چکیده

امروزه راه رفتن روبات انسان نما یکی از حوزه های جذاب تحقیق در زمینه روباتیک است. چالش­های موجود در کنترل روبات های انسان نما با درجات آزادی بالا، این مساله را در زمره مسائل دشوار در حوزه روباتیک قرار داده است به طوریکه راه رفتن روبات انسان نما را کماکان به عنوان مهمترین توانایی یک روبات طبقه ­بندی می­ کنند. در این پایان نامه روشی جدید برای راه رفتن روبات انسان­نما از بغل مطرح شده است. در این روش بر روی هر یک از مفاصل موثر در راه رفتن روبات یک اتوماتای یادگیر متغیر سوار می­ شود که طی فرایند یادگیری بردارهای احتمال مربوط به اتوماتاها به روز می­ شود و مقادیر مناسب مفاصل برای راه رفتن با توجه به این بردارها انتخاب می­شوند. در ادامه این روش یادگیری برای راه رفتن مستقیم و راه رفتن از بغل مورد استفاده قرار می­گیرد که نتایج حاصل از شبیه­سازی الگوریتم بر روی روبات انسان­نمای نائو در محیط شبیه­سازی فوتبال سه­بعدی نشان دهنده نتایج مناسب در راه رفتن مستقیم روبات در مقایسه با روش­های گذشته و همچنین مزایای فراوان بهبود توانایی راه رفتن از بغل در یک روبات انسان­نما می­باشد.

واژه های کلیدی

روبوکاپ ، فوتبال ربات ها، روبات های انسان نما، راه رفتن روبات نائو، اتوماتای یادگیر

 

 

فهرست مطالب

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	فصل اول : مقدمه
2	1-1-          مقدمه
7	1-2-          روبات­های انسان­نما
10	1-3-          روبوکاپ، انگیزه­ها و اهداف
13	1-4-          نرم افزارهای شبیه­سازی و مدل روبات
13	1-4-1- شبیه­سازی
14	1-4-2- مدل روبات
15	1-4-3- کد پایه
18	1-5-          راه رفتن روبات انسان­نما از بغل
19	1-6-          اهداف
	فصل دوم: بر تحقیقات پیشین و روش­های به کار رفته در تحلیل حرکت روبات
21	2-1-    مقدمه
22	2-2-    تعادل روبات ونقطه گشتاور صفر
25	2-3-    حرکت­شناسی
27	2-3-1- حرکت­شناسی مستقیم
27	2-3-2- حرکت­شناسی معکوس
31	2-4-    استفاده از سری­های فوریه در تحلیل حرکت روبات
34	2-4-1- بهینه­سازی پارامترهای سری فوریه به کمک الگوریتم ژنتیک
37	2-4-2- بهینه­سازی پارامترهای سری فوریه به کمک الگوریتم ازدحام ذرات
	فصل سوم: طرح پیشنهادی
42	3-1-    مقدمه
42	3-2-     روبات انسان­نمای نائو و تحلیل حرکت آن
45	3-3-     استفاده از حرکت­شناسی در راه رفتن از بغل
46	3-3-1- حرکت­شناسی مستقیم
50	3-3-2- حرکت­شناسی معکوس
52	3-4-     استفاده از اتوماتای یادگیر به منظور راه رفتن روبات
53	3-4-1- روبات­های افزونه
54	3-4-2- اتوماتاهای یادگیر
55	3-4-2-1- اتوماتای یادگیر با ساختار ثابت
58	3-4-2-2- اتوماتای یادگیر با ساختار متغیر
60	3-4-3- روش پیشنهادی در راه رفتن روبات نائو
	فصل چهارم: آزمایش­ها و نتایج
70	4-1-    مقدمه
71	4-2-    راه رفتن مستقیم
74	4-3-    راه رفتن از بغل
79	4-4      تاثیر تعداد مفاصل مورد استفاده در همگرایی سرعت و تعادل روبات
	فصل پنجم: نتیجه ­گیری و مطالعات آینده
85	5-1-    جمع­بندی
86	5-2-     مطالعات آینده
	فهرست منابع

 

 

 

فهرست جداول

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول1-1: مشخصات روبات نائو	15
جدول 1-2: محتویات شاخه های موجود در کد پایه	17
جدول 3-1: مشخصات مفاصل روبات نائو	44
جدول 3-2: مقدار دهی اولیه پارامترهای روبات	51
جدول 3-3: محدودیت اعمال شده به سه مفصل اصلی پا	62
جدول 4-1: تیم­های برتر مسابقات جهانی لیگ شبیه­سازی فوتبال سه­بعدی	72
جدول 4-2: مقایسه سرعت و تعداد زمین خوردن روبات نائو در راه رفتن مستقیم بدست آمده از روش پیشنهادی با سه تیم برتر جهان	73
جدول 4-3: مقایسه سه مجموعه توانایی. مجموعه اول و دوم حرکت روبات با کمک راه رفتن از جلو وچرخش. مجموعه دوم با کمک راه رفتن مستقیم و راه رفتن از بغل	76
جدول 4-4: مقایسه سرعت و تعداد زمین خوردن روبات در راه رفتن از بغل بدست آمده از روش   پیشنهادی با سه تیم برتر جهان	79

 

 

 

فهرست اشکال

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 1-1: مثال هایی از روبات های غیر متحرک	4
شکل1- 2: نمونه هایی از روبات های متحرک بر روی زمین	5
شکل 1-3: کاوشگر کنجکاوی، ماموریت اکتشاف در مریخ	6
شکل 1-4: نمونه هایی از روبات های پرنده	6
شکل 1-5: نمونه هایی از روبات های دریایی	7
شکل 1-6: نمونه­هایی از روبات­های انسان­نما	9
شکل 1-7: محیط های شبیه سازی فوتبال دوبعدی و سه بعدی	12
شکل 1-8: محیط های شبیه سازی فوتبال دوبعدی و سه بعدی	12
شکل 1-9: ساختار لایه ای کد پایه	17
شکل 2-1: راه رفتن ایستا	23
شکل 2-2: راه رفتن پویا	24
شکل 2-3: بخش­های مختلف روبات صنعتی	26
شکل 2-4: روبات آموزشی Robonova-1	29
شکل 2-5: مدل ساده شده Robonova-1	30
شکل 2-6: مسیر حرکتی ثبت شده مفاصل کفل و زانوی انسان	32
شکل 2-7: تحلیل یانگ از مسیرهای متناوب ثبت شده توسط نرم­افزارPOLYGON	33
شکل 2-8: شمای کلی الگوریتم ژنتیک	36
شکل 2-9: شمای کلی الگوریتم ازدحام ذرات	39
شکل 3-1: اتوماتای یادگیر کرایلوف	43
شکل 3-2: اتوماتای یادگیر کرینسکی	47
شکل 3-3: اتوماتای یادگیر  L2N,2	49
شکل 3-4: اتوماتای یادگیر  L2,2	50
شکل 3-5: اتوماتای یادگیر در تقابل با محیط	54
شکل 3-6: یک بازوی روباتیک افزونه	55
شکل 3-7: چرخش­های مهم در فضای R3	56
شکل 3-8: روبات صنعتی اسکارا	57
شکل 3-9: اتصال محورهای مختصات به یک بازوی روباتیک	57
شکل 3-10: مفصل­بندی روبات نائو	58
شکل 3-11: الگوریتم پیشنهادی برای یدست آوردن مقادیر مفاصل	63
شکل 4-1: زمان میانگین 30 مرتبه اجرا با هر مجموعه توانایی	77
شکل 4-2: تغییرات سرعت روبات در راه رفتن مستقیم  با توجه به تعداد مفاصل انتخابی	80
شکل 4-3: تغییرات سرعت روبات در راه رفتن از بغل با توجه به تعداد مفاصل انتخابی	81
شکل 4-4: تاثیر تعداد مفاصل انتخابی در تعداد دفعات زمین خوردن روبات در راه رفتن مستقیم	82
شکل 4-5: تاثیر تعداد مفاصل انتخابی در تعداد دفعات زمین خوردن روبات در راه رفتن از بغل	83

• مقدمه

 

امروزه روباتیک[1] به عنوان یکی از رشته­های علوم ومهندسی، مورد توجه بسیاری از موسسه­­های تحقیقاتی قرار گرفته است و به یکی از حوزه های بسیار جذاب تحقیق و پژوهش بدل گشته است، به نحوی که تحقیقات در زمینه روباتیک در شاخه های مختلفی در حال پیگیری است. در زمینه روباتیک سه رویکرد کلی مورد توجه می باشد که تحقیقات در این سه حوزه گسترده رو به پیشرفت می­باشد. در رویکرد اول سعی بر ساخت روبات­های مصنوعی و هوشمند کردن آنها با بهره گرفتن از الگوریتم­های هوش مصنوعی[2] است، که این رویکرد بسیار پرطرفدار خود به شاخه های گوناگونی تقسیم می­ شود که در ادامه به معرفی برخی از آنها خواهیم پرداخت. رویکرد دوم به استفاده از هوش طبیعی[3] برای کنترل روبات­های مصنوعی می ­پردازد. روبات­هایی که با کنترل دستی هدایت می­شوند در این حیطه قرار می­گیرند و در نهایت رویکرد آخر استفاده از روبات­های طبیعی[4] و تربیت آنها برای دست یافتن به اهداف از پیش تعیین شده می­باشد. تربیت حیوانات برای انجام اعمال خاص، مثالی از رویکرد سوم می­باشد.

روبات­ها را می­توان در تقسیم بندی دیگری از لحاظ کاربرد آنها قرار داد که از این بین می­توان به روبات­های صنعتی[5]، روبات­های خانه دار، روبات­های پزشکی[6]، روبات­های سرویس دهنده، روبات­های نظامی، روبات های سرگرمی و … اشاره کرد.

همچنین روبات­ها از نظر سامانه حرکتی نیز قابل تقسیم بندی هستند که به طور خلاصه به صورت زیر قابل تقسیم می باشند:

 

 

• روبات های ایستا[7] (غیر متحرک)
• روبات های متحرک[8]
• روبات های فضانورد
• روبات های پرنده
• روبات های دریا نورد
• سایر روبات ها

 

دسته اول روبات­های ایستا می­باشند( شکل­1-1). بیشتر روبات های صنعتی موجود در کارخانه­ها ازین دست می باشند. بازوهای روباتیک[9] و همچنین روبات­های پردازشگر و ابر محاسباتی[10] از این دست روبات می باشند.

دسته بعدی روبات­های متحرک می باشند که بر روی زمین حرکت می کنند. این گروه شامل طیف گسترده­ای از روبات­ها می باشد :

 

• روبات­های چرخ­دار[1]
• روبات­های زنجیر­دار[2]
• روبات­های پا­ دار
• روبات­های دوپا[3] (انسان نما)
• روبات­های سه پا
• روبات­های چهار پا
• دیگر موارد

 

شکل ­1-2 نشان دهنده نمونه­های مختلف از روبات­های متحرک بر روی زمین است. دسته بعدی روبات­های فضانورد هستند که مخصوص فعالیت در فضاهای کم گرانش طراحی می­شوند و مخصوص انجام ماموریت در سطح کرات دیگر و یا