Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed Behbahani,Mehdi Keshmiri
سعید بهبهانی (استاد مشاور) مهدی کشمیری (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hamid Azizan
حمید عزیزان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Fuzzy Controller Design Based on Genetic Algorithm for a Parallel Manipulator of Motion Simulators with Rotary Actuators
Design of a fuzzy controller based on genetic algorithm for a 6-DOF parallel manipulator is studied in this thesis. In the analytical part, the study deals with kinematic and dynamic analysis of the manipulator as well as its control synthesis via Parallel Distributed Compensation (PDC) method. In the experimental part, implementation of the controller on a prototype of this kind has been carried out. This manipulator is basically made up of two platforms. The base platform is fixed to the ground and is linked to the moving platform through six legs. Each leg comprises two links with a universal joint connection in between. The lower link is connected to the base platform through a revolute joint and upper link is connected to the moving platform through a spherical joint.Kinematic constraint equations are extracted in both, algebraic and differential forms. As a result, the forward and inverse kinematics of the robot are solved. The full nonlinear dynamic equations of the manipulator are derived using Lagrange’s method for constrained systems. Using orthogonal complement of the constraint Jacobian matrix and eliminating the Lagrange multipliers, dynamic equations are reduced to a set of six independent differential equations.Based on the kinematic and dynamic analysis of the manipulator a Takagi-Sugeno fuzzy model of the system is presented through a combination of linear systems. The concept of PDC is used to design the fuzzy controller for the system. To linearize the nonlinear system, some points in the workspace of the manipulator are chosen and dynamical model is linearized at these points. Stability of the designed fuzzy control system is guaranteed via Lyapunov approach . The sufficient conditions for the existence of an appropriate controller are presented in terms of Linear Matrix Inequalities (LMIs). These LMIs are used to determine the common positive definite matrix and the feedback gains.This manipulator has many singular points, large degrees of freedom and a challenging dynamics to control. Therefore, choosing the points in the workspace of the manipulator to design the fuzzy controller is very important and optimization of the controller is necessary. Therefore, in this thesis to design the optimal PDC fuzzy controller, genetic algorithm is used and the linearizing points are chosen optimally. Due to model based nature of the controller, practically implementation of the controller faced several problems. However, two sliding mode and PID controllers are implemented in the experimental prototype. Therefore, implementation results of controllers are presented at the end. Keywords: Parallel robot, Motion simulator, Rotary actuator, PDC Fuzzy control, Genetic algorithm
در این پژوهش به آنالیز سینماتیک و دینامیک ربات موازی شبیه‌سازهای حرکتی با محرک‌های دورانی و کنترل آن با استفاده از روش کنترل فازی PDC به همراه راه‌اندازی نمونه آزمایشگاهی ربات پرداخته شده‌است. این ربات از یک سکوی ثابت و یک صفحه متحرک، شش بازوی دورانی (مجهز به سیستم محرک) متصل به سکوی ثابت و شش بازوی میانی تشکیل شده که توسط اتصالات گوی‌و‌کاسه و یونیورسال به صفحه متحرک و بازوهای دورانی متصل می‌شوند. روابط سینماتیکی ربات با لحاظ‌کردن قیود حرکتی مفاصل، بصورت جبری و دیفرانسیلی و معادلات دینامیکی آن با استفاده از روش لاگرانژ برای سیستم‌های مقید، استخراج شده‌اند. سپس نحوه حذف ضرایب لاگرانژ به کمک ماتریس مکمل متعامد و فرم کاهش یافته معادلات جهت طراحی کنترل‌کننده ارائه شده است. در مدل‌سازی سینماتیکی و دینامیکی ربات از لقی و انعطاف‌پذیری مفاصل همچنین اصطکاک در مفاصل صرف‌نظر شده‌است. نتایج حاصل از تحلیل سینماتیک و دینامیک، برای طراحی کنترل‌کننده فازی PDC مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در این روش کنترلی ابتدا نقاطی در فضای کار ربات انتخاب می‌شوند؛ پس از آن معادلات غیرخطی سیستم حول این نقاط خطی خواهند شد. شایان ذکر است به دلیل در دست نبودن فرم بسته معادلات دینامیکی تغییراتی در روند خطی‌سازی ایجاد شده‌است. پس از استخراج فرم خطی شده معادلات دینامیک غیرخطی، معادلات غیرخطی سیستم با استفاده از روش تاکاگی- سوگنو به صورت ترکیبی از معادلات سیستم‌های خطی مدل می‌شود. در ادامه قانون کنترلی به صورت ترکیبی فازی از قوانین کنترل خطی تعیین خواهدشد. برای اثبات پایداری کنترل‌کننده فازی از تئوری پایداری لیاپانوف استفاده شده که ارضاء شرایط آن منجر به حل نامعادلات خطی ماتریسی برای پیدا کردن ماتریس مثبت معین ‌معرفی شده در این تئوری و ماتریس‌های فیدبک حالت برای هرکدام از سیستم‌های خطی می‌گردد. با توجه به این‌که ربات موازی شبیه‌سازهای حرکتی دارای نقاط منفرد فراوان در مرز فضای کاری خود است و از طرفی تعداد درجات آزادی این ربات بالاست و علاوه بر آن دینامیک بسیار پیچیده‌ای دارد، بنابراین در این ربات‌ها تعیین تعداد و محل نقاط برای طراحی کنترل‌کننده فازی از اهمیت بالایی برای این ربات برخوردار است و بهینه‌سازی کنترل‌کننده ضروری است. به همین دلیل در این پژوهش برای دستیابی به یک کنترل‌کننده بهینه از الگوریتم ژنتیک استفاده شده‌است. در این نوع بهینه‌سازی نقاطی که برای طراحی کنترل‌کننده فازی استفاده می‌شوند، به صورت بهینه انتخاب می‌شوند. برای دستیابی به این هدف، یک تابع برازندگی متشکل از شش نقطه در فضای کار ربات به عنوان ورودی و انتگرال خطای شبیه‌سازی حرکت ربات به عنوان خروجی در نظر گرفته‌ شده‌است. همچنین نشان داده شده که کنترل‌کننده فازی بهینه‌سازی شده با شش نقطه، عملکرد بهتری نسبت به کنترل‌کننده بهینه‌سازی نشده با ده نقطه دارد. علاوه بر تجزیه و تحلیل نظری ربات موازی مورد مطالعه راه‌اندازی یک نمونه آزمایشگاهی این ربات جزء اهداف این پژوهش است که نتایج راه‌اندازی و کنترل این نمونه آزمایشگاهی نیز ارائه شده‌است. کلمات کلیدی: ربات موازی شش درجه آزادی، شبیه‌ساز حرکت، محرک‌های دورانی، روش لاگرانژ، خطی‌سازی معادلات دینامیک، کنترل‌کننده فازی و الگوریتم ژنتیک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی