Skip to main content
SUPERVISOR
Mehdi Keshmiri,Mohammad jafar Sadigh
مهدی کشمیری (استاد راهنما) محمدجعفر صدیق دامغانی زاده (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mostafa Ghobadi Shahreza
مصطفی قبادی شهرضا

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388

TITLE

Stability Control of Walking Biped Robots based on Total Momentum
With the development of robotics science, lots of research has been conducted in the area of biped robots and many industries have been attracted to the application of these robots. Because of the non-continuous nature of legged robots and bipeds in particular, not facing problems that wheeled or snake-like robots do in moving on stairs and ditches, their industrial and practical applications has been considered seriously. That is why a great number of humanoid robots have been developed all over the world and in some countries such as Japan, development of Humanoid Robots is considered as a national project to the extent that it is considered as an index of the science and technology development in the country. As the humanoid robots have the same structure as humans, many efforts are put to reach their level of ability to handle many tasks which have been normally assigned to humankind. Among the subjects which have been studied on biped motion, naming motion stability analysis, motion pattern generation, optimization, and control, the stability and control of these systems can be considered as one of the most important issues. The concept of stability of the biped motions, its criteria and how such stability can be guaranteed is of the greatest importance for researchers and at the same time is the most complicated dilemma not completely resolved yet. Most of the researches on stability and control of these systems have been based on the Postural Stability which regards the control of walkers’ stability as the motion tracking of their joints and support limbs on some desired trajectories having postural stability. However, recently some scholars developed the concept of the stability of walkers correctly and equate it with not going to the states which leads to fall down or tip over. The current research is based on this new intuition of stability and unlike the traditional analyses which follows stability and control of the walker in joint space as internal or detailed quantities, a walker is considered as a total system so that the problem is followed in whole-body momentum space . Such an approach gives an exhaustive solution which enables its implementation on any biped walkers considering the existence of a map between these two spaces. Firstly, Principle Equation of Motion (for walkers) is derived that later results in introducing two piecewise-continuous dynamical systems namely Simplified Walking Model (SWM) and Complete Walking Model (CWM) which both describe the behavior of walker with emphasis on the motion in horizontal plane. Furthermore, by making some realistic assumptions based on human natural walking, a simplified equation of motion named Step-to-Step Equation of Walking is formulated. To calculate the solution of steady walking motions, the repetition condition is exerted on this equation that yields a significant finding named Simple and Compound Motion Cycles as general solutions of steady walking. Among all possible motion cycles, Simple Forward Motion Cycle is representing the normal walking pattern. These cycles have marginal stability that in practice cause the motion to diverge exponentially even under slight disturbance. By defining the stabilization of walking as the guidance of the motion initiated from arbitrary initial states to a desired motion cycle and controlling the motion about it, two major strategies are presented for stability control of the walkers: 1) Continuous altering of Center of Pressure (CoP) within support polygon, and 2) Continual planning of the step length and duration. Using these two strategies and based on Simplified Walking Model (SWM), four methods of stability control named generally as Motion Cycle Stabilizers are proposed and their theoretical aspects are iected. Then, to examine the capability and detect deficiencies of the proposed stabilizers on Complete Model of Walking (CWM), some simulations are performed on a physical model with realistic constraints. Finally, to overcome the deficiencies of the Stabilizers, method of Optimal Stability Control is proposed to complete the solution. The numerical simulations show that the proposed approach to the stability and control of biped walkers provides us with a more complete and accurate solution compared with traditional approaches and guarantee the stability of walkers in a maximum sense. Keywords Stability of Walkers, Walking Biped Robots, Walking Model in Momentum Space, Walking Motion Cycles, Stabilization of Walking, Step-to-Step Control of Walking.
با گسترش و پیشرفت علم رباتیک، مطالعه و تحقیق بر روی ربات‌های دارای پا و به خصوص ربات دوپا افزایش یافته است و توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی و صنعتی را به خود جلب کرده است. در سال‌های‌ اخیر، ربات‌های انسان نمای متعددی در سراسر دنیا ساخته شده است و در برخی کشورها مانند ژاپن ساخت ربات انسان نما به عنوان پروژه ملی مطرح است به نحوی که نمادی از پیشرفت تکنولوژی محسوب می شود. ربات‌های دوپا به این دلیل که از نظر ساختاری شبیه انسان هستند، توانایی انجام بسیاری از فعالیت‌های انسان را دارند. همچنین به علت ماهیت ناپیوسته حرکت ربات دوپا، بسیاری از مشکلاتی که ربات‌های چرخ‌دار و مارسان در عبور از سطوح ناهموار، پله‌ها، موانع و شکاف‌ها دارند برای این دسته از ربات‌ها وجود ندارد. از میان تحقیقات زیادی که بر روی ربات‌های دوپا انجام شده‌ می‌توان به بررسی پایداری، طراحی مسیر، بهینه سازی راه رفتن و کنترل آن‌ها اشاره نمود. از این میان، مهم ترین و پیچیده ترین مسئله ای که هنوز به طور کامل حل نشده است، مفهوم پایداری راه رونده ها و معیارها و روش های کنترل آن می باشد. اگرچه تاکنون پایداری وضعی، که حفظ پایداری راه رونده را برابر با کنترل وضعیت قرارگیری تکیه گاه ها و مفاصل بر روی یک مسیر از پیش طراحی شده دارای پایداری وضعی می گیرد، مبنایی برای کنترل پایداری آنها به حساب می آمده است، برخی از محققین مفهوم پایداری این سیستم ها را بسط داده اند و آن را معادل با نرفتن به وضعیتی می دانند که منجر به زمین خوردن(افتادن) می شود که برداشت اخیر از پایداری و کنترل آن، مورد نظر تحقیق حاضر است. همچنین، برخلاف روش های متداول که حرکت راه رونده را در فضای مفاصل(کمیت های جزئی داخلی) پیگیری می کنند، تحلیل های پایداری و کنترل پایداری ارائه شده در این پژوهش، به راه رونده به صورت یک سیستم کلی نگاه می کند و روشی جامع در فضای اندازه حرکت(کمیت های کلی) ارائه می دهد که با توجه به وجود یک نگاشت بین این دوفضا، پیاده سازی آن را بر روی هر راه رونده ای، ممکن می سازد. بر این اساس، ابتدا معادله حرکت پایه برای راه رونده در فضای اندازه حرکت کلی بدن استخراج شده است که در نهایت به ارائه دو مدل ریاضی(سیستم دینامیکی تکه تکه پیوسته) به نام های مدل ساده شده راه رفتن(SWM) و مدل کامل راه رفتن(CWM) می انجامد. همچنین، با انجام فرضیاتی نزدیک به واقعیت بر روی معادله حرکت پایه، معادله حرکتی ساده شده، به نام معادله حرکت گام به گام به دست می آید. برای محاسبه حل حرکت دائمی سیستم، با اعمال شرط تکرار بر روی این معادله، سیکل های حرکتی ساده و مرکب استخراج خواهند شد که ازاین میان سیکل ساده پیش رونده، الگویی برای حرکت راه رفتن معمولی ارائه می دهد. این سیکل ها دارای پایداری مرزی هستند و در عمل به واسطه کوچکترین اختلالی با رشدی نمایی واگرا خواهند شد. با تعریف پایدارسازی حرکت راه رفتن به صورت هدایت حرکت از یک شرایط اولیه دلخواه به سمت یک سیکل حرکتی مطلوب و کنترل حرکت حول آن، دو راهبرد کنترل پایداری، 1) تغییر پیوسته مرکز فشار در ناحیه تکیه گاهی و 2) تغییر پی درپی طول و زمان فرودگام، ارائه شده است. بر اساس این دو راهبرد و با مبنا قراردادن مدل ساده شده راه رفتن(SWM)، چهار کنترل کننده پایداری با نام کلی پایدارسازهای سیکل حرکتی ارائه شده و توانایی پایدارسازی هر یک از آنها تجزیه و تحلیل شده است. سپس برای بررسی توانایی پایدارسازها بر روی مدل کامل راه رونده(CWM)، تعدادی شبیه سازی بر روی یک مدل فیزیکی دارای محدودیت های واقعی انجام شده و توانایی و نارسایی هر یک از کنترل کننده های پایداری بررسی شده است. در پایان، برای فائق آمدن بر نارسایی های پایدارسازهای سیکل حرکتی، روشی به نام کنترل پایداری بهینه به عنوان راه حلی کامل برای مسئله ارائه گردیده و عملکرد آن با انجام شبیه سازی بر روی مدل فیزیکی، بررسی شده است. در این پژوهش سعی شده است با نگاهی جامع تر به دو مقوله پایداری و کنترل پایداری در مقایسه با نگاه متداول، مسئله پایداری و کنترل پایداری راه رونده با رویکردی حداکثری دنبال گردد. کلمات کلیدی پایداری راه رونده ها، ربات های راه رونده دوپا، مدل راه رفتن در فضای اندازه حرکت، سیکل های حرکتی در راه رفتن، پایدارسازی راه رفتن، کنترل گام به کام راه رفتن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی