Модель опорной ноги антропоморфного робота или экзоскелета с двумя подвижными звеньями с учетом динамики электропривода

В настоящее время направление, связанное с разработкой экзоскелетов и антропоморфных роботов, испытывает бурный рост в связи с увеличением вычислительных мощностей микропроцессоров и прорывным развитием теории управления сложными системами, в том числе электромеханическими, моделирующими биомеханику опорно-двигательного аппарата человека. В данной работе представлена управляемая мехатронная робототехническая модель опорной ноги антропоморфного робота или экзоскелета с двумя подвижными звеньями.

ЦЕЛЬ. Математическое моделирование динамики опорной ноги экзоскелета или антропоморфного механизма в виде двух подвижных звеньев.

МЕТОДЫ. Основное отличие представленной в данном исследовании модели от созданных ранее заключается в использовании углов, отсчитываемых между звеньями, соответствующих случаю реальной работы электроприводов. Для достижения цели работы применены методы робототехники, математического моделирования, мехатроники, теоретической механики, исследования систем обыкновенных дифференциальных уравнений, теории управления, эмпирические данные для опорно-двигательного аппарата человека.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Для модели механизма записана система уравнений Лагранжа второго рода, решены прямая и обратная задачи динамики при заданном программном управлении движением мехатронной робототехнической системы. Результаты представлены графически и в виде анимационной визуализации движения звеньев. Проведены расчеты как без учета динамики электроприводов, так и с учетом вращения роторов электродвигателей. Установлено, что влияние динамики ротора электродвигателя на механизм является существенным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Разработанные методы задания программного движения опорной ноги экзоскелета или антропоморфного робота позволили решить прямую и обратную задачи динамики и установить необходимость учета вращающегося ротора электродвигателя.

1. Виттенбург Й. Динамика систем твердых тел. М.: Мир, 1980 296 с.

2. Вукобратович М., Христич Д. Управление антропоморфическими системами // Управление в пространстве. М.: Наука, 1976. Т. 2. С. 180–187.

3. Вукобратович М., Стокич Д. Управление манипуляционными роботами: теория и приложения. М.: Наука, 1985. 383 с.

4. Коренев Г.В. Очерки механики целенаправленного движения. – М.: Наука, 1980. – 192 с.

5. Коренев Г. В. Введение в механику человека. М.: Наука, 1977. 264 с.

6. Галиуллин А.С. Обратные задачи динамики и задачи управления движениями материальных систем // Дифференц. уравнения. 1972. Т. 8. № 9. С. 1535–1541

7. Формальский А.М. Управление движением неустойчивых объектов. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2012. 232 с.

8. Черноусько Ф. Л., Ананьевский И. М., Решмин С. А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит, 2006. – 328 с.

9. Черноусько Ф. Л., Болотник Н. Н. Локомоция многозвенных систем на плоскости: динамика, управление, оптимизация. М.: Издательство ИПМех РАН (Препринт № 1128), 2016. 154 с.

10. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. О математическом моделировании динамики многозвенных систем и экзоскелетов // Известия РАН. Теория и системы управления, 2021. № 5. с. 162-176.

11. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. Матричный метод построения уравнений динамики сноубордиста // Международная научная конференция «Фундаментальные и прикладные задачи механики», Москва, 2–4 декабря 2020 г. Материалы конференции. Часть 1. П.М. Шкапов, М.И. Дьяченко, составители. Инженерный журнал: наука и инновации. 2021. вып. 3. С. 145-148. http://dx.doi.org/10.18698/2308-60332021-3-2067

12. Борисов А.В., Каспирович И.Е., Мухарлямов Р.Г. Управление динамикой составной конструкции со звеньями переменной длины // Известия российской академии наук. Механика твердого тела 2021. №2. с. 72–87.

13. Kaspirovich I. E. Application of Constraint Stabilization to Nonholonomic mechanics // 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Year: 2016. DOI: 10.1109/ICIEAM.2016.7910921. IEEE Conference Publications.

14. Борисов А. В., Розенблат Г. М. Матричный метод составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета и управление им // Прикладная математика и механика. – 2017. – Т. 81. – № 5. – С. 511-522.

15. Борисов А. В., Розенблат Г. М., Кончина Л. В., Куликова М. Г., Маслова К. С. Пространственные модели управляемых шарнирных механизмов со звеньями переменной длины для экзоскелетов человека // Известия РАН. Механика твердого тела, 2021, № 6. С. 73-87.

16. Борисов А. В., Розенблат Г. М. Моделирование динамики экзоскелета с управляемыми моментами в суставах и переменной длиной звеньев с использованием рекуррентного метода составления дифференциальных уравнений движения // Известия РАН. Теория системы управления. – 2018. № 2. – С. 148-174.

17. Электронный ресурс. https://darpa.com/ Ссылка активна на : 27.04.2022.

18. Электронный ресурс. http://groups.csail.mit.edu/locomotion/ Ссылка активна на: 27.04.2022.

19. Электронный ресурс. https://www.bostondynamics.com/ Ссылка активна на: 27.04.2022.

20. Электронный ресурс. https://www.bostondynamics.com/atlas Ссылка активна на: 27.04.2022.

21. Электронный ресурс. https://habr.com/post/380435/ Ссылка активна на : 27.04.2022.

22. Электронный ресурс. http://asimo.honda.com/ Ссылка активна на: 27.04.2022.

23. Электронный ресурс. http://asimo.honda.com/innovations/ Ссылка активна на: 27.04.2022.

24. Электронный ресурс. https://Yandex.ru/video/search?text=Romeo%20Toyota%20%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82&path=wizard&noreask=1&filmId=2499549739453021993. Ссылка активна на: 27.04.2022.

25. Электронный ресурс. https://budushchee.livejournal.com/101539.html Ссылка активна на: 27.04.2022.

26. Электронный ресурс. https://www.hocoma.com/solutions/lokomat/ Ссылка активна на 27.04.2022.

27. Электронный ресурс. http://corporate.honda.com/innovation/walk-assist/ Ссылка активна на: 27.04.2022.

28. Электронный ресурс. http://www.eksobionics.com Ссылка активна на : 27.04.2022.

29. Электронный ресурс. http://bleex.me.berkeley.edu/research/exoskeleton/ Ссылка активна на: 27.04.2022.

30. Kazerooni H. Exoskeletons for human power augmentation // in Proceedings of the IEEE IRS/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS '05), August 2005. 2005. P. 3120-3125.

31. Электронный ресурс. http://www.rewalk.com/ Ссылка активна на : 27.04.2022.

32. Электронный ресурс. http://www.rexbionics.com/ Ссылка активна на : 27.04.2022.

33. Блинов А.О., Борисов А.В., Борисова В.Л., Гончаров М.В., Гончарова И.А., Кончина Л.В., Куликова М.Г., Маслова К.С., Новикова М.А. Механика экзоскелета. Монография. Смоленск: Универсум, 2021. 220 с.

34. Блинов А.О., Гончарова И.А., Куликова М.Г., Маслова К.С., Новикова М.А. Выбор САПР для решения задач проектирования антропоморфных роботов. // Естественные и технические науки. 2021. № 2 (153). С. 126-128.

35. Лурье А.И. Аналитическая механика.. М.:1961. 824 с.

36. Формальский А. М. Перемещение антропоморфных механизмов. М. : Наука, 1982. 368 с.

37. Борисов А. В. Моделирование опорно-двигательного аппарата человека и применение полученных результатов для разработки модели антропоморфного робота : монография. М.: Спутник +, 2009. 212 с. Ссылка активна на : 27.04.2022.

38. Электронный ресурс. https://www.tecnotion.com/ Ссылка активна на : 27.04.2022.

39. Electronic resource. https://www.tecnotion.com/. Ссылка активна на : 27.04.2022.

40. Electronic resource. https://innodrive.ru/ Ссылка активна на : 27.04.2022.