تجزيه و تحليل تيوري و تجربي ظرفيت حمل بار ديناميكي بازوي مكانيكي با لينك انعطاف‌پذير در حركت نقطه به نقطه

Theoretical and experimental investigation of dynamic load carrying capacity of flexible-link manipulator in point-to-point motion

اين مقاله تحقيق در مورد فرمول كلي و راه حل عددي مساله ظرفيت حمل بار ديناميكي بازوي مكانيكي با عضوهاي انعطاف را بيان مي‌كند. روش ارايه شده براساس مساله كنترل بهينه حلقه باز است. اين روش از اصل مينيمم پونترياگين منتج مي‌شود كه يك مساله مقدار مرزي دو نقطه‌اي را به وجود مي‌آورد. روش غير‌مستقيم براي استخراج شرايط بهينگي استفاده شده است. معادلات ديناميكي حركت سيستم از فرمولاسيون گيبس- اپل و روش مودهاي فرضي بدست آمده است. خصوصيات انعطاف‌پذيري عضو‌ها بر اساس فرض تيوري تير تيموشنكو و شكل مودهاي مرتبط با آن مدل شده است. از آنجايي‌كه مدل تير تيموشنكو از دقت بالاتري نسبت به روش اويلر- برنولي برخوردار است، براي مدل‌سازي انعطاف‌پذيري در لينك‌ها مورد استفاده قرار گرفته است. هدف اصلي اين پژوهش محاسبه حداكثر بار مجاز يك بازوي مكانيكي با عضوهاي انعطاف پذير است، بطوري كه يك مسير بهينه ايجاد شود. در نهايت مقايسه نتايج شبيه‌سازي از مدل ارايه شده و نتايج بدست آمده از بستر آزمايشگاهي براي يك بازوي دو درجه آزادي انعطاف‌پذير به منظور بررسي روش ارايه شده انجام شده است. كارايي روش پيشنهادي با انجام برخي مطالعات شبيه‌سازي بر روي بازوي انعطاف‌پذير دانشگاه علم و صنعت نشان داده شده است. مقايسه داده‌هاي استخراجي شبيه‌سازي و تجربي، اعتبار ادعاي قابليت كنترل در مسير نقطه به نقطه با روش ارايه شده و قابليت آن را براي محاسبه ظرفيت حمل بار ديناميكي تاييد مي‌كند.

This paper presents the investigation of general formulation and numerical solution of the dynamic load carrying capacity (DLCC) of flexible link manipulator. The proposed method is based on open loop optimal control problem. A two point boundary value problem (TPBVP) is taken from the Pontryaginʹs minimum principle. The indirect approach is employed to derive optimality conditions. The system’s dynamics equation of motion is obtained from Gibbs-Appell (G-A) formulation and assumed mode method (AMM). Elastic properties of the links are modeled according to the assumption of Timoshenko beam theory (TBT) and its associated mode shapes. As TBT is more accurate compared with the Euler-Bernoulli beam theory, it is utilized for mathematical modeling of flexible links. The main contribution of the paper is to calculate the maximum allowable load of a flexible link robot while an optimal trajectory is provided. Finally, the result of the simulation and experimental platform are compared for a two-link flexible arm to verify the introduced technique. The efficiency of the proposed method is illustrated by performing some simulation studies on the IUST flexible link manipulator. Simulation and experimental results confirm the validity of the claimed capability for controlling point-to-point motion of the proposed method and its application toward DLCC calculation.