دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

طراحی، تحلیل و پیاده‌سازی پلتفرم استوارت ۶ درجه آزادی با استفاده از سیستم کنترل سینماتیک معکوس و کنترل‌کننده PID برای شبیه‌سازی حرکات پیچیده در کاربردهای صنعتی و شبیه‌سازهای پرواز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
میرابوالفضل مختاری
دانشیار، دانشکده مهندسی و پرواز، دانشگاه افسری امام علی (ع)، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، یک پلتفرم استوارت با ۶ درجه آزادی طراحی و پیاده‌سازی شده است که به دلیل ساختار موازی خود، عملکرد بهتری نسبت به ربات‌های سریال دارد. به‌منظور تثبیت موقعیت پلتفرم، یک سیستم کنترل سینماتیک معکوس به همراه کنترل‌کننده‌های PID برای هر پایه طراحی و اجرا گردید. برای یک موقعیت مشخص، طول بازوها از طریق سینماتیک معکوس محاسبه شده و با کمک موتورهای استپر، هر پایه به طول مطلوب می‌رسد. آزمایش‌های عملی نشان داد که کنترل‌کننده PID قادر است موقعیت مطلوب را در حضور اختلالات متداول مانند نویز الکتریکی یا تغییرات ناگهانی بار با حداکثر خطای ±۰.۵ میلی‌متر و ارتعاشات مکانیکی حفظ کند. علاوه بر این، سیستم حرکتی پلتفرم با استفاده از موتورهای استپر عملکردی پایدار با دقت موقعیت‌یابی ±۰.۱ میلی‌متر و زمان پاسخ ۰.۲ ثانیه در شرایط بار نامی داشته و قادر است حرکات پیچیده‌ای را در شبیه‌سازی‌ها و کاربردهای صنعتی به‌صورت موثر پیاده‌سازی کند. دقت سیستم با انحراف استاندارد ۰.۰۵ میلی‌متر در ۱۰۰ آزمون تکراری تأیید شد و دقت و کارایی کنترل‌کننده پیشنهادی تایید شده است.
کلیدواژه‌ها
پلتفرم استوارت
6 درجه آزادی
سینماتیک
کنترلر

موضوعات

عنوان مقاله English

Design, analysis and implementation of a 6-degree-of-freedom Stuart platform using an inverse kinematics control system and a PID controller to simulate complex motions in industrial applications and flight simulators

نویسنده English

M. Abolfazl Mokhtari
Associate Professor Faculty of Engineering and Flight, Imam Ali University, Tehran, Iran.
چکیده English

In this study, a Stuart platform with 6 degrees of freedom has been designed and implemented, which has better performance than serial robots due to its parallel structure. In order to stabilize the platform position, an inverse kinematics control system with PID controllers was designed and implemented for each leg. For a given position, the length of the arms is calculated through inverse kinematics and with the help of stepper motors, each leg reaches the desired length. Practical experiments showed that the PID controller is able to maintain the desired position in the presence of common disturbances such as electrical noise or sudden load changes with a maximum error of ±0.5 mm and mechanical vibrations. In addition, the platform motion system using stepper motors has a stable performance with a positioning accuracy of ±0.1 mm and a response time of 0.2 seconds under nominal load conditions and is able to effectively implement complex movements in simulations and industrial applications. The system accuracy was confirmed with a standard deviation of 0.05 mm in 100 replicate tests, and the accuracy and efficiency of the proposed controller have been verified.

کلیدواژه‌ها English

Stewart platform
6 degrees of freedom
kinematics
controller
[1] V. E. Gough and S. G. Whitehall, “Universal type test machine,” in Proc. 9th Int. Tech. Congress, FISITA, 1962, pp. 117–137.
[2] D. Stewart, “A platform with six degrees of freedom,” Proc. Inst. Mech. Eng., vol. 180, pp. 371–386, 1965.
[3] G. Lebret, K. Liu, and F. L. Lewis, “Dynamic analysis and control of a Stewart platform manipulator,” J. Robot. Syst., vol. 10, no. 5, pp. 629–655, 1993.
[4] L. Fraguela, L. Fridman, and V. V. Alexandrov, “Output integral sliding mode control to stabilize the position of a Stewart platform,” J. Franklin Inst., vol. 349, no. 4, pp. 1526–1542, 2012.
[5] L. Fraguela, L. Fridman, and V. V. Alexandrov, “Position stabilization of a Stewart platform: Higher-order sliding mode observer based approach,” J. Franklin Inst., vol. 349, no. 2, pp. 441–455, 2012.
[6] A. Omran, M. Bayoumi, A. Kassem, and G. El-Bayoumi, “Optimal forward kinematics modeling of Stewart manipulator using genetic algorithms,” Jordan J. Mech. Ind. Eng., vol. 3, pp. 280–293, 2009.
[7] P. Nanua, K. Wampler, and M. Vasudeva, “Direct kinematics solution of a Stewart platform,” IEEE Trans. Robot. Autom., vol. 6, no. 4, pp. 438–444, 1990.
[8] C. F. Chang, M. Y. Yu, and L. C. Fu, “Sliding-mode control of the Stewart manipulator,” in Proc. 5th Asian Control Conf., vol. 1, 2004, pp. 562–569.
[9] N. I. Kim and C. W. Lee, “High-speed tracking control of Stewart platform manipulator via enhanced sliding mode control,” in Proc. Int. Conf. Robot. Autom., Leuven, Belgium, 1998, pp. 2716–2721.
[10] S. Iqbal and A. I. Bhatti, “Direct sliding-mode controller design for a 6-DOF Stewart manipulator,” in Proc. IEEE Multitopic Conf. (INMIC), 2006, pp. 421–426.
[11] C. I. Huang and L. C. Fu, “Smooth sliding mode tracking control of the Stewart platform,” in Proc. IEEE Conf. Control Appl., 2005, pp. 43–48.
[12] T. Gonzalez, J. A. Moreno, and L. Fridman, “Variable gain super twisting sliding mode control,” IEEE Trans. Autom. Control, vol. 57, no. 8, pp. 2100–2105, 2012.
[13] S. Dereje and A. Jain, “Comparison of joint-space and task-space integral sliding mode controller implementations of a 6-DOF parallel robot,” in Proc. 11th WSEAS Int. Conf. Robot., Control Manuf. Technol., 2011.
[14] H. S. Kim, Y. M. Cho, and K. Lee, “Robust nonlinear task-space control for a 6-DOF parallel manipulator,” in Proc. 41st IEEE Conf. Decision Control, vol. 2, 2002, pp. 2062–2067.
[15] C. Edwards and S. K. Spurgeon, Sliding Mode Control: Theory and Application Model. London, U.K.: Taylor & Francis, 1998.
[16] B. Draženović, “The invariance conditions in variable structure systems,” Automatica, vol. 5, pp. 287–295, 1969.
[17] V. I. Utkin, J. Guldner, and J. Shi, Sliding Mode Control in Electromechanical Systems. London, U.K.: CRC Press, 1999.
[18] A. Levant, “Higher order sliding modes, differentiation and output feedback control,” Int. J. Control, vol. 76, no. 9–10, pp. 924–941, 2003.
[19] V. I. Utkin, Sliding Modes in Control and Optimization. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1992.
[20] A. Smith et al., “Adaptive control of Stewart platforms for dynamic loads,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 68, no. 5, pp. 4321–4330, 2021.
[21] B. Zhao, “Robust adaptive sliding mode control for parallel manipulators,” Mechatronics, vol. 75, 2022.
[22] C. Lee, “Model predictive control in flight simulators,” J. Robot. Syst., vol. 39, no. 3, pp. 210–225, 2020.
[23] D. Chen, “Real-time MPC for 6-DOF platforms,” Control Eng. Pract., vol. 115, 2021.
[24] E. Garcia, “PID vs. sliding mode control: A comparative study,” Int. J. Autom. Comput., vol. 19, no. 2, pp. 189–201, 2022.
[25] F. Wang, “Structural optimization of Stewart platforms,” Mech. Mach. Theory, vol. 158, 2021.
[26] G. Zhang, “Precision analysis of parallel robots,” Robotica, vol. 40, no. 4, pp. 987–1002, 2022.
[27] H. Li, “Stepper motor selection for high-precision applications,” IEEE/ASME Trans. Mechatron., vol. 26, no. 1, pp. 512–520, 2021.
[28] I. Park, “Torque ripple minimization in stepper motors,” J. Electr. Eng. Technol., vol. 16, no. 3, pp. 1789–1798, 2021.
[29] J. Kim, “Medical simulators using parallel robots,” Int. J. Med. Robot., vol. 18, no. 1, 2022.
[30] K. Tanaka, “Surgical robotics: 6-DOF platforms,” Ann. Biomed. Eng., vol. 50, no. 5, pp. 623–636, 2022.
دانش و فناوری هوافضا
دوره 14، شماره 1
شهریور 1404
صفحه 217-231