بهينه سازي همزمان منحني محدب كف پا و سيكل راه رفتن در يك راه رونده دو پا با مچ بدون درجه آزادي اضافه

Simultaneous optimization of sole curve and gait cycle in a biped walker without extra DOF in ankle

هندسه ناحيه تماس اندام حركتي تحتاني با زمين اهميت قابل توجهي در مشخصه‌هاي سيكل گيت دارد. در پژوهش حاضر، طراحي و تحليل منحني محدب كف پا در سيكل راه رفتن با هدف دستيابي به كمينه انرژي مصرفي در راه رفتن روي سطح افقي صورت گرفته است. به اين منظور، مدل معروف جرم متمركز با نقطه تماس ثابت به مدلي با نقطه تماس متحرك بر روي يك منحني به نام منحني كف پا و بدون درجه آزادي اضافه توسعه يافته است. با توجه به متأثر بودن سيكل گيت بهينه از هندسه مدل، افزودن منحني كف پا بازسازي سيكل راه رفتن را الزام مي‌كند. در نتيجه در اين پژوهش، بهينه‌سازي همزمان براي يافتن تركيب بهينه منحني محدب كف پا و سيكل راه رفتن انجام شده است. براي اجتناب از هزينه محاسباتي بسيار بزرگ براي حل عددي، متغير طراحي از توابع پيوسته به برداري با بعد محدود كد شده و در دو حلقه تو در تو با روش‌هاي ازدحام ذرات و تندترين كاهش حل شده است. قيود سينماتيك و الزامات مربوط به حركت تكراري، پيوسته و متقارن استخراج شده و در روند بهينه‌سازي ارضا شده است. نتايج شبيه‌سازي نشان داده است كه اثر بهينه‌سازي همزمان هندسه و مسير در تابع هزينه بسيار چشمگير است.

The geometry of a foot is so important in the specification of the gait cycle. This research deals with designing and analyzing the foot shape in the gait cycle in order to achieve the least energy consumption during walking on a flat ground. The famous point mass model has been improved to a model with a moving contact point on a convex sole without adding an extra degree of freedom. As the convex sole is added to the model, motion reconstruction is needed because of the effects of the model's geometry on optimized gait cycle. Therefore, in this research, simultaneous optimization has been done to find the optimized sole shape and hip trajectory. To avoid high computational cost, optimization variables have been coded into vectors with limited dimensions and obtained by using particle swarm optimization (PSO) and steepest descent algorithm together. Kinematic constraints and requirements of a continues, repetitive and symmetrical locomotion have been driven and satisfied during optimization. The results have been shown that optimization of the sole shape and hip trajectory has great effects on the cost function.