طراحی پاندول معکوس


پاندول معکوس یک مسئله ی سنتی در تئوری کنترل و دینامیک می باشد و به صورت گسترده به عنوان یک بستر مهم جهت تست انواع اتگوریتم های کنترلی مثل PID، فضای حالت،شبگه عصبی،فازی،الگوریتم ژنتیک و... مورد استفاده قرار میگیرد نظر به نکات ذکر شده در خصوص اهمیت نظری و کاربدی سیستم پاندول معکوس ، مرکز تحقیقات شرکت رباتیک ناج اقدام به طراحی ، ساخت و کنترل دستگاه پاندول معکوس جهت در اختیار قرار دادن دانشجویان ، محققان و علاقع مندان حوزه ی مهندسی برق ، منترل و مکاترونیک جهت پیاده سازی ایده های خود و مشاهده نتایج عملی در این بستر نموده است، همچنین این مبحث پیش نیاز بسیاری از مباحث دیگر در علم کنترل از جمله Segway میباشد.


طراحی و پیاده سازی یک بستر سخت افزار در حلقه جهت تست عملکرد سیستم های کنترلی ،تاکنون در مرکز تحقیقات شرکت رباتیک ناج انجام گرفته است.


اصول کار همه ی پاندول ها حفظ تعادل میله به وسیله ی حرکت چهارچوب متصل شده به آن است که علیرقم اینکه یکی از مبانی اصلی علم کنترل است یکی از طراحی های پیچیده در علم مکانیک (به دلیل دقت بالای مورد نیاز سازه ) میباشد، که این حفظ تعادل توسط سازه های مختلفی مانند تصاویر زیر که توسط شرکتهای بزرگی مانند quanser وfeedbackو....... و همچنین مدل هایی که در بخش تحقیقات ناج طراحی شده است انجام میشود.


اهداف

هدف اصلی طراحی این دستگاه دادن شکلی عملی به مبانی کنترلی است زیرا اکثر دانشجویانی که با مبانی کنترلی مخصوصا مبحث تعادل سر و کار دارند دروس و تحقیقات خود را فقط به صورت تئوری انجام میدهند، امید است با تولید این دستگاه توسط شرکت رباتیک ناج بستری فراهم شود تا دانشجویان و محققان بتوانند نتایج کاری خود را به صورت عملی در مقیاس کوچک و بسیار کم هزینه مشاهده کنند.

امید است شرکت ناج با تولید این محصول بتواند در ارتقا سطح علمی کشور خدمتی انجام دهد.

حال به بررسی بعضی از طراحی های شرکت های خارجی برای پاندول معکوس میپردازیم که دو شرکت feedback و qaunser به دلیل شهرت و در دست بودن تمام اطلاعات را برای شما انتخاب میکنیم .


1)شرکت فیدبک (feedback)

در این دستگاه با حرکت box ویا cart برروی ریل به وسیله ی حرکت تسمه های یفت شده در باکس که متصل به پولیهایی در دو سر ریل است که یکی از آن ها به موتور متصل می باشد و باعث کنترل تعادل پاندول میشود.

در این دستگاه نکته قابل توجه وجود دو پاندول در دو طرف دستگاه می باشد.


2)شرکت کوانزر(qaunser)

در این دستگاه پاندول به به وسیله چهارچوبی (باکس یا کارت) متحرک که به کمک موتور dc قرار گرفته بر روی باکس که متصل به یکpinion است و آن pinion بر روی یک rack حرکت میکند، کن

ترل میشود .

اما لازم به ذکر است که همانند دستگاه های قبلی یکی موتورdc که در دوسر ریل قرار دارد به موتور متصل است و در این دستگاه یک شفت به عنوان ریل و استفاده شده است .


به بررسی چند مدل از پاندول معکوس های تولید شده در شرکت کوانزر میپردازیم

در این مدل یک کارت دیگر در کنار کارت حرکتی پاندول قرار دارد که به همان روش قبلی به وسیله ی موتور و rack&pinion حرکت میکند و فاصله ی معین بین این دو باکس به وسیله ی یک فنر مشخص و به دو باکس متصل شده است با حرکت این کارت فنر نیروی حرکت را به صورت ضربه و یا کشش به باکس روبرویی منتقل میکند و با عث حرکت آن می باشد .


همچنین مدل double pendulum یا به اصطلاح پاندول دوبل این دستگاه را نیز تولید کرده اند که دو میله از انتها به صورت هرزگرد به یکدیگر متصل اند.


در این مدل پاندول به وسیله ی گشتاور حاصل موتور از چرخاندن قسمت افقی متحرک حول محور شفت خود پاندول را کنترل میکند به طور ساده تر با چرخیدن موتور قسمت متحرک افقی نیز میچرخد با چرخیدن آن به پاندول نیرویی حول محور آن وارد میشود.


مدل دیگری از این پاندول معکوس به صورت زیر می باشد که شفت پاندول را به وسیله ی دو بازوی متحک افقی کنترل میکند.


همچنین مدل double pendulum یا به اصطلاح پاندول دوبل این دستگاه را نیز تولید کرده اند که دو میله از انتها به صورت هرزگرد به یکدیگر متصل اند.


پاندول بزرگ

این پاندول در شرکت رباتیک ناج با ایده گرفتن از روی پاندول ساخته شده در شرکت های خارجی ساخت شده است. این پاندول با هدف پیاده سازی پروزه های کنترلی ساخته شده است و امید است با ارتقا آن، این محصول را به تولید در مقیاس های مورد نیاز آزمایشگاه های کشور رساند، یکی از عوامل مورد نظر برای فروش این پاندول علاوه بر استفاده از یک محصول ایرانی در آزمایشگاه های کنترلی کشور، قیمت تمام شده ی بسیار پایین این محصول نسبت به نمونه ی خارجی است.


همچنین این محصول به دلیل تولید در ایران دارای خدمات پس از فروش می باشد و به راحتی با کمترین حد مخارج قابل تعمیر است.


روش کار این پاندول به اینگونه است که باکس یا کارت متحرک به وسیله ی تسمه ای که درون آن سفت شده به وسیله ی دو پولی در انتهای کار و یک موتور dc حرکت میکند.


پروژه های انجام شده

این دستگاه ابتدا در برنامه ی solidworks طراحی شده که در ابتدای امر به دلیل عالی بودن طراحی شرکتهای خارجی برای باکس متحرک روی ریل ابتدا باکس طراحی شد و سپس با اعمال تغییرات (مثلا یک تکه کردن باکس و حذف در پوش) برروی طراحی اصلی نوبت به ساخت و طراحی ریل رسید.

پس از طراحی های اولیه قطعات مونتاژ شده و نهایتا کار طراحی به شکل زیر رسید.


پروژه های در حال انجام

شرکت رباتیک ناج بر روی این پاندول در حال پیاده سازی مبانی کنترلی کنترل آن می باشد.


پاندول کوچک

این پاندول دارای اندازه ی بسیار کوچک می باشد که مدل آن انحصارا به شرکت رباتیک ناج تعلق دارد و دارای هیچ نمونه ی خارجی نبوده و در حال تولید به وسیله ی پرینتر سه بعدی در شرکت رباتیک ناج می باشد. که سیستم های حرکتی و مکانیکی آن را به صورت مختصر توضیح می دهیم.


شیوه کار این دستگاه به زبان ساده حفظ تعادل پاندول متصل به یک چهارچوب متحرک به وسیله ی حرکت پاندول به طرفین است که این برنامه ریزی توسط کنترلر انجام میشود.


پاندول wheel&motor

این پاندول در شرکت رباتیک ناج طراحی شده همانند پاندول قبلی دارای اندازه بسایر کوچک میباشد. با این تفاوت که دارای شکل صنعتی است زیرا برای ساخت آن از لوازم صنعتی مانند linear bearing و شفت hardchrome به عنوان ریل و چهارچوب متحرک به از پلکسی استفاده شده است.


نحوه ی کار این پاندول به این صورت می باشد که کارت به وسیله ی دو linear bearing که به آن متصل هستند، حرکت میکند.


این حرکت به وسیله ی موتور و چرخی که زیر کارت قرار دارند ایجاد میشود.