بررسی اثرات تغییرات پارامترهای مفصل پنجه غیرفعال بر روی حرکت مدل دو بعدی ربات انسان‌نما

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشگاه تهران

چکیده

هدف پیش رو در پژوهش حاضر طراحی یک مفصل پنجه غیر‌فعال برای ربات انسان‌نمای سورنا 3 می‌باشد. برای این منظور از مدل دو بعدی ربات استفاده شده است. در گام نخست، مسیر حرکت مفاصل ربات بدون در نظر گرفتن مفصل پنجه طراحی می‌شود. پس از آن، پایداری حرکت ربات مجهز به مفصل پنجه غیر‌فعال بررسی می‌گردد. برای این کار از معیار پایداری نقطه ممان صفر استفاده می‌شود. برای محاسبه موقعیت این نقطه، داشتن زوایای مفصل پنجه غیر‌فعال لازم بوده که با استفاده از روابط ارتعاشات واداشته محاسبه می‌گردد. پس از آن به استخراج مدل دینامیکی ربات پرداخته می‌شود. در این راستا با استفاده از روش رهاسازی قیود، کلیه نیرو‌های عکس‌العمل وارد بر ربات در فاز‌های مختلف حرکت بدست آمده و بردار نیروی تعمیم‌یافته که شامل گشتاورهای مفاصل و نیروهای عکس‌العمل زمین می‌باشد، محاسبه می‌شود. به منظور بررسی صحت مدل دینامیکی استخراج شده، بار دیگر موقعیت نقطه ممان صفر با استفاده از نیروهای عکس‌العمل زمین محاسبه می‌شود. به این ترتیب موقعیت نقطه ممان صفر با دو رویکرد مبتنی بر سینماتیک و دینامیک ربات محاسبه و مقایسه می‌گردد و صحت مدل دینامیکی استخراج شده نیز بررسی می‌شود. با تغییر پارامترهای مربوط به ضریب سختی و ثابت میرایی اثرات این دو پارامتر بر روی ارتعاشات پنجه غیر‌فعال بررسی شده و نهایتا به کمک آنالیز پارامتری اثرات این دو پارامتر بر روی گشتاور و توان مفاصل بررسی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation on Adding Passive Toe Joints to the Feet Structure of 2D Humanoid Robot

نویسندگان [English]

  • Majid Sadedel 1
  • Aghil Yousefi-koma 2
  • Faezeh Iranmanesh 2
1 university
2
چکیده [English]

The main objective of this paper is to design a passive toe for Surena ||| humanoid robot which is designed and fabricated at the center of advanced systems and technologies of the University of Tehran (CAST). To this end, a 2D model of robot has been adopted. The first step is to design the trajectory of joints neglecting the toe joints. The second step is to investigate the motion stability of the humanoid robot which has equipped with a passive toe using zero moment point criteria. For this purpose, angles of the passive toe during motion is needed which is obtained using vibrational equations. Afterward, the dynamic model of the robot is derived. Constraint-relaxation method is used to determine the reaction forces on the robot, then calculating generalized force vector which contains all joint torques and reaction forces for different phases of motion. To validate the derived dynamic model, the position of the zero moment point is calculated again using reaction forces. Therefore, the position of the zero moment point has been calculated using two different methods. The first one is according to the kinematic of the robot and the second is based on the dynamic of the robot. Finally, the spring constant and the damping coefficient parameters have been changed to investigate how these parameters affect on the angle of passive toe and a parametric analysis has been adopted to inspect the effects of the aforementioned parameters on joint powers and joint torques.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Humanoid robot
  • Passive toe joint
  • dynamic model
  • Parametric analysis
  • Spring Constant
  • Damping coefficient

مراجع

 
1.   Nishiwaki, K., S. Kagami, Y. Kuniyoshi, M. Inaba,H. Inoue. (2002). "Toe joints that enhance bipedal and fullbody motion of humanoid robots". In International Conference on Robotics and Automation, WashingtonDC.
2.   Buschmann, T., S. Lohmeier,H. Ulbrich, (2009), "Humanoid robot lola: Design and walking control". Journal of physiology-Paris, Vol. 103(3), pp. 141-148.
3.   Tajima, R., D. Honda,K. Suga. (2009). "Fast running experiments involving a humanoid robot". in Robotics and Automation, 2009. ICRA'09. IEEE International Conference on, Kobe.
4.   Miura, K., M. Morisawa, F. Kanehiro, S. Kajita, K. Kaneko,K. Yokoi. (2011). "Human-like walking with toe supporting for humanoids". in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2011 IEEE/RSJ International Conference on, San Francisco, CA.
5.   Doubliez, P.-F., O. Bruneau,F.B. Ouezdou, (2012), "Force control of the redundant leg of a biped robot to produce large inertial effects for crossing obstacles". International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 9(01), pp. 1250003.
6.   Ahn, C.K., M.C. Lee,S.J. Go. (2003). "Development of a biped robot with toes to improve gait pattern". in Advanced Intelligent Mechatronics, 2003. AIM 2003. Proceedings. 2003 IEEE/ASME International Conference on, Kobe.
7.   Wang, L., Z. Yu, Q. Meng,Z. Zhang. (2006). "Influence analysis of toe-joint on biped gaits". in Mechatronics and Automation, Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on, Luoyang.
8.   Kouchaki, E.,M.J. Sadigh. (2010). "Effect of toe-joint Bending on biped gait performance". in International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO),IEEE, Tianjin.
9.   Handharu, N., J. Yoon,G. Kim. (2008). "Gait pattern generation with knee stretch motion for biped robot using toe and heel joints". in 8th International Conference on Humanoid Robots,  IEEE-RAS Daejeon.
10. Sadigh, M.J., E. Kouchaki,C. Wu, (2012), "Effects of Constraints on Standing Balance of a Biped with Toe-Joints". International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 09(03), pp. 1250016.
11. Khafi, H.,H. Ahmadi, (2015), "Trajectory design for 3D biped robot by considering active toe rotation". Modares Mechanical Engineering, Vol. 15(7), pp. 139-148.
12. Ogura, Y., K. Shimomura, H. Kondo, A. Morishima, T. Okubo, S. Momoki, et al. (2006). "Human-like walking with knee stretched, heel-contact and toe-off motion by a humanoid robot". in International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE/RSJ Beijing.
13. Sellaouti, R., O. Stasse, S. Kajita, K. Yokoi,A. Kheddar. (2006). "Faster and Smoother Walking of Humanoid HRP-2 with Passive Toe Joints". in Intelligent Robots and Systems, 2006 IEEE/RSJ International Conference on,
14. Nelson, G., A. Saunders, N. Neville, B. Swilling, J. Bondaryk, D. Billings, et al., (2012), "Petman: A humanoid robot for testing chemical protective clothing". Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 30(4), pp. 372-377.
15. Kajita, S., K. Kaneko, M. Morisawa, S. Nakaoka,H. Hirukawa. (2007). "ZMP-based biped running enhanced by toe springs". in Robotics and Automation, 2007 IEEE International Conference on, Roma.
16. Kumar, R., N. Handharu, Y. Jungwon,K. Gap-soon. (2007). "Hybrid toe and heel joints for biped/humanoid robots for natural gait". in International Conference on Control, Automation and Systems,. ICCAS Seoul.
17. Vukobratović, M.,B. Borovac, (2004), "Zero-moment point-thirty five years of its life". International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 1(01), pp. 157-173.
18. Goswami, A., (1999), "Postural stability of biped robots and the foot-rotation indicator (FRI) point". The International Journal of Robotics Research, Vol. 18(6), pp. 523-533.
19. Popovic, M.B., A. Goswami,H. Herr, (2005), "Ground reference points in legged locomotion: Definitions, biological trajectories and control implications". The International Journal of Robotics Research, Vol. 24(12), pp. 1013-1032.
20. Hirukawa, H., S. Hattori, S. Kajita, K. Harada, K. Kaneko, F. Kanehiro, et al. (2007). "A pattern generator of humanoid robots walking on a rough terrain". in International Conference on Robotics and Automation, IEEE
21. Aoi, S.,K. Tsuchiya, (2011), "Generation of bipedal walking through interactions among the robot dynamics, the oscillator dynamics, and the environment: Stability characteristics of a five-link planar biped robot". Autonomous Robots, Vol. 30(2), pp. 123-141.
22. Sadedel, M., A. Yousefi-Koma,M. Khadiv. (2014). "Offline path planning, dynamic modeling and gait optimization of a 2D humanoid robot". in Robotics and Mechatronics (ICRoM), 2014 Second RSI/ISM International Conference on, Tehran.
23. Khadiv, M., S.A.A. Moosavian,M. Sadedel. (2014). "Dynamics modeling of fully-actuated humanoids with general robot-environment interaction". in Robotics and Mechatronics (ICRoM), 2014 Second RSI/ISM International Conference on, Tehran.
24. Ugurlu, B., J. Saglia, N. Tsagarakis,D. Caldwell, (2012), "Yaw moment compensation for bipedal robots via intrinsic angular momentum constraint". International Journal of Humanoid Robotics, Vol. 9(04), pp. 1250033.
25. Wang, T., C. Chevallereau,C. Rengifo, (2012), "Walking and steering control for a 3D biped robot considering ground contact and stability". Robotics and Autonomous Systems, Vol. 60(7), pp. 962-977.
26. Aoustin, Y.,A. Formalskii, (2014), "3D walking biped: optimal swing of the arms". Multibody System Dynamics, Vol. 32(1), pp. 55-66.
 
مدل سازی در مهندسی
دوره 16، شماره 53
تیر 1397
صفحه 157-170

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 12 تیر 1395
  • تاریخ بازنگری: 12 اسفند 1395
  • تاریخ پذیرش: 17 اردیبهشت 1396

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار