Система управления статически неустойчивым шагающим аппаратом

Анастасия Петровна Борина

doi:10.22213/2413-1172-2023-4-4-12

Авторы

А. П. Борина Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2023-4-4-12

Ключевые слова:

система управления, динамическая устойчивость, перевернутый маятник, уравнения движения, шагающие аппараты

Аннотация

Исследование посвящено разработке методики формирования алгоритмов управления двуногим статически неустойчивым шагающим аппаратом. Составлена математическая модель шагающего аппарата. Определены аналитические зависимости между шестью координатами корпуса аппарата, принятого как абсолютно твердое тело, обобщенными координатами левой и правой ног и абсолютными координатами точек постановки ног в опоре. Приведена структурная схема системы управления. Составлены дифференциальные уравнения движения. Устойчивое движение аппарата около требуемой траектории обеспечивается дискретным управлением параметрами: «когда и куда ставить ногу». Для расчета этих параметров предлагается использовать перевернутый математический маятник как идеальный механизм. При малых отклонениях от вертикального положения его линеаризованные дифференциальные уравнения движения легко интегрируются и заменяются на общее решение в виде элементарных алгебраических функций, допускающих явное представление координат точки постановки ноги по измеренным начальным и задаваемым конечным условиям. В работе выполнена проверка такого метода управления при различных алгоритмах движения. Исследованы изменения координат центра тяжести аппарата, его скоростей и ускорений, углов конечных поворотов корпуса и их производных для некоторых характерных режимов движения. Численные результаты исследования подтвердили малость отклонений фактического движения аппарата от желаемого. Разработанная методика расчета двуногих статически неустойчивых шагающих аппаратов позволяет улучшать конструкцию и систему управления на стадии проектирования и может быть использована при проектировании управляемых машин, имитирующих ходьбу человека, характеризуемых высокой скоростью и маневренностью, отсутствием развитых стоп и синхронизированных с естественными неуправляемыми движениями.

Биография автора

А. П. Борина, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

инженер центра «Стратегии и инвестиции»

Библиографические ссылки

Ванькина И. Н., Фетисов Д. А. Плоское перемещение пятизвенного двуногого робота по поверхности с препятствиями в виде ступеней робота // Математика и математическое моделирование. 2021. № 3. С. 1-28.

Савин С. И., Ворочаева Л. Ю. Метод управления двуногими шагающими роботами с интегрированными упругими элементами // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2020. № 2 (340). C. 95-103. DOI: 10.33979/2073-7408-2020-340-2-95-103

Atkeson C.G., Benzun P.B., Banerjee N., Berenson D., Bove C.P., Cui X., Gennert M. (2018) What happened at the DARPA Robotics Challenge finals. DARPA Robotics Challenge Finals: Humanoid Robots To The Rescue: Springer, Cham, 2018, pp. 667-684.

Брискин Е. С., Смирная Л. Д., Артемьев К. С. Об управлении тяговыми характеристиками и сопротивлением движению мобильных роботов с шагающими движителями // Мехатроника, автоматизация, управление. 2023. № 24 (2). С. 101-106. https://doi.org/10.17587/mau.24.101-106

Чернышев В. В., Гончаров А. А., Арыканцев В. В. Моделирование механики контактного взаимодействия опорных элементов шагающих роботов при больших тяговых усилиях // Робототехника и техническая кибернетика. 2019. № 1 (22). C. 53-57.

Chernyshev V.V., Goncharov A.A., Arykantsev V.V. (2017) Modeling of vibroimpact processes which occurs in feet changing of the walking units at viscoelastic grounds. Procedia Engineering, 2017, vol. 176, pp. 387-393. DOI: 0.1016/j.proeng.2017.02.336

Бжихатлов И. А., Громов В. С. Исследование колебаний платформы двуногого шагающего робота // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2020. № 3 (63). С. 278-285. DOI: 10.17586/0021-3454-2020-63-3-278-285

Sintov A., Macenski S., Borum A. and Bretl T. (2020) Motion planning for dual-arm manipulation of elastic rods. IEEE Robotics and Automation Letters, 2020, vol. 5, no. 4, pp. 6065-6072.

Gurevich A., Bamani E. & Sintov A. (2023) Learning a data-efficient model for a single agent in homogeneous multi-agent systems. Neural Comput & Applic 35, pp. 20069-20085. https://doi.org/10.1007/s00521-023-08838-w

Полянина А. С. Полный цикл походки в динамической модели плоского двуногого робота // Научно-технический вестник Поволжья. 2023. № 2. С. 60-63.

Цзун С. Исследование стратегий управления для четвероногих шагающих роботов // Studnet. 2021. № 7 (4). C. 59.

Chen G., Guo S., Hou B., Wang J. (2020) Virtual model control for quadruped robots. IEEE Access, 2020, vol. 8, pp. 140736-140751.

Meng L., Macleod C.A., Porr B. (2018) Bipedal robotic walking control derived from analysis of human locomotion. Biol Cybern, 2018, 112, pp. 277-290. https://doi.org/10.1007/s00422-018-0750-5

Лапшин В. В. Механика и управление движением шагающих машин. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. 199 с.

Белецкий В. В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. М.: Наука, 1984. 288 с.

Голубев Ю. Ф., Корянов В. В. Экстремальные локомоционные возможности инсектоморфных роботов. М.: ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, 2018. 212 с.

Брискин Е. С., Смирная Л. Д. Об отрыве стопы шагающего движителя мобильного подводного робота от грунта // Робототехника и техническая кибернетика. 2019. Т. 7, № 3. С. 215-223. DOI: 10.31776/RTCJ.7306

Павловский В. Е. О разработках шагающих машин. М.: ИПМ им. М. В. Келдыша РАН, 2013. 32 с.

Мещеряков Р. В., Илюхин Б. В. Обзор соревновательной робототехники. Специальная и спасательная робототехника // Робототехника и техническая кибернетика. 2023. № 1 (11). С. 5-11. DOI: 10.31776/RTCJ.11101

Смирная Л. Д., Вершинина И. П. О точности позиционирования шагающих движителей мобильных роботов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 9 (256). С. 69-73. DOI: 10.35211/1990-5297-2021-9-256-69-73

Страшнов Е. В., Мироненко И. Н. Стабилизация движения двуногих шагающих роботов в системах виртуального окружения // Успехи кибернетики. 2022. Т. 3, № 4. С. 75-83. DOI: 10.51790/2712-9942-2022-3-4-09

Russo M., Ceccarelli M., Cafolla D., Matsuura D., Takeda Y. (2019) An Experimental Characterization of a Parallel Mechanism for Robotic Legs. In: Arakelian V., Wenger P. (eds) ROMANSY 22 - Robot Design, Dynamics and Control. CISM International Centre for Mechanical Sciences, 2019, vol. 584, Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-319-78963-7_4