بخشی از مقاله
چکیده:
با توجه به کاربرد مختلف ربات ها، هدف این مقاله ارائه طراحی جدید برای ربات شش پا با استفاده از چرخ های غیر مرکزی می باشد. در مقایسه با ربات RHex و سایر ربات های شش پا با چرخ های دایره ای مرکزی، طراحی جدید چرخ های پیشنهادی، حرکات و تکان های انتقالی به بدنه ربات را کاهش می دهد.
با توجه به این ویژگی، ربات نوین طراحی شده قابلیت استفاده در هر دو محیط صاف و ناهموار را دارا می باشد. به دلیل وجود یک درجه آزادی برای هریک از چرخ ها، کنترل ربات نیز ساده تر خواهد بود. بنابراین در این مقاله، به تحلیل سینماتیکی ربات شش پا با چرخ های غیر هم غیر هم مرکز پرداخته شده است. همچنین استفاده همزمان از شش چرخ برای ایجاد حرکت، علاوه بر افزودن قابلیت حرکت پیوسته، غلبه بر گشتاور مقاوم ناشی از وزن ربات راحت تر خواهد بود. در نهایت نیز مزایای استفاده از این طراحی نوین بیان شده است.
.1 مقدمه
در ربات های شش پا، اکثر اوقات راه رفتن حتی در شرایط سنگی و ناهموار نیز پایدار می باشد. در کنار مدل های متفاوت راه رفتن رایج مانند سه پایه تناوبی، چهار پا و خزیدن، معروف ترین مدل راه رفتن به صورت سه چرخ می با شد .[2 ,1] همچنین ا ستفاده از ترکیب چرخ و پا در این ربات مرسوم می باشد. در حالی که برای فضاهای سنگی و ناصاف استفاده از پا و برای حرکت سریعتر، استفاده از چرخ توصیه می شود
با توجه به کاربردهای مختلف ربات ها، هدف از این مقاله طراحی ربات شش پا با استفاده از چرخ های غیر مرکزی می باشد. در مقایسه با ربات RHex ساخته شده در گذ شته [4-6]، مدل جدید طراحی شده اثرات ضربه بر بدنه ربات در سطوح صاف و سنگی را تا حد زیادی کاهش داده است. همچنین کنترل ربات با توجه به اختصاص یک درجه آزادی برای هریک از چرخ ها، ساده تر انجام خواهد شد.
در این مقاله سینماتیک ربات شش پای طراحی شده مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه نمونه اولیه ربات شش پای پیشنهادی ارائه شده است. در بخش بعدی، راه رفتن به صورت همزمان شش پا برای حرکت مستقیم و چرخش مورد بررسی قرار گرفته است. سپس با تجزیه و تحلیل حرکت، مزایای ربات پیشنهاد شده و مقایسه آن با ربات های چرخ های دایره ای مرکزی انجام شده است. در نهایت نیز نتیجه گیری و بحث راجع به پژوهش انجام شده ارائه شده است.
.2 تئوری و پیشینه تحقیق
تعادل استاتیکی برای رباتی که دارای سه پا یا بیشتر باشد، واضح می باشد. بنابراین انعطاف پذیری ربات شش پا در تعادل و همچنین توانایی مانور حرکتی بالا است. همچنین اگر بعضی از پاهای ربات نیز غیر فعال شوند، ممکن است ربات باز هم توانایی حرکتی خود را داشته باشد. علاوه بر این، با توجه به اینکه وجود تعداد پاهای بیشتر برای تعادل استاتیکی، پاهای اضافه برای ایجاد قابلیت های جدید در حین داشتن تعادل استاتیکی مجموعه قابل استفاده می باشند. برای ربات شش پا، تاکنون مدل های زیادی پیشنهاد شده است. برای نمونه، ربات های شش پا در هشت طراحی مختلف تاکنون ارائه شده اند که هر کدام، دارای کاربرد خاص، مزایا و معایب مختلف می باشند
بسیاری از ربات های شش پا از حرکات بیولوژیکی موجودات زنده الهام گرفته شده اند .[4-12] ربات های الهام گرفته از حشرات معمولا به صورت چپ متقارن1، و دارای دو تا شش درجه آزادی می با شند. همچنین محل تماس آنها با زمین، معمولا به صورت نقطه ای و تیز می با شد. همچنین برای کمک به راه رفتن بر روی سطوح لغزنده و در مواردی بالا رفتن از سطوح، از مواد چ سبنده بر محل تماس آنها با محیط خارجی ا ستفاده می شود. اخیرا نیز محققان موفق به ساخت رباتی شش پا، با قابلیت راه رفتن در تمامی جهات، چرخش در محل و همچنین افزایش یا کاهش ارتفاع بدن شده اند .[8] توسعه ربات های شش پا می تواند منجر به کاربردهای خاص مانند کنترل و مانیتورینگ امور خانه شود
اکثر اوقات، راه رفتن ربات و اجازه برای حرکت در هر جهت و یا چرخش، با استفاده از مسیر مورد نظر کنترل می شود. یکی از مسائل مهم در تو سعه ی ربات های شش پا، حرکت و ایجاد م سیر منا سب؛ که به گیت2معروف می با شد؛ می با شد . برای نمونه الگوی قابل اجرای راه رفتن برای یک ربات ساخته شده شش پا توسط بلتر و همکارش ارائه شد .[12] همچنین استفاده از الگوریتم گرانشی ژنتیک ترکیبی برای تولید راه رفتن ربات شش پا توسط ارائه شده است .
.3 مواد و روش ها
.1-3 ربات شش پا با چرخ های غیر مرکزی ربات شش پای طراحی شده ضمن داشتن توانایی عبور از موانع، در سه جهت متقارن می باشد - شکل . - 1 جهت اول، تقارن نسبت به صفحه مرکزی عمود بر جهت حرکت سه چرخ و در سمت چپ و سه چرخ در سمت را ست، جهت دوم تقارن ن سبت به صفحه عمودی عبور کننده از محور میانی چرخ و جهت سوم، تقارن ن سبت به صفحه افقی عبور کننده از محور تمامی شش چرخ است. به عبارت دیگر، ق سمت بالا و پایین ربات ن سبت به این بخش متقارن ا ست. بنابراین در صورت واژگونی ربات، باز هم توانایی ادامه م سیر و حرکت برای ربات وجود خواهد داشت. از لحاظ ساختاری نیز، ربات طراحی شده مشابه ربات RHex به دلیل استفاده از پاهای منحنی باز می باشد.
شکل .1 نمونه ربات شش پا با چرخ های غیر مرکزی
تمامی چرخ های استفاده شده مشابه یکدیگر هستند و هر کدام از آنها توسط یک موتور به صورت جداگانه کنترل می شوند. همچنین همانطور که م شخص ا ست، تمامی آنها به صورت همزمان در تماس با سطح زمین نی ستند. و ضعیت حرکت هر چرخ در دو حالت؛ تماس با زمین برای ایجاد حرکت - وضعیت پ شتیبان - و حالت عدم دخالت در حرکت - وضعیت بیکار - ؛ قرار دارد.
مطابق شکل 2، در جایی که O مرکز چرخ ربات ا ست، محور چرخ نقطه Q می باشد. 1 اولین نقطه تماس در حال حرکت، 2 نقطه تماس قرار گرفته بر روی قطر گذرنده از مرکز و 3 آخرین نقطه تماس برای ایجاد حرکت ربات می باشد. به عبارت دیگر، حالت تماس با زمین برای ایجاد حرکت از نقطه 1 شروع و تا نقطه 3 ادامه خواهد داشت.
شکل .2 وضعیت چرخ های غیر مرکزی در هنگام حرکت ربات شش پا
.2-3 حرکت ربات شش پا
وزن بالای ربات سبب ایجاد گ شتاور مقاوم برای چرخ های ربات - مطابق با شکل - 3a می شود. البته در حالتی دیگر، زمانی که محور Q از سمت دیگر قطر عمودی گذرنده از O بگذرد، گ شتاور نا شی از وزن به حرکت ربات کمک می کند - مطابق شکل . - 3b در شکل 3، n ن شان دهنده تعداد چرخهای در تماس با زمین در هر لحظه زمانی می با شد. برای حرکت سه پا، مقدار n برابر با 3 می با شد.
یکی از راه های مقابله با گ شتاور مقاوم، افزایش مقدار n می باشد. در صورتی که تمامی چرخ های ربات به صورت همزمان در تماس با زمین باشند؛ یعنی n=6 باشد؛ مقدار گشتاور مقاوم به نصف مقدار قبلی تغییر می کند. بنابراین هدف طراحی حرکت با n=6 می باشد. همچنین با توجه به شکل 1، چرخ های طراحی شده برای ربات، به دو گروه با شماره چرخ های #1 - ، #3 و - #5 برای تشکیل مثلث اول - گروه - A، و #2 - ، #4 و - #6 برای تشکیل مثلث دوم - گروه - B تقسیم شده اند.
شکل .3 گشتاور ایجاد شده به دلیل وزن ربات - a - گشتاور مقاوم - b - گشتاور محرک
حرکت رو به جلو: حرکت ربات شش پا در شکل 4 و وضعیت های زیر قابل دسترسی می باشد. • وضعیت :1 تمامی چرخ ها در تماس با سطح زمین در وضعیت نقطه 1 می باشند.
