مدل‌سازی دینامیکی و طرح‌ریزی گام بهینه راه‌رفتن یک ربات دوپای واقعی برمبنای مدل آونگ وارون فنری و گام پرگاری

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

مقاله 3، دوره 30، شماره 1 - شماره پیاپی 19، اسفند 1397، صفحه 31-50   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/fum-mech.v30i1.67602

نویسندگان

بهنام داداش زاده^* ؛ سید احمد مصطفوی؛ اکبر الهوردی زاده

دانشگاه تبریز

چکیده

ربات‌های دوپا با کف پای نقطه‌ای گام سریع‌تری دارند و دینامیک طبیعی‌تری را نشان می‌دهند، در‌حالی‌که طرح‌ریزی گام این ربات‌ها به‌دلیل تحریک ناقص بسیار مشکل است. در این پژوهش به مدل‌سازی، بهینه‌سازی و طرح‌ریزی حرکت دو مدل مختلف ربات دوپای واقعی شامل مدل ربات تلسکوپی فنری و ربات پرگاری زانودار پرداخته شده‌است. همۀ این مدل‌ها فاقد کف پا هستند، حرکت چرخشی بدنۀ آنها مقید شده‌است و در صفحۀ نیم‌رخ حرکت می‌کنند. تفاوت این مدل‌ها با مدل‌های نظری مربوط این است که به‌منظور واقعیت‌بخشی به گام در این مدل‌ها زانوی پای آونگی خم‌ می‌شود، از زمین رد می­شود و قبل از برخورد به زمین صاف می­شود که باعث افزایش درجات آزادی و تقسیم فاز تک‌تکیه‌گاهی به دو زیرفاز می­شود. فازهای مختلف گام راه‌رفتن هر کدام از مدل‌ها شامل فاز تک‌تکیه‌گاهی، رخداد برخورد و فاز دو‌تکیه‌گاهی با‌استفاده از معادلات لاگرانژ مدل‌سازی شده‌است. سپس صحت معادلات مورد بررسی قرار گرفته و با اتصال این قسمت‌ها به یکدیگر گام کامل هر یک از آنها شکل گرفته‌است. درادامه، پارامترها، توابع هدف و قیدهای بهینه‌سازی ارائه شده و نمودار تغییرات این توابع مورد بحث و بررسی قرار گرفته‌است؛ سپس گشتاور موتورها در حالت گام بهینه برای هر یک از مدل‌ها نشان داده شده‌است.

کلیدواژه‌ها

(ربات دوپا؛ راه رفتن؛ مدلسازی؛ بهینه سازی گام)

سایر فایل های مرتبط با مقاله

EA-3-Dadashzadeh.pdf

مراجع

1. Geyer, H., Seyfarth, A. and Blickhan, R., "Compliant Leg Behaviour Explains Basic Dynamics of Walking and Running", Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, Vol. 273, No. 1603, pp. 2861-2867, (2006).

2. Rummel, J., Blum, Y. and Seyfarth, A., "Robust and Efficient Walking with Spring-like Legs", Bioinspiration & Biomimetics, Vol. 5, No. 4, pp. 046004, (2010).

3. Visser, L.C., Stramigioli, S. and Carloni R., "Control Strategy for Energy-efficient Bipedal Walking with Variable Leg Stiffness", in Proceeding of IEEE Robotics and Automation (ICRA), pp. 5644-5649, (2013).

4. McGeer, T., "Passive Dynamic Walking", The International Journal of Robotics Research, Vol. 9, No. 2, pp. 62-82, (1990).

5. McGeer, T., "Dynamics and Control of Bipedal Locomotion", Journal of Theoretical Biology, Vol. 163, No. 3, pp. 277-314, (1993).

6. Hao, Z., Fujimoto, K. and Hayakawa, Y., "Approximate Solutions to the Hamilton-Jacobi Equations for Generating Functions: The General Cost Function Case", in Proceeding of 9th IEEE Asian Control Conference (ASCC), Istanbul, Turkey, pp. 1-6, (2013).

7. Bauer, F., Römer, U., Fidlin, A. and Seemann, W., "Optimization of Energy Efficiency of Walking Bipedal Robots by Use of Elastic Couplings in the Form of Mechanical Springs", Nonlinear Dynamics, Vol. 83, No. 3, pp. 1275-1301, (2015).

8. Kai, T. and Shibata, T., "Gait Generation for the Compass-Type Biped Robot on General Irregular Grounds Via a New Blending Method of Discrete Mechanics and Nonlinear optimization", Journal of Control, Automation and Electrical Systems, Vol. 26, No. 5, pp. 484-492, (2015).

9. Rostami, M. and Bessonnet, G., "Sagittal Gait of a Biped Robot During the Single Support Phase. Part 2: Optimal Motion", Robotica, Vol. 19, No. 03, pp. 241-253, (2001).

10. Saidouni, T. and Bessonnet, G., "Generating Globally Optimised Sagittal Gait Cycles of a Biped Robot", Robotica, Vol. 21, No. 02, pp. 199-210, (2003).

11. Chen, D., Fujimoto, K. and Suzuki, T., "Optimal Gait Generation of Constrained Compass Biped Robot Via Generating Function Approach", in Proceeding of 54th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE), Hangzhou, China, pp. 626-631, (2015).

12. Srinivasan, M. and Ruina A., "Computer Optimization of a Minimal Biped Model Discovers Walking and Running", Nature, Vol. 439, No. 7072, pp. 72-75, (2006).

13. Rokbani, N. and Alimi, A.M., "IK-PSO, PSO Inverse Kinematics Solver with Application to Biped Gait Generation", International Journal of Computer Applications, Vol. 58, No. 22, pp. 33-39, (2012).

14. John, A.D.K. and Rebula, R., "The Cost of Leg Forces in Bipedal Locomotion: A Simple Optimization Study", PLoS ONE, Vol. 10, No. 2, (2015).

15. Adolfsson, J., Dankowicz, H. and Nordmark, A., "3D Passive Walkers: Finding Periodic Gaits in the Presence of Discontinuities", Nonlinear Dynamics, Vol. 24, No. 2, pp. 205-229, (2001).

16. Millard, M., Kubica, E. and McPhee, J., "Forward Dynamic Human Gait Simulation Using a SLIP Target Model", Procedia IUTAM, Vol. 2, pp. 142-157, (2011).

17. Shimmyo, S., Sato, T. and Ohnishi, K., "Biped Walking Pattern Generation by Using Preview Control Based on Three-Mass Model", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 60, No. 11, pp. 5137-5147, (2013).

18. Martin, A.E. and Schmiedeler, J.P., "Predicting Human Walking Gaits with a Simple Planar Model", Journal of Biomechanics, Vol. 47, No. 6, pp. 1416-1421, (2014).

19. Gamus, B. and Or, Y., "Dynamic Bipedal Walking under Stick-slip Transitions", SIAM Journal on Applied Dynamical Systems, Vol. 14, No. 2, pp. 609-642, (2015).

20. Garcia, M., Chatterjee, A., Ruina, A. and Coleman, M., "The Simplest Walking Model: Stability, Complexity, and Scaling", Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 120, No. 2, pp. 281-288, (1998).

21. Kuo, A.D., "Energetics of Actively Powered Locomotion Using the Simplest Walking Model", Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 124, No. 1, pp. 113-120, (2001).

22. Yosofvand, M., Beigzadeh, B. and Davaei Markazi, A.H., "Analysis of Stable Period-one Gait of a Planner Passive Biped with Elastic Links", Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 6, pp. 312-320, (2016).

23. Dadashzadeh, B., Mahjoob, M., Nikkhah Bahrami, M. and Macnab, C., "Stable Active Running of a Planar Biped Robot Using Poincare Map Control", Advanced Robotics, Vol. 28, No. 4, pp. 231-244, (2014).

24. Sellers, W.I., Cain, G.M., Wang, W. and Crompton, R.H., "Stride Lengths, Speed and Energy Costs in Walking of Australopithecus Afarensis Using Evolutionary Robotics to predict Locomotion of Early Human Ancestors", Journal of The Royal Society Interface, Vol. 2, No. 5, pp. 431-441, (2005).

25. Donelan, J.M., Kram, R. and Kuo, A.D., "Mechanical Work for Step-to-step Transitions is a Major Determinant of the Metabolic Cost of Human Walking", Journal of Experimental Biology, Vol. 205, No. 23, pp. 3717-3727, (2002).

26. Ono, K., Furuichi, T. and Takahashi, R., "Self-excited Walking of a Biped Mechanism with Feet", The International Journal of Robotics Research, Vol. 23, No. 1, pp. 55-68, (2004).

27. Sakagami, Y., Watanabe, R., Aoyama, C., Matsunaga, S., Higaki, N. and Fujimura, K., "The Intelligent ASIMO: System Overview and Integration", in Proceeding of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Lausanne, Switzerland, pp. 2478-2483, (2002).

28. Collins, S., Ruina, A., Tedrake, R. and Wisse, M., "Efficient Bipedal Robots based on Passive-dynamic Walkers", Science, Vol. 307, No. 5712, pp. 1082-1085, (2005).

29. Griffin, B. and Grizzle, J., "Nonholonomic Virtual Constraints and Gait Optimization for Robust Walking Control", The International Journal of Robotics Research, Vol. 36, Issue 8, (2017).