کنترل پایداری رباتهای راه رونده دوپا بر اساس اندازه حرکت کلی

با گسترش و پیشرفت علم رباتیک، مطالعه و تحقیق بر روی ربات های دارای پا و به خصوص ربات دوپا افزایش یافته است و توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی و صنعتی را به خود جلب کرده است. در سال های اخیر، ربات های انسان نمای متعددی در سراسر دنیا ساخته شده است و در برخی کشورها مانند ژاپن ساخت ربات انسان نما به عنوان پروژه ملی مطرح است به نحوی که نمادی از پیشرفت تکنولوژی محسوب می شود. ربات های دوپا به این دلیل که از نظر ساختاری شبیه انسان هستند، توانایی انجام بسیاری از فعالیت های انسان را دارند. همچنین به علت ماهیت ناپیوسته حرکت ربات دوپا، بسیاری از مشکلاتی که ربات های چرخ دار و مارسان در عبور از سطوح ناهموار، پله ها، موانع و شکاف ها دارند برای این دسته از ربات ها وجود ندارد. از میان تحقیقات زیادی که بر روی ربات های دوپا انجام شده می توان به بررسی پایداری، طراحی مسیر، بهینه سازی راه رفتن و کنترل آن ها اشاره نمود. از این میان، مهم ترین و پیچیده ترین مسئله ای که هنوز به طور کامل حل نشده است، مفهوم پایداری راه رونده ها و معیارها و روش های کنترل آن می باشد. اگرچه تاکنون پایداری وضعی، که حفظ پایداری راه رونده را برابر با کنترل وضعیت قرارگیری تکیه گاه ها و مفاصل بر روی یک مسیر از پیش طراحی شده دارای پایداری وضعی می گیرد، مبنایی برای کنترل پایداری آنها به حساب می آمده است، برخی از محققین مفهوم پایداری این سیستم ها را بسط داده اند و آن را معادل با نرفتن به وضعیتی می دانند که منجر به زمین خوردن(افتادن) می شود که برداشت اخیر از پایداری و کنترل آن، مورد نظر تحقیق حاضر است. همچنین، برخلاف روش های متداول که حرکت راه رونده را در فضای مفاصل(کمیت های جزئی داخلی) پیگیری می کنند، تحلیل های پایداری و کنترل پایداری ارائه شده در این پژوهش، به راه رونده به صورت یک سیستم کلی نگاه می کند و روشی جامع در فضای اندازه حرکت(کمیت های کلی) ارائه می دهد که با توجه به وجود یک نگاشت بین این دوفضا، پیاده سازی آن را بر روی هر راه رونده ای، ممکن می سازد. بر این اساس، ابتدا معادله حرکت پایه برای راه رونده در فضای اندازه حرکت کلی بدن استخراج شده است که در نهایت به ارائه دو مدل ریاضی(سیستم دینامیکی تکه تکه پیوسته) به نام های مدل ساده شده راه رفتن(swm) و مدل کامل راه رفتن(cwm) می انجامد. همچنین، با انجام فرضیاتی نزدیک به واقعیت بر روی معادله حرکت پایه، معادله حرکتی ساده شده، به نام معادله حرکت گام به گام به دست می آید. برای محاسبه حل حرکت دائمی سیستم، با اعمال شرط تکرار بر روی این معادله، سیکل های حرکتی ساده و مرکب استخراج خواهند شد که ازاین میان سیکل ساده پیش رونده، الگویی برای حرکت راه رفتن معمولی ارائه می دهد. این سیکل-ها دارای پایداری مرزی هستند و در عمل به واسطه کوچکترین اختلالی با رشدی نمایی واگرا خواهند شد. با تعریف پایدارسازی حرکت راه رفتن به صورت هدایت حرکت از یک شرایط اولیه دلخواه به سمت یک سیکل حرکتی مطلوب و کنترل حرکت حول آن، دو راهبرد کنترل پایداری، 1) تغییر پیوسته مرکز فشار در ناحیه تکیه گاهی و 2) تغییر پی درپی طول و زمان فرودگام، ارائه شده است. بر اساس این دو راهبرد و با مبنا قراردادن مدل ساده شده راه رفتن(swm)، چهار کنترل کننده پایداری با نام کلی پایدارسازهای سیکل حرکتی ارائه شده و توانایی پایدارسازی هر یک از آنها تجزیه و تحلیل شده است. سپس برای بررسی توانایی پایدارسازها بر روی مدل کامل راه رونده(cwm)، تعدادی شبیه سازی بر روی یک مدل فیزیکی دارای محدودیت های واقعی انجام شده و توانایی و نارسایی هر یک از کنترل کننده های پایداری بررسی شده است. در پایان، برای فائق آمدن بر نارسایی های پایدارسازهای سیکل حرکتی، روشی به نام کنترل پایداری بهینه به عنوان راه حلی کامل برای مسئله ارائه گردیده و عملکرد آن با انجام شبیه سازی بر روی مدل فیزیکی، بررسی شده است. در این پژوهش سعی شده است با نگاهی جامع تر به دو مقوله پایداری و کنترل پایداری در مقایسه با نگاه متداول، مسئله پایداری و کنترل پایداری راه رونده با رویکردی حداکثری دنبال گردد.