Dinamica sistemelor mecatronice si robotice. Teorie si aplicatii

CUPRINS Prefa ţă ........................................................................................................ 5 Capitolul 1. Sisteme mecatronice şi robotice ......................................... 11 1.1. Concept. Definiţii........................................................................ 11 1.2. Primele idei................................................................................. 14 1.3. Sisteme mecatronice şi robotice................................................. 18 1.3.1. Automobilul........................................................................ 19 1.3.2. Sisteme mecatronice în medicină....................................... 21 1.3.3. Maşini cu comanda numerică............................................. 25 1.3.4. Sisteme robotice................................................................. 26 1.3.4.1. Roboţi industriali....................................................... 26 1.3.4.2. Roboţi mobili............................................................. 28 1.3.4.3. Roboţi hiper-redundanţi............................................. 32 Capitolul 2. Modelarea dinamică a sistemelor mecatronice. Fundamente, Formalisme ................................................ 42 2.1. Fundamente.............................................................................. 42 2.1.1. Momente de inerţie.............................................................. 42 2.1.1.1. Definiţii...................................................................... 44 2.1.1.2. Variaţia momentelor de inerţie în raport cu axe paralele................................................................... 44 2.1.1.3. Variaţia momentelor de inerţie în raport cu axe concurente................................................................... 46 2.1.2. Lucrul mecanic...................................................................... 48 2.1.2.1. Deplasări elementare ale corpului............................... 48 2.1.2.2. Deplasări elementare într-un sistem de corpuri.......... 51 2.1.2.3. Lucrul mecanic al unei forţe....................................... 53 2.1.2.4. Lucrul mecanic al unui sistem de forţe oarecare......... 56 2.1.3. Impulsul................................................................................. 62 2.1.4. Energia cinetică şi energia potenţială.................................... 63 2.1.4.1. Energia cinetică.......................................................... 63 2.1.4.2. Energia potenţială....................................................... 66 2.2. Formalisme................................................................................ 67 2.2.1. Formalismul Lagrange.......................................................... 69 2.2.1.1. Modelul dinamic utilizând ecuaţiile lui Lagrange de speţa a II-a.............................................................. 69 Dinamica sistemelor mecatronice ş i robotice. Teorie ş i aplica ţ ii 8 2.2.1.2. Modelul dinamic utilizând ecuaţiile lui Lagrange cu multiplicatori de speţa I-a ……………………………… 70 2.2.2. Formalismul Newton-Euler.................................................... 71 2.2.3. Modelarea dinamică prin metoda Kane.................................. 76 Capitolul 3. Modele dinamice ale sistemelor mecatronice şi robotice . ........................................................................... 78 3.1. Modelul dinamic al automobilului................................................ 78 3.2. Modelul dinamic al amortizorului cu fluide ER pentru roboţi................................................................................ 82 3.2.1.Introducere.............................................................................. 82 3.2.2.Amortizor bazat pe fluide ER................................................. 83 3.2.3. Structura fizică....................................................................... 84 3.2.4. Modelul dinamic.................................................................... 85 3.3. Modelarea unui cărucior pentru persoane cu handicap, dotat cu amortizor bazat pe fluide ER......................................... 92 3.3.1.Fluide electorheologice........................................................... 94 3.3.2.Structura amortizorului ER..................................................... 94 3.3.3.Modelul dinamic al sistemului............................................... 96 3.4. Modelarea dinamică a structurilor pendulare................................ 98 3.4.1. Modelarea dinamică a pendulului invers.............................. 101 3.4.1.1. Noţiuni introductive.................................................... 101 3.4.1.2. Modelul dinamic......................................................... 102 3.4.2. Modelarea dinamică a pendulului compus........................... 108 3.4.3. Modelul dinamic al pendulului gravitaţional cu resort şi amortizor............................................................................ 109 3.4.4. Modelarea dinamică a robotului Acrobot............................. 110 3.4.4.1. Modelul dinamic pentru un Acrobot cu o articulaţie activă şi o articulaţie pasivă...................... 110 3.4.4.2. Modelul dinamic pentru un Acrobot cu două articulaţii active....................................................... 112 3.4.5. Modelul dinamic al pendulului dublu-invertor aflat pe o platformă în mişcare.......................................................... 114 3.4.6. Modelul dinamic al unei structuri mecatronice prin metoda d’Alembert........................................................................... 118 3.5. Dinamica structurilor păşitoare.................................................... 125 3.5.1.Modelul dinamic al roboţilor bipezi..................................... 125 3.5.2.Dinamica unui robot păşitor.................................................. 131 3.6. Dinamica structurilor hiper-redundante....................................... 150 3.6.1. Modelul dinamic pentru un manipulator HR cu structura fizică formată din segmente rigide, înseriate..... 153 Dinamica sistemelor mecatronice ş i robotice. Teorie ş i aplica ţ ii 9 3.6.2. Modelul dinamic al braţului HR ideal.............................. 158 3.6.3. Modelul dinamic al structurilor HR utilizând ecuaţiile de echilibru pentru medii deformabile.............................. 163 3.6.3.1. Modelul dinamic al unui manipulator HR utilizând ecuaţiile de echilibru pentru medii deformabile. Aplicaţii................................................ 170 3.6.3.2. Modelul dinamic al unui manipulator HR sub acţiunea forţei gravitaţionale utilizând ecuaţiile de echilibru pentru medii deformabile....................... 171 3.6.3.3. Modelul dinamic al unui manipulator HR sub acţiunea forţelor de frecare vâscoasă utilizând ecuaţiile de echilibru pentru medii deformabile....................... 172 Capitolul 4. Controlul dinamic al sistemelor mec atronice şi robotice 4.1. Controlul dinamic al piciorului robotului păşitor...................... 176 4.1.1. Controlul poziţiei piciorului robotului păşitor prin legi de conducere convenţionale............................................. 178 4.1.2. Controlul poziţiei piciorului robotului păşitor prin legi de conducere neconvenţionale utilizând tehnica fuzzy...... 181 4.2. Controlul dinamic al poziţiei unui robot tentacular................... 187 4.2.1. Controlul dinamic pentru un manipulator tentacular acţionat cu actuatori de tip SMA ……………………….. 188 4.2.1.1. Structura fizică a manipulatorului tentacular........... 189 4.2.1.2. Relaţii energetice ale modelului tentacular.............. 191 4.2.1.3. Controlul poziţiei prin legi de conducere convenţionale.............................................................. 194 4.2.1.4. Teste experimentale şi Simulări................................ 198 4.2.2. Conducerea fuzzy pentru un manipulator tentacular acţionat cu actuatori de tip SMA...................................... 225 4.3. Controlul fuzzy al unui robot mobil utilizând metoda câmpului de potenţial artificial................................................................. 230 4.3.1. Metoda potenţialului artificial......................................... 231 4.3.1.1. Potenţialul artificial de atracţie............................... 232 4.3.1.2. Potenţialul artificial de respingere........................... 233 4.3.2. Modelul dinamic al sistemului......................................... 234 4.3.3. Controllerul Fuzzy............................................................ 235 Bibliografie .............................................................................................. 241