پروژه و مقاله های رشته های مکانیک-ساخت و تولید و ماشین افزار

پروژه , تحقیق و مقاله های رشته مکانیک - ساخت و تولید و ماشین افزار

مکانیزم راه رفتن انسان

 

چکیده پروژه
 
مکانیزم راه رفتن انسان و الگوگیری از آن در ساخت ربات های انسان نما
این پروژه به بررسی مکانیزم حرکتی پاهای انسان می پردازد که در جریان آن به موارد زیر اشاره می شود:
- بررسی نوع مفاصل و به دنبال آن تعیین تعداد درجات آزادی پاها .
-- نحوه تحمل نیرو های مختلف وارده به بدن انسان توسط پاها و حفظ تعادل در هنگام راه رفتن.
-- الگوگیری از این مکانیزم در ساخت پای ربات هایی که از آنها انتظار انجام کارهایی شبیه انسان مثل راه رفتن روی سطوح صاف و ناصاف ، دویدن و یا بالا رفتن از پله ها را داریم.
-- چگونگی عملکرد مدل پاندول.
-
 
درجات آزادی
 
درجه آزادی (DOF) جهت هایی هستند که دست ها و پاها می توانند حرکت کنند. برای مثال ، اتصال مچ انسان می تواند در سه جهت حرکت کند. بالا، پایین، چپ، راست و پیچاندن  . پس سه درجه آزادی دارد.
 
DOF
 
: بالا / پایینM/B
 : جلو / عقبF/B
 : چپ / راستL/R
 : چرخشRT
 
درجات آزادی پاها
 
اتصال لگن    ( RT و L/R و F/B  )    سه درجه آزادی
 
اتصال زانو    ( F/B )               یک درجه آزادی
 
اتصال مچ     ( L/R و F/B )            دو درجه آزادی
درجات آزادی دو پا :                6 * 2 = 12
 
موقعیت مرکز جرم در راه رفتن سریع و آهسته
 
وقتی که حرکت بدن برای راه رفتن سریع و نرم استفاده   می شود مرکز ثقل همیشه روی کف پاها نمی باشد
 
در طی راه رفتن کند، مرکز ثقل بدن همیشه در مرکز کف پاها باقی    می ماند
 
کنترل های کیفیت برای رسیدن به راه رفتن پایدار
 
سه کنترل کیفیت برای رسیدن به راه رفتن پایدار مورد نیاز است:
1- کنترل عکس العمل زمین
2- کنترل موقعیت گذاشتن پا
3- کنترل zmp هدف
 
ترتیب کنترل کیفیت
 
وقتی که ربات راه می رود ، توسط نیروهای اینرسی که به واسطه جاذبه زمین و شتاب تند شونده و کند شونده از راه رفتن ایجاد می شود ، تحت تاثیر قرار می گیرد. این نیروها ترکیبی از نیروی اینرسی کل نامیده می شوند. وقتی که پای ربات با زمین تماس پیدا می کند ، تحت تاثیر عکس العمل زمین قرار می گیرد که نیروی عکس العمل زمین نامیده می شود.
تقاطع زمین و محور نیروی اینرسی کل یک مومنتوم نیروی اینرسی کل دارد، بنابر این نقطه مومنتوم صفر نامیده می شود. نقطه ای که نیروی عکس العمل زمین عمل می کند نقته عکس العمل زمین نامیده می شود.
اساسا یک مسیر راه رفتن ایده آل توسط کامپیوتر خلق می شود و اتصال های ربات بر طبق آن حرکت می کنند.
 
نیروی اینرسی کل از مسیر راه رفتن ایده آل ، نیروی اینرسی کل هدف نامیده می شود. و zmp مسیر راه رفتن ایده آل ، zmp  هدف نامیده    می شود.
وقتی ربات تعادل عالی در حال راه رفتن برقرار می کند، محور های نیروی اینرسی کل هدف و عکس العمل سطح مثل هم هستند.
بر طبق آن،zpm  هدف و مرکز عکس العمل زمین یکی هستند.
 
وقتی که ربات در طول زمین ناهموار راه می رود ، محور های نیروی اینرسی کل و نیروی سطح واقعی با هم در تعادل نیستند . ربات تعادل خود را از دست داده و این نیرو سبب افتادن ربات می شود.
این نیروی افتادن در از دست دادن zmp  و مرکز عکس العمل زمین قابل مقایسه است. نتیجتا از دست دادن تنظیم بین zmp  و مرکز عکس العمل زمین ، دلیل اصلی از دست دادن تعادل است.
وقتی که ربات توازن خود را از دست می دهد و تهدید به افتادن می شود ، سه سیستم کنترل پیرو برای جلوگیری از افتادن عمل می کند و اجازه می دهد که راه رفتن ادامه پیدا کند.
 
کنترل عکس العمل سطح
 
کنترل عکس العمل سطح ، نامنظمی ها در سطح را جذب   می کند و مکان کف پاها را وقتی که افتادن نزدیک است ، کنترل   می کند. برای مثال اگر نوک انگشتان پای ربات روی یک ناهمواری قرار گیرد ، مرکز واقعی عکس العمل زمین به نوک پا انتقال پیدا می کند . سپس کنترل عکس العمل سطح باعث می شود که انگشتان کمی بلند شوند و مرکز عکس العمل زمین به zmp برگردد و تعادل حفظ شود.
 
یک مثال می تواند این باشد که اگر چیزی باعث شود که ربات به جلو مایل شود ، نوک انگشتان پا تنزل پیدا می کند و فشار بیشتری روی آنها قرار می گیرد و نقطه اعمال عکس العمل واقعی باید به جلو انتقال پیدا کند . و یک موقعیت نیروی بهتر ایجاد شود. اگر چه ، چون مرکز عکس العمل زمین نمی تواند از حدود محدوده کف پا تجاوز کند ، یک محدودیت برای موقعیت نیروی بهتر وجود دارد، و اگر ربات خیلی به جلو مایل شود خواهد افتاد.
 
کنترل موقعیت گذاشتن پا
 
وقتی که کنترل zmp عمل می کند ، موقعیت هدف بدنه بالایی در جهت شتاب انتقال پیدا می کند. وقتی که گام بعدی در طول گام ایده آل گذاشته شود ، پا پشت بدن خواهد افتاد. کنترل موقعیت گام ، گام را ایده آل می کند تا مطمئن شود که رابطه ایده آل بین سرعت بدنه و طول گام برقرار شده است.
 
کنترل zmp هدف
 
اگر ربات خیلی مایل شود، کنترل zmp عمل می کند تا از افتادن جلوگیری کند. چنانچه در قسمت قبل اشاره شد ، از دست دادن zmp و نقطه اعمال عکس العمل سطح یک نیروی افتادن تولید    می کند. اگر چه کنترل zmp پایداری ربات را برقرار می کند . برای مثال در شکل سمت چپ اگر ربات شروع به افتادن به جلو بکند ، سرعت راه رفتن آن از از حالت راه رفتن ایده آل بیشتر می شود و شتاب پیدا می کند.
 
در نتیجه نقطه zmp از نقطه عکس العمل سطح به عقب انتقال پیدا می کند و یک نیروی افتادن به عقب ایجاد می شودکه موقعیت ربات را تصحیح می کند ، و از افتادن جلوگیری می کند.
 
اتصال پاها
 
در ساخت ربات و تشخیص چگونگی اتصال مفاصل آن به یکدیگر از اسکلت انسان به عنوان مرجع استفاده می شود. به این ترتیب که موقعیت اتصال پاها  و تاثیر انگشتان پا روی راه رفتن معلوم می شود. جایی که انگشتان وصل می شود و موقعیت اتصال پاشنه محاسبه می گردد که این موضوع اهمیت زیادی در چگونگی تحمل وزن ربات به وسیله پاها دارد.
 
حس تماس از سطح از اتصال های پا می آید . زیرا اتصال های پا از جلو به عقب ، و چپ به راست می چرخد. پایداری در جهت طولی در طی راه رفتن نرمال وجود دارد و احساس اختلاف سطح در جهت افقی وقتی که از یک سرازیری در یک زاویه عبور می کند ، زیادتر می شود. اتصال زانو و اتصال مفصل ران برای بالا رفتن و پایین آمدن از پله ، به خوبی با پای گشاده نشستن یا ایستادن، لازم است.سیستم ربات توابع اتصال زیادی دارد. مثل اتصال های مفصل ران، اتصال های زانو و اتصال های پا.
 
ترتیب حرکت اتصال ها
 
راجع به ترتیب حرکت اتصال ها در طی راه رفتن، مطالعات روی راه رفتن انسان روی زمین صاف و روی پله ها انجام شده است. حرکت های اتصال اندازه گیری شده است و این ترتیب حرکت برای هر اتصال را تعیین می کند.
 
ابعاد پا ، وزن و موقعیت مرکز ثقل
 
برای تعیین موقعیت مرکز ثقل هر یک از پاها ، ورکز ثقل بدن انسان به عنوان مرجع انتخاب می شود.
 
گشتاور ایجاد شده روی اتصال های پا
 در حال راه رفتن
برای تعیین گشتاور ایده آل ایجاد شده روی اتصال ها در حال راه رفتن، بردارها در اتصالات در طی راه رفتن انسان و در طول عکس العمل سطح اتفاقی اندازه گیری شده است
 
حس کننده ها برای راه رفتن
 
انسان سه حس از تعادل را به صورت زیر درک می کند:
1- سرعت که توسط گوش داخلی حس می شود.
2- سرعت زاویه ای که توسط مجرا های نیم دایره ای حس می شود.
3- حس عمیق از پوست و ماهیچه ها ، که عملکرد زاویه اتصالات ، سرعت زاویه ای ، توان ماهیچه ، فشار روی کف پا و احساسات پوست را درک   می کند.
برای دریافت کردن حرکت پا در طی راه رفتن ، سیستم ربات با یک سنسور اتصال زاویه ای ، یک سنسور نیروی 6 محوری، و یک سنسور سرعت و ژیروسکوپ برای تعیین موقعیت مجهز شده است.
 
نیروی مماسی در طی راه رفتن
 
انسان رکن های ساختاری از قبیل پوست نرم و پاشنه ها ، مانند ساختارهای قوسی، شامل اتصالات انگشتان دارد. این ترکیب با بخشهای حرکتی که خمیدگی های مماس شده به اتصالات را جذب می کند . وقتی که پا با زمین تماس پیدا می کند، نیروی مماسی را مایل تر می کند.
آزمایش ها و تحلیل ها از راه رفتن انسان نشان داده است که وقتی سرعت راه رفتن افزایش می یابد ، عکس العمل سطح حتی وقتی که توابع کاهش تماس در کار است، افزایش می یابد. در راه رفتن با سرعت های 2-4 kh/h تماس بین ½  تا1/4  وزن بدن است.
 
مکانیک حرکت انسان
 
درهنگام حرکت انسان مرکز جرم بدن دردوجهت افقی وعمودی حرکت می کند گاهی دینامیک
حرکترابه صورت پاندول معکوس در نظر  می گیرند0
که درآن حرکت مرکز جرم به سبب تبدیل کامل انرژی جنبشی و پتانسیل به یکدیگر صورت
می گیرد مطابق نتایج کاواگناcavgena از دانشمندان علم بیومکانیک بازده این تبدیل تنها            
درصد است نسبت به شرایط تغییرمی کند ان چه باقی می ماند توسط ماهیچه ها تامین  می شود.
 
یکی ازروش های اندازه گیری انرژی لازم برای راه رفتن اندازه گیری هزینه متابولیک راه رفتن ازطریق اندازه گیری افزایش مصرف اکسیژن بدن در هنگام راه رفتن است این روش اگر چه برپایه آزمایشات است اما اطلاعات ریزی نسبت به فعالیت گروهای ماهیچه ای به ما نمی دهند.
روش دیگر تهیه مدل هایی است که در کنار استفاده از نتایج تجربی برای بررسی مبحث جواب های نهایی بتوانند اطلاعات مفیدی در زمینه فعالیت هر ماهیچه ای دراختیار ما قرار دهند نتایج برخی ازفعالیت هایی که در این زمینه توسط محققین مختلف صورت گرفته در این مقاله ارایه گردیده است0
 
روش های مطالعه انرژی لازم برای راه رفتن انسان
 
دو گروه مقاله در مورد محاسبه انرژی لازم برای بدن در هنگام راه رفتن وجود دارد. یک گروه به بررسی فعالیت های متابولیکی بئن در هنگام راه رفتن می پردازد و در واقع میزان افزایش میزان اکسیژن بدن را هنگام راه رفتن نسبت به حالت استراحت می سنجد. این گروه اکثرا متخصص امور تغذیه و پزشکان هستند و آزمایشات انها عموما آزمایشات پیچیده ای نیست و بیشتر کارها به صورت تجربی انجام می شود. نتایج این آزمایشات نمی تواند مقدار دقیقی از انرژی ایجاد شده توسط ماهیچه های محرک را نشان دهد زیرا افزایش میزان متابولیکی مصرف انرژی علاوه بر انرژی لازم برای حرکت ماهیچه ها  صرف بالا رفتن ضربان قلب، سریعتر شدن تنفس، حرکت دست ها و غیره نیز می شود. علاوه بر این نمی توان انرژی های تولید شده توسط تک تک ماهیچه ها یا گره های ماهیچه ای را مورد بررسی قرار داد و نتیجه یک نتیجه کلی است.
 
گروه دوم مقالاتی هستند که در آنها با تکیه بر نتایج آزمایشی و تجربی مدل هایی را برای راه رفتن و ماهیچه هیا انسان در نظر می گیرند و پس از تطبیق مناسب جواب های این مدل های ریاضی با مقادیر آزمایش شده می توانند مقادیر نیروهای مربوط به هر مبهیچه یا گروه ماهیچه ای درگیر در راه رفتن را به طور جداگانه بررسی کنند.
در این مدلها معمولا توان خروجی راه رفتن را از طریق ضرب خارجی سرعت مرکز جرم بدن در برآیند عکس العمل زمین به دست می آورند و سپس با انتگرال گیری از ان کار خارجی کلی و سپس سهم هر گروه ماهیچه ای از این کار خارج ار محاسبه می کنند.
 
نشان داده شده که توان خارجی محاسبه شده در این روش به تنهایی نمی تواند معیار دقیقی برای کار ماهیچه ای بدن باشد زیرا ماهیچه های بدن اکثرا تحریک گروهی می شوند و برخی ماهیچه ها کار منفی ایجاد می کنند که ای کارهای ماهیچه ای را نمی توان در نظر نگرفت.
 
مدل پاندول
 
مکانیک حرکت انسان اغلب به صورت یک پاندول وارون مدل می شود. این مدل خصوصیات زیادی از راه رفتن را در اختیار قرار می دهند. منظور از پاندول وارون مدلی مشابه شکل (1) است که در آن حرکت مرکز جرم به صورت حرکت پاندول وارون در نظر گرفته شده است که در آن انرژی پتانسیل کاملا به انرژی جنبشی تبدیل شده است و برعکس در هنگام بالا رفتن مرکز جرم انرژی جنبشی کاملا به انرژی پتانسیل تبدیل می شود و این تبدیل متقابل انرژی جنبشی و پتانسیل است که حرکت مرکز جرم را به وجود می آورد .
 
در واقع در این مدل راه رفتن ، حرکتی پسیو(passive) در نظر گرفته شده و نیرویی صرف جابجایی مرکز جرم نمی گردد. همان طور که می دانیم و در بالا نتایج آزمایش به ما نشان داد راه رفتن انسان با مصرف انرژی همراه است و به عبارت دیگر بازده این تبادل انرژی 100% است.
 
نتایج  cavagena در مورد مدل پاندول
کاواگناcavagene   از جمله کسانی است که فعالیت زیادی در زمینه مدل پاندول معکوس و تئوری های اندازه گیری کار خارجی انجام داده اند. مقالات ایشان در اکثر مقالاتی که در زمینه نیرو های ماهیچه ای در طی را رفتن نوشته شده اند، به عنوان مرجع یاد شده اند. بیشتر فعالیت ایشان در زمینه بازده و نرخ تبادل انرژی های جنبشی و پتانسیل در خلال راه رفتن است. شاید قدیمی ترین مقاله از ایشان که مورد توجه واقع شده است، مقاله external work in walking  باشد که در سال 1963 در مجله journal of physiology  به چاپ رسید که در آن فرمول معروف زیر آورده شده است.
 
همان طور که اشاره شد مکانیک حرکت انسان اغلب به صورت یک پاندول وارون مدل می شود و این مدل خصوصیات زیادی از راه رفتن را پیش بینی می کند . مانند خط مسیر نقطه مرکز جرم و انرژی مکانیکی ثابت مرتبط در هنگام حرکت تک تکیه گاهی ( حرکتی که فرض می شود تنها یک پا در تماس با زمین باشد) که فرض می شود تغییر و تبادل پیوسته و برابری بین انرژی جنبشی و پتانسیل صورت می گیرد. کاواگنا و مارگاریا با فرض اینکه پا می تواند کاملا استیف و کشیده شده مدل شود، مدلی را ارائه کردند که در آن تبادل انرژی پتانسیل و جنبسی انجام می شد و به نیروهای ماهیچه ای نیاز نداست . در واقع طبق آنچه گفته شد بازده تئوری تبدیل انرژی تنها 60 تا 70 درصد است که با طول گلم و سرعت حرکت و دیگر پارامتر ها تغییر می کند. به علاوه هزینه متابولیکی راه رفتن هم قابل توجه است چون این انرژی جایی در ماهیچه در هنگام راه رفتن هزینه می شود.
 
جدیدترین مطالعلت روش پاندول معکوس که توسط کو (kuo) ارائه شده بیان می کند که قسمت عمده مصرف انرژی می تواند توسط در نظر گرفتن کار مکانیکی لازم برای تغییر جهت دادن حرکت مرکز جرم بدن در پدیده گذرای مرحله به مرحله محاسبه شود.
 
حرکت مرحله به مرحله اصولا به صورت شرایط مرزی بین دو فاز استنس پیاپی تعریف می شود. (فاز یک پا شامل دو حالت استنس (stsnce) و سوینگ(swing) می باشد.) و به برخورد پا به زمین و تغییر جهت مرکز جرم مربوط می شود که در فاز تکیه گاهی ( فازی که پا روی زمین قرار دارد) اتفاق می افتد. اتلاف انرژی مکانیکی بر اثر برخورد پا از زمین با هدایت پا می تواند به صورت تئوری صفر شود که این کار توسط تولید کار مکانیکی همزمان توسط ماهیچه های مخالف مانند فلکسور های پلنتار قوزک ممکن می شود . کار خارجی با افزایش طول گام و عرض آن افزایش می یابد. تحقیقات نشان می دهد که اکثر هزینه سوخت و ساز بدن صرف ایجاد شرایط حرکت مرحله به مرحله می شود تا ساپورت کردن خود حرکت پاندولی . اندازه گیری توان خارجی فقط رابطه ای غیر مستقیم با هزینه نرژی مکانیکی ماهیچه ها دارد.
 
مدل های ماهیچه ای اسکلتی
 
معمولا در مقالات مختلف مدل هایی که برای سیستم ماهیچه ای اسکلتی در نظر گرفته می شود در عین تفاوت های جزئی که ناشی از نوع نگرش آنها به مسئله و هدف آنها از مدل سازی است تقریبا به هم شبیه اند . نرم افزارهایی برای تحلیل سینتیکی و سینماتیکی حرکت انسان طراحی شده و مورد استفاده قرار می گیرند. در این مدل ها اکثرا از روش معروف hill   در مدل کردن ماهیچه ها استفاده می شود .  معمولا ماهیچه هایی که همزمان تحریک می شوند و یا در یک الگوی مشترک  حرکتی، همکاری دارند به صورت گروهی در نظر گرفته می شوند و به جای همه آنها یک عضو با بردار برآیند مشابه مورد استفاده قرار می گیرد.
 
محاسبه توان و کار ماهیچه ای خروجی
 
هدف یافتن توان خروجی تک تک ماهیچه هاست .   توان خروجی ماهیچه ای هر پا از طریق ضرب نقطه ای نیرو های خارجی که بر پا اثر می گذارند( یعنی نیروهای اندازه گیری شده عکس العمل زمین) در سرعت مرکز جرم بدن که از سینماتیک قسمت های مخصوص به هر ماهیچه ، ثقل و یروهای پسیو قسمت های مختلف مدل تقسیم بندی می شود. برای انجام این محاسبات سهم هر کدام از این اجزا در نیروی عکس العمل زمین محاسبه می شود سپس توان خارجی سهم ها را در چهار منطقه ای که از قطع محور قائم توسط منحنی توان خروجی بدست آمده بود آنالیز شده است.
منطقه (1) گذر مرحله به مرحله اب برای جهت دهی به پا همزمان با جذب انرژی مکانیکی ایمپکت( تقریبا اولین منطقه دو تکیه گاهی) . منطقه(2) بالا رفتن مرکز جرم در ابتدای فاز تک تکیه گاهی . منطقه (3) پایین آمدن مرکز جرم در اواخر فاز تک تکیه گاهی. منطقه (4) گذر مرحله به مرحله در حرکت پا به گونه ای که بدن را به جلو بکشد .(تقریبا در مرحله دوم فاز دو تکیه گاهی).
در ساخت چنین ربات هایی تعادل در حین انجام عمل مورد نظر بسیار مهم است از این رو بررسی دقیق مکانیزم حرکتی انسان از اهمیت بالایی بر خوردار است.