كنترل موقعيت ربات موازي نيوماتيكي 6 درجه آزادي گاف-استوارت به كمك كنترل‌كننده‌ي پسگام مدلغزشي

Position Control of a 6-DoF Pneumatic Gough-Stewart Parallel Robot Using Backstepping-Sliding Mode Controller

در اين مقاله، كنترل موقعيت يك ربات موازي نيوماتيكي شش درجه آزادي گاف-استوارت موسوم به هگزاتار به منظور رديابي مسيرهاي مطلوب مطالعه شده است. در ابتدا، معادلات ديناميكي مربوط به سيستم نيوماتيكي هر شاخه از اين ربات استخراج شده است كه شامل معادلات ديناميكي يك عملگر نيوماتيكي و يك شيربرقي تناسبي مي‌باشد. متغيرهاي نامعلوم معادلات ديناميكي شامل ضريب ويسكوزيته، نيروي اصطكاك عملگر و متغيرهاي مربوط به شيربرقي بدست آمده و توسط الگوريتم ژنتيك شناسايي شده‌اند. سپس، كنترل موقعيت عملگر نيوماتيكي با توجه به اين مدل و بر اساس طراحي كنترل كننده‌ي پسگام مدلغزشي انجام مي‌گيرد. بعلاوه، معادلات سينماتيك ربات هگزاتار بدست مي‌آيد و با استفاده از يك روش ابتكاري با نام روش هندسي حل شبه سينماتيك، بدون استفاده از حسگرهاي گران‌قيمت و بر اساس داده‌هاي حسگرهاي پتانسيومتر خطي روي هر شاخه و حسگر دوران متصل شده بر روي مجري نهايي ربات، موقعيت مجري نهايي ربات محاسبه مي‌شود. بدين ترتيب، كنترل موقعيت حلقه بسته‌ي ربات هگزاتار بر مبناي كنترل همزمان در فضاي مفاصل و فضاي كاري ربات به كمك كنترل كننده‌ي پسگام مدلغزشي و روش محاسبه‌ي موقعيت مجري نهايي ربات انجام مي‌گيرد. مسيرهاي مطلوب سينوسي براي رديابي در راستا و حول هر يك از محورهاي مختصات به منظور ارزيابي عملكرد استراتژي كنترلي به كارگرفته شده مورد آزمايش قرار مي‌گيرند. نتايج آزمايش‌هاي عملي نشان مي‌دهد كه مسيرهاي مطلوب مستقيم در راستا و دوراني حول محورهاي مختصات به ترتيب با اندازه‌اي كمتر از 2 سانتي‌متر و 3 درجه رديابي مي‌شوند. اين حد از دقت براي يك ربات نيوماتيكي بسيار مطلوب مي‌باشد.

In this paper, position control is addressed for a pneumatically actuated 6-DoF Gough-Stewart parallel robot. At first, dynamic model of the pneumatic system of each link of the robot which comprises a pneumatic actuator and a proportional electrical control valve is extracted. Unknown parameters of the obtained dynamic model consisting friction force, viscous coefficient and the parameters of the valve are identified by employing an evolutionary algorithm. Then, position control of the robot’s pneumatic actuator is performed based on designing Backstepping-Sliding Mode controller according to the nonlinear dynamic model of the pneumatic system. Moreover, kinematic equations of the 6-DoF parallel robot are achieved and a novel method is proposed, the so-called Geometry-based Quasi-Forward Kinematic, to the end of calculating the position of the end-effector of the robot without using expensive position sensors. Accordingly, kinematic closed-loop control of the parallel robot, which is based on simultaneous joint space and task space control, is investigated for trajectory tracking using potentiometers, a rotation sensor, and based on the computed position of the end-effector by the proposed method. Desired sinusoidal trajectories with pure motions and also complicated trajectories are tracked in which error of positions and rotations are lower than 2 (cm) and 3 (deg), respectively. The results reveal that the trajectory tracking control of the pneumatic 6-DoF Gough-Stewart parallel robot is performed properly based on the proposed control strategies and the novel method for calculating the position of the end-effector.