در یک ربات دو پا سه حالت اصلی حرکت دینامیکی شامل قدم زدن، دویدن و پریدن  قابل دستیابی است. اما معمولاً اکثر ربات های  دو پای موجود، فقط در یک حالت می توانند حرکت کنند و تعداد اندکی  توانایی حرکت در دو حالت یا بیشتر را دارند.

 

در حالت کلی یک سیستم حرکتی ربات دو پا شامل اعضایی می باشد که با مفاصل فعال به هم وصل شده اند. پیچیدگی سیستم بستگی به تعداد درجه آزادی و و ساختار پا ها و اندام های فوقانی دارد. طراحی ربات های دو پا  توسط انسان تا حد بسیار زیادی تحت تاثیر قرار گرفته و بر گرفته از  پیچیدگی و چند بعدی بودن حرکت خود انسان  دوپا می باشد. بنابراین، بسیاری از مدل ها و ماشین آلات پیشرفته شباهت زیادی به بدن انسان دارند.

 

از سوی دیگر، حرکت راه رفتن بستگی به فاصله نسبی بین دو پا ی ربات دارد. همچنین، راه رفتن شامل دو الگو راه رفتن استاتیک و پویا در قدم زدن است. در راه رفتن استاتیک، ربات دوپا دارای پاهای بزرگ بوده و تعادلش را به وسیله  قرار دادن مرکز جرمش در گستره ای که پاهایش تحمل و پشتیبانی می کنند حفظ می کند.

 

این نوع راه رفتن  معمولا آهسته است. در مقابل پیاده روی استاتیک، پیاده روی پویا یا دینامیک از قدم زدن برای حفظ تعادل و برقراری پایداریش استفاده می کند. اما کنترل کردنش سخت تر از کنترل در حالت استاتیک می باشد. الگوی قدم زدن پویا خیلی سریع تر از قدم زدن استاتیک می باشد.

 

2-1- مدل ساده ربات دو پای پنج اتصال

 

در شکل زیر یک مدل دینامیکی ربات دو پا با پنج درجه ی آزادی را ملاحظه می کنیم.

 

مختصات مفاصل و سرعت های مفاصل عبارتند از:

 

q = [q1 ,…,qn ]                                                                                                          1-1

 

q̇ = [q̇1 ,…,q̇n ]                                                                                                              1- 2 

 

در این مدل  n برابر 5 می باشد.

 

Oi نشان دهنده مفصل i است. در این مدل i برابر 6 می باشد.

 

با استفاده از فرمول لاگرانژ، معادله دینامیکی حرکت، با توجه به استفاده از لاگرانژ در ضرایب در معادله زیر نوشته شده است.

 

Qi بیان کننده ی گشتاور عمل کننده ی مفصل می باشد.

 

JqT   ماتریس ژاکوپین را نشان می دهد.

 

λ نشان دهنده ی نیروهای محدود کننده ای می باشد که به صورت نیروی واکنش زمین عمودی یا افقی هستند.

 

3-1- کنترل کننده منطق فازی

 

کنترل کننده منطق فازی یک علم اصول قردادی برای نمایش دادن، با مهارت انجام دادن (اداره کردن)، اجرا و تکمیل کردن  دانش اکتشافی و ابتکاری بشر برای چگونگی کنترل یک سیستم است.

 

در شکل 1-2 یک کنترل کننده ی فازی نشان داده شده است. در این شکل کنترل کننده ی فازی در یک سیستم حلقه بسته قرار گرفته است.

 

خروجی ها به وسیله ی y(t) نشان داده شده اند. و ورودی ها با u(t) مشخص شده اند. همچنین ورودی مرجع برای کنترلگر فازی به وسیله ی r(t) نشان داده شده است.

 

کنترلر فازی شامل چهار مؤلفه ی اصلی است:

 

1-   rule-baseیا قانون پایه، به کار گیری دانش، در قالب مجموعه ای از قوانین، برای دستیابی به بهترین راه کنترل سیستم است.

 

 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 2- مکانیسم استنتاج فازی قواعد کنترلی را به یک نگاشت از مجموعه های فازی در فضای ورودی به مجموعه های فازی در فضای خروجی بر اساس اصول منطق فازی تبدیل می کند. این مکانیسم ارزیابی می‌‌‌‌کند که کدام یک از قوانین کنترلی در زمان جاری یا فعلی مناسب می باشد و سپس تصمیم می گیرد کدام قانون باقی بماند. 

 

3- واسط کاربری fuzzification به سادگی ورودی­ها را تغییر می دهد به طوری که می تواند قوانین را تفسیر و با قوانین پایه مقایسه کند. یک فازی ساز در ورودی متغیرها با مقادیر حقیقی را به یک مجموعه ی فازی تبدیل می کند.

 

4- واسط کاربری defuzzification نتایج بدست آمده را به شکل ورودی ها در می آورد. به کلامی دیگر یک غیر فازی ساز است که یک مجموعه ی فازی را به یک متغیر با مقدار حقیقی در خروجی تبدیل می کند.

 

در واقع یک کنترل کننده ی فازی، تصمیم گیرنده ی مصنوعیی است که در زمان واقعی(real time) در یک سیستم حلقه بسته عمل می کند. کنترکننده ی فازی داده های خروجی y(t)را گرداوری می­کند، و آن ها را با ورودی های مرجع مقایسه کرده و سپس تصمیم می گیرد که چه ورودی u(t) ای برای رسیدن به هدف ما مناسب است برای طراحی کردن کنترل کننده ی فازی مهندس کنترل باید در مورد چگونگی عملکرد تصمیم گیرنده ی مصنوعی در سیستم حلقه بسته اطلاعات لازم را جمع آوری کند. گاهی اوقات این اطلاعات می تواند از تصمیم گیرنده انسانی که وظیفه کنترل را انجام می دهد در حالی که در زمان های دیگر، مهندس کنترل می تواند دینامیک دستگاه را بفهمد و مجموعه ای از قوانین در مورد چگونگی کنترل سیستم را بدون کمک گرفتن از بیرون را تنظیم کند. این “قوانین” در واقع، می گویند: “اگر خروجی و ورودی مرجع به شیوه ای خاص رفتار کنند آنگاه ورودی باید برخی از مقادیر یا ارزشها  را در بر بگیرد”.

 

rule-base شامل مجموعه ی کاملی از قواعد “if-then” می باشد، و یک استراتژی استنتاجی انتخاب شده و سپس سیستم برای مشاهده ی مشخصات حلقه بسته آماده ی آزمایش کردن است.

 

4-1- بیان مسئله

 

کنترل کننده­ی ربات معمولا برای عملکرد راه رفتن یا قدم زدن استاتیک، برنامه ریزی می شود، بنابراین برای دستیابی یه راه رفتن دینامیک (پویا) و رسیدن به عملکرد بهتر در خصوص سرعت باید کنترل کننده ارتقاء یابد.

 

5-1- هدف از این مطالعه

 

اهداف اصلی این پروژه مطالعه ی دو بعدی سیستم ربات دو پای پنج اتصال و طراحی چهار کنترل کننده­ی منطق فازی برای کنترل کردن زاویه نیم تنه، ران ها و ساق های این ربات می باشد.

 

6-1- گستره کار

 

در این پروژه به مطالعه ی دو بعدی راه رفتن یک ربات دو پای پنج اتصال با در نظر گرفتن نیم تنه و زانوها می پردازیم. مچ پا در نظر گرفته نشده است.

 

سطحی که ربات بر روی آن راه می رود را به صورت دنباله ای از نقاط متصل به هم که یک خط راست را تشکیل می دهند تعریف می کنیم.

 

برهم کنش بین دوپا و زمین با استفاده از نیروهای خارجی که بر روی نوک پا در هنگام برخورد با زمین عمل می کنند مدل سازی شده است. این اجازه می دهد تا با استفاده از مدل دینامیکی هفت درجه ی آزادی، دینامیک سیستم را در همه ی موقعیت ها بررسی کنیم.

 

سیستم های کنترل PD است که در سال 2004 توسط Olli Haavisto و Hyotyniemi Heikki  از دانشگاه تکنولوژی هلسینکی برای کنترل زوایای نیم تنه، ران ها و ساق ها طراحی شده اند  کاملاً وقت گیر و پیچیده می باشند. به این دلیل که از چهار کنترل کننده برای کنترل چهار زاویه (زاویه ی نیم تنه، زاویه ی بین دو ران، زاویه ی ساق های چپ و راست) در هر یک از چهار مرحله ی راه رفتن(هر دو پا بر روی زمین، پای چپ بر روی زمین، پای راست بر روی زمین، نه پای چپ و نه پای راست روی زمین) استفاده می کند.

 

به این ترتیب، تعداد کل کنترل کننده ی PD  سیستم برابر شانزده  می شود.

 

در این پروژه، ما از سیگنال های خطا و تغییر در خطا  سیستم PD قبلی استفاده می کنیم تا بتوانیم تعداد کل کنترل کننده ها را به چهار کنترل کننده فازی به جای 16 کنترل کننده  PD کاهش دهیم.

 

در این مورد نیازی به دانستن راجع به مرحله ی راه رفتن و یا بازخورد آن نداریم. زیرا چرخه ی کامل خطا،  تغییر در خطا و سیگنال های کنترلی متناظر و مطابق آن ها با استفاده از MATLAB FIS Editor برای کنترل سیستم استفاده شده اند. در نهایت، یک مقایسه بین سیستم های فازی و سیستم PD انجام می شود و به بحث در مورد مزایا و معایب  استفاده از کنترل فازی در این قبیل سیستم ها پرداخته می شود.

 

7-1- نمای کلی از پایان نامه

 

این پایان نامه درپنج فصل سازماندهی شده است. محتویات آنها به شرح زیر است:

 

فصل 2، بررسی ادبیات مدل سازی و کنترل ربات دوپا به خصوص، با استفاده از تکنیک هوش مصنوعی. 

 

فصل3، در مورد مدل سازی ریاضی ربات دوپا پنج اتصال این پروژه می باشد. این فصل شامل بر سیستم و استخراج مدل ریاضی از پویایی سیستم در فرم معادلات دیفرانسیل می باشد. همچنین، مدل های MATLAB استفاده شده برای شبیه سازی مورد بررسی قرار می گیرد.