كليدواژه :
كنترل حركت , قيود غير هولونوميك , مدلسازي ديناميكي , روبات متحرك
چكيده فارسي :
سيستمهاي روباتيك با پايه متحرك از يك محمل و يك يا چند بازوي روباتيك تشكيل مي‌شوند، كه در موقعيتهاي مشخصي بر روي پايه نصب مي‌شوند. در اين مقاله پس از بررسي سينماتيك حركت پايه چهارچرخ و بازو، يك روش سيستماتيك براي دستيابي به معادلات ديناميك اين گونه روباتها با در نظر گرفتن قيود غيرهولونوميك پايه ارايه مي‌شود. در اين روش، مدل جامع ديناميك سيستم از طريق حذف ضرايب لاگرانژ با استفاده از تكنيك مكمل متعامد طبيعي، برحسب متغيرهاي كنترل شونده (فضاي عملكردي) بيان مي شود. به منظور تشريح روش استخراج چنين مدلي، يك مجموعه متشكل از يك پايه چهارچرخ (با ساختار متعارف اتوموبيل) و يك بازوي روباتيك با پنج درجه آزادي در نظر گرفته مي شود. انجام محاسبات استخراج مدل جامع ديناميكي به صورتي فشرده و قابل بهره برداري در انجام امور طراحي و شبيه‌سازيهاي كنترلي، با نگارش برنامه محاسباتي نمادين3 در نرم افزار مپل صورت گرفته است. صحت اين برنامه مدلسازي با مقايسه نتايج آن با معادلات مبسوط حاصل از انجام كليه مراحل محاسباتي توسط يك برنامه ساده ثانويه به تأييد مي رسد. طراحي مسير حركت در حوزه زمان براي مختصات تعميم يافته پايه و بازو به طور جداگانه صورت مي‌گيرد. مسير حركت براي پايه كه به علت وجود قيد غيرهولونوميك داراي حساسيت خاصي است، در قالب دو شيوه حركتي بررسي مي‌شود. سپس با جايگزيني مدل جامع برحسب متغيرهاي فضاي كاري به فضاي مفصلي، امكان كنترل دقيق متغيرها حاصل شده و با تعريف متغيرهاي حالت و تبديل سيستم به معادلات رسته يك، مقدمات لازم براي طراحي سيستم كنترلي فراهم مي‌شود. براي طراحي چنين سيستمي كه با نگارش برنامه شبيه‌سازي در فضاي نرم افزاري متلب همراه است، از دو الگوريتم كنترلي مبتني بر مدل (MBA) و ژاكوبين ترانهاده (TJ) استفاده مي‌شود. بر اين اساس، با شبيه‌سازي شرايط كاري و عوامل خارجي مؤثر از قبيل تغيير پارامترهاي سيستم، اغتشاشات محيط و نويز در اندازه‌گيري به بررسي و مطالعه رفتار روبات در شرايط بسيار نزديك به واقعيت پرداخته مي‌شود. نتايج به دست آمده نشان مي‌دهد كه الگوريتم كنترلي TJ به عنوان يك الگوريتم ناوابسته به مدل و داراي حجم محاسباتي بسيار محدود به عنوان يك كنترلر مناسب مي‌تواند حتي در چنين سيستمهاي نسبتاً پيچيده‌اي مورد استفاده قرار گيرد، كه به نوبه خود كار بر روي بهبود ساختار اين الگوريتم را انگيزه مي‌بخشد
چكيده لاتين :
Mobile robotic systems, which include a mobile platform with one or more manipulators, mounted at specific locations on the mobile base, are of great interest in a number of applications. In this paper, after thorough kinematic studies on the platform and manipulator motions, a systematic methodology will be presented to obtain the dynamic equations for such systems without violating the base nonholonomic constraints. Combining the kinematic model with the initial dynamic equations and eliminating Lagrange multiplier with natural orthogonal complement technique lead to the comprehensive dynamic model. The variables of this model include the path of a reference point of the base and the position and orientation of the end-effector. The proposed approach will be applied on a car-like platform and a manipulator with 5 degrees-of freedom. The calculations for deriving such a model will be implemented by a program in Maple which can be used for control design and simulation purposes. The validity of the methodology is demonstrated using a second model and comparing the elements of these two models with each other. With trajectory generation for platform and manipulator generalized coordinates separately, set points for control system design will be provided. Motion generation for the platform, which due to the nonholonomic constraint has more sensitivity, will be dealt with by two motion modes. Inverting the model in terms of joint space variables, strict control of the work space variables is accomplished. Introducing state space variables and inverting the system into first order equations, the necessary preliminaries for control system design will be provided. Based on two simulation programs in Matlab, two controllers are designed with model-based algorithm (MBA) and Transposed Jacobian (TJ) control. Simulating different external conditions such as parameter perturbation, disturbances and noise, the robotic system behavior in the vicinity of real conditions will be examined. The results obtained show the merits of the TJ algorithm in controlling highly nonlinear and complex systems with multiple degrees- of freedom (DOF), without requiring a priori knowledge of plant dynamics, and with reduced computational burden which motivates further work on this algorithm
