تحلیل دینامیکی و طراحی یک الگوریتم کنترلی دینامیک‌مبنا برای دویدن ربات دونده دوپای پنج‌لینکی

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف، تهران

2 نویسنده مسئول، استاد دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک، تهران

3 استاد دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک، تهران

4 دانشجو دکتری، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک، تهران

چکیده

در این مقاله به طراحی کنترل‌کننده زمان‌ناوردایی برای پایدارسازی دینامیکی ربات دونده پنج‌لینکی در دو بعد پرداخته شده‌است. حرکت دویدن با سه فاز ایستا، پرش و برخورد مدل شده‌است. معادلات دینامیکی ربات  به روش لاگرانژ استخراج شده‌است. برخورد پاشنه پای ربات نیز با زمین به صورت کاملا صلب مدل شده‌است. کنترل‌کننده در هر فاز با همگرا کردن خروجی‌های از پیش تعیین‌شده به شکل مسیرهای حرکتی به مقدار صفر با روش پسخوراند خطی‌ساز گام‌زنی ربات را فراهم می‌کند. پایداری چرخه حدی ایجادشده، به کمک نگاشت بازگشتی پوانکاره بررسی شده‌است. مقاومت کنترل در گام‌زنی ربات نسبت به اغتشاشات مورد بررسی قرار گرفته‌است. در انتها نشان داده‌شده که هندسه مربوطه به کمک سیستم کنترلی ارائه‌شده توانایی جذب گام‌زنی به چرخه حدی‌ را در شرایط انحراف %20 در تعداد کم‌تر از 10 گام را دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ruina, A., "Reflex Approximation of Optimal Control for an Energy-efficient Bipedal Walking Platform", National Robotics Initiative (NRI), Des 11, Cornell University, Ithaca, USA, (2012).
[2] McGeer, T., "Passive Walking with Knees", IEEE International Conference on Robotics and Automation, IEEE, Cincinnati, Ohio, USA, pp. 1640-1645, (1990).
[3] Peterka, R.J., "Simplifying the Complexities of Maintaining Balance", IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine, Vol. 22, No. 2, pp. 63-68, (2003).
[4] Vukobratović, M., and Branislav B., "Zero-moment Point Thirty-five Years of its Life", International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 1 No. 01 pp. 157-173, (2004).
[5] Hirai, K., Hirose, M., Haikawa, Y., and Takenaka, T., "The Development of Honda humanoid robot." IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven, Belgium, Vol. 2, pp. 1321-1326. (1998).
[6] McGeer, T., "Passive Dynamic Walking" The International Journal of Robotics Research, Vol. 9, No. 2 pp. 62-82, (1990).
[7] Garcia, M., Chatterjee, A., Ruina, A., and Coleman. M., "The Simplest Walking Model: Stability, Complexity, and Scaling",Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 120 ,N0. 2 pp. 281-288, (1998).
[8] Goswami, A., Thuilot, B., and Espiau. B., "Compass-like Biped Robot Part I: Stability and Bifurcation of Passive Gaits", Report RR-2996, INRIA. (1996).
[9] Collins, S.H., Wisse, M., and Ruina. A., "A Three-dimensional Passive-dynamic Walking Robot with Two Legs and Knees", The International Journal of Robotics Research, Vol. 20, No. 7, pp. 607-615, (2001).
[10] Wisse, M., and Frankenhuyzen. J.V., "Design and Construction of Mike; a 2-d Autonomous Biped Based on Passive Dynamic Walking", 1st Edition, Springer, Tokyo, pp. 143-154, (2006).
[11] Kuo, A.D., "Energetics of Actively Powered Locomotion using the Simplest Walking Model", Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 124, No. 1, pp. 113-120, (2002).
[12] Bhounsule, P.A., Cortell, J., Grewal, A., Hendriksen, B., Karssen, D., Paul, C., and Ruina. A., "Low-bandwidth Reflex-based Control for Lower Power Walking: 65 km on a Single Battery Charge", The International Journal of Robotics Research, Vol. 33, No. 10, pp. 1305-1321, (2014).
[13] Grizzle, J.W., Chevallereau, C., and Shih. C.L., "HZD-Based Control of a Five-link Underactuated 3D Bipedal Robot", IEEE Conference on Decision and Control, 47th, Cancun, Mexico, Vol. 2, pp. 5206-5213, (2008).
[15] Kakaei, M.M, and Salarieh, H., "A Novel Robust Control Method for Three-link under actuated Planar Biped Robot", Modares Mechanical Engineering, Vol. 17(11), pp. 47-58, (2018).
[16] Sreenath, K., Park, H.W., and Grizzle. J.W., "Design and Experimental Implementation of a Compliant Hybrid Zero Dynamics Controller with Active Force Control for Running on MABEL", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Saint Paul, MN, USA, pp. 51-56, (2012).
[17] Chevallereau, C., Grizzle, J.W., and Shih. C.Y., "Asymptotically Stable Walking of a Five-link Underactuated 3-D Bipedal Robot", IEEE Transactions on Robotics, Vol. 25, No. 1, pp. 37-50, (2009).
[18] Westervelt, E.R., Grizzle, J.W., and Koditschek. D.E., "Hybrid Zero Dynamics of Planar Biped Walkers", IEEE Transactions on Automatic Control, 48th, No. 1, pp. 42-56, (2003).
[19] Plestan, F., Grizzle, J.W., Westervelt, E.R., and Abba. G., "Stable Walking of a 7-DOF Biped Robot", IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 19, No. 4, pp.653-668, (2003).
[20] Cavagna, G.A. "The Landing-take-off Asymmetry in Human Running", Journal of Experimental Biology, Vol. 209, No. 20 pp. 4051-4060, (2006).
[21] Taga, G., "A Model of the Neuro-musculo-skeletal System for Anticipatory Adjustment of Human Locomotion During Obstacle Avoidance", Biological Cybernetics, Vol. 78, No. 1, pp. 9-17, (1998).
[22] Hirai, K., Hirose, M., Haikawa, Y., and Takenaka. T., "The Development of Honda Humanoid Robot", In Proceedings. IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No. 98CH36146), Leuven, Belgium, Vol. 2, pp. 1321-1326, (1998).
[23] Marhefka, D.W., and Orin, D.E., "Simulation of Contact using a Nonlinear Damping Model", Robotics and Automation, 1996. IEEE International Conference on Robotics and Automation. Minneapolis, MN, USA, Vol. 2, pp. 1662-1668, (1996).