Нерегулярные режимы движения в модельных задачах двуногой ходьбы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ШАГАЮЩИЕ АППАРАТЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Экспериментальные модели. Структурные и кинематические схемы двуногих шагающих аппаратов.

1.2. Математические модели двуногих ША.

1.3. Краткий обзор работ по двуногим ША. ^

1.4. Краткое содерзкеде диссертации.

2. КИНЕМАТИКА. НЕРЕГУЛЯРНЫЕ ПОХОДОК.

2.1. Подход к формированию и определению походок

2.2. Построение закона переноса стоп ДША при постоянном шаге.

2.3. Построение законов переноса.стоп ДША при нерегулярной следовой дорожке.

2.4. Кинематические соотношения. Формирование некоторых типов походок.

3. ДИНАМИКА НЕРЕГУЛЯРНЫХ РЕЕЙЮВ ДВИЖЕНИЯ ДША.

3.1. Метод составления математических моделей многозвенных механических систем.

3.2. Динамические- модели ДША.

3.3. Динамика антропоморфного ДША при программном движении центра масс.

3.4. Простейшая модель двуногой ходьбы. Перевернутый маятник.

3.5. Циклоидальное движение ША. Инварианты ходьбы 104 'и СТАБИЛИЗАЦИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ И УПРАВЛЕНИЕ ШАГАЮЩИХ

АППАРАТОВ .III

4.1. Стабилизация транспортного отсека ДША. . III

4.2. Некоторые критерии устойчивой двуногой ходьбы.П

В решениях ХХУ1 съезда КПСС в "Основных направлениях эконо-ического и социального развития СССР на 1981-1985 гг. и на период о 1990 г." говорится: "Создать принципиально новые виды трзнспорт-ых средств .". Одним из таких средств являются разрабатываемые СССР и развитых капиталистических странах так называемые шагаю-ие машины. В докладе на 1У съезде по теоретической и прикладной еханике академик И.И. Артоболевский, говоря о проблемах создания дстем машин автоматического действия, отнес задачу создания авто-зтических локоыоционных машин к одной из наиболее важных [5].

Интерес к шагающим машинам возник давно. Первой попыткой соз-эть такой аппарат, по-видимому, был "стопоходящий механизм" П.Л. збышева [67] . Но несмотря на то, что работы такого рода ведется )статочно давно, видимых практических результатов достигнуто не шо. Лишь в настоящее время с внедрением развитой вычислительной гхники появились реальные предпосылки для создания ША, имеющих )актическое значение.

Шагающие аппараты, как средство транспорта, имеют явноепре-фцество перед традиционными колесными и гусеничными машинами в ¡ловиях бездорожья, на грунтах с пониженным сцеплением в способах преодоления препятствий, то есть обладают повышенной адзптаци-[ к местности [б, 34, 7, 8] . Кроме транспортных проблем сущест-ет еще ряд прикладных аспектов применения ША, например перемеще-¡е в экстремальных условиях (под водой, на космических объектах 2].), реабилитация о порно-двигательных функций человека (экзо-елеюны) [29] , перемещение в среде, приспособленной для чело-ка (производственные помещения, цехи, лестницы и т.д.), [7] , вышение уровня физической силы человека с сохранением высокой рОХОДИМОСТК и т.д.

Теория ША имеет два вида объектов исследований - многоногие А и двуногие ША. В основу их передвижения положены разные принци-ы. Так, для многоногих аппаратов основным является критерий ста-ической устойчивости[50, 51, 64, 75] . Его применение уменьшает исло возможных походок, исключая из рассмотрения быстрые походи, присущие живой природе, такие, например, как рысь, галоп. Для вуногих ША, прототипом которых может служить человек, принципом ередвижения является принцип активной устойчивости. В связи с тим человек как объект, обеспечивающий активную устойчивость во ремя движения, представляет собой идеальную, но далеко не прос-ую модель. Вообще говоря, двуногие ША (ДША) являются представите-ем класса неустойчивых динамических систем, поэтому вопросы, свя-анные с их кинематикой, динамикой и управлением занимают особое эсто в ряду исследований, посвященных ША. Работы в области дву-эгой ходьбы имеют два аспекта. Первый - разработка и создание М как таковых, второй - использование принципов, положенных в снову двуногого передвижения для создания многоногих ША, работа-цих в динамических режимах. Решение этих задач невозможно без нубокого изучения процессов двуногой ходьбы, ее динамических и лнеыэтических характеристик. Этим вызвана необходимость теорети-эских исследований ДША, построение различных математических мо-злей и методов решения этой сложной научно-технической задачи.

I. ШАГАЮЩИЕ АППАРАТЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В последние годы появились теоретические и экспериментальное азрзботки различных видов шагающих машин как многоногих, так и двуногих. Из разработок отечественных многоногих ША следует отме-ить макеты шестиногих ША, созданные в институте Механики А1ГУ и ППИ АН СССР, ШШ АН СССР. Поскольку основное внимание в данной ра-оте уделено двуногой ходьбе,то эта глава посвящена краткой харак-еристике известных к настоящему времени экспериментальных образов ДША, обзору кинематических схем и математических моделей, а зкже обзору ряда опубликованных работ по теории двуногой ходьбы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены методы построения кинематики и динамики невозмущенных непериодических режимов ходьбы двуногих ША с антропоморфной и телескопической конфигурацией ног.

2. Предложен алгоритм автоматического составления математических моделей разомкнутых кинематических цепей с использованием тензорной алгебры.

3. На основе рассмотрения интегральных характеристик движения (движение центра масс) построено движение ДША, исключающее эпрокидывание корпуса и позволяющее изучать непериодические режимы движения ДША.

Рассмотрены простейшие модели движения и найдены брзхис-зхронные режимы движения, а так же инварианты движения.

5. Путем введения дополнительного балансира показана возможность стабилизации корпуса аппарата и найдено соответствующее управление.

6. Предложены критерии устойчивойходьбы, основывающиеся на ^ интегральных характерно тиках,построено соответствующее управле-ше.

1. Алексеева Л.А., Голубев Ю.Ф. Модель динамики шагающего аппарата. - Изв. АН СССР. Техн. кибернетика, 1975, № 3.

2. Алешинский С.Ю., Вациорский В.М. Механико-математические яодели движений человека. В кн.: Биомеханика физических упраж-зений. Рига, 1971, вып.1, с.60-123.

3. Алешинский С.Ю., Зациорский В.М. Моделирование простран-¡твенных движений человека. Биофизика, I, 1975, т.20, вып.6,5./H2I-II26.

4. Артоболевский И.id. Некоторые проблемы механики и управ-¡ения машинами. В кн.: Современные проблемы теоретической и риклэдной механики: Тр. 4-го Всесоюзного съезда по теоретической í прикладной механике. - Киев, 1978, с. 93-108.

5. Артоболевский И.И., Умнов В.В. Некоторые проблемы созда-:ия шагающих машин. Вестник АН СССР, 1969, Ni 2, с. 44-51.

6. Артоболевский Й.И., Кобринский А.Е. Робототехника: сов-еыенное состояние проблемы. Вестник АН СССР, 1974, № 9, с.32-5.

7. Артобиевский И.И., Фролов К.В. Успехи механики ПНР. -978, № I, Ш 3-4, с. 3-Г7.

8. Белецкий В.В. Плоские линейные модели двуногого шагания. М., 1973 69 с. (Препринт /Ин-т прикладной пэтема тики. АН1. ССР: й 95).

9. Белецкий В.В. Динамика двуногой ходьбы. M., 1974. - 65 с. (Препринт /йн-т прикл. математики АН СССР: № 32).1.. Белецкий В.В., Чудинов П.С. Нелинейные модели двуногой одьбы. M., 1975. - 56 с. (Препринт /Ин-т прикл. матеы. АН ОТ: № 19).

10. Белецкий В.В. Динамика двуногой ходьбы. I. Известия H СССР, МТТ, 1975, № 3, с. 3-14.

11. Белецкий В.В., Кирсанова Т.С. Плоские линейные модели зуногой ходьбы. Известия АН СССР, МТТ, 1976, № с. 51-62.

12. Белецкий В.В., Чудинов П.С. Оптимизация и стабилизация задачах двуногой ходьбы. В кн.: УТ Всесоюз. симп. по теории иринципам устройства и применению роботов и манипуляторов: Тез. окл., 1976, Тольятти, 1976, т.1, с.65.

13. Белецкий В.В., Чудинов П.С. Параметрическая оптимизация задаче двуногой ходьбы. Известия АН СССР, МТТ, 1977, № I,25.35.

14. Белецкий В.В., Чудинов П.С. Линейная задача стабилиза-ии двуногой ходьбы. Известия АН СССР, МТТ, 1977, № 6, с.62-74.

15. Белецкий В.В., Чудинов u.c. Управление двуногой ходьбой. M., 1977. (Препринт /Ин-т прикл. матеы. АН СССР: № 10).

16. Белецкий В.В., Бербюк В.Е. Нелинейная модель двуногого агающего аппарата, снабженного управляемыми стопами. М.,1978.67 с. (Препринт / Ин-т прикл. матем. АН СССР: К 54).

17. Белецкий в.в., ирлов А.Г. Оптимизация в задаче двуногой одьбы. В кн.: Всесоюзн. совещание по робою техническим систе-ам: Тез. докл., Владимр, окт. 1978, М.: Наука, 1979, с.12223.

18. Белецкий B.B., Кирсанова Т.С. Некомфортабельная ходьбадвуногого шагающего аппарата. Известия АН СССР, МТТ, 1979, № 3, с. 46-51.

19. Белецкий В.В., Кирсанова Т.С., Лавровский Э.К. Меоже-зтво комфортабельных походок двуногого шагающего аппарата. М., Е979. - 73 с. (Препринт /Ин-т прикл. ыатем. АН СССР: - 25).

20. Белецкий В.В., Голубков В.В., Степанова Е.А. Модельная задача динамики подводной ходьбы. M., 1979. - 58 с. (Препринт /Ин-т прикл. ыатем. АН СССР: Ж 42).

21. Белецкий В.В., Бербюк В.Е., Самсонов В.А. Параметрическая оптимизация движения двуногого шагающего аппарата. изв. Ш СССР, МТТ, 1982, № 5.

22. Бербюк В.Е. Плоская модель двуногого стопоходящего аппарата. В кн.: Некоторые вопросы механики роботов и биомеханики.- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978, с. 52-62.

23. Бербюк В.Е. йлияние стопы на движение и энергетику дву-югого аппарата. в кн.: ясесоюзн. совещание по робою техническим системам: Тез. докл., Владимр, окт. 1978, М.: Наука, 1979,121.

24. Болотин Ю.В., О разделении движений в задаче стабилизации двуногой ходьбы. Изв. АН СССР, МТТ, № 4, с. 48-53.

25. Болотин Ю.В., Новожилов И.В. Управление походкой дву-югого шагающего аппарата. Изв. АН СССР, МТТ, 1977, të 3, с. 1-7-63.

26. Верещагин А.Ф. Метод моделирования на ЦВМ динамики 5ложных механизмов роботов-манипуляторов. Изв. АН СССР, Техни-шская кибернетика, 1974, № 6, с. 89-94.

27. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные «еханизмы. М.: Мир, 1976, с. 541.

28. Гриценко Г.П., Морейнис И.Ш. Энергетическая оценка ходьбы человека в норме и на протезах бедра. В кн.: Биомеханика, Рига, 1975, с. 228-232.

29. Елисеев C.B., Поляков М.М. К оценке уровня неравномерности движения шагающих аппаратов. В кн.: Динамика управляющих систем. - "Наука", Новосибирск, 1979, с. 122-126.

30. Игнатьев М.Б., Куликов Ф.М., Покровский A.M. Алгоритм управления роботами-манипуляторами. Л.: Машиностроение, 1978, с. 245.

31. Карпинский ф.Г. Модель двуногого шагающего аппарата.- Киев, 1978. Ь6 с. (препринт /йн-т математики АН УССР: 78.23).

32. Карпинский Ф.Г. Выбор программы движения двуногогошагающего аппарата. В кн.: Физиотехнические приложения краевых задач. - Киев: Науковз думка, 1978, с. 201-206.

33. Карпович A.M., Смолянинов В.В. Кинематические закономерности ходьбы человека. тВКн.: Биомеханика, Рига, Рижский на-уво-исследовательский ин-т травматологии и ортопедии, 1975.

34. Кирсанова Т.С. Разгон и торможение в динамике двуногой ходьбы. В кн.: Щ Всесоюзн. Четаевская конф. по устойчиво-зти движения, аналитической механике и управлению движением:

35. Тез. докл. Иркутск, 197V, с. 163-164.

36. Корн Г., Корн Т. Справочник по матема тике.М.: Наука,1973.

37. Кугушев Е.И., Павловский В.и., ярошевский B.C. Проблемы реализации походок шагающего аппарата. В кн.: Ш Всесоюзн. Четаевская конф. по устойчивости движения, аналитической механике и управлению движением: Тез. докл., Иркутск, 1977, с.168-170.

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.м. Механика. Теоретическая физика, T.I. M.: Hayœç 1973, с. 208.

39. Ларин В.Б. Стабилизация двуногого шагающего аппарата. Изв. АН СССР, МТТ, 1976, № 5, с. 4-13.

40. Ларин В.Б. Стабилизация горизонтального движения двуногого шагающего аппарата. Изв. АН СССР, МТТ, 1978, Ш 5, с. 35-44.

41. Ларин В.Б. Управление шагающим аппаратом. Киев: На-укова думка, 1980. - 168 с.

42. Лурье А.И. Аналитическая механика. М.: МФ, 1961, с. 824.

43. Мак-Коннел Дж. Введение в тензорный анализ с приложениями к геометрии, механике и физике. М.: ФМ, 1963, с. 412.

44. Морейнис И.Ш., Гриценко Г.П., Левит С.Г. Биомеханический анализ ходьбы в норме и на протезах. В кн.: Протезирование и протезостроение, М.: ЦНИЙПП, 1971, выл. 26, с.7-16.

45. Морейнис И.Ш., Гриценко Г.Р. Физическая и математическая модель локомоторного аппарата человека. В сб.: Протезирование и протезостроение, 1974, вып.23.

46. Новожилов И.В. Управление ногой шагающего аппарата в $азе игры. В кн.: Биомеханика, Рига, 19?Ь, с. 634-639.

47. Охоциысяий Д.Е., Платонов А.К., Боровив Г.К., Карпов Д.И. Моделирование на ЭВМ движения шагающего аппарата. 1У Международный симпозиум ИФАК по автоматическому управлению. 971, Т.Е.

48. Охоциыский Д.Е., Платонов А.К., Боровин Г.К., Карпов 1.И. Моделирование на ЦВМ движения шагающего аппарата. Изв.АН ;ССР. Техн. кибернетика, 1972, № 3, с. 47-59.

49. Поляков М.М. К вппросу о комфортабельности движения 1эгающих аппаратов. в сб.: вопросы динамики механических сис-сем виброударного действия. - Новосибирск, НЭТИ, 1977, с. 142-С4б.

50. Поляков М.М. О построении походок двуного шагающего ^ шпарата с телескопическими ногами. В кн.: Научно-техническая молодежь производству: Тез. докл., Иркутск, 19'/7, с. 36-37.

51. Поляков М.М. Построение кинематики двуногих шагающих *ашин. В сб.: Управляемые механические системы. - Иркутск, 978, с. 55-64.

52. Поляков М.М. Об одном методе составления математических моделей многозвенных механических систем. Веб.: Управляемые механические системы. - Иркутск: 1979, с. 100-109.

53. Поляков М.М. О методе оценки уровня колебаний шагающих машин. В кн.: Всесоюзн. совещание по робою техническим зистемаы: Тез. докл., Владимр , окт. 1978. М.: Наука, 1979,з. 105.

54. Поляков М.М. Построение нерегулярных номинальных режимов движения антропоморфных шагающих аппаратов. В кн.: У Все-зоюз. съезд по теоретической и прикладной механике. Анн. докл., Ша-Ата, май 1981: йзд-во Наука Каз.ССР, 1981, с.291.

55. Поляков М.М. Стабилизация грузового отсека двуногогогагающего аппарата. Боб.: Роботы и робото технические системы. • Иркутск, 1981, с. 125-130.'

56. Поляков М.М. Нестационарные режимы движения шагающих innapaTOB. В кн.: 1У научно-техническая конф. "Механические правляемые системы": Тез. докл., 1982, Иркутск, 1982, с. 98-99.

57. Поляков М.М. Критерий устойчивой ходьбы шагающих аппа-атов. В сб.: Динамика управляемых механических систем. - Ир-;утск, 1982, с. I4U-I44.

58. Попов Е.П., Верещагин Д.Ф., Зенкевич С.Л. Манипуляци-нные роботоы. М.: Наука, 1978, с. 400.

59. Сокольников И. Тензорный анализ. М.: Наука, 197I, . 376.

60. Степаненко Ю.А. Динамика сложных механизмов. Бел-рад, Математический ин-т, 1974.

61. Умнов В.Н. О числе ног шагающих экипажей. В кн.: инаыика машин. - М. Наука, 1974.

62. Формальский A.M. Движение антропоморфного механизма ри импульсном управлении. В кн.: Некоторые вопросы механики оботов и биомеханики. - М.: Изд-во Моск. ин-та, 1978, с.17-34.

63. Формальский A.M. Перемещение антропоморфных механиз-ов. М.: Наука, 1982. - 368 с.

64. Чебышев П.Л. Полное собрание сочинений. М.: Изд-во СССР, 1944, т.4.

65. Чудинов П.С. Развитие алгоритма стабилизации ходьбы вуногого аппарата. В кн.: Всесоюзн. совещание по робототехни-зским системам. : Тез. докл. Владимир, окт. 1978. М.: Наука, 579, с. I2I-I22.

66. Cheng I.S. Computer-Television Analysis of Biped Locomotion-Ph.D.dissertation, Ohio St.Univ.,Columbus, OH 43210,1974.

67. Chow C.K.,Jakobson D.H. Studies of human locomotion via optimal programming.-Math.Biosc.,1971,v.10,no 3/4,p.239-306.

68. Chow C.K.,Jacobson D.H. Postular stubility of Human Locomotion. -Math. Biosc. ,1972,v.15,no 1/2,p.93-108.

69. Hemami H. ,Cvetkovi6 V.S. Postular stability of two biped models via Lapuniv second method.- IEEE Trans, on Autom. Control,1977, v.22, no.1, p.66-70.

70. Hemami H.,Farnsworth R.L. Postular and gait stability of a planar five link biped by simulation.- IEEE Trans, on Automat. Control, 1977, v.22, no.3, p.452-458.

71. Kato I.,Tsuiki H. The Hydraulically Powered Biped Walking Mashine with a High Carring Capcity.-Proc.4th Intern.Symp. on External Control of Human Ext©emites,Dubrovnik,1972,p.410-421.

72. McGhee R.B. Some finite aspects of legged locomotion. -Math.Biosc.,1968, v.2,No 1/2, p.67-85.

73. Milner M. ,Brennan P.K.,Wilberforce C.B.A. Stroboscopic Polaroid Photography in Clinical Study of Human Locomotion. -S.A. Medical Journal,v.47,1973, p.948-950.

74. Potkonjak V. ,Vukobratovi6 M. Contribution to the forming of mathematical models of active mechanisms using Lagrange's equations.-Proc. of XX ETAN Conf.,ETAN,POB,Beograd,l976.

75. Potkonjak V. ,Vukobratovi6 M. Jedna metoda za automatsko sas-tavljanje matematickih modela kretanja aktivnih prostornih mehanizama.-I Jgoslovenski Simp, industrijski roboti.-Zb.rad.,Beograd,1977, s.151-164.

76. Suterland D.H. ,Hage J.L. Mesurement of Gait Movement frome Motion Pecture Film.-J.Bone and Joint Surgery,v.54-A, No.4,1972, p.787-797.

77. Tomovic R. Attitudinal Locical Pro thesis for above Knee Amputee - Progress reports,Pacult. of Electr.Eng.,univ.of Belgrad,1979, p.52.

78. Tomovic R. A generali model of greeping displasment.-Cybernetics,1961, No4.

79. Vukobratovic M. »Stepanenko Y. On stability of antropomorphic sistems.- Math.Biosci.»October,1972, p.41.

80. Witt D.C. A feasibility study on Automatically.- Control powered low-limb prothesess.-Report Univ.Oxford,Depart. Eng. Sei.,

81. Wilson D.M. Insect Walking.- Annuall Review of Entomology, 1966, v.11, p.103-122.