طراحي، ساخت و كنترل يك ماژول رباتيكي پيوسته با محرك هاي فنر آلياژ حافظه‌دار

Design, manufacturing and control of a continuum robotic module actuated by shape memory alloys

بازوهاي رباتيكي پيوسته و انعطاف‌پذير كاربردهاي ويژه‌اي در بسياري از زمينه‌ها، از جمله ادوات پزشكي دارند. نمونه‌هايي از اين كاربردها، بازوهاي رباتيكي مورد استفاده در انجام عملهاي جراحي درون بدن، يا ابزار آندوسكوپي و كلونوسكوپي مجاري داخل بدن انسان، مانند مري و روده مي‌باشد. اندازه‌ي كوچك و قابليت مانور زياد، توانمندي اين ابزارها را در كاربردهاي مورد نظر افزايش مي‌دهد. يكي از محركهاي مفيد در كوچك‌سازي سيستمهاي مكاترونيكي، آلياژهاي حافظه‌دار مي‌باشد. اين مواد كه معمولاً بصورت محركهاي خطي در سيستمها مورد استفاده قرار مي‌گيرد مي‌توانند نيروهاي بسيار زيادي در مقابل وزن خود اعمال نمايند. در اين مقاله، با جايگذاري سه فنر آلياژ حافظه‌دار در ساختار يك ماژول انعطاف‌پذير، مكانيزمي دو درجه آزادي ايجاد شده است. اين ماژول، قابليت ويژه‌اي در توسعه‌ي سيستمهاي ماژولار رباتيكي، بخصوص بازوهاي انعطاف‌پذير دارد. ماژول طراحي شده تغيير شكلهاي بزرگي داشته و فضاي دسترسي مناسبي را فراهم مي‌كند. در اين پژوهش، مدلسازي ماژول، به منظور استخراج پارامترهاي طراحي و شبيه‌سازي، مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به خواص پيچيده آلياژ حافظه‌دار و وجود نايقيني در مدل، كنترل ماژول مشكل مي‌باشد. از اينرو با به كارگيري الگوريتم كنترلي غير مدل مبنا، در اين مقاله سعي شده است تا شكل نهايي ماژول كنترل گردد. عملكرد كنترلر معرفي شده با آزمايشات تجربي صحه‌گذاري شده است. فضاي كاري گسترده و كنترل‌پذيري مناسب ماژول استفاده از آن براي كاربردهاي واقعي را كاملاً توجيه مي‌نمايد.

Continuum and flexible manipulators have a special role in medical applications. One application is robotic manipulators used for surgery or endoscopic tool used for inspection of body parts like esophagus or colon. In addition to small size, better maneuverability increases the tool performance in real applications. One of the useful actuators in miniaturizing mechatronic systems is shape memory alloys. This material, typically used as a linear actuator, produces high forces in comparison to weight. In this paper, by embedding three shape memory springs inside the structure of a flexible module, a two-DOF mechanism is provided. The module has rigorous usage in modular robotic systems, especially flexible manipulators. The developed module produces large deflection in addition to covering a large workspace. Modeling of the module is discussed in this paper for extracting module parameters in design and implementing the simulation. Through the complex behavior of SMA and uncertainty in model, control of SMA is a challenge. In this paper using a novel algorithm, a desired shape for the module is provided. Using the new non model based control approach, the final shape or position is realized. The adequacy of introduced controller is verified through experiments. Large workspace and controllability of module make it feasible for real applications.