بهينه‌سازي حركات دوراني پاشنه و پنجه براي ربات دو بعدي انسان‌نما مجهز به مفصل پنجه فعال

Heel-off and toe-off motions optimization for a2D humanoid robot equipped with active toe joints

در پژوهش حاضر، اثرات افزودن پنجه فعال به يك ربات انسان نماي دو بعدي كه داراي حركات دوراني پاشنه و پنجه مي‌باشد بررسي مي‌گردد. در اين راستا، ابتدا مسير حركت مفاصل مختلف ربات طراحي مي‌شود. پس از طراحي مسير، مدل ديناميكي ربات با استفاده از دو روش كين و لاگرانژ در فازهاي مختلف حركت استخراج مي‌شود. همچنين صحت مدل ديناميكي استخراج شده، با استفاده از دو روش مختلف تاييد مي‌گردد. مدل ارايه شده، براساس ويژگي‌هاي ربات سورنا 3 بوده كه اين ربات در مركز سيستم‌ها و فناوري‌هاي پيشرفته دانشگاه تهران طراحي و ساخته شده است. پس از آن، فرايند بهينه‌سازي با اتخاذ دو تابع هدف مختلف انجام مي‌شود. توابع هدف برگزيده شده در اين مقاله، مربوط به مصرف انرژي و پايداري ربات مي‌باشند. هدف از بهينه‌سازي، كمينه كردن ميزان مصرف انرژي و بيشينه كردن پايداري ربات است. در نهايت نتايج حاصل از بهينه‌سازي و آناليز پارامتري ربات ارايه مي‌شود. نتايج ارايه شده نشان مي‌دهد كه در هر سرعت يك مقدار بهينه براي زواياي دوراني پاشنه و پنجه وجود دارد كه به ازاي اين مقادير بهينه، ميزان مصرف انرژي ربات كمينه خواهد شد. همچنين اين نتايج نشان مي‌دهند كه زاويه دوراني پاشنه تاثيري بر روي پايداري ربات ندارد و تنها زاويه دوران پنجه است كه در پايداري ربات تاثير‌گذار است. در نهايت به بررسي اثرات جرم و طول پنجه بر روي توابع هدف پرداخته مي‌شود و نشان داده مي‌شود كه افزايش جرم پنجه موجب افزايش مصرف انرژي و پايداري ربات خواهد شد، در حالي كه افزايش نسبت طولي پنجه تاثيري بر روي توابع هدف ندارد.

In this paper, the effects of the addition of an active toe joint on a 2D humanoid robot with heel-off and toe-off motions are studied. To this end, the trajectories of joints and links are designed first. After gait planning, the dynamic model of the humanoid robot in different phases of motion is derived using Kane and Lagrange methods. Then, the veracity of the derived dynamic model is demonstrated by two different methods. The under-study model is in accordance with the features of SURENA III, which is a humanoid robot designed and fabricated at the Center of Advanced Systems and Technologies (CAST) located in University of Tehran. Afterward, the optimization procedure is done by selection of two different goal functions; one of them minimizes the energy consumption and the other maximizes the stability of the robot. At last, the obtained results are presented. According to the results, there is an optimum value for heel-off and toe-off angles in each velocity which minimizes the consumption of energy. The results also show that, the heel-off angle does not have any significant effects on the stability of the robot while increasing the toe-off angle improves the stability of motion. Finally, the effects of mass and length of the toe joint is inspected. These inspections suggest that heavier toe joints cause an increase in both energy consumption and stability of the robot while increasing the length of the toe joint does not have any effects on both goal functions.