طراحي و بهينه‌سازي زنجيره انتقال قدرت مفصل مچ يك ربات انسان‌نما

Design and optimization of an ankle joint actuating mechanism of a humanoid robot

با توجه به ضرورت افزايش كارائي نسل‌هاي جديد ربات‌هاي انسان‌نما، در اين مقاله، به منظور افزايش سرعت حركت ربات انسان‌نما سورنا3، يك مكانيزم انتقال قدرت براي تحريك مفصل مچ پيشنهاد شده و انرژي مصرفي در مكانيزم پيشنهادي و پيشين مورد مطالعه قرار گرفته است. در مكانيزم پيشنهادي، موتورهاي محرك مفصل مچ به لينك ساق پا منتقل شده‌اند و به منظور ايجاد حركت دوراني مچ حول محور طولي، از تركيب تسمه-پولي و هارمونيك درايو و براي دوران مچ حول محور عرضي، از مكانيزم رولراسكرو استفاده شده است. جهت صحه‌گذاري بر روند طراحي، نتايج شبيه سازي حركت ربات با داده هاي تجربي مقايسه شده‌اند و در نتيجه اين روند، مدل ديناميكي با تقريب خوبي با مدل واقعي ربات مطابقت پيدا كرده است. سپس، به منظور ايجاد طراحي مسير پايدار ربات، از الگوريتم فراابتكاري ژنتيك براي بهينه سازي پارامترهاي موثر حركت ربات براساس تابع هدفي كه ماكزيمم گشتاور مفصل زانو را حداقل مي‌كند، استفاده شده است. اين فرآيند بهينه‌سازي در حركت مستقيم‌الخط ربات بر روي سطح صاف اعمال شده و در نتيجه اين روند، پارامترهاي طراحي مسير بهينه براي مكانيزم پيشنهادي به نحوي بدست آمده‌اند كه منجر به كاهش گشتاورهاي مفاصل پائين‌تنه ربات نسبت به ربات سورنا3 شده‌اند. همچنين، مكانيزم پيشنهادي با كاهش جرم كف پا، استفاده از موتورهاي سبك‌تر و نيز رسيدن به سرعت‌هاي بالاتر براي ربات را ممكن مي سازد.

Due to necessity of increasing performance in new generations of the humanoid robots, in this paper, a novel power transmission mechanism to actuate the ankle joint of a humanoid robot is presented in order to increase the motion speed of SURENAIII humanoid robot. Also, the energy consumption of the proposed and the previous mechanisms are studied. In the proposed mechanism, the actuators of the ankle joint are located in the shank link. Then, a combined timing belt-pulley and a harmonic drive module are exploited for power transmission for the pitch joint. Also, the roll joint drive has employed a roller screw. In order to validate the design procedure, the simulation results of the robot are compared with the experimental data. The results reveal that the dynamic model is fairly matched to the real behavior of the robot. Also, the revolutionary genetic algorithm is employed to optimize the effective path planning parameters with respect to the minimum knee joint energy consumption. This optimization procedure which is employed in robot walking on flat terrains consists of straight motion and ensures the robot's stability. As a result, the optimal path planning parameters for proposed mechanism are obtained in such a way that the actuating torques of lower-body of SURENAIII are decreased. Also, the proposed mechanism can be achieved using lighter motors and makes the robot faster by means of mass reduction of foot.