نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی-دانشکده مهندسی مکانیک-دانشگاه یزد

2 دانشجوی کارشناسی ارشد-دانشکده مهندسی مکانیک-دانشگاه یزد

3 عضو هیات علمی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد

10.22041/ijbme.2020.111036.1506

چکیده

کمینه‌کردن مقدار انرژی مصرفی و وزن سازه در ربات‌های راه‌رونده‌ی دوپا اهمیت ویژه‌ای دارد. به منظور برآورده کردن این دو خواسته در این پژوهش، یک کنترل‌کننده غیر فعال متداول که از ترکیب فنر و میراگر خطی تشکیل شده به یک راه رونده دو پا اضافه می-شود. ویژگی مهم راه رونده مورد بررسی، دارا بودن عضوی مستقل به عنوان کف پا در هر اندام حرکتی است که بدون محرک به اندام مفصل شده و دارای تماس نقطه‌ای با زمین است. نقطه تماس روی این منحنی دلخواه متغیر است. برای کاهش پیچیدگی‌های دینامیکی این سیستم از رویکرد جرم نقطه‌ای استفاده می‌شود. این پژوهش تحلیل رفتار دینامیکی این راه رونده کم تحریک قبل و بعد از افزودن کنترل‌کننده را هدف گرفته است. در گام اول مدلی مبتنی بر جرم متمرکز توسعه یافته با اضافه نمودن دو منحنی محدب صلب به عنوان کف پا و مفصل لولایی غیرفعال به عنوان مچ پا ارائه شده است. برای ایجاد تغییر طول مورد نیاز پا در طول گام‌برداری، از المان دینامیکی فعال استفاده می‌شود. در مرحله بعد کنترل‌کننده و یا المان دینامیکی غیرفعال در کنار المان دینامیکی فعال به کار گرفته می‌شود تا از میزان دخالت المان فعال در طول حرکت کاسته شود. به منظور به حداقل رساندن این میزان دخالت، بهینه‌سازی پارامترهای طراحی المان دینامیکی غیر فعال به روش ازدحام ذرات انجام شده و مقدار بهینه آن‌ها بدست می‌آید. نتایج نشان می‌دهد که با ترکیب المان دینامیکی فعال و غیرفعال بهینه، مقدار مصرف انرژی بسیار کاهش پیدا کرده و در نتیجه می‌توان از المان فعال بسیار کوچکتر و با توان کمتر برای طی کردن مسیر مورد نظر استفاده نمود. همچنین، استفاده از المان دینامیکی غیرفعال در عمل کمک قابل توجهی به بهبود شرایط مکانیکی سازه از جمله ابعاد و وزن می‌کند و در مجموع سادگی استفاده برای کاربر را بهبود می‌بخشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

An investigation of dynamic behavior of a pointed-mass convex-sole biped walker with and without a passive controller

نویسندگان [English]

  • Mohammad Hadi Honarvar 1
  • Fatemeh Ghafouri 2
  • Mohammad Mahdi Jalili 3

1 Mechanical Engineering Department-Yazd University-Yazd-Iran

2 Mechanical Engineering Department-Yazd University-Yazd-Iran

3 Mechanical engineering department, Yazd University

چکیده [English]

Minimizing the energy expenditure as well as structure’s size and weight is of a great important in biped walking robots. To achieve this target, a passive controller, which is a combination of spring and linear damper, is added to a biped walker. The important specification of the studied walker is that it has two convex soles at the end of the legs as feet, which is jointed to body with a passive revolute joint. Contact point moves on a sole curve. To reduce system's dynamic complexity, pointed mass approach is used. The main purpose of this research is studying the dynamical behavior of this underactuated walker before and after adding controller. In the first step, a model based on developed pointed mass model is offered and analyzed by adding two rigid convex soles as feet and passive revolute joint as ankle. To make leg length changes during walking, an active dynamic element is used. Next, a passive controller or dynamic element is used with the active one to reduce active element role during movement. Particle swarm optimization method is used to minimize this role by calculating optimized passive element parameters. The results show using the combination of optimized passive and active dynamic elements, the amount of energy consumption is decreased significantly. As a result, we can use a much smaller active element with less power to walk. Also using a passive dynamic element practically improves mechanical specifications of the structure such as dimensions and weight as well as providing simple use for users.

کلیدواژه‌ها [English]

  • gait cycle
  • passive dynamic element
  • energy consumption
  • Optimization