امروزه، جایگاهی که علم روباتیک پس از حدود پنجاه سال در صنعت دنیا پیدا کرده بر کسی پوشیده نیست. هدایت بصری روبات، از جمله روشهای هوشمند سازی روباتها در عملکرد و مواجهه با شرایط از پیش تعیین نشده برای آنها است. در هدایت بصری پیاده سازی شده در پروژه حاضر، به جای استفاده از مختصات از پیش تعیین شده، با استفاده از یک شبکه عصبی پرسپترون دو لایه، تصاویر دریافتی دوربین متصل به مچ روبات مورد پردازش قرار داده شده و مختصات شئ هدف را نسبت به آن به دست آوردیم.سپس، موقعیت تخمین زده شده برای جسم، به سینماتیک معکوس روبات ارسال شده تا آن را در مختصات مطلوب و جهتگیری صحیح در مقابل جسم قرار دهد. برای قراردادن روبات در موقعیت مطلوب استفاده شده است. همچنین برای افزایش screw نسبت به شئ، از حل سینماتیک معکوس به روش قابلیت انعطاف سیستم، از چند کلاس مختلف اشیا استفاده کرده و با شبکه عصبی دیگری، دسته بندی اشیا را نیز انجام داده ایم. الگوریتمهای فوق بر روی روبات پنج درجه آزادی میتسوبیشی گروه روباتیک ارس که دوربینی بر روی عملگر نهایی آن نصب شده است، انجام شده و نتایج مورد قبولی از اجرای الگوریتم فوق را به نمایش می گذارد.

در این پایان نامه کنترل سیستم های تکین بررسی شده است و کاربردهای نوین مدلسازی تکین در کنار کاربردهای قبلی مدنظر قرار گرفته اند. در این راستا خلاصه ای از روشهای تحلیلی در سیستم های تکین مورد نقد و بررسی قرار گرفته است. مشکلات معمول در کنترل پس خور سیستم های تکین از جمله حلقه جبری، رفتار ضربه ای و غیرعلی بودن این گونه سیستم ها بررسی و راه حل های مناسبی برای آنها ارائه شده است. با توجه به اینکه الگوریتم های موجود برای سیستم های سره در کنترل مدل درونی و کنترل پیش بین در فضای حالت همگی در مورد سیستم های تکین ناکارآمد هستند، روشی برای کنترل مدل درونی برای سیستم های تکین تاخیر دار با حضور نامعینی ارائه شده است. در کنترل مدل درونی سیستم های تکین، از روش های کنترل مقاوم برای موثر بودن الگوریتم کنترلی استفاده شده است. در این راستا و با توجه به اینکه رویتگر حالت در سیستم های تکین بحثی به روز می باشد که در کنترل فضای حالت مورد نیاز است، روشی ارائه شده است که علاوه بر رویت حالت امکان مجزا کردن اغتشاشات خروجی و ورودی و تخمین خطاهای احتمالی موجود در سیستم را فراهم می سازد. نهایتاً با ارائه مثالهای متنوع کاربردی در هر بخش عملکرد روشهای پیشنهادی بررسی شده است.

با توجه به مزایای قابل توجهی که ربات‏های هیبرید نسبت به ربات‏های موازی و سری دارند، طراحی و ساخت این گونه ربات‏ها، در دهه اخیر رو به افزایش است. تاکنون فعالیت های جدی بر عملکرد ربات های سری و موازی صورت گرفته است، اما ربات های هیبرید با توجه به پیچیدگی های آن ها و عدم وجود استانداردهای طراحی نیازمند بررسی و تحلیل های عمیق تری می‏باشند. اغلب طراحی های ربات‏های هیبرید بر اساس توسعه ربات‏های موجود بوده است. ایده اصلی این پژوهش، ترکیب و توسعه مکانیزم‏های سری و موازی موجود به منظور افزایش قابلیت ها و ویژگی های ربات‏های هیبرید می باشد. در این پایان نامه نشان داده شده است ترکیب مکانیزم های سری و موازی به گونه ای که تداخل بین آن ها وجود نداشته باشد، می تواند قابلیت و رفتار ربات را بهبود بخشد. در فصل اول این پژوهش، طرح‏های سال‏های اخیر برخی از محققین آورده شده و مروری بر اهداف و طرح‏های آن‏ها صورت گرفته است. معمولا محققین و پژوهشگران علم رباتیک، عملکرد طرح‏ها و ساختارهای جدید ربات‏ها را بر اساس مشخصه‏های رباتیکی می‏سنجند. مشخصه‏های رباتیکی متداول شامل سختی ، مهارت و ابعاد فضای کاری می‏باشد. در فصل دوم، با استفاده از مشخصه‏های فنی ربات‏ها، طرح‏های ارائه شده بهینه‏سازی گردیده‏اند. در این پایان‏نامه، فرمولاسیون جدیدی برای ربات‏های هیبرید ارائه شده و بر اساس آن برخی طرح‏های ارائه شده در این پایان‏نامه، بهینه‏سازی شده‏است. در فصل سوم، معادلات دینامیکی ربات هیبرید بر اساس مراجع موجود استخراج شده‏است. تحلیل‏های دینامیکی به ربات هیبرید 3upu-gimbaled محدود شده و نتایج آن با شبیه‏سازی ارزیابی گردیده‏است. فصل چهارم به طراحی جبران‏ساز ربات پرداخته‏است. ابتدا، جبران‏ساز idc برای ربات هیبرید طراحی شده و سپس، برای شرایط با حضور نامعینی‏، جبران‏ساز کنترل مقاوم مد لغزشی مرتبه دوم طراحی گردیده‏است.

در سیستم های teleoperation دو ربات به عنوان ربات راهبر و رهرو امکان دست کاری غیرمستقیم یک محیط را فراهم می آورند. در کاربردهایی مختلفی مانند فضا یا پزشکی ربات رهرو از بازوهای سبک یا نازک استفاده می کنند. چنین انتخابی برای ربات های پزشکی باعث ایجاد شکاف های بسیار کوچک بر روی بدن بیمار را فراهم می سازد. به این ترتیب علاوه بر درد کمتر بیمار، طول دوره ی درمان نیز بسیار کاهش خواهد یافت. همچنین برای ربات های فضایی، هزینه و انرژی لازم برای حرکت ربات در طول مدت انجام عملیات کمینه خواهد گردید. با وجود این مزایا، استفاده از این نوع ربات ها به عنوان ربات رهروی یک سیستم teleoperation، مشکل جدیدی را در این سیستم ها با عنوان انعطاف پذیری معرفی می کند. شفافیت یک سیستم teleoperation، قابلیت استفاده از آنها را در حوزه هایی مانند پزشکی یا فضا برای انجام کارهای پیچیده تر افزایش می دهد. اما این معیار عملکرد از انعطاف پذیری ربات رهرو، به هنگام ارتعاش یا خمش بازوها بسیار تضعیف می شود. در این پایان نامه، کنترل و بهبود معیار شفافیت یک سیستم teleoperation، در حضور یک ربات رهرو با یک بازوی انعطاف پذیر مورد توجه قرار گرفته است. دینامیک این ربات با استفاده از روش لاگرانژ و مدهای مفروض به دست می آید و صحت آن توسط شبیه سازی های متعددی تایید گردیده است. با توجه به دلیل وجود کسری عملگر در ربات انعطاف پذیر نمی توان از روش های کنترلی مشابه ربات های صلب برای آن استفاده کرد. این مشکل را می توان با استفاده کاهش مرتبه ی مدل ربات با استفاده از روش انحراف تکین برطرف کرد. در این روش مدهای تند سیستم از نیروهای الاستیک و مشتق های مربوط به آن به دست می آید. برای کنترل چنین سیستمی از کنترل ترکیبی بهره می بریم که در آن کنترل کننده ی زیرسیستم کند، برای رباتی با ابعاد معادل ربات اصلی طراحی می شود. کنترل کننده ی تند نیز زیر سیستم تند را حول مسیر تعادلی که از پارامترهای زیر سیستم کند حاصل می گردد، پایدار می سازد. برای سیستم teleoperation سه روش کنترلی مرسوم در یک ساختار کنترلی نوین با هم مقایسه شده اند. نشان داده می شود که شفافیت ایده آل با استفاده از ساختار پیشنهادی قابل دست یابی است و علاوه بر این، ساختار پیشنهاد شده با کاهش ارتعاشات طرف راهبر، از میزان سوق داده شدن ربات به نقاط تکین به صورت مناسبی می کاهد.

در این پایان نامه، به طراحی کنترل برای سامانه کارکرد از دور می پردازیم. پایداری و عملکرد روش ارائه شده در حضور تأخیر متغیر با زمان و با وجود تغییرات سختی محیط (محیط نرم و سخت) مقاوم است. مشکلاتی از قبیل وجود تأخیر در کانال ارتباطی، وجود نامعینی در دینامیک روباتها و ناشناخته و متغیر بودن دینامیک محیط و کاربر در این سامانه ها مانع از دستیابی همزمان به دو هدف «شفافیت» و «پایداری» است. در این پایان نامه برای دستیابی همزمان به شفافیت و پایداری مقاوم در حضور تأخیر متغیر با زمان و نیز در برخورد با محیط سخت، روشی نوین ارائه شده است. ساختار کنترل ارائه شده شامل کنترل مود لغزشی در سمت راهبر و کنترل امپدانس تطبیقی در سمت رهرو است. در ساختار ارائه شده برای کنترل موقعیت ربات رهرو از کنترل مود لغزشی استفاده شده است تا پایداری مقاوم تضمین گردد. همچنین برای فراهم آوردن شفافیت مطلوب، از کنترلگر امپدانس استفاده شده است. برای تخمین پارامترهای امپدانس محیط به صورت برخط از روش حداقل مربعات استفاده شده است. همچنین به منظور کاهش خطای ردیابی به هنگام تغییرات شدید و ناگهانی سختی محیط، این تغییرات در طراحی کنترل لحاظ شده است. با استفاده از شبیه سازی نشان داده شده است که ساختار پیشنهادی، بر خلاف بسیاری از ساختارهای ارائه شده، قادر است شفافیت مطلوب و پایداری مقاوم را در حضور تأخیر متغیر با زمان و نیز در برخورد با محیط سخت، تضمین نماید. در انتهای این پژوهش، استفاده از یک دیدگاه جدید برای طراحی کنترلگر پیشنهاد شده و در قالب یک پیوست همین پیشنهاد تا حدی پخته شده است. در این روش شرط کافی مستقل از مقدار تأخیر زمانی در قالب lmi استخراج شده و ضرایب کنترلگر از حل آن به دست می-آید. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که ساختار پیشنهادی قادر است به ازای هر مقدار تأخیر ثابت شفافیت مطلوب را برقرار کند.

دیسکهای سخت به علت افزایش مداوم ظرفیت و سرعت، همواره به پیشرفتهای اساسی در موقعیتیابی و کنترل هد نیاز دارند. در این زمینه مدتی است که روش کنترل مقاوم تطبیقی با استفاده از روش پس گام ارائه شده است؛ و روشهای توسعه یافته تا کنون تنها برای سیستمهای مینیمم فاز قابل استفاده است. استفاده از این روشها در هارد دیسک که ذاتا غیرمینیمم فاز است تنها با در نظر گرفتن این خصیصه به صورت نامعینی قابل اجراست که این امر میتواند عملکرد سیستم را تحت الشعاع قرار دهد. در این پایان نامه روشهایی برای توسعه این کنترل کننده به سیستمهای غیر مینیمم فاز ارائه شده است. در این روشها غلبه بر این رفتار به جای درنظر گرفتن آن به عنوان نامعینی مد نظر قرار گرفته شده است تا به بهبود ورودیهای کنترلی و عملکرد سیستم حلقه بسته کمک شود. برای این منظور دو روش ارائه داده شده است که در یکی از روشها از یک بخش جایابی صفر برای اصلاح کنترل کننده استفاده خواهیم کرد و در روش دیگر با تغییر ساختار بخش تطبیقی کنترل کننده از یک ساختار کنترلی مدل مرجع برای کنترل سیستم غیرمینیمم فاز بهره خواهیم برد. در پایان نیز با انجام شبیه سازی تاثیر این روشها را در بهبود عملکرد سیستم مورد بررسی قرار خواهیم داد.

این پایان نامه با موضوع کلی حل مسئله مکانیابی و نقشهیابی همزمـان در رباتهای پایه متحرک (سیار) تعریف شده است و کاربرد عملی این مسئله در محیطهـای ?با مقیاس بزرگ مدنظر قرار دارد. در این راستا حل مسئله slam با دیـد? ?احتما?تی و توسط فیلترهای بازگشتی و تخمین موقعیت ربات و نقشه محیط مورد توجه قـرار مـیگیـرد.? ?در ادامه به مشک?تی که در مکانیابی و ارائه نقشه در اثر طو?نی و بزرگ شدن مسیر حرکت ربات ایجـاد? ?میشود، پرداخته خواهد شد و مروری بر راهحلهای مطرح شده تا کنون برای رفع این مشک?ت و یا بهبود تخمـین? ?ارائه شده در حضور آنها صورت خواهد گرفت. از جمله این مشک?ت می تـوان بـه افـزایش هزینـه محاسـباتی? ?سیستم در اثر افزایش تعداد حا?ت سیستم و به ویژه بـزرگ شـدن ابعـاد مـاتریس کوواریـانس و در? ?نتیجه از دست رفتن عملکرد بههنگام سیستم اشاره کرد. همچنین در اثـر? ?افزایش عدم قطعیت تخمین موقعیت ربات در طول مسیر، خطای خطی سازی سیستم افزایش می یابد که منجر به افزایش خطای تخمین می شود. در ادامه برخی روش هایی که قابلیت غلبه بر مشکلات مذکور و کاربری در محیط های بزرگ را دارند، تشریح می شوند.

در میان الگوهای حرکتی کمتر از شش درجه آزادی‏، حرکت‎‎ های شامل سه درجه ی آزادی انتقال‎ی‎ و دو درجه ی آزادی دورا‎ن‎ی گستره ی وسیعی از کاربرد‏های صنعتی همچون ماشین کاری پنج محوره را شامل می شوند. از طرفی با گسترش سنتز نوعیِ مکانیزم های موازی‏، اخیراً مکانیزم‏ های ‎پنج درجه آزادی متقارن با محرکه های خطی طراحی شده اند و ‎نشان‎ داده شده است که دو مکانیزم ‎5-‎r‎pur‎ و ‎5-prur‎‎‎ نوید بخش ترین مکانیزم ها‎‎‎ در ایجاد الگوی حرکتی ‎مد نظر می باشند. ‎‎این پروژه در راستای طراحی مکانیزم های ‎5-dof‎ متقارن ‎5-‎r‎pur‎ و ‎5-prur‎‎‎ تعریف گشته است. گام اول در این راستا تحلیل سینماتیکی این مکانیزم ها است. در این پایان نامه ابتدا تحلیل فضای کاری جهت ثابت که در طراحی مکانیزم ها بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد‏، مد نظر قرار گرفته است‏. این فضا با استفاده از سیستم ‎cad و روش های جبری استخراج گردیده و نکاتی در مورد طراحی این مکانیزم ها با فضای کاری بهینه ارائه شده است. در ادامه ‎‎به مفهوم حساسیت سینماتیکی که اخیراً به منظور ایجاد شاخص های دارای یکای سازگار ارائه گشته‏، توجه شده است. ابتدا بر مبنای ماتریس ژاکوبی، روابط لازم برای محاسبه ی شاخص های مذکور استخراج گردیده و در ادامه به محاسبه ی این شاخص ها برای مکانیزم های مورد بررسی در این پروژه پرداخته شده است. بدین ترتیب تحلیل های سینماتیکی لازم برای طراحی این مکانیزم ها کامل گشته و ادامه ی مسیر طراحی بر مبنای مطالعات انجام شده روشن گردیده است.

در این پروژه به مسیریابی و کاوش ربات های سیار در محیط های خارجی ناشناخته می پردازیم. برای این منظور از ربات سیار melon و دوربین استریوی صنعتی بهره می گیریم. اولین قدم در کاوش محیط های ناشناخته ساخت نقشه محیط پیرامون به صورت بلادرنگ می باشد. با استخراج تصویر ناهمخوانی از جفت تصاویر برگرفته از دوربین استریو و انتقال نقاط به فضای سه بعدی مدل ابر نقطه ای محیط ساخته می شود. با تصویر نمودن نقاط بر صفحه xz و از کنار هم قرار دادن نقشه های محلی به کمک تخمین موقعیت ربات، که در هر لحظه با استفاده از مکان یابی دیداری تعیین می شود، نقشه جهانی محیط پیرامون به صورت بلادرنگ ساخته می شود. همچنین برای یافتن مسیر بهینه ربات از روش a* استفاده شده است و هدایت ربات بر روی مسیر توسط کنترل کننده غیرخطی پس گام صورت می گیرد. در نهایت ربات به کمک مراحل فوق و با سرکشی به محیط های ناشناخته به جستجوی شیء مطلوب می پردازد و حضور یا عدم حضور آن را به کاربر مخابره می کند. از جمله ویژگی های این پایان نامه می توان به تک سنسور بودن آن اشاره کرد. استفاده از دوربین استریو ما را بر این داشته است که در تمام مراحل پروژه صرفا بر ویژگی بینایی دوربین و اطلاعات دیداری برگرفته شده از محیط تکیه کنیم. تا آنجا که هدف نهایی ربات نیز بر پایه اطلاعات دیداری تعریف شده است و شناسایی و رسیدن به شیء ای مطلوب لحاظ می شود. همین امر فرآیند مسیریابی را از گذر از نقطه شروع به نقطه پایان توسعه داده و به فرآیند جستجو، یافتن و ردیابی هدف مطلوب تبدیل می کند. بدین ترتیب تعیین مسیر بهینه از فرآیند ساده الگوریتم a* به مدلی پیچیده که در آن نقطه شروع و هدف به صورت بلادرنگ به روز رسانی می شوند تبدیل می شود و بدین ترتیب امکان ردیابی هدف پویا نیز فراهم می-شود. از طرفی از آنجا که مسیریابی در محیط های ناشناخته بیرونی انجام می شود اطلاعات از پیش دانسته ای از محیط در اختیار نداریم و نقشه جهانی محیط به طور پویا و با گرفتن اطلاعات محیط اطراف به روز رسانی می شود.

در این پروژه برخلاف روش هایی که تاکنون مورد استفاده قرار می گرفت از هیچ نشانه ای بر روی اجسام بهره گرفته نشده است و علاوه بر این به استخراج ویژگی های جسم مورد نظر در تصویر پرداخته نشده است. این روش را می توان به نوعی ردیابی مبتنی بر تصویر تلقی نمود با این تفاوت که از کلیه اطلاعات موجود در تصویر استفاده می کند و همچنین نیازی به محاسبه ژاکوبین تصویر وجود ندارد. در این روش برخلاف روش های معمول مبتنی بر تصویر که از اطلاعات استخراج شده از تصویر جهت محاسبه موقعیت مطلوب بهره می گرفتند، از تمامی ویژگی های موجود در تصویر جهت محاسبه ورودی کنترلی مناسب به ربات استفاده می شود. بنابراین با برطرف نمودن ضعف های موجود در روش های مبتنی بر تصویر قابلیت بهبود و توسعه الگوریتم های موجود را فراهم آورده است. بنابراین با دیدگاهی متفاوت از پروژه های قبلی انجام شده بر روی ربات صنعتی گروه رباتیک ارس، به ردیابی اجسام بدون نشانه پرداخته شده است. در این روش تنها اطلاعات مورد نیاز جهت ردیابی جسم یک تصویر اولیه از جسم مورد نظر می باشد. با این 11 دیدگاه می توان اجسام را بدون نشانه و تنها بر اساس یک تصویر دریافتی از آنان ردیابی نمود. این الگوریتم بر خلاف روشهای گذشته نیاز به آموزش زمان بر و با انجام محاسبات زیاد ندارد. روش کار بدین صورت است که با انجام محاسباتی بر روی تصویر مبنا و یافتن مقادیر مورد نیاز و استفاده از کاندید تابع لیاپانوف می توان ورودی کنترلی مورد نظر را به گونه ای یافت که به سمت کاهش مقدار انرژی تابع لیاپانوف حرکت نماییم و به تصویر مبنای استفاده شده همگرا گردیم. در این میان سیگنال های مورد استفاده جهت محاسبه ورودی کنترلی بر اساس نوع حرکت انجام شده و جابجایی صورت گرفته متفاوت می باشد. همانطور که گفته شد این روش را می توان به نوعی جزء دسته روش های ردیابی بر اساس تصویر قرار داد با این تفاوت که بر خلاف روش های مبتنی بر تصویر هیچگونه ویژگی از تصویر مورد نظر استخراج نمی گردد و تخمین موقعیتی بر اساس ویژگی ها صورت نمی پذیرد بنابراین در این الگوریتم از کلیه اطلاعات تصویر جهت همگرایی استفاده می شود.

یکی از زمینه های بکارگیری ربات های هوشمند، ربات های خانگی و دستیار است. یک ربات خانگی برای انجام وظایف، نیاز به درک و دانشی کافی از محیط اطراف خود دارد تا بتواند در مورد نحوه انجام امور محوله تصمیم گیری کند. یکی از ابزارهایی که کمک شایانی در این جهت می نماید، نقشه معنایی محیط است که به عنوان پایه تصمیم گیری ربات مطرح است. در این پروژه، با استخراج ویژگی های عمومی و محلی موجود در تصاویر دریافتی، به دسته بندی آن ها در رسته هایی از پیش تعیین شده پرداخته می شود و ضمن شناسایی مکان کنونی ربات، اطلاعات موجود در آن مکان در نقشه معنایی ثبت می شود. ویژگی های عمومی هر منطقه (رسته) از محیط با استفاده از هیستوگرام هایی با ابعاد بالا، بازنمایی شده و توسط ماشین های بردار رابطه ای (rvm) دسته بندی می شوند. این موضوع در مورد ویژگی های محلی هر منطقه که توسط روش های sift یا surf استخراج شده اند، با ایجاد یک پایگاه از ویژگی های متمایز هر منطقه و میزان شباهت ویژگی های مکان کنونی ربات با این پایگاه ها، صورت گرفته است. اطلاعات ذخیره شده در نقشه معنایی، شامل شکل هندسی و نقشه های متریک هر منطقه، نقشه توپولوژیک محیط و ویژگی های بینایی موجود در هر منطقه است. همچنین از آنجا که بخشی از هوشمندی ربات، قابلیت تولید خودکار نقشه معنایی محیط در کمترین زمان است، در ادامه روشی مبتنی بر هیستوگرام مناطق ناشناخته محیط، پیشنهاد شده است تا در هر لحظه بهترین منطقه برای اکتشاف تعیین شود و ربات در کمترین زمان بیشترین دانش را از محیط کسب کند. نتایج حاصل از پیاده سازی روش های پیشنهادی در محیط های شبیه سازی شده و واقعی، نشان دهنده دسته بندی مناطق مختلف محیط با دقت ?90 و کاهش زمانِ اکتشاف و تولید نقشه معنایی محیط نسبت به روش مرجع و افزایش کارایی ربات در مسائلی همچون یافتن یک شیء خاص در محیط است.

در این پایان نامه، اتوپایلوت مقاوم‏ برای یک موشک زمین به هوا برای نقاط مختلف پروازی طراحی شده است. موشک از نوع کنترل دم‎‏ می باشد. با توجه به ارتفاع ها و سرعت های مختلف پروازی، توابع تبدیل مختلف برای سیستم می توان بدست آورد که یک کنترل کننده ی ثابت طراحی شده، می تواند همه مدل ها را پایدار نماید. برای این منظور تابع تبدیل شتاب جانبی به ورودی انحراف بالک را به دو تابع تبدیل شتاب جانبی به نرخ چرخش پیچ و تابع تبدیل نرخ چرخش پیچ به انحراف بالک تفکیک شده است. با این تفکیک، نشان شده است که در صورت داشتن تابع تبدیل نرخ چرخش پیچ به سیگنال کنترلی مناسب می توان تابع تبدیل شتاب جانبی به دستور شتاب مناسبی به دست آورد. با توجه به متغیر با زمان بودن سیستم، مقاوم بودن کنترل کننده طراحی شده به لحاظ تئوری اثبات شده و با شبیه سازی ها نیز تایید شده است.

ربات های کابلی از حدود سه دهه پیش با توجه به خصوصیات منحصر به فرد خود مورد توجه قرار گرفته اند. این مکانیزم ها در عین برخوردار بودن از مزایای ربات های سری و موازی، فاقد برخی محدودیت های ساختاری آنها نیز می باشند. علیرغم این مزیت ها، استفاده از بازوهای کابلی به جای بازوهای صلب چالش های جدیدی را پیش روی محققین قرار داده است. یکی از مهم ترین چالش های مطرح در حوزه مکانیزم های کابلی، تحلیل فضای کاری آنها است. تحقیقاتی که تا کنون در این زمینه صورت پذیرفته دارای نقایصی از جمله حجم بالای محاسباتی در روش های عددی و پیچیدگی روش های تحلیلی و ضعف آنها در ارزیابی فضای کاری ربات ها ی فضایی با بیش از یک درجه افزونگی است. در این پژوهش، با معرفی نیروهای بنیادی افقی تازه در تحلیل فضای کاری گشوده شده است. نیروی بنیادی علاوه بر اینکه توانسته رویکردی جذاب در تحلیل فضای کاری ایجاد نماید پا را فراتر نهاده و در محاسبه نیروی کابلی بهینه در حضور نیروهای خارجی نیز موثر بوده است. یکی از بررسی هایی که در فضای کاری صورت می پذیرد ارزیابی عملکرد ربات است و این ارزیابی با ارائه معیارهای سینماتیکی قابل اجراست. در این رساله با توجه به فقدان یک معیار جامع در حوزه مکانیزم های کابلی و با نگاهی بر صفات نیروی بنیادی، معیار حساسیت نیرویی پیشنهاد شده است. این شاخص علاوه بر اینکه بیان کننده نسبت تغییرات نیروی کابل به نیروی خارجی است، تکینگی و کنترل پذیری ربات در فضای کاری را نیز مورد ارزیابی قرار می دهد. کنترل پذیر بودن یکی از نگرش های مهم در فضای کاری ربات های کابلی به شمار می آید. در ادامه با توجه به روش ارائه شده در تحلیل فضای کاری و معیار حساسیت نیرویی، عملکرد طرح های ربات فضایی کابلی نصیر مورد مطالعه قرار گرفته است. در این راستا با نگاهی بر بهبود طرح های ارائه شده، طرح مفهومی مانی پیشنهاد گردیده است. سپس با بهره گیری از روش های بهینه سازی چندهدفه مانند الگوریتم ژنتیک، جبهه بهینگی پرتو به گونه ای برای پارامترهای طراحی ربات به دست آمده که توابع هدف طراحی بطور همزمان بهینه شده اند. نتایج حاصل شده از شبیه سازی ها موید کارایی روش های پیشنهادی در تحلیل فضای کاری، معیار سینماتیکی کابلی، طراحی مفهومی و بهینه سازی آن است.

در پیاده سازی سیستم های کنترل جدید از شبکه های مخابراتی برای ارسال داده های بازخورد و فرامین کنترل استفاده می شود. وجود تأخیر در فرآیند ارسال داده از طریق شبکه می تواند عملکرد مناسب سیستم کنترل را با اشکالاتی مواجه نماید. به طور معمول با بکارگیری شبکه های سریع و پائین نگاه داشتن ترافیک شبکه از چنین مشکلاتی اجتناب می شود. اما مطلوب آن است که از دست بالا گرفتن مشخصات شبکه اجتناب شود و هزینه ها و پیچیدگی های ارتباط با سرعت بالا کاهش داده شود. لذا این سوال مطرح می شود که چه میزان از کارائی مخابراتی در شبکه برای رسیدن به کارائی مطلوب در سیستم کنترل مورد نیاز است که این موضوع در مباحث مربوط به سیستم های کنترل شبکه شده بررسی می شود. در این پایان نامه، بر اساس قضیه لیاپانوف کراسوسکی و با استفاده از فرمول نیوتن-لایب نیتز و چند ماتریس وزنی، شرط کافی برای پایداری وابسته به تأخیر سیستم های کنترل شبکه شده دارای چندین کانال ارتباطی با تأخیرهای متغیر با زمان و اغتشاش غیر خطی در قالب ناتساوی ماتریسی خطی بدست آورده شده است. اغتشاش غیر خطی نیز بصورت تابعی از متغیرهای حالت فعلی و متغیرهای حالت تأخیردار در نظر گرفته شده است. در تحقیقات پیشین در مورد سیستم های کنترل شبکه شده غیر خطی، اغتشاشات غیر خطی یا به حالت های فعلی و یا به حالت های تأخیردار وابسته بودند. ضمناً، در تحقیقاتی که سعی در غلبه کردن بر این مشکل را داشتند، تنها یک کانال ارتباطی در نظر گرفته شده است. در کاربردهای سیستم های شبکه شده به طور کلی این محدودیت ها نقض می شوند و لذا نتایج موجود عموماً قابل استفاده در مورد سیستم های شبکه شده نمی باشند. براین اساس هدف در این پایان نامه، برطرف نمودن محدودیت های فوق خواهد بود که نتیجه آن امکان اعمال نتایج تحلیل پایداری به کاربردهای سیستم های شبکه شده می باشد. به منظور نشان دادن قابلیت های بدست آمده در روش پیشنهادی، نتایج بر روی یک سیستم تعلیق مغناطیسی شبکه شده اعمال می شوند.

نیاز به قابلیت ارتباط ساده و دقیق با محیط کاری در ربات ها، منجر به ایجاد سیستم های ردیابی دیداری شده است، به طوری که کنترل حرکت ربات بر اساس ردیابی یک مجموعه از ویژگی های تصویر هر فریم انجام می شود. هدف اصلی این پروژه ردیابی اجسام بدون نشانه با رویکرد هسته تصویر است. در این روش ردیابی جسم مطلوب با وزن دهی اتم های تصویر، در دو حوزه مکانی و فرکانسی، که همان هسته تصویر است صورت می گیرد. سیگنال کنترلی بر اساس مقایسه بین هسته تصویر محاسبه شده با هسته تصویر هدف بدست می آید. امروزه با توجه به کاربردهای گسترده ردیابی دیداری، بهبود عملکرد و پایداری آن ها بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا در این پایان نامه کنترل کننده غیرخطی مد لغزشی با هسته تصویر تلفیق شده است. سطح لغزشی مطلوب با توجه به نوع هسته تصویر و ماهیت سیگنال فرمان که در اینجا سرعت است، از نوع تناسبی انتگرالی پیشنهاد شده است. روش پیشنهادی بر روی یک ربات پنج درجه آزادی پیاده شده و کارایی الگوریتم کنترلی جدید با روش متداول ردیابی دیداری مبتنی بر هسته، مقایسه شده است. دقت روش جدید در وضعیتی که جسم مورد ردیابی در مرز میدان دید دوربین باشد، نسبت به روش ردیابی دیداری مبتنی بر هسته بیشتر است. پایداری روش پیشنهادی نیز با استفاده از قضیه لیاپانوف تحلیل شده است. از آن جایی که ردیابی دیداری بر اساس ویژگی های موجود در تصویر صورت می پذیرد پایداری الگوریتم پیشنهادی می تواند تحت تاثیر نامعینی تصویری مانند نویز، تیرگی تصویر، و خطای مدل سازی دوربین قرار گیرد. در نتیجه برای مقابله با چنین عوامل نامطلوبی، محدوده ی مناسب طراحی ضریب های کنترل کننده با توجه به شرط مد لغزشی به دست آمده است. در نتایج پیاده سازی دیده می شود که، مطابق با انتظار تاثیر افزایش نویز تصویر، خطای ردیابی را افزایش می دهد، لذا با اعمال روشهای مناسب پردازش تصویر نامعینی تصویری تا حد ممکن کاهش داده شده است.

چکیده یکی از پرکاربردترین ابزارهایی که توسط انسان در بخش های مختلفی از زندگی مورد استفاده قرار می گیرد اجزای انعطاف پذیر، چون طناب می باشند. اختراع طناب به عنوان هفتمین اختراع بشر در دوران باستان به شمار می رود. مهمترین کاربرد این ابزار در آن دوران جابجایی اجسام سنگین بوده و با گسترش جوامع بشری و توسعه صنایع کاربردهای گسترده تری برای آن ایجاد گردیده است.متناسب با این کاربردها این ابزار نیز خود، دستخوش تحولات اساسی شده، به طوریکه امروزه شاهد به کارگیری انواع مختلف کابل های فولادی و مصنوعی در زندگی روزمره می باشیم . یکی از بخش های رو به رشد تکنولوژی در دنیای مدرن صنعت رباتیک می باشد که استفاده از این عضو ربات هایی با ساختاری متفاوت را وارد دنیای رباتیک نموده است که از آن جمله می توان به ربات های کابلی اشاره نمود. ربات-های کابلی دسته ای از ربات های موازی می باشند که در آن ها به جای استفاده از بازوهای صلب، کابل-هایی که توسط قرقره باز و بسته می شوند وظیفه جابجایی مجری نهایی را بر عهده دارند. ساختار موازی این ربات و استفاده از کابل در آن ها موجب پیچیدگی دینامیک حاکم بر این ربات ها شده است. در این پروژه هدف اصلی به دست آوردن یک مدل دینامیکی مناسب برای کابل در این دسته از ربات ها می باشد. در ابتدا مدلی از کابل بدون صرف نظر کردن از نیروهای برشی و خمشی به دست آمده که یک دستگاه معادلات دیفرانسیل پاره ای می باشد و با استفاده از روش اختلاف محدود حل این معادلات صورت گرفته است. با توجه به اینکه معادلات به دست آمده غیرخطی بوده و نیز کوپلینگ بین معادلات زیاد می باشد استفاده از این معادلات برای کاربردهای کنترلی امر مناسبی نمی باشد که بدین منظور یک مدل دینامیکی مناسب برای استفاده در کاربردهای کنترلی ارائه شده که میزان اختلاف مدل ارائه شده با مدل اصلی مورد بحث قرار می گیرد. در انتهای این پروژه برای راست آزمایی معادلات به دست آمده مجموعه ای برای تست طراحی و ساخته شده و صحت معادلات توسط آزمایشات تجربی نشان داده می شود. کلید واژه:ربات کابلی، ربات های موازی،دینامیک کابل، معادلات پاره ای، کنترل.

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 شاخه ای از رباتیک به نام رباتیک از دور می توان به کنترل ربات ها در فواصل دور یا دور از دسترس پرداخت. کاربر با در دست گرفتن یک ربات (راهبر) و حرکت دادن آن، دستورات لازم برای حرکت رباتی دیگر (رهرو) در محیط دور را وارد می کند و برای درک آن محیط، اطلاعاتی مانند نیرو و موقعیت را دریافت می کند. معیار عملکرد شفافیت به میزان احساس حضور کاربر در محیط دور می-پردازد. در این پروژه یکی از روش های ارائه شده برای اندازه گیری شفافیت به مسئله کنترل مقاوم توسعه داده شده است. تأخیرزمانی در انتقال داده بین دو ربات یکی از دشواری های طراحی است که در اینجا به مثابه نامعینی افزوده شده به یک سیستم خطی مدل شده است. عملکرد مقاوم هم در قالب تابع تبدیل شفافیت به صورت مسئله کنترل مقاوم افزوده شده است. در این صورت ساختاری ارائه شده است که در آن پایداری و شفافیت در حل مسئله کنترل با هم در نظر گرفته می شوند. در حالت کنترل نیرو-موقعیت در سیستم رباتیک از دور، می توان طراحی کنترل کننده مقاوم از لحاظ پایداری و عملکرد را در غالب یک مسئله حساسیت مخلوط ، با بهینه سازی شفافیت و با قید پایداری، انجام داد. مسئله طراحی مقاوم روی یک سیستم راهبر-رهرو شبیه سازی شده است. در نهایت ساختار ارائه شده بر روی سیستم واقعی با دستگاه هپتیک فانتوم به عنوان ربات راهبر و ربات کارتزین به عنوان رهرو پیاده شده است. برای آنکه بتوان سیستم واقعی را به صورت سیستم خطی مدل کرد، در ربات کارتزین اصطکاک و دینامیک های مدل نشده جبرانسازی شده اند. نیروی وارده بر ربات کارتزین توسط فیلتر کالمن تخمین زده شده و به ربات فانتوم فیدبک می شود. نتایج پیاده سازی، پایداری مقاوم سیستم کلی به همراه شفافیت قابل قبول آن را نشان می دهد.

در این پایان‏نامه هدف تخمین مسیر طی شده توسط یک ربات سیار با استفاده از داده‏های دیداری دوربین استریو می‏باشد. بدین منظور یک الگوریتم تخمین جابه‎جایی ارائه و نتایج آن بررسی شده است. در الگوریتم‎های مسافت‎یابی دیداری موقعیت کنونی دوربین، از مجموع موقعیت پیشین و تخمین جابه‎جایی کنونی به‎دست می‎آید. بنابراین خطای ایجاد شده در هرگام انباشته شده و سبب رانش مسیر از مقدار واقعی خود می‎گردد. در این پژوهش سعی شده است با ارائه‏ی راه‎کارهایی اثر انباشتگی خطا بر تخمین مسیر طی شده توسط دوربین کاهش یابد. در این راستا ابتدا حرکت دوربین با شتاب ثابت در نظر گرفته شده و سرعت آن در هر گام توسط یک فیلتر کالمن استاندارد تصحیح شده است. با این راه‎کار کاهش محسوسی در راندگی مسیر از مقدار واقعی خود حاصل گشته است. در انتها الگوریتم پیشنهادی و توسعه‎یافته در چارچوب slam و با استفاده از روش isam پیاده سازی شده و پاسخ‎های آن مورد بررسی قرار گرفته است.

ربات های موازی کابلی با ظهور و توسعه ی خود توانسته اند برخی از معایب ربات های سری و موازی متداول را برطرف نمایند. استفاده از کابل به جای بازو های صلب در ساختار این ربات ها باعث ایجاد ویژگی های مثبتی از جمله فضای کاری وسیع، سرعت و شتاب بالا و نسبت بالای بار قابل حمل به وزن ربات شده است. در عین حال، این امر چالش ها و مسائل جدیدی را نیز در کنترل این دسته از ربات ها پیش روی محققین قرار داده است. از جمله این مسائل و چالش ها می توان به عدم توانایی کابل در اعمال نیروهای کششی و فشاری، تاثیر نامطلوب کشسانی کابل بر اندازه گیری طول دقیق آن و ارتعاشات نامطلوب ناشی از کشسانی کابل ها اشاره کرد. از طرف دیگر، مدل سینماتیکی و دینامیکی ربات های موازی کابلی یقینا دارای نامعینی های ساختاری و پارامتری است و در عمل، بدست آوردن اطلاعات دقیقی از این مدل ها کار دشواری است. وجود این مسائل و چالش ها، کنترل ربات های موازی کابلی را در ردیابی مسیرهای مطلوب مشکل خواهد کرد. در این پژوهش با نگرشی نوین به این مسائل و چالش ها، سعی در بهبود کارایی ربات های موازی کابلی در ردیابی مسیرهای مطلوب خواهیم داشت. با توجه به عدم دقت روش های اندازه گیری مبتنی بر طول کابل، در ابتدا به طراحی و پیاده سازی یک روش اندازه گیری مستقیم موقعیت و جهت گیری ربات موازی کابلی نصیر خواهیم پرداخت. بدین منظور از روش دیداری به عنوان یک روش به صرفه از نظر اقتصادی استفاده شده و با طراحی یک نشانه ی مناسب و استخراج ویژگی های آن، موقعیت و جهت گیری مجری نهایی ربات به صورت مستقیم اندازه گیری می شود. حال با استفاده از نتایج حاصل از این اندازه گیری و به منظور مقابله با عدم قطعیت های پارامتری مدل سینماتیکی و دینامیکی ربات، یک کنترل کننده ی تطبیقی در فضای کاری که در آن پارامترهای دینامیکی و سینماتیکی به صورت همزمان تطبیق داده می شوند، پیشنهاد داده خواهد شد. ویژگی مثبت این کنترل کننده، توانایی اصلاح نیروهای داخلی با استفاده از تطبیق پارامترهای سینماتیکی است. سپس به منظور افزایش مقاومت کنترل کننده در مقابل اغتشاشات خارجی و نامعینی های ساختاری مدل سینماتیکی و دینامیکی ربات، به طراحی یک کنترل کننده ی مقاوم تطبیقی خواهیم پرداخت. مهمترین ویژگی این کنترل کننده، عدم وابستگی آن به پیدا کردن فرم رگرسور خطی برای معادلات سینماتیکی و دینامیکی ربات است. علاوه بر این، کنترل کننده ی پیشنهادی به اطلاعات اولیه از کران نامعینی های سیستم نیاز ندارد. در ادامه و به منظور جذب ارتعاشات ناشی از کشسانی کابل ها، یک قانون کنترل ترکیبی پیشنهاد می شود. سپس با بکارگیری نظریه ی انحرافات تکین، پایداری سیستم حلقه بسته از طریق روش دوم لیاپانوف اثبات خواهد شد. نتایج حاصل از پیاده سازی بر روی ربات موازی کابلی نصیر نشان می دهند که الگوریتم های کنترلی پیشنهادی ضمن حفظ پایداری سیستم حلقه بسته، کارایی مطلوبی نیز در ردیابی مسیرهای مطلوب دارند.

اکثریت ربات های صنعتی بصورت یک ساختار با زنجیره باز طراحی می شوند. ولی این ربات ها، دارای معایبی نظیر دقت، سختی، و قدرت حمل بار کم و ... می باشند یکی از دلایل استفاده از ربات های موازی در سیستم ها، رفع معایب ربات های سری است. در ربات های موازی مشکل تکنیگی در فضای کاری وجود دارد. برای رفع مشکل تکینگی در ربات های موازی مسئله افزونگی مطرح می شود پروژه انجام شده بر روی یک ربات موازی سه درجه آزادی با یک عملگر افزونه می باشد که مدل شانه دست را شبیه سازی می کند عملگرهای ربات از نوع عملگرهای هیدرولیکی خطی می باشد. در این پایان نامه ابتدا مدل دینامیکی عملگر هیدرولیکی بررسی می شود و کنترل کننده lag برای کنترل نیروی عملگر طراحی می شود و پس از آن برای کنترل موقعیت ربات مجموعه کنترل کننده ای طراحی می شود. که شامل جبران ساز اثر جاذبه و کنترل کننده مقاوم hx و جبران ساز اثر تخمین پارامتر می باشد همچنین نتایج شبیه سازی کنترل کننده ها بر روی مدل ارائه شده است نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که پاسخ مجموعه کنترل کننده قابل قبول بوده و علاوه بر دنباله روی مسیر دلخواه اثر اغتشاش و نویز را دفع می کند

در سیستم های چندعاملی در صورتی که عوامل تحت گراف ارتباطی، بر روی متغیرهای حالت به توافق برسند، می گوییم اجماع حالت رخ داده است. در این پایان نامه در آغاز مسئله اجماع حالت در سیستم های چندعاملی تکین دارای اغتشاشات خارجی و با گراف ارتباطی جهت دار تأخیردار بازتعریف و مورد تحلیل قرار گرفته است. سپس با استفاده از تبدیل اعمال شده برای جداسازی قسمت دیفرانسیلی و جبری، پروتکل کنترلی مناسب پیشنهاد داده می شود. با استفاده از جداسازی مقادیر ویژه، مسئله اجماع سیستم چندعاملی به مسئله پایداری n زیرسیستم تبدیل می گردد. در ادامه نیز با تبدیل بخش دیفرانسیلی این زیرسیستم ها به زیرسیستم های توصیفی، راهکاری برای طراحی ماتریس های بهره ارائه می شود. این ماتریس های بهره با استفاده از نامساوی ماتریسی خطی و با رویکرد کنترل h_? بدست می آیند. در انتها نیز با انجام شبیه سازی های مختلف به بیان ویژگی های روش ارائه شده در این پایان نامه نسبت به سایر مراجع پرداخته و نتایج حاصل را مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهیم.