Skip to main content
SUPERVISOR
Mehdi Keshmiri,Mahmoud Kadkhodaei
مهدی کشمیری (استاد راهنما) محمود کدخدایی الیادرانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hadi Karimi
هادی کریمی

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

Modeling and Design of a Controller for a Finger Actuated by Shape Memory Alloys
Shape memory alloys are a group of smart materials which are of a lot interest in different fields such as robotics. Shape memory alloys have a complex electro-thermo-mechanical dynamic and due to which their modeling is difficult. In fact the main problem for the modeling is that their temperature and stress change simultaneously. So choosing a proper model which can predict shape memory alloys’ behavior in presence of temperature-stress dependency is so important.Nonlinear hysteresis and uncertainties makes shape memory alloys actuators’ control difficult. Modeling of shape memory alloys in a way to be used in control algorithm, choosing a proper control method to compensate for hysteresis and overcome the uncertainties problem as well as kinetics of the robot finger and eventually studying the results are the main parts of this research. In this study for investigating the shape memory alloys behavior and controllers’ performance, a rotary manipulator which is actuated with shape memory alloys is modeled. Also changing the temperature of the SMAs is done by joule heating. For the rotary manipulator mentioned some control algorithms are designed. First a position-based PID controller is designed, and it is found that this controller cannot perform well for all the desired angular positions (set-points). Also the performance of the controller is not good for tracking. Regarding that the temperature and transformation of shape memory alloys depends on the stress, choosing the stress as the set-point can be so efficient. So a sliding mode controller based on the stress of the SMA wire is designed. The results show better performance for this controller than the PID one for both regulation and tracking. By studying the results, it is found that choosing different values for the slope of sliding surface have an effect on the performance of the controller. So to have a better performance a fuzzy tuner is designed for tuning the slope of sliding surface. The position error is the input for the fuzzy tuner and the slope of sliding surface is the output. The better performance of the controller than the previously designed controllers is showed. Finally to study the robustness of the fuzzy-sliding mode controller the performance of the controller is investigated by considering the moment of inertia, damping coefficient and heat convection coefficient as the uncertainties. The performance of the proposed controllers is studied for both a 1DOF and a 3-link rotary manipulator which are actuated with shape memory alloys. The results show that the sliding mode controller cannot perform well for all set-points for the 3-link manipulator, but the fuzzy-sliding mode controller does have a good performance for all set-points. Key words: hape memory alloys, sliding mode controller, fuzzy tuner, Robustness
آلیاژهای حافظه دار دسته ای از مواد هوشمند هستند که امروزه در صنایع مختلف از جمله سیستم های رباتیکی مورد توجه قرار گرفته اند. یکی از کاربردهای این آلیاژها در سیستم های رباتیکی، ساخت عملگرهای مورد نیاز در انگشت ها و دست های مصنوعی است. این عملگرها دارای دینامیک مکانیکی-الکتریکی-حرارتی پیچیده بوده و نتیجتا" مدل کردن آنها دشوار است. بنابراین انتخاب مدلی مناسب که بتواند با وجود وابستگی دما و تنش رفتار آلیاژهای حافظه دار را به خوبی پیش بینی کند از اهمیت ویژه ای برخوردار است.هیسترزیس غیر خطی و وجود نامعینی ها نیز کنترل عملگرهای حافظه دار را دشوار می کند. مدل کردن رفتار آلیاژهای حافظه دار جهت استفاده در الگوریتم کنترل، استفاده از روش کنترلی مناسب جهت جبران هیسترزیس و غلبه بر نامعینی ها به همراه سینماتیک انگشت ربات و در نهایت بررسی نتایج موضوع اصلی این تحقیق را دربر می گیرند. در این تحقیق به منظور مطالعه ی رفتار آلیاژهای حافظه دار و بررسی عملکرد کنترل کننده های ارایه شده یک بازوی دورانی که توسط آلیاژهای حافظه دار تحریک می شود مدل شده است. همچنین تغییر دمای آلیاژهای حافظه دار به منظور تحریک آن ها به صورت الکتریکی با اعمال ولتاژ انجام می پذیرد. برای بازوی دورانی ذکر شده الگوریتم های کنترلی متفاوتی طراحی شده اند. ابتدا یک کنترل کننده ی PID بر پایه ی موقعیت طراحی شده است و نشان داده شده است که این کنترل کننده برای همه ی موقعیت های زاویه ای نمی تواند به خوبی عمل کند. همچنین این کنترل کننده در تعقیب مسیر نتوانسته است که عملکرد مناسبی ارایه دهد. با توجه به وابستگی دما و تبدیل فاز آلیاژهای حافظه دار به تنش، انتخاب تنش به عنوان ورودی مرجع می تواند کارآمد باشد. بنابراین یک کنترل کننده ی مود لغزشی بر پایه ی تنش طراحی شده است. بررسی نتایج، عملکرد بهتر این کنترل کننده را هم در رسیدن به موقعیت زاویه ای مطلوب و هم تعقیب مسیر نشان می دهد. با مطالعه ی نتایج مشخص می شود که انتخاب مقادیر متفاوت برای شیب سطح لغزشی بر عملکرد کنترل کننده اثر می گذارد. بنابراین برای بهبود عملکرد کنترل کننده ی مود لغزشی از یک تنظیم کننده ی فازی برای تنظیم شیب سطح لغزشی استفاده شده است. تنظیم کننده ی فازی بر اساس ورودی خطای موقعیت طراحی شده است. عملکرد بهتر کنترل کننده ی فازی-مود لغزشی نسبت به دو کنترل کننده ی قبلی نشان داده شده است. در نهایت برای بررسی مقاوم بودن کنترل کننده ی فازی-مود لغزشی عملکرد کنترل کننده با در نظر گرفتن ممان اینرسی بازو، ضریب میرایی و ضریب جابه جایی حرارتی به عنوان نامعینی های موجود تحقیق شده است. عملکرد الگوریتم های کنترلی طراحی شده برای کنترل موقعیت یک بازوی دورانی با یک درجه آزادی که توسط آلیاژهای حافظه دار تحریک می شود مورد مطالعه قرار گرفته و همین طور نحوه ی عملکرد یک انگشت سه بندی دارای عملگرهای ساخته شده از آلیاژهای حافظه دار به همراه برخی نتایج بیان شده است.کلمات کلیدی:آلیاژهای حافظه دار، کنترل مود لغزشی، تنظیم کننده ی فازی، مقاوم بودن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی