طراحي مسير بهينه براي يك ربات دوپا با به كار گرفتن پنجه فعال و پاشنه

Optimal Gait Planning for a Biped Robot by employing Active Toe Joints and Heels

در مقاله پيش رو، اهميت تجهيز پاي يك ربات انسان نما به پنجه فعال مورد بررسي قرار مي گيرد. هدف از اين بررسي، استفاده از مفصل پنجه فعال و پاشنه براي بهبود گام برداري ربات از نقطه نظر حداكثر گشتاور زانو و انرژي مصرفي كل است. بدين منظور، با در نظر گرفتن هم زمانِ پنجه و پاشنه، يك نوع الگوي حركتي بهينه ارايه و با الگوي حركتي بدون پنجه و پاشنه مقايسه مي شود. سيستم مورد بررسي، يك رباتِ انسان نما با 22 درجه آزادي است كه روش هاي تحليلي كين و لاگرانژ به منظور استخراج معادلات ديناميكي آن مورد بررسي قرار مي گيرند. سپس، به منظور كاهش بار محاسباتي، راه حلي تراجعي براي حل معادلات ديناميك معكوس، براساس روش كين ارايه مي گردد. به منظور اطمينان از صحت نتايج به دست آمده براي گشتاورهاي موردنياز مفاصل و نيز نيرو و گشتاورهاي عكس العملي زمين، موقعيت نقطه گشتاور صفر (ZMP) به دو روش محاسبه و مقايسه مي شود. در ادامه، براي هر دو الگوي حركتي، مسيري مناسب براي حركت ميان تنه و كف پاها در فضاي كاري طراحي مي شود و از طريق سينماتيك معكوس، مسير حركت همه مفاصل به جز پنجه در فضاي مفصلي به دست مي آيد. مسير حركت پنجه، جداگانه و براساس مسير طراحي شده براي كف پا تعيين مي شود. در انتها، پارامترهاي مهم در طراحي مسير براي حركت بر روي سطح صاف، بهينه سازي و انتخاب مي شوند كه بيشينه گشتاور زانو به حداقل مقدار برسد و انرژي مصرفي كل كاهش يابد. در پايان، الگوي حركتي مناسب براي حركت بر روي سطح صاف با طول گام زياد نيز پيشنهاد ميگردد.

In this article, the significance of utilizing active toe joints in biped robots is examined. The main goal of this research is to employ heels and active toe joints and to improve gait performance from two points of view: actuating torques of knee joints and total energy consumption. Considering the effectiveness of toes and heels in walking, a new walking pattern is fully addressed and compared with another walking pattern that does not exploit toes and heels. In order to develop a verified dynamics model for considered humanoid robot with 22 DoFs, two analytical methods i.e., Lagrange and Kane are adopted, and the obtained results are compared. To reduce calculation burden, an iterative method for dynamics model development is proposed, based on Kane approach. Furthermore, to verify the obtained ground reaction forces and moments, the position of ZMP is computed and compared using two methods. In the procedure of gait planning, first the pelvis trajectory is planned. Then, the feet trajectory planning process is done. After designing trajectory in the task space, all joint trajectories except the trajectories of toes are obtained, using closed-form inverse kinematics solution. Toe joints trajectories are planned separately, considering the feet trajectories. Furthermore, the significant parameters in gait planning are considered as design variables in optimization procedure in order to reduce the maximum torque of knees, and total consumed energy as cost functions. Finally, the walking pattern for walking with large step length on flat terrains, under joint torque and velocity limitations, is developed.