Skip to main content
SUPERVISOR
Abbas Fattah,Mehdi Keshmiri
عباس فتاح (استاد راهنما) مهدی کشمیری (استاد مشاور)
 
STUDENT
Amin Fakhari
امین فخاری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Dynamic Modeling, Trajectory Planning and Control of a Seven-Link Biped Robot
Nowadays, biped robots have attracted the attention of many researchers and many studies have been focused on this subject. Most of the essential parameters of the human walking can be captured with a seven-link planar biped robot. In this thesis, dynamics modeling, dynamic stability, trajectory planning, control and implementation of a seven-link planar biped robot, walking on a level ground with a ditch or stairs, are studied. Each walking step may include two phases, the single support phase and the double support phase. Dynamic equations of the biped were derived in both phases. The generalized coordinates are chosen so that the final form of dynamic equations could be expressed in a simpler form. Zero moment point (ZMP) which was first introduced by Vukobratovic is used as the criterion to evaluate the stability of the biped robot. To generate smooth hip and foot trajectories and continuous ZMP, it is necessary that the velocity and acceleration terms of foot and hip joint trajectories be continuous all the times. To this end, with having the kinematics constraints for foot and hip joints, we can generate smooth trajectories for foot and hip joints in Cartesian space using polynomials with suitable orders such that the first and the second time derivatives are continuous all the times. The hip and foot trajectories are designed such that impact effect of feet with ground eliminated. If hip and ankle joints trajectories of each leg are known, all other joint trajectories will be determined using inverse kinematics. The key parameters of the hip joint trajectory in walking direction of the robot are obtained using boundaries of biped stable region during the walking to satisfy dynamic stability of robot. Using this method, we can also plan trajectories for walking on slope surfaces and stairs. Then the highest position of the swing foot ankle joint in sagittal plane is optimized with two different fitness functions. For walking in environments with different obstacles and ditches, the robot has to change its step length. Hence, a novel method for trajectory planning of walking with different step lengths, uses for online trajectory planning, is proposed. The effectiveness of the proposed method is verified by simulation and experimental results. We have used the proposed method to our small-size biped robot to verify the validation of simulation results. Experimental results prove the stability of our biped robot during walking on the level ground with different step lengths. Finally, with adding a joint as trunk joint, ZMP of the biped is controlled by trunk compensation to achieve stable walking. key Words: Biped robot, dynamic stability, zero-moment point, walking pattern generation, ZMP control
امروزه ربات های دوپا توجه بسیاری از محققان در سراسر دنیا را به خود جلب کرده است و تحقیقات زیادی در این زمینه در حال انجام می باشد. ربات های دوپا دارای تحرک پذیری بهتری نسبت به ربات های چرخ دار به ویژه برای عبور از محیط های ناهموار، پله ها و موانع می باشد. برای آنکه ربات قادر باشد بر روی سطوح مختلف حرکت نماید، لازم است که ربات حرکتش را با شرایط مختلف سطح وفق داده و با حرکت مناسب پا و بالا تنه، پایداری خود را تضمین نماید. بسیاری از پارامترهای اساسی حرکت انسان را می توان توسط یک ربات دوپای هفت عضوی صفحه ای بیان نمود. در این تحقیق، مدلسازی دینامیکی، تحلیل پایداری دینامیکی، طراحی مسیر و کنترل یک ربات دوپای هفت عضوی با شش مفصل با قابلیت حرکت از روی موانع، گودال ها و پله مورد مطالعه قرار گرفته است.معیار نقطه ممان صفر (ZMP) به عنوان معیار پایداری دینامیکی ربات انتخاب شده است. مسیرهای حرکت مفاصل ران و مچ پاها در فضای کارتزین با استفاده از چند جمله ای هایی با درجه مناسب به گونه ای طراحی گشته که اثر ضربه پاها با زمین حذف گردد و مسیرهای مفاصل ربات و در نتیجه مسیر نقطه ممان صفر هموار و پیوسته گردد. پارامترهای کلیدی مسیر مفصل ران در راستای حرکت ربات با استفاده از مرزهای ناحیه پایداری ربات به گونه ای بدست آمده که پایداری دینامیکی ربات در طول حرکت تضمین گردد. سپس بالاترین موقعیت مچ پای متحرک در صفحه طولی با استفاده از دو تابع هدف متفاوت بهینه شده است. یک روش جدید برای طراحی مسیر ربات با طول گام های متفاوت که برای طراحی مسیرهای برخط کاربرد دارد ارائه شده است. کارایی بودن روش های بیان شده با استفاده از شبیه سازی ها و اعمال نتایج بر روی یک ربات دوپای ساخته شده به اثبات رسیده است. سرانجام نقطه ممان صفر ربات با استفاده از بالا تنه به عنوان جرم جبران ساز برای داشتن حرکتی پایدار کنترل شده است. کلمات کلیدی ربات دوپا, پایداری دینامیکی، نقطه ممان صفر، طراحی مسیر، کنترل نقطه ممان صفر

ارتقاء امنیت وب با وف بومی