Παραμετρική μελέτη ποδιού ρομπότ με πόδια και πειραματική αξιολόγηση επενέργησης πέλματος από τεχνητό μυ (DEAP)

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη βελτιστοποίηση σχεδιαστικών παραμέτρων του ποδιού ενός μονόποδου ρομπότ, με σκοπό τη μείωση της πρόνευσης του κορμού και της καταναλισκόμενης ενέργειας του ρομπότ για δεδομένη ταχύτητα πρόωσης. Η εργασία αποτελείται από τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος της εργασίας παρουσιάζεται η δυναμική ανάλυση του συστήματος βάσει της μεθόδου Lagrange. Το πρώτο μοντέλο που αναλύεται είναι το ανεστραμμένο εκκρεμές φορτισμένου ελατηρίου, επίσης γνωστό ως μοντέλο SLIP (Spring Loaded Inverted Pendulum). Το μοντέλο αυτό επεκτείνεται ώστε να περιλαμβάνει τη μάζα και την αδράνεια του ποδιού και χρησιμοποιείται για την εξαγωγή των εξισώσεων κίνησης του συστήματος. Για την αναλυτική μελέτη της επίδρασης της μάζας και της αδράνειας του ποδιού, θεωρείται σύστημα δυο εκκρεμών που περιγράφει την κίνηση του μονόποδου ρομπότ κατά την εναέρια φάση. Τα δυο εκκρεμή σώματα (κορμός και πόδι) είναι συζευγμένα στο στροφικό βαθμό ελευθερίας. Το πόδι επενεργείται μέσω συστήματος μετάδοσης της κίνησης από ηλεκτρικό κινητήρα που βρίσκεται στον κορμό του ρομπότ και τοποθετείται σε συγκεκριμένη γωνία στο οβελιαίο επίπεδο αντιδρώντας στη ροπή αδράνειας του κορμού και επηρεάζοντας τη γωνία πρόνευσής του. Στην παρούσα εργασία, διερευνάται η επίδραση της ιδιοσυχνότητας του ποδιού, δηλαδή του λόγου της μάζας προς τη ροπή αδράνειάς του, στη γωνία πρόνευσης του κορμού για συγκεκριμένες επιθυμητές γωνιακές ταχύτητες. Οι γωνιακές ταχύτητες του ποδιού ανάγονται σε επιθυμητές ταχύτητες πρόωσης του ρομπότ, σχετίζοντας με τον τρόπο αυτό την ιδιοσυχνότητα του ποδιού με την ταχύτητα πρόωσης. Επιπλέον, παρουσιάζονται κατευθυντήριες γραμμές για τη μεταβολή ή ρύθμιση της ιδιοσυχνότητας του ποδιού. Αποδεικνύεται ότι μεγαλύτερες ιδιοσυχνότητες επιτυγχάνονται για τη μορφολογία ποδιού που συναντάμε και στη φύση, δηλαδή πόδι με αυξημένη συγκέντρωση μάζας στο ανώτερο τμήμα του ή αλλιώς πόδι με γλουτό. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας αναπτύσσεται σύνθετο μοντέλο της πειραματικής πλατφόρμας του μονόποδου ρομπότ SAHR (Single Actuator Hopping Robot) του εργαστηρίου Αυτομάτου Ελέγχου και χρησιμοποιείται για την εκτέλεση προσομοιώσεων με χρήση του λογισμικού ανάλυσης της δυναμικής πολλαπλών σωμάτων ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems). Το μοντέλο αυτό περιλαμβάνει απώλειες λόγω ολίσθησης και 4 πλαστικής κρούσης με το έδαφος, ιξώδεις και στατικές τριβές στο ρότορα του κινητήρα και στο μειωτήρα στροφών, ελαστικότητα στον ιμάντα μετάδοσης κίνησης, καθώς και πλήρη γεωμετρικά και αδρανειακά στοιχεία των φυσικών μερών του SAHR. Το μονόποδο ρομπότ στερεωμένο επάνω σε έναν βραχίονα, κινείται κυκλικά γύρω από μια σταθερή βάση. Η κίνηση του ρομπότ διατηρείται σταθερή ως προς την πρόσθια ταχύτητα και το ύψος αναπήδησης με χρήση κατάλληλου ελεγκτή που έχει αναπτυχθεί από τους Χερουβείμ και Παπαδόπουλο. Ο αλγόριθμος ελέγχου υλοποιείται σε περιβάλλον Matlab/Simulink και αλληλεπιδρά με το μοντέλο του ρομπότ στο ADAMS μέσω υπορουτίνας επικοινωνίας των δυο λογισμικών. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν τα θεωρητικά αποτελέσματα του πρώτου μέρους της εργασίας. Επιπλέον, η πλατφόρμα προσομοίωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για περαιτέρω πειράματα με σκοπό τον προσδιορισμό παραμέτρων του φυσικού συστήματος ή/και την αξιολόγηση νέων σχεδιασμών ποδιού όπως πραγματοποιήθηκε για το πόδι με πέλμα. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας παρουσιάζονται εισαγωγικά στοιχεία του θέματος των τεχνητών μυών και εξετάζεται η προσθήκη στροφικής άρθρωσης και πέλματος στο μονόποδο ρομπότ. Γίνεται προσομοίωση του συστήματος με πέλμα στο ADAMS και τα αποτελέσματα χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό πέλματος για το φυσικό πρωτότυπο του μονόποδου ρομπότ. Για την επενέργηση του πέλματος χρησιμοποιείται τεχνητός μυς της κατηγορίας DEAP (Dielectric Electro Active Polymers) και συγκεκριμένα της εταιρίας Danfoss Polypower™. Αρχικά, κατασκευάζεται επίπεδος DEAP επενεργητής και διάταξη για την εκτέλεση πειραμάτων χαρακτηρισμού του υλικού. Στη συνέχεια, κατασκευάζεται κυλινδρικός DEAP επενεργητής έλξης και «ανταγωνιστικός» μηχανισμός ελατηρίου – επενεργητή DEAP για το μονόποδο ρομπότ. Η πειραματική αξιολόγηση επιβεβαιώνει την αρχή λειτουργίας του DEAP και τα πρώτα αποτελέσματα δείχνουν ότι το υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επενέργηση αρθρώσεων με μικρό εύρος κινήσεων και μικρές απαιτήσεις δυνάμεων/ροπών.

This thesis addresses the optimization of design parameters of a single legged robot in order to reduce the pitch of the torso and the energy consumption of the robot for a given speed propulsion. The thesis is divided in three parts. In the first part of this work, the dynamic analysis of the system using the Lagrange method is presented. The first model analyzed is the spring loaded inverted pendulum, also known as SLIP. The model is extended to include the mass and the inertia of the leg and it is used to extract the equations of motion of the system. For a detailed study of the effects of the mass and inertia of the leg we consider a system consisting from two pendulums. This model describes the motion of the monopod robot in the aerial phase. The two bodies are coupled to the torsion degree of freedom. The leg acts via the transmission of electric motor located in the torso of the robot and placed in a certain angle in the sagittal plane in response to the moment of inertia of the body and affecting the angle of pitch. In the present study we investigated the effect of the natural frequency of the leg, i.e. the ratio of mass to the moment of inertia, to the pitch angle of the torso for specific desired angular velocities. The angular velocities of the foot relate to the desired speed of propulsion of the robot, and therefore the resonant frequency of the leg is related to the speed of propulsion. We present guidelines for changing or adjusting the natural frequency of the leg. It turns out that higher natural frequencies are obtained for the foot morphology encountered in nature, i.e. legs with increased concentration of mass in the upper leg or otherwise in the buttock. The second part develops a complex model of the experimental robot platform SAHR (Single Actuator Hopping Robot) of the Automation and Control Laboratory which is used to perform simulations using multi body dynamic simulation software ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems). This model includes losses due to Coulomb friction and plastic impact with the ground, viscous and static friction in the transmission gear, and full geometric and inertial data of physical parts of the SAHR. The monopod robot mounted onto an arm, moves cyclically around a fixed axis. The speed and bouncing height of the robot is controlled using a controller developed by Cherouvim & Papadopoulos. The control algorithm is implemented in the Matlab/Simulink environment and interacts with the model of the robot in ADAMS through a communication subroutine between the two s/w packages. Simulation results 6 confirm the theoretical results of the first part of the work. Furthermore, the simulation platform can be used for further experiments to determine the parameters of the physical system and / or evaluation of new designs stand out as the leg with foot. In the latter part of the work, we first present introductory information on the issue of artificial muscles and test the addition of rotational joints and foot in monopod robot. The system with a foot is simulated in ADAMS and the results are used to design patterns for the natural original monopod robot. The tread is actuated using an artificial muscle group DEAP (Dielectric Electro Active Polymers), namely the company Danfoss Polypower ™. Initially, a flat DEAP actuator was built and was characterized using a special instrumented device. Next, we built a cylindrical DEAP pull actuator and an antagonistic actuation spring mechanism. The experimental evaluation confirms the principle of operation of DEAP and initial results show that the material can be used for joints with small-scale motions and small range of forces/moments.