Skip to main content
SUPERVISOR
سعید بهبهانی (استاد راهنما) مهدی کشمیری (استاد مشاور) علی نحوی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Ahmad Mashayekhi
احمد مشایخی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Theoretical and Experimental Study of Haptic Device Stability
In this thesis new closed-form equations for stability analysis of a linear haptic device are presented using two different methods of frequency and state-space analysis. The developed equations provide critical virtual damping and stiffness of the virtual environment versus mass and viscous friction of the haptic device, sampling time and time delay. Unlike prior work in this field, the developed equations are valid without any limitation on the values of the time delay and virtual damping. It is shown that they cover available well known equations in literature for special cases of small values of virtual damping and time delay. The resulting equations are of practical usefulness in many fields, such as surgery simulation for avoiding instability during virtual tool interaction with high-stiffness virtual environments. The proposed analytical derivation can also be used for studying the effect of operator, sensors, actuator dynamics, and velocity filtering. Simulation and experimental results on the KUKA Light Weight Robot (LWR) show that the proposed criterion can accurately predict the stability boundaries. Also describing function of Karnopp and LuGre friction models are determined for the first time. Using these describing functions, dynamic phenomenas such as Stribeck effect, sticksion, variable break-away force, Hysteresis and frictional lag are involved in stability of haptic devices. Simulations show that stability boundaries can be determined with good precision in this case. Keywords: Haptic devices; stability; time delay; describing function; Karnopp friction; LuGre friction; LMI.
امروزه ربات ها در تعامل با انسان ها دارای کاربردهای وسیعی هستند. یکی از این کاربردها شبیه سازی اجسام و سطوح مجازی برای انسان به منظور انجام وظایفی از جمله عمل از راه دور، آموزش و غیره است. اجسام مجازی عموما به صورت فنر و میراگر مجازی مدل می شوند. شبیه سازی سطوح سفت(با فنریتزیاد) یکی از چالش های پیش رو در استفاده از ربات های لامسه ای است. اگر سفتی جسم مورد شبیه سازی از مقدار مشخصی فراتر برود، ارتعاشاتشدیدی در رباتلامسه ای ایجاد و ناپایداری در آن مشاهده می شود. این ناپایداری می تواند به ربات و یا حتی به کاربر آن آسیبوارد کند. افزایشزمان نمونه برداری و تاخیر زمانی در حلقه کنترلی موجبکاهشمحدوده پایداری و در نتیجه کم شدن بیشینه سفتی قابل شبیه سازی توسط ربات لامسه ای می شود. وجود اصطکاکدر ربات های لامسه ای امری غیرقابل اجتناباست. اصطکاکو جرم موثر رباتلامسه ای، شفافیترا در شبیه سازی اجسام مجازی کم می کنند. اثرات دینامیکی و نامعین پدیده اصطکاکمنجر به پیچیدگی و کاهشکارآیی ربات لامسه ای می شوند. اصطکاک از سوی دیگر به دارشدن ربات لامسه ای کمکمی کند؛ در واقع وجود حداقل مقداری از اصطکاکمیرا (چه به صورت حقیقی و چه مجازی) برای پایدارشدن ربات لامسه ای ضروری است. در تحقیق پیش رو، تحلیل پایداری ربات لامسه ای برای یافتن محدوده عملکرد پایدار آن انجام شده است. در این تحلیل ها هدف بررسی پایداری در تاخیرهای زمانی بالا، مقادیر زیاد ضریبمیرایی مجازی و در نظر گرفتن مدل های اصطکاکی می باشد. برای این منظور روش های مبتنی بر انرژی، تحلیل فرکانسی ربات لامسه ای، تحلیل فضای حالت و همچنین تحلیل با تابع توصیفی استفاده شده اند. نتایج بدست آمده شامل فرمول هایی بسته برای تعیین مرز پایداری بوده که برخلافکارهای پیشین انجام شده در این زمینه، بدون هیچ محدودیتی بر روی مقدار تاخیر زمانی و ضریبمیرایی مجازی صادقند. همچنین با تعمیم این روش ها تاثیر هر مدل خطی از دستکاربر بر روی پایداری قابل بررسی است. یافتن تابع توصیفی برای مدل های اصطکاکی کارنوپ و لوگره و همچنین بررسی تاثیر آن بر روی مرز پایداری نیز از جمله یافته های این تحقیق هستند. نتایج بدستآمده توسطشبیه سازی و همچنین زمایشاتبر روی رباتکوکا سبکوزن، واقع در دانشگاه ناپولی فدریکو دوم در ایتالیا صحه گذاری شده اند. کلمات کلیدی -1 ربات لامسه ای 2- پایداری 3-تاخیر زمانی 4- تابع توصیفی اصطکاککارنوپ 5-تابع توصیفی اصطکاکلوگره 6- نامساوی ماتریسی خطی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی