نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، گروه طراحی کاربردی، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 استادیار، گروه طراحی کاربردی، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

3 دانشیار، گروه طراحی کاربردی، دانشکده‌ی مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

10.22041/ijbme.2020.111036.1506

چکیده

کمینه کردن مقدار انرژی مصرفی و وزن سازه در ربات‌های راه رونده‌ی دوپا اهمیت ویژه­ای دارد. در این پژوهش، به منظور برآورده کردن این دو خواسته، یک کنترل کننده‌ی غیرفعال متداول که از ترکیب فنر و میراگر خطی تشکیل شده به یک راه رونده‌ی دوپا اضافه شده است. ویژگی مهم راه رونده‌ی مورد بررسی، دارا بودن عضوی مستقل به عنوان کف پا در هر عضو حرکتی بوده که بدون محرک به اندام مفصل شده و دارای تماس نقطه­ای با زمین است. نقطه‌ی تماس روی این منحنی دل‌خواه متغیر است. برای کاهش پیچیدگی­های دینامیکی این سیستم از رویکرد جرم نقطه­ای استفاده شده است. در این پژوهش رفتار دینامیکی این راه رونده‌ی کم تحریک، قبل و بعد از افزودن کنترل کننده مورد تحلیل قرار 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 هنگام گام‌برداری، از عامل دینامیکی فعال استفاده شده است. در مرحله‌ی بعد، کنترل کننده و یا عامل دینامیکی غیرفعال در کنار عامل دینامیکی فعال به کار گرفته شده تا از میزان دخالت عامل فعال در طول حرکت کاسته شود. برای به حداقل رساندن این میزان دخالت، بهینه‌سازی پارامترهای طراحی عامل دینامیکی غیرفعال به روش ازدحام ذرات انجام شده و مقدار بهینه‌ی آن‌ها به دست آمده است. نتایج نشان می­دهد که با ترکیب عامل دینامیکی فعال و غیرفعال بهینه، مقدار مصرف انرژی بسیار کاهش پیدا کرده و در نتیجه می­توان از محرک فعال بسیار کوچک‌تر و با توان کم‌تر برای پیمودن مسیر مورد نظر استفاده نمود. هم‌چنین استفاده از عامل 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]

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

1 M.Sc. Student, Mechanical Engineering Department, Yazd University, Yazd, Iran

2 Assistant Professor, Mechanical Engineering Department, Yazd University, Yazd, Iran

3 Associate Professor, Mechanical Engineering Department, Yazd University, Yazd, Iran

چکیده [English]

Minimizing the energy expenditure as well as structure's size and weight is very 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

[1]   Alexander, R. McNeil. "Energy-saving mechanisms in walking and running." Journal of experimental biology, p.p. 55-69, 1991.

[2]   Sasaki, Kotaro, and Richard R. Neptune. "Muscle mechanical work and elastic energy utilization during walking and running near the preferred gait transition speed." Gait & posture, p.p. 383-390, 2006.

[3]   Rummel, Juergen, and Andre Seyfarth. "Passive stabilization of the trunk in walking."hip, 180 (190), 200, 2010.

[4]   Migliore, Shane A., Lena H. Ting, and Stephen P. DeWeerth. "Passive joint stiffness in the hip and knee increases the energy efficiency of leg swinging" Autonomous Robots, p.p. 119-135, 2010.

[5]   Yi, Keon Young. "Walking of a piped robot with passive ankle joints."Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications, IEEE, 1999.

[6]   Holm, Jonathan K., Jonas Contakos, Sang-Wook Lee, and John Jang, "Energetics and passive dynamics of the ankle in downhill walking" Journal of applied biomechanics, p.p. 379-389, 2010.

[7]   Muraoka, Tetsuro, Tadashi Muramatsu, Daisuke Takeshita, Hiroaki Kanehisa, and Tetsuo Fukunaga, "Estimation of passive ankle joint moment during standing and walking" Journal of applied biomechanics, p.p. 72-84, 2005.

[8]   Shamaei, Kamran, Gregory S. Sawicki, and Aaron M. Dollar. "Estimation of quasi-stiffness and propulsive work of the human ankle in the stance phase of walking" PloS one, 8 (3), 2013.

[9]   Endo, Ken, Daniel Paluska, and Hugh Herr. "A quasi-passive model of human leg function in level-ground walking" 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2006.

[10]Dežman, Miha, Tadej Debevec, Jan Babič, and Andrej Gams.  "Passive Ankle Exoskeleton: Design and Practical Evaluation", 2015.

[11]Wiggin, Bruce, Steven H. Collins, and Gregory S. Sawicki. "A passive-elastic ankle exoskeleton using controlled energy storage and release" American Society of Biomechanics, 2010.

[12]Hansen, Andrew H., and Jonathon W. Sensinger. "Passive ankle-foot prosthesis and orthosis capable of automatic adaptation to sloped walking surfaces and method of use" U.S., 2013.

[13]Esposito, Elizabeth Russell, Kelly A. Schmidtbauer, and Jason M. Wilken. "Experimental comparisons of passive and powered ankle-foot orthoses in individuals with limb reconstruction" Journal of neuroengineering and rehabilitation, 2018.

[14]Collins, Steven H., M. Bruce Wiggin, and Gregory S. Sawicki. "Reducing the energy cost of human walking using an unpowered xoskeleton" Nature, 2015.

[15]Sawicki, Gregory S., and Nabil S. Khan. "A simple model to estimate plantarflexor muscle–tendon mechanics and energetics during walking with elastic ankle exoskeletons" IEEE Transactions on Biomedical Engineering, p.p. 914-923, 2016.

[16]Green, Brekke A., Gregory S. Sawicki, and Jonas Rubenson. "Energy cost of walking in a passive-elastic ankle-metatarsophalangeal exoskeleton" 41st Annual meeting of the American Socieity of Biomechanics, 2017.

[17]Schimmels, Joseph M., and Shuguang Huang. "Passive ankle prosthesis with energy return simulating that of a natural ankle" U.S. Patent, 2014.

[18]Mokhtarian, A., A. Fattah, and S. K. Agrawal. "An Assistive Passive Pelvic Device for Gait Training and Rehabilitation Using Locomotion Dynamic Model" Indian Journal of Science and Technology, 2013.

[19]Hirata, Yasuhisa, Asami Hara, and Kazuhiro Kosuge. "Passive-type intelligent walking support system" RT Walker" 2004 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2004.

[20]Valiente, Andrew. “Design of a quasi-passive parallel leg exoskeleton to augment load carrying for walking”, MASSACHUSETTS INST OF TECH CAMBRIDGE MEDIA LAB, 2005.

[21]Keren, Roee, and Yizhar Or. "Theoretical Analysis of a passive wearable spring-clutch mechanism for reducing metabolic energy cost during human walking", 2017.

[22]Folz, Alexander J., and Joseph M. Schimmels. "Design of a Passive Ankle Prosthesis with Energy Return That Increases with Increasing Walking Velocity" 2017 Design of Medical Devices Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2017.

[23]Van Dijk, Wietse, Herman Van der Kooij, and Edsko Hekman. "A passive exoskeleton with artificial tendons: Design and experimental evaluation" 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics, IEEE, 2011.

[24]Riemer, Raziel, and Amir Shapiro. "Biomechanical energy harvesting from human motion: theory, state of the art, design guidelines, and future directions" Journal of neuroengineering and rehabilitation, 8, p.p. 1-22, 2011.

[25]Ghafouri, Fateme, Honarvar, MohammadHadi, Jalili, Mahdi, “Mechanical and energetic consequences of convex-curved sole in human walking with different patterns”, ICROM International Conference, 2017.

[26]Darici, Osman, Hakan Temeltas, and Arthur D. Kuo. "Optimal regulation of bipedal walking speed despite an unexpected bump in the road" PloS one, 13(9), e0204205, 2018.

[27]Winter, David A., “Biomechanics and motor control of human movement” John Wiley & Sons, 2009.

[28]Sadeghi, Mohsen, Mehran Emadi Andani, Fariba Bahrami, and Mohamad Parnianpour. "Trajectory of human movement during sit to stand: a new modeling approach based on movement decomposition and multi-phase cost function" Experimental brain research 229(2), p.p. 221-234, 2013.