بهینه‌سازی چندهدفی حرکت سرپنتین ربات‌ مار مانند با استفاده از NSGA

Subject Areas : Journal of Simulation and Analysis of Novel Technologies in Mechanical Engineering

هادی کلانی ¹ , علیرضا اکبرزاده ²

1 - دانشجوی دکتری، قطب علمی رایانش نرم و پردازش هوشمند اطلاعات، دانشگاه فردوسی مشهد
2 - دانشیار، قطب علمی رایانش نرم و پردازش هوشمند اطلاعات، دانشیار، دانشگاه فردوسی مشهد.

Received: 2015-09-30 Accepted : 2015-09-30 Published : 2011-12-22

Keywords: ربات مار مانند, حرکت سرپنتین, سینماتیک, دینامیک, منحنی سرپنوید, بهینه‌سازی NSGA,

Abstract :

این مقاله با مدل­سازی و شبیه­سازی ربات مار مانند شروع شده و با کار آزمایشی به پایان رسیده است. در ابتدا دو منحنی سرپنوید متقارن و نامتقارن برای ایجاد حرکت سرپنتین  معرفی شده است. سپس معادلات سینماتیک و دینامیک یک ربات مارمانند با n عضو  در حرکت سرپنتین بر روی سطوح صاف و شیبدار به‌صورت ساده، جامع و کارامد ارائه و برای تأیید معادلات، از نرم افزار سیم­مکانیک و آزمایش­های عملی استفاده شده است. همچنین تأثیر پارامترهای منحنی سرپنوید بر روی گشتاورهای مورد نیاز مفاصل‌ و پیشروی ربات مورد مطالعه قرار گرفته‌است. نتایج نشان می­دهد که با افزایش زاویه سطح شیبدار، کاهش زاویه پیچش اولیه، کاهش تعداد نوسانات (یا تعداد موج­های منحنی بدن)، افزایش طول عضو­ها و افزایش تعداد آن، گشتاور مورد نیاز افزایش می­یابد. برای بهینه­سازی پارامترهای منحنی سرپنوید نامتقارن، از الگوریتم بهینه‌سازی چندهدفی NSGA، برای ارضای هم‌زمان دو هدف (یعنی حداقل گشتاور مورد نیاز و بیشترین پیش‌روی) استفاده شده ‌است. طبق نتایج دامنه تغییرات پارامترهای منحنی بدن ربات مارمانند، برای رسیدن به بیشترین پیش‌روی و کمترین گشتاور، محدود است. به کمک منحنی سرپنوید نامتقارن می­توان به منحنی­هایی که به بدن مار شبیه­تر باشند، دست یافت و عملکرد ربات مارمانند را افزایش داد. در پایان از ربات مارمانند FUM-Snake I  برای آزمایش و تصدیق معادلات بر روی سطح صاف استفاده شده است.

References:

[1]     Hirose S., Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotor and Manipulator), Oxford University Press ,1993.

[2]     Saito M., Fukaya M., Iwasaki T.,Serpentine locomotion with robotic snakes, IEEE Control Systems Magazine, Vol. 22,   2002, pp. 64–81.

[3]     Andreas Transeth A., Modelling and Control of Snake Robots, Ph.D. Dissertation, Trondheim, 2007.

[4]     Andreas Transeth A., Ytterstad Pettersen K., Liljebäck P., A survey on snake robot modeling and locomotion, Robotica, Vol.  27,  ,2009, pp. 999–1015 .

[5]     Vossoughi Gh., Pendar Ho., Heidari Z., Mohammadi S., Assisted passive snake-like robots: conception and dynamic modeling using Gibbs–Appell method, Robotica, Vol. 26, 2008, pp. 267–276.

[6]     Spranklin B. W., Design, Analysis and fabrication of a snake- inspired robot with a rectilinear gait, Master of Science Thesis, University of Maryland,2006.

[7]     Liljebäck P., Stavdahl O., Pettersen K. Y., Modular pneumatic snake robot: 3D modelling, implementation and control,  Proc. 16^th IFAC World Congress, Prague, Czech Republic ,2005.

[8]     Ye Ch., Ma Sh., Li B., Development of a 3D Snake-like Robot Perambulator-II: Design and Basic Experiments, Proc. 2007 IEEE Int. Conf. on Intelligent Mechatronics and Automation (ICMA2007), 2007.8,  pp. 117-122, Harbin, Heilongjiang, China.

[9]     Crespi A. , Ijspeert A. J., Online Optimization of Swimming and Crawling in an Amphibious Snake Robot, IEEE Transactions of Robotics, Vol. 24, No. 1, 2008.

[10]    Hasanzadeh Sh., Akbarzadeh A., Ground adaptive and optimized locomotion of snake robot moving with a novel gait,  Auton Robot. Vol. 28, 2010, pp. 457–470.

[11]    Hasanzadeh Sh., Akbarzadeh Tootoonchi A., Adaptive Optimal Locomotion of Snake Robot Based on CPG-Network Using Fuzzy Logic Tuner, IEEE - CIS RAM,2008 , 2008-09-22.

[12]    Kalani H., Akbarzadeh A., Design and Modeling of a Snake Robot Based on Worm-Like Locomotion, Accepted, Advance Robotics.

[13]    Kalani H., Akbarzadeh A., Safehian J., Traveling Wave Locomotion of Snake Robot along Symmetrical and Unsymmetrical body shapes, ISR-Robotik, Munich, Germany,2010.

[14]    Safehian J., kalani H., Akbarzadeh A., A Novel Kinematics Modeling Method for Snake Robot in Traveling wave Locomotion, ASME, Turkish ,2010.

[15]    Horn J., Nafpliotis N., Goldberg D., A niched pareto genetic algorithm for multiobjective optimization, NJ:IEEE World Congress on Computational Intelligence, IEEE, 1994, p. 82–7.

[16]    Fonseca C.M., Fleming P.J., Genetic algorithms for multiobjective optimization: formulation, discussion and generalization , Proceedings of the fifth international conference on genetic algorithms, San Mateo California, 1993, pp. 416–23.

[17]    Deb K., Agarwal S., Pratap A., Meyarivan T., A fast elitist nondominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II., KanGAL report number 2001. Kanpur, India: Indian Institute of Technology; 2000.

[18]    Deb K., Agarwal S., Pratap A., Meyarivan T., A fast elitist nondominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II., Proceedings of the parallel problem solving from nature VI conference, Paris, France. 2000, pp. 849–58.

[19]    Schaffer J., Multiple objective optimization with vector evaluated genetic algorithms. Genetic algorithms and their applications, proceedings of the first international conference on genetic algorithms. Hillsdale, NJ. 1985. pp. 93–100.

[20]    Srinivas,  Deb A. , Multiobjective optimization using nondominated sorting in genetic algorithms,. Journal Evol. Comput., Vol.  2(3):, 1994 , pp. 221–48 1994.

[21]    Eckart Zitzler, Evolutionary Algorithms for Multiobjective Optimization: Methods and Applications, Ph.D. thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, 1999.

[22]    Kalani H., Akbarzadeh A., Bahrami H., Application of Statistical Techniques in Modeling and Optimization of a Snake Robot, Robotica, published online: November 2012 , pp.1–19 .