در این پژوهش مسئله کنترل روبات کشسان‌مفصل با لحاظ محدودیت اشباع عملگر مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. بدین منظور با استفاده از دو رویکرد مختلف روشهایی برای حل آن ارائه شده است. در ادامه با استفاده از شبیه‌سازیهای مختلف عملکرد روشهای ارائه شده بررسی و سپس پایداری مقاوم ساختار پیشنهادی به صورت نظری اثبات شده است. در پایان صحت ادعاهای نظری با پیاده‌سازی عملی بر روی یک روبات کشسان‌مفصل دو درجه آزادی مورد تأیید قرار گرفته است.
در این پژوهش دو مجموعه نوآوری به انجام رسیده است. در مجموعه اول ابتدا یک روش کلی با عنوان «حلقه ناظر» برای برخورد با مسئله اشباع ارائه شده است. این روش بر روی سیستمهای مختلفی پیاده شده تا نشان داده شود که مستقل از مدل می‌باشد. سپس یک ساختار کنترل ترکیبی همراه با حلقه ناظر برای روباتهای کشسان‌مفصل ارائه شده تا نشان داده شود که روش ارائه شده برای کاربرد اصلی مورد نظر پروژه (یعنی روبات کشسان‌مفصل) عملکرد مناسبی را در حضور اشباع ایجاد می‌کند. در ادامه این پژوهش به اثبات نظری پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر» پرداخته‌ایم. سپس برای اینکه قابلیت پیاده‌سازی روش ارائه شده نشان داده شود آن را بر روی یک روبات کشسان‌مفصل که در راستای همین پژوهش طراحی و ساخته شده است پیاده نموده‌ایم.
مجموعه نوآوری دوم ارائه رویکرد دیگری برای مقابله با اثرات اشباع در روباتهای کشسان‌مفصل بر پایه روشهای بهینه چند منظوره مبتنی بر نرمهای H2 است. در این روشها برای مقاوم بودن کنترلگر از بهینه‌سازی سود جسته و برای کم کردن دامنه کنترل و جلوگیری از اشباع عملگر، نرم سیگنال کنترلی نیز در فرایند بهینه‌سازی در نظر گرفته شده است. برای طراحی عددی از تبدیل مسئله به LMI و روشهای عددی متناظر با آن استفاده شده است. همچنین جهت نشان دادن کاراییِ روش در عمل، پیاده‌سازی آن بر روی روبات مذکور انجام پذیرفته است.
1- مقدمه 1
1-1- جایگاه روباتهای کشسان‌مفصل در مهندسی کنترل 1
1-2- مشکلات کنترل روباتهای کشسان‌مفصل 3
1-3- کنترل با وجود محدودیت دامنه 4
1-4- نوآوریهای این پژوهش 6
1-5- نمای کلی رساله 7
2- مروری بر پژوهشهای قبلی و بیان چالشها 9
2-1- کنترل روباتهای کشسان‌مفصل 9
2-1-1- پژوهشهای اولیه 10
2-1-2- ادامة خط اولیه 12
2-1-3- ارتقای مدل 14
2-1-4- پیشنهادات مختلف برای کنترل 15
2-1-5- کمیت‌های فیدبک شده و تقلیل اندازه‌گیری‌ها 15
2-1-6- کنترل تطبیقی 17
2-1-7- کنترل مقاوم و پایداری 18
2-1-8- پیاده‌سازی عملی 20
2-1-9- جمعبندی و بیان چالشها 22
2-2- مسئلة اشباع عملگر و روشهای برخورد با آن 22
2-2-1- مشکلات ناشی از اشباع 23
2-2-2- روشهای عمومی برخورد با مسئلة اشباع 25
2-2-3- روشهای بهینه و مقاوم در برخورد با اشباع 26
2-2-4- روشهای تعدیلی 27
2-2-5- مسئلة اشباع در روباتها 29
3- حلقة ناظر فازی، روشی برای برخورد با مسئله اشباع عملگر 32
3-1- بیان مسئله 33
3-2- معرفی روش 35
3-3- مزایای روش پیشنهادی 37
3-4- استفاده از حلقة ناظر بر روی دو سیستم عمومی 39
3-4-1- سیستم ناپایدار دو ورودی-دو خروجی 40
3-4-2- سیستم دارای تأخیر 43
3-5- نکات عملی در طراحی 46
4- مسئلة اشباع در FJR و استفاده از روش حلقة ناظر برای برخورد با آن 48
4-1- مدلسازی روباتهای کشسان‌مفصل 48
4-1-1- کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای کنترل FJR ها 53
4-2- استفاده از حلقة ناظر در ساختار ترکیبی برای FJR 57
4-3- بررسی عملکرد روش ارائه شده با شبیه‌سازی 58
4-4- اثبات پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر» 62
4-4-1- پایداری زیر سیستم تند 64
4-4-2- لم‌های مورد نیاز برای اثبات پایداری 67
4-4-3- اثبات پایداری سیستم کامل 71
5- نگاه دوم: روشهای بهینة و H2 برای مقابله با اثرات اشباع در FJR 76
5-1- طراحی با رویکرد حساسیت مخلوط 79
5-2- طراحی 81
5-3- بررسی کارایی روشهای ارائه شده 82
6- پیاده‌سازی عملی 90
6-1- معرفی مجموعة آزمایشگاهی ساخته شده 91
6-1-1- سخت‌افزار الکترومکانیکی 91
6-1-2- نرم‌افزار 95
6-2- مدل پارامتریک سیستم 98
6-3- تخمین پارامترهای سیستم 100
6-4- نتایج پیاده‌سازی 104
6-4-1- کنترل ترکیبی 107
6-4-2- کنترل ترکیبی تحت نظارت ناظر فازی 109
7- نتایج و تحقیقات آتی 114
پیوست الف: کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای FJR چند محوره 118
پیوست ب: طراحی کنترل بهینة چند‌منظوره مبتنی بر نرم با تبدیل به LMI 127
پیوست ج: راهنمای کار با جعبه‌ابزار زمان حقیقی نرم‌افزار MATLAB 132
پیوست د: راهنمای فنی روبات خواجه‌نصیر 137
پیوست هـ: نتایج بیشتری از پیاده‌سازیها 140
واژه‌نامه انگلیسی به فارسی 145
واژه‌نامه فارسی به انگلیسی 146
مقالات استخراج شده از این پژوهش 147
مراجع 149
شکل 1 1- بازوی ایستگاه فضایی بین‌المللی 3
شکل 1 2- دست 4 انگشتی DLR و میکرو‌هارمونیک‌درایو به کار رفته در آن 3
شکل 2 1- ساختار ارائه شده در مقالة [108] برای مقابله با اشباع 28
شکل 3 1- سیستم حلقه بسته 34
شکل 3 2- ساختار حلقه بسته با حضور حلقة ناظر 34
شکل 3 3- تعریف متغیرهای زبانی برای دامنة سیگنال کنترل 36
شکل 3 4- تعریف متغیرهای زبانی برای مشتق سیگنال کنترل 36
شکل 3 5- تعریف متغیرهای زبانی برای بهرة ضرب شده در خطا 36
شکل 3 6- نگاشت غیر خطی معادل با منطق مورد استفاده 38
شکل 3 7- خروجیها در حالت Sat 41
شکل 3 8- خروجی اول در دو شبیه‌سازی Fuz و NoSat 42
شکل 3 9- خروجی دوم در دو شبیه‌سازی Fuz و NoSat 42
شکل 3 10- مقدار بهره در شبیه‌سازی Fuz 42
شکل 3 11- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة 5/0 44
شکل 3 12- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة 7/0 44
شکل 3 13- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة 9/0 44
شکل 3 14- مقدار بهرة اعمال شده توسط ناظر برای ورودی مرجع با دامنة 9/0 45
شکل 3 15- اثر حلقة ناظر بر دامنة کنترل برای ورودی مرجع با دامنة 9/0 45
شکل 4 1- روبات کشسان‌مفصل یک درجه آزادی 53
شکل 4 2- ساختار کنترل ترکیبی برای FJR 57
شکل 4 3- نحوة استفاده از حلقة ناظر برای FJR 58
شکل 4 4- ردیابی در حالت NoSat، بدون محدودیت عملگر و بدون ناظر 60
شکل 4 5- ناپایداری ناشی از اشباع با کران = 830 در حالت Sat 60
شکل 4 6- ردیابی در حالت Fuz با کران اشباع به اندازة = 830 61
شکل 4 7- مقدار در حالت Fuz با کران اشباع به اندازة = 830 61
شکل 5 1- نمودار حلقه بستة سیستم با عدم قطعیت ضربی در ورودی 78
شکل 5 2- چگونگی وزن‌دهی سیگنالها برای مسئلة حساسیت مخلوط 79
شکل 5 3- مدلهای شناسایی شده (P1 تا P20) و مدل نامی P0 83
شکل 5 4- چگونگی اختیار کران بالای عدم قطعیت 84
شکل 5 5- نمودارهای بود دو کنترلگر 86
شکل 5 6- ردیابی برای ورودی مرجع سینوسی با = 12 87
شکل 5 7- سیگنال کنترل برای ورودی مرجع سینوسی با = 12 88
شکل 5 8- ناپایداری رویکردهای مختلف برای محدودیت دامنة = 9 88
شکل 6 1- تصویر روبات مورد استفاده 90
شکل 6 2- چگونگی عملکرد هارمونیک درایو 91
شکل 6 3- نمودار بلوکی روبات مورد استفاده 92
شکل 6 4- تصویر مفصل کشسانِ ساخته شده 94
شکل 6 5- مدل بلوکی بازوها 95
شکل 6 6- مدل مورد استفاده برای اعمال ولتاژ به موتور دوم 96
شکل 6 7- مدل مورد استفاده برای خواندن کدگذار سوم 97
شکل 6 8- بازوی یک درجه با جعبه دنده 98
شکل 6 9- دیاگرام بلوکی دینامیک بازوی یک محوره 99
شکل 6 10- زاویة اندازه‌گیری شدة بازوی دوم و مقدار شبیه‌سازی شدة آن 103
شکل 6 11- زاویة اندازه‌گیری شدة موتور دوم و مقدار شبیه‌سازی شدة آن 103
شکل 6 12- کنترل حلقه بستة PD برای بازوی دوم با اندازه‌گیری مکان عملگر 104
شکل 6 13- رفتار بازو با کنترل PD صلب برای ورودی سینوسی 105
شکل 6 14- کنترل حلقه بستة PD برای بازوی دوم با اندازه‌گیری مکان بازو 106
شکل 6 15- رفتار بازوی دوم با کنترل PD صلب با اندازه‌گیری مکان بازو 106
شکل 6 16- رفتار بازو با سوییچ کردن کنترل ترکیبی و کنترل صلب 107
شکل 6 17- رفتار بازو با کنترل ترکیبی با بهره بالا 108
شکل 6 18- دامنة کنترل در روش کنترل ترکیبی 109
شکل 6 19- چگونگی پیاده‌سازی منطق نظارت 109
شکل 6 20- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 20Sin(2t) برای نقطه کار 180 درجه 111
شکل 6 21- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة 20 برای نقطه کار 0 درجه 112
شکل ب 1- دیاگرام بلوکی مسألة مخلوط 127
شکل ج 1- چگونگی نصب کارت جدید 134
شکل ج 2- تنظیمات مربوط به بلوکهای ورودی یا خروجی 134
شکل ج 3- تنظیم پارامترهای شبیه سازی 135
شکل ج 4- تنظیم پارامترهای زمان حقیقی 135
شکل ج 5- تولید کد C ، ارتباط با پورت ، اجرای برنامه 136
شکل د 1- نمایی از رابط کاربر برنامة FjrInit.exe 139
شکل ه 1- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 40Sin(2t) برای نقطه کار 180 درجه 140
شکل ه 2- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 20Sin(4t) برای نقطه کار 0 درجه 141
شکل ه 3- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 20Sin(2t) برای نقطه کار 90- درجه 142
شکل ه 4- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة 20 برای نقطه کار 0 درجه 143
شکل ه 5- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة 20 برای نقطه کار 0 درجه - با میرایی 144
جدول 2 1- اولین مقالات ارائه شده در مورد روباتهای کشسان‌مفصل 10
جدول 2 2- مقالاتی که خط اولیه را پی گرفته‌اند. 13
جدول 3 1- قواعد فازی 37
جدول 4 1- کران کمینة قابل قبول برای دو حالت Sat و Fuz 60
جدول 4 2- نرمهای خطا برای دو حالت Sat و Fuz به ازای مقادیر مختلف 61
جدول 5 1- مقادیر min برای ورودیهای مختلف 89
جدول 6 1-ضریب کشسانی اندازه‌گیری شده برای نقطة کار 90 درجه 102
جدول 6 2-ضریب کشسانی اندازه‌گیری شده برای نقطة کار 90- درجه 102
جدول 6 3-پارامترهای شناسایی شده 102
جدول 6 4-پارامترهای محاسبه شده 102
جدول د 1- مشخصات موتور اول 137
جدول د 2- مشخصات موتور دوم همراه با جعبه دنده 137
جدول د 3- مشخصات هارمونیک‌درایو 137
جدول د 4- مشخصات سیگنالهای اعمال شده از رایانه به روبات 138
جدول د 5- مشخصات سیگنالهای اندازه‌گیری شده توسط رایانه 138