امروزه راه رفتن روبات انسان نما یکی از حوزههای 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 طبقهبندی میکنند. در این پایاننامه 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 میشود که طی فرآیند یادگیری بردارهای احتمال مربوط به اتوماتاها به روز میشود 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 کلیدیروبوکاپ ، فوتبال ربات ها، روبات های انسان نما، راه رفتن روبات نائو، اتوماتای یادگیرفهرست مطالب فصل اول : مقدمه21-1- مقدمه71-2- روباتهای انساننما101-3- روبوکاپ، انگیزهها و اهداف131-4- نرم افزارهای شبیهسازی و مدل روبات131-4-1- شبیهسازی141-4-2- مدل روبات151-4-3- کد پایه181-5- راه رفتن روبات انساننما از بغل191-6- اهداففصل دوم: مروری بر تحقیقات پیشین و روشهای به کار رفته در تحلیل حرکت روبات212-1- مقدمه222-2- تعادل روبات ونقطه گشتاور صفر252-3- حرکتشناسی272-3-1- حرکتشناسی مستقیم272-3-2- حرکتشناسی معکوس312-4- استفاده از سریهای فوریه در تحلیل حرکت روبات342-4-1- بهینهسازی پارامترهای سری فوریه به کمک الگوریتم ژنتیک372-4-2- بهینهسازی پارامترهای سری فوریه به کمک الگوریتم ازدحام ذرات فصل سوم: طرح پیشنهادی423-1- مقدمه423-2- روبات انساننمای نائو و تحلیل حرکت آن453-3- استفاده از حرکتشناسی در راه رفتن از بغل463-3-1- حرکتشناسی مستقیم503-3-2- حرکتشناسی معکوس523-4- استفاده از اتوماتای یادگیر به منظور راه رفتن روبات533-4-1- روباتهای افزونه543-4-2- اتوماتاهای یادگیر553-4-2-1- اتوماتای یادگیر با ساختار ثابت583-4-2-2- اتوماتای یادگیر با ساختار متغیر603-4-3- روش پیشنهادی در راه رفتن روبات نائوفصل چهارم: آزمایشها و نتایج704-1- مقدمه714-2- راه رفتن مستقیم744-3- راه رفتن از بغل794-4 تاثیر تعداد مفاصل مورد استفاده در همگرایی سرعت و تعادل روباتفصل پنجم: نتیجهگیری و مطالعات آینده855-1- جمعبندی865-2- مطالعات آیندهفهرست منابع فهرست جداول جدول1-1: مشخصات روبات نائو15جدول 1-2: محتویات شاخه های موجود در کد پایه17جدول 3-1: مشخصاتمفاصل روبات نائو44جدول 3-2: مقدار دهی اولیه پارامترهای روبات51جدول 3-3:محدودیت اعمال شده به سه مفصل اصلی پا62جدول 4-1: تیمهای برتر مسابقات جهانی لیگ شبیهسازی فوتبال سهبعدی72جدول 4-2: مقایسه سرعت و تعداد زمین خوردن روبات نائو در راه رفتن مستقیم بدست آمده از روش پیشنهادی با سه تیم برتر جهان73جدول 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 بغل76جدول 4-4: مقایسه سرعت و تعداد زمین خوردن روبات در راه رفتن از بغل بدست آمده از روشپیشنهادی با سه تیم برتر جهان79 فهرست اشکالشکل 1-1: مثال هایی از روبات های غیر متحرک4شکل1- 2: نمونه هایی از روبات های متحرک بر روی زمین5شکل 1-3: کاوشگر کنجکاوی، ماموریت اکتشاف در مریخ6شکل 1-4: نمونه هایی از روبات های پرنده6شکل 1-5: نمونه هایی از روبات های دریایی7شکل 1-6: نمونههایی از روباتهای انساننما9شکل 1-7:محیط های شبیه سازی فوتبال دوبعدی و سه بعدی12شکل 1-8: محیط های شبیه سازی فوتبال دوبعدی و سه بعدی12شکل 1-9: ساختار لایه ای کد پایه17شکل 2-1: راه رفتن ایستا23شکل 2-2: راه رفتن پویا24شکل 2-3: بخشهای مختلف روبات صنعتی26شکل 2-4: روبات آموزشی Robonova-129شکل 2-5: مدل ساده شده Robonova-130شکل 2-6: مسیر حرکتی ثبت شده مفاصل کفل و زانوی انسان32شکل 2-7: تحلیل یانگ از مسیرهای متناوب ثبت شده توسط نرمافزارPOLYGON33شکل 2-8: شمای کلی الگوریتم ژنتیک36شکل 2-9: شمای کلی الگوریتم ازدحام ذرات39شکل 3-1: اتوماتای یادگیر کرایلوف43شکل 3-2: اتوماتای یادگیر کرینسکی47شکل 3-3: اتوماتای یادگیر L2N,249شکل 3-4: اتوماتای یادگیر L2,2 50شکل 3-5: اتوماتای یادگیر در تقابل با محیط54شکل 3-6: یک بازوی روباتیک افزونه55شکل 3-7: چرخشهای مهم در فضای R356شکل 3-8: روبات صنعتی اسکارا57شکل 3-9: اتصال محورهای مختصات به یک بازوی روباتیک57شکل 3-10: مفصلبندی روبات نائو58شکل 3-11: الگوریتم پیشنهادی برای یدست آوردن مقادیر مفاصل63شکل 4-1: زمان میانگین 30 مرتبه اجرا با هر مجموعه توانایی77شکل 4-2: تغییرات سرعت روبات در راه رفتن مستقیم با توجه به تعداد مفاصل انتخابی80شکل 4-3: تغییرات سرعت روبات در راه رفتن از بغل با توجه به تعداد مفاصل انتخابی81شکل 4-4: تاثیر تعداد مفاصل انتخابی در تعداد دفعات زمین خوردن روبات در راه رفتن مستقیم82شکل 4-5: تاثیر تعداد مفاصل انتخابی در تعداد دفعات زمین خوردن روبات در راه رفتن از بغل83 فصل اول:مقدمه1-1- 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 استفاده از الگوریتمهای هوش مصنوعی[2] است، که این رویکرد بسیار پرطرفدار خود به شاخه های گوناگونی تقسیم میشودکه در ادامه به معرفی برخی از آنها خواهیم پرداخت. رویکرد دوم به استفاده از هوش طبیعی[3] برای کنترل روباتهای مصنوعی میپردازد. 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) 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. شکل 1-1: مثال هایی از روبات های غیر متحرک دسته بعدی روباتهای متحرک می باشند که بر روی زمین حرکت می کنند. این گروه شامل طیف گستردهای از روباتها می باشد : روباتهای چرخدار[11]o روباتهای دوپا[13] (انسان نما)o روباتهای سه پاo روباتهای چهار پا شکل1-2 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 ایستگاههای فضایی میباشند. روباتهای کاوشگر فضایی از نمونههای این دسته هستند. شکل 1-2 : نمونه هایی از روبات های متحرک بر روی زمین روباتهای پرنده دسته بعدی روباتها هستند که پهبادها، هواپیما و بالگردهای بدون سرنشین از جمله این روباتها هستند. و در نهایت دسته آخر همانگونه که از نام آن پیداست مخصوص حرکت در سطح یا زیر آب طراحی میشوند. روباتهای دریانورد شامل انواع زیردریاییها، قایقها، و روباتهای ماهی میباشد. شکل های1-3، 1-4 و1-5 به ترتیب نشان دهنده نمونه هایی از روبات های فضانورد، پرنده و دریانورد میباشند. همانطور گه از تصاویر و توضیحات مشخص است، حوزه عملکرد روباتها در طراحی سامانه حرکتی آن نقش مستقیم دارد. شکل 1-3 : کاوشگر کنجکاوی، ماموریت اکتشاف در مریخ شکل 1-4 : نمونه هایی از روبات های پرنده شکل 1-5 : نمونه هایی از روبات های دریایی 1-2- روباتهای انسان نما[14] از میان تقسیم بندیهای گوناگون ارائه شده در حیطه روباتیک، یکی از پرکاربردترین و مهمترین روباتها، روبات انساننما میباشد که از نظر تقسیمبندی در دسته روبات های پادار دوپا قرار میگیرد. این روباتها یکی از جذابترین و در عین حال پیچیدهترین حوزههای تحقیق در علوم روباتیک هستند [1-3]. درجه آزادی[15] بالا، دینامیک پیچیده ومسائل تعادلی این روبات را به یکی از پیچیدهترین روباتها تبدیل کرده است به طوری که تحلیل و مدلسازی آن به آسانی امکان پذیر نمیباشد.روبات انساننما همانطور که از نام آن پیداست به روبات خودکاری گفته میشود که شبیه انسان است. به این معنا که از لحاظ ظاهری دارای دو دست، دو پا و سر باشد. البته این شباهت به فراخور کاربرد میتواند بیشتر وارد جزئیات شود به این صورت که چشم، دهان، انگشتان وسایر اجزای بدن نیز به آن افزوده شود (شکل1-6). همچنین این روبات دارای حسگرهای[16] پیشرفتهای جهت درک محیط اطرافش میباشد و دارای پردازشگرهایی پیشرفته جهت پردازش دادههای دریافتی از محیط است. با پیادهسازی الگوریتمهای پیشرفته و استفاده از حسگرها، این روبات قادر خواهد بود به تقلید رفتارهای انسانی دیدن، شنیدن، یادگیری از محیط و دیگر تواناییهای ذهنی انسان نیز بپردازد. به طور مثال با استفاده از حسگر بینایی[17] و الگوریتمهای مربوطه میتواند افراد یا اشیا را در محیط تشخیص دهد، به سمت آنها حرکت کند، اشیا را جابهجا کند یا با استفاده از حسگر شنوایی و الگوریتمها وسیستمهای پردازش گفتار، به گفت و گو با انسان بپردازد و تواناییهایی دیگر ازین دست. به همین دلیل این شاخه از روباتیک به یکی از جذابترین و به روزترین شاخههای این علم تبدیل شده است که ذهن دانشمندان زیادی را به خود مشغول کرده است و همچنین کشورهای پیشرفته سرمایه گذاری های فراوانی در این زمینه انجام دادهاند.