УПРАВЛЕНИЕ ДИНАМИКОЙ АНТРОПОИДНОГО ЭКЗОУСТРОЙСТВА С ПЯТЬЮ ЗВЕНЬЯМИ

Проблемы управления антропоидными системами, содержащими большое количество шарнирно соединенных абсолютно твердых звеньев, для своего решения требуют создания методов математического моделирования робототехнических систем твердых тел, изменяющих свою геометрию под действием внутренних усилий. Целью исследования является создание пространственной управляемой модели экзоустройства, близкой по подвижности к опорно-двигательному аппарату человека и проведение ее численного исследования. Методами исследования являлись методы математического моделирования динамики механических систем уравнениями Лагранжа второго рода, их численного решения. Исследуется динамика 3 D -модели антропоидного экзоустройства, состоящего из пяти абсолютно твердых управляемых звеньев с шарнирными соединениями. Модель отличается от ранее рассмотренных ограничениями подвижности в шарнирах, соответствующим двигательным возможностям реального опорно-двигательного аппарата человека. Углы в модели отсчитываются не от вертикали или горизонтали, как принято их вводить в работах по моделированию антропоморфных механизмов, а между осями локальных систем координат, совпадающими со звеньями, что приближает модель к реальному прототипу, в котором изменяются углы между звеньями. Управляющие моменты, действующие в шарнирах, реализуют движения, соответствующие опорно-двигательному аппарату человека. Динамика системы описывается уравнениями Лагранжа второго рода, составленными с использованием локальных систем координат и матриц поворота. Управляющие моменты, обеспечивающие необходимые свойства движения, определяются методами решения обратных задач динамики. В результате решения обратной задачи динамики, установлено, что в опорной ноге в фазах отталкивания и торможения возникают кратковременные значительные величины управляющих моментов, поэтому необходимы электрические приводы, используемые для управления, способные создавать кратковременных импульсный значительный крутящий момент. Вычисленные затраты энергии являются значительными. Следовательно, необходимы автономные источники энергии с большой емкостью при минимальной массе, чтобы не оказывать существенного влияния на динамику антропоидной системы. Результаты могут быть использованы при разработке экзоскелетов, антропоморфных роботов, скафандров, манипуляторов.

The dynamics of a 3D model of an anthropoid exodevice with five controlled absolutely rigid links and hinged joints is considered in the article. The mobility limitations, imposed on the hinges, corresponding to the motor capabilities of the real human musculoskeletal system, differ the proposed model from the earlier considered ones. The angles in the model are not calculated from the vertical or horizontal line, as it is usually introduced in studies on anthropomorphic mechanism simulations. These angles are calculated between the axes of local coordinate systems directed along the links, which makes the model closer to a real prototype where the angles between the links are changed. The control torques applied to the hinges implement motions corresponding to the human musculoskeletal system. The system dynamics is described by Lagrange equations of the second kind, composed in local coordinate systems using rotation matrices. The control torques, implementing the required motion, are calculated by solving the inverse dynamics problems. The obtained results can be used in design of exoskeletons, anthropomorphic robots, spacesuits, and manipulators.