عنوان پایان نامه

بهینه سازی مصرف انرژی در سیستمهای رباتیکی با طراحی فنر غیرخطی


    نام دانشجو
    امیر سرآبی

    اساتید راهنما
    مجید نیلی احمدآبادی



    با مطالعاتی که بر روی نحوه ی حرکت موجودات زنده انجام شده است، ادعا می‌شود که بین فرکانس و دامنه حرکت در راه رفتن حیوانات بر روی تردمیل رابطه‌ی معناداری برقرار است، به طوری که پیروی از آن سبب کاهش سوخت و ساز بدن آن‌ها در طول حرکت می‌شود. بدین منظور با اندازه گیری حجم اکسیژن مصرفی حیوانات (به عنوان نمادی از سوخت و ساز بدن)، دامنه و فرکانس حرکت به ازای سرعت های مختلف حرکت (با استفاده از آزمایش تردمیل) تزویج میان دامنه و فرکانس حرکت حیوانات مشاهده می شود. در این پایان نامه نشان می دهیم که در یک ربات با ساختار ثابت، فرکانس بهینه (از منظر مصرف انرژی) تابعی از دامنه‌ی حرکت است. بنابراین می‌توان اینگونه استنباط کرد که به ازای هر دامنه یک فرکانس بهینه (یا به عبارت دیگر تزویج میان دامنه و فرکانس) در حرکت وجود دارد. از طرفی می‌دانیم که با اضافه کردن فنر به ساختار ربات می‌توان دینامیک حاکم بر ربات را تغییر داد. بر اساس این دانسته ها با طراحی فنر برای ربات، مصرف انرژی برای دسته‌ای از مسیرها که دارای تزویج داده شده هستند را بهینه کنیم. برای مثال در طراحی رباتی که نحوه حرکت انسان را تقلید می کند، نیاز است که ربات از الگوی حرکتی خاص که در انسان( تزویج بین دامنه و فرکانس) مشاهده می شود، پیروی کند. برای دست یافتن به این هدف، با دانستن مدل دینامیکی ربات، ساختار فنرهای استفاده شده (توابع پایه ی فنرها) و همچنین تزویج مطلوب داده شده سعی در یافتن ضرایب فنرهای استفاده شده در مفاصل داریم. بدین منظور، ابتدا با حل تابع هزینه انرژی، فرکانس بهینه را به عنوان تابعی از دامنه مطلوب و فنرهای موجود در ساختار ربات (پارامتر آزاد)، بدست می آوریم. سپس ضرایب فنرها را به گونه‌ای تعیین می‌کنیم که منحنی تزویج از نقاط مد نظر عبور کند. بدیهی است که برای عبور از تعداد n نقطه مطلوب به n درجه آزادی در تعیین فنرها نیازمندیم که این به معنی داشتن در مجموع n تابع پایه در مجموع مفاصل ربات است. در نهایت نشان خواهیم داد که با مدلسازی حرکت انسان در دو فاز تاب خوردن و ایستایش می‌توان با تعیین ضرایب فنرها، منحنی تزویج ربات را بر منحنی تزویج انسان منطبق کرد. به علاوه، نشان می دهیم که با استفاده از فنرهای تعیین شده در حوالی تزویج ایجاد شده، منحنی مصرف انرژی محدب است. بنابراین، منحنی تزویج ایجاد شده برای ربات یک کمینه محلی از منظر مصرف انرژی خواهد بود. واژگان کلیدی: رباتیک، بهینه سازی مصرف انرژی، تزویج میان دامنه و فرکانس، فنر موازی، الهام گیری ازطبیعت.