مدل سازي، ساخت و ارزيابي يك ميكرو ربات مجهز به عملگر ارتعاشي

Modeling, development, and evaluation of a micro-robot equipped with vibratory actuator

هدف از اين تحقيق مدل سازي، كنترل و ساخت يك ميكرو ربات با استفاده از عملگرهاي ارتعاشي و بررسي سختي پايه هاي ميكرو ربات و ضريب اصطكاك بر روي حركت مي باشد. در اين ميكرو ربات از اصل حركتي لغزش-چسبيدن، جهت حركت و از دو عدد موتور ارتعاشي كوچك جهت راه اندازي آن، استفاده شده است. در ابتدا معادلات حاكم بر ميكرو ربات استخراج و تحليل شده اند. با مدل سازي آن، به صورت سيستم فشرده، شامل سه جرم كه با فنرهاي سخت به هم وصل شده اند، نيروهاي اصطكاك محاسبه شده است. سپس به وسيله دو معادله كوپل مكانيكي و الكتريكي مدل مناسب عملگرها به دست آمد. در گام بعدي روند شبيه سازي با استفاده از محيط سيمولينك و متلب بيان شد و نتايج آن ارائه گرديد. سپس به بررسي تاثير ضريب فنريت پايه ها و ضريب اصطكاك بر روي حركت ميكرو ربات پرداخته شده است. پس از آن كنترل كننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي يا همان PID براي اين كار در نظر گرفته شد. در نهايت نيز فرآيند ساخت و ارزيابي تجربي ميكرو ربات ارائه شده است. با توجه به شبيه سازي هاي انجام شده دقت حركتي آن در حالت بيشترين سرعت مسستقيم ، حدود 17 ميكرومتر مي باشد و مطابق با ارزيابي تجربي، سرعت مستقيم ميكرو ربات حدود 4mm/s، به ازاي ولتاژ مرجع 1V، مي باشد.

The aims of this research paper are modeling, control and development of a mobile micro-robot equipped with vibratory actuators and investigating the effect of stiffness of micro-robot's bases as well as friction coefficient on the robot dynamics. Accordingly, the motion principle of stick-slip is used and two small vibrating motors are utilized to run this micro-robot. First, the differential equations governing the micro-robotic platform are extracted and analyzed. Then, friction forces are calculated by modeling the micro-robot as a lumped system, consisting of three point masses connected together via stiff springs. Next, using mechanical and electrical coupled equations, an appropriate model for the vibratory actuators is obtained. In the next step, simulation process with SIMULINK and MATLAB is carried out and the simulation results are presented. Afterward, the influences of the stiffness of robot's bases as well as the friction coefficient on the motion of robot are investigated. A proportional-integral-derivative (PID) controller is applied to the micro-robot to precisely control its motion. Finally, the construction process and experimental evaluation of the micro-robot are presented. According to the simulation result, the positioning accuracy of the micro robot is about 17 m at its maximum translational velocity. Furthermore, a translational velocity of about 4mm/s corresponding to the reference voltage of 1 V is acquired using experiment.