بررسی دینامیک غیرخطی حرکت ماهواره و کنترل موقعیت و وضعیت آنها شاخه ای از علوم فضایی است که در چند دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. یافتن مدلی مناسب از دینامیک حرکت و روش کنترلی مناسب و بهینه، با توجه به موتورهای رانشی موجود، بخش اصلی این مطالعات را تشکیل می دهد. در این پایان نامه قصد داریم مدلی نسبتاً دقیق از دینامیک ماهواره ها(خصوصاً leo) به همراه اغتشاشات عدم کرویت، آیرودینامیک، فشارهای تشعشعی و جرم های اطراف را تهیه نموده تا با وجود آن بتوانیم کنترلی بر پایه مدل مرجع طراحی کنیم. روش های مختلفی در بررسی دینامیک دوجرمی زمین-ماهواره در نظر گرفته می شوند که شامل روش های در فضای دکارتی(با زیر شاخه هایش) و روش در فضای مولفه های مداری هستند که در این تحقیق هر دوی این روش ها شبیه سازی شده و با مقایسه مزایا و معایب موجود درهریک، روش مناسب انتخاب و در ادامه با مراجع و نرم افزارهای موجود مقایسه شده اند. در روش فضای مولفه های مداری می توان اثرهای اغتشاشی طولانی مدت و نوسانی هریک از اغتشاشات را به طور جداگانه مورد توجه قرار داد که این خود یکی از دستاوردهای این شبیه سازی ها است. در این تحقیق دینامیک مسیر حرکت ایده آل، تحت تاثیر جرم مرکزی و بخش نوسانی اثر j_2 فرض شده و بقیه اثرها به عنوان اغتشاش در نظر گرفته شده اند. استفاده از کنترلرهای پیوسته نیازمند موتورهای پیشران پیوسته با پیشرانش غیر ثابت است که در عمل تحقق پذیر نیست. در اینجا مدل های کنترلی مقطعی(on-off) با پیشرانش ثابت را ارائه نموده ایم که در هر دو فضای دکارتی و مولفه های مداری به صورت جداگانه طراحی شده اند. مدل در فضای دکارتی، نقص های قبلی را توسط انتخاب مناسب بهره های کنترل فیدبک برطرف کرده و مدل در فضای مولفه های مداری، با اعمال تغییرات سرعت در راستاهای مختلف و در نقاط مشخص مدار، اثرهای اغتشاشی مطرح شده را به خوبی جبران کرده اند. در فضای دکارتی ابتدا از روش مستقیم لیاپانوف استفاده شده و سپس با استفاده از یک الگوریتم جدید بهینه سازی سیستم های غیرخطی(sdre)، که نتیجه فرم خطی وابسته به حالت(sdc) معادلات حرکت ماهواره است، نیروهای کنترلی بدست آمده، بهینه شده اند. در ادامه، فرآیند کنترلی مولفه-های مداری به همراه در نظر گرفتن اثر نوسانی j_2 در دینامیک، شبیه سازی شد. که نیروهای کنترلی آن طبق مقایسه صورت گرفته در شرایط یکسان به مراتب کوچک تر از روش های کنترلی در فضای دکارتی هستند و نتایج کنترلی آن نسبت به فضای دکارتی مناسب تر می باشند. برای ارزیابی کنترلر طراحی شده، نتایج مدل با نتایج موجود در مراجع مقایسه شده اند که نتایج بدست آمده بیان کننده صحت روش کنترلی بدست آمده می باشند. کلمه های کلیدی: دینامیک غیرخطی، اغتشاش، اثر اغتشاشی طولانی مدت، عملگر روشن-خاموش، کنترلر پیوسته، معادله ریکاتی وابسته به حالت، اصلاح مدار و کنترلر مولفه های مداری.

روبات های پادار دارای مانورپذیری بیشتری نسبت به ربات های چرخدار و زنجیری در محیط های ناهموار می باشند. مشخصه ربات های پادار که از نقاط تماس گسسته با زمین استفاده می کنند آن ها را قادر می سازد که محل مناسبی را برای گذاشتن پا انتخاب کنند به طوری که از گذاشتن پاها بر روی موانع یا حفره ها اجتناب شود. در این پژوهش، به طراحی مسیر پایدار برای یک ربات چهارپا پرداخته می شود. ربات موردنظر، دارای شش درجه آزادی غیر فعال در بدنه و سه درجه آزادی فعال در هر پا می باشد. در نتیجه، در حالت غیر مقید روبات مزبور دارای 18 درجه آزادی است و به واسطه حرکت بر روی سطح معین یک سیستم مقید به قیود سینماتیکی می باشد. برای طراحی مسیر پایدار، ابتدا تحلیل سینماتیکی و دینامیکی ربات انجام می شود و چون ربات توسط پاها بر زمین مقید شده و تمامی درجات آزادی بدنه غیرفعال می باشد، روشی برای حذف قیود پاهای تکیه گاهی ارائه می شود. سپس ربات موردنظر در نرم افزار simmechanics مدلسازی شده و مقایسه ای بین تمامی گشتاورهای مفاصل در هر دو مدل تحلیلی و نرم افزاری صورت گرفته و چون اختلاف حاصله از این مقایسه در حد صفر است، صحت مدل با دقت بالا تایید می شود. سپس، با توجه به اینکه پایداری یکی از مهمترین مسائل در زمینه سیستم های پادار است، معیارهای مختلف پایداری استاتیکی از روش های هندسی استخراج گردیده و مهمترین معیارهای دینامیکی که تاکنون ارائه شده، مورد مطالعه قرار گرفته و با توجه به ملاحظات پایداری، به طراحی گیت-های پریودیک استاتیکی و دینامیکی ربات پرداخته می شود. برای طراحی گیت استاتیکی، دو نوع گیت استاتیکی پیوسته و گسسته در نظر گرفته شده که هر یک به صورت جداگانه مورد مطالعه قرار می گیرند. در گیت استاتیکی پیوسته، به طراحی گیت های خرچنگی، چرخشی و صعود از پلکان پیوسته بر مبنای حداکثر استفاده از فضای کاری ربات پرداخته می شود. برای بالا رفتن ربات از پلکان، روشی برای پیکربندی پاهای ربات پیشنهاد می شود. با چنین پیکربندی، ربات قادر است با حفظ پایداری و استفاده از حداکثر فضای کاری و حداقل ضریب کار از روی پلکان بالا رود. در گیت استاتیکی گسسته، به طراحی گیت های خرچنگی و چرخشی گسسته پرداخته می شود و با استفاده از گیت های گسسته طراحی شده، ربات قادر است مسیر دلخواه را بپیماید. در بین انواع گیت های دینامیکی، گیت یورتمه بر مبنای معیار پایداری zmp به گونه ای طراحی می شود که پیوستگی موقعیت و سرعت حرکت بدنه در حین سوئیچ کردن پاها حفظ شود. نتایج حاصله از این طراحی نشان می دهد که ربات قادر است بر اساس فرمان کاربر، مسیر مورد نیاز را به صورت کاملا پایدار بپیماید.

مکانیزم های موازی اولین بار برای سیستمهای تست تایر و چرخ ماشین و شبیه سازهای حرکت معرفی شدند و بعدها در روباتیک توسعه یافتند. در این مکانیزم ها مجری نهایی توسط چند زنجیره سینماتیکی به پایه متصل می شود که بر همین اساس نیز طبقه بندی می شوند و تمام عملگرها می توانند بر روی پایه یا نزدیک به آن قرار گیرند. این ویژگی مکانیزم های موازی باعث سختی بیشتر و توانایی تحمل بارهای بیشتر شده و از آن جایی که اینرسی قسمت های متحرک به نوبه خود کاهش می یابد مشخصه های دینامیکی بسیار خوبی دارند. مکانیزم های موازی دارای نسبت بار به وزن زیاد، صلبیت و دقت بالا می باشند و این خصوصیات به علت زنجیره سینماتیکی بسته آنها و پخش بار بر روی لینک ها است. در این پژوهش یک روبات 3 درجه موازی 3-rrs به عنوان دستگاه توپ و صفحه طراحی و ساخته می شود که اولین نمونه ساخته شده در این مورد است. به عنوان قابلیتی جدید در مسئله حرکت در امتداد محور z وارد معادلات شده است. عملکرد خوب و چابک و زاویه چرخش بالای صفحه یکی از مزایای دستگاه است که در حل مسئله در حالت های غیر خطی وسعت عمل بیشتری می دهد. با شناسایی و مدل کردن سیستم و در نهایت بدست آوردن معادلات سینماتیکی و دینامیکی می توان تکنیک های کنترلی برای کنترل موقعیت توپ بر روی صفحه و مقایسه نتایج عملی حاصل از عملکرد کنترلر ها را بررسی نمود. در این پژوهش با حل معادلات سینماتیکی و دینامیک توپ و طراحی الگوریتم های کنترلی کلاسیک زمینه کنترل توپ بر روی صفحه فراهم شده است. سیستم تعیین موقعیت توپ توسط یک سیستم بینایی توسعه داده شده است، یک نرم افزار جامع عملکرد برای اعمال نتایج معادلات سینماتیکی طراحی شده و تعقیب مسیر و برنامه ریزی حرکت برای آن انجام شده است. نتایج بدست آمده بیانگر چابک بودن سیستم ساخته شده، صحت روابط و معادلات و عملکرد مطلوب حلقه های کنترلی می باشد.

مکانیزم های موازی اولین بار برای سیستمهای تست تایر و چرخ ماشین و شبیه سازهای حرکت معرفی شدند و بعدها در رباتیک توسعه یافتند. در این مکانیزم ها مجری نهایی توسط چند زنجیره سینماتیکی به پایه متصل می شود که بر همین اساس نیز طبقه بندی می شوند. این ویژگی مکانیزم های موازی باعث سختی بیشتر و توانایی تحمل بارهای بیشتر شده و از آن جایی که اینرسی قسمت های متحرک به شدت کاهش می یابد مشخصه های دینامیکی بسیار خوبی دارند. مکانیزم های موازی دارای نسبت بار به وزن زیاد، صلبیت بالا و دقت بالا می باشند. در این پروژه سیستم توپ و صفحه که حالت تعمیم یافته سیستم توپ و میله می باشد، با مکانیزم موازی سه درجه آزادی طراحی و ساخته شده است. آن چه که زمینه را برای پیاده سازی و مقایسه تکنیک های کنترلی بر روی سیستم توپ و صفحه فراهم می کند، طراحی مناسب سخت افزار و از جمله انتخاب دقیق سنسورها و موتورها می باشد. بطوریکه بتوان سیستمی چابک با قابلیت پاسخ ورودی با فرکانس های بالا را داشت. با شناسایی و مدل کردن سیستم و در نهایت بدست آوردن معادلات سینماتیکی و دینامیکی می توان موقعیت توپ را بر روی صفحه کنترل و نتایج عملی حاصل از عملکرد کنترلر ها را مقایسه نمود. با طراحی و ساخت مکانیزم موازی سه درجه آزادی 3-rrs برای صفحه، حل معادلات سینماتیکی و دینامیک توپ و طراحی الگوریتم های کنترلی کلاسیک و فازی، توپ بر روی صفحه کنترل شده و در نهایت مقایسه بین الگوریتم های کنترل کلاسیک و فازی صورت گرفته است. نتایج بدست آمده بیانگر چابک بودن سیستم ساخته شده، صحت روابط و معادلات و عملکرد مطلوب حلقه های کنترلی می باشد.

در این نوشتار، جبران سازی خطا در کنترل مجموعه ربات های متحرک همکار به هنگام رخداد خطاهایی همچون تغییر میزان اصطکاک سطح و یا تغییر پارامترهای تایر مورد تحلیل و بررسی قرار می گیرد. مدل سازی هایی توسط معادلات نیوتن (بر اساس نیرو) و معادلات لاگرانژ از ربات متحرک با فرض غلتش به همراه لغزش صورت می پذیرند تا از طریق انطباق رفتارهای مدل های مذکور صحت و دقت مدل سازی های انجام شده مورد بررسی قرار گیرد. تشخیص پارامترهای مجموعه ربات ها به هنگام وقوع خطا با بهره گیری از معادلات تایر و ربات، همچنین داده های مربوط به سرعت طولی و جانبی و دورانی چرخ صورت می پذیرد. لازم به ذکر است الگوریتم تخمین پارامتر ارائه شده توانایی تشخیص بسیاری از خطاها همچون کاهش ناگهانی ارتفاع موثر تایر، ساییدگی تایر و یا تغییر ضریب اصطکاک جاده-تایر را نیز دارا می باشد. جهت کنترل آرایش گروه، روش ساختار مجازی مورد استفاده قرار گرفته است و به منظور پیروی ربات از مسیر مطلوب در سطوح متفاوت الگوریتم کنترلی بر اساس روش خطی سازی فیدبک پیشنهاد و مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. از طرفی دیگر نحوه ی قرار گیری هر ربات نسبت به جسم مورد جابجایی نیز، مسئله ای چالش برانگیز در نحوه ی ایجاد آرایش و کنترل آن می باشد، لذا آرایش بهینه توسط روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک و pso به دست می آید.

امروزه رباتیک در تمامی سطوح زندگی انسان نقش موثری را ایفا می کند. در این بین ربات های متحرک چرخ دار با حضور در زمینه هایی چون، صنعت، کشاورزی و جنگلداری، معدنکاری، پزشکی و جراحی توسط کامپیوتر، توان بخشی و مراقبت سلامت، تجسس و نجات، کاربردهای خانگی، استفاده در مکان هایی که امکان دسترسی مشکل است یا در وضعیت های خطرناک و همچنین سرگرمی جایگاه پر اهمیت خود را نشان می دهند. در این پایان نامه ربات متحرک چرخ دار با تریلی مجهز به چرخ کروی مورد مطالعه قرار می گیرد. ربات تراکتور با تریلی چرخ کروی، یک سیستم به شدت غیر خطی، غیرهولونومیک و با کمبود عملگر است. در ابتدا ربات موردنظر معرفی شده و تمام فرضیات انجام شده و مشخصات هندسی و جرمی و ساختار ربات معرفی می گردد. در بخش بعد سینماتیک مستقیم و معکوس ربات تحلیل می شود. در ادامه قید غیرهولونومیکی و ماتریس ژاکوبین سیستم استخراج می شود، پس از آن معادلات سینتیک سیستم به روش لاگرانژ استخراج شده و توسط روش کین صحه گذاری معادلات صورت می گیرد. سپس انواع روش های کنترلی موجود بررسی می شود؛ ابتدا کنترل سینماتیک و سینتیک تحلیل شده و بر اساس مشکلات موجود و مزایا و معایب هر روش مدل ترکیبی ربات معرفی می گردد. کنترل مدل ترکیبی با طراحی الگوریتم کنترلی بر مبنای لیاپانوف با فنر و دمپر مجازی، pid و فازی pid انجام می شود، و اجتناب از ایجاد تکینگی نیز بررسی می شود. همچنین پایداری الگوریتم کنترلی اثبات می شود. سرانجام طراحی و ساخت ربات انجام می گیرد و پیاده سازی الگوریتم کنترلی نتایج تجربی حاصل می شود.

در این پروژه یک کنترل¬کننده بهینه lqr به منظور کنترل رفتار دینامیکی یک سیستم تعلیق فعال طراحی می¬شود و هدف از این طراحی افزایش کیفیت رانندگی و راحتی سرنشینان خودرو در مقابل نوسانات جاده ایست و تأثیر تغییرات برخی از پارامترها بر پاسخ¬های سیستم حلقه بسته در نظر گرفته شده است. در مقابل به منظور مقایسه برای درک بهتر پاسخ¬های به دست آمده از این روش مدلی غیرخطی از سیستم تعریف شده و توسط روش کنترلی معادلات ریکاتی وابسته به حالت (sdre) که روشی بهینه برای سیستم¬های غیرخطی است، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین برای صحه-گذاری بر پاسخ روش¬های کنترلی طراحی شده یک مدل آزمایشگاهی ساده بر خلاف مدل¬های دیگر که پیچیدگی زیادی دارند پیشنهاد شده است که با توجه به فرضیات موجود و تغییرات نسبت به مدل اصلی، پاسخ¬های قابل اطمینانی را ارائه می¬دهد.

به موازات توسعه ی استفاده از ربات های متحرک خودکار در صنعت، تحقیقات در این زمینه در حال گسترش است. ربات های چند بخشی متشکل از واحد های فعال و غیرفعال، دسته ای از ربات های متحرک محسوب می شوند، که به علت ساختار ویژه مورد توجه محققین قرار گرفته اند. ربات های چرخدار از جمله ی پرکاربردترین دسته از این سیستم ها می باشند. در بسیاری از این سیستم ها شرایطی برقرار است که آزادی حرکت مجموعه را محدود می کند و اصطلاحاً قیدهای سینماتیکی حاکم می باشند. ربات های چرخدار با فرض غلتش بدون لغزش چرخ ها از جمله ی سیستم های مقید به قیدهای غیرهولونومیک به حساب میآیند. وجود قیدهای غیرهولونومیک در سیستم ها منجر به افزایش پیچیدگی هایی در مدل سازی و کنترل سیستم ها می شود که مورد بحث بسیاری از محققین قرار گرفته است. اهمیت کنترل سیستمهای غیرهولونومیک به خاطر مباحث جذاب و کاربردهای فراوان آن در صنعت، روز به روز افزوده میشود که وسعت تحقیقات و پژوهش های انجام شده در این زمینه به خوبی نمایان گر این واقعیت می باشد. در این پژوهش، ابتدا به مدل سازی ربات های متحرک چرخدار چند بخشی دارای n تریلر می پردازیم. سپس این مدلسازی در حضور عدمقطعیت های سینماتیکی و سینتیکی استخراج گردیده است. در ادامه، کنترلر هیبرید سینماتیکی و ناوابسته به مدل دینامیکی برای مسئله پایدارسازی حول یک وضعیت مطلوب ربات به همراه یک تریلر طراحی شده و نتایج پیادهسازی تجربی ارائه گردیده است. سپس کنترل سیستمهای غیرهولونومیک در حضور عدمقطعیتهای سینماتیکی (مانند لغزش چرخ ها و عدم قطعیت های پارامتری در مدل سینماتیکی) و سینتیکی (عدم قطعیت های پارامتری و اثرات سینتیکی اختلالات سینماتیکی) و همچنین اغتشاشات خارجی مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور کنترلرهای مقاوم تطبیقی برای مسئله تعقیب مسیرهای حرکت زمانی مرجع برای دسته بزرگی از وسایل نقلیهی غیرهولونومیک شامل رباتهای دارای n تریلر طراحی گردیده و نتایج پیادهسازی تجربی بر روی ربات به همراه یک تریلر ارائه شده است. در ادامه یک الگوریتم کنترلی غیرمبتنی بر مدل به منظور کاهش حجم محاسبات کنترلی برای ربات چرخدار پیشنهاد شده است. تحلیل پایداری کلیه الگوریتمهای کنترلی به روش لیاپانوف ارائه گردیده است. مقایسه الگوریتمهای کنترلی ارائه شده با الگوریتمهای کنترلی دیگر به منظور بررسی کارایی روشهای ارائه شده انجام پذیرفته است. طراحی و ساخت سیستم آزمایشگاهی ربات متحرک دارای یک تریلر به منظور پیادهسازی الگوریتمهای کنترلی طراحی شده نیز انجام و گزارش شده است. نتایج بدست آمده کارایی روشهای کنترلی پیشنهاد شده را نشان می دهد.

امروزه ربات های پرنده یا پرنده های بدون سرنشین در زمینه های نظامی و غیرنظامی کاربردهای فراوانی یافته اند. از جمله این کاربردها که اخیراً مورد توجه قرار گرفته است، تصویر برداری های هوایی، برداشتن اجسام و جابه جاکردن آن ها با درنظر گرفتن گیرش های مختلف برای انجام این کار می باشد. در این پژوهش یک سیستم رباتیک چهارپره معرفی می¬شود، ضمن آنکه کاربرد در زمینه ی جابجاکردن اجسام به صورت آونگی مورد توجه قرار می گیرد. ابتدا به بررسی پژوهش¬های انجام شده تا به اکنون پرداخته می¬شود. سپس به بیان معادلات سینماتیکی و سینتیکی ربات چهارپره به همراه بار آویزان در دو دستگاه بدنه و دستگاه اینرسی با روش نیوتن- اویلر پرداخته شده است و در ادامه با استفاده از روش لاگرانژ معادلات دینامیکی صحه¬گذاری شده است. از آنجائیکه چهارپره ها یک سیستم مکانیکی با کمبود عملگر می باشد، چرا که پایه سیستم دارای 6 درجه آزادی بوده در حالی که چهار ورودی کنترلی دارد، سیستم می¬تواند از نظر دینامیکی به راحتی ناپایدار گردد. بنابراین در ادامه¬ی این پژوهش به معرفی الگوریتم کنترلی برای کنترل کردن تمامی درجات آزادی ربات چهارپره پرداخته شده است و سپس مقایسه¬ای بین الگوریتم کنترلی طراحی شده با پژوهش¬های انجام شده تا¬کنون صورت گرفته است. با توجه به اینکه در این پژوهش ربات پرنده¬ی چهارپره در زمینه¬ی جابه جا کردن اجسام به صورت آونگی مدنظر است و با توجه به خطرات ناشی از نوسانات جرم آویزان و همچنین ناپایداری¬هایی که ممکن است در پرواز چهارپره در اثر نوسانات جرم آویزان ایجاد شود، در این پژوهش به معرفی الگوریتم کنترلی برای میرا کردن این نوسانات نیز پرداخته می¬شود. شایان ذکر است که شبیه¬سازی¬های کنترلی در نرم¬افزار matlab simulink toolbox مدل گشته است و نتایج شبیه¬سازی¬ها در شرایط و رژیم¬های پروازی مختلف مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. در ادامه به بررسی عملکرد کنترلر¬های طراحی شده در برابر اغتشاشاتی که ممکن است به سیستم وارد شود مثل باد و همچنین در برابر عدم قطعیت¬های پارامترهای سیستم پرداخته شده است. و همچنین نشان داده شده است که کنترلر طراحی شده برای کنترل میرایی نوسانات جرم آویزان به راحتی می¬تواند برای طول¬های مختلف کابل نوسانات جرم آویزان را تا حد چشمگیری کاهش دهد.

با توجه به توسعه روز افزون اتوماسیون و استفاده از عملگرهای مختلف در صنعت، نیاز به استفاده از عملگرهایی که در عین کم هزینه بودن، سرعت و دقت بالایی را تأمین کنند و در عین حال نگهداری و کار کردن با آن ها ساده بوده و نیاز به تجهیزات جانبی کمتری داشته باشند روز به روز بیشتر احساس می شود. عملگرهای هیدرولیکی توان بالایی دارند و خواسته های فوق را به طور مطلوبی تأمین می کنند، به همین دلیل استفاده از آن ها در سال های اخیر در صنایع گوناگون افزایش یافته است. چالشی که هنگام استفاده از این عملگرها با آن مواجه می شویم وجود عواملی که باعث غیرخطی شدن ماهیت سیستم می شوند، می باشد. بنابراین می بایست این عوامل غیرخطی کننده تعیین و میزان و نحوه تاثیر آن ها مشخص گردد. در این پژوهش پس از ذکر مقدمه ای بر مدلسازی دینامیکی و ضرورت انجام آن، به برخی از تحقیقات انجام شده بر روی سیستم های هیدرولیکی اشاره شده است. در ادامه پس از بررسی و معرفی ساختار کلی سروُمکانیزم مورد نظر، یک مدل دینامیکی غیرخطی مناسب که در برگیرنده دینامیک های مهم سیستم باشد، ارائه گردیده است. بدین منظور پس از معرفی تفصیلی عملکرد و اجزاء سیالاتی شیر سروُ، دینامیک سیال عبوری از شیر و ساختار کلی موتور گشتاور، مدل دینامیکی مناسب برای بیان عملکرد شیر ارائه شده است. مدلسازی جک نیز در ادامه گزارش انجام گردیده و بخش انتهایی مدلسازی به تجمیع معادلات حاصل اختصاص داده شده است. سعی بر این بوده که مدل ارائه شده تا حد ممکن عوامل مهم و مؤثر در دینامیک سیستم را در بر داشته باشد. همچنین از دینامیک های غیر مهم صرف نظر شده است، چرا که پیچیده شدن مدل، شناسایی پارامترها و طراحی کنترلر را بسیار سخت می نماید. سپس پارامترهای معرفی شده در بخش مدلسازی را شناسایی می کنیم. بدین منظور به کمک داده های حاصل از آزمایش ابتدا پارامترهای موتور گشتاور و سپس پارامترهای مربوط به معادلات حاکم بر مجموعه جک و صفحه دریافت کننده شناسایی گردیده اند. در پایان به منظور بررسی صحت مدل ارائه شده و پارامترهای حاصل از شناسایی سیستم، نتایج حاصل از آزمایش و شبیه سازی سیستم مقایسه شده اند که نتایج حاصل تطابق خوبی با یکدیگر دارند. در بخش پایانی پژوهش حاضر و پس از تحلیل کارایی مدل ارائه شده و تأیید صحت آن، اثر تغییر در برخی از پارامترهای فیزیکی سیستم بر عملکرد عملگر مذکور نیز مورد بر رسی قرار گرفته است. در نهایت و پس از ارائه نتایج حاصله، پیشنهادهایی برای تحقیقات آتی بیان شده است.

کاربرد های فراوان ربات های پرنده سبب علاقه مندی هر چه بیشتر برای پژوهش و توسعه ی روز افزون آنها گردیده است. از جمله این کاربردها، تصویر برداری های هوایی، برداشتن اجسام و جابه جاکردن آنها، با درنظر گرفتن گیرش های مختلف برای انجام این کار، می باشد. وجود سیستم کنترلی پیچیده و غیر خطی این ربات ها سبب شده است تا توجه بیشتری معطوف به پایدارسازی آنها گردد. در این پایان نامه، مسئله ی اصلی مورد توجه، کنترل پایدار ربات های پرنده ی حامل بار آویزان است. بدین منظور، علاوه بر استفاده از الگوریتم های مناسب و نیز استفاده از تغییر طول کابل، برای اولین بار به طراحی و نصب یک مکانیزم پایدار ساز حرکت دورانی پرداخته شده است. در واقع نوآوری اصلی این پژوهش، ارائه ایده ی استفاده از پایدارساز بر روی ربات های پرنده ی کوادروتور می باشد. در این پژوهش، پس از بررسی تعدادی از مکانیزم های پایدارساز، دو مکانیزم پاندولی و صلیبی برای این مهم برگزیده شده است. پس از استخراج مدل دینامیکی سیستم کوادروتور به همراه بار آویزان و پایدارساز و طراحی کنترلر مناسب برای سیستم، به منظور بررسی عملکرد و انتخاب مکانیزم پایدارساز مناسب و همچنین کنترلر کارآمد مورد استفاده، پرواز کوادروتور بدون در نظر گرفتن بار آویزان شبیه سازی می شود. نتایج شبیه سازی ها نشان دهنده ی عملکرد بهتر مکانیزم صلیبی می باشند. در مرحله ی بعد، پس از اضافه کردن بار آویزان به سیستم، مراحل گذشته، این بار بر روی مسیر پروازی ترکیبی، تکرار می گردد. نتایج حاصله، مؤید موفقیت پایدارساز صلیبی در بهبود عملکرد پرنده در پرواز بر روی مسیر در نظر گرفته شده می باشند. در انتها نیز، به بررسی روشی به منظور از بین بردن نوسانات بار آویزان پرداخته می شود. تا کنون روش های گوناگونی در این زمینه مورد بررسی قرار گرفته است، اما روش مورد استفاده در این پایان نامه، استفاده از تغییرات طول کابل متصل به جرم به منظور کاهش نوسانات بار و اثرات آن بر روی پرنده می باشد. این روش نیز برای اولین بار بر روی این پرنده مورد استفاده قرار می گیرد. بدین منظور، با در نظر گرفتن سه طول مختلف اولیه ی کابل، روش مذکور در پرواز پرنده به همراه بار آویزان به هنگام پرواز بر روی یک مسیر ترکیبی پیاده سازی می شود. نتایج شبیه سازی ها نشان دهنده ی افزایش دامنه ی نوسانات جرم آویزان، با افزایش طول اولیه ی کابل و همچنین مقاوم بودن روش مورد استفاده در ازبین بردن نوسانات بار آویزان و اثر آن بر روی پرواز پرنده، نسبت به تغییر پارامتر طول اولیه ی کابل متصل به جرم می باشد.

نیوماتیک از دیرباز نقش قابل توجهی به عنوان یک تکنولوژی در اجرای کارهای مکانیکی به عهده داشته است. اما به طور معمول اولین گزینه برای کاربردهای سروو نبوده است. عوامل غیرخطی کننده مثل اصطکاک و تراکم پذیری هوا سیستم نیوماتیک را در کاربردهای کنترلی با مشکل مواجه می سازد. با این وجود مزایایی مانند هزینه پایین، نگهداری ساده، پاسخ سریع عملگر با شتاب بالا، چگالی توان خوب ( نسبت نیرو به وزن بالا)، انعطاف پذیری و نرمی ذاتی سیستم و وجود هوای فشرده در اکثر محیط های صنعتی باعث کاربرد گسترده عملگرهای نیوماتیکی شده است. با دست یافتن به توانایی موقعیت دهی این عملگرها با دقت کافی می توانیم آن ها را در توسعه فرآیندهای اتوماسیون، رباتیک، مهندسی پزشکی و واسط های لامسه ای به کار بگیریم. هدف این پژوهش تخمین پارامترهای مجهول یک سیلندر نیوماتیک دو طرفه برای مقاصد کنترلی مثل کنترل موقعیت، کنترل نیرو و کنترل امپدانس می باشد. در بسیاری از کاربردهای رایج، برای رسیدن به هدف مورد نظر از شیرهای سروو یا تناسبی استفاه می کنند که منجر به افزایش هزینه های سیستم نیوماتیک می شود. اما در برخی موارد کاهش وزن و هزینه ضروری است. بنابراین به جای شیرهای گران قیمت تناسبی، شیرهای سولنوئیدی قطع/ وصل با هزینه و وزن کم به کار گرفته شده است. روش مدولاسیون پهنای باند بهترین روشی است که توانایی کاربردهای سروو را برای این سیستم ها فراهم می کند. در اولین قدم معادلات حاکم بر سیستم جهت معرفی رفتار دینامیکی سیستم نیوماتیک استخراج شده اند. در مدل ریاضی برخی پارامترها همچون اصطکاک مجهول هستند. این پارامترها با استفاده از داده های تجربی و به کارگیری الگوریتم های شناسایی مناسب شامل حداقل مربعات خطای بازگشتی و فیلتر کالمن تعیین شده اند. سپس برای صحه گذاری مدل به دست آمده آزمایش های حلقه باز انجام شده است. مقایسه نتایج شبیه سازی و داده های تجربی نشان دهنده دقت بالای مدل است. نتایج آزمایش های تجربی سیستم حلقه بسته در پاسخ به ورودی شیب و سیسنوسی با فرکانس های مختلف نشان دهنده توانایی و دقت بالای کنترل کننده حالت است.

ربات های پیوسته گروه نوینی از ربات های انعطاف پذیر می باشند، که با الهام از حرکت اندام هایی مانند خرطوم فیل و بازوی هشت پا، بجای استفاده از مفاصل خطی یا دورانی، حرکت آن ها به وسیله تغییر فرم بدنه ایجاد می شود. روش های مختلفی برای تقریب و نحوه بیان استاتیک، سینماتیک، سینتیک، طراحی مسیر و کنترل این ربات ها بکار گرفته شده اند. با این حال، همچنان نیاز جدی به پژوهش بیشتر برای شناسایی و تحلیل و به کارگیری این ربات ها وجود دارد. از مهم ترین مسائل پیش رو، مدل سازی رفتار دینامیکی این ربات ها می باشد، که با توجه به تغییر شکل زیاد و عدم وجود مفاصل مجزّا، از تفاوت های عمده ای با رفتار ربات های انعطاف پذیر معمولی در نوسانات جزئی برخوردار است. مدل سازی های محدود فعلی، یا از دقت کافی برخوردار نیستند و یا منجر به معادلاتی سنگین و ناکارآمد می شوند که زمان لازم برای حل عددی آن ها بسیار زیاد است. این در حالی است که در کاربردهایی مانند طراحی مسیر و کنترل برخط، با توجه به طبیعت غیرخطی این ربات ها، نیاز به وجود مدل هایی با دقت و زمان محاسباتی مناسب کاملاً مشهود است. در این رساله، به مدل سازی بازوی پیوسته متشکل از تاندون و هسته مرکزی(backbone) پرداخته می شود. هدف اصلی این رساله، ارائه راهکاری برای مدل سازی است که ضمن فراهم آوردن دقت مناسب، از لحاظ محاسباتی سریع تر از روش های پیشین باشد تا امکان حل سریع و استفاده از آن در حلقه کنترل فراهم آید. برای این منظور، قابلیت پیچش و خمش ربات، و نیز امکان اعمال انواع نیرو و گشتاور به آن در نظر گرفته شده، به دو روش مدل سازی پرداخته خواهد شد. در روش اول، با استفاده از تئوری میله کاسرت، ربات به صورت جسم پیوسته با بینهایت درجه آزادی مدل می شود. روش کاسرت از دقت بسیار بالایی برخوردار است، اما معادلات دینامیک آن با مشکلات محاسباتی مواجه بوده، در عمل کارایی ندارد. بنابراین، از مدل کاسرت تنها برای مدل سازی حرکت هایی با سرعت پایین، به صورت شبه -استاتیکی، استفاده می شود. برای افزایش سرعت محاسبات، برخی فرضهای اعمال شده، که منجر به واجفت شدن بخش هایی از دستگاه معادلات دیفرانسیل مربوطه، و کاهش زمان حل آن ها می گردد. همچنین، برخی روش های محاسباتی مورد توجه قرار می گیرند، که دقت و سرعت حل معادلات را افزایش می دهند. همچنین، به مدل سازی نیروها و گشتاورهای ناشی از سیستم عملگری (تاندون ها) پرداخته می شود، که ضمن حفظ دقت، از لحاظ حجم محاسباتی مناسب می باشند. در روش دوم، برای مدل سازی حرکت در سرعت های بالا، به معرفی روشی متناسب با طبیعت حرکت ربات های پیوسته پرداخته می شود. برای این منظور، ابتدا بخشی از ربات، بصورت یک کمان یا المان پیوسته دارای انحنای ثابت معرفی و مدل سازی شده اند. سپس، روشی سیستماتیک برای مدل سازی ربات با زنجیره ای از این کمان ها ارائه می شود، که در نهایت منتهی به معادلات دینامیک با فرمولاسیون اولر-لاگرانژ می گردد. با استفاده از این کمان ها (المان ها)، دستگاه معادلات دیفرانسیل پاره ای دینامیک ربات پیوسته، به مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل معمولی تقلیل می یابد. از طرفی، با توجه به همخوانی هندسه این کمان ها با هندسه ربات های پیوسته، می توان ربات را با تعداد المان هایی به مراتب کمتر از روش های المان محدود موجود مدل سازی نمود، که منجر به افزایش قابل توجه سرعت محاسبات، و جلوگیری از ناپایداری های محاسباتی می گردد. پس از مدل سازی، به صحه گذاری کلیه مدل ها با انجام آزمون های تجربی پرداخته، دقت آن ها بررسی می شود. سپس، به استفاده از این مدل ها برای کنترل بازوی ربات پیوسته پرداخته می شود. ابتدا، به کنترل در سرعت های کم، با استفاده از مدل دقیق کاسرت پرداخته، یک الگوریتم کنترلی مشابه با الگوریتم های کنترل سینماتیکی بر مبنای ژاکوبین ارائه و شبیه سازی می شود. سپس، برای حرکت در سرعت های بالاتر، کنترل بر مبنای مدل دینامیک کمان های دایروی در نظر گرفته می شود. برای این منظور، با استفاده از روش های کنترل با گشتاور محاسبه شده (computed torque) و مود لغزشی، به طراحی کنترل موقعیت و تعقیب مسیر ربات پیوسته پرداخته می شود. در چندین مثال، شبیه سازی و کنترل ربات انجام شده، که نتایج آن ها معرف عملکرد مطلوب کنترلرها، و نیز نشان دهنده کارایی مدل های ارائه شده در حلقه های کنترل می باشند.

موضوع این پایان نامه شامل طراحی و ساخت یک بازوی مکانیکی روباتیک به عنوان یک setup آزمایشگاهی مناسب برای مقایسه تجربی الگوریتم های کنترلی میباشد که در مقطع کارشناسی ارشد به انجام رسیده است. فصل اول این پایان نامه به بررسی و تعریف صورت مساله و اهداف آن میپردازد. در فصل دوم به بررسی و تشریح روابط سینماتیکی و دینامیکی بازوهای روباتیک پرداخته شده است و فصل سوم شامل بخشهای مربوط به طراحی و ساخت بازوی مکانیکی میباشد. در فصل چهارم به تشریح عملکرد روبات اعم از نرم افزار و سخ افزار پرداخته شده است و فصل پنجم شامل بررسی و تقسیم بندی الگورتیمهای کنترلی میباشد. در فصل ششم به ارائه راهکارهای جدید برای بهبود عملکرد الگوریتم کنترلی مورد نظر پرداخته شده و فصول هفتم و هشتم شامل قسمتهای مربوط به مقایسه عملکرد و نتایج مشابه سازی و نیز تجربی الگوریتمهای کنترلی میباشد.

این رساله، برنامه ریزی و ارتقای قابلیت گیرش دست رباتیک جدید kntu را به عنوان یک دست رباتیک ماهر، مورد پژوهش قرار می¬دهد. دست رباتیک kntu که ساختار اولیه آن قبلا طراحی و ساخته¬شده¬است، شامل سه انگشت (دو انگشت دوبندی صلب و یک انگشت پیوسته) است، که ترکیب این سه انگشت قابلیت مهار کامل هر جسم با اشکال مختلف را فراهم می¬کند. هرکدام از انگشتان صلب متشکل از دو بند صلب هستند که داری محرک کابلی می¬باشند. همچنین دو انگشت صلب روی پایه متحرکی قرار¬گرفته¬اند که می¬تواند موقعیت آن¬ها را نسبت به انگشت پیوسته که پایه¬ای ثابت دارد، تنظیم کند. انگشت پیوسته با سه کابل که هریک متصل به موتوری مجزا هستند، کنترل می¬شود. بنابراین دست رباتیک جمعاً از هشت موتور برخوردار است. در این پژوهش، برنامه¬ریزی گیرش اجسام مختلف توسط دست رباتیک مزبور صورت خواهدگرفت. پس از جستجو و بررسی منابع در خصوص گیرش اجسام، ابتدا الگوریتم برنامه¬ریزی گیرش برای یک جسم عمومی تشریح گشته سپس با دسته-بندی مناسبی از انواع شکل¬های هندسی به برنامه¬ریزی اولیه گیرش اجسام مختلف با توجه به ساختار دست مورد نظر پرداخته می¬شود. در ادامه با بررسی نتایج، برنامه¬ریزی گیرش اجسام مختلف تکمیل شده و نسبت به تکمیل امور ساخت دست رباتیک موجود از جمله نصب و بکارگیری حسگرهای لازم اقدام خواهدشد. بدین ترتیب، مقدمات سخت¬افزاری برای انجام کنترل موقعیت و کنترل نیرویی فراهم خواهدشد. سرانجام با پیاده¬سازی سیستم کنترل مبتنی بر پسخور و بررسی عملکرد سیستم به تحلیل نتایج پرداخته خواهدشد.