طراحی سخت افزار کارت کنترل موقعیت/ نیرو ربات شانه
هیدرولیک
هومن سجادیان ،(taghirad@kntu.ac.ir) محمد علی احمدی پژوه، حمید رضا تقی راد
گروه رباتیک ارس، دانشكده برق، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده:
در سال ۱۹۹۴ با بهره گیری از ایده های طراحی بازوهای مکانیکیِ بیولوژیکی، به ویژه ساختار شانه انسان، دکتر وینسنت هِیوارد،
ساختار مکانیکی بسیار جالبی را طراحی کرد. در این طرح از المانهای ساده ای نظیر حسگرها و عملگرهای خطی و همچنین مفاصل
كروی و اونیورسال، جهت ساخت روبات شان هی هیدرولیک استفاده شده است. قسمت های مکانیکی روبات شامل چهار عملگر
موازی است که حرکت آ نها موجب جابه جایی سطح مقید فوقانی روبات، روی یک عرقچین کروی، با زاوی هی مرکزی ۶۰ درجه
می شود. در بخش کنترل روبات از کارتهای کنترل پیشرفته ی مفاصل استفاده شده است. در این تحقیق سعی بر آن است تا طراحی
چهار کارت کنترل جدید صورت پذیرد. کارت ها دارای قابلیت کنترل آنالوگ هیبرید موقعیت و نیرو هستند. کنترل آنالوگ دینامیک
است و بوسیله مقدار دهی از طریق کامپیوتر قابل تنظیم است. ارتباط کارت ها با کامپیوتر دو طرفه است و امکان کنترل دیجیتال را
نیز فراهم م یسازد. بخش نرم افزار در این پروژه، وظیف هی کنترل دیجیتال و همچنین نمایش سیگنا لهای بخ شهای کنترل آنالوگ
کارت را بر عهده دارد. این پروژه که بخشی از یک پروژ هی گروهی است، در آزمایشگاه روباتیک، گروه کنترل دانشگاه صنعتی
خواجه نصیرالدین طوسی انجام گرفته است.



طراحی سخت افزار کارت کنترل موقعیت/ نیرو ربات شانه
هیدرولیک
هومن سجادیان ،(taghirad@kntu.ac.ir) محمد علی احمدی پژوه، حمید رضا تقی راد
گروه رباتیک ارس، دانشكده برق، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده:
در سال ۱۹۹۴ با بهره گیری از ایده های طراحی بازوهای مکانیکیِ بیولوژیکی، به ویژه ساختار شانه انسان، دکتر وینسنت هِیوارد،
ساختار مکانیکی بسیار جالبی را طراحی کرد. در این طرح از المانهای ساده ای نظیر حسگرها و عملگرهای خطی و همچنین مفاصل
كروی و اونیورسال، جهت ساخت روبات شان هی هیدرولیک استفاده شده است. قسمت های مکانیکی روبات شامل چهار عملگر
موازی است که حرکت آ نها موجب جابه جایی سطح مقید فوقانی روبات، روی یک عرقچین کروی، با زاوی هی مرکزی ۶۰ درجه
می شود. در بخش کنترل روبات از کارتهای کنترل پیشرفته ی مفاصل استفاده شده است. در این تحقیق سعی بر آن است تا طراحی
چهار کارت کنترل جدید صورت پذیرد. کارت ها دارای قابلیت کنترل آنالوگ هیبرید موقعیت و نیرو هستند. کنترل آنالوگ دینامیک
است و بوسیله مقدار دهی از طریق کامپیوتر قابل تنظیم است. ارتباط کارت ها با کامپیوتر دو طرفه است و امکان کنترل دیجیتال را
نیز فراهم م یسازد. بخش نرم افزار در این پروژه، وظیف هی کنترل دیجیتال و همچنین نمایش سیگنا لهای بخ شهای کنترل آنالوگ
کارت را بر عهده دارد. این پروژه که بخشی از یک پروژ هی گروهی است، در آزمایشگاه روباتیک، گروه کنترل دانشگاه صنعتی
خواجه نصیرالدین طوسی انجام گرفته است.
کلید واژه: روبات هیدرولیک، روبات موازی، کنترل هیبرید موقعیت و نیرو، کنترل آنالوگ، کنترل دیجیتال
۱-مقدمه
در طرح مکانیزم روبات شانه هیدرولیک، از یک ساختار موازی با افزونگی در تحریک جهت تولید سه
درجه آزادی استفاده شده است که کلیه ویژگیهای یک شانه بیولوژیکی را دارا است. تحریك این مکانیزم ۳ درجه
آزادی توسط چهار محرك پیستونی هیدرولیك، با عملكرد مناسب انجام می شود. جهت گیری صفحه ی متحرک
) XOY و صفحه ی X به وسیله ی تعیین زاوی هی بردار مشخصه ی صفحه (بردار یکه ی عمود بر صفحه)، با محور
در مختصات کروی) قابل توصیف است. مؤلفه ی مستقل دیگر، به ازای دوران صفح هی متحرک حول φ و θ زوایای
با گستره خطی LVDT مرکز خود و در صفحه ی خود به دست می آید. محرك ها مجهز به حسگرهای موقعیت از نوع
۷۰ میلی متر و حسگرهای نیرو از نوع اثر هال و دارای عرض باند بسیار جالب توجه و دقت بالا می باشند. هدایت
این روبات با توجه به نیاز به تولید مسیر برای کنترل چهار عملگر موازی، با استفاده از معادلات تبدیل مؤلفه های
موقعیت مطلوب روبات به مقدار جابه جایی خطی مورد نیاز توسط هر عملگر صورت می پذیرد. معادلات فوق که به
عنوان معادلات سینماتیک معکوس روبات شناخته می شوند، در مرجع[ ۱] به تفصیل بدست آورده شده است. از آنجا
www.IrPDF.com
شکل ۱: مکانیزم شانه انسان
که در مدل کل سیستم، حلق هی کنترل هر عملگر، مستقل از حلق هی کنترل سایر عملگرها در نظر گرفته می شود،
ارتباط سینماتیکی این عملگرها تنها از طریق معادلات سینماتیک معکوس انجام م یشود. لذا در کل پروژه فرض
می باشد.[ ۱و ۳و ۹و ۱۰ ] به همین دلیل (Decentralized) می شود که کنترل کننده و مدل سیستم به صورت غیر متمرکز
در طراحی و تنظیم کنترل کننده، از اثر سایر عملگرها بر روی دینامیک عملگر کنتر لشده، صرف نظر کرده و تنظیم
هر حلقه با در نظر گرفتن یک عملگر و کنترل کنند هی مربوط به آن انجام می شود. خروجی این معادلات به عنوان
مقادیر مطلوب بوسیله کامپیوتر و به صورت زمان حقیقی به کار تها انتقال داده می شود. در شکل ۱ و ۲ نمایی از
[ مکانیزم شانه انسان با چهار عضله موازی و ساختار روبات الگو برداری شده از آن دیده می شود.[ ۹
۲-مودهای کنترل
۱-مود کنترل آنالوگ -۲
استفاده از كامپیوتر امکان تغییر دلخواه و بر زمان روش كنترل را به سرعت و سهولت ایجاد می کند.
سرعت نمونه برداری ۵ میلی ثانیه، با توجه به عرض باند پایین دینامیک سیستم که در حدود ۲ هرتز در حلقه
موقعیت[ ۱۱ ] می باشد، در حد عالی است. از سوی دیگر مود کنترل آنالوگ دارای حلق ههای هیبرید موقعیت و نیرو
می باشد که در هر کارت به صورت مستقل طراحی شده است. در مود کنترل آنالوگ کارت، جبران سازی با انتخاب
و با DAC توسط مبدل های ،(Gravity Compensation) دقیق بهره ی حلقه های موقعیت، نیرو و جبران ساز جاذبه
انتخاب نحوه ی ترکیب این حلقه ها جهت تولید سیگنال کنترل توسط کامپیوتر، کنترلگر پیچیده ای بهدست م یدهد که
امکان کنترل سریع و دقیق روبات را فراهم می سازد. در شکل ۸ نمای کامل کنترل آنالوگ دیده می شود. کنترل آنالوگ
در مود کنترل از دور، بجز مقدار دهی .Local و مود محلی یا Remote دارای دو حالت است، مود کنترل از دور یا
بهره ها و تنظیم حلقه های آنالوگ، مقادیر سیگنال های مطلوب نیز توسط کامپیوتر و به صورت زمان حقیقی به هر
کارت اعمال م یشود. اما در حالت کنترل محلی، كنترل هر درج هی آزادی مستقیمًا بوسیله ی مقدار دهی موقعیت
مطلوب توسط پیچ تنظیم كارت كنترلی مربوط به آن انجام می شود. متأسفانه در مود محلی امکان تولید همزمان مسیر
برای چهار عملگر ممکن نیست. بخش آنالوگ کارت کنترل با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال می تواند با
کامپیوتر ارتباط برقرار کند. این ارتباط تا زمانی که استفاده از بخش آنالوگ رضایت بخش باشد، فقط در نمایش
سیگنال های نقاط مختلف حلق ههای آنالوگ مفید واقع خواهد شد. در این حالت به غیر از مقدار دهی اولیه در زمان
راه اندازی، کامپیوتر نیازی به تنظیم مجدد کنترل کننده ی آنالوگ ندارد. در عین حال تولید مسیر اختصاصی هر عملگر
شکل ۲: روبات شانه هیدرولیک
www.IrPDF.com
اجتناب ناپذیر است، زیرا سینماتیک روبات دارای وابستگی عملگرها است. در شکل ۹ این شیوه ی کنترل نشان داده
شده است. بنابراین وظیفه ی بستن حلقه ی آنالوگ بر عهده ی کارتهای کنترل است.
۲-مود دیجیتال -۲
در کنترل دیجیتال روبات، وظیفه ی تولید سیگنال کنترل ک ً لا بر عهده ی کامپیوتر است. به این ترتیب که
کامپیوتر ابتدا با مقدار دهی صفر به آخرین بهر هی برنامه پذیر در مسیر اعمال سیگنال کنترل آنالوگ به مدار راه انداز
عملگر، اثر حلقه ی آنالوگ در خروجی را به صفر می رساند. سپس با استفاده از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ دیگر،
سیگنال کنترل را در اختیار می گیرد. جهت بستن حلقه ی کنترل، به مقدار حقیقی موقعیت و نیرو DC مقدار سطح
نیاز است. این کار با استفاده از تبدیل آنالوگ به دیجیتال صورت می پذیرد. به این صورت که بوسیله ی کامپیوتر و
طی دو بار فرمان تبدیل، (یک بار برای سیگنال موقعیت و ی کبار برای سیگنال نیرو)، می توان مقادیر دیجیتال شده ی
پسخور را به کامپیوتر انتقال داد. . مالتی پلکسر آنالوگ موجود در کارت، کانال انتخاب شده توسط کاربر را از میان ۱۶
سیگنال آنالوگ گزینش و مبدل ۱۲ بیتی آن را به دیجیتال تبدیل می کند. برای افزایش سرعت عملیات نمون هبرداری،
مبدل با هر فرمان تبدیل، مقدار تبدیل شده قبلی را در اختیار کاربر می گذارد. عملیات انتخاب کانال نیز در همین
فاصله که مبدل به حال خود رها م یشود صورت می پذیرد. این کار باعث می شود کامپیوتر بیش از زمان انتقال داده
منتظر نمانده و مبدل عملیات تبدیل را تا سرکشی بعدی کامپیوتر انجام دهد. برای افزایش سرعت تبدیل و دریافت
داده، امکان فرمان انتخاب همزمان کانال تمام کار تها و امکان تبدیل همزمان تمام کارتها، علیرغم امکان گزینش
اختصاصی هر کارت نیز در مجموعه فرامین تعبیه شده است. پس از ورود نمون هی خروجی در کامپیوتر، امکان اعمال
هرگونه کنتر لکننده ی دیجیتال در کامپیوتر وجود خواهد داشت. کنترل کننده ای که در حال حاضر توسط نرم افزار
است. PID پیاده سازی شده است، جبران ساز
۳-سخت افزار الکترونیکی
سیستمهای الکتریکی و کنترل کارت دارای دو سطح پایین( كارتهای كنترل و مدارهای وابسته) و سطح بالا
( كامپیوتر و امكان جمع آوری داده ها ) می باشند. کارتهای کنترل همراه کارت واسط بین کار تها و کامپیوتر در یک
که درون قفس تعبیه شده، ممکن Back-Plane قرار می گیرند. اتصال بین کار تها از طریق سیستم (Cage) قفس
می شود. سیستم قابلیت آدرس دهی ۲۵۶ کارت مستقل را دارا است. هر کارت دارای گذرگاه داده ۱۲ بیتی، گذرگاه
آدرس ۶ بیتی و ۶ بیت کنترل است. هرکارت دارای دو اتصال ۶۴ پایه است. اتصال فوقانی جهت ارتباط دیجیتال و
اتصال پایینی جهت ارتباط آنالوگ کارت هاست که در این مختصر امکان تشریح آن ها میسر نیست[ ۳]. ایجاد بهره ها و
ضربگر ممکن شده است. این مبدل ها امکان ضرب یک عدد دیجیتال در یک DAC بایاس تراشه ها به کمک مبدل
سیگنال آنالوگ را فراهم می سازند. به این ترتیب که ولتاژ آنالوگ ورودی به پایه ولتاژ مرجع تراشه وارد شده، مقدار
آنالوگ خروجی بر اساس تبدیل مقدار دیجیتال درگاه دیجیتال ( توسط فرمان تبدیل )، بین صفر تا
شکل ۳: تولید بایس برنامه پذیر
www.IrPDF.com
۱۰۰ درصد ولتاژ مرجع مقایس دهی می شود. در شکل ۳ نحوه تولید بایاس قابل تنظیم از طریق کامپیوتر دیده
می شود.
۱-تولید پسخور -۳
نمونه بردار خروجی شامل حسگرهای موقعیت و نیرو است. این دو حسگر، اطلاعات خروجی سیستم را
به حلقه ی کنترل وارد می سازند. حسگرها با توجه به دینامیک و نوع سیستم انتخاب شده اند. راه اندازی حسگر
صورت پذیرفته است. این تراشه دارای مولد موج سینوسی با امکان تنظیم فرکانس NE موقعیت توسط تراشه 5521
نوسان و دمدولاتور اندازه و فاز است. همان طور که در شکل ۴ دیده می شود، برای تأمین جریان حسگر، سیگنال
تحریک سینوسی، توسط یک بافر جریانی ترانزیستوری-آپ امپی تقویت م یشود. از آنجا که تغییرات طول
عملگرهای مکانیکی با توجه به دینامیک آنها، دارای مؤلفه فرکانسی زیر ۲۰ هرتز است، با تحریک ۲۰۰ هرتز م یتوان
۰ فرکانس نوسان ساز، / این تغییرات را به خوبی دریافت کرد. اما با توجه به نیاز فیلتر کردن سیگنال دمدوله شده با ۱
فرکانس نوسان حدود ۲۷۰۰ هرتز و فرکانس قطع فیلتر حدود ۲۸۰ هرتز انتخاب شده است. لذا می توان تغییرات تا
۲۵ هرتز در عملگر را به خوبی حس کرد. نوع فیلتر باترورث چهار قطب است که خصوصیت انتقال مناسب مؤلفه
اندازه را فراهم می سازد. سیگنال حسگر نیرو نیز توسط یک فیلتر پایین گذر تک قطب با فرکانس قطع حدود
۲۰۰ هرتز فیلتر م یشود. بهره های فرکانس پایین این فیلترها با توجه به گستره سیگنال خروجی حسگرها به ترتیب
۲ برای فیلتر حسگر نیرو و موقعیت م یباشد. در شکل ۵ فیلتر اکتیو چهار قطب باترورث مربوط به حسگر / ۱۵ و ۶
موقعیت دیده می شود.
از دید کنترل، ایجاد مسیر پسخور واحد بسیار حیاتی است. از این رو ابتدا، سیگنال پسخور تا رسیدن به
بیشینه ی گستره ی تغییرات ممکن در مسیر، تقویت می شود. سپس با مقیاس دهی به سیگنال ورودی، آنرا در گستر هی
تغییرات مسیر پسخور تقویت می کنیم. عملیات آماد هسازی سیگنال حسگر، شامل تنظیم سطح متوسط سیگنال نیز
می شود. به این مفهوم که با تنظیم میانگین دو حد بیشینه و کمینه ی سیگنال حسگر، به عنوان سطح متوسط سیگنال با
زمین آنالوگ، امکان ایجاد بیشترین گستر هی تغییرات بوسیل هی یک بهره ی خطی برای سیگنال فراهم می شود. در
ضربگر و از طریق کامپیوتر صورت DAC کارت کنترل تمام بهره ها و تنظیم بایاس نقاط حساس توسط مبدل
می پذیرد. تقویت و آماده سازی حسگر موقعیت در دو طبق هی متوالی امکان پذیر است. طبقه دوم جهت گزینش و
تقویت محدوده خاصی از سیگنال خروجی طبقه اول است که موجب کاهش خطای ماندگار در نقاط قفل شدن
عملگر یا جابجایی های محدود می شود.
LVDT شکل ۴: بافر جریان سیگنال درایو
شکل ۵: فیلتر باترورث
www.IrPDF.com
شکل ۶: جبرانساز پیشفاز شکل ۷: جبرانساز پس فاز همراه جمع کننده وارونگر
۲-جبرانسازی -۳
طراحی مدار کنترل آنالوگ با توجه به دامنه ی خطی آپ امپ ها محقق می شود. این تقویت کننده ها در
حالت پسخور منفی و با تغذیه ۱۵ - و ۱۵ + ولت، دارای محدوده ی ایمن ورودی ۱۲ + تا ۱۲ - ولت می باشند. در تمام
مدار محدوده ی تغییر مجاز سیگنال ۱۰ + و ۱۰ - تعیین شده و لذا پس از هر تقویت کننده، یک تابع غیر خطی اشباع
مستتر است. بهره های مسیر پسخور و سایر نقاط حلقه های آنالوگ نیز با این توجه انتخاب می شود. جبرانسازهای این
حلقه ها شامل جبران ساز تناسبی، پی شفاز، پس فاز، پی شفاز-پس فاز می باشند که به اختصار هر یک را معرفی
.[ می کنیم[ ۴و ۱۰ و ۱۱
الف) جبرانساز تناسبی
این جبرانساز دارای بهر های قابل برنامه ریزی از صفر تا ۱۰ است. این بهره می تواند در کاهش خطای
ماندگار، کاهش اثر اغتشاش و افزایش سرعت پاسخ سیستم اثر مثبت داشته باشد. اثر نامطلوبی که این جبرانساز بر
خصوصیات حلقه بسته سیستم می گذارد، کاهش شدید حاشیه ی بهره است. با توجه به اثر غیرخطی اشباع، افزایش
بیش از حد این بهره، موجب قرارگرفتن سیستم در چرخه ی حدی شده، لذا سیستم علیرغم نداشتن قطب ناپایدار در
تابع تبدیل حلقه بسته ، نیز به نوسان در می آید.
(Lead) ب) جبرانساز پیش فاز
این جبرانساز، با گسترش حاشیه ی فاز سیستم می تواند موجب بهبود پایداری سیستم های با حاشیه ی فاز
کم شود. در سیستمهایی که صفر ناپایدار حلقه باز داریم، این صفر در سیستم حلقه بسته نیز مشاهده می شود. از آنجا
که قطبهای حلقه بسته در نمودار مکان ریشه, با افزایش حاشیه ی فاز توسط اضافه شدن صفر به سمت صفرهای حلقه
باز متمایل می شوند، و در معرض وارد شدن در بخش ناپایدار صفحه می باشند. از همین رو گسترش حاشیه ی فاز در
آنها موجب ناپایداری م یشود. سیستمهای دارای دینامیک سیالات، غالبًا دارای صفرهای ناپایدار هستند. سیستم
شانه ی هیدرولیک نیز از این دسته مستثنی نیست و دارای چند صفر ناپایدار است. لذا به سرعت در مقابل افزایش
حاشیه ی فاز، ناپایدار می شود. این جبرانساز دارای معادله ی تابع تبدیل
(s +1957)
99.9943 (s +1912)
است[ ۱۰ ]. اضافه G(s) =
شدن یک بهره برنامه پذیر پس از این جبرانساز باعث کنترل پذیر شدن بهره خطی آن می شود. در شکل ۶ این
جبرانساز مشاهده می شود.
www.IrPDF.com
(Lag) ج) جبرانساز پس فاز
این جبران ساز، با اعمال یک جفت صفر و قطب نزدیک به هم و در نزدیکی محور موهومی، در نمودار
مکان ریشه، امکان تشکیل شاخه در نزدیکی محور موهومی را فراهم می سازد. این کار اگر چه موجب افزایش
دامنه ی خروجی در فرکانسهای پایین م یشود و اثر مؤلفه های بالای سیگنال کنترل را محدود می کند ( این به معنی
کاهش فرارفت و نوسان میرای خروجی نیز می باشد) در عوض موجب کاهش ملموس سرعت پاسخ سیستم و
افزایش زمان صعود سیگنال خروجی می شود. در روبات ها فرارفت بسیار نامطلوب است. در نتیجه پاسخ میرای
بحرانی از پاسخ سریع ولی نوسانی مطلو بتر است. از این رو، استفاده از جبرا نساز پس فاز بسیار مفید و مؤثر واقع
می شود. معادله ی تابع تبدیل آن به صورت
s 10
s 1100
G(s) +
+ = می باشد[ ۱۰ ]. همان طور که دیده می شود این جبرانساز
دارای بهره ۱۱ برای فرکانس های پایین و فرکانس قطع ۱۰ هرتز است. در شکل ۷ این جبرانساز دیده می شود.
د)جبرانساز پس فاز-پیش فاز
در طراحی یک کنترل کننده ی بهینه نسبت به جبرانسازهای معرفی شده، مناس بترین راه استفاده از فیلتری
است که تمام خصوصیات مطلوب فیلترهای فوق را یک جا در خود داشته باشد. خوشبختانه فیلتر پیش فاز-پس فاز
تمام این خصوصیات را با اندکی تفاوت در خود دارد. این فیلتر با کاهش زمان صعود،
کاهش خطای ماندگار را نیز به ارمغان می آورد. بنابر این استفاده از آن مناسب تر به نظر می رسد. ترکیبی که این
جبرانساز را در مدار کنترل به وجود می آورد، در شکل ۸ نمایش داده شده است. وجود بهره های کنترل پذیر پس از هر
جبرانساز، امکان افزایش یا کاهش اثر هر جبرانساز در ترکیب نهایی جبرانساز پ سفاز-پیش فاز را بدست می دهد.
(Interior یک حلقه درونی (Feed-Back Compensation) ه)جبرانساز پسخور: فیلتر جبرانساز در مسیر پسخور
است که در بعضی کنترل کننده ها دیده می شود و دارای خصوصیات خاص خود است. می توان نشان داد یک Loop)
مشتق گیر در مسیر پسخور که مستقیمًا با سیگنال کنترل جمع می شود، به سیستم حلقه بسته اجازه م یدهد تا میرایی
در مسیر پیشرو، می تواند میرایی سیستم PD خود را با توجه به بهره ی خطی مشتق گیر تنظیم کند. اگرچه یک
حلقه بسته را مانند مشتق گیر در مسیر پسخور تغییر دهد، در مقابل یک صفر نیز به تابع حلق هبسته اضافه می کند که این
امر در خصوصیات سیستم حلقه بسته مؤثر است. بنابراین در صورتی که هدف جابجایی قطب باشد، م یتوان به این
وسیله آن را محقق کرد. در روبات هیدرولیک، با استفاده از این قابلیت م یتوان یک قطب حلقه بسته را تحت کنترل
در آورد. تابع تبدیل این جبرانساز همانند تابع تبدیل جبرانساز پی شفاز طراحی شده است و در شکل ۸ دیده می شود.
ز) پسخور جریان
از آنجا که سیگنال کنترل از نوع گشتاور است و با توجه به غیر خطی بودن گشتاور عملگر نسبت به ولتاژ،
می بایست سرو والوها بر اساس جریان فرمان داده شوند. لذا در طراحی کارت از پسخور جریان جهت خطی سازی
خروجی نسبت به ولتاژ استفاده شده است. به این صورت که با نمون هبرداری از جریان و ایجاد یک حلقه درونی برای
تقویت کننده خروجی که به عنوان درایو سرو والو استفاده می شود، گشتاور عملگر نسبت به ولتاژ فرمان ورودی به آن
خطی می شود.
و)کنترل گشتاور و نیرو
این بخش کنترل در بهبود رفتار حلقه بست هی روبات از اهمیت زیادی برخوردار است. زیرا تعقیب مسیر
مستقل از در نظر گرفتن توزیع نیروها و گشتاور ممکن نیست. علاوه بر این روابط گشتاورها در روبات های
موازی بسیار پیچیده است. حلقه ی گشتاور برای تحقق همین هدف در نظر گرفته می شود. وظیفه ی این حلقه، تولید
www.IrPDF.com
سیگنال کنترل مناسب جهت تأمین گشتاور تولیدی توسط هر عملگر است. این سیگنال در نهایت با سیگنال کنترل
حاصل از حلقه ی موقعیت ترکیب شده و سیگنال کنترل نهایی از نوع گشتاور، جهت اعمال به راه انداز عملگر بدست
می آید. نقطه ی ورود این سیگنال به حلقه موقعیت، قبل از جبرانساز پس فاز است. این کار باعث کاهش خطای
.[ ماندگار خروجی با اعمال سیگنال کنترل هیبرید مناسب م یشود[ ۲و ۵و ۹و ۱۰
۴-نرم افزار
C++ نرم افزاركنترل روبات شانه هیدرولیكی در سیستم عامل ویندوز ۹۸ و با زبان برنامه نویسی ویژوال 6
نوشته شده است. کاربر می تواند سیگنال های خروجی روبات نظیر سیگنال های موقعیت، گشتاور، سرعت، خطا و
غیره را بر روی صفحه نمایشگر كامپیوتر مشاهده كند . این قابلیت به وسیله اسیلوسكوپ نر م افزاری كه با
اسیلوسكوپ واقعی شباهت بسیار دارد در محیط كاری برنامه تحقق یافته است. در مود دیجیتال کامپیوتر پس از
را به روبات ارسال می نماید. برای دستیابی به PID انجام عملیات محاسباتی كنترل كننده، خروجی کنترل کننده ی
استفاده شده است. Thread بازه زمانی كوچك و مطمئن از روتین
۵-پیاده سازی الکترونیکی
پیاده سازی سخت افزاری به کمک روش های کاهش نویز و جداسازی زمی نهای آنالوگ و دیجیتال محقق
۲۱ سانتیمتر و به صورت دولایه است. تعداد قطعات ۴۱۹ قطعه و تعداد * شده است. بورد آزمایشی دارای ابعاد ۲۳
های نصب شده در جلوی LED ها ۵۷۱۵۲ عدد می باشد. در این بورد امکان نمایش سیگنا لها بوسیله ی Track
کارت ب هوجود آمده است. همچنین هر دو کارت دلخواه، دارای قابلیت ارتباط آنالوگ هستند که این کار باعث
در کنترل روبات Teleoperation و امکان استفاده از روش های کنترل Master/Slave انتقال اطلاعات بین دو سیستم
می شود. مدارهای تقویت ضربه نیز برای افزایش این مود کاری کارت طراحی شده است. همچنین بورد دارای
مدارهای هشدار و ایمنی است که روبات و کاربر را محافظت می کند. بورد ساخته شده به صورت کنترل حلقه باز، و
در مرحل هی بعد به صورت حلقه بسته آزمایش شد. برای این منظور آزمایش های اولیه بوسیله مدار جانبی و به
صورت دستی بر روی جزء جزء مدار، و آزمایشهای بعدی مدار با نصب آن در سیستم واقعی صورت پذیرفته، که
نتایج موفقیت آمیزی را بهمراه داشته است. در شکل ۱۰ نمای بورد ساخته شده در آزمایشگاه را مشاهده
.[ می کنید[ ۳و ۶و ۷و ۸
شکل ۹: کنترل دیجیتال شکل ۱۰ : بورد ساخته شده در آزمایشگاه
Digital
Computerized
Controller
Valve
Command
DAC
Robot
Dynamics
Actual
Position
Amplifier
Actual
Force
Amplifier
Analog
Multiplexer
ADC
www.IrPDF.com
۶-نتایج
در این مقاله نحوه ی پیاده سازی کنترل هیبرید توسط مدار الکترونیکی تشریح شد. از آنجا که کنترل موقعیت
مستقل از کنترل نیرو ممکن نیست، کنترل هیبرید موقعیت و نیرو برای کنترل عنصر نهایی روبات برگزیده شده
است. این کنترل با توجه به پیچیدگی ارتباط مسیر عملگرهای موازی با مسیر عنصر نهایی ناچار از استفاده از
کامپیوتر جهت ایجاد مسیر اختصاصی برای هر عملگر است. تسهیم وظیفه ی کنترل بین کامپیوتر و کنترل آنالوگ
امکان استفاده از محاسن هر دو قسمت پردازش دیجیتال و کنترل سریع آنالوگ را فراهم ساخته است. به این
صورت که کنترل سریع روبات بوسیله کنترل آنالوگ، نیاز به ارتباط بسیار سریع بین کامپیوتر و کارت کنترل را
کاهش و در عوض امکان ارتباط گرافیکی مناسب با کاربر و ارسال راح تتر فرامین به کارت را ممکن ساخته
است. امکان استفاده از الگوریتم های پیچیده نیز با تغییر روتین کنترل به راحتی قابل دسترسی است. استفاده از
پسخور جریان موجب خطی شدن خروجی گشتاور نسبت به فرمان ولتاژ شده، عمل کنترل را بهبود می دهد.
مراجع
-Beniot Boulet," Modeling and control of a robotic joint with in-parallel redundant actuators ", M.S. thesis, McGill
University, 1992
1
-J. E. Bobrow, J. Desai,” Modeling of a high-torque, hydrostatic actuator for robotic applications”, Experimental robotics I,
The first int. symp. Pp.215-228, 1990
2
3 -SARCOS Research Corp.,” Dexterous Teleoperation System, User Manual", USA, 1994
4 -Benjamin C. Kuo, “Automatic Control Systems”, John Wiley, 2002
-Guillaume Morel and Steven Dubowsky,” High Performance Control of Manipulators Using Base Force/Torque Sensing”,
Proceedings of the Eleventh CISM-IFToMM, (RoManSY), July 1-4, 1996, Udine, Italy
5
6 -H.W.Johnson & M. Graham,” High Speed Digital Design, A Handbook of Black Magic”, Prentice Hall, 1993
7 -Brian K.Jones, "Electronics for Experimentation and Research", Prentice Hall(UK), London, 1987
8 -Daniel H. Sheingold, “Analog-Digital Conversion Handbook”, Analog Devices Inc, Prentice-Hall, 1986
۹-هومن سجادیان، "کنترل موقعیت شانه هیدرولیکی افزونه با توزیع مناسب نیرو "، پیشنهاد رساله دکترا، دانشگاه خواجه نصیرالدِن طوسی ، ۱۳۸۱
۱۰ -سلیمان غلا مپور،"کنترل موقعیت/نیرو ربات شانه هیدرولیکی"، پایان نامه ی کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی، ۱۳۸۲
۱۱ -سحر لقایی و مژگان حمیدی، "شناسایی کنترلی و الکترونیکی کارت کنترل شانه هیدرولیکی و کنتزل حلقه بسته آن"، پایان نامه ی کارشناسی،
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی ،