Μοντελοποίηση, ανάλυση παθητικής δυναμικής και έλεγχος δίποδου ρομπότ με επεκτάσεις στη μηχανική του ανθρώπινου βηματισμού.

Σμυρλή, Αικατερίνη; Smyrli, Aikaterini

dc.contributor.author	Σμυρλή, Αικατερίνη	el
dc.contributor.author	Smyrli, Aikaterini	en
dc.date.accessioned	2017-12-18T11:31:26Z
dc.date.available	2017-12-18T11:31:26Z
dc.date.issued	2017-12-18
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46119
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14801
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Nonlinear systems	en
dc.subject	Μη γραμμικά συστήματα	el
dc.subject	Nonlinear control	en
dc.subject	Δίποδα ρομπότ	el
dc.subject	Bipedal robots	en
dc.subject	Passive walking	en
dc.subject	Παθητικό περπάτημα	el
dc.subject	Prosthetics	en
dc.subject	Προσθετικά μέλη	el
dc.subject	Μη γραμμικός έλεγχος	el
dc.title	Μοντελοποίηση, ανάλυση παθητικής δυναμικής και έλεγχος δίποδου ρομπότ με επεκτάσεις στη μηχανική του ανθρώπινου βηματισμού.	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Συστήματα αυτομάτου ελέγχου	el
heal.classification	Μη γραμμικά συστήματα	el
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-09-26
heal.abstract	Η μελέτη της μηχανικής του ανθρώπινου περπατήματος ανέδειξε τη φυσική ιδιότητα ορισμένων δίποδων μηχανών να εκτελούν βηματισμούς παθητικά. Μέχρι σήμερα έχουν μελετηθεί πλήθος δίποδων μοντέλων, κάθε ένα από τα οποία παρουσιάζει ομοιότητες με την ανθρώπινη φυσιολογία και κατ’ επέκταση με τη δυναμική του ανθρώπινου περπατήματος. Σε αυτή την εργασία μελετάται η παθητική δυναμική ενός σύνθετου μηχανικού δίποδου μοντέλου, το οποίο περιέχει στοιχεία εμπέδησης κατά μήκος των σκελών του, ημικυκλικά πέλματα με στοιχεία αδρανείας, και σημειακή μάζα στη θέση του ισχίου. Οι περισσότερες ήδη υπάρχουσες μελέτες για την παθητική δυναμική των δίποδων μηχανών έχουν θεωρήσει απαραμόρφωτα σκέλη, και συνεπώς αδυνατούν να προσομοιώσουν την φάση διπλής στήριξης που είναι αναγκαία για την ομαλή μεταφορά της στήριξης από το ένα σκέλος στο επόμενο κατά το βηματισμό. Αντί αυτής, έχει καθιερωθεί να θεωρείται ότι η στροφορμή του συστήματος διατηρείται σταθερή κατά τις κρούσεις με το έδαφος. Οι απώλειες τέτοιων μοντέλων προκύπτουν αριθμητικά από την συνθήκη διατήρησης της στροφορμής και δεν ορίζονται από κάποιο συντελεστή απωλειών ή απόσβεσης. Το μοντέλο που μελετάται σε αυτή την εργασία περιλαμβάνει στοιχεία ελαστικότητας και απόσβεσης, και συνεπώς προσομοιώνει πλήρως την κρούση και τη σταδιακή αποφόρτιση του ενός σκέλους και φόρτιση του επόμενου, κατά τη φάση διπλής στήριξης. Ημικυκλικά πέλματα με στοιχεία αδράνειας έχουν συμπεριληφθεί σε πολλές μελέτες, καθώς έχει αποδειχθεί η σημασία των ημικυκλικών σκελών στην προσομοίωση της δυναμικής συνεισφοράς των αστραγάλων κατά το ανθρώπινο περπάτημα. Εξίσου σημαντικά θεωρούνται τα στοιχεία αδράνειας, καθώς επιτρέπουν τη δυναμική μελέτη της προώθησης των σκελών προς τα εμπρός. Το μοντέλο που τελικά συντίθεται από τα παραπάνω μηχανικά στοιχεία αδιαστατοποιείται, ώστε τα αποτελέσματα της μελέτης να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το σχεδιασμό σε πολλές κλίμακες. Με βάση το αδιάστατο πλέον μοντέλο, εκτελούνται προσομοιώσεις οι οποίες επαληθεύουν την εγκυρότητά του. Στη συνέχεια εξάγονται συμπεράσματα για την αντιστοιχία των επιμέρους μηχανικών στοιχείων με την παθητική συμπεριφορά του μοντέλου που αυτά συνθέτουν. Τα συμπεράσματα αυτά είναι σημαντικά καθώς προκύπτουν από ένα μοντέλο το οποίο παρουσιάζει μεγάλο βαθμό μηχανικής ομοιότητας με τα ανθρώπινα κάτω άκρα. Στη συνέχεια διερευνάται και αναλύεται μία σχεδιαστική λύση η οποία θα επιτρέπει την αναπαραγωγή της παθητικής δυναμικής σε οριζόντιο επίπεδο, όπου δεν υπάρχουν επαναλαμβανόμενες λύσεις της παθητικής δυναμικής και πρέπει να εισαχθούν στο μοντέλο στοιχεία επενέργησης. Μια τέτοια λύση είναι απαραίτητη κατά την κατασκευή δίποδων ρομπότ, τα οποία θα κληθούν να εκτελέσουν βηματισμούς σε διαφορετικής κλίσης εδάφη. Για την κατά το δυνατό πιστότερη αναπαραγωγή των παθητικών βηματισμών, αποδεικνύεται ότι το επενεργούμενο μοντέλο θα πρέπει να επεκταθεί με την προσθήκη ενός επιπλέον στοιχείου: μίας έκκεντρης μάζας που θα λειτουργεί ως αντίβαρο, με δυνατότητα περιστροφής γύρω από το σύνδεσμο του ισχίου. Το αποτέλεσμα αυτό συναντά την ήδη υπάρχουσα βιβλιογραφία για δίποδα με κορμό, παρουσιάζει όμως σχεδιαστικές διαφορές συγκριτικά με αυτή, διότι προέκυψε με στόχο την καλύτερη αξιοποίηση της έκκεντρης μάζας ως αντίβαρο σε μία πειραματική διάταξη, και όχι την ομοιότητα με τον ανθρώπινο σχεδιασμό. Επιπλέον, παρουσιάζεται σχήμα ελέγχου το οποίο παρέχει στο επαυξημένο αυτό νέο σύστημα ευστάθεια και χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση. Συνοπτικά, η εργασία εξερευνεί την αντιστοιχία του σύνθετου δίποδου μοντέλου με τον άνθρωπο, και παρουσιάζει τις δυνατότητες αξιοποίησης της παθητικής του δυναμικής τόσο στο σχεδιασμό ενεργειακά οικονομικών κινούμενων ρομπότ, όσο και κατά το σχεδιασμό τεχνητών κάτω άκρων.	el
heal.abstract	Through the study of human gait mechanics, there has emerged a special class of bipedal machines, which exhibit walking on negative slopes as a natural passive-dynamic mode. To date, numerous such models have been proposed and studied, each bearing some degree of resemblance to the human locomotor’s structure and dynamic behavior. This thesis studies the passive dynamics of a relatively complex bipedal walking model that includes compliant elements along its two legs, semicircular feet of non-negligible mass, and a point mass attached at the hip joint. Most of the published research on the passive dynamics of bipedal machines have made the assumption of rigid feet and thus fail to simulate the dynamics during the double stance phase of walking, which enables the gradual support transfer from one leg to another observed during human gait. Instead, they assume that the system’s angular momentum is conserved during the impact that occurs at heelstrike. Energetic losses in such models are only present due to the velocity incontinuity just-before and just-after the collision, which is computed via the conversation of angular momentum. The model studied in the present work includes elastic and damping elements, allowing for detailed simulation of the heelstrike collision as well as for the study of the gradual support transfer between the two compliant legs. The addition of semicircular feet with inertial properties has been proposed in previous works, as it has been proven that such feet profiles can act as a substitute of ankle joints. The point masses attached to the feet are equally important, as they allow the dynamic study of their pendulum-like motion during swing phase. The model composed of the above elements is analytically described and later converted to its dimensionless form, in order to extract results that are independent of scale. This dimensionless model is then numerically simulated, providing results that confirm its validity. Based on these simulations, cause-and-effect relationships are drawn between each of the model’s elements and the resulting passive dynamics. These deductions are reliable since they result from a detailed model that bears many structural similarities to the human lower-limb anatomy. The attention is then shifted towards finding a way of reproducing the biped’s passive dynamic behavior on flat terrain of zero incline. Such conditions do not passively produce a sustainable gait, so a means of actuation must be introduced to the model in order to achieve a walking pattern. This step is essential towards the design of bipedal robots, which must often walk on level or irregular ground. With a goal of reproducing a gait that is as close as possible to the biped’s original passivedynamic behavior, it is shown that the actuated biped must be extended with the addition of an extra link at the hip joint, to act as a counterweight and house the stators of the legs’ actuators. This conclusion is coherent with many studies’ choice of providing the biped with a torso. However, it presents differences in its design, as it has been adopted for its use as a torsional counterweight and not for its resemblance to the human body structure. A control scheme that stabilizes this extended system whilst minimizing the energetic cost of walking is then developed. In summary, this work studies the relationship between the model of a biped and the human gait, and provides useful guidelines for the design of efficient walking robots and lower limb prosthetics.	en
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Πουλακάκης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	120 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true