طراحي و تحليل يك مكانيزم يك درجه آزادي براي پاي ربات قورباغهاي و شبيهسازي شنا-كردن بر اساس حركت طبيعي قورباغه

Design and analysis of one degree of freedom mechanism for frog robot leg and simulation of swimming based on frog natural motion

مطالعه بر روي مكانيزم حركتي جانوران همواره از فعاليتهاي مهم در تحقيقات علمي بوده است. در دهههاي اخير مطالعه بر روي حركت قورباغهها در شنا كردن و پريدن و شبيهسازي اين حركات افزايش يافته است. در كار پيش رو با الگوبرداري نحوهي عملكرد عضلات و مطالعهي آناتومي پاي قورباغه مكانيزمي طراحي شده است كه حركت طبيعي پاي قورباغه را تنها با يك عملگر شبيهسازي ميكند. با ارايه روش هندسي در طراحي مكانيزم، حركت پاي قورباغه با توجه به تغيير زواياي مفاصل طراحي ميشود. مقدار تغييرات زاويههاي اصلي در مكانيزم بر اساس تغيير زاويهها در حركت طبيعي قورباغه است. عملگر داراي حركت دوراني است و به صورت سينوسي دوران ميكند و با فركانسهاي مختلف ميتوان سيكل حركتي قورباغه را ايجاد كرد. با توجه به سرعت حركت خطي پنجهي پا در شناي قورباغهي طبيعي، مقدار فركانس لازم براي عملگر به دست ميآيد. همچنين با واردكردن نيروهاي درگ و نيروي توليدي توسط پنچهي پا، شنا كردن قورباغه شبيهسازي شده است. با داشتن سرعت و شتاب حركت، گشتاور لازم براي عملگر به دست ميآيد. نتايج حاصل از شبيهسازي و مقايسهي آنها با نتايج حاصل از حركت طبيعي قورباغه نشان دهندهي دقت بالاي مكانيزم در تقليد حركت واقعي پاي قورباغه و نحوه شنا كردن و تطبيق مقادير سرعت و شتاب و نيروهاي درگ و نيروي توليدي محوري است. با توجه به نتايج به دست آمده، ميتوان از مكانيزم طراحي‌شده براي شبيهسازي حركت انواع قورباغه در شنا كردن استفاده كرد.

The study of the movement mechanism of animals has always been an important activity in academic researches. In recent decades, the investigation of frog motions in swimming and jumping and their simulations has increased. In the work ahead, by modeling the way in which muscles perform and examining the anatomy of frog leg, a mechanism is designed to simulate the natural movement of the frog leg with a single operator. By providing a geometric approach to the design of the mechanism, the movement of frog leg is simulated, according to the variation of joint angles. Variations of major angles in the mechanism are based on those of the frogʹs natural movement. Actuator has sinusoidal circular motion and frog motion cycles can be created with different frequencies. The required frequency for actuator is obtained by the given speed of linear motion of foot in a natural movement. Also, frog swimming is simulated by entering the drag force and the force generated by the foot. The required torque for actuator is obtained by velocity and acceleration of motion. The results of simulations compared to the results from the natural movement of the frog represent the high resolution of mechanism to mimic the real motion of the frog leg and swimming, and to match the values of velocity and acceleration and the drag force and the generated axial force. According to the obtained results, the designed mechanism can be used to simulate the movement of different types of frogs in swimming.