این الگوریتم به الگوریتم فضای گسترش یافته تهی عکس العمل تعمیم یافته و با ایجاد فضاهای تهی عکس العمل متوالی، مسیر حرکت بدون عکس العمل برای رسیدن به نقطه هدف، در این فضاها طرحریزی می شود. با ایجاد ارتباط بین سرعت های مجری نهایی و سرعت های فضای تهی عکس العمل، رابطه جدیدی حاصل می شود که ژاکوبین فضای تهی عکس العمل نامیده می شود. ژاکوبین فضای تهی عکس العمل، سرعت های مجری نهایی را به سرعت های مفصلی فضـای تهـی عکس العمل تبدیل می کند. با حرکت مجری نهایی در فضای کاری، با استفاده از ژاکوبین فضـای تهـی عکس العمل حرکت مفصلی بازوهای ربات در فضای مفصلی به دست می آید. در این حرکت هیچ عکس العملی در پایه ایجاد نمی شود درنتیجه تغییرات موقعیت و وضعیت پایه ناشی از حرکت ربات برابر صفر است. الگوریتم فضای گسترش یافته تهی عکس العمل و ژاکوبین فضای تهی عکس-العمل بر روی دو سیستم رباتیک فضایی اعمال شدند. سیستم رباتیک فضایی اول شامل دو ربات 6 درجه آزادی و سیستم رباتیک فضایی دوم شامل دو ربات 7 درجه آزادی با افزونگی سینماتیکی است. نتایج بدست آمده عملکرد مطلوب هر دو الگوریتم را برای طرحریزی مسیر حرکت بدون عکس العمل بیان می کند.

استفاده و الهام از حرکت موجودات زنده برای ساختن روباتهای با توانایی مشابه این موجودات موضوعی مورد توجه می باشد. هدف اصلی و نهایی این پژوهش ها طراحی و ساخت روباتی است که قابلیت های حرکتی حیوانات را دارا بوده و بتواند بر روی محیط های گوناگون که ناشناخته و دارای موانع و پستی های گوناگون می باشد به صورت پایدار حرکت کند. در این پایان نامه با توجه به قابلیت های حرکتی چهارپایان برای حرکت در محیط های گوناگون، به بررسی روبات چهارپا پرداخته شده است. بدین منظور ابتدا یک پیکر بندی ساده و مناسب با الهام از حرکت چهارپایان انتخاب می شود. در اینجا یک روبات با 18 درجه آزادی مستقل (بدون در نظر گرفتن قیود کف پا) در نظر گرفته شده است. سپس با تحلیل سینماتیکی و بدست آوردن سرعت ها و شتاب های مفاصل معادلات دینامیکی حاکم بر روبات به دست می آید. در ادامه با انجام طراحی مسیر، مسیرهای مطلوب برای بدنه و پاها برای حرکت راه رفتن ساده بر روی سطوح صاف حاصل می گردد. سپس به کنترل روبات که هدف اصلی پروژه در پیش رو می باشد، در دو فضای مفصلی و کاری پرداخته می شود. کنترلر اعمال شده با توجه به ساختار روبات های چهارپا باید دارای ویژگی های خاصی باشد. سرعت دفع اغتشاشات، مقاومت در برابر عدم قطعیت های موجود در سیستم، دقت تعقیب مناسب و حجم محاسبات کم از مشخصاتی است که کنترلر باید برای حرکت پایدار و مطلوب روبات دارا باشد. بر پایه این ویژگی ها، کنترل مود لغزشی با تنظیم کننده pd ارائه می شود. برای بررسی عملکرد کنترلر ارائه شده، آن را هم در فضای کاری و هم در فضای مفصلی بر روی روبات پیاده سازی شده و نتایج مطلوبی حاصل می گردد

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

در این پژوهش اعمال نیروی مشخص توسط مجری نهایی یک ربات زیر آبی بازو دار (uvms) و کنترل موقعیت در صفحه عمود بر اعمال نیرو با لحاظ تغییر جهت اعمال نیرو در طی مسیر مورد مطالعه قرار گرفته است. ربات مورد بررسی در این پژوهش یک ربات 18 درجه آزادی است که دارای دو بازوی 6 درجه از نوع پوما بر روی یک پایه ی 6 درجه آزادی متحرک می باشد. یکی از این بازو ها مأمور اعمال نیروی مشخص در مکان تعیین شده است و مجری نهایی دوم نیز باید در موقعیت تعیین شده قرار گیرد. جهت بر آورده شدن خواسته پژوهش از کنترل هیبریدی نیرو/موقعیت بهره گرفته شد. این کنترلر دارای یک ماتریس سوئیچینگ s است که کار تفکیک راستای اعمال نیرو از مکان را انجام می دهد. اما خود ماتریس s یک ماتریس قطری است و به این معنی است که اگر نیاز به تغییر راستای نیرو در مسیر باشد، این تغییر فقط در سه راستای اصلی دستگاه کارتزین اولیه انجام می گیرد. اما با نوعی ماتریس تبدیل می توان s را در راستاهای، غیر از راستای اولیه بکار گرفت. با انتخاب ضرایب مناسب، کنترل هیبریدی نیرو و موقعیت به گونه بسیار مطلوبی صورت می گیرد. در ادامه جهت رسیدن به ضرایب بهینه از منطق فازی استفاده شد،که این تکنیک کمک نمود تا مشکلات بوجود آمده در کنترلر نیرو با ضرایب ثابت مرتفع گردد و جوابها بهبود پیدا نمایند. در انتها جهت مقایسه رفتار سیستم، از کنترل mic بدون وجود جسم (یا جسم با جرم و اینرسی صفر) بهره گرفته شد. که نتایج نشان دهنده عملکرد خوب کنترل هیبریدی نیرو/موقعیت با سناریوی مشخص شده بود.

با توجه به کاربرد های وسیع و روز افزون ربات های متحرک، طراحی و ساخت ربات هایی که بتوانند در محیط های ناهموار با حفظ الزامات پایداری حرکت کنند و وظایف محوله را به خوبی به انجام برسانند ضروری به نظر می رسد. ربات های چرخ دار در محیط های هموار قابلیت های بالایی دارند اما این نوع از ربات ها در محیط های ناهموار و خشن و تا حدودی ناشناخته قابلیت مانور چندانی ندارند از این رو استفاده از ربات های ترکیبی یا صرفاً پادار بسیار ضروری می باشد. در محیط های خشن و ناشناخته ربات های ترکیبی هم تاحدودی بخشی از قابلیت های خود را از دست می دهند پس نهایتاً بایستی به سمت ربات های پادار گرایش یافت. بخش اندکی از مناطق زمین توسط وسایل نقلیه و ربات های چرخ دار قابل دسترسی هستند اما انسان ها و حیوانات با پا های خود می توانند تقریباً به هر جا که بخواهند بروند. رباتی که در این پروژه مورد تحلیل و بررسی قرار می گیرد تقریباً مدلی از یک حیوان چهارپا می باشد که قادر است در زمین های کاملاٌ ناهموار حرکت کرده و دارای قابلیت های یک حیوان زنده از قبیل تحرک، استقلال در حرکت و سرعت می باشد که این ویژگی ها سبب می شود که این ربات همان عملکرد موجود زنده را داشته باشد. چنین رباتی، قادر است در زمین های ناهموار و با شیب زیاد، زمین های سنگلاخ و یخبندان حرکت کرده و پایداری خود را حفظ نماید. از قابلیت های دیگرِ این ربات پریدن از روی موانع است. این ربات دارای چهارپای پنج درجه آزادی می باشد. پایه یا بدنه اصلی ربات نیز دارای شش درجه آزادی است. در نتیجه، در حالت غیر مقید ربات مزبور دارای 26 درجه آزادی می باشد. چنین رباتی به واسطه تعامل با محیط یک سیستم مقید به قیود سینماتیکی می باشد. مدلسازی دینامیکی رباتی با این تعداد درجات آزادی و قیود سینماتیکی، پیچیده و در عین حال دارای جذابیت های فراوانی است. در این پژوهش به مدلسازی ربات مزبور به روش های لاگرانژ و بر اساس دیدگاه dpm می پردازیم. سپس برای تأیید صحت مدل از مقایسه ی نتایج مدل صریح و مدل تولید شده در نرم افزار matlabsimmechanics استفاده شده است. در نهایت نیز الگوریتمی جهت بهره برداری از مدل دینامیکی صریح بدست آمده در کنترل مدل مبنا ارائه شده است.

با توسعه کاربرد بازوهای رباتیک در اجرای وظایف جابجایی اجسام، طراحی روش های گیرش مناسب اجسام در کارآیی و عملکرد ربات تاثیر مستقیم خواهد داشت و از این جهت مسئله یافتن مناسب ترین نقطه یا نقاط گرفتن جسم با توزیع جرمی همگن از اهمیت زیادی برخوردار است. به منظور یافتن نقطه یا نقاط مناسب ضمن بررسی تحلیلی، از روش های بهینه یابی نظیر روش ازدحام ذرات ، الگوریتم ژنتیک ، الگوریتم شبیه سازی حرارتی ، الگوریتم آستانه پذیرش ، روش فازی شبکه عصبی و نظایر آن که در گروه روشهای بهینه یابی هوشمند طبقه بندی می شوند، استفاده خواهد شد و نتایج با یکدیگر مقایسه می گردد. در این پایان نامه اندیس عملکرد mag ، که برای وظایف جابجایی اجسام تعریف شده است، برای دو بازوی رباتیکی scara و st?ubli© که در حال جابجا کردن اجسام متقارن و نامتقارن هستند به کار می روند. نتیجه کار بیانگر نقاطی از جسم است که گیرش ربات از آن نقاط کارآترین عملکرد را در انجام وظیفه جابه جایی جسم و حرکت آن در مسیر از پیش طراحی شده تضمین می نماید.

با ایده گرفتن از رفتار های آرایش یافته موجودات در طبیعت و مشاهده تعامل بین اعضا در آنها، زمینه جدیدی در علم روباتیک به وجود آمده است که حرکات مجموعه روباتیکی و آرایش میان آنها را شبیه-سازی می کند. در دهه ی اخیر، توجه به کنترل آرایش روبات های همکار به صورت فزاینده ای در علم روباتیک رشد پیدا کرده است. در مقایسه با روبات های تنها، گروه های روباتیکی فوائد فراوانی از جنبه افزونگی ، مقاوم بودن و غیره را داراست. در این پایان نامه، مسأله کنترل آرایش مجموعه ای از روبات های متحرک همکار جهت جابجایی اجسام مورد بررسی قرار می گیرد. ابتدا، مسأله کنترل آرایش جهت هماهنگی میان روبات ها برای حمل بار با استفاده از روش راهنما و پیرو مورد استفاده قرار می گیرد. در طراحی این روش کنترل آرایشی، با توجه به مسیر مورد نظر جسم، مسیر مطلوب برای روبات راهنمای گروه مشخص شده، سپس با توجه به موقعیت روبات راهنما، مسیر مطلوب برای سایر روبات ها مشخص می شود. گام بعدی، طراحی کنترل آرایش بر مبنای روش ساختار مجازی و مقایسه آن با روش راهنما و پیرو است. در استراتژی کنترل آرایشی که در روش ساختار مجازی مورد استفاده قرار می گیرد علاوه بر تعقیب مسیر های مطلوب روبات ها، روش پسخوراند متقابل میان روبات ها جهت مقاوم سازی گروه در مقابل اغتشاشات وارده به روبات ها جهت حفظ آرایش نیز به کار گرفته شده است. در ادامه با ترکیب میدان پتانسیل مصنوعی با پسخوراند آرایش گروه ، روشی مناسب جهت عبور مجموعه روبات ها از میان موانع و رسیدن به هدف مورد نظر، ایجاد شده است. برای در نظر گرفتن مساله حمل جسم، الگوریتم کنترل امپدانسی چندگانه (mic)، به عنوان روش کنترلی موثر،جهت تعقیب مسیرهای مطلوب بر روی روبات های همکار به همراه جسم مورد جابجایی با روش ساختار مجازی اعمال می شود. در پایان، آرایش بهینه ی گروه جهت حمل بار در مسیر های مشخص به وسیله الگوریتم های پرواز پرندگان، ژنتیک و شبیه سازی حرارتی بدست آمده است. نتایج بدست آمده توانایی بالای الگوریتم های بهینه سازی به کار گرفته شده در حل مسائل پیچیده بهینه سازی و کارایی بالای روش کنترلی مورد استفاده در کنترل آرایش روبات های متحرک همکار را نشان داده است.

با متحرک شدن پایه ی بازوهای مکانیکی، محدوده ی کاربرد آنها افزایش یافته است. این مزیت مشکلاتی را نیز به همراه داشته است که یکی از مهمترین آنها حفظ پایداری در برابر واژگونی است. حین انجام مأموریت، ایمنی ربات و محموله ی آن از اهمیت خاصی برخوردار است. یکی از مهمترین راه کارهای جلوگیری از واژگونی، استفاده از حرکت پایه و حرکات بازوان مکانیکی است. بنابراین، باید با معیار مطمئنی میزان پایداری تعیین گردد. در این پایان نامه، ربات متحرکی شامل پایه ی چرخدار، مکانیزم موازی فضایی و بازوی سری معرفی شده است. استفاده از مکانیزم موازی به عنوان پایه برای بازوی سری سیستم را قادر می سازد ضمن حفظ پایداری در برابر واژگونی، بارهای سنگین را جابجا کند. مکانیزم موازی دارای سه درجه آزادی و فضای کاری دکارتی است و از سه عملگر خطی در یک صفحه بهره می-برد. این سیستم، علاوه بر خصوصیات بازوهای سری از مزایای بازوهای موازی نیز استفاده کرده و سیستم را نسبت به حمل بارهای سنگین در عین پایداری در برابر واژگونی قادر می سازد. ابتدا، سینماتیک و سینتیک این سیستم بررسی و مدل دینامیکی آن استخراج شده است. ربات معرفی شده دارای چندین قید هولونومیک و غیر هولونومیک است. مدل دینامیکی با مدل شبیه سازی شده در نرم افزار adams مقایسه و تأیید شده است. پایداری در برابر واژگونی با معیار mhsبررسی و پیاده سازی شده است. یکی از مهمترین مزایای مکانیزم موازی فضایی اینست که می تواند پایه ی بازوی سریال را نسبت به پایه ی متحرک تغییر دهد. همچنین توسط این مکانیزم ارتفاع مرکز جرم سیستم قابل تغییر است. کارایی ساختار پیشنهادی ربات در پایدار سازی مسیرهای ناپایدار داده شده است. جهت بهره وری بیشتر از ربات، میزان ماکزیمم بار قابل حمل توسط الگوریتمی تعیین شده است. سپس بیشترین بار قابل حمل توسط ربات در مسیرهای مشخص و مسیرهای نامشخص تحت محدودیت های مختلفی تعیین شده است.

حرکت های مداوم فیزیوتراپی، تضمینی است برای بیمارانی که دچار عارضه ی سکته ی مغزی شده اند تا بتوانند سلامتی خود را بازیابند. انجام هرچه بهتر حرکات فیزیوتراپی، مشروط به وجود سیستمی ساده، سبک و با ایمنی بالاست که بتواند حرکات کاملی را برای بیمار انجام دهد. در این پایان نامه سعی شده است تا مدلی جدید و کامل از یک ربات توان بخشی برای دست انسان ارایه گردد. این مدل دارای 8 درجه ی آزادی می باشد که سه درجه ی آزادی آن غیر فعال می باشند. مدل معرفی شده با ساختاری ساده و ارزان، می تواند تمام حرکات مفید را در توانبخشی تمام قسمت های دست بیمار انجام دهد. این ربات قابلیت به کارگیری در هر دو حالت با پایه ی ثابت و یا متصل به بیمار را داراست. سینماتیک ربات با استفاده از روش دناویت- هارتنبرگ بدست آمده و برای بدست آوردن معادلات دینامیکی آن، از روش لاگرانژ استفاده گردیده است. پس از معرفی پارامترهای دناویت- هارتنبرگ، به طراحی ربات و معرفی ویژگی های آن پرداخته شده است. در این ربات همانند حرکات فیزیوتراپ ها، حرکت پیچشی دست در مفصل شانه، در اثر اعمال نیروی پیچشی در مچ دست انجام می گیرد. این نیرو همزمان به بازو نیز منتقل می گردد و ایمنی و راحتی زیادی را برای بیمار فراهم می آورد. همچنین تنش ایجاد شده در مچ و آرنج که ناشی از حرکت پیچشی دست بوده و توسط ربات اعمال می شود، مورد بررسی قرار داده خواهد شد. برای کنترل ربات از دو روش استفاده شده است. در ابتدا مسیر مورد نظر با استفاده از کنترلر امپدانس پیموده می شود. سپس ثابت می گردد استفاده از قوانین فازی در کنار کنترلر امپدانس، نتایج مطلوب تری در بر خواهد داشت. شبیه سازی حرکت ربات نیز با استفاده از نرم افزار مناسب صورت گرفته است.

بیش از نیمی از سطوح زمین برای ربات های چرخ دار غیر قابل دسترسی است. این ربات ها حتی در زمین های صاف که دارای پستی و بلندی، حفره های باریک و یا پله باشند، کارائی لازم را ندارند. بنابراین برای از بین بردن محدودیت حرکت سیستم های رباتیکی پایه متحرک، مبحث ربات های پادار مطرح گردید. با توجه به تعداد درجات آزادی بالا و افزونگی در ساختار کلی ربات های پادار، مباحث مختلفی در زمینه طراحی مسیر، پایداری و کنترل این دسته خاص از ربات ها وجود دارد. هدف اصلی از انجام این پایان نامه توسعه مدل دینامیکی کامل جهت بررسی عوامل موثر در بحث طراحی مسیر و همچنین در نظر گرفتن اثر لغزش بر روی حرکت ربات است. در اختیار داشتن مدل دینامیکی مناسب برای شبیه سازی و کنترل ربات می تواند بسیار مفید باشد. در سیستم های رباتیکی در مقایسه با بسیاری از سیستم های دیگر، استخراج معادلات دینامیکی به فرم تحلیلی با دقت بسیار خوبی قابل استخراج است. در این پایان نامه، با استفاده از دو روش تحلیلی لاگرانژ و کین معادلات دینامیکی صحه گذاری شده حاکم بر حرکت ربات استخراج می شود. برای استخراج معادلات دینامیکی، نیاز به تخمین پارامترهای ربات با دقت بالا است. با در نظر گرفتن تعداد پارامترها و محدودیت های موجود، روش مناسب برای تخمین پارامترهای ربات تعیین می شود. ربات های دوپا و به طور کلی پایه متحرک در حالت طبیعی ناپایدار هستند و امکان در نظر گرفتن هیچ گونه حرکتی برای آن ها بدون در نظر گرفتن پایداری، قابل تصور نیست. همچنین، با توجه به تعداد درجات آزادی بالای این دسته از ربات ها و وجود افزونگی، یافتن مسیری بهینه که بین دو عامل پایداری و کارایی ربات مصالحه مناسبی برقرار کند، بسیار حائز اهمیت است. در نتیجه، در کنار در نظر گرفتن معیار پایداری مناسب، مسیری استخراج می شود که کارایی ربات را از جنبه های میزان انرژی مصرفی، هیجانات وارد بر حرکت ربات و همچنین احتمال وقوع لغزش و نزدیک بودن حرکت ربات به حرکت انسان بهینه نماید. یکی از مسایل مهم در زمینه پایداری ربات های دو پا، پایداری آن در برابر لغزش است. برای بررسی اثر لغزش، با استفاده از مدل دینامیکی، میزان حداقل ضریب اصطکاک لازم برای حرکت ربات استخراج می شود. در نتیجه، می توان با آگاهی از این مقدار در هر لحظه، مسیر حرکت را به گونه ای اصلاح کرد که از وقوع لغزش جلوگیری به عمل آید. همچنین برای کاهش احتمال وقوع لغزش ناشی از دوران پا، از حرکت دست ها در جهت کاهش میزان ضریب اصطکاک لازم برای حرکت استفاده می شود.

ربات های چرخ دار ربات هایی هستند که با استفاده از حرکت چرخ هایشان، که توسط موتور تحریک می-شود، بر روی زمین حرکت می کنند. این ربات ها دارای طراحی ساده تری نسبت به ربات های انسان نما می-باشند و استفاده از چرخ امکان حرکت ساده تری را روی سطوح مسطح و نه خیلی ناهموار برای آن ها فراهم می کند. ربات تک چرخ کروی از جمله ربات های چرخ دار می باشد که بدلیل قاعده ی کوچک و دارا بودن چرخ کروی، دارای قابلیت حرکتی مطلوب تر و مانورپذیری بالا بدون نیاز به فضای وسیع حرکتی می-باشد. یکی از معایب این ربات نداشتن بازو جهت برداشتن و حمل جسم می باشد. همچنین، وجود مفاصل غیرفعال بر روی بدنه این ربات، حرکت همراه با لرزش را ناشی می شود که در این پایان نامه سعی شده است تا بر این مشکلات غلبه گردد. در این پژوهش پس از بیان مقدمه ای از ربات های چرخ دار و مفاهیم و تعاریف اولیه، به طراحی یک ربات تک چرخ کروی پرداخته می شود. این طراحی به نحوی صورت می پذیرد که ملاحظات ساخت این ربات را نیز دربر بگیرد. مقایسه دو طرح مختلف و افزودن پایدارساز برای حفظ پایداری ازجمله فعالیت های مهم در این قسمت بوده است. از آنجاییکه، ربات تک چرخ کروی توانایی برداشتن و حمل جسم را ندارد، پس با افزودن یک بازوی سه درجه به این ربات، سه مفصل اول ربات پوما، چنین قابلیتی برای سیستم فراهم می گردد. ارائه ی یک مدل دینامیکی صحه گذاری شده به منظور بدست آوردن نحوه ارتباط و تاثیر درجات آزادی سیستم بر یکدیگر و بهره گیری در کنترل سیستم، یکی از هدف های اصلی دیگر این پایان نامه می-باشد. حفظ پایداری ربات های پایه متحرک در حین انجام یک عملیات مشخص، بسیار مهم می باشد. از سویی وجود مفاصل غیر فعال در این سیستم، حرکت مجری نهایی در حین حفظ پایداری را بسیار دشوار می-سازد که با افزودن پایدارساز به عنوان راه کاری برای پایداری، این مشکل برطرف گشته است. این پایدارساز یک پاندول دو درجه آزادی می باشد که با بازو بصورت موازی قرار گرفته است تا جابجایی آن تاثیری روی مجری نهایی نداشته باشد و بازو بتواند آزادانه وظیفه خود را ایفا کند. در نهایت شبیه سازی های کنترلی انجام شده در انتهای این تحقیق، بررسی صحت نتایج بدست آمده را نشان می دهد.

ربات های موازی به دلیل ظرفیت بار به وزن بالا، پایین بودن اینرسی سیستم، سرعت و دقت بالا نسبت به ربات های سری کاربردهای روزافزونی درصنعت، پزشکی و توانبخشی یافته اند. لذا مسائل مربوط به تحلیل سینماتیکی و دینامیکی، فضای کاری و کنترل این ربات ها همواره مورد توجه بوده است. در این پژوهش، با هدف دستیابی به یک ساختار حرکتی سریع با الگوی حرکت چشم، به بررسی سینماتیک، سینیتیک و کنترل یک مکانیزم سه درجه آزادی موازی به نام چشم چابک پرداخته شده است. ابتدا به بررسی ساختارهای مختلف موجود می پردازیم. سپس مساله سینماتیک مستقیم و معکوس مورد بحث قرار می گیرد. در سینماتیک مستقیم به دلیل وجود معادلات غیرخطی و قیود هندسی با جواب های متعددی مواجه هستیم. محاسبه ماتریس ژاکوبین نه تنها نشان دهنده ی ارتباط بین سرعت متغیرهای مفصلی با سرعت های خطی و زاویه ای مجری نهایی می باشد، بلکه ماتریس تبدیل مورد نیاز برای یافتن نیروهای عملگری از روی نیروها و ممان های وارد بر مجری نهایی در فضای کاری را نیز در اختیار قرار می دهد. مدل سازی دینامیکی این ربات با استفاده از روش لاگرانژ انجام شده و از روش های سیستماتیک محاسبات برداری در نوشتن معادلات دینامیکی حرکت به فرم بسته و بهبود ویژگی های دینامیکی استفاده شده است. انتخاب الگوریتم کنترلی مبتنی بر حل دینامیک معکوس و طراحی کنترل کننده مدل مبنا جهت شبیه سازی عملکرد بازوی مکانیکی ماهر یکی از اهداف این پژوهش می باشد و پاسخ سیستم دینامیکی در تعقیب یک مسیر دلخواه و میزان خطای حاصل هنگام پیمودن این مسیر بررسی شده است. شایان ذکر است، دینامیک مورد استفاده شده در شبیه سازی ها، با استفاده از نرم افزار adams، صحه گذاری گشته و همچنین شبیه سازی های کنترلی در نرم افزار matlab simulink toolbox مدل گشته است و نتایج استخراجی از این شبیه سازی ها در شرایط اولیه و کاری مختلف مورد بررسی قرار گرفته و به نمایش در آمده است. همچنین ضمن بیان اصول طراحی به تشریح مراحل مختلف طراحی و ساخت اولیه مکانیزم انتخابی پرداخته شده است.

در این پایان نامه ربات متحرک چرخ دار به همراه دو تریلر مورد تحلیل و بررسی قرار می گیرد. در ابتدا سیستم مورد نظر معرفی شده و تمامی فرضیات هندسی و مشخصات جرمی مورد نیاز بیان می شود. در بخش بعد، بردار مختصات تعمیم یافته ربات و همچنین بردار ورودی مدل سینماتیکی ربات در نظر گرفته شده و در نتیجه سینماتیک مستقیم ربات حاصل می شود. از روی مدل سینماتیکی ربات، ماتریس ژاکوبین را می توان استخراج کرد. با توجه به متغیرهای تعمیم یافته ربات و بردار ورودی مدل سینماتیکی، حل سینماتیک معکوس ربات امکان پذیر می باشد. در بخش بعد، دینامیک ربات بررسی شده و معادلات دینامیکی ربات با استفاده از روش لاگرانژ استخراج می شود. برای صحه گذاری معادلات دینامیکی حاصله، از روش کین استفاده می شود. در این پژوهش از دو نوع کنترل سینماتیک و دینامیک برای کنترل ربات بهره گرفته می شود. دو نوع روش کنترل فیدبک خطی سازی دقیق و تقریبی برای کنترل سینماتیک ربات استفاده شده و در پایان، این دو روش برای تعقیب یک مسیر مرجع زمانی مشخص با یکدیگر مقایسه می شوند. برای کنترل دینامیک ربات از یک روش غیرمدل مبنا از نوع pd-action استفاده می شود. در ابتدا این الگوریتم کنترلی برای کنترل موقعیت یک ربات ساده طراحی می شود و سپس برای تعقیب مسیر مرجع زمانی توسط ربات متحرک چرخ دار به همراه دو تریلر که هدف اصلی این پژوهش است، تعمیم داده می شود. در نهایت، اثبات پایداری ربات برای کنترل غیر مدل مبنا pd-action با استفاده از تابع لیاپانوف صورت می پذیرد. در آخرین بخش این پژوهش، طراحی و ساخت ربات انجام می گیرد و کنترلر غیر مدل مبنا pd-action روی ربات ساخته شده پیاده می شود و نتایج تجربی بدست می آید.

از دست دادن توان حرکتی،انسان را نیازمند به کمک دیگران می کند ازاینرو،وجود رباتی که بتواند با داشتن عملکردی مناسب و ایمنی بالا تمرینات فیزیوتراپی پا را همانند یک متخصص به-خوبی انجام دهد می تواند بسیار مفید و پرکاربرد باشد. بنابراین دراین پژوهش سعی درطراحی رباتی است که بتواند به خوبی تمرینات فیزیوتراپی را روی مفاصل پا اجرا نماید. یک ربات فیزیوتراپ مناسب باید ایمن،سبک، کم هزینه و دارای کارکردی ساده باشد. برای اینکه بتوان چنین رباتی طراحی نمود باید با رباتهای مهم و معروف ساخته شده آشنا شد و مبانی پزشکی مورد نیاز فراگرفته شود تا بتوان طرحی مناسب از ربات فیزیوتراپ پا ارایه داد و تعداد درجات آزادی ربات را مشخص نمود. این مهم در فصل های ابتدایی پایان نامه انجام گرفته است.در فصل های بعدی سینماتیک ربات و پارامترهای لازم جهت بدست آوردن مدل دینامیکی ربات استخراج شده است تا بتوان با روش لاگرانژ معادلات دینامیکی این ربات چهار درجه آزادی را بدست آورد.جهت صحه گذاری براین معادلات از یک نرم افزار شبیه ساز استفاده شده است. برای این ربات از یک واسطه استفاده شده است که رابطی است بین پزشک و ربات که می تواند بر اساس وضعیت بیمار مسیرهای مناسب تمرین را طراحی نماید. روابط لازم جهت ارزیابی بیمار نیز بیان شده است تا پزشک از عملکرد بیمار اطلاع یابد. برای کنترل ربات ازالگوریتم های مختلف مانند امپدانس کنترل،فازی و شبکه های عصبی استفاده شده است و معایب و مزایای هر یک شرح داده شده است. تمرینات فیزیوتراپی دردو مد صورت می گیرد که برای اجرای تمرینات در مد دوم از یک روش نوین به نام ضربه به توپ استفاده می شودکه با جزییات کامل تشریح شده است و الگوریتم کنترلی بر مبنای قوانین فازی برای آن طراحی شده است. بدون داشتن اطمینان کامل از ایمنی ربات نمی توان از آن استفاده نمود بنابراین برای رسیدن به این اطمینان طرح های ایمنی مختلف مانند استفاده از سنسور صدا ارائه شده است. در خاتمه پیشنهاداتی مطرح می شود که با اجرای آنها عملکرد ربات بهبود می یابد.این پیشنهادات کم هزینه و قابل اجرا می باشند.

کارگیرش در رباتیک، اولین مرحله از فرآیند جابجایی اجسام است، که به بررسی ارتباط میان مجری نهایی ربات و جسم گرفته شده می پردازد. این پژوهش با مقدمه ای از موضوع کارگیرش در رباتیک آغاز و پس از ارائه یک تصویر کلی از موضوعات چهار دهه گذشته در کارگیرش رباتیک به ارائه روندی برای برنامه ریزی کارگیرش بازوهای رباتیک می پردازد. شاخص عملکردی چندجنبه ای کارگیرش، mag، بعنوان اولین شاخص ارزیابی کارگیرش در زمینه جابجایی اجسام، معرفی و بخشهای مختلف آن تشریح می شود. شاخص جدید، کارگیرش را در تامین سه مشخصه اصلی وظایف جابجایی اجسام شامل مشخصه هندسی مربوط به موقعیت نقاط، مشخصه سینماتیک بازوهای گیرنده جسم نظیر مهارت بازوی رباتیک، و مشخصه سینتیک بازوی رباتیک و قطعه کار نظیر توان مصرفی عملگرها، مورد ارزیابی قرار می دهد. در ادامه برای یافتن کارآترین نقطه کارگیرش، روشهای هوشمند نظیر روش ازدحام ذرات، الگوریتم ژنتیک، شبیه سازی حرارتی، الگوریتم آستانه پذیرش و نیز جعبه ابزار بهینه سازی matlab به کارگرفته می شوند. مشاهده می شود سرعت جعبه ابزار بهینه سازی 7 تا 10 برابر بیش از سایر روشهاست و از نقطه نظر دقت، روش ازدحام ذرات دقت بالاتری را نسبت به سایر روشها تامین می کند. برای صحه گذاری روشهای عددی، مساله کارگیرش بهینه بصورت تحلیلی مورد بررسی قرار می گیرد تا مناسب ترین نقطه کارگیرش معین شود. براین مبنا، نزدیک ترین نقطه یا نقاط به مرکز جرم قطعه کار، نقطه یا نقاط بهینه کارگیرش بوده که منجر به ماکزیمم شدن مقدار این شاخص عملکرد می شود. همچنین مساله کارگیرش برای بازوهای همکار توسط شاخص mag و همچنین با بهره گیری از شبکه های عصبی مصنوعی پاسخ یابی می شود. برای طراحی کارگیرش با ربات های پایه متحرک، با توجه ویژه ای به پایداری پایه در مقابل واژگونی، از معیار نسبتا جدید mhs بعنوان قید پایداری پایه در کنار شاخص mag بهره برداری می شود. ازاین رو، یک ربات متحرک چرخدار دارای بازوی عامل برای جابجایی چند جسم، شامل 27 اجرای مختلف، مورد بررسی قرار گرفته و مناسب ترین نقاط روی هر قطعه کار بدست می آید.

ربات کروی از جمله ربات های چرخ دار بوده که در آن از یک چرخ کروی برای حرکت ربات در مختصات صفحه ای استفاده می گردد. اساس عملکرد این گونه ربات ها برقراری تعادل یک جرم بر روی توپ بوده که همانند یک پاندول معکوس عمل می نماید. این ربات ها به علت داشتن ارتفاع، سرعت و حرکتی نرم توانایی آن را دارند که به صورت مناسبی در محیط هایی که انسان ها نیز در آن حضور دارند به فعالیت بپردازند. هدف از اجرای این پژوهش طراحی و ساخت ربات کروی و چگونگی پیاده سازی کنترلر مورد نظر به منظور حفظ تعادل ربات بر روی توپ کروی است که بخش مهم و قابل توجهی از این پایان نامه را به خود اختصاص می دهد. همچنین پیاده سازی و نصب پایدراساز به منظور جلوگیری از لرزش های ربات هنگام برقراری تعادل، قسمت دیگری از این پژوهش را شامل می شود. در بخش مکانیک ربات، طراحی ها و قطعات مکانیکی به کاررفته در ربات مورد تحلیل و بررسی قرار خواهند گرفت. آن چه که در حین طراحی باید به آن توجه داشت چگونگی پیاده سازی طراحی های مورد نظر و همچنین در دسترس بودن قطعات انتخاب شده می باشد. پس از مونتاژ ربات بزرگترین چالش ایجاد اصطکاک رانشی لازم بین عملگرها و توپ بوده است که زمان بسیاری را به خود اختصاص داد. سپس به طراحی مدارات الکترونیکی و پیاده سازی آن در ربات خواهیم پرداخت. در این میان، طراحی درایور مناسب برای عملگرهای ربات مهم ترین چالشی بود که در این بخش با آن رو به رو بودیم. زیرا در آزمون های اولیه ربات، مشخص گردید که پاسخ سریع عملگرها به فرامین کنترلی نقش بسیار مهمی را در حفظ تعادل ربات خواهد داشت و کوچک ترین کندی در پاسخ عملگرها موجب عدم پایداری ربات می گردد. در آخر نیز به چگونگی پیاده سازی کنترلر مورد استفاده در این ربات خواهیم پرداخت. نتایج و نمودارهای به دست آمده از کنترل ربات ارائه و مورد بحث قرار خواهند گرفت.

با توجه به آمارهای جهانی، جمعیت افراد مبتلا به بیماری های منجر به ضعف در اندام های حرکتی، چاقی و کهولت سن رو به افزایش است و یکی از شایع ترین مشکلات این افراد، مربوط به عدم توانایی آنها در تحمل وزن بدن و دردهای ناشی از فشار بر روی مفاصل پا می باشد. لذا استفاده از ربات هایی برای کمک به حرکت این افراد، بسیار ضروری به نظر می رسد. در این پژوهش پس از آشنایی با مفاهیم اولیه مربوط به ربات های کمک حرکتی و بررسی بیومکانیکی حرکت انسان، به طراحی ساختار حرکتی ربات پرداخته می شود. هدف اصلی از طراحی این ربات اعمال یک نیروی کمکی به کاربر در راستای نیروی وارده به کف پای وی، یعنی در جهت خط واصل مرکز فشار کف پا به نقطه ای موسوم به نقطه اتکای مجازی می باشد. در کنار هدف اصلی طراحی یعنی اعمال نیروی مذکور، در طراحی سعی شده است تا ربات، درجات آزادی طبیعی نیم تنه پایین را محدود نکند و کمترین اثر را بر حرکت طبیعی کاربر داشته باشد. علاوه بر این با توجه به مشکل تأمین انرژی در این ربات ها، تا جای امکان سعی شده است که در ساختار طراحی شده، بیشتر مفاصل غیرفعال باشند تا نیاز به منبع انرژی بزرگ تر کاهش پیدا کند. پس از انجام بررسی های گوناگون در مورد ساختارهای حرکتی مختلف، دو ساختار حرکتی غیر انتروپومورفیک، یکی با مفصل فعال کشویی و دیگری با مفصل فعال دورانی طراحی می شوند. هر دو ساختار طراحی شده شامل یک لینک شبیه به صندلی هستند که نیروی کمکی از طریق آن به کاربر وارد می شود. این دو ساختار همچنین شامل دو لینک به شکل پا و دو لینک به عنوان کفش می باشند که توسط کاربر پوشیده می شود. به منظور بررسی سینماتیک ربات فرض شده است که لینک صندلی دارای 6 درجه آزادی باشد و هر پا نیز 6 درجه آزادی نسبت به آن داشته باشد. این امر سبب می شود تا نیروهای قیدی کف پا وارد مدل دینامیکی شده و حجم مدل نیز نسبت به روش های دیگر مدل سازی کاهش یابد. به منظور اطمینان از صحت مدل دینامیکی، ساختار طراحی شده با استفاده از روش های لاگرانژ و کین مدل سازی شده و مدل به دست آمده صحه گذاری می شود. در نهایت پس از طراحی مسیر برای حرکت ربات ها، با توجه به حرکت واقعی انسان و با استفاده از داده های کلینیکی راه رفتن، نیروی وارد به کاربر و همچنین نیروهای وارد به پاهای تکیه گاهی و متحرک با استفاده از مدل دینامیکی محاسبه می شود. میزان انحراف نیروی کمکی وارده به کاربر نسبت به راستای مطلوب نیز محاسبه شده و مورد بررسی قرار می گیرد. سپس با بهره گیری از نیرو و گشتاور های محاسبه شده، در مورد پایداری ربات بحث می شود. در نهایت نیز عملکرد دو ساختار طراحی شده، مقایسه می شود.

در تحقیق پیش رو، اهمیت تجهیز پای یک ربات انسان نما با پنج? فعال مورد بررسی قرار می گیرد. در ابتدا، به طور خلاصه مزایای افزودن پنجه به پای ربات های دوپا مورد بررسی قرار می گیرد و بسیاری از ربات هایی که دارای پنجه فعال و یا غیرفعال هستند، معرفی می گردند. سپس، سیستم مورد بررسی که یک رباتِ انسان نمای 22 درجه آزادی است معرفی می شود و روش های تحلیلی کین و لاگرانژ به منظور استخراج معادلات دینامیک سیستم مورد بررسی قرار می گیرند. با مقایس? نتایج به-دست آمده از این دو روش، معادلات دینامیکی سیستم صحه گذاری می شود و برای کاهش بار محاسباتی، راه حلی عددی برای روش کین ارائه می گردد. به منظور اطمینان از صحت نتایج به دست آمده برای گشتاورهای موردنیاز مفاصل و نیرو و گشتاورهای عکس العملی زمین، zmp به دو روش محاسبه و مقایسه می شود. لازم به ذکر است با در نظر گرفتن پنجه و پاشنه، شش نوع الگوی حرکتی مختلف ارائه می شود و معادلات دینامیکی صحه گذاری شده برای تمامی حالات صادق و قابل استفاده است. در ادامه، ابتدا برای مرکز جرم ربات به دو روش طراحی مسیر می شود. سپس، برای کف پا، برای هر شش نوع الگوی حرکتی، مسیری مناسب طراحی می شود. با در اختیار داشتن مسیر حرکت مرکز جرم و کف پاها درفضای کاری، از طریق سینماتیک معکوس مسیر حرکت در فضای مفصلی (کلیه مفاصل به جز پنجه ها) به دست می آیند و برای پنجه جداگانه طراحی مسیر می شود. در انتها، پارامترهای مهم در طراحی مسیر برای حرکت بر روی سطح صاف و پله، به گونه ای انتخاب (بهینه) می شوند که ماکزیمم گشتاور زانو به حداقل مقدار برسد و انرژی مصرفی کل کاهش یابد. سپس مشخص می شود برای حرکت بر روی سطح صاف با طول گام زیاد و هم چنین حرکت بر روی پله با ارتفاع زیاد کدام یک از الگوهای حرکتی مناسب می باشد.