السيطرة على القوة

التحكم بالقوة هو التحكم في القوة التي تؤثر بها الآلة أو ذراع الروبوت على جسم ما أو بيئته. من خلال التحكم في قوة التلامس ، يمكن تجنب تلف الآلة والأجسام المراد معالجتها، بالإضافة إلى تجنب الإصابات التي قد تحدث أثناء التعامل مع الأفراد. في عمليات التصنيع، يُمكنه تعويض الأخطاء وتقليل التآكل من خلال الحفاظ على قوة تلامس موحدة. يحقق التحكم بالقوة نتائج أكثر اتساقًا من التحكم في الموضع ، والذي يُستخدم أيضًا في التحكم الآلي. يُمكن استخدام التحكم بالقوة كبديل للتحكم التقليدي في الحركة ، ولكنه يُستخدم عادةً بشكل تكميلي، ضمن مفاهيم تحكم هجينة. تُقاس قوة التأثير للتحكم عادةً باستخدام محولات الطاقة أو تُقدّر من خلال تيار المحرك.

يُعدّ التحكم بالقوة موضوعًا للبحث العلمي منذ ما يقارب ثلاثة عقود، ويتوسع نطاق تطبيقاته باستمرار بفضل التطورات في تقنيات أجهزة الاستشعار والمحركات، فضلًا عن مفاهيم التحكم الجديدة. ويُعتبر التحكم بالقوة مناسبًا بشكل خاص لمهام التلامس التي تُستخدم في المعالجة الميكانيكية لقطع العمل، كما يُستخدم أيضًا في الطب عن بُعد ، وروبوتات الخدمة ، ومسح الأسطح.

لقياس القوة، توجد مستشعرات قادرة على قياس القوى وعزوم الدوران في جميع الاتجاهات المكانية الثلاثة. وبدلاً من ذلك، يمكن تقدير القوى دون مستشعرات، مثلاً بالاعتماد على تيارات المحرك. وتُستخدم طرق التحكم غير المباشر في القوة، من خلال نمذجة الروبوت كمقاومة ميكانيكية (معاوقة)، والتحكم المباشر في القوة، سواءً بالتوازي أو باستخدام مفاهيم هجينة. وتُعدّ الأساليب التكيفية ، ووحدات التحكم الضبابية ، والتعلم الآلي للتحكم في القوة موضوعاً بحثياً حالياً.

يُعدّ التحكم في قوة التلامس بين الذراع الآلية وبيئتها مهمةً بالغة الأهمية في مجال التصنيع الميكانيكي، وكذلك في الروبوتات الصناعية والخدمية . ومن أهم دوافع استخدام التحكم في القوة ضمان سلامة الإنسان والآلة. ولأسبابٍ مختلفة، قد تُعيق العوائق حركة الروبوت أو أجزاء الآلة أثناء تشغيل البرنامج. ففي الروبوتات الخدمية، قد تكون هذه العوائق أجسامًا متحركة أو أشخاصًا، بينما في الروبوتات الصناعية، قد تنشأ مشاكل مع الروبوتات المتعاونة، أو بيئات العمل المتغيرة، أو نموذج بيئي غير دقيق. إذا كان مسار الحركة غير متوافق في نظام التحكم التقليدي، وبالتالي يتعذر الوصول إلى وضعية الروبوت المبرمجة ، فإن نظام التحكم في الحركة سيزيد من قيمة المتغير المُتحكم به - عادةً تيار المحرك - لتصحيح خطأ الموضع. ويمكن أن تُؤدي زيادة قيمة المتغير المُتحكم به إلى الآثار التالية:

1. تتم إزالة العائق أو إتلافه/تدميره.
2. الآلة تالفة أو مدمرة.
3. تم تجاوز حدود المتغيرات التي تم التلاعب بها، فتم إيقاف تشغيل وحدة التحكم في الروبوت.

يمكن لنظام التحكم في القوة منع ذلك عن طريق تنظيم أقصى قوة للآلة في هذه الحالات، وبالتالي تجنب الضرر أو جعل الاصطدامات قابلة للاكتشاف في مرحلة مبكرة.

في عمليات التصنيع الميكانيكي، غالباً ما يؤدي عدم استواء سطح قطعة العمل إلى مشاكل في التحكم بالحركة. وكما هو موضح في الشكل المجاور، يتسبب عدم استواء السطح في اختراق الأداة للسطح بعمق زائد أثناء التحكم في الموضع (باللون الأحمر).${\displaystyle P'_{1}}$أو فقدان الاتصال بقطعة العمل أثناء التحكم في الموضع (أحمر)${\displaystyle P'_{2}}$ينتج عن ذلك، على سبيل المثال، تأثير قوة متناوبة على قطعة العمل والأداة أثناء عمليات التجليخ والتلميع. يُعد التحكم في القوة (باللون الأخضر) مفيدًا هنا، حيث يضمن إزالة المواد بشكل متجانس من خلال التلامس المستمر مع قطعة العمل.

في مجال التحكم بالقوى، يمكن التمييز بين التطبيقات ذات التلامس المباشر والتطبيقات ذات التلامس المحتمل. ^{[ 1 ]} يُطلق مصطلح التلامس المباشر عندما يكون تلامس الآلة مع البيئة أو قطعة العمل عنصرًا أساسيًا في المهمة ويتم التحكم فيه بشكل صريح. ويشمل ذلك، على وجه الخصوص، مهام التشكيل الميكانيكي وتشكيل الأسطح. أما في المهام ذات التلامس المحتمل، فإن متغير وظيفة العملية هو موضع الآلة أو أجزائها. وتحدث قوى تلامس أكبر بين الآلة والبيئة نتيجةً لديناميكية البيئة أو عدم دقة نموذجها. في هذه الحالة، يجب أن تتكيف الآلة مع البيئة وتتجنب قوى التلامس الكبيرة.

تُستخدم تقنية التحكم بالقوة بشكل أساسي في عمليات التصنيع الميكانيكية. ويشمل ذلك على وجه الخصوص مهام التصنيع مثل التجليخ والتلميع وإزالة النتوءات ، بالإضافة إلى العمليات التي تتطلب التحكم بالقوة مثل الربط المُتحكم به، وثني البراغي وضغطها في ثقوب مُجهزة مسبقًا. ومن الاستخدامات الشائعة الأخرى للتحكم بالقوة مسح الأسطح غير المعروفة. في هذه الحالة، يُستخدم التحكم بالقوة لضبط ضغط تلامس ثابت في الاتجاه العمودي على السطح، ويتم تحريك رأس المسح في اتجاه السطح عبر التحكم في الموضع. بعد ذلك، يمكن وصف السطح بإحداثيات ديكارتية باستخدام علم الحركة المباشر .

تُستخدم تقنية التحكم بالقوة في تطبيقات أخرى، لا سيما في مجال التكنولوجيا الطبية والروبوتات التعاونية، حيث يمكن للروبوتات المستخدمة في الطب عن بُعد ، أي العمليات الطبية بمساعدة الروبوت، تجنب الإصابات بفعالية أكبر من خلال التحكم بالقوة. كما أن التغذية الراجعة المباشرة لقوى التلامس المقاسة إلى المشغل، عبر جهاز تحكم بالتغذية الراجعة للقوة، تُعدّ ذات أهمية بالغة في هذا السياق. وتشمل التطبيقات المحتملة لهذه التقنية عمليات التشغيل عن بُعد عبر الإنترنت.

من حيث المبدأ، يُعدّ التحكم بالقوة مفيدًا أيضًا في أي مكان تتعاون فيه الآلات والروبوتات مع بعضها البعض أو مع البشر، وكذلك في البيئات التي لا يمكن وصفها بدقة أو التي تتسم بالديناميكية ولا يمكن وصفها بدقة. في هذه الحالة، يساعد التحكم بالقوة على التعامل مع العوائق والانحرافات في النموذج البيئي وتجنب الضرر.

نُشر أول عمل مهم حول التحكم بالقوة عام 1980 على يد جون كينيث سالزبوري في جامعة ستانفورد . ^{[ 2 ]} يصف فيه طريقة للتحكم الفعال في الصلابة، وهي شكل بسيط من أشكال التحكم في المعاوقة. مع ذلك، لا تسمح هذه الطريقة آنذاك بالدمج مع التحكم في الحركة، ولكن في هذه الحالة، يُنفذ التحكم بالقوة في جميع الاتجاهات المكانية. لذا، يجب معرفة موضع السطح. ونظرًا لانخفاض أداء وحدات التحكم في الروبوتات في ذلك الوقت، كان التحكم بالقوة مقتصرًا على الحواسيب المركزية. وهكذا، تم تحقيق دورة تحكم تبلغ حوالي 100 مللي ثانية. ^{[ 3 ]}

في عام ١٩٨١، قدّم رايبرت وكريغ ورقة بحثية حول التحكم الهجين بالقوة/الموضع، والتي لا تزال ذات أهمية حتى اليوم. ^{[ ٤ ]} في هذه الورقة، وصفا طريقةً تُستخدم فيها مصفوفة (مصفوفة الفصل) لتحديد ما إذا كان سيتم استخدام التحكم بالحركة أو التحكم بالقوة بشكل صريح لجميع الاتجاهات المكانية. وقد اكتفى رايبرت وكريغ برسم مفاهيم وحدة التحكم وافترضا جدواها.

في عام 1989، قدم كويفو عرضًا موسعًا لمفاهيم رايبرت وكريج. ^{[ 5 ]} لا تزال المعرفة الدقيقة بموقع السطح ضرورية هنا، وهو ما لا يسمح حتى الآن بالمهام النموذجية للتحكم في القوة اليوم، مثل مسح الأسطح.

حظي التحكم بالقوة باهتمام بحثي مكثف على مدى العقدين الماضيين، وحقق تقدماً ملحوظاً بفضل تطور تقنيات الاستشعار وخوارزميات التحكم. ومنذ سنوات، دأبت كبرى شركات تصنيع تقنيات الأتمتة على توفير حزم برمجية وأجهزة لوحدات التحكم الخاصة بها لتمكين التحكم بالقوة. وتستطيع وحدات التحكم الحديثة في الآلات التحكم بالقوة في اتجاه مكاني واحد في الوقت الفعلي ، بزمن دورة أقل من 10 مللي ثانية. ^{[ 6 ]}

لإغلاق حلقة التحكم في القوة بمعنى التحكم ذي الحلقة المغلقة، يجب معرفة القيمة اللحظية لقوة التلامس. ويمكن قياس قوة التلامس إما مباشرة أو تقديرها.

قياس القوة المباشر

تتمثل الطريقة البسيطة للتحكم في القوة في القياس المباشر لقوى التلامس المؤثرة عبر مستشعرات القوة/العزم الموجودة في الطرف النهائي للآلة أو في معصم الروبوت الصناعي. تقيس هذه المستشعرات القوى المؤثرة من خلال قياس التشوه عند المستشعر. وتُعد مقاييس الإجهاد الطريقة الأكثر شيوعًا لقياس التشوه .

إضافةً إلى مقاييس الإجهاد الشائعة الاستخدام المصنوعة من مقاومات كهربائية متغيرة، توجد أيضًا أنواع أخرى تستخدم مبادئ كهرضغطية أو بصرية أو سعوية للقياس. مع ذلك، عمليًا، لا تُستخدم هذه الأنواع إلا في تطبيقات خاصة. على سبيل المثال، يمكن استخدام مقاييس الإجهاد السعوية في نطاق درجات الحرارة العالية التي تتجاوز 1000  درجة مئوية. ^{[ 1 ]}

صُممت مقاييس الإجهاد بحيث يكون هناك خطية قدر الإمكان بين الإجهاد والمقاومة الكهربائية داخل حيز العمل. إضافةً إلى ذلك، توجد عدة طرق لتقليل أخطاء القياس والتداخل. ولتجنب تأثيرات درجة الحرارة وزيادة موثوقية القياس، يمكن ترتيب مقياسَي إجهاد بشكل تكاملي.

تقيس مستشعرات القوة/العزم الحديثة كلاً من القوى والعزوم في جميع الاتجاهات المكانية الثلاثة، وهي متوفرة بنطاقات قيم متنوعة. تبلغ دقة هذه المستشعرات عادةً جزءًا من الألف من القيمة القصوى المقاسة. أما معدلات أخذ العينات فتبلغ حوالي 1  كيلوهرتز. وتُعد مستشعرات 12 و18 محورًا امتدادًا لمستشعرات القوة/العزم سداسية المحاور، حيث تتميز بقدرتها، بالإضافة إلى قياس مكونات القوة أو العزم الستة، على قياس مكونات السرعة والتسارع الستة لكل محور.

مستشعر قوة/عزم دوران سداسي المحاور

في التطبيقات الحديثة، تُستخدم بكثرة ما يُسمى بمستشعرات القوة/العزم سداسية المحاور. تُركّب هذه المستشعرات بين يد الروبوت والطرف المؤثر، وتستطيع تسجيل كلٍّ من القوى والعزوم في الاتجاهات المكانية الثلاثة. ولتحقيق ذلك، تُجهّز بستة مقاييس إجهاد أو أكثر (قد تكون جسور قياس إجهاد) تُسجّل التشوهات في نطاق الميكرومتر. تُحوّل هذه التشوهات إلى ثلاثة مُركّبات للقوة والعزم، كلٌّ منها عبر مصفوفة معايرة.

تحتوي مستشعرات القوة/العزم على معالج إشارة رقمي يقوم باستمرار باكتساب بيانات المستشعر (الإجهاد) وتصفيتها بالتوازي، وحساب بيانات القياس (القوى/العزوم) وإتاحتها عبر واجهة اتصال المستشعر.

تتوافق القيم المقاسة مع القوى عند المستشعر، وعادة ما يتعين تحويلها إلى القوى وعزوم الدوران عند أداة التأثير النهائية أو الأداة من خلال تحويل مناسب.

نظراً لأن أجهزة استشعار القوة/العزم لا تزال باهظة الثمن نسبياً (بين 4000 و15000 يورو) وحساسة للغاية للأحمال الزائدة والاضطرابات، فقد استُخدمت هذه الأجهزة - وبالتالي التحكم في القوة - على مضض في الصناعة. ^{[ 3 ]} يُعد قياس القوة أو تقديرها بشكل غير مباشر أحد الحلول، مما يسمح بالتحكم في القوة دون الحاجة إلى أجهزة استشعار القوة المكلفة والمعرضة للاضطرابات.

تُستخدم مفاهيم تحكم متنوعة للتحكم في القوة. وبناءً على السلوك المطلوب للنظام، يُفرّق بين مفهومي التحكم المباشر في القوة والتحكم غير المباشر عبر تحديد المرونة أو المعاوقة الميكانيكية. ^{[ 10 ]} وكقاعدة عامة، يُدمج التحكم في القوة مع التحكم في الحركة. ويجب أن تراعي مفاهيم التحكم في القوة مشكلة الترابط بين القوة والموضع: فإذا كان الذراع الآلي على اتصال بالبيئة المحيطة، فإن تغيير الموضع يعني أيضًا تغيير قوة التلامس.

التحكم في المعاوقة

يُعنى التحكم في المعاوقة ، أو التحكم في المرونة، بتنظيم مرونة النظام، أي العلاقة بين القوة والموضع عند ملامسة الجسم. تُعرَّف المرونة في الأدبيات بأنها "مقياس لقدرة الروبوت على مقاومة قوى التلامس". وهناك منهجان سلبيان وفعالان لهذا الغرض. في هذا السياق، تُنمذج مرونة نظام الروبوت على أنها معاوقة ميكانيكية، تصف العلاقة بين القوة المطبقة والسرعة الناتجة. ويُعتبر جهاز الروبوت أو ذراعه مقاومة ميكانيكية تخضع لقيود موضعية تفرضها البيئة. وبناءً على ذلك، تُبين علاقة السببية في المعاوقة الميكانيكية أن حركة الروبوت تُنتج قوة. أما في القبول الميكانيكي، فتُنتج القوة المطبقة على الروبوت حركةً ناتجة.

التحكم السلبي في المعاوقة

لا يتطلب التحكم السلبي في المرونة (المعروف أيضًا بالتحكم في المرونة) قياس القوة لعدم وجود تحكم صريح فيها. بدلاً من ذلك، يُصمَّم الذراع الآلي و/أو أداة النهاية بمرونة لتقليل قوى التلامس أثناء أداء المهمة. تشمل التطبيقات النموذجية عمليات الإدخال والإمساك. تُصمَّم أداة النهاية بحيث تسمح بانحرافات انتقالية ودورانية عمودية على اتجاه الإمساك أو الإدخال، مع الحفاظ على صلابة عالية في اتجاه الإمساك أو الإدخال. يوضح الشكل المقابل ما يُسمى بمركز المرونة البعيد (RCC) الذي يُتيح ذلك. وكبديل لمركز المرونة البعيد، يمكن أيضًا تصميم الآلة بأكملها لتكون مرنة هيكليًا.

يُعدّ التحكم السلبي في المعاوقة حلاً ممتازاً من حيث ديناميكيات النظام ، إذ لا توجد أي تأخيرات ناتجة عن التحكم. مع ذلك، غالباً ما يكون التحكم السلبي في الامتثال محدوداً بالمواصفات الميكانيكية للمؤثر النهائي في المهمة، ولا يمكن تطبيقه بسهولة على مهام أو ظروف بيئية مختلفة ومتغيرة. ^{[ 11 ]}

التحكم النشط في المعاوقة

يشير التحكم الفعال بالامتثال إلى التحكم في الذراع الآلية بناءً على انحراف أداة النهاية. وهذا مناسب بشكل خاص لتوجيه الروبوتات بواسطة مشغل، على سبيل المثال كجزء من عملية التدريب .

تعتمد تقنية التحكم النشط في الامتثال على فكرة تمثيل نظام الآلة والبيئة كنظام زنبركي-مخمد-كتلة. القوة${\displaystyle F}$والحركة (الموضع)${\displaystyle x(t)\!\,}$، سرعة${\displaystyle {\dot {x}}(t)}$والتسارع${\displaystyle {\ddot {x}}(t)}$ترتبط هذه العوامل ارتباطًا مباشرًا عبر معادلة الكتلة والزنبرك والمخمد:

${\displaystyle F(t)=c\cdot x(t)+d\cdot {\dot {x}}(t)+m\cdot {\ddot {x}}(t)}$

تُحدد صلابة النظام مدى مرونته أو مقاومته الميكانيكية.${\displaystyle c}$التخميد${\displaystyle d}$والقصور الذاتي${\displaystyle m}$ويمكن التأثير عليها من خلال هذه المتغيرات الثلاثة. ويتم تحديد مقاومة ميكانيكية مستهدفة للتحكم عبر هذه المتغيرات الثلاثة، وهو ما يتم تحقيقه بواسطة نظام التحكم في الآلة.

يوضح الشكل المخطط الكتلي لنظام تحكم في المعاوقة يعتمد على القوة. تمثل المعاوقة في المخطط الكتلي المكونات المذكورة L و A و . يمكن تصميم نظام تحكم في المعاوقة يعتمد على الموضع بشكل مماثل للتحكم الداخلي في الموضع أو الحركة.

وبالمثل، يمكن التحكم في الامتثال ( المُسامحة ) بدلاً من المقاومة. وعلى عكس التحكم في المعاوقة، تظهر المُسامحة في قانون التحكم كمقلوب المعاوقة.

السيطرة المباشرة على القوة

تُعرف المفاهيم المذكورة أعلاه بالتحكم غير المباشر في القوة، حيث لا تُحدد قوة التلامس صراحةً كمتغير تحكم، بل تُحدد بشكل غير مباشر عبر معلمات وحدة التحكم: التخميد ، والصلابة، والكتلة (الافتراضية) . وسيتم عرض التحكم المباشر في القوة أدناه.

يستخدم التحكم المباشر بالقوة القوة المطلوبة كنقطة ضبط ضمن حلقة تحكم مغلقة . ويتم تنفيذه كتحكم متوازٍ في القوة/الموضع على شكل تحكم متتالي أو كتحكم هجين في القوة/الموضع حيث يتم التبديل بين التحكم في الموضع والتحكم في القوة.

التحكم المتوازي في القوة/الموضع

إحدى طرق التحكم في القوة هي التحكم المتوازي في القوة/الموضع. صُمم نظام التحكم هذا كنظام تحكم متتالي، ويحتوي على حلقة تحكم خارجية في القوة وحلقة تحكم داخلية في الموضع. كما هو موضح في الشكل التالي، يتم حساب تصحيح الإدخال المقابل من الفرق بين القوة الاسمية والقوة الفعلية. يُعوض تصحيح الإدخال هذا بقيم أوامر الموضع، وفي حالة دمج${\displaystyle X_{soll}}$و${\displaystyle X_{korr}}$، أمر تحديد الموقع للتحكم في القوة (${\displaystyle X_{korr}}$(يُعطى أولوية أعلى، أي يتم التغاضي عن خطأ في الموضع لصالح التحكم الصحيح في القوة. قيمة الإزاحة هي متغير الإدخال لحلقة التحكم الداخلية في الموضع.

على غرار التحكم الداخلي في الموضع، يمكن أيضًا تطبيق تحكم داخلي في السرعة، والذي يتميز بديناميكية أعلى. ^{[ 12 ]} في هذه الحالة، يجب أن تحتوي حلقة التحكم الداخلية على تشبع حتى لا تولد سرعة متزايدة (نظريًا) بشكل عشوائي في الحركة الحرة حتى يحدث التلامس.

التحكم الهجين في القوة/الموضع

يُقدّم نظام التحكم الهجين بالقوة/الموضع تحسينًا على المفاهيم المذكورة أعلاه، إذ يعمل بنظامي تحكم منفصلين، ويمكن استخدامه أيضًا مع أسطح التلامس الصلبة غير المرنة. في هذا النظام، تُقسّم المساحة إلى مساحة مقيدة وأخرى غير مقيدة. تحتوي المساحة المقيدة على قيود، كالعوائق مثلاً، ولا تسمح بالحركة الحرة؛ بينما تسمح المساحة غير المقيدة بالحركة الحرة. كل بُعد من أبعاد المساحة إما مقيد أو غير مقيد.

في نظام التحكم الهجين بالقوة، يُستخدم التحكم بالقوة في الحيز المقيد، بينما يُستخدم التحكم بالموضع في الحيز غير المقيد. يوضح الشكل هذا النوع من التحكم. تشير المصفوفة Σ إلى اتجاهات الحيز المقيدة، وهي مصفوفة قطرية تتكون من أصفار ووحدات.

يمكن تحديد الاتجاهات المكانية المقيدة وغير المقيدة، على سبيل المثال، بشكل ثابت. ثم يتم تحديد التحكم في القوة والموضع بشكل صريح لكل اتجاه مكاني؛ وتكون المصفوفة Σ ثابتة. وثمة إمكانية أخرى تتمثل في تغيير المصفوفة Σ ديناميكيًا بناءً على قياس القوة. وبهذه الطريقة، يُمكن التبديل من التحكم في الموضع إلى التحكم في القوة للاتجاهات المكانية الفردية عند حدوث التلامس أو التصادم. في حالة مهام التلامس، تُتحكم الحركة في جميع الاتجاهات المكانية في حالة الحركة الحرة، وبعد حدوث التلامس، يُحوّل اتجاه التلامس إلى التحكم في القوة عن طريق اختيار المصفوفة Σ المناسبة.

في السنوات الأخيرة، أصبح موضوع البحث بشكل متزايد هو المفاهيم التكيفية، واستخدام نظام التحكم الضبابي والتعلم الآلي ، والتحكم في الجسم بالكامل القائم على القوة.

• برونو سيسيليانو ، لويجي فيلاني (2000)، التحكم في قوة الروبوت ، سبرينغر، ISBN 0-7923-7733-8
• فولفجانج ويبر (2002)، الروبوت الصناعي. Methoden der Steuerung und Regelung ، Fachbuchverlag Leipzig، ISBN 3-446-21604-9
• لورينزو سيافيكو ، برونو سيسيليانو (1999)، نمذجة والتحكم في أذرع الروبوت ، سبرينغر، ISBN 1-85233-221-2
• كلاوس ريختر (1991)، Kraftregelung elastischer Roboter ، VDI-Verlag، ISBN 3-18-145908-9