طراحی، مدل‌سازی و شبیه‌سازی حرکتی بازوهای رباتیکی با ساختار متغیر با زمان در محیط سیال

در این تحقیق، مدل دینامیکی یک بازوی رباتیکی با ساختار متغیر با زمان در محیط سیال استخراج می‌گردد. تغییر محیط کاری بازوهای رباتیکی و استفاده از آن‌ها بصورت مکانیزم‌های ساختار متغیر با زمان، موجب رفع محدودیت فضای کار ربات در هنگام استفاده در محیط سیال می‌شود. از سوی دیگر موجب ایجاد دسترسی بیشتر پنجه‌ی ربات با استفاده از طرح ربات‌ ساختار متغیر با مفاصل دورانی - کشوری می‌گردد. این در حالی است که مدل‌ ساختار جدید متناسب با کاربرد آن در درون سیال، بدست می‌آید. بدین ترتیب با درنظرگرفتن اثر متقابل ناشی از برهم‌کنش میان سیال و بازوی رباتیکی در قالب نیروهای هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی، معادلات نهایی حرکت محاسبه می‌گردند. اگرچه تغییر ساختار مکانیکی بازوی رباتیکی و اثر عمل و عکس‌العمل متقابل آن بر سیال سبب می‌گردد، معادلات حرکت بدست آمده با سیستم‌های مشابه که ساختار متغیر با زمان ندارند، متفاوت شود. در نتیجه، معادلات نهایی وابسته به زمان می‌باشند. این موضوع از مقایسه نتایج به دست آمده از رفتار ربات در محیط هوا و سیال، مشخص می‌گردد؛ بدین ترتیب، علاوه بر حرکت دورانی، در حرکت خطی مفصل کشویی نیز بواسطه ویژگی تراکم ناپذیر بودن سیال، از طرف سیال نیروی عکس‌العمل مقاوم به بازوی رباتیکی وارد می‌شود. در این راستا مدل دینامیکی با استفاده از فرمولاسیون گیبس اپل بازگشتی بدست آمده و در ادامه در محیط نرم‌افزار متلب شبیه‌سازی شده و نتایج حاصل ارائه می‌گردند. معادلات بر اساس سطح مقطع‌های متفاوت بازوها، محیط متفاوت و همچنین با لحاظ اثر هر یک از نیروهای هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی شبیه‌سازی می‌گردد. در نتیجه‌ی آن، دامنه‌ی حرکت پنجه‌ی ربات در محیط آب به نسبت هوا به میزان 60 درصد کاهش می‌یابد. همچنین در مقایسه اثرات نیروهای برهم‌کنش میان سیال و لینک‌های ربات، میزان اثرپذیری حرکت ربات از نیروی درگ از سایر نیروهای مقاوم بیشتر می‌باشد.

design, modeling and motion simulation of robotic manipulators with time-varying structure in a fluid environment

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.