ارائه يك مدل جديد بر پايه پاندول معكوس سه جرمه براي طراحي مسير بلادرنگ ربات هاي دوپا

A Novel Model Based on the Three-Mass Inverted Pendulum for Real-Time Walking Pattern Generation of Biped Robots

هدف از اين مقاله، بهبود مدل پاندول معكوس، براي طراحي مسير بلادرنگ ربات هاي دوپا است. در اين راستا، يك مدل بر اساس پاندول معكوس سه جرمه پيشنهاد مي شود و دقت تخمين اين مدل با مدل پاندول معكوس سه جرمه و تك جرمه مقايسه مي شود. مدل پيشنهادي، با اضافه كردن تقريبي از لنگر پاي معلق به مدل پاندول معكوس سه جرمه، تخمين رفتار ديناميكي ربات را بهبود مي بخشد. براي نشان دادن كارايي مدل پيشنهادي، مسير مركز جرم ربات با استفاده از سه مدل، بر اساس نقطه گشتاور صفر طراحي شده، بدست مي-آيد. سپس، با استفاده از سينماتيك معكوس، مسيرهاي فضاي كاري به فضاي مفصلي نگاشت داده مي شوند. در نهايت، با استفاده از مسيرهاي به دست آمده در فضاي مفصلي، موقعيت دقيق نقطه گشتاور صفر محاسبه شده و مقادير بدست آمده از سه مدل با هم مقايسه مي شود. نتايج بدست آمده از شبيه سازي حركت ربات، نشان از بهبود تخمين ديناميك ربات با استفاده از مدل پيشنهادي نسبت به مدل هاي تك جرمه و سه جرمه، به خصوص در سرعت هاي بالا، دارد. مدل ارائه شده، براساس ويژگي هاي ربات سورنا 3 بوده كه اين ربات در مركز سيستم ها و فناوري هاي پيشرفته(CAST) دانشگاه تهران طراحي و ساخته شده است.

In this paper, to improve the accuracy of the one-mass and three-mass inverted pendulum models, which have been used for generating real-time walking patterns for biped robots, we propose a novel model based on the three-mass inverted pendulum. The proposed model employs an approximation of moment of inertia of the swing leg to improve the accuracy of the three-mass inverted pendulum in estimating dynamic behavior of the robot. In order to show the significance of the proposed model, trajectories for the Center of Mass (CoM) are obtained using the three models, based on a desired ZMP trajectory. The task space trajectories are then mapped into the joint space, using inverse kinematics. Having the joint space variables, the actual ZMPs for the three obtained walking patterns are computed and compared. This comparison shows the advantages of the proposed model in estimating dynamic behavior of the robot well, especially for walking with relatively high speeds. The kinematic and dynamic properties of the models in this paper are based on the humanoid robot SURENA III, which has been designed and fabricated in the Center of Advanced Systems and Technologies (CAST), University of Tehran.