طراحي، مدل سازي و شبيه سازي حركتي بازوهاي رباتيكي با ساختار متغير با زمان در محيط سيال

Design, modeling and motion simulation of robotic manipulators with timevarying structure in a fluid environment

در اين مقاله، مدل ديناميكي يك بازوي رباتيكي با ساختار متغير با زمان در محيط سيال استخراج مي‌گردد. تغيير محيط كاري بازوهاي رباتيكي و استفاده از آن‌ها بصورت مكانيزم‌هاي ساختار متغير با زمان، موجب رفع محدوديت فضاي كار ربات در هنگام استفاده در محيط سيال مي‌شود. اين در حالي است كه مدل‌ ساختار جديد متناسب با كاربرد آن در درون سيال، بدست مي‌آيد. بدين ترتيب با درنظرگرفتن اثر متقابل ناشي از برهم‌كنش ميان سيال و بازوي رباتيكي در قالب نيروهاي هيدرواستاتيكي و هيدروديناميكي، معادلات نهايي حركت محاسبه مي‌گردند. اگرچه تغيير ساختار مكانيكي بازوي رباتيكي و اثر عمل و عكس‌العمل متقابل آن بر سيال سبب مي‌گردد، معادلات حركت بدست آمده با سيستم‌هاي مشابه كه ساختار متغير با زمان ندارند، متفاوت شود. در نتيجه، معادلات نهايي وابسته به زمان مي‌باشند. اين موضوع از مقايسه نتايج به دست آمده از رفتار ربات در محيط هوا و سيال، مشخص مي‌گردد؛ بدين ترتيب، علاوه بر حركت دوراني، در حركت خطي مفصل كشويي نيز بواسطه ويژگي تراكم ناپذير بودن سيال، از طرف سيال نيروي عكس‌العمل مقاوم به بازوي رباتيكي وارد مي‌شود. در اين راستا مدل ديناميكي با استفاده از فرمولاسيون گيبس اپل بازگشتي بدست آمده و در ادامه در محيط نرم‌افزار متلب شبيه‌سازي شده و نتايج حاصل ارائه مي‌گردند. معادلات بر اساس سطح مقطع‌هاي متفاوت بازوها، محيط متفاوت و همچنين با لحاظ اثر هر يك از نيروهاي هيدرواستاتيكي و هيدروديناميكي شبيه‌سازي مي‌گردد. در نتيجه‌ي آن، دامنه‌ي حركت پنجه‌ي ربات در محيط آب به نسبت هوا به ميزان 60 درصد كاهش مي‌يابد.

This paper presents a dynamic model of a robotic manipulator with a time-varying structure in a fluid medium. Changing the working environment of the manipulators and using them as time-varying structure cause to eliminate the robot workspace limitations when used in a fluid medium. In addition, it provides more access for end-effectors via new manipulator structures design that used revolute-prismatic joints. While the new manipulator structure’s model is obtained commensurate with its application in the fluid environment. Thus, by considering the hydrostatic and hydrodynamic interaction forces that implemented between the fluid and the robot arm, the final motion equations of the robot are evaluated. However, the change in the robot’s structure and its fluid implemented action and reaction force, caused the obtained motion equations differ from similar systems with time-invariant structures. As a result, the final equations are time dependent. This is evidenced by comparing the results obtained from the robot's behavior in air and fluid medium. Thus, in addition to the rotational motion, in the linear motion of the prismatic joint, due to the incompressibility of the fluid, a resistive force is applied by the fluid to manipulator links. In this regard, the dynamic model is obtained using the recursive Gibbs-Apple formulation and then simulated in MATLAB software. The equations are simulated and discussed based on the different links cross-sectional areas, various environments, as well as the effect of each of the hydrostatic and hydrodynamic forces. As a result, the robot's motion in the water medium is reduced by 60% relative to the air environment. The robot's motion is more affected by the drag force than other resistive forces.