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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، مهندسی مکانیک، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، خوزستان

چکیده

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.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

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

نویسنده [English]

  • Siavash Fathollahi Dehkordi
Mechanic Engineering Department, Shahid Chamran University of Ahwaz, Ahwaz, Khuzestan, Iran
چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Robotic manipulators with time-varying dynamics
  • Fluid and robotic arms interaction
  • Revolute-Prismatic joints
[1] Underwater Robots – 2nd Edition, Vol. 2. Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2006.
[2] S. Sivčev, J. Coleman, E. Omerdić, G. Dooly, and D. Toal, Underwater manipulators: A review, Ocean Eng., Vol. 163, pp. 431–450, Sep. 2018.
[3] W.-S. Chu et al., “Review of biomimetic underwater robots using smart actuators, Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 13, No. 7, pp. 1281–1292, Jul. 2012.
[4] J. Long, Y. Tian, W. Chen, J. Leng, and Y. Wang, Locating, trajectory planning and control of an underwater propeller cleaning manipulator, Ocean Eng., Vol. 243, p. 110262, Jan. 2022.
[5] W. Kolodziejczyk, The method of determination of transient hydrodynamic coefficients for a single DOF underwater manipulator, Ocean Eng., Vol. 153, pp. 122–131, Apr. 2018.
[6] S. Zhou, C. Shen, Y. Xia, Z. Chen, and S. Zhu, Adaptive robust control design for underwater multi-DoF hydraulic manipulator, Ocean Eng., Vol. 248, p. 110822, Mar. 2022.
[7] S. F. Dehkordi, Dynamic analysis of flexible-link manipulator in underwater applications using Gibbs-Appell formulations, Ocean Eng., Vol. 241, p. 110057, Dec. 2021.
[8] M. H. Korayem, S. F. Dehkordi, M. Mojarradi, and P. Monfared, Analytical and experimental investigation of the dynamic behavior of a revolute-prismatic manipulator with N flexible links and hubs, Int. J. Adv. Manuf. Technol., Apr. 2019.
[9] M. H. Korayem, S. F. Dehkordi, and O. Mehrjooee, Nonlinear analysis of open-chain flexible manipulator with time-dependent structure, Adv. Sp. Res., Vol. 69, No. 2, pp. 1027–1049, Jan. 2022.
[10]  E. Karamipour, S. F. Dehkordi, and M. H. Korayem, Reconfigurable Mobile Robot with Adjustable Width and Length: Conceptual Design, Motion Equations and Simulation, J. Intell. Robot. Syst., Vol. 99, No. 3–4, pp. 797–814, Sep. 2020.
[11] H. Huang, G. Tang, H. Chen, L. Han, and D. Xie, Dynamic Modeling and Vibration Suppression for Two-link Underwater Flexible Manipulators, IEEE Access, pp. 1–1, 2022.
[12] A. K. Sharma and S. K. Saha, Simplified Drag Modeling for the Dynamics of an Underwater Manipulator, IEEE J. Ocean. Eng., Vol. 46, No. 1, pp. 40–55, Jan. 2021.
[13] H. Yan et al., Dynamics and stability of an extending beam attached to an axially moving base immersed in dense fluid, J. Sound Vib., Vol. 383, pp. 364–383, Nov. 2016.
[14] B. Lévesque and M. J. Richard, Dynamic Analysis of a Manipulator in a Fluid Environment, Int. J. Rob. Res., Vol. 13, No. 3, pp. 221–231, Jun. 1994.
[15] M. Aghajari, S. Fathollahi Dehkordi, and M. H. Korayem, Nonlinear dynamic analysis of the extended telescopic joints manipulator with flexible links, Arab. J. Sci. Eng., Vol. 46, No. 8, pp. 7909–7928, Aug. 2021.
[16] A. A. Yusof, F. Wasbari, and M. Q. Ibrahim, Research Development of Energy Efficient Water Hydraulics Manipulator for Underwater Application, Appl. Mech. Mater., Vol. 393, pp. 723–728, Sep. 2013.
[17] J. Zhang et al., Development of a Virtual Platform for Telepresence Control of an Underwater Manipulator Mounted on a Submersible Vehicle, IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 64, No. 2, pp. 1716–1727, Feb. 2017.