معاونت پژوهش و فناوري
به نام خدا
منشور اخلاق پژوهش
با ياري از خداوند سبحان و اعتقاد به اينکه عالم محضر خداست و همواره ناظر بر اعمال انسان و به منظور پاس داشت مقام بلند دانش و پژوهش و نظر به اهميت جايگاه دانشگاه در اعتلاي فرهنگ و تمدن بشري، ما دانشجويان و اعضاءهيات علمي واحدهاي دانشگاه آزاد اسلامي متعهد مي گرديم اصول زير را در انجام فعاليت هاي پژوهشي مد نظر قرار داده و از آن تخطي نکنيم :
1-اصل برائت : التزام به برائت جويي از هر گونه رفتار غير حرفه اي و اعلام موضع نسبت به کساني که حوزه علم و پژوهش را به شائبه هاي غير علمي مي آلايند.
2-اصل رعايت انصاف و امانت :تعهد به اجتناب از هر گونه جانب داري غير علمي و حفاظت از اموال ،تجهيزات و منابع در اختيار.
3-اصل ترويج :تعهد به رواج دانش و اشاعه نتايج تحقيقات و انتقال آن به همکاران علمي و دانشجويان به غير از مواردي که منع قانوني دارد.
4-اصل احترام :تعهد به رعايت حريم ها و حرمت ها در انجام تحقيقات و رعايت جانب نقد و خودداري از هر گونه حرمت شکني .
5-اصل رعايت حقوق :التزام به رعايت کامل حقوق پژوهشگران و پژوهيدگان (انسان ،حيوان و نبات )و ساير صاحبان حق.
6-اصل رازداري :تعهد به صيانت از اسرار و اطلاعات محرمانه افراد،سازمان ها و کشور و کليه افراد و نهادهاي مرتبط با تحقيق.
7-اصل حقيقت جويي :تلاش در راستاي پي جويي حقيقت و وفاداري به آن و دوري از هرگونه پنهان سازي حقيقت.
8-اصل مالکيت مادي و معنوي :تعهد به رعايت کامل حقوق مادي و معنوي دانشگاه و کليه همکاران پژوهش.
9-اصل منافع ملي :تعهد به رعايت مصالح ملي و در نظرداشتن پيشبرد و توسعه کشور در کليه مراحل پژوهش .
دانشگاه آزاد اسلامي
واحد علوم و تحقيقات کرمان
تعهدنامه اصالت پايان نامه
اينجانب مسعود حجتي دانش آموخته مقطع کارشناسي ارشد ناپيوسته در رشته مهندسي مکاترونيک که در تاريخ 09/11/92 از پايان نامه خود تحت عنوان “کنترل ديناميکي ربات دو پا با استفاده از سيستم کنترل فازي” با کسب نمره و درجه دفاع نموده ام. بدينوسيله متعهد مي شوم:
1)اين پايان نامه حاصل تحقيق و پژوهش انجام شده توسط اينجانب بوده و در مواردي که از دستاوردهاي علمي و پژوهشي ديگران ( اعم از پايان نامه، کتاب، مقاله و …) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رويه موجود، نام منبع مورد استفاده و ساير مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کرده ام.
2)اين پايان نامه قبلاً براي دريافت هيچ مدرک تحصيلي ( هم سطح، پايين تر يا بالاتر) در ساير دانشگاه ها و موسسات آموزش عالي ارائه نشده است.
3) چنانچه بعد از فراغت از تحصيل، قصد استفاده و هرگونه بهره برداري اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و … از اين پايان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشي واحد مجوزهاي مربوطه را اخذ نمايم.
4) چنانچه در هر مقطع زماني خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشي از آن را مي پذيرم و واحد دانشگاهي مجاز است با اينجانب مطابق ضوابط و مقررات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصيلي ام هيچ گونه ادعايي نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگي
مسعود حجتي
تاريخ و امضا
دانشگاه آزاد اسلامي
واحد علوم و تحقيقات كرمان
دانشكده فني و مهندسي، گروه مکاترونيک
پايان نامه براي دريافت درجه كارشناسي ارشد در رشته مهندسي مکاترونيک (M.Sc)
عنوان:
کنترل ديناميکي ربات دو پا با استفاده از سيستم کنترل فازي
استاد راهنما:
دکتر مجيد محمدي
استاد مشاور:
دکتر حسين ميار نعيمي
نگارش:
مسعود حجتي
زمستان 1392
سپاسگزاري
خداوند بزرگ راسپاسگزارم که براين بنده توفيق ارزاني داشت تا انجام اين تحقيق رابه پايان برسانم.
تقدير و تشكر به پاس راهنمايي بي منت و عالمانه استاد گرانقدر جناب آقاي دكتر مجيد محمدي كه در تهيه اين پايان نامه از راهنماييهاي ايشان بهره مند شده ام.
تقدير و تشكر فراوان از جناب آقاي دكترحسين ميارنعيمي كه مشاوره هاي ارزشمندي را در راستاي انجام اين پايان نامه به اين جانب ارايه نموده اند.
واز کليه اساتيدي که در دوران تحصيلم در دانشگاه آزاد واحد علوم وتحقيقات کرمان از محضرشان کسب فيض نمودم.
تقديم به:
پدر بزرگوارم
که عالمانه به من آموخت تا چگونه در عرصه زندگي، ايستادگي را تجربه نمايم
و مادر مهربانم
درياي بي کران فداکاري و عشق که وجودم برايش همه رنج بود و وجودش برايم همه مهر
فهرست مطالب
عنوان شماره صفحه
چکيده1
فصل اول: کليات تحقيق
1-1- مقدمه3
1-2- مدل ساده ربات دو پاي پنج اتصال4
1-3- کنترل کننده ي منطق فازي5
1-4- بيان مسأله6
1-5- هدف از اين مطالعه6
1-6- گستره کار6
1-7- نماي کلي از پايان نامه7
فصل دوم: مروري بر ادبيات و پيشينه تحقيق
2-1- گسترش در سال 19809
2-2- پيشرفت در سال 19909
2-3- تحرک ربات دو پا بر روي سطوح کمتر ساخت يافته10
2-4- تعادل ديناميکي ربات دو پا با استفاده از عوامل يادگيري تقويت فازي10
2-5- ابزار شبيه سازي از مدل راه رفتن ربات دو پا10
2-6- کنترل پويا و پيوندي ربات دو پا در ناحيه پشتيباني11
2-7- درک تجربي راه رفتن ديناميکي ربات دو پاي شبيه انسانKHR-2 با استفاده از بازخورد نقطه اي صفر و مقياس اينرسي11
2-8- بهينه سازي شيوه راه رفتن ربات دو پا توسط ترکيب ديناميکي مطلق12
فصل سوم: روش شناسي تحقيق
3-1- مقدمه14
3-2- ديناميک ربات دوپا16
3-3- نيروهاي ناشي از برخورد با زمين20
3-4- محدوديت زاويه ي زانو21
3-5- مدل بلوک هاي مطلب با استفاده از کنترل فازي22
3-5-1 بلوک مرجع22
3-5-2 بلوک سيگنال هاي خطا26
3-5-3 بلوک کنترل کننده ي فازي27
3-5-4 تبديل به بلوک گشتاور28
3-5-5 بلوک مدل دو پا28
3-5-5-1 بلوک مدل ديناميکي31
3-5-5-2 بلوک تماس با زمين33
3-5-5-3 بلوک ايستاگر زانو33
3-6- خلاصه ي فصل34
فصل چهارم: تجزيه و تحليل يافته هاي تحقيق
4-1- مقدمه36
4-2- ويرايشگر توابع عضويت42
4-3- شبيه سازي از woutgain.mdl50
4-4- گسترش قوانين فازي54
4-5- شبيه سازي woutgain.mdl با استفاده از فايل FIS جديد64
4-6- اضافه کردن بهره و شبيه سازي67
4-7- خلاصه فصل72
فصل پنجم: نتيجه گيري و پيشنهادات
5-1- نتيجه گيري74
5-2- توصيه ها براي کارهاي آينده75
منابع و مآخذ76
فهرست منابع انگليسي76
پيوست78
چکيده انگليسي81
فهرست جداول
عنوان شماره صفحه
جدول 3-1: مشخصات پارامتر هاي بلوک مدل ربات دو پا29
جدول 4-1: قوانين فازي براي کنترل کننده هاي?? و ?L و ?R37
جدول 4-2: قوانين فازي براي کنترل کننده ?41
جدول 4-3: قوانين فازي براي کنترل کننده هاي?? و ?L وR ?54
جدول 4-4: قوانين فازي براي کنترل کننده ?54
فهرست شکل ها
عنوان شماره صفحه
شکل 1-1: مدل ديناميکي ربات دوپا با پنج درجه آزادي4
شکل 1-2: ساختار کنترل کننده فازي5
شکل 3-1: مراحل پروژه15
شکل 3-2: FIS Editor16
شکل 3-3: (الف)مدل ربات دوپا و مقادير ثابت. (ب) نيرو هاي خارجي17
شکل 3-4: نوک پاي ربات دوپا با زمين در نقطه ي(x0?,0) برخورد مي کند (خاکستري)20
شکل 3-5: مدل ربات دوپا پنج اتصال با استفاده از کنترلر فازي MATLAB22
شکل 3-6- الف: سيگنال مرجع براي ?23
شکل 3-6- ب: سيگنال مرجع براي ??23
شکل 3-6- ج: سيگنال مرجع براي ?L24
شکل 3-7: مدل داخلي سيگنال هاي خطا25
شکل 3-8: مدل داخلي کنترل کننده هاي فازي26
شکل 3-9: مدل داخلي تبديل به گشتاور27
شکل 3-10: بلوک مدل دو پا و پارامتر هاي کادر محاوره اي28
شکل 3-11: مدل داخلي بلوک ربات دو پا30
شکل 3-12: مدل داخلي بلوک مدل ديناميکي ربات دوپا31
شکل 3-13: بلوک مدل داخلي ماتريس هاي A و b31
شکل 3-14: مدل داخلي بلوک تماس با زمين32
شکل 3-15: مدل داخلي بلوک ايستاگر زانو33
شکل 4-1: تغيير در خطا و سيگنال کنترل ??36
شکل 4-2: خطا، تغييرات در خطا و سيگنال هاي کنترل ?L38
شکل 4-3: خطا، تغييرات در خظا وسيگنال کنترل ?R39
شکل 4-4: تغييرات در خظا وسيگنال کنترل ?40
شکل 4-5: پنجره ي اصلي fis flie 123fuz342
شکل 4-6: تابع عضويت ويرايشگر error142
شکل 4-7: تابع عضويت ويرايشگر Derror143
شکل 4-8: تابع عضويت ويرايشگر control143
شکل 4-9: پنجره ي ويرايشگر قوانين براي 123fuz344
شکل 4-10: پنجره ي نشان دهنده ي قوانين براي 123fuzz344
شکل 4-11: پنجره ي نشان دهنده ي سطح براي 123fuzz345
شکل 4-12: پنجره ي اصلي fis flie 123fuz345
شکل 4-13: ويرايشگر عضويت error446
شکل 4-14: ويرايشگر تابع عضويت Derror446
شکل 4-15: ويرايشگر تابع عضويت control447
شکل 4-16: پنجره ي ويرايش قوانين براي 4fuzz347
شکل 4-17: پنجره ي نشان دهنده ي قوانين براي 4fuzz348
شکل 4-18: پنجره ي نشان دهنده ي سطح براي 4fuzz348
شکل 4-19: مدل متلب براي woutgain.mdl49
شکل 4-20: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?50
شکل 4-21: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع??51
شکل 4-22: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?L52
شکل 4-23: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?r53
شکل 4-24: پنجره ي اصلي FIS file 123fuzz555
شکل 4-25: ويرايشگر تابع عضويت Error156
شکل 4-26: ويرايشگر تابع عضويت Derror156
شکل 4-27: ويرايشگر تابع عضويت control157
شکل 4-28: پنجره ي ويرايشگر قوانين براي 123fuzz557
شکل 4-29: پنجره ي نمايشگر قوانين براي 123fuzz558
شکل 4-30: پنجره ي نمايشگر سطح براي 123fuzz558
شکل 4-31: پنجره ي اصلي FIS file 4fuzz559
شکل 4-32: ويرايشگر تابع عضويت Error459
شکل 4-33: ويرايشگر تابع عضويت Derror460
شکل 4-34: ويرايشگر تابع عضويت control460
شکل 4-35: پنجره ي ويرايشگر قوانين براي 4fuzz561
شکل 4-36: پنجره ي ويرايشگر قوانين براي 4fuzz561
شکل 4-37: پنجره ي نمايشگر سطح براي 4fuzz562
شکل 4-38: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?63
شکل 4-39: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ??64
شکل 4-40: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?L65
شکل 4-41: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?R65
شکل 4-42: مدل داخلي کنترل کننده ي فازي بعد از اضافه کردن بهره ها66
شکل 4-43: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?67
شکل 4-44: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع 68
شکل 4-45: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?L69
شکل 4-46: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع ?R70
شکل 4-47: رنگ سبز براي خروجي PD، رنگ بنفش براي خروجي فازي و رنگ زرد سيگنال مرجع به ترتيب براي ? ،?? ، ?Lو ?R71
چکيده
در اين پايان نامه يک مدل رياضي دو بعدي ربات دو پاي پنج اتصال مورد مطالعه قرار گرفته است. از نرم افزار متلب براي طراحي سيستم کنترل کننده‌ي فازي به منظور کنترل زواياي نيم تنه‌ي بالا، ساق‌ها و ران‌هاي ربات دو پايي که در دانشگاه هلسينکي طراحي و مدل سازي گرديده و همچنين به وسيله ي سيستم کنترل کننده ي PD در آنجا کنترل شده است، استفاده شده است.استفاده از سيستم کنترل کننده ي PD از پيچيدگي زيادي برخوردار است چرا که براي کنترل چهار زاويه به چهار کنترل کننده در هر يک از چهار فاز حرکتي احتياج است. بنابر اين در سيستم کنترل PD در کل به شانزده کنترل کننده احتياج خواهد بود. با استفاده از سيگنال خطا و تغيير در خطا و همچنين سيگنال هاي کنترل ناشي از سيستم PD متناظر آنها قوانين فازي بدست مي آيند و تعداد کنترل کننده ها از شانزده کنترل کننده ي PD به چهار کنترل کننده ي فازي کاهش مي يابند. سيستم کنترل کننده ي فازي به کار برده شده به دليل احتياج نداشتن به اطلاعات فاز حرکتي ربات نيز ساده‌تر از PD خواهد بود. ارتباط بين قوانين فازي و عملکرد کنترل کننده ي فازي در اينجا مورد بررسي قرار مي‌گيرد و همچنين تاثير اضافه کردن گين در خروجي بررسي مي گردد.
واژگان کليدي: ربات دوپا، کنترل ديناميکي، قوانين فازي، کنترل کننده PD

فصل اول:
کليات تحقيق
1-1- مقدمه
در يک ربات دو پا سه حالت اصلي حرکت ديناميکي شامل قدم زدن، دويدن و پريدن قابل دستيابي است. اما معمولاً اکثر ربات هاي دو پاي موجود، فقط در يک حالت مي توانند حرکت کنند و تعداد اندکي توانايي حرکت در دو حالت يا بيشتر را دارند.
در حالت کلي يک سيستم حرکتي ربات دو پا شامل اعضايي مي باشد که با مفاصل فعال به هم وصل شده اند. پيچيدگي سيستم بستگي به تعداد درجه آزادي و و ساختار پا ها و اندام هاي فوقاني دارد. طراحي ربات هاي دو پا توسط انسان تا حد بسيار زيادي تحت تاثير قرار گرفته و بر گرفته از پيچيدگي و چند بعدي بودن حرکت خود انسان دوپا مي باشد. بنابراين، بسياري از مدل ها و ماشين آلات پيشرفته شباهت زيادي به بدن انسان دارند.
از سوي ديگر، حرکت راه رفتن بستگي به فاصله نسبي بين دو پا ي ربات دارد. همچنين، راه رفتن شامل دو الگو راه رفتن استاتيک و پويا در قدم زدن است. در راه رفتن استاتيک، ربات دوپا داراي پاهاي بزرگ بوده و تعادلش را به وسيله قرار دادن مرکز جرمش در گستره اي که پاهايش تحمل و پشتيباني مي کنند حفظ مي کند.
اين نوع راه رفتن معمولا آهسته است. در مقابل پياده روي استاتيک، پياده روي پويا يا ديناميک از قدم زدن براي حفظ تعادل و برقراري پايداريش استفاده مي کند. اما کنترل کردنش سخت تر از کنترل در حالت استاتيک مي باشد. الگوي قدم زدن پويا خيلي سريع تر از قدم زدن استاتيک مي باشد.
1-2- مدل ساده ربات دو پاي پنج اتصال
در شکل زير يک مدل ديناميکي ربات دو پا با پنج درجه ي آزادي را ملاحظه مي کنيم:
شکل 1-1: مدل ديناميکي ربات دوپا با پنج درجه آزادي
مختصات مفاصل و سرعت هاي مفاصل عبارتند از:
q = [q1 ,…,qn ] 1-1
q? = [q?1 ,…,q?n ] 1- 2
در اين مدل n برابر 5 مي باشد.
Oi نشان دهنده مفصل i است. در اين مدل i برابر 6 مي باشد.
با استفاده از فرمول لاگرانژ، معادله ديناميکي حرکت، با توجه به استفاده از لاگرانژ در ضرايب در معادله زير نوشته شده است.
1-3
Qi بيان کننده ي گشتاور عمل کننده ي مفصل مي باشد.
JqT ماتريس ژاکوپين را نشان مي دهد.
? نشان دهنده ي نيروهاي محدود کننده اي مي باشد که به صورت نيروي واکنش زمين عمودي يا افقي هستند.
1-3- کنترل کننده ي منطق فازي
کنترل کننده منطق فازي يک علم اصول قردادي براي نمايش دادن، با مهارت انجام دادن (اداره کردن)، اجرا و تکميل کردن دانش اکتشافي و ابتکاري بشر براي چگونگي کنترل يک سيستم است.
در شکل 1-2 يک کنترل کننده ي فازي نشان داده شده است. در اين شکل کنترل کننده ي فازي در يک سيستم حلقه بسته قرار گرفته است.
خروجي ها به وسيله ي y(t) نشان داده شده اند. و ورودي ها با u(t) مشخص شده اند. همچنين ورودي مرجع براي کنترلگر فازي به وسيله ي r(t) نشان داده شده است.
شکل 1-2: ساختار کنترل کننده فازي
کنترلر فازي شامل چهار مؤلفه ي اصلي است:
1- rule-baseيا قانون پايه، به کار گيري دانش، در قالب مجموعه اي از قوانين، براي دستيابي به بهترين راه کنترل سيستم است.
2- مکانيسم استنتاج فازي قواعد کنترلي را به يک نگاشت از مجموعه هاي فازي در فضاي ورودي به مجموعه هاي فازي در فضاي خروجي بر اساس اصول منطق فازي تبديل مي کند. اين مکانيسم ارزيابي مي‌‌‌‌کند که کدام يک از قوانين کنترلي در زمان جاري يا فعلي مناسب مي باشد و سپس تصميم مي گيرد کدام قانون باقي بماند.
3- واسط کاربري fuzzification به سادگي وروديها را تغيير مي دهد به طوري که مي تواند قوانين را تفسير و با قوانين پايه مقايسه کند. يک فازي ساز در ورودي متغيرها با مقادير حقيقي را به يک مجموعه ي فازي تبديل مي کند.
4- واسط کاربري defuzzification نتايج بدست آمده را به شکل ورودي ها در مي آورد. به کلامي ديگر يک غير فازي ساز است که يک مجموعه ي فازي را به يک متغير با مقدار حقيقي در خروجي تبديل مي کند.
در واقع يک کنترل کننده ي فازي، تصميم گيرنده ي مصنوعيي است که در زمان واقعي(real time) در يک سيستم حلقه بسته عمل مي کند. کنترکننده ي فازي داده هاي خروجي y(t)را گرداوري ميکند، و آن ها را با ورودي هاي مرجع مقايسه کرده و سپس تصميم مي گيرد که چه ورودي u(t) اي براي رسيدن به هدف ما مناسب است براي طراحي کردن کنترل کننده ي فازي مهندس کنترل بايد در مورد چگونگي عملکرد تصميم گيرنده ي مصنوعي در سيستم حلقه بسته اطلاعات لازم را جمع آوري کند. گاهي اوقات اين اطلاعات مي تواند از تصميم گيرنده انساني که وظيفه کنترل را انجام مي دهد در حالي که در زمان هاي ديگر، مهندس کنترل مي تواند ديناميک دستگاه را بفهمد و مجموعه اي از قوانين در مورد چگونگي کنترل سيستم را بدون کمک گرفتن از بيرون را تنظيم کند. اين “قوانين” در واقع، مي گويند: “اگر خروجي و ورودي مرجع به شيوه اي خاص رفتار کنند آنگاه ورودي بايد برخي از مقادير يا ارزشها را در بر بگيرد”.
rule-base شامل مجموعه ي کاملي از قواعد “if-then” مي باشد، و يک استراتژي استنتاجي انتخاب شده و سپس سيستم براي مشاهده ي مشخصات حلقه بسته آماده ي آزمايش کردن است.
1-4- بيان مسأله
کنترل کنندهي ربات معمولا براي عملکرد راه رفتن يا قدم زدن استاتيک، برنامه ريزي مي شود، بنابراين براي دستيابي يه راه رفتن ديناميک (پويا) و رسيدن به عملکرد بهتر در خصوص سرعت بايد کنترل کننده ارتقاء يابد.
1-5- هدف از اين مطالعه
اهداف اصلي اين پروژه مطالعه ي دو بعدي سيستم ربات دو پاي پنج اتصال و طراحي چهار کنترل کنندهي منطق فازي براي کنترل کردن زاويه نيم تنه، ران ها و ساق هاي اين ربات مي باشد.
1-6- گستره کار
در اين پروژه به مطالعه ي دو بعدي راه رفتن يک ربات دو پاي پنج اتصال با در نظر گرفتن نيم تنه و زانوها مي پردازيم. مچ پا در نظر گرفته نشده است.
سطحي که ربات بر روي آن راه مي رود را به صورت دنباله اي از نقاط متصل به هم که يک خط راست را تشکيل مي دهند تعريف مي کنيم.
برهم کنش بين دوپا و زمين با استفاده از نيروهاي خارجي که بر روي نوک پا در هنگام برخورد با زمين عمل مي کنند مدل سازي شده است. اين اجازه مي دهد تا با استفاده از مدل ديناميکي هفت درجه ي آزادي، ديناميک سيستم را در همه ي موقعيت ها بررسي کنيم.
سيستم هاي کنترل PD است که در سال 2004 توسط Olli Haavisto و Hyotyniemi Heikki از دانشگاه تکنولوژي هلسينکي براي کنترل زواياي نيم تنه، ران ها و ساق ها طراحي شده اند کاملاً وقت گير و پيچيده مي باشند. به اين دليل که از چهار کنترل کننده براي کنترل چهار زاويه (زاويه ي نيم تنه، زاويه ي بين دو ران، زاويه ي ساق هاي چپ و راست) در هر يک از چهار مرحله ي راه رفتن(هر دو پا بر روي زمين، پاي چپ بر روي زمين، پاي راست بر روي زمين، نه پاي چپ و نه پاي راست روي زمين) استفاده مي کند.
به اين ترتيب، تعداد کل کنترل کننده ي PD سيستم برابر شانزده مي شود.
در اين پروژه، ما از سيگنال هاي خطا و تغيير در خطا سيستم PD قبلي استفاده مي کنيم تا بتوانيم تعداد کل کنترل کننده ها را به چهار کنترل کننده فازي به جاي 16 کنترل کننده PD کاهش دهيم.
در اين مورد نيازي به دانستن راجع به مرحله ي راه رفتن و يا بازخورد آن نداريم. زيرا چرخه ي کامل خطا، تغيير در خطا و سيگنال هاي کنترلي متناظر و مطابق آن ها با استفاده از MATLAB FIS Editor براي کنترل سيستم استفاده شده اند. در نهايت، يک مقايسه بين سيستم هاي فازي و سيستم PD انجام مي شود و به بحث در مورد مزايا و معايب استفاده از کنترل فازي در اين قبيل سيستم ها پرداخته مي شود.
1-7- نماي کلي از پايان نامه
اين پايان نامه درپنج فصل سازماندهي شده است. محتويات آنها به شرح زير است:
فصل 2، بررسي ادبيات مدل سازي و کنترل ربات دوپا به خصوص، با استفاده از تکنيک هوش مصنوعي.
فصل3، در مورد مدل سازي رياضي ربات دوپا پنج اتصال اين پروژه مي باشد. اين فصل شامل مروري بر سيستم و استخراج مدل رياضي از پويايي سيستم در فرم معادلات ديفرانسيل مي باشد. همچنين، مدل هاي MATLAB استفاده شده براي شبيه سازي مورد بررسي قرار مي گيرد.
فصل 4، شامل توصيف روش طراحي کنترل کننده فازي مرتبط با ربات دوپا پنج اتصال با استفاده از محيط Matlab / Simulink و ويرايشگر MATLAB / FIS مي باشد.همچنين در اين فصل شبيه سازي و ارزيابي عملکرد انجام شده و مقايسه بين کنترل فازي و PD مورد بحث قرار گرفته است.
فصل 5، نتيجه گيري از کار انجام شده است و چند پيشنهاد براي کار در آينده ارائه شده است.
فصل دوم:
مروري بر ادبيات و پيشينه تحقيق
2-1- گسترش در سال 1980
محققان متعددي نتايج نظري خاصي را در رابطه با مدل سازي ديناميکي و کنترل ربات هاي دو پا، بررسي کرده اند. همچنين آنان تعادل پويا (ديناميک) را با استفاده از آزمايشات بر روي ربات هاي مختلف مورد مطالعه قرار داده اند. در سال 1984،Miura و Shimogama از معادلات ديناميکي حرکت پاندول معکوس و خطي سازي آنها براي کنترل ربات هاي با سه درجه آزادي و Biper-3 و هفت درجه 4-‌Biper را استفاده کردند (Miura et al 1984, 60-74). گروه Waseda در سال 1984 موفق شدند قدم زدن ربات هيدروليکي به نام WL10RD را به صورت ديناميکي عملياتي کنند (Hun 2000, 525-530). در سال 1986 Furusho و Masubuchi از مدل ديناميکي غير خطي کاهش يافته مربوط به ساختار ربات آزمايشي براي تعيين کردن سيگنال هاي مرجع و رسيدن به راه رفتن پايدار استفاده کردند (Furusho and Masubuchi 1986, 111-118). ملاحظات گسترده از موضوعات اصلي در راه رفتن با تعادل پويا يا ديناميک همچنين در سال 1986 توسط Raibert ارائه شده است (Raibert 1988, 90-97). در سال 1988 Zheng راه رفتن ديناميکي را براي ربات دو پا ي با هشت درجه آزادي مورد مطالعه قرارداد (Zheng et al 1988, 70-77). او مدل ديناميکي واضح براي ربات دو‌پاي چند پيوندي ايجاد کرده و کنترل کننده ي فيدبک دار را طراحي کرد که مسير مرکز جرم را با استفاده از معيار پايداري مرز بهينه مي کند. سر انجام يک ربات دو پا با حرکت شناسي ساده در سال 1989 توسط Mcgeer با يک ساختار پيوندي محدود طراحي شد که توانايي داشت مسير در يک مسير کاملاً سهمي شکل حرکت کند. همچنين آن روبات دو پا مي توانست از يک سطح شيب دار در اثر نيروي جاذبه ي زمين به پايين حرکت کند (McGree 1990, 62-68).
2-2- پيشرفت در سال 1990
گروهWaseda يک روبات دو پايي هيدروليکي به نام WL-12RV توليد کرده است که به روش ZMP طراحي شده بود که در 54/0 ثانيه يک گام به طول 3/0 متر بر مي داشت و به نوبه ي خود يک ربات پوياي سريع در سال 1992 شناخته شد (Hun 2000, 525-530). در جاي ديگرKajita معادلات ديناميکي ربات دو پا را براي يک ربات ايده آل و بدون در نظر گرفتن جرم پاهاي ربات گسترش داد و در ضمن با اين فرض که حرکت بدنه ي ربات به حرکت افقي محدود شده است (Kajita et al 1992, 431-438). اين مدل ساده براي کنترل يک ربات دو پاي با 4 درجه آزادي اي و پاهاي کم وزن مورد استفاده واقع شد. در سال 1994،Grishin نتايج آزمايشات راه رفتن يک ربات دو پاي دو درجه آزادي را ارائه دادند که محدود به حرکت در يک صفحه ي واحد بود. روش آنها تاييد مي کند که استفاده از محاسبه ي آفلاين مسيرهاي عملگرهاي ظاهري مدل ديناميکي، کنترل کننده هاي آنلاين را به وسيله ي ترم هاي تطبيقي تقويت مي کند (Grishin et al 1994, 137-147).
2-3- تحرک ربات دو پا بر روي سطوح کمتر ساخت يافته
C.S linدر سال 1999 از سازمان مهندسي الکترونيک، دانشگاه ميسوري- کلمبيا در آمريکا يک متد طراحي کنترل را مورد مطالعه قرار داد که در آن پارامتر هاي مسير و کنترل کننده ي مناسب با استفاده از الگوريتم ژنتيک مورد بررسي قرار گرفتند (Cheng and Lin 2000, 163-170).
2-4- تعادل ديناميکي ربات دو پا با استفاده از عوامل يادگيري تقويت فازي
Zhou وQqingchun از موسسه مهندسي الکترونيک پلي تکنيک سنگاپور تعادل ديناميکي روبات دو پا را با استفاده از منطق فازي در سال 2002 بررسي کرده اند، اين تحقيق يک متد يادگيري تقويت فازي عمومي را براي کنترل تعادل ديناميکي ربات دو پا ارائه داد. بر پايه شبکه هاي عضبي-فازي، انواع مختلف دانش و اطلاعات بر پايه ي سنجش مي تواند درعوامل يادگيري تقويت فازي داخل شود تا شبکه عملکردش را آغاز کند تا موجب افزايش سرعت يادگيري شود. FRL پيشنهاد شده با استفاده از مدل شبيه سازي شده از ربات دو پا طرح ريزي شده است. آناليز شبيه سازي نشان مي دهد که با وارد کردن دانش تعادل و دانش شهودي بشر و دانش ارزيابي راه رفتن ميزان يادگيري عاملFRL براي تعادل دو طرف و تعادل عقب و جلو از دوپاي شبيه سازي شده مي تواند بهتر و توسعه يافته تر شود (Changjiu and Meng 2003, 169-187).
2-5- ابزار شبيه سازي از مدل راه رفتن ربات دو پا
OlliHaavisto و Heikki از دانشگاه تکنولوژي Helsinki از MATLAB براي شبيه سازي مدل ديناميکي راه رفتن دو بعدي ربات پنج پيوندي در سال 2004 استفاده کردند. اين تحقيق ابزار شبيه سازي ربات دو پا را در MATLAB مورد مطالعه قرار داد. اين ابزار، شبيه سازي ديناميکي دقيق مدل ربات دو پاي دو بعدي را در راه رفتن روي سطح، ممکن مي سازد. سطح راه رفتن به عنوان يک سلسله از نقطه ها متصل به خطوط راست، تعريف شده است. تقابل بين دو پا و زمين با استفاده از نيروهاي خارجي که بر هر پا در زمان تماس با زمين اثر مي گذارد، مدل سازي مي شود. و اين استفاده از يک مدل ديناميکي با هفت درجه آزادي براي توصيف پويايي سيستم در تمامي موقعييتها را، مقدور ميسازد. نيروهاي تماس زمين توسط کنترل کننده هاي PD مجزا محاسبه مي شود. محيط شبيه سازي شامل قالب شبيه سازي براي مدل دو پا، بلوک کنترل PD براي کنترل مدل و بلوک پايگاه داده است که کنترل رگرسيون گرد آمده را انجام مي دهد. همچنين شامل يک رابط گرافيکي کاربر براي شبيه سازي و تصوير متحرک حرکت ربات دو پا مي باشد.
2-6- کنترل پويا و پيوندي ربات دو پا در ناحيه پشتيباني
Mitsuharu وOhnishi از دانشگاه Keio، الگوي راه رفتن پويا يا ديناميک از يک مکانيزم معادل ربات دو پا را با کنترل گشتاورپيچشي در اطراف ZMP جهت راه رفتن مداوم در سال 2004 ايجاد کردند. اين تحقيق، تکنيک کنترل حرکت را براي سيستم پادار را به کار برد با اين حال، چون سيستم پادار نقطه ثابتي شباهتي با حالت سيستم دستکاري ندارد، حرکت سيستم توسط نيروي تماس بين سيستم ومحيط محدود مي شود. بنابراين، کنترل گشتاور نيرو در اطراف ZMP براي يک راه رفتن ثابت ضروريست و در مقابل فاصله بين دوپا بايد کنترل شود.
2-7- درک تجربي راه رفتن ديناميکي ربات دو پاي شبيه انسانKHR-2 با استفاده از بازخورد نقطه اي صفر و مقياس اينرسي
در سال 2005 June – yup، ILL -W00 وJun-Ho از موسسه ي پيشرفته علم و تکنولوژي کره، رباتKHR- 2 (ربات شبيه انسان) را با استفاده از الگوريتم جديد کنترل براي راه رفتن پويا يا ديناميک ايجاد کردند. براي تست، KHR-2 (KAIst ربات نوع 2شبيه انسان ) گسترش داده شد.KHR-2 ابزارهاي حسگر زيادي مشابه با اعضاي حسگر انسان دارد که مخصوصأ براي کنترل راه رفتن دو پا مفيد مي باشد. و ابتدا براي حرکت و راه رفتن ربات دو پا، معماري کنترل حرکت ساخته شده و سپس يک الگوي استاندارد مناسب و درست براي ربات هاي مشابه انسان با مشاهده ي پروسه ي راه رفتن انسان طراحي شده است. در مرحله دوم، مراحل راه رفتن توسط تقسيم دوره راه رفتن طبق خصوصيات حرکات، تعريف مي شود. و در مرحله ي سوم، به عنوان استراتژي کنترل راه رفتن، سه نوع طرح کنترل ايجاد شده است. طرح اول کنترل الگوي راه رفتن است که بطور دوره اي الگوي راه رفتن را تغيير مي دهد و آن بر پايه ي اطلاعات حسگر در طول هر دوره راه رفتن است. طرح دوم کنترل تعادل در زمان واقعي است که با استفاده از فيدبک حسگرها مي باشد. در هر طرح کنترل، کنترل کننده ي آنلاين طراحي شده و آنها قادر به نگه داشتن ثبات راه رفتن با هدف کنترل مي باشند که آن هم با استفاده از حسگرهاي کنترل کننده آنلاين در طول دوره ي راه رفتن بر طبق مراحل راه رفتن را طراحي مي شود و الگوريتم کنترل راه رفتن را انجام داده و تأثيرگذاري آن را از طريق آزمايشات با KHR2 ثابت مي شود (Jung 2006, 707-736).
2-8- بهينه سازي شيوه راه رفتن ربات دو پا توسط ترکيب ديناميکي مطلق
بهينه سازي ديناميکي حرکت ربات دوپا به وسيله ي ترکيب ديناميکي مطلق توسط نيما جمشيدي و مصطفي رستمي از دانشگاه تکنولوژي امير کبير انجام شده است. هدف و تمرکز اين تحقيق بهينه سازي حرکت در فاز پشتيباني دو طرفه است. مسئله بهينه سازي با استفاده از قاعده ماکزيمم Pontryagin بررسي مي شود. براي بهينه سازي حرکت در مرحله پشتيباني دو طرفه، شبکه زنجيري حرکت شناسي در نظر گرفته مي شود تا مفصل مناسب باز شده و عناصر نيروهاي واکنش زمين، بر روي نوک پاي جلو به کار برده شده و سر انجام متد پنالتي براي محکم کردن پا در مکان تعيين شده يا مجازش استفاده شده است. مجموعه هاي عملي يا محتمل حرکت مورد ملاحظه قرار گرفته اند و آن با استفاده از محدوديت نا برابري يا عدم تساوي مي باشد که موجب محدوديت حرکت مفصل مي شود عناصر نيروهاي واکنش زمين بر پاي جلو به عنوان متغير هاي کنترل در بهينه سازي مرحله پشتيباني دو طرفه معرفي شده اند. اين تکنيک پيشنهاد شده توانايي ايجاد حرکت هاي آزاد بهينه را بدون تعيين خط سير مفصل، را دارد و معيار عملکرد را بر پايه گشتاور عمل کننده مفصل، به حداقل مي رساند (Jamshidi and Rostami 2008, 1175-1181).
سر انجام، GoswamiDip، VadaKKep prahald،phvng Kien از دنشگاه ملي سنگاپور، ترکيب روش راه رفتن بهينه و عمومي بر پايه الگوريتم را مورد مطالعه قرار مي دهند و حد ثبات و سرعت را مي سنجند (Goswami 2009, 355-365).
فصل سوم:
روش شناسي تحقيق
3-1- مقدمه
اين بخش در مورد روش شناسي پروژه است. هدف اصلي اين پروژه اين است که در کنترل پوياي راه رفتن ربات دوپا پنج اتصال که قبلا با روش PD کنترل شده بو د با تغيير کنترل کننده PD به کنترل کننده‌‌‌هاي منطق فازي از طريق کاهش تعداد کل کنترل کننده از 16 تا به چهار کنترل کننده به يک سيستم ساده تر برسيم. شکل 3-1 مراحل اين پروژه را نشان مي دهد.
از سوي ديگر، پلت فرم شبيه سازي در اين پروژه MATLAB Simulink،m-file ها و سيستم استنتاج ويرايشگر فازي FIS Editor))است. ويرايشگر FIS اطلاعات مربوط به سيستم استنتاج فازي را مي دهد. در بالاي دياگرام سيستم با ورودي و خروجي است که به وضوح با برچسب مشخص شده است. با دوبار کليک کردن بر روي جعبه ورودي يا خروجي، ما مي توانيم تابع عضويت ويرايشگر را فعال نماييم. با دوبار کليک کردن بر روي جعبه قاعده فازي در مرکز نمودار مي توان ويرايشگر قواعد را به کار انداخت. شکل3-2 FIS editor را پس از تايپ کلمه ي fuzzy در خط فرمان matlab نشان مي دهد.
شکل 3-1: مراحل پروژه
شکل 3-2: FIS Editor
3-2- ديناميک ربات دوپا
در بررسي دو بعدي ربات دوپا اين ربات شامل پنج اتصال مي باشد که به وسيله ي مفاصل بدون اصطکاک بهم متصل شده اند. پاها به صورت يکسان داراي مفصل زانو بين دو بخش ران و ساق پا مي باشند. و از يک بدنه ي سخت نيم تنه ي بالا را تشکيل داده است شکل3-1 (الف) ساختار مدل و متغيرهاي استفاده شده را نشان مي دهد. و به عنوان يک سيستم که بتواند آزادانه در صفحه ي xy حرکنت کند و پنج اتصال باشد داراي هفت درجه ي آزادي است. با توجه به شکل 3-3 (الف) مختصات متناظر به صورت زير است:
q = [x0; y0, ?,?L,?R,?L, ?R]T 3-1
مختصات (x0; y0) موقعيت مرکز جرم نيم تنه ي بالا را نشان مي دهند و بقيه ي مختصات براي توصيف موقعيت هاي زواياي مفاصل مي باشند.
طول لينک ها با (l0; l1; l2) نشان داده شده است و جرم هاي (m0;m1;m2). مرکز جرم هاي اتصالات در فواصل (r0; r1; r2) از مفصل هاي متناظر واقع شده اند.
( ب) (الف)
شکل 3-3: (الف)مدل ربات دوپا و مقادير ثابت. (ب) نيرو هاي خارجي
اين مدل با چهار گشتاور به حرکت در مي آيد:
3-2 M = [ML1, MR1, ML2, MR2]?
و دو تا از آنها در بين نام تنه و ران ها عمل مي کنند و دو تاي ديگر در مفصل زانو (شکل 3-3ب).
سطح قدم زدن با استفاده از نيرو هاي خارجي مدل شده است:
3-3 F= [FLx, FLy, FRx, FRy]?
که بر انتهاي هر دو پاها وارد مي شود. وفتي که پا بايد زمين را لمس کند نيرو هاي مربوطه براي نگهداري فعال مي شوند و هنگامي که پا بلند مي شود نيروها صفر مي شوند.
با استفاده از مکانيک لاگرانژي، معادلات ديناميکي براي سيستم دوپا به صورت زير حاصل مي شود:
3-4



قیمت: تومان


پاسخ دهید