آمار

تعداد نشریات9
تعداد شماره‌ها448
تعداد مقالات5,737
تعداد مشاهده مقاله8,060,811
تعداد دریافت فایل اصل مقاله6,560,964
عظیمی, عباس, نظری, مصطفی, واردی کولائی, سید مجتبی. (1404). طراحی بهینه قدم زدن ربات دوپا براساس مدل بهبودیافته پاندول معکوس. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر, 57(4), 417-452. doi: 10.22060/mej.2025.23962.7829
عباس عظیمی; مصطفی نظری; سید مجتبی واردی کولائی. "طراحی بهینه قدم زدن ربات دوپا براساس مدل بهبودیافته پاندول معکوس". نشریه مهندسی عمران امیرکبیر, 57, 4, 1404, 417-452. doi: 10.22060/mej.2025.23962.7829
عظیمی, عباس, نظری, مصطفی, واردی کولائی, سید مجتبی. (1404). 'طراحی بهینه قدم زدن ربات دوپا براساس مدل بهبودیافته پاندول معکوس', نشریه مهندسی عمران امیرکبیر, 57(4), pp. 417-452. doi: 10.22060/mej.2025.23962.7829
عظیمی, عباس, نظری, مصطفی, واردی کولائی, سید مجتبی. طراحی بهینه قدم زدن ربات دوپا براساس مدل بهبودیافته پاندول معکوس. نشریه مهندسی عمران امیرکبیر, 1404; 57(4): 417-452. doi: 10.22060/mej.2025.23962.7829

طراحی بهینه قدم زدن ربات دوپا براساس مدل بهبودیافته پاندول معکوس

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 4، تیر 1404، صفحه 417-452    اصل مقاله (2.28 M)
نوع مقاله: مقاله پژوهشی
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2025.23962.7829
نویسندگان
عباس عظیمی؛ مصطفی نظری* ؛ سید مجتبی واردی کولائی
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
چکیده
   مدل پاندول معکوس با فنر به دلیل ساده‌سازی‌هایی مانند نادیده گرفتن نقش حیاتی مچ پا، منجر به کاهش دقت در کنترل و کاهش توانایی در بازتولید حرکات طبیعی در راه‌رفتن ربات‌های دوپا می‌شود. در همین راستا، این مقاله یک مدل جدید برای بهبود الگوریتم راه‌رفتن ربات‌های دوپا معرفی می‌کند که با عنوان "طراحی بهینه قدم‌زدن ربات دوپا بر اساس مدل بهبودیافته پاندول معکوس" شناخته می‌شود. در این مدل، از یک پاندول معکوس با فنر متغیر و پای دارای طول محدود استفاده شده است. ویژگی مهم این مدل، شبیه‌سازی بهتر دینامیک واقعی راه‌رفتن روی سطوح مختلف مانند زمین‌های مسطح و شیب‌دار است که در آن اثر اصطکاک در هر دو حالت ایستایی و لغزشی لحاظ شده است. برای مدل‌سازی حرکت، از الگوریتم ماشین حالت محدود به منظور مدیریت صحیح انتقال بین فازهای تک‌پا و دوپا بهره گرفته شده است. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد که این مدل می‌تواند تعادل خود را روی سطح شیب‌دار با شیب 0/80 نیز حفظ کرده و رفتاری مشابه راه‌رفتن انسان از خود نشان دهد. همچنین این مدل قادر است گام‌های بلندتری را در زمان کمتری نسبت به مدل پایه طی کند. در تحلیل اصطکاک، مشخص شد اگر ضریب اصطکاک بین پا و زمین برابر یا بیشتر از 0/047 باشد، اصطکاک ایستایی خواهد بود؛ در غیر این‌صورت، اصطکاک از نوع لغزشی است.
کلیدواژه‌ها
پاندول معکوس با فنر؛ مچ پا؛ سطوح مسطح _ شیب‌دار؛ اصطکاک؛ بهینه‌سازی ازدحام ذرات
عنوان مقاله [English]
Optimum Walking Design for Biped Robots Based on the Improved Inverted Pendulum Model
نویسندگان [English]
Abbas Azimi؛ Mostafa Nazari؛ S. Mojtaba Varedi Koulaei
Department of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.
چکیده [English]
The Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP) model limits the controllability and mobility of biped robots in walking due to its omission of the ankle joint. This paper proposes a new walking pattern, titled "Optimized Step Design for Biped Robots Based on an Improved Inverted Pendulum Model," known as the Variable Spring-Loaded Inverted Pendulum with Finite-sized Foot (VSLIP-FF) model. Inspired by human walking characteristics, an adaptive strategy for leg extension and contraction is proposed for step planning, effectively emulating the role of the ankle joint. Finally, we examine the position and velocity of the robot’s center of mass with the VSLIP-FF model during walking on surfaces with varying friction. This stability and adaptability are crucial for the practical use of biped robots on diverse terrains. Simulation results for the model in the stated conditions show that it maintained stability on both flat and inclined surfaces with an 8% slope, exhibiting human-like behavior and achieving longer strides in a shorter time compared to the SLIP model. Friction conditions for the model on flat surfaces were also evaluated; based on this model’s parameters, if the friction coefficient is greater than or equal to 0.047, the friction between the robot's foot contact surface and the ground is static. Otherwise, it is classified as kinetic (sliding) friction.
کلیدواژه‌ها [English]
Spring-Loaded Inverted Pendulum (SLIP), Ankle, Flat and Inclined Surfaces, Friction, Particle Swarm Optimization
مراجع
  1. Bryndin, E., Collaboration robots as digital doubles of person for communication in public life and space. American Journal of Mechanical and Industrial Engineering, 2019. 4(2): p. 35–39.
  2. Xie, S., et al. Compliant bipedal walking based on variable spring-loaded inverted pendulum model with finite-sized foot. in 2021 6th IEEE International Conference on Advanced Robotics and Mechatronics (ICARM). 2021. IEEE.
  3. Yoshida, E., Robots that look like humans: A brief look into humanoid robotics. Mètode Science Studies Journal, 2019. 9: p. 143–151.
  4. Sadedel, M., et al., Investigation on dynamic modeling of SURENA III humanoid robot with heel-off and heel-strike motions. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Mechanical Engineering, 2017. 41(1): p. 9–23.
  5. Ridgewell, C.P., et al. Online estimation of friction constraints for multi-contact whole body control. in 2017 IEEE-RAS 17th International Conference on Humanoid Robotics (Humanoids). 2017. IEEE.
  6. Krause, M., et al., Stabilization of the capture point dynamics for bipedal walking based on model predictive control. IFAC Proceedings Volumes, 2012. 45(22): p. 165–171.
  7. Srinivas, T., et al., Valkyrie—Design and development of gaits for quadruped robot using particle swarm optimization. Applied Sciences, 2021. 11(16): p. 7458.
  8. JANA, S. and A. GUPTA, Walking and jogging at similar speeds with a passive SLIP model based compliant biped. Journal of Biomechanical Science and Engineering, 2024. 19(4): p. 24–00158–24–00158.
  9. Dantec, E., A whole-body predictive control approach to biped locomotion. 2023, INSA de Toulouse.
  10. Gill, N., S.J. Preece, and R. Baker, Using the spring-mass model for running: force-length curves and foot-strike patterns. Gait & Posture, 2020. 80: p. 318–323.
  11. Isaacs, M.R., Partitioning the Mechanical Cost of Human Walking: Unveiling Cost Asymmetries for Bionic Technologies. 2020, University of Nevada, Las Vegas.
  12. Abraham, I., Z. Shen, and J. Seipel, A nonlinear leg damping model for the prediction of running forces and stability. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, 2015. 10(5): p. 051008.
  13. Ratnakumar, N. and X. Zhou. Optimized torque assistance during walking with an idealized hip exoskeleton. in International design engineering technical conferences and computers and information in engineering conference. 2021. American Society of Mechanical Engineers.
  14. Ackerman, J. and J. Seipel, Effects of independently altering body weight and mass on the energetic cost of a human running model. Journal of biomechanics, 2016. 49(5): p. 691–697.
  15. Rebula, J.R. and A.D. Kuo, The cost of leg forces in bipedal locomotion: A simple optimization study. PloS one, 2015. 10(2): p. e0117384.
  16. Lee, H., E.J. Rouse, and H.I. Krebs, Summary of human ankle mechanical impedance during walking. IEEE journal of translational engineering in health and medicine, 2016. 4: p. 1–7.
  17. Kwon, Y. and G. Shin, Foot kinematics and leg muscle activation patterns are altered in those with limited ankle dorsiflexion range of motion during incline walking. Gait & Posture, 2022. 92: p. 315–320.
  18. Weihmann, T., The smooth transition from many-legged to bipedal locomotion-Gradual ground force reduction and its impact on total ground reaction forces, body dynamics and gait transitions. bioRxiv, 2021: p. 2021.07. 07.451417.

 

آمار
تعداد مشاهده مقاله: 479
تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 274


سامانه مدیریت نشریات علمی. طراحی و پیاده سازی از سیناوب