مساله جابجایی دینامیکی اشیاء و مساله راه رفتن رباتهای دوپا، هرچند به نظر می رسد که در نگاه اول کاملا متفاوت باشند، ولی در واقع می توان نشان داد که ارتباط های بسیار عمیقی بین این دو نوع سیستم رباتیکی وجود دارد. در این مقاله به بررسی ارتباط بین مساله جابجایی دینامیکی اشیاء و مساله راه رفتن ربات های دوپا در کلیه سطوح غیرفعال، نیمه فعال و فعال پرداخته می شود. در این راستا مساله ای مجازی تحت عنوان «مساله راه رفتن ربات معلول» تعریف می گردد و بر اساس آن نحوه ارتباط بین این دو سیستم تشریح می گردد. با این دیدگاه، راه رفتن ربات های دوپا نوعی ویژه از مساله جابجایی دینامیکی اشیاء چندلینکی است که در آن، شیئی با ساختاری درست شبیه به ساختار ربات دوپا بوسیله بازوهای مکانیکی صفردرجه آزادی (که دیگر وجود خارجی ندارند) جابجا می شود. به عبارتی می توان گفت که زمین، ربات دوپا را به عنوان شیئی چندلینکی جابجا می کند. برای هر سه حوزه غیرفعال، نیمه فعال و فعال، با ذکر مثال هایی نشان داده می شود که می توان از تعریف یک مساله مادر (جابجایی دینامیکی اشیاء چندلینکی) به توسعه مساله راه رفتن ربات دوپای نظیر در همان حوزه دست پیدا کرد. نشان داده می شود که کلیه جزییات مساله راه رفتن، از جمله مسایل مربوط به پایداری، قابل استنتاج از مساله مادر (جابجایی دینامیکی اشیاء چندلینکی) هستند.

مدل پاندول معکوس با فنر به دلیل نادیده گرفتن مچ پا، کنترل پذیری و حرکت پذیری ربات در راه رفتن دوپایی را محدود می کند. این مقاله یک الگوی جدید راه رفتن با عنوان طراحی بهینه قدم زدن ربات دوپا براساس مدل بهبودیافته پاندول معکوس (پاندول معکوس با فنر متغیر و پای با اندازه محدود (VSLIP-FF)) را برای ربات های دوپا پیشنهاد می کند. همچنین، راه رفتن ربات دوپا با مدل VSLIP-FF بر روی سطوح مسطح و شیب دار با درنظر گرفتن نیروی اصطکاک در حالت ایستایی و لغزشی توسعه داده شده است. از الگوریتم ماشین حالت محدود برای انتقال بین فازهای تک و دو تکیه گاهی استفاده شده است. در نهایت، به بررسی موقعیت و سرعت مرکز جرم ربات در حین راه رفتن بر روی سطوحی با اصطکاک متفاوت پرداخته شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی مدل در شرایط ذکر شده به این صورت می باشد که مدل توانست پایداری خود در حالت مسطح و شیب دار با شیب 0.08 را حفظ کند و رفتاری مشابه انسان از خود بروز می دهد و طول گام بلندتری را در زمان کمتری از مدل SLIP طی می کند. سپس شرایط اصطکاک برای مدل در حالت سطوح مسطح و شیب دار لحاظ شده است که با توجه به مقادیر این مدل، اگر ضریب اصطکاک بزرگتر یا مساوی 0.047 باشد، اصطکاک موجود بین سطح تماس کف پا ربات با زمین از نوع اصطکاک ایستایی می باشد در غیر این صورت از نوع اصطکاک لغزشی می باشد.

حرکت خودران ربات های دوپا در امتداد یک سطح شیبدار موضوعی است که به رغم پیچیدگی های ذاتی آن، توجه بسیاری از محققین را به خود معطوف نموده است. اما آنچه که این تحقیق را از کارهای مشابه متمایز می سازد، در نظر گرفتن انعطاف پذیری در لینک های تشکیل دهنده اینگونه از سیستم های رباتیکی است. این فرض چندان هم دور از انتظار نیست. چرا که در فاز انتقال (برخورد)، به دلیل نیروی ضربه ای که به سیستم اعمال می گردد، امکان تحریک مودهای ارتعاشی به شدت افزایش می یابد. از سوی دیگر استخوان های درگیر در راه رفتن توسط عضلات و ماهیچه هایی در بر گرفته شده اند که دارای خاصیت ویسکوالاستیک هستند. لذا برای رسیدن به نتایجی دقیق تر، مدل سازی لینک هایی که دارای خاصیت ویسکوالاستیک هستند، اجتناب ناپذیر می نماید. در بحث مربوط به حرکت خودران ربات های دوپا، مهمترین مسئله تعیین پیکربندی اولیه ربات، بگونه ای است تا سیستم بتواند تنها تحت اثر جاذبه گرانش یک حرکت پریودیک و پایدار را به انجام رساند. ماهیت به شدت ناپایدار سیستم مورد مطالعه، در کنار ارتعاشات ایجاد شده تحت اثر نیروی ضربه ای ناشی از برخورد کف پا با سطح شیبدار، از چالش های بسیار جدی در پیشروی این تحقیق محسوب می گردند. با این حال، این مقاله با ارائه یک روش کاملاً سیستماتیک، با چارچوب های بسیار محکم ریاضیاتی بر این چالش ها فائق آمده است. در پایان، اثر پارامترهای ذاتی لینک های الاستیک، شامل مدول الاستیسیته و ضریب کلوین-ویت بر روی پایداری حرکت اینگونه از سیستم های رباتیکی مورد مطالعه قرار می گیرد.

هدف از این مقاله، بهبود مدل پاندول معکوس، برای طراحی مسیر بلادرنگ ربات های دوپا است. در این راستا، یک مدل بر اساس پاندول معکوس سه جرمه پیشنهاد می شود و دقت تخمین این مدل با مدل پاندول معکوس سه جرمه و تک جرمه مقایسه می شود. مدل پیشنهادی، با اضافه کردن تقریبی از لنگر پای معلق به مدل پاندول معکوس سه جرمه، تخمین رفتار دینامیکی ربات را بهبود می بخشد. برای نشان دادن کارایی مدل پیشنهادی، مسیر مرکز جرم ربات با استفاده از سه مدل، بر اساس نقطه گشتاور صفر طراحی شده، بدست می آید. سپس، با استفاده از سینماتیک معکوس، مسیرهای فضای کاری به فضای مفصلی نگاشت داده می شوند. در نهایت، با استفاده از مسیرهای به دست آمده در فضای مفصلی، موقعیت دقیق نقطه گشتاور صفر محاسبه شده و مقادیر بدست آمده از سه مدل با هم مقایسه می شود. نتایج بدست آمده از شبیه سازی حرکت ربات، نشان از بهبود تخمین دینامیک ربات با استفاده از مدل پیشنهادی نسبت به مدل های تک جرمه و سه جرمه، به خصوص در سرعت های بالا، دارد. مدل ارائه شده، براساس ویژگی های ربات سورنا 3 بوده که این ربات در مرکز سیستم ها و فناوری های پیشرفته (CAST) دانشگاه تهران طراحی و ساخته شده است.

لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (PDF) مراجعه فرمایید.

ربات اسکلت خارجی پایین تنه یکی از فناوری های کمک حرکتی می باشد که پیشرفت های زیادی در سال های اخیر داشته است. یکی از اساسی ترین مباحث در طراحی این ربات ها، تعیین الگوی گام برداری می باشد. در ربات های اسکلت خارجی موجود معمولا از الگوی گام از پیش ثبت شده توسط انسان سالم برای ربات استفاده می شود. این روش دارای محدودیت هایی از جمله اشغال حجم ذخیره سازی داده و عدم تنظیم مناسب الگوی گام در پارامترهای گام برداری مختلف می باشد. بنابراین استفاده از مدل های ریاضی برای راه رفتن با ربات های اسکلت خارجی ضروری است. تاکنون مدل های ریاضی ساده ای برای گام برداری انسان سالم و همچنین ربات های انسان نما ارائه شده است. ولی به دلیل محدودیت های جسمانی بیماران استفاده کننده از ربات اسکلت خارجی، استفاده از این مدل ها خطر اعمال گشتاور غیرطبیعی و به دنبال آن آسیب به مفاصل بیمار و همچنین موتورهای ربات را در پی دارد. در این مقاله محدودیت های موجود در قالب قیدهای ریاضی در نظر گرفته شده و مدل های ریاضی مناسبی برای موقعیت مفاصل بر اساس این قیدها ارائه شده است. سپس با داشتن معادلات سینماتیک معکوس، الگوی گام مطلوب در قالب زوایای مفاصل بدست آمده است. پارامترهای موجود در مدل ارائه شده شامل طول، ارتفاع و سرعت گام برداری و همچنین طول ساق و ران کاربر می باشد. مدل ارائه شده بر روی ربات اکسوپد پیاده شده است که رضایت کاربران عملکرد خوب مدل ارائه شده را تایید می کند.