- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВ ЕД ЕН И Е ............................................ 3
1. ШАГАЮЩИЕ АППАРАТЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.. 5
1.1. Экспериментальные модели. Структурные и кинематические схемы двуногих шагающих аппаратов.............................................. 3
1.2. Математические модели двуногих.................ША............... I3
1.3. Краткий обзор работ по двуногим................ША.............. 17
1.4. Краткое содержание диссертации................. 23
2. КИНЕМАТИКА НЕРЕГУЛЯРНЫХ- ПОХОДОК...................... 29
2.1. Подход к формированию и определению походок
ДША........................................... 29
2.2. Построение закона переноса стоп ДША при постоянном шаге................................ 33
2.3. Построение законов переноса стол ДША при нерегулярной следовой дорожке................. 40
2.4. Кинематические соотношения, формирование некоторых типов походок............................. 44
3. ДИНАМИКА НЕРЕГУЛЯРНЫХ РЕКИМЭВ ДВШЕНИЯ ДША........ 56
3.1. Метод составления математически моделей многозвенных механических систем............... 57
3.2. Динамические модели ДША........................ 72
3.3. Динамика антропоморфного ДША при программном движении центра масс........................ 84
3.4. Простейшая модель двуногой ходьбы. Перевернутый маятник............................... 98
3.5. Циклоидальное движение ША. Инварианты ходьбы 104 *. СТАБИЛИЗАЦИЯ, УСТОЙЧИВОСТЬ И УПРАВЛЕНИЕ ШАГАЮЩИХ
АППАРАТОВ .............................................................................. III
4.1. Стабилизация транспортного отсека ДША....... III
4.2. Некоторые критерии устойчивой двуногой ходьбы.......................................... Н7
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................... К4
ЛИТЕРАТУРА............................................... 125
- з -
ВВЕДЕНИЕ
В решениях XXУІ съезда КПСС в "Основных направлениях эконо-ического и социального развития СССР на І98І-І985 гг. и на период
0 1990 г." говорится: "Создать принципиально новые виды транспортах средств Одним из таких средств являются разрабатываемые
СССР и развитых капиталистических странах так называемые шэгэю-ие машины. В докладе на ІУ съезде по теоретической и прикладной ехэнике академик И.И. Артоболевский, говоря о проблемах создания лет ем машин автоматического действия, отнес задачу создания авто-этических локоыоционных машин к одной из наиболее важных [ 5 ] .
Интерес к шагающим машинам возник давно. Первой попыткой соз-эть такой аппарат, ло-видимоыу, был "стопоходящий механизм" П.Л. збышевэ [67] . Но несмотря на то, что работы такого рода ведутся »статочно давно, видимых практических результатов достигнуто не ало. Лишь в настоящее время с внедрением развитой вычислительной гхники появились реальные предпосылки для создания ША, имеющих іактическое значение.
Шагающие аппараты, как средство транспорта, имеют явноепре-іущество перед традиционными колесными и гусеничными машинами в :ловиях бездорожья, на грунтах с пониженным сцеплением в способах преодоления препятствий, то есть обладают повышенной адзптзци-
1 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 опорно-двигательных функций человека (экзо-елетоны) [29] , перемещение в среде, приспособленной для чело-кз (производственные помещения, цехи, лестницы и т.д.), [7]. вышение уровня физической силы человека с сохранением высокой
- 4 -
роходимости и т.д.
Теория 1А имеет два вида объектов исследований - многоногие А и двуногие ША. В основу их передвижения положены разные лринци-ы. Так, для многоногих аппаратов основным является критерий ста-ической устойчивости[50, 51, 64, 75]. Его применение уменьшает
«і,
исло возможных походок, исключая из рассмотрения быстрые лоход-и, присущие живой природе, такие, например, как рысь, галоп. Для вуногих І1ІА, прототипом которых может служить человек, принципом ередвижения является принцип активной устойчивости. В связи с тим человек как объект, обеспечивающий активную устойчивость во реая движения, представляет собой идеальную, но далеко не прос-ую модель. Вообще говоря, двуногие ІІІА (ДІІІА) являются представите-ем класса неустойчивых динамических систем, поэтому вопросы, свя-знные 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 І1А как таковых, второй - использование принципов, положенных в знову двуногого передвижения для создания многоногих ША, работа-цих в динамических режимах. Решение этих задач невозможно без нубокого изучения процессов двуногой ходьбы, ее динамических и -тематических характеристик. Этим вызвана необходимость теорети-зских исследований ДША, построение различных математических ыо-5лей и методов решения этой сложной научно-технической задачи.
- 5 -
I. ШАГАЮЩИЕ АППАРАТЫ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
В последние годы появились теоретические и экспериментальные азрэботки различных видов шагающих машин как многоногих, так и вуногих. Из разработок отечественных многоногих ША следует отме-итв макеты шестиногих 1М, созданные в институте Механики УГУ и ППИ АН СССР, ЙПМ АН СССР. Поскольку основное внимание в данной рз-оте уделено двуногой ходьбе,то эта глава посвящена краткой харзк-еристике известных к настоящему времени экспериментальных образов ДША, обзору кинематических схем и математически моделей, а экже обзору ряда опубликованных работ по теории двуногой ходьбы.
1.1. Экспериментальные модели. Структурные и кинематические схемы двуногих шагающих аппаратов.
Развитие вычислительной техники, теории управления, рззра-)ткэ новых технологий производства малогабаритных и мощных приво->в привело к созданию экспериментальных образцов шагающих эппэрэ->в. Отметим созданный в Белграде в Институте автоматики и теле-!язи им. М. Пупина экзоскелетон [29] , предназначенный для воспол-шия двигательных способностей больных с параличами нижних конеч-стей (рис.1.1). Он состоит из корсета (I) е кожанным поясом (2) электропневмзтическими распределителями, левой и правой ног. Но-состоит из бедра (8), голени (9) и стопы (13,14). Элементы экзо-елеюва соединены между собой шарнирами (5, 6, II, На). Исполнительные органы ноги выполнены в виде пневыоцилиндров (7, 10,12). ворот корпуса осуществляется с помощью мембранных двигателей ,4). В нижней части стопы (14) установлено три тензометрических тчика. Расположение датчиков позволяет в любой момент знать ве-
Рис.І.I. Белградский экзоскелетон
Вращательный
привод
тазобедренных шарниров Линейные приводы ног
//;/;/////г///7ТГ7Т/Т7
Источник питания, датчики положения, контролер
ЕисЛ#2. Схема шагающего устройства с телескопическими ногами
ичину и точку приложения вертикальной составляющей опорной реэк-ии. Д.Холм и Д. Уигти [83] предложили двуногий ША с телескопиче-кой конструкцией ног (рис.1.2). Изменение длины ноги производится помощью линейных гидроприводов, управляемых по положению, йзыене-ие длины шага осуществляется простыми вращательными приводами,рас-оложенными в тазобедренных шарнирах.
Остановимся еще на одной реализации ДША, осуществленной в уни-ерситете Васэда (Токио) [ 7А-] . Аппарат имеет одиннадцать активных эрниров, которые схематически изображены на рис.1.3. Эти шарниры эзволяют перемещать верхнюю часть тела вправо или влево, то есть •„‘ещать центр тяжести. Смещение центра тяжести в направлении ходь-л осуществляется согласованными движениями в голеностопном, ко-знном и тазобедренном шарнирах относительно их горизонтальных зей. Аппарат снабжен датчиками обратной связи по положению. Ходь-з по ровной поверхности по прямой и повороты осуществляются с по-зщыо ручного переключателя. Известно, чю в настоящее время зппа-зг оснащен системами искусственного интеллекта.
Большая работа по созданию управляемых протезов проводится в злградскоы Университете под руководством Р. Томозича [80] .
Приведенные выше примеры указывают на возрастающий интерес к »зданию действующих локомоционных аппаратов. Создание таких ;тройств требует решения задач синтеза и анализа структурных, ки-шзтических и динамических систем, выбора и проектирования двигэ-(лей, разработки легких малогабаритных и мощных приводов с высо-;ы КВД и т.д. [5].
При разработке двуногих шагающих систем в той или иной степе-I производится копирование природного прототипа - человека. Бли-сть к образцу определяется прежде всего требованиями, предъявля-
Вращательный шарнир
%Х- л \1^ Тазобедренный
боковой
шарнир
' ^ шарнир j
Ъ—
Коленный шарнир ]
Наклон ^ Вращение )( Рысканье
Гопенастопный /у шарнир й
Корпус
■Рис. 1.3. Схема шагающего устройства университета Васэда (Токио)
777/77777 ///777777
.Рис. 1.4. Структурные изменения в одноопорной
фазе (по 29 )
- 9 “
мыми к ДША, техническими возможностями и тем кругом задач, кото-ые должны быть решены с помощью выбранной схемы. Так, при конструировании экзоскелетонов естественно требование, чтобы механичес-зя модель наиболее полно отражала структурные и кинематические эрактеристики ходьбы человека. Если же рассматриваются задачи ис-ледовэния основных закономерностей ходьбы, определения основных ффектов, то требования к адекватности механической модели телу еловека могут быть значительно ослаблены. Примером тому могут лужкть исследования, посвященные плоской ходьбе.
Отметим некоторые характерные особенности. Прежде всего,син-ез искусственных шагающих систем непременно приводит к созданию ложных пространственных многозвенных систем с переменной струк-урой. Действительно, во время ходьбы такая система постоянно додерживается сперва одной, затем обеими и, наконец, другой ногой, эким образом, ноги и туловище образуют в одном случае разомкнутую лнемэтическую цепь, а в другом - замкнутую. Даже в одноопорной эзе (то есть в случае опоры на одну ногу) механизм может изменять вою структуру [29] . Это показано на рис.1.4. Во-вторых, механизм цвет кинематические ограничения. Эти ограничения могут быть в кзж-ом из внутренних шарниров. Далее, механизм связан с неподвижной оверхностыо только за счет сил трения. Перемещение центра масс еханизма в горизонтальном направлении определяется опять-таки си-эыи трения, а вертикальные силы реакции определяют устойчивость плоскости движения и ей перпендикулярной. На основании этого мож-) сказать, что до настоящего времени техника не знала примеров голь сложных по структуре механизмов.
Наиболее полную механическую модель представляет собой мо-зль, описанная в [29] , созданная при проектировании активного
- ю -
хзоснелетона. Она состоит из 10 жестких звеньев (рис.X.5)»которые зединены посредством шарниров шарового типа. Каждое звено облэдэ-г массой и соответствующим моментом инерции. Звенья связаны ыеж-I собой простейшим образом. Сферический шарнир можно представить виде цепочки трех вращательных шарниров, связанных двумя ззенья-і нулевой длины. В одноопорной фазе кинематическую схему знтропо-Ффной системы можно представить тремя разомкнутыми кинеыатически-I цепями. Первая образуется ногами (звенья 1-7 на рис.1.6), вто-я - верхней частью туловища и левой рукой (звенья 8-10), третья правой рукой. После замены сферических шарниров цепочки звеньев простыми шарнирами получается кинематическая схема, изображенная рис.1.6а. Первая цепь обладает 14 степенями свободы. Длины зве-ев I и 2 равны нулю, а оси шарниров I, 2, 3 взаимно перпендику-рны. Первые три звена моделируют сферический шарнир на левой опе (рисЛ.6а). Аналогично равна нулю длина звеньев 5, 6, 8, 9,
, 13. Вторая кинематическая цепь показана на рис.1.60. Она облает семью степенями свободы. Третья цепь показана на рис.І.бв, а содержит четыре вращательных шарнира. Всего эквивалентная кинетическая схема обладает 25 степенями свободы. В двухопорной фазе рвая кинематическая цепь должна рассматриваться как замкнутая ис.1.7). В результате замыкания первая цепь теряет пять степеней ободы.
Как упоминалось уже, при снижении требований к адекватности кно изучать основные характеристики двуногой ходьбы. Для этого хно исследовать более простые, с точки зрения структуры и кинетики, плоские схемы. Так, например в [48] рассматривается модель зиде девятизвенной кинематической цепи с одиннадцатью степенями збоды (рис.1.8а). Сегменты нижних конечностей: бедро, голень и
Рис. 1.5. Схема модели антропоморфного ША по [29]
^Рис. 1.6. Кинематические цепи ША в одноопорной фазе по [29]
Рис. 1.7. Кинематические цепи ША в двуопррной фазе по [29]
- Київ+380960830922