چکیده پیشرفت های اخیر در زمینه ربات های انسان نما به دلیل دستیابی به انجام وظایف پیچیده تر، نوید بخش آینده ای روشن به نظر می رسد. همکاری چند ربات با یکدیگر امکان انجام وظایف ساده تر و کارآمدتر را برای آنها فراهم می کند. با همکاری چند ربات می توان اشیاء بزرگ، اشیاء سنگین و حتی اشیایی با شکل های خاص که به تنهایی با یک ربات قابل حمل نیستند را جابجا نمود. همکاری بین رباتها برای انجام کار به صورت مشترک، منجر به پیدایش مبحث جدیدی در عرصه علم رباتیک شده است که از آن به عنوان رباتهای همکار یاد می شود]17[. توانایی این نوع سیستم ها در انجام کارهایی که به لحاظ پیچیدگی، کارایی و یا دقت از عهده یک ربات خارج است، توجه محققان را به خود جلب کرده است. علاوه بر این، بکارگیری افزودگی درجات آزادی در بازوهای مکانیکی به دلیل قابلیت های مفید آن از قبیل افزایش تسلط، مهارت و دوری جستن از نقاط منفرد در فضای کار نیز مورد توجه می باشد. از طرفی نا معینی سینماتیکی و دینامیکی اینگونه سیستم ها، بکارگیری آنها را با مشکلاتی همراه می سازد. در این پایان نامه، مدلسازی و کنترل دو ربات همکار انسان نما برای جابجایی یک جسم مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور، ابتدا با استفاده از قرارداد دنویت- هارتنبرگ مدل سینماتیکی ربات بدست می آید. سپس، به کمک روش لاگرانژ دینامیک سیستم استخراج می شود. همچنین، برای اطمینان از صحت معادلات حاصله مدل ربات با استفاده از نرم افزار matlab/simmechanics تأیید می گردد. در ادامه، یک مسیر برای حرکت ربات طراحی شده و پایداری ربات نیز با استفاده از روش zmp تضمین می شود. همچنین با استفاده از مسیر طراحی شده، نیروهای عکس العمل جسم به ربات محاسبه و به معادلات دینامیکی اضافه می شود. پس از طراحی مسیر، باید الگوریتم مناسبی انتخاب شود تا بتواند گشتاور مورد نیاز را برای حرکت تامین نماید. سیستم کنترلی علاوه بر دارا بودن توانایی تعقیب مناسب باید دارای خصوصیات دیگری باشد تا بتوان با اعمال آن، بهترین عملکرد را نتیجه گرفت. برای کنترل ربات روش های مختلف از قبیل الگوریتم کنترلی مدل مبنا ctm، الگوریتم مقاوم smc، الگوریتم های کنترلی غیر مدل مبنای tj و نیز الگوریتم بهبود یافته mtj بر روی مدل در نظر گرفته شده، پیاده سازی شده و به مقایسه هر یک از روش ها پرداخته می شود.

گستره کاری بازوهای متحرک در عملیات مختلف به صورت روز افزونی در حال افزایش می باشد، به نحوی که وسعت تحقیقات و پژوهش های انجام شده در این زمینه به خوبی نمایان گر این واقعیت می باشد. در بررسی این سیستم ها که از اجزاء گوناگونی تشکیل شده اند، در نظر گرفتن انعطاف پذیری برای بعضی از اجزاء که فرض صلبیت برای آن ها غیر واقع بینانه است، اجتناب ناپذیر می باشد. به عبارت دیگر، تغییر فرم برخی از اجزاء قابل ملاحظه بوده و فرض صلبیت به معنای ثابت ماندن فاصله بین نقاط آن اجزاء قابل قبول نخواهد بود. وجود چنین انعطاف پذیری به حرکات نوسانی اجزاء مزبور در کنار حرکت جسم صلب می انجامد. این امر، در سیستم های چندجسمی شامل اجزاء صلب و انعطاف پذیر منجر به افزایش پیچیدگی هایی در مدل سازی دینامیک حرکت می شود که مورد بحث بسیاری از محققین قرار گرفته است. از سوی دیگر بازوهای دارای پایه ی متحرک برای انجام وظایفی همچون جابه جا کردن اجسام نیاز به کنترل پیچیده تری دارند. پیچیدگی های ناشی از انعطاف پذیری، کنترل آن ها را دشوارتر نیز می سازد چراکه عضو انعطاف پذیر می تواند سرعت و یا دقت در انجام وظیفه کنترلی را مختل کرده و استفاده از یک رویکرد مناسب در مهار آن، ضروری خواهد بود. در این پژوهش، ابتدا برای سیستم های رباتیک با اجزاء انعطاف پذیر به تدوین یک رویکرد مناسب در مدل سازی دینامیکی این سیستم ها می پردازیم تا از انباشتگی و پیچیدگی در مدل دینامیکی کاسته شده و بتوان از آن در طراحی و پیاده سازی سیستم کنترلی بهره برداری نمود. در ادامه، برخی روش های مطرح در کنترل جابجایی جسم توسط چند بازوی همکار با پایه متحرک را برای این سیستم ها بهبود داده و عملکرد آن ها را مقایسه خواهیم نمود. سپس، با توجه به مشکلات ناشی از انعطاف پذیری اجزاء و با توجه به ویژگی ذاتی این سیستم ها ناشی از کمبود عملگری و همچنین دینامیک به شدت غیرخطی، به ارائه راهکارهای کنترلی جدید برای حل مسئله، یعنی کنترل جابجایی جسم در سیستم های رباتیک با اجزاء انعطاف پذیر می پردازیم. این راهکار ها در دو فصل برای سیستم های رباتیک با اجزاء انعطاف پذیر فعال و سیستم های رباتیک با اجزاء انعطاف پذیر غیرفعال مستقلاً مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین با شبیه سازی و پیاده سازی این کنترلرها بر روی یک سیستم رباتیک با اجزاء انعطاف پذیر مفروض وهمچنین برروی دستگاه تست طراحی شده به بررسی تجربی و مقایسه نتایج عملکرد درعملیات مختلف پرداخته می شود.

در این پایان نامه به بررسی دینامیک و کنترل ربات دو چرخ متحرک به همراه یک بازوی فضایی متصل شده به آن، خواهیم پرداخت. ارتقاء کاربرد یک ربات دو چرخ با نصب یک بازوی سه درجه آزادی فضایی (3r puma)، از اهداف مشخص این پایان نامه می باشد. ربات دو چرخ بازودار دارای قابلیت های بسیاری جهت انجام فعالیت های گوناگون در زمینه های کاری گسترده،به عنوان یک ربات ماهر می باشد. در واقع این ربات یک ربات پیشرفته از مدل پاندول معکوس بوده که از چالاکی بالا و قابلیت جابجایی برتری برخوردار می باشد. اما وجود محدودیت هایی در ساختار این سیستم و نحوه ی حفظ تعادل آن باعث شده است که وسعت کاربرد ربات مزبور از حد مشخصی فراتر نرفته و فعالیت های متقبل شده توسط این ربات بر خلاف توانایی و مزایای آن، پیشرفت چشم گیری نداشته باشد. با توجه به ناپایداری حالت تعادل ربات و همچنین وجود ترم غیر هولونومیک، معادلات حرکتی ربات پیچیده شده و مبحث کنترل حفظ تعادل آن به یک مسئله بسیار مهم تبدیل گشته است. لذا در این پایان نامه به بررسی و ارتقاء مدل این ربات پرداخته شده است و با ارائه یک مکانیزم جانبی، جهت پایدارسازی و حفظ تعادل سیستم، کاربردها و قابلیت های آن را افزایش داده است. همچنین با ارائه یک مدل کنترلی و استفاده از فهم حالت و رفتار پایدار ربات جهت حفظ تعادل، قدرت کنترلی ربات را افزایش داده و در عین حال، محاسبات این فرآیند را به شدت کاهش داده است. در این مدل ارتقاء یافته، از یک چرخ عکس العملی بجای چرخ های پایه متحرک ربات به منظور کنترل مرکز جرم مجموعه و کنترل مفصل غیر فعال ربات استفاده گشته است. این عمل همچنین باعث آرام و یکنواخت کردن حرکت ربات و کاهش وابستگی پایداری به جابجایی آن می شود. در این بررسی به دلیل ایجاد قابلیت جابجایی طیف گسترده ی جرمی اجسام مختلف، ساختار ربات به یک ربات پاندول معکوس دو درجه آزادی با پایه متحرک، بدون بهره گرفتن از دینامیک آن، استفادهشده است. به همین علت بخش پایدارساز تنها با استفاده از بررسی و مشاهده رفتار و حالت ربات در موقعیت های مختلف به ایجاد حفظ تعادل ربات خواهد پرداخت. این روش مقاومت ربات را در عمل بسیار افزایش خواهد داد. 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.

صحه گذاری و بررسی عملکرد کنترلرهای طراحی شده برای مهندسین کنترل یکی از مهمترین مراحل تحقیق و پژوهش است. با توجه به آنکه پیاده سازی کنترلر به صورت عملی روشی مناسب برای این منظور می باشد، آنها همواره تلاش نموده اند سیستمی را به عنوان محک طراحی کرده و به بهره-برداری برسانند. از قدیمی ترین این محک ها می توان به سیستم پاندول معکوس اشاره نمود که در منابع و مراجع بسیار مورد ارجاع قرار گرفته است. یکی دیگر از این محک ها که در سال های اخیر مورد توجه قرار گرفته است، سیستم توپ و صفحه ای می باشد که هدف از آن کنترل مسیر مطلوب توپ است که با حرکت دادن مجری نهایی مکانیزم موازی سه درجه آزادی 3rrs صورت می پذیرد. اولین گام در طراحی چنین سیستمی، مدل سازی حرکت توپ و صفحه، بدست آوردن معادلات قیود و سینماتیک معکوس مکانیزم موازی می باشد که با در نظر گرفتن محور آنی دوران و رابطه ردریگز میسر شده است. سپس معادلات حاکم بر توپ با در نظر گرفتن فرضیاتی از جمله عدم لغزش توپ روی صفحه یا ثابت ماندن ارتفاع توپ در نقاط مختلف بدست آمده است. با فرض کوچک ماندن زاویه صفحه، این معادلات در دو راستای اصلی از هم مستقل می شوند و این فرض ما را قادر می سازد تا طراحی کنترلرها را به صورت مجزا در هر راستا دنبال کنیم. کنترلر خطی pd با کمک روش جایابی قطب ها طراحی شده و همچنین نشان داده ایم چگونه در سیستم مورد نظر افزایش ضرایب تناسبی و مشتق گیر باعث بهبود عملکرد سیستم و کاهش دامنه خطا می شود. در ادامه کنترلر lqr و دو نمونه کنترلر فازی نیز در این راستا طراحی و شبیه سازی شده اند. گام بعدی پیاده سازی و مقایسه نتایج آن با نتایج بدست آمده از شبیه سازی است، این مرحله با مشکلاتی همراه بوده که مهم ترین آنها را می توان به وجود آمدن اعوجاج در صفحه مجری نهایی و پایین بودن نرخ نمونه برداری و محاسبات ذکر کرد. این اعوجاج به صورت رویه ای مدل سازی شده و اثرات آن به صورت نرم افزاری کمرنگ شده است. برخلاف شبیه سازی ها بهره های کنترلی بزرگ در پیاده سازی باعث ناپایدار شدن سیستم می شود که علت آن را می توان پایین بودن نرخ نمونه برداری ذکر نمود. در نهایت در پیاده سازی ها کنترلرهای ساده تر به علت بار محاسباتی کمتر جواب های قابل قبول تری داشتند. علیرغم اینکه بهترین نتایج بدست آمده از کنترلرهای خطی با حدود 7% خطا همراه هستند. اما این خطا با شبیه سازی ها همخوانی داشته و مویدی برای آن محسوب می شود.