Введение 3
Постановка задачи 6
Обзор литературы 8
Глава 1. Построение трёхмерной модели человекоподобного робота 9
1.1. Выбор обобщённых координат 10
1.2. Основные физические предпосылки и предположения 11
1.3. Моделирование собственной динамики робота 12
Глава 2. Построение двумерной модели человекоподобного робота 18
2.1. Выбор обобщённых координат 18
2.2. Основные физические предпосылки и предположения 20
2.3. Моделирование собственной динамики робота 20
2.4. Моделирование внешних воздействий 22
2.4.1. Моделирование воздействий со стороны поверхности 23
2.4.2. Моделирование силы тяжести 26
2.4.3. Моделирование остальных воздействий 27
2.5. Моделирование точки нулевого момента 30
Глава 3. Синтез системы стабилизации 32
3.1. Линеаризация модели 32
3.2. Построение стабилизирующего управления 35
Глава 4. Управление шагами робота 41
4.1. Конечная машина состояний 42
4.2. Энергетический контроль 45
4.3. Результаты имитационного моделирования 46
Выводы 48
Заключение 49
Список литературы 50
Купить

Современный мир невозможно представить себе без автоматических устройств, помогающих человеку буквально во всём, от готовки завтрака до полёта в космос. Подобные машины существуют очень давно. К примеру, известны автоматы, изобретённые в Древней Греции и способные открывать двери храма при зажигании святого огня и продавать святую воду [1]. Примерно в то же время появились и первые машины, напоминающие своим видом человека: например, на Александрийском Маяке были движущиеся статуи женщин, которые днём занимались отбиванием склянок, а по ночам издавали специальные сигналы, позволяющие морякам определить близость берега [2]. В эпоху Возрождения появились первые образцы человекоподобных роботов. Широко известен так называемый Робот Леонардо - человекоподобный автомат, который мог стоять, садиться, открывать забрало доспехов, двигать шеей и руками [3]. Но вплоть до второй половины двадцатого века роботы не могли совершать одно из главных действий, свойственных человеку - передвигаться на двух ногах.
Одним из первых, кто занимался проблемой двуногого перемещения, был Миомир Вукобратович - сербский учёный, специалист в области биомеханики и робототехники. В 1968 году на третьем Всесоюзном конгрессе по теоретической и прикладной механике в Москве он представил на всеобщее обозрение концепцию, названную им в его дальнейших работах начала 1970-х «точкой нулевого момента» (англ. Zero-Moment Point, ZMP) [4] и получившую впоследствии широкое распространение. Это точка, относительно которой скомпенсированы горизонтальные моменты внешних сил. Основная идея заключается в том простом факте, что вертикальные моменты внешних сил могут лишь разворачивать робота относительно вертикальной оси и никак не влияют на его устойчивость. Благодаря этому, правильно управляя положением точки, относительно которой суммарная горизонтальная проекция векторов, соответствующих внешним моментам, равна нулю, можно добиться устойчивого движения робота.
Несмотря на почти полувековую историю этого подхода, он всё ещё является одним из самых используемых в современной робототехнике благодаря своей изученности и относительной простоте реализации. В качестве примеров современных человекоподобных роботов, использующих данный подход, могут выступать роботы ASIMO (Япония), TOPIO (Вьетнам) и HUBO (Южная Корея). Существенным недостатком методов, использующих концепцию точки нулевого момента , является малая схожесть получившегося движения с движением человека (что можно заметить, например, наблюдая за движением робота ASIMO). Это согласуется с распространённой гипотезой о том, что движение человека на самом деле представляет собой «контролируемое падение» и не требует статической устойчивости, а также косвенно показывает, что и условие ZMP- стабильности не является необходимым.
ZMP-критерий становится неприменим в случае отсутствия поддерживающей робота поверхности (общей поверхности плоскости, по которой перемещается робот, и его ступней), называемой поддерживающим многоугольником, и в том случае, когда площадь этой поверхности равна нулю (т. е. если она представляет из себя точку либо кривую). В связи с этим необходимы иные методы решения задачи стабильного перемещения двуногого робота в пространстве. В настоящее время существуют и активно развиваются другие концепции, не использующие критерий ZMP- стабильности (например, «прыгающий робот», впервые предложенный и разработанный Марком Райбертом, сконструировавшим в 1986 году одноногого прыгающего робота, способного поддерживать себя в равновесии [5]). В данной работе будет рассмотрен другой подход к движению шагающего робота: конечная машина состояний и энергетический контроль. Этот подход использует информацию об энергии центра масс робота и его скорости и на основе этих данных позволяет формировать управляющие моменты, действующие на отдельные детали конструкции со стороны сервоприводов.
При разработке различных систем управления неустойчивыми объектами часто приходится сталкиваться с непредвиденным поведением, способным на практике привести к авариям и поломке оборудования. Поэтому отдельной существенной задачей при исследовании движения двуногого робота является его математическое и компьютерное моделирование. Наличие модели позволяет безопасно отработать различные режимы управления, многие из которых, в силу особенностей разработки (в основном из-за использования упрощённых моделей), приводят к нежелательным результатам. Этой задаче посвящена отдельная часть данной работы.
Купить