تحلیل پایداری یک روش جدید تعامل نیرویی با محیط مجازی با استفاده از واسط لامسه ای و ردیاب مجزا

استفاده از ربات های لامسه ای بعنوان هپتیک در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. ساختار مکانیکی این ربات ها و ساخت آن ها در دانشگاه ها، مراکز تحقیقاتی مختلف و شرکت های صنعتی، همچنین معیارهای شفافیت و پایداری، از مهم ترین موضوعات مرتبط با این سیستم می باشد. بررسی پایداری، موضوع این پایان نامه است. در صورت ناپایدار بودن سیستم، علاوه بر از دست رفتن احساس حضور به دلیل بوجود آمدن لرزش ها و نیروها و جابه جایی های خارج از محدوده مورد انتظار، امکان آسیب دیدن کاربران و همچنین خرابی دستگاه جدی خواهد بود. با تحلیل پایداری، امپدانس های مکانیکی مجاز برای شبیه سازی نیرویی توسط ربات، مشخص خواهد شد. قسمتی از کار این پایان نامه، استفاده از تئوری پایداری سیستم های خطی و همچنین روش نافعالی برای بدست آوردن معیارهای پایداری است که از طریق آن ها می توان بیشینه سفتی مجازی قابل شبیه سازی را مشخص کرد. پیش از طرح موضوع این پایان نامه، روش جدیدی برای تعامل نیرویی با محیط مجازی توسط واسط لامسه ای، در آزمایشگاه واقعیت مجازی دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، ابداع شد. در این روش، دست کاربر فقط هنگام برخورد با سطح مجازی، با واسط در تماس است. به این صورت که موقعیت انگشت کاربر توسط یک دوربین ردیابی می شود و واسط لامسه ای در فاصله ای نزدیک، انگشت را دنبال می کند. هنگامی که واسط به سطح مجازی نزدیک می شود، سرعت خود را به تدریج کم کرده و در محل سطح مجازی متوقف می گردد. سپس دست کاربر با واسط لامسه ای در حال سکون برخورد می کند. افزایش احساس حضور، افزایش شفافیت، پایداری بیش تر و عدم نیاز به عملگرهای بزرگ، از مزایای این سامانه است. استراتژی کنترلی، کنترل موقعیت برای لحظات پیش از تماس و کنترل امپدانس در حین تماس با جسم مجازی است. ایده این پایان نامه برای یک شکل کردن و از بین بردن ناپیوستگی کنترل، تعریف قید متحرک است. به این شکل که سطح مجازی، در حالتی که دست کاربر خارج از محدوده جسم مجازی قرار دارد، روی مسیر مطلوبی که برای قلم ربات تعریف شده، حرکت می کند و نیروی تماسی صفر را برای ربات تنظیم می کند. بنابراین قلم ربات با سطح مجازی تا هنگام رسیدن به جسم مجازی حرکت خواهد کرد و در لحظه ای که به جسم می رسد، سطح مجازی ثابت و قلم ربات توسط کاربر فرو می رود و متناسب با امپدانس جسم مجازی، نیرو وارد می کند. به این صورت،کنترل نیرو، تنها استراتژی کنترلی در کل مسیر است و باعث عملکرد بهتر سیستم و تحلیل ساده تر آن می شود. ابتکار این پایان نامه برای تحلیل پایداری، وارد کردن کاربر به مدل سیستم است. این کار باعث می شود معیار پایداری حاصل، صحت بیش تری داشته باشد؛ چرا که دینامیک سیستم متشکل از ربات و کاربر در تعامل با آن، با ربات جدا، متفاوت است. در این جا روش ها و رویکردهای مختلف تحلیل این مسئله، بررسی شده. در بخشی، بر پایه نافعالی سیستم، معیاری بدست آورده شده و با آزمایش روی ربات لامسه ای فنتوم اُمنی به محک گذاشته شده است. در معیار بدست آمده، تفاوت روش ابداعی با روش مرسوم دیده می شود. به این معنی که در صورت پیاده-سازی روش جدید، مقدار یکی از پارامترهای معادله پایداری، تغییر خواهد کرد. این پارامتر، سرعت نفوذ در جسم مجازی، هنگام برخورد دست با سطح مجازی است که مقدار آن در روش ابداعی کمتر خواهد بود. آزمایش ها که هم با پیاده سازی روش مرسوم انجام می شوند و هم با روش ابداعی، این موضوع را نشان می دهند. و نتیجه آن بهبود وضعیت پایداری و بزرگ تر شدن بیشینه سفتی مجازی در صورت پیاده سازی روش جدید است. از آن جا که برخورد انگشت کاربر با قلم ربات، هنگام رسیدن به سطح مجازی، تأثیر مهمی در وضعیت پایداری دارد، تحلیل پدیده برخورد و چگونگی تأثیر آن در پایداری سیستم های دینامیکی در فصلی مجزا بررسی شده است. در این راستا تئوری سیستم های هیبرید آورده شده که ابزار مناسبی برای تحلیل تغییر و ناپیوستگی معادلات دینامیکی سیستم در حین این برخورد است.