Skip to main content
SUPERVISOR
Saeed Behbahani,Mostafa Ghayour
سعید بهبهانی (استاد مشاور) مصطفی غیور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Soroush Ghaderi
سروش قادری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Modeling and Motion Control of a Spherical Robot
In the last twenty years, spherical mobile robots have been noticed. herical robots, due to their special abilities and their symmetrical shape, do not overturn during operation and have better maneuverability, also the closed cover of the robot protects its internal system from dust and other harmful factors and enables the robot to perform missions in environments where humans or other robots are unable to pass through these places. Mathematical modeling is always an important part of robotics therefore, at first, the kinematics modeling of the spherical robot was done with three rotor mechanisms. Afterwards, the dynamic modeling of the spherical robot was performed using two different constrained Lagrange and Newton methods. Subsequently, Lagrangian and Newtonian dynamics of the robot were examined on an inclined plane, and the Lagrangian dynamics of the spherical robot were also analyzed when the robot slipping. Some works were done on Newtonian dynamics to prepare the dynamic equations for controlling the system. The robot was then controlled using computed torque, fuzzy computed torque, adaptive fuzzy computed torque, sliding mode, and fuzzy sliding mode methods and the results of these five control methods were compared. At the end of this section, the undetermined dynamics of the robot were estimated using neural network and the control was done based on the neural network. Finally, a linear and circular path were designed for the robot and the robot's motion on the inclined plane was investigated and the probability of slippage on the inclined plane was also considered. The results of the linear path that was designed in this study were verified by a previous research. The results of these two studies were compatible with each other.All simulations were done with MATLAB and Simulink software. One of the innovations of this study is that the Lagrangian dynamics of spherical robot with three inertial wheels has been thoroughly studied for the state of pure rotation, furthermore, when the robot slips, the robot's dynamics on the inclined plane are completely derived from two different methods, and using fuzzy algorithms the solutions were improved and the undetermined dynamics of the system has been estimated using adaptive neural network algorithms. The uncertain dynamics were well estimated and the robot was well controlled. One of the benefits of a neural network estimator was that the control of the robot was done well, this is mainly because the undetermined dynamics were estimated, therefore, this process did not required much knowledge about nonlinear dynamics . Another topics addressed in this study was the investigation of the spherical robot slipping on an inclined plane because when the robot moves on an inclined plane and for example when it goes up, it may slip. Keywords: Spherical robot, inertia disk, Newton-Euler, Constrained Lagrangian, quaternion, fuzzy logic, computed torque control, sliding mode, neural network, inclined plane, slipping
در بیست سال گذشته ربات‌های متحرک کروی مورد توجه قرار گرفته‌اند. ربات‌های کروی با توجه به توانایی‌های خاص خود و شکل و شمایل متقارنی که دارند، در طول عملیات دچار واژگونی نشده و قابلیت مانور بهتری دارند همچنین پوشش بسته این ربات، سیستم داخلی آن را از گرد و غبار و سایر عوامل مشکل‌ساز محافظت می‌کند و به ربات قابلیت انجام ماموریت در محیط‌هایی را می‌دهد که انسان یا ربات‌های دیگر، توانایی عبور از این شرایط را ندارند. مدل‌سازی ریاضی همیشه بخش بسیار مهمی از علم رباتیک به شمار می‌آید لذا در ابتدا مدل‌سازی‌های سینماتیکی ربات کروی با وجود سه روتور انجام می‌شود سپس مدل‌سازی دینامیکی ربات کروی با استفاده از دو روش متفاوت لاگرانژ مقید و نیوتن صورت می‌گیرد. در ادامه دینامیک لاگرانژی و نیوتنی ربات روی سطح شیب‌دار بررسی می‌شود و دینامیک لاگرانژی ربات کروی زمانی که ربات لغزش دارد نیز تحلیل می‌گردد. کارهایی بر روی دینامیک نیوتنی ربات صورت می‌گیرد به گونه‌ای که روابط دینامیکی برای کنترل مجموعه آماده‌سازی می‌گردند. در ادامه با استفاده از پنج روش مختلفِ گشتاور محاسبه شده، گشتاور محاسبه شده‌ی فازی، گشتاور محاسبه شده‌ی فازی تطبیقی، مود لغزشی و مود لغزشی فازی کنترل ربات صورت می‌گیرد و نتایج حاصل از این پنج روش کنترلی با یکدیگر مقایسه می‌گردند. در تکمیل این بخش، دینامیک‌های نامعین ربات توسط شبکه‌ی عصبی تخمین زده‌ می‌شوند و کنترل برمبنای شبکه‌ی عصبی صورت می‌گیرد. در انتها نیز طراحی مسیر خطی و دایره‌ای برای ربات صورت می‌گیرد و حرکت ربات روی سطح شیب‌دار مورد بررسی قرار می‌گیرد و احتمال وقوع لغزش روی سطح شیب‌دار نیز در نظر گرفته می‌شود. نتایج حاصل از طراحی مسیر خطی این پژوهش با یکی از پژوهش‌های پیشین صحت سنجی می‌شود. نتایج این دو پژوهش تطابق خوبی با یکدیگر نیز دارند. تمامی شبیه‌سازی‌ها با نرم افزار سیمولینک متلب صورت گرفته است. از نوآوری ‌های پژوهش حاضر این است که روش استخراج دینامیک لاگرانژ مقید برای ربات کروی با وجود سه چرخ اینرسی به طور کامل برای حالتی که ربات غلتش خالص داشته باشد و برای حالتی که ربات لغزش می‌کند، بررسی شده است همچنین دینامیک این ربات روی سطح شیب‌دار به طور کامل از دو روش مختلف بدست آمده است و با بهره‌گیری از الگوریتم‌های فازی جواب‌ها بهبود یافته است و با استفاده از الگوریتم‌های تطبیقی شبکه عصبی دینامیک‌های نامعین سیستم تخمین زده شده است. تخمین دینامیک‌های نامعین به خوبی صورت گرفته است و کنترل ربات به خوبی انجام شده است. از مزایای تخمین‌گر شبکه عصبی این است که بدون داشتن اطلاعات زیادی از دینامیک‌های غیرخطی، هدایت ربات به خوبی صورت می‌گیرد زیرا این دینامیک‌های نامعین تخمین زده می‌شوند. از موارد دیگری که در این پژوهش به آن پرداخته شده است، بررسی لغزش ربات کروی روی سطح شیب‌دار است زیرا هنگامی که ربات روی سطح شیب‌دار حرکت می‌کند و برای مثال از سطح شیب‌دار بالا می‌رود احتمال وقوع لغزش وجود دارد. کلمات کلیدی ربات کروی، دیسک اینرسی، نیوتن-اویلر، لاگرانژ مقید، کواترنیون، منطق فازی، کنترل گشتاور محاسبه شده، مود لغزشی، شبکه عصبی، سطح شیب‌دار، وقوع لغزش

ارتقاء امنیت وب با وف بومی