مدلسازی و کنترل راه رفتن یک انسان با یک پای مصنوعی ساده و طراحی زانوی مصنوعی

تقریبا تمامی پاهای مصنوعی موجود به صورت کامل غیرفعال هستند. این نوع از پاها، انرژی را در یک المان الاستیکی در ابتدای گام برداشتن فرد ذخیره کرده و آن را در باقی مسیر به بدن فرد تزریق مینماید تا فرد به کمک آن به سمت جلو حرکت کند. مسا1له اصلی، مسا1له انرژی مصرفی است که در این نوع از پاهای مصنوعی، المانهای الاستیکی وظیفه دارند تا به جای عضلات انسان سالم کارهای مهمی چون به جلو راندن بدن و تضمین امنیت کاربر را انجام بدهند. لیکن این المانهای الاستیکی توانایی تزریق مقدار مورد نیاز انرژی و همچنین الگوی تزریق مناسب را نداشته و نمیتوانند به بهبود کارایی پای مصنوعی منجر شوند. از سوی دیگر، با پیشرفت تکنولوژی، نوعی دیگر از پاهای مصنوعی طراحی شدند که علاوه بر المانهای الاستیکی غیرفعال فوقالذکر، بخشهای فعالی همچون محرکه های الکتریکی گشتاور بالا را نیز در برداشته و برخی از محدودیت های پاهای غیرفعال را مرتفع میکنند. در این مقاله در ابتدا با بکارگیری روش لاگرانژ، دینامیک های حاکم بر یک ربات دوپا با پنج درجه آزادی استخراج شود. برای انجام این مهم، پس از معرفی مدل ربات، ابتدا به تحلیل سینماتیکی ربات پرداخته و درانتها معادلات دینامیکی استخراج می گردد. در ادامه، به کمک روشهای کنترلی چون کنترل مستقل مفاصل و دینامیک صفر هیبرید که بر مبنای منطق دینامیک معکوس استوار است، مدل ربات دوپا برای راه رفتن روی سطح صاف، بر مبنای اطلاعات زاویه ای استخراج شده از داده های مفاصل انسان سالم، کنترل شده است. سپس با تغییر در جرم و اندازه ی یکی از پاهای مدل ربات انساننما، آن را مصنوعی کرده و باری دیگر، راه رفتن این ربات شبیه سازی گردیده است. در آخر نیز به کمک داده های حاصله، با ارائه روشی به طراحی المانهای الاستیک غیرفعال پرداختیم و سعی شد تا انرژی و پیک گشتاور تا حد امکان کاهش یابدو بخش باقیمانده از گشتاور مورد نیاز نیز توسط محرکهای جبران گردید. بنابراین جای بکارگیری محرکهای با گشتاور بالا و سنگین در مفاصل، کافی است تا از محرکهای کوچکتر و سبکتر در کنار المانهای الاستیکی طراحی شده استفاده شود.

Keywords:

پای مصنوعی , المانهای الاستیک , کنترل مستقل مفاصل , دینامیک معکوس گشتاور محاسبه شده , دینامیک صفر هیبرید