مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل راه رفتن پایدار مجانبی ربات دوپای سه بعدی به روش شکل دهی انرژی پتانسیل

نویسندگان
1 استاد دانشکده مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران
2 دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی مکانیک پردیس دانشکده های فنی دانشگاه تهران
3 استادیار دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت
چکیده
چکیده کنترل رباتهای دوپا بر اساس ایده حرکتهای پریودیک پایدارمجانبی، امروزه مورد توجه بسیاری از محققان است. در این میان، روش شکل‌دهی انرژی پتانسیل که تاکنون روی مدلهای صفحه‌ای ارائه و ارزیابی شده است، بخاطر ایجاد حرکات طبیعی‌ با انرژی کم نزدیک به حالت بهینه از اهمیت فراوانی برخوردار است. در تحقیق حاضر، روش مذکور برای حالت کلی سه بعدی بویژه در حضور قیود غیرهولونومیک توسعه و بررسی شده است. در ابتدا، مدل دوپای مورد مطالعه یک مدل پرگاری سه‌بعدی با عرض غیرصفر و کف‌پای منحنی است که حرکت غیرفعال پایدار آن بصورت تئوری در تحقیقات قبلی ثابت شده است. در این روش حرکت پریودیک غیرفعال که صرفاً روی سرازیری با شیب خاص وجود دارد، به شیبهای دلخواه دیگر از جمله سطح صاف تعمیم داده می‌شود. این مهم باتوجه به اینکه انرژی جنبشی و نگاشت برخورد نسبت به عمل تغییر شیب به ترتیب ناوردا و هم‌وردا هستند و با استفاده از شکل‌دهی انرژی پتانسیل مشابه راه‌رونده غیرفعال بدست می‌آید. به عبارت دیگر با ایجاد یک تقارن کنترل شده در لاگرانژین سیستم، یک بردار گرانش مجازی مشابه بردار گرانش راه‌رونده غیرفعال نسبت به سطح، به ربات اعمال می‌شود. در انتها، با توجه به چالشهای پیاده‌سازی عملی مدل کف‌پا منحنی، یک ربات پرگاری سه‌بعدی با کف‌پای تخت و فنر در مفصل قوزک‌پا بطور معادل پیشنهاد شده و روش کنترل مذکور دوباره بکار گرفته شده است. نتایج شبیه‌سازی‌ها، کارایی روش ارائه شده را برای هر دو مدل به خوبی نشان می‌دهند.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Asymptotically stable walking control of a 3D biped robot via potential energy shaping approach

نویسندگان English

Mohammad Reza Hairi Yazdi 1
Mohammad Reza Sabaapour 2
Borhan Beigzadeh 3
1 Professor
2 PhD Student School of Mechanical Engineering College of Engineering University of Tehran
3 Assistant Professor School of Mechanical Engineering Iran University of Science and Technology
چکیده English

Abstract Control of biped robots based on the concept of asymptotical stable periodic motions have become of interest of researchers nowadays. Potential energy shaping, one of the most significant approaches in this regard, has been presented and evaluated well on planar 2D models, so far. In this paper, this concept is developed and investigated for general three-dimensional case, in the presence of non-holonomic constraints. At First, the considered biped model is a 3D compass gait model with finite hip width and arc shaped feet whose stable passive walking has been shown in previous researches. In this approach, the passive periodic gaits which may be adopted for a particular ground slope can be reproduced on any arbitrary ground slope such as flat surface. In fact, thanks to the invariance property of kinetic energy as well as equivariance property of collision map with respect to slope changing action, this important goal is reached only by compensating the potential energy similar to that of passive walker. In another word, inducing a controlled symmetry to the system Lagrangian, we impose a virtual gravity in a new direction resembling the gravity direction of passive walker with respect to the ground. At the end, regarding practical challenges about the implementation of arc feet model, a compass gait model with flat feet and springs at the ankle joint has been proposed instead and the aforementioned control approach is applied again. Simulation results show the effectiveness of the presented approach for both models well.

کلیدواژه‌ها English

Biped robot
Walking
Control
Asymptotical stability
Energy shaping