عنوان پایان‌نامه
یک روش توسعه ای برای طراحی ربات چهارپا با بدن نرم
- رشته تحصیلی
- مهندسی کامپیوتر- هوش مصنوعی - رباتیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2923;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 74372
- تاریخ دفاع
- ۱۵ بهمن ۱۳۹۳
- دانشجو
- آتوسا پارسا
- استاد راهنما
- مجید نیلی احمدآبادی
- چکیده
- از زمانی که ایده ساخت ماشین‌های جایگزین نیروی کار به ذهن انسان رسید، بیش از دو قرن می‌گذرد. با نگاهی به سیر تکامل ساختارهای رباتیکی، از اولین ربات‌های پادار ریبرت تا ربات‌های چهارپای بوستون داینامیکس، ما همواره به دنبال خلق ماشین‌هایی بوده‌ایم که در توانایی حرکت در محیط به پای موجودات زنده برسند. با پی بردن به اهمیت ساختار بدن در دستیابی به رفتار مطلوب و ساده‌سازی کنترل‌کننده، روند طراحی نیز سرعت گرفت. ایده دینامیک طبیعی سبب شد محققان به سمت ساختارهای ساده‌ی غیرفعالی پیش بروند که در آن‌‌ها نقش کنترل‌کننده، در صورت نیاز، تنها به تنظیم حرکت بر مبنای تغییر شرایط محیطی محدود شود. از طرف دیگر، با الهام از مشاهدات بیولوژیکی، استفاده از عناصر نرم نیز مورد توجه محققان علم رباتیک قرار گرفت. با وجود تمام این پیشرفت‌ها، هنوز فرایند طراحی وابسته به خلاقیت و توانایی ما در درک پیچیدگی موجود و روابط بین بخش‌های مختلف ساختار است و جای خالی یک متدولوژی جامع طراحی، احساس می‌شود. در این پژوهش، هدف ما ارائه روشی برای طراحی خودکار ساختار و عناصر نرم ربات چهارپا است؛ به گونه‌ای که رفتار مورد نظر برخاسته از دینامیک طبیعی ربات باشد. در این راستا، در بخش اول رابطه‌ای بین ماتریس نرمی مطلوب در فضای کار و فضای پیکربندی ربات بدست می‌آوریم. سپس روشی تحلیلی ارائه می‌دهیم که با دریافت مسیر مرکز جرم ربات چهارپا برای حرکت جهیدن، ضرایب سختی فنرهای مفاصل را برای دنبال کردن مسیر با کمینه انرژی مصرفی تعیین کند. در بخش بعد، روشی تکاملی برای تعیین هم‌زمان پارامترهای ساختار و CPG ربات چهارپا برای دستیابی به رفتار مطلوب ارائه داده‌ایم. با توجه به تعداد زیاد پارامترها و ناهمگون بودن فضای جست‌وجو بر حسب هزینه جابه‌جایی، ایده اصلی این است که از روشی توسعه‌ای به همراه الگوریتم ژنتیک استفاده کنیم. در روش توسعه‌ای ما، پیچیدگی ساختار به تدریج با افزودن درجات آزادی به پاها بیشتر می‌شود. از طرف دیگر، برای حذف رفتارهای با هزینه کم ولی نامأنوس، روشی ارائه می‌دهیم که از تعامل با کاربر برای تعیین جمعیت اولیه و جهت‌دار کردن فضای جست‌وجو استفاده می‌کند. نتایج شبیه‌سازی‌ها اهمیت ساختار و اثر تغییر پارامترهای بهینه را بر حسب شرایط محیطی نشان می‌دهد. این نتایج می‌تواند به طراح برای تصمیم‌گیری در مورد پارامترهای ساختاری ربات و نقش آن‌‌ها در دستیابی به رفتار مورد نظر کمک کند. واژه‌های کلیدی: ربات چهارپا، ساختار ربات، دینامیک طبیعی، عناصر نرم ساختار، رباتیک تکاملی.
- Abstract
- It was more than two centuries ago when for the first time, the idea of making machines as work labor came to human mind. Evolution of robotic creatures, from Reibert’s hopper to Boston Dynamics’ quadrupeds, shows that we have always been struggling to create artificial creatures with the ability to locomote as their biological counterparts. Process of robot design has speeded up after realizing that the robot’s morphology has a significant effect on the observed behavior. Introduction of the natural dynamics’ ideology, led researchers to use simple passive structures with reduced control effort. In the mean time, inspired by biological evidence, roboticists started to use compliant elements in the robot’s structure. Despite all these improvements, design process depends heavily on designer’s intuition and his ability to understand the complex relations of different parts. A general methodology for robot design is still missing. In this research, our main goal is to propose an automated methodology to design the morphology of a quadruped robot, so that the desired behavior emerges from the natural dynamics of the structure. In the first section, we obtain a relationship between the compliance matrix in task and configuration space. Then we propose an analytical method in which, using the trajectory of center of mass of the robot, joint spring constants are obtained to follow the path with minimum energy. In the next section, an evolutionary method is proposed to determine the structural and CPG parameters of a quadruped robot. Because the search space of the Genetic Algorithm is too large and the landscape is scattered, we use a developmental approach; in which the complexity of structure and number of robot’s DOF increase gradually in time. On the other hand, to remove robots with unnatural behavior, we used an interactive user-based methodology to choose the initial population of GA and bias the search process in the desired direction. Simulation results provide basic guidelines for the designer to decide about the morphological parameters and control requirements to achieve the desired task. Key words: Quadruped Robot, Morphology, Natural Dynamics, Compliance, Evolutionary Robotics.
