Design af tobenet robot AAU-BOT1

Design of Biped Robot AAU-BOT1

Christian, Lars Fuglsang ; Nielsen, Allan Agerbo ; Pedersen, Mikkel Melters

4. term

Design of Mechanical Systems, Master

2007

195

Dette projekt udvikler det mekaniske design til en antropomorf (menneskelignende) tobenet robot i menneskeproportioner, inklusive den mekaniske og elektriske effekttransmission (motorer, gear og drivlinje). Designet dokumenteres med tekniske tegninger, og produktion og montage planlægges, så en færdig robot kan være klar før efterårssemestret 2007. Arbejdet indledes med analyser af eksisterende robotter og af principperne for menneskelig gang og balance. På den baggrund udarbejdes en kravspecifikation i samarbejde med projektets forskere. De dimensionerende belastninger findes ved invers dynamik: man arbejder baglæns fra en testpersons bevægelse for at beregne de kræfter og momenter, der opstår. Bevægelsen måles eksperimentelt med motion capture (et system, der registrerer kropsbevægelser). Ud fra dette opstilles et designgrundlag, der sigter mod meget lav samlet vægt. Designet udvikles iterativt, fordi strukturelle dele og drivlinje påvirker hinanden. Den letteste mulige motor/gear-kombination udvælges ved computersøgning blandt kandidater, mens de strukturelle dele designes parallelt med fokus på vægtminimering. Det endelige design kontrolleres for tilstrækkelig styrke og for levetid af effekttransmissionskomponenterne. For at holde totalvægten nede belastes komponenterne tæt på deres kapacitet, og der fastsættes en øvre grænse for den strøm, der må tilføres hver motor, så de ikke overbelastes. Der udvikles også et tidsdomæne-simuleringsværktøj baseret på forward dynamik (man beregner bevægelse ud fra påførte kræfter) og en foreløbig styringsstrategi. Det gør det muligt at teste det valgte drivsystem og det mekaniske design ved at simulere forskellige gangcyklusser, inklusive dynamiske og kontaktrelaterede effekter mellem fod og gulv. Projektet omfatter desuden en let kraft- og momentsensor, som skal give input til den endelige styring om kontaktkræfter mellem fødderne og gulvet; sensoren kalibreres og afprøves eksperimentelt. Afslutningsvis udvikles en optimeringsrutine, der minimerer vægten af strukturelle dele ved hjælp af Complex-optimeringsmetoden i samspil med FEM-programmet Ansys (Finite Element Method). Rutinen foreslår løbende forbedrede designs, som automatisk evalueres med FEM, indtil der findes et optimum.

This project develops the mechanical design of an anthropomorphic, human-proportioned biped robot, including the mechanical and electrical power transmission (motors, gears, and drivetrain). The design is documented with technical drawings, and manufacturing and assembly are planned so that a complete robot can be ready before the autumn semester of 2007. The work begins with analyses of existing robots and the principles of human walking and balance. Based on this, a requirements specification is created in collaboration with the project’s researchers. The sizing loads are obtained via inverse dynamics: working backwards from a test subject’s motion to compute the forces and torques that occur. The motion is measured experimentally using motion capture (a system that records body movements). This provides a basis for a very lightweight design. The design is developed iteratively because structural parts and the drive train are interdependent. The lightest possible motor/gear combination is selected by a computer search among candidates, while the structural parts are designed in parallel with an emphasis on minimizing weight. The final design is checked for structural adequacy and for the service life of the power transmission components. To keep total weight low, components are operated near their capacity, and an upper limit on the current supplied to each motor is set to prevent overload. A time-domain simulation tool is also built, based on forward dynamics (predicting motion from applied forces) and a preliminary control strategy. This makes it possible to validate the chosen actuation and the mechanical design by simulating different gait cycles, including dynamic and contact effects between foot and floor. The project also develops a lightweight force and torque sensor to provide input to the final controller about foot–ground contact forces; the sensor is calibrated and experimentally verified. Finally, an optimization routine is created to minimize the weight of structural parts, using the Complex optimization method together with the FEM program Ansys (Finite Element Method). The routine continuously proposes improved designs that are automatically evaluated with FEM until an optimum is found.

[This abstract was generated with the help of AI]

robot ; biped ; dynamics ; design ; control ; force/torque sensor ; structural optimization ; human walking ; robot ; tobenet ; dynamik ; design ; styring ; kraft/moment sensor ; strukturel optimering ; menneskelig gang

Download
View record in AAU Student Projects