Skip to main content
SUPERVISOR
Mehdi Keshmiri,Mohammad jafar Sadigh
مهدی کشمیری (استاد مشاور) محمدجعفر صدیق دامغانی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ehsan Kouchaki Varnosfaderani
احسان کوچکی ورنوسفادرانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1385

TITLE

Effect of Toe-Joint on Quality of Walking and Stability of Standing
This dissertation aims to investigate the effect of toe-joint on walking performance and standing stability. For walking, kinematical and dynamical studies are carried out. In the kinematical study, experimental walking data of normal subjects were collected. A kinematic index for natural walking is computed based on collected data. In the dynamical study, energy consumption, is compared in walking with toe bending and locked toe-joint states. Simulation results show that bending of toe reduced the energy consumption. Study of the standing control of biped with toe-joint is another objective of this research. A bipedal model contains an inverted pendulum as the upper body and a foot with toe-joint. The balance regulation is done using ankle strategy and ankle-toe strategy. First, effect of forcing constraints on standing balance of the biped is studied and the allowable torque bounds are computed. Then standing balance control is done by ankle strategy using PD switching and model predictive control methods. Standing balance control is fulfilled using model predictive control by implementing configuration constraints and using state feedback control based on LQR method without considering excess constraints. Simulations showed that the ankle-toe strategy has better performance and reduced the actuator demand. The stability analysis for nonlinear system is performed using concept of Lyapunov exponents. The system’s stability is investigated and domain of attraction is calculated. Results show that the toe-joint increases domain of attraction. This effect is more important especially in the case with high heel foot. Keywords : Toe-joint, kinematic index, dynamic index, forcing constraints, configuration constraints, ankle strategy, ankle-toe strategy, Lyapunov exponents, model predictive control .
انتظار می‌رود ربات‌های راه رونده‌ی دو پا در آینده از نظر حرکتی به انسان‌ها شبیه‌تر شوند تا بهتر بتوانند با آن‌ها تعامل داشته باشند. در این میان به نظر می‌رسد مفصل پنجه‌ی پا نقش تعیین کننده‌ای در حرکت ربات‌های دو پا دارد. با این حال تاکنون در بیشتر پژوهش‌های حوزه‌ی ربات‌های انسان‌نما مغفول مانده است. هدف این رساله بررسی نقش مفصل پنجه در کیفیت راه رفتن و پایداری ایستادن است. در بخش راه رفتن یک مطالعه‌ی سینماتیکی و یک مطالعه‌ی دینامیکی انجام شده است. در مطالعه‌ی سینماتیکی هدف، معرفی یک شاخص سینماتیکی برای سنجش راه رفتن انسان یا ربات از نظر میزان طبیعی بودن است. به این منظور داده‌های آزمایشگاهی مربوط به راه رفتن انسان‌های سالم جهت محاسبه‌ی یک شاخص سینماتیکی جمع آوری شده است. با استفاده از این شاخص چند نمونه راه رفتن شامل راه رفتن بدون استفاده از مفصل پنجه مورد ارزیابی قرار گرفته و با یکدیگر مقایسه شده است. در مطالعه‌ی دینامیکی با تهیه‌ی یک مدل نه- میله‌ای شامل مفصل پنجه و طراحی یک مسیر پایدار برای یک گام راه رفتن روی سطح افقی و سطح شیبدار، گشتاورها و شاخص‌های مصرف انرژی و توان برای دو حالت حرکت با استفاده از حرکت پنجه و حرکت با مفصل پنجه‌ی قفل شده محاسبه و با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج نشان داد استفاده از مفصل پنجه باعث کاهش حداکثر مقدار گشتاور و همچنین مصرف انرژی در ربات می‌شود. ایستادن پایدار و توانایی حفظ تعادل در برابر ضربه‌های وارد شونده یکی از توانایی‌های مهم مورد انتظار از ربات‌های دو پا می‌باشد. در این پژوهش برای مدل کردن ایستادن ربات با فرض وجود اغتشاش‌های کوچک از راهبرد قوزک استفاده شده است. به این منظور تنه با یک پاندول وارون و کف پا با دو عضو صلب به عنوان عضوهای پاشنه و پنجه مدل شده است. بین کف پا و زمین دو نوع قید نیرویی و قید وضعیتی در نظر گرفته شده است. قیدهای نیرویی بر اساس نیروهای واکنش زمین و موقعیت نقطه اثر آن‌ها و قیدهای وضعیتی بر اساس موقعیت عمودی کف پا از روی سطح زمین تعریف شده‌اند. در مرحله‌ی نخست با تعریف سه قید نیرویی، محدوده‌های مجاز گشتاور مفصل‌های قوزک و پنجه برای برآورده شدن قیدها به دست آمده است. کنترل تعادل ایستادن ربات سپس با استفاده از دو راهبرد انجام شده است: راهبرد قوزک و راهبرد قوزک- پنجه. در راهبرد قوزک با شرط حفظ تماس کامل کف پا بر روی زمین، کنترل کننده گشتاور قوزک را برای پایدارسازی تعیین کرده و از گشتاور مفصل پنجه برای تامین حداکثر محدوده‌ی مجاز گشتاورها استفاده می‌کند. در این راهبرد با اعمال قیدهای نیرویی به مساله، پایدار سازی به دو روش کنترل تناسبی- مشتقی سوییچ شونده و کنترل پیش‌بین مدل انجام شده است. شبیه‌سازی‌ها نشان داد عملکرد کنترل تناسبی- مشتقی با نتایج پژوهش‌های انجام شده‌ی قبلی انطباق خوبی دارد و کنترل پیش‌بین مدل دارای عملکرد بهتر از نظر میزان گشتاور مفصل‌ها و تغییر زاویه‌ی تنه در طول پایدار سازی است. در راهبرد قوزک- پنجه با فراهم شدن امکان حرکت مفصل پنجه در طول پایدار سازی، کنترل کننده‌ی طراحی شده گشتاور هر دو مفصل را محاسبه می‌کند. کنترل تعادل ایستادن با استفاده از این راهبرد در دو بخش یکی با اعمال قیدهای وضعیتی و دیگری بدون اعمال قید انجام شد. در بخش نخست از کنترل پیش‌بین مدل و در بخش دوم از کنترل بازخورد حالت بر اساس روش LQR استفاده شده است. نتایج نشان داد راهبرد قوزک- پنجه دارای عملکرد بهتری نسبت به راهبرد قوزک است. برای تحلیل پایداری سیستم کنترل در این راهبرد از مفهوم نماهای لیاپانف استفاده شده است. به این ترتیب ضمن بررسی پایداری، ناحیه‌های جذب نیز به دست آمده است. نتایج نشان می‌دهد استفاده از مفصل پنجه باعث افزایش ناحیه‌ی جذب می‌شود. این تحلیل همچنین برای راه رفتن با کف پا با پاشنه‌ی بلند نیز انجام شده است. نتایج نشان دهنده‌ی افزایش تاثیر مثبت مفصل پنجه بر پایداری سیستم در این حالت است. لغات کلیدی:ربات دوپا- مفصل پنجه - شاخص های مصرف انرژی- کنترل پیش بین مدل -نماهای لیاپانف - راهبرد قوزک- راهبرد قوزک پنچه.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی