عنوان پایان‌نامه
بهینه سازی حساسیت سینماتیکی و فضای کاری مکانیزم های موازی صفحه ای
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکاترونیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 63505;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 87
- تاریخ دفاع
- ۲۱ تیر ۱۳۹۳
- دانشجو
- مرتضی دانشمند
- استاد راهنما
- مهدی طالع ماسوله
- چکیده
- مکانیزم‌های موازی دارای یک سری عملگر می‌باشند. لذا با کنترل موقعیت عملگر ها، می‌توان حرکت مکانیزم را کنترل نمود. در عمل، تمامی عملگر ها دارای خطا می‌باشند. تغییرات حرکت مکانیزم بر اساس تغییرات ورودی، حساسیت سینماتیکی نامیده می‌شود. هر چه میزان حساسیت سینماتیکی مکانیزم کمتر باشد نشان دهنده کمتر شدن اثر خطای ورودی بر حرکت مطلوب مجری نهائی مکانیزم می‌باشد. پیش از این شاخص های زیادی برای ارزیابی کارائی کینتواستاتیکی مکانیزم‌های موازی تعریف شده‌اند که اکثرا اساسشان بر ماتریس ژاکوبین است. از آنجا که در حالت کلی، اعضای ماتریس ژاکوبین، یعنی ماتریسی که بیان‌گر نسبت سرعت های خروجی به ورودی مجری نهائی می‌باشد، همگن نمی‌باشند، شاخص‌های ذکر شده نمی‌توانند معیار درستی برای بررسی کارائی کینتواستاتیکی یک مکانیزم باشند، و صحت آنها اخیرا زیر سؤال رفته است. اخیرا دو شاخص متمایز به نام‌های حساسیت سینماتیکی انتقالی و دورانی تعریف گشته‌اند، که مشکلات غیر همگن بودن ماتریس ژاکوبین را برطرف می‌کنند. در این پژوهش، تلاش بر این است که ضمن مقایسه کیفیت و اعتمادپذیری شاخص‌های پیشنهادشده در گذشته، از شاخص حساسیت سینماتیکی برای بهینه‌سازی کارائی کینتواستاتیکی مکانیزم‌های موازی صفحه‌ای، و نیز یک مکانیزم موازی فضائی با نام چشم چابک استفاده گردد. برای فرایندهای بهینه‌سازی، از الگوریتم‌های NSGA-II و نیز، یک روش ابداعی، با نام CEA، استفاده می‌گردد. البته، از آنجا که مکانیزم‌های موازی غالبا فضای کاری محدودی دارند، این کمیت نیز جزو شاخص‌های مهم در فرایندهای طراحی، مقایسه یا بهینه‌سازی مکانیزم‌های موازی محسوب می‌گردد. از این رو، فضای کاری نیز به‌عنوان یکی از توابع هدف مسأله بهینه‌سازی مدنظر قرار می‌گیرد. بنابراین، بهینه‌سازی با استفاده از الگوریتم‌های چندهدفه انجام می‌گیرد تا امکان ارتقای هم‌زمان کاری مکانیزم‌ها از هر دو جنبه فراهم گردد. به‌علاوه، در تعریف تمامی شاخص‌های پیشنهادشده در گذشته، فرض بر این بود که خطاهای مجری نهائی صرفا متأثر از عدم‌قطعیت‌های مفاصل فعال، یا به عبارت دیگر، محرک‌ها، است. با این حال، بدیهی است که در طراحی مفاصل غیرفعال نیز لقی‌هائی وجود دارد که موقعیت یا دوران صفحه متحرک را نسبت به حالت ایده‌آل تغییر می‌دهد. بنابراین، استفاده از شاخصی که چنین تغییراتی را نیز محاسبه می‌کند به ارتقای دقت مدل سینماتیکی در تخمین کران بالای خطای موجود در مجری نهائی در اثر یک بردار نرم واحد خطای ورودی، که همان تعریف متداول حساسیت سینماتیکی است، کمک می‌کند. بنابراین، ازجمله سرفصل‌های اساسی دیگر که در این پژوهش بررسی می‌گردد، تعریف شاخص حساسیت سینماتیکی جدیدی است که عدم‌قطعیت‌های موجود در مفاصل غیرفعال را نیز مدنظر قرار می‌دهد. این شاخص، برای تست کارائی و اعتمادپذیری، به‌عنوان نمونه، بر روی چند مکانیزم موازی اعمال، و نتایج حاصله ارائه شده‌است. برای فرایندهای بهینه‌سازی در این بخش، از جعبه‌ابزار fmincon، و یک جعبه‌ابزار بهینه‌سازی محدب، با نام SOSTOOLS، استفاده می‌گردد. کلمات کلیدی: مکانیزم‌های موازی صفحه‌ای، فضای کاری، حساسیت سینماتیکی، بهینه‌سازی، مفاصل غیرفعال، بهینه‌سازی محدب.
- Abstract
- Parallel mechanisms have actuators to enable their end-effector to move. Thus controlling the actuators is the means by which the position and rotation (pose) of the end-effector can be controlled. All joints suffer from uncertainties. Obviously, it matters that how the foregoing uncertainties would affect the pose of the moving platform. The degree to which the pose of the end-effector is influenced by the uncertainties in the input commands is mathematically formulated by the virtue of kinematic sensitivity. There are various kinetostatic performance indices proposed in the literature, most of which are defined on the basis of the Jacobian matrix. As the Jacobian matrix for a general parallel mechanism consists of elements related to both translational and rotational parameters, the aforementioned kinetostatic performance indices are not reliable in terms of the physical interpretation associated with them.The foregoing shortcoming had been overcome by the emergence of two separate indices called point-displacement and rotational kinematic sensitivity. In this project, one of the main goals was to analyse the credibility of a variety of the kinetostatic performance indices proposed in the literature, and to use them to optimize the design of planar parallel mechanisms, along with a spatial one called "the Agile Eye". For the optimization procedures, DE, NSGA-II and a novel approach, called CEA, have been used. Besides, as parallel mechanisms mostly possess comparatively low workspace volumes, this parameter is also an essential one. Therefore, this parameter is, as well, considered an objective of the optimization procedure, and multi-objective optimization algorithms have been used for the sake of simultaneous improvements in terms of both kinetostatic performance and workspace volume. Besides, in the previously proposed indices, it was always assumed that the the moving platform is only affected by the active joints, i.e., the passive joints are accurate. Nevertheless, passive joints always present uncertainties, which will obviously influence the pose of the moving platform. Therefore, another major point which is extensively dealt with within the project is defining a new kinematic sensitivity index which considers the uncertainties in the passive joints in its formulation as well, which would improve the exactness of the index in terms of estimation of the upper-bound error of the pose of the end-effector caused by a unit-norm error in the input vector, which is the definition of the conventional kinematic sensitivity index. The latter aim has been realized upon defining such an index and implementing it on some case-study parallel mechanisms in order to prove its reliability to the sense of physical interpretation. For the optimization procedures, fmincon and the convex-optimization-based SOSTOOLS toolboxes have been used. Keywords: planar parallel mechanisms, workspace, kinematic sensitivity, optimization, passive joints, convex optimization.
