منبع پایان نامه ارشد درباره کنترل حرکت

د سایر کدهای پایه ای بر اساس معماری لایه ای از سه لایه ی اصلی ارتباطی، داده و تصمیم گیری تشکیل شده. لایه ی ارتباطی وظیفه ی برقراری ارتباط با کارگزار شبیه سازی، لایه ی داده وظیفه ی پردازش داده های خام ورودی از لایه ی قبل و لایه ی تصمیم گیری وظیفه ی تصمیم گیری با استفاده از اطلاعات ورودی از لایه ی قبل را بر عهده دارد که شکل 1-9 ساختار لایه ای آن را نشان میدهد.
شکل 1-9 : ساختار لایه ای کد پایه
راه رفتن روبات انساننما از بغل
به طور کلی تواناییهای یک روبات انساننمای فوتبالیست به دو دسته تقسیم میشود:
تواناییهای سطح پایین46
تواناییهای سطح بالا47
تواناییهای سطح پایین در حقیقت همان تواناییهای اولیه و اساسی یک روبات هستند، از این دسته میتوان به حفظ تعادل، راه رفتن به جلو وعقب48، راه رفتن از بغل49 و… اشاره کرد. این تواناییها سنگ بنای تواناییهای سطح بالایی مانند تصمیمگیری50، همکاری در تیم فوتبال و… هستند و همین امر موجب افزایش اهمیت آنها شدهاست.
راه رفتن یکی از پایهایترین و اساسیترین تواناییهای یک روبات دوپا است، اگر چه این توانایی برای انسان بسار جزیی و ناچیز قلمداد میشود اما در روبات دوپا دخیل شدن مساله حفظ تعادل51 در راه رفتن، دشواری راه رفتن را دوچندان میکند. حفظ تعادل و راه رفتن در روباتهای دو پا اهمیت فراوانی دارد به این دلیل که توانایی فعالیت در محیطهای انسانی را برای روبات فراهم میآورد. اگرچه با استفاده از روباتهای چرخدار میتوان بر بسیاری از دشواریهای حفظ تعادل و راه رفتن غلبه کرد اما در عوض بسیاری از مزایایی که انعطافپذیری راه رفتن دوپا به همراه دارد قربانی خواهند شد. راه رفتن از بغل به عنوان یک توانایی سطح پایین که به صورت طبیعی در انسانها وجود دارد دارای مشکلات و پیچیدگیهای فراوان است. ابتدا روبات باید بتواند بدون بر هم خوردن تعادل سر جای خود بایستد، سپس با برداشتن گامها باید تعادلش حفظ شود. این مساله که در هنگام راه رفتن تقریبا تمامی مفاصل بدن درگیر هستند، پیچیدگی کار را دوچندان میکند. به این ترتیب که باید برای تمامی مفاصل سرعت زاویهای و مکان آنها را در هر لحظه بدانیم، که تمامی این موارد با تغییر خصوصیات زمین ازجمله شیب، جنس و اصطکاک آن تغییر میکند.
اهداف
در این پایان نامه، قصد داریم روشی برای راه رفتن روبات نائو ارائه کنیم که توانایی استفاده از حداکثر ممکن درجات آزادی این روبات را داشته باشد. سرعت رسیدن به نقاط مختلف زمین مسابقه فوتبال امری مهم است و روبات نائو به عنوان یک روبات فوتبالیست بایستی بتواند در رسیدن به نقاط مختلف زمین فوتبال عملکرد مناسبی داشته باشد. در این بین ارائه متدی که علاوه بر افزایش سرعت، در حفظ تعادل روبات و کاهش تعداد دفعات زمین خوردن آن تاثیر مثبت داشته باشد اهمیت فراوان دارد. به این ترتیب بهبود پایهایترین توانایی روبات، راه را برای ایجاد و ارتقا تواناییهای سطح بالاتری همچون همکاری تیمی، تصمیمگیری، دریبل زدن، شوت زدن و…. هموار میسازد.
راه رفتن از بغل مانند راه رفتن مستقیم از تواناییهای سطح پایین مهم میباشد که تاثیر بسزایی در کاهش زمان رسیدن به نقاط مختلف زمین دارد. به علاوه استفاده روبات ازین توانایی مزایای بسایر دیگری دارد که در ادامه مورد بحث قرار خواهد گرفت.
در این پایاننامه الگوریتمی جدید برای راه رفتن مبتنی بر اتوماتای یادگیر ارائه میشود که به منظور راه رفتن مستقیم و راه رفتن از بغل مورد استفاده قرار میگیرد. این روش با استفاده از تعداد بیشتری از مفاصل روبات نائو به افزایش سرعت این روبات در راه رفتن به جلو و راه رفتن از بغل، بهبود تعادل و ثبات روبات و کاهش تعداد دفعات زمین خوردن روبات کمک میکند.
فصل دوم:
مروری بر تحقیقات پیشین و روشهای به کار رفته در تحلیل حرکت روبات
مقدمه
راه رفتن روبات انسان نما یکی از کلیدیترین توانایی های یک روبات است. با توجه به اهمیت بالای این توانایی در محیطهای واقعی و شبیهسازی، و همچنین به عنوان سنگ بنایی برای تواناییهای سطح بالای روبات انساننما، تحقیقات زیادی به خصوص در زمینه راه رفتن به جلو و عقب صورت گرفته است. به طور کلی و از دید تحلیلی روشهای مطرح شده در حرکت روبات به دو دسته کلی تقسیم میشود[9] :
روشهای بر اساس مدل
روش های بدون در نظر گرفتن مدل
در روش اول لازم است که در ابتدای کار مدل روبات مشخص باشد و بر اساس این مدل از پیش تعیین شده راه رفتن روبات تحلیل شده و الگوریتمی برای آن ایجاد شود. روشهای مبتنی بر نقطه گشتاور صفر در این مجموعه قرار میگیرند.
در روش دوم که “پویا” نیز نامیده میشود، راه رفتن روبات تنها با استفاده از اطلاعات حسگرها و بدون در نظر گرفتن مدل روبات حاصل میشود.
به طور معمول تحلیل حرکتی هر روبات مختص همان روبات است که این امر به دلیل تفاوت در درجات آزادی و تعداد مفاصل روباتها، تفاوت در ساختمان و همچنین تفاوت در توانایی و سامانههای حرکتی هر روبات میباشد. اما در عین حال روشهای کلی برای این کار نیز وجود دارد که در ادامه به بررسی نمونههایی از تحلیل حرکتی روبات و الگوریتمهای مطرح شده در راه رفتن روبات به جلو و عقب و همچنین راه رفتن از بغل خواهیم پرداخت.
تعادل روبات و نقطه گشتاور صفر
یکی از اساسی ترین مسائلی که یک روبات انساننما با آن سر و کار دارد، حفظ تعادل میباشد. اهمیت موضوع در برخورد روبات با محیط واقعی بیشتر نمایان میشود،جاییکه نیروهای خارجی هر یک به نوبه خود تعادل روبات را با مشکل مواجه میسازند که این خوذ نشان دهنده اهمیت حفظ و بازیابی تعادل روبات در شرایط مختلف میباشد. از جمله این شرایط حفظ تعادل روبات در زمان راه رفتن است. در هنگام راه رفتن عوامل متعددی بر تعادل تاثیر دارند، از جمله میتوان به جاذبه، اصطکاک، ویژگیهای محیطی مانند پستی و بلندیها و… اشاره کرد که نشان دهنده پیچیدگیهای این مساله هستند.
نقطه گشتاور صفر یکی از پایهای ترین روشهای حفظ تعادل میباشد که توسط واکوبراتوویچ برای حفظ تعادل روبات انساننما به کار برده شد[10]. نقطه گشتاور صفر نقطهای از محیط است که برآیند گشتاور حاصل از تمامی نیروهای فعال در آنجا صفر میباشد. اساس کار بر حفظ این نقطه در ناحیهای پایدار به منظور حفظ تعادل روبات است. در صورت خروج این نقطه از ناحیه پایداری، تعادل روبات بر هم خورده و روبات زمین میخورد پس برای پیشگیری از این امر مفاصل روبات بایستی به نحوی تنظیم شوند که این نقطه در ناحیه پایدار باقی بماند. در مبحث حفظ تعادل در هنگام راه رفتن به طور کلی دو نوع راه رفتن وجود دارد، اولین نوع راه رفتن که معمولترین روش نیز هست، راه رفتن ایستا میباشد[11].
در این نوع راه رفتن تصویر مرکز جرم روبات بر روی زمین، باید همواره در ناحیه پایداری باشد که در حالتی که روبات روی دوپا باشد این ناحیه یک چند ضلعی ایجاد شده بین دوپاست و در حالتی که روبات روی یک پا باشد این ناحیه کف پاست (شکل2-1).
شکل 2-1 : راه رفتن ایستا
در نوع دوم راه رفتن که راه رفتن پویا نامیده میشود، امکان خروج مرکز جرم از ناحیه پایداری وجود دارد و در بیشتر اوقات روبات از نقطه نظر ایستایی در حالت ناپایدار است. در این روش نقطه گشتاور صفر که با استفاده از دینامیک کل سیستم بدست میآید در ناحیه پایدار قرار گیرد (شکل2-2) . همین امر باعث میشود سرعت در راه رفتن پویا بیشتر و طول گامها بزرگتر از روش ایستا باشد اما در عوض پیاده سازی آن دشوارتر است. در راه رفتن پویا محاسبه و برآورد نقطه گشتاور صفر اهمیت پیدا میکند که پیچیدگیهای خاص خود را دارد اما در عوض مزایای مهمی دارد که قبلا ذکر شد. راه رفتن پویا وابسته به محاسبه و بدست آوردن مکان نقطه گشتاور صفر است و همین موضوع باعث کشیده شدن محققان بسیاری به سمت آن شده است و تحقیقات بسیاری در این زمینه صورت گرفته است که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.
شکل 2-2 : راه رفتن پویا
محاسبه نقطه گشتاور صفر به مدل روبات مورد استفاده وابسته است و تاکنون برای محاسبه آن روشهای مختلفی معرفی شده است. در سال 1991 لی [12] و همکارانش با استفاده از حسگرهای نیرو سنج در کف پا و بدست آوردن نیروهای وارد بر آن روشی برای محاسبه نقطه گشتاور صفر ارائه کردند. در 2001 هیونگ [13] و همکارانش برای حفظ تعادل روبات در حین حرکت در محیطهای ناهموار و شیبدار ارائه کردند. یانگ [14] وهمکارانش با بدست آوردن نقطه گشتاور صفر در حین راه رفتن، نشان دادند که با تغییر وضعیت مفاصل چنانچه این نقطه را در ناحیه پایداری حفظ کنند، راه رفتن بدون بر هم خوردن تعادل امکانپذیر خواهد بود. سعید عبدالشاه [15] و همکارانش نیز روش مناسبی برای محاسبه نقطه گشتاور صفر ارائه کردند. آنها با فرض اینکه این نقطه یک سه تایی مثل (X,Y,Z) روی زمین است، و با یک روبات دارای n لینک سروکار داریم، و مجموع گشتاورها حول این نقطه برابر صفر است، معادله مجموع گشتاور را به صورت زیر بدست آوردند:
T=?_(i=1)^n??(R_i+R_z )*F_i ?+?_(i=1)^n??T_i=0? 2-1
که F_i مجموع نیروهای بر روی هر لینک و T_i مجموع گشتاور موتور حول هر لینک است. R_i و R_z به ترتیب بردار مکان محل اثر نیرو تا مرکز جرم لینک و بردار گشتاور صفر میباشند. با حل ای معادله بر حسب x و y و با توجه به اینکه در صفحه مورد نظر Z=0 است، معادلات مربوط به نقطه گشتاور صفر را به صورت زیر بدست آوردند:
X=(?_(i=1)^n?(z_i F_xi-x_i F_zi ) +?_(i=1)^n?T_yi )/(?_(i=1)^n?F_zi ) 2-2
Y=(?_(i=1)^n?(z_i F_yi-y_i F_zi ) +?_(i=1)^n?T_xi )/(?_(i=1)^n?F_zi ) 2-3
همچنین کمبایاشی [16] از نقطه گشتاور صفر به عنوان معیاری برای برازش در الگوریتم ژنتیک استفاده کردند به این ترتیب که برای بدست آوردن این نقطه یک مساله بهینه سازی طرح کردند که در آن هر کرومزوم تخمینی از نقطه گشتاور صفر به ما میدهد، سپس نشان دادند هر چه تفاوت بین نقطه تخمینی ونقطه واقعی گشتاور صفر کمتر باشد کرومزوم مورد نظر برازندهتر و پایداری روبات بیشتر است.
حرکت شناسی
حرکت شناسی در پایه ای ترین حالت خود مربوط به روباتهای صنعتی دارای چندین لینک متصل به هم میباشد. روباتهای صنعتی به طور کلی شامل چند بخش میباشند، یک پایه که سیستم بر روی آن سوار است، تعدادی لینک که به وسیله مفاصل به هم متصل شده اند، و در نهایت یک نوک عملگر انتهایی که در انتهای بازوی روباتیک نصب شده است و بسته به کاربرد، میتواند متفاوت باشد[17] (شکل2-3) . حرکت شناسی روبات به مطالعه ارتباط بین ابعاد و اتصال زنجیرههای حرکتی و موقعیت مکانی، سرعت و شتاب هر کدام از لینکها در یک سیستم روباتیک، به منظور برنامهریزی و کنترل حرکت روبات میپردازد. سینماتیک روبات به طور کلی به دو گروه تقسیم میشود [18] که در ادامه به معرفی آنها میپردازیم.
شکل2-3 : بخشهای مختلف روبات صنعتی
2-3-1- حرکت شناسی مستقیم
حرکت شناسی مستقیم در واقع یک نگاشت از فضای مفاصل (Q) به فضای مختصات دکارتی (W) است :
F(Q)=W 2-4
در حرکت شناسی مستقیم هدف کنترل و تعیین نوک عملگر انتهایی روبات با توجه به مقادیر مفاصل روبات است، به طور مشخص برای هر چیدمان از وضعیت مفاصل، یک نقطه در فضای دکارتی بدست میآید که در واقع مکان نوک انتهایی بازوی روباتیک است. حرکت شناسی

مطلب مرتبط با این موضوع :  پایان نامه با کلید واژه هایآسیب، عصب‍ی، تشخ‍یص

دیدگاهتان را بنویسید