فهرست مطالبفصل اول: مقدمه.......11-1- مروری برکارهای گذشته........21-1-1- راهبرد کنترل گشتاور.....21-1-2- راهبرد کنترل ولتاژ.....61-1-3- کنترل عاطفی.......141-2- اهداف مورد نظر......161-3- ساختار کلی رساله.....17فصل دوم: مروری بر مدلسازی ریاضی بازوهای ماهر مکانیکی.......192-1- مقدمه........202-2-مدلسازی سینماتیکی......202-2-1-سینماتیک مستقیم......202-2-2-سینماتیک وارون......282-2-3- سینماتیک سرعت و ماتریس ژاکوبین.............................................................................292-3- مدلسازی دینامیکی..............................................................................................................................31فصل سوم: راهبرد کنترل ولتاژ....................................................................................................................................353-1- مقدمه......................................................................................................................................................36فصل چهارم: تخمین عدم قطعیت با استفاده از سری فوریه.................................................................................454-1- مقدمه....................................................................................................................................................................464-2- تقریب توابع با استفاده از سری فوریه.............................................................................................................474-3- طراحی کنترلکننده مقاوم مستقل از مدل....................................................................................................484-3-1- قانون کنترل پیشنهادی.......................................................................................................................494-3-2- تحلیل پایداری......................................................................................................................................514-3-3- تعیین دوره تناوب اساسی سری فوریه..............................................................................................554-4- نتایج شبیه سازیها............................................................................................................................................614-4-1- ردگیری مسیرهای سینوسی..............................................................................................................614-4-2- ردگیری مسیرهای متناوب غیر سینوسی........................................................................................644-4-3- سایر دورههای تناوب...........................................................................................................................67 4-4-4- دورههای تناوب اصم.......................................................................................................................684-4-5-مسیرهای نامتناوب و اغتشاش خارجی.......................................................................................694-4-6- مقایسه با کنترلکننده عصبی-فازی..............................................................................................734-5- نتایج آزمایشگاهی...............................................................................................................................................794-5-1- ردگیری مسیرهای سینوسی..........................................................................................................814-5-2- ردگیری مسیرهای مربعی................................................................................................................844-6- مقایسه نتایج شبیهسازی و آزمایشگاهی........................................................................................................864-7- نتیجهگیری...........................................................................................................................................................87فصل پنجم: تخمین عدم قطعیت در فضای کار با استفاده از توابع لژاندر..........................................................895-1- مقدمه...........................................................................................................................................................905-2- تقریب توابع با استفاده از چندجملهایهای لژاندر..............................................................................915-3- کنترل مقاوم کلاسیک در فضای کار با استفاده از راهبرد کنترل ولتاژ.........................................935-4- تخمین عدم قطعیت با استفاده از چندجملهایهای لژاندر...............................................................975-5- نتایج شبیهسازی........................................................................................................................................1005-5-1- کنترل مقاوم کلاسیک..................................................................................................................1005-5-2- کنترل مقاوم پیشنهادی با استفاده از توابع لژاندر.....................................................................1045-5-3- مقایسه با سایر کنترلکنندههای مبتنی بر ولتاژ [112]........................................................1075-6- نتیجهگیری.......................................................................................................................................................109فصل ششم: کنترل مقاوم سیستمهای غیرخطی مرتبه اول با استفاده از یادگیری عاطفی مغز...............1116-1- مقدمه........................................................................................................................................................1126-2- مدلسازی ریاضی یادگیری عاطفی مغز...................................................................................................1126-3- طراحی قانون کنترل و اثبات پایداری.....................................................................................................1166-4- نتایج آزمایشگاهی.......................................................................................................................................1216-5- نتیجهگیری....................................................................................................................................................124فصل هفتم: نتیجهگیری و پیشنهادات....................................................................................................................1277-1-نتیجهگیری...................................................................................................................................................1287-2 پیشنهادات....................................................................................................................................................131فهرست منابع................................................................................................................................................................133پیوست الف: مدل ریاضی بازوی ماهر اسکارا..........................................................................................................151پیوست ب: اثبات لمهای فصل 4................................................................................................................155پیوست ج: بوردها .........................................................................................................................................161 فهرست اشکالشکل2-1 ربات هنرمند................................................................................................................................................21شکل2-2 ربات اسکارا...................................................................................................................................................21شکل 2-3 دیاگرام مفصلی ربات کروی......................................................................................................................22شکل 2-4 محور‌های مختصات دوران یافته...........................................................................................................23شکل 2-5 دستگاه مختصات انتقال یافته..................................................................................................................24شکل2-6 اختصاص دستگاههای مختصات به بازوی اسکارا................................................................................27شکل 2-7 دیاگرام مفصلی برای محاسبه سینماتیک وارون ربات اسکارا..........................................................29شکل (3-1) دیاگرام کنترل ولتاژ موتور مفصل ربات............................................................................................37شكل (3-2) دیاگرام موتور مغناطیس دائمDC...................................................................................................41شکل (3-3) سیستم کنترل ربات بر مبنای راهبرد کنترل ولتاژ.....................................................................43شکل (3-4) خطای ردگیری سیستم کنترل با راهبرد کنترل ولتاژ..............................................................43شکل (3-5) ولتاژ موتورهای سیستم کنترل با راهبرد کنترل ولتاژ..............................................................44شکل (4-1) بلوک دیاگرام کنترل کننده مبتنی بر سری فوریه ...................................................................51شکل (4-2) خطاهای ردگیری در شبیهسازی 4-3-4-1 .............................................................................62شکل (4-3) همگرایی ضرایب سری فوریه در شبیهسازی 4-3-4-1 .........................................................63شکل (4-4) سیگنالهای کنترل در شبیهسازی 4-3-4-1 .............................................................................65شکل (4-5) عملکرد کنترل کننده پیشنهادی در ردگیری مسیر مربعی ..................................................65شکل (4-6) سیگنالهای کنترل در ردگیری مسیر مربعی...............................................................................66شکل (4-7) عملکرد ردگیری کنترلکننده پیشنهادی برای مسیر مثلثی .................................................66شکل (4-8) سیگنالهای کنترل در ردگیری مسیر مثلثی...............................................................................67شکل (4-9) خطاهای ردگیری در شبیهسازی 4-3-4-3 .............................................................................70شکل (4-10) سیگنالهای کنترل در شبیهسازی 4-3-4-3 .......................................................................70شکل (4-11) اغتشاش خارجی در شبیهسازی 4-3-4-4 ............................................................................71شکل (4-12) ردگیری مسیر نامتناوب و دفع اغتشاش خارجی....................................................................72شکل (4-13) سیگنالهای کنترل در ردگیری مسیر نامتناوب و دفع اغتشاش خارجی...........................72شکل (4-14) ساختار شبکه عصبی-فازی..........................................................................................................76شکل (4-15) بلوک دیاگرام کنترل کننده عصبی-فازی ................................................................................77شکل (4-16) مقایسه خطاهای ردگیری دو کنترل کننده (سری فوریه: ــــ عصبی-فازی: - -).......78شکل (4-17) مقایسه ولتاژ موتورها در دو کنترل کننده (سری فوریه: ـــ عصبی-فازی: - -)..........78شکل (4-18) ستاپ آزمایشگاهی..........................................................................................................................80شکل (4-19) عملکرد ردگیری کنترلر مبتنی بر سری فوریه در پیادهسازی عملی(مسیر ربات: ــــــ مسیر مطلوب: - - - )..................................................................................................................................................82شکل (4-20) خطای ردگیری کنترلر مبتنی بر سری فوریه در پیادهسازی عملی..........................................83شکل (4-21) ولتاژ موتورها در کنترلر مبتنی بر سری فوریه در پیادهسازی عملی........................................83شکل (4-22) ضرایب سری فوریه مربوط به مفصل اول در پیادهسازی عملی................................................84شکل (4-23) ردگیری مسیرهای مربعی در پیادهسازی عملی...........................................................................85شکل (4-24) ولتاژ موتورها برای ردگیری مسیر مربعی در پیادهسازی عملی................................................86شکل (5-1) بلوک دیاگرام قانون کنترل (5-16).................................................................................................94شکل (5-2) بهره تناسبی تعریف شده در (5-49) .............................................................................................102شکل (5-3) ولتاژ موتورها در کنترل مقاوم کلاسیک ........................................................................................102شکل (5-4) عملکرد ردگیری کنترل مقاوم کلاسیک در صفحه xy.............................................................103شکل (5-5) خطای ردگیری هر سه مختصات در کنترل مقاوم کلاسیک....................................................103شکل (5-6) عملکرد ردگیری کنترل کننده پیشنهادی در صفحه xy.........................................................104شکل (5-7) ولتاژ موتورها در کنترل کننده پیشنهادی ...................................................................................105شکل (5-8) خطای ردگیری هر سه مختصات در کنترل مقاوم پیشنهادی..................................................106شکل (5-9) همگرایی ضرایب لژاندر.....................................................................................................................106شکل (5-10) عملکرد ردگیری کنترل کننده پیشنهادی در [112].............................................................108شکل (5-11) ولتاژ موتورها در کنترل کننده پیشنهادی در [112] ...........................................................108شکل (6-1) دستگاه کناری مغز[142]...............................................................................................................113شکل (6-2) بلوک دیاگرام کنترلکننده عاطفی...................................................................................................116شکل (6-3) ردگیری مسیر مطلوب برای مفصل اول.........................................................................................122شکل (6-4) ولتاژ موتور برای مفصل اول.............................................................................................................122شکل (6-5) ردگیری مسیر مطلوب برای مفصل دوم........................................................................................123شکل (6-6) ولتاژ موتور برای مفصل دوم..............................................................................................................124شکل (6-7) ردگیری مسیر مطلوب برای مفصل سوم........................................................................................125شکل (6-8) ولتاژ موتور برای مفصل دوم...............................................................................................................125 فهرست جداول جدول 2-1 جدول دناویت هارتنبرگ برای ربات اسکارا.......................................................................................28جدول (3-1) پارامترهای موتور..................................................................................................................................42جدول (3-2) پارامترهای دینامیکی ربات.................................................................................................................42 فصل اولمقدمه v مروری بر کارهای گذشتهv اهداف مورد نظرv ساختار کلی رساله 1-1- مروری برکارهای گذشته1-1-1- راهبرد کنترل گشتاوربا توجه به اینکه بهبود عملکرد سیستمهای کنترل ربات‌ها تأثیر بسزایی در کیفیت محصولات صنعتی و افزایش راندمان تولید دارد، طراحی سیستمهای کنترل ربات‌ها همواره یکی از جذابترین حوزههای تحقیقاتی بوده است. مطالعه سیر تاریخی روشهای کنترلی ارائه شده، پیشرفتهای صورت گرفته در این زمینه را روشن میسازد.بازوهای رباتیک، سیستمهای غیرخطی چندمتغیره پیچیده با تزویج زیاد هستند. به همین دلیل، محققان روشهای بسیار متنوعی برای كنترل آنها ارائه نموده اند که سادهترین آنها، روشهای مبتنی بر مدل هستند. خطی سازی فیدبکی [2-1] محبوبترین و پرکاربردترین تکنیک برای کنترل سیستمهای غیرخطی است، زیرا با استفاده از آن مي‌توان به راحتي ديناميك غير خطي پيچپده ربات را به معادلات خطي مرتبه دوم تبديل كرد. اين روش، در رباتیک به نام‌های گشتاور محاسباتی، دینامیک وارون یا کنترل گشتاور مشهور است.اما موفقيت روشهای مبتنی بر مدل، منوط به در اختيار داشتن مدل دقيق سيستم است. متأسفانه بدست آوردن مدل ریاضی دقيق سيستمهای رباتیک بسيار مشكل، وقت گير و گاهي غير‌ممكن مي‌باشد. زیرا ممكن است برخي از ديناميك‌هاي سيستم مانند اصطكاك، تكرار پذير نباشند يا نتوان مدل دقيقي براي آنها پيشنهاد داد. علاوه بر اين، ممكن است پارامترهاي مدل سيستم با گذشت زمان يا تحت تأثير شرايطي خاص تغيير كند. به عنوان مثال، هنگامی که ربات اجسام با جرمهای مختلف را بلند میکند، مرکز جرم لینک آخر که یکی از پارامترهای دینامیکی ربات میباشد، تغییر میکند. به همین دلیل، مدلی که برای سیستم پیشنهاد میدهیم (مدل نامی) با مدل واقعی سیستم اختلاف دارد. بنابراين، عدم قطعيت همواره يكي از مهمترين چالش هاي طراحی سيستمهاي كنترل بودهاست. باید توجه داشت که عدم قطعیت در سیستمهای رباتیک معمولاً از نوع غیرتصادفی فرض میشود و منظور از آن نامعلوم بودن پارامترهای سیستم، وجود دینامیکهای ناشناخته یا مدل نشده و همچنین اغتشاش خارجی میباشد.برای غلبه بر عدم قطعیت ناشی از عدم تطابق مدل، روشهای کنترل تطبیقی و مقاوم [7-3] ارائه شدهاند. کنترل تطبیقی میتواند اثرات عدمقطعیت پارامتری را جبران نماید. کنترل مقاوم قادر است علاوه بر عدمقطیعت پارامتری، عدم قطعیت های ناشی از دینامیک مدلنشده و اغتشاش خارجی را نیز جبران کند. تحقيقات گسترده‌اي براي طراحي سیستمهای كنترل تطبيقی ربات هاي صلب به منظور تضمين پايداري سيستم كنترل و محدود ماندن سيگنال‌هاي داخلي انجام شده است. اسپانگ طبقه‌بندی جامعی از روش‌هاي تطبيقي ارائه داده است [8] و آنها را به دو گروه عمده روش‌هاي مبتني بر ديناميك وارون و روش‌هاي مبتني بر غیرفعال بودن تقسیم میکند. در تمامي روش‌هاي فوق فقط عدم قطعيت پارامتري لحاظ شده است. نكته مهم ديگر در مورد روش‌هاي تطبيقي، تحريك پايا[1] بودن سيگنال‌هاي تحريك است[7]. در غیر اينصورت، پارامترهاي تخمین زده شده به پارامترهای واقعی همگرا نخواهد شد.