28013

طراحي و پياده‌سازي تجربي كنترلر حركت پرشي براي پاي رباتيك سه درجه آزادي با الهام از الگوي جرم و فنر

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- ساخت و توليد (مكاترونيك)

1399

1401/12/07

دكتر محمد شهبازي آغبلاغ

مكانيك

قابليت‌هاي حركتي ويژه ربات‌هاي پادار از جمله حركت در محيط‌هاي ناهموار و دسترسي به محيط‌هايي كه توسط ربات‌هاي چرخ‌دار قابل پيمايش نيستند از جمله دلايل اصلي رويكرد به اينگونه از ربات‌ها است. لذا تمايل انسان به سراغ الگوبرداري و شبيه سازي ماشيني رفتار حيوانات گراييده است تا در موقعيت‌هاي متفاوت، مخصوصا در موارد امداد و نجات كه انسان به دليل خطرات موجود دسترسي به محل مورد نظر ندارد بتواند از توانايي‌هاي اين ربات‌ها بهره‌گيري كند.براي حفظ تعادل و كنترل ‌گام‌برداري در اين ربات‌ها نياز است تا الگوريتم‌هاي متنوعي به كمك سنسورها و عملگرهاي مختلف در راستاي كنترل موقعيت و گشتاور توليدي در پا توسعه پيدا كنند. در اين پژوهش هدف، ساخت يك نمونه پاي رباتيك سه درجه آزادي براي ربات چهارپاي دانشگاه علم و صنعت و توسعه شبيه‌ساز و كنترلر براي كنترل موقعيت و گشتاور در اين پا مي‌باشد. لذا يك نمونه از پاي رباتيك سه درجه آزادي از ربات چهارپاي دانشگاه علم و صنعت با الهام از ربات‌هاي چهارپاي موجود، ساخته شده است و شبيه‌سازهايي نيز براي اين ربات در فضاي گزبو با استفاده از راس و در فضاي پايتون با استفاده از كتابخانه Matplotlib توسعه يافته‌است. به منظور كنترل موقعيت ربات، مدل سينماتيكي ربات در كتابخانه RBDL تعريف شده است و محاسبات سينماتيكي براي كنترل حركت پا در يك مسير دلخواه به صورت بلادرنگ، هم در شبيه‌ساز گزبو و هم در ربات واقعي انجام شده است. براي كنترل گشتاور و نيروي وارده بر پاي ربات استفاده از مدل آونگ فنري معكوس بارگذاري شده SLIP به عنوان چارچوب اصلي براي كنترل، علاقه فزاينده‌اي در بسياري از پروژه هاي رباتيك داشته‌است. در نتيجه به منظور درك حركت ربات‌هاي پادار و كنترل گشتاور در اين ربات با الهام از اين مدل، سعي شد تا تست پرش با ارتفاع‌هاي متفاوت در ربات مدلسازي شده و كنترلري مناسب براي پياده سازي اين رفتار در ربات طراحي شود. لذا ابتدا جزييات مورد نظر در يك شبيه‌ساز در فضاي پايتون به وجود آمد و تست‌هاي مورد نظر براي كنترلر بر روي شبيه‌ساز پياده‌سازي شد و سپس با كمترين تغييرات بر روي ربات واقعي نيز پياده‌سازي شد. نتايج بدست آمده تطابق دقيقي بين مدل اسليپ و ربات بدست داده است كه نشان از دقت كنترلر و عملكرد صحيح شبيه‌ساز در مدل‌سازي ربات در فضاي واقعي دارد.

1401/12/19

Design and empirical implementation of a controller for a SLIP-based hopping behavior in a 3DoF robotic leg

2/26/2024 12:00:00 AM

The special movement capabilities of legged robots, including movement in rough environments that cannot be navigated by wheeled robots, are among the main reasons for approaching such robots, therefore, the human tendency is toward modeling the behavior of animals to use the capabilities of these robots in different situations, especially in cases of rescue, where humans cannot access the location due to existing risks. In order to maintain balance and control stepping in these robots, it is necessary to develop various algorithms with the help of different sensors and actuators to control the position and torque produced in the foot. In this research, the goal is to build a prototype of a 3DoF robotic leg for the IUST-quadruped robot and to develop a simulator and controller to control the position and torque of this leg. Therefore, inspired by the existing quadruped robots, a prototype of this robotic leg, has been made, and simulators for this robot have been developed in the Gazebo using ROS and in Python, using the Matplotlib library. In order to control the position of the robot, the kinematic model of the robot is defined in the RBDL library, and kinematic calculations are performed to control the movement of the foot in an arbitrary path in real-time, both in the gazebo simulator and in the real robot. To control the torque and force on this leg, since the use of the spring-loaded inverted pendulum (SLIP) model as the main framework for control has been of increasing interest in many robotics projects, inspired by this model, it was tried to model the jump test with different heights in the robot and design a suitable controller to implement this behavior in the robot which help to understand the legged locomotion and torque control in such robots. Therefore, first, details were created in a simulator, and the desired tests for the controller were implemented, and then with minimal changes, they were also implemented on the real robot. The obtained results have shown an accurate match between the slip model and the robot, which exhibits the controller's accuracy and the correct performance of the simulator in modeling the robot in real space.

ربات چهارپا , شبيه‌ساز گزبو , راس , كنترل گشتاور , مدل اسليپ

quadruped robot , Gazebo simulator , ROS , Torque control , SLIP model

Kamyab Yazdipaz

Dr. Mohammad Shahbazi