تاثیر مفصل پنجه در کیفیت راه رفتن و پایداری ایستادن

در این رساله نقش مفصل پنجه در کیفیت راه رفتن و پایداری ایستادن بررسی شده است. در بخش راه رفتن یک مطالعه ی سینماتیکی و یک مطالعه ی دینامیکی انجام شده است. در مطالعه ی سینماتیکی داده های آزمایشگاهی مربوط به راه رفتن انسان های سالم جهت محاسبه ی یک شاخص سینماتیکی جمع آوری شده است. با استفاده از این شاخص چند نمونه راه رفتن شامل راه رفتن بدون استفاده از مفصل پنجه مورد ارزیابی قرار گرفته و با یکدیگر مقایسه شده است. در مطالعه ی دینامیکی با تهیه ی یک مدل نه- میله ای شامل مفصل پنجه و طراحی یک مسیر پایدار برای یک گام راه رفتن روی سطح افقی و سطح شیبدار، گشتاورها و شاخص های مصرف انرژی و توان برای دو حالت حرکت با استفاده از حرکت پنجه و حرکت با مفصل پنجه ی قفل شده محاسبه و با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج نشان داد استفاده از مفصل پنجه باعث کاهش حداکثر مقدار گشتاور و همچنین مصرف انرژی در ربات می شود. در این پژوهش برای مدل کردن ایستادن ربات با فرض وجود اغتشاش های کوچک از راهبرد قوزک استفاده شده است. به این منظور تنه با یک پاندول وارون و کف پا با دو عضو صلب به عنوان عضوهای پاشنه و پنجه مدل شده است. بین کف پا و زمین دو نوع قید نیرویی و قید وضعیتی در نظر گرفته شده است. قیدهای نیرویی بر اساس نیروهای واکنش زمین و موقعیت نقطه اثر آن ها و قیدهای وضعیتی بر اساس موقعیت عمودی کف پا از روی سطح زمین تعریف شده اند. در مرحله ی نخست با تعریف سه قید نیرویی، محدوده های مجاز گشتاور مفصل های قوزک و پنجه برای برآورده شدن قیدها به دست آمده است. کنترل تعادل ایستادن ربات سپس با استفاده از دو راهبرد انجام شده است: راهبرد قوزک و راهبرد قوزک- پنجه. در راهبرد قوزک با شرط حفظ تماس کامل کف پا بر روی زمین، کنترل کننده گشتاور قوزک را برای پایدارسازی تعیین کرده و از گشتاور مفصل پنجه برای تامین حداکثر محدوده ی مجاز گشتاورها استفاده می کند. در این راهبرد با اعمال قیدهای نیرویی به مساله، پایدار سازی به دو روش کنترل تناسبی- مشتقی سوییچ شونده و کنترل پیش بین مدل انجام شده است. شبیه سازی ها نشان داد عملکرد کنترل تناسبی- مشتقی با نتایج پژوهش های انجام شده ی قبلی انطباق خوبی دارد و کنترل پیش بین مدل دارای عملکرد بهتر از نظر میزان گشتاور مفصل ها و تغییر زاویه ی تنه در طول پایدار سازی است. در راهبرد قوزک- پنجه با فراهم شدن امکان حرکت مفصل پنجه در طول پایدار سازی، کنترل کننده ی طراحی شده گشتاور هر دو مفصل را محاسبه می کند. کنترل تعادل ایستادن با استفاده از این راهبرد در دو بخش یکی با اعمال قیدهای وضعیتی و دیگری بدون اعمال قید انجام شد. در بخش نخست از کنترل پیش بین مدل و در بخش دوم از کنترل بازخورد حالت بر اساس روش lqr استفاده شده است. برای تحلیل پایداری سیستم کنترل در این راهبرد از مفهوم نماهای لیاپانف استفاده شده است. به این ترتیب ضمن بررسی پایداری، ناحیه های جذب نیز به دست آمده است. این تحلیل همچنین برای راه رفتن با کف پا با پاشنه ی بلند نیز انجام شده است.