Управление нестационарным движением шагающего аппарата

• Автор: Тимошенко, Анатолий Григорьевич
• Шифр специальности: 01.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Киев
• Количество страниц: 149 c. : ил

В в е д е н и е
В соответствии с решениями директивных органов в настоящее у время роботы широко внедряются в различные отрасли промышленности. Естественно, что автономные системы роботов-манипуляторов значи -тельно повысили бы свою эффективность за счет расширения области охвата манипулятора и контролируемого поля обзора их "зрительных” устройств. Кроме того, в связи с освоением отдаленных районов земли и исследованием поверхностей других планет возникла необходи -мость в создании транспорта "для бездорожья" и осуществления работ в экстремальных средах. Одним из возможных и перспективных решений этих задач является построение шагающего движителя, к достоинствам которого можно отнести высокую проходимость и малую площадь контакта с поверхностью передвижения, причем для успешного его использо -вания важно, чтобы он обладал способностью передвигаться в любом направлении, с желаемой скоростью, по поверхностям произвольного профиля (ровная поверхность, лестница, пересеченная местность и т.д.).
Задача создания шагающего аппарата (ША) - сложная задача механики и теории управления. Она требует решения многих проблем, при -чем на данном этапе, вероятно, наибольшую сложность представляет алгоритмическая проблема, так как ША относится к таким объектам, теория управления которыми только начинает создаваться. Не затра -гивая биомеханические подходы к проблеме шагания, которые доста -точно полно отражены в [10,18,24,25,52,54] , современную точку
зрения на проблему создания ША3^ можно понять, ознакомившись с некоторыми высказываниями исследователей, работающих в этом напИмеются ввиду вопросы организации самого процесса шагания (нижний уровень системы управления), а не более сложные задачи'ие -рархического взаимодействия различных подсистем локомоционного робота, которые рассматривались, например, в [40]

равлении. Так, преимущество шагающего устройства перед колесными машинами при передвижении по пересеченной местности не вызывает сомнений [з,48,60] , о чем, в частности, свидетельствует большое количество изобретении в той или иной мере посвященных устройст -вам шагания. Однако, "обилие изобретений при фактическом отсутствии работающих устройств указывает на то, что проблема значительно сложнее, чем может показаться на первый взгляд" [з] , и "что без научных исследований, чисто изобретательским творчеством шагаю-щей машины сделать не удается” [«]
Аналогичная точка зрения высказывается и американскими специалистами £42] : "Пешее движение трудно воспроизвести искусственным путем, но решение этой проблемы возможно станет реальным благодаря современной технике управления" и далее, "возможно, современные ЭВМ и системы управления с обратной связью окажут существенную помощь в создании ходящих машин". Поэтому "составление крайне слож -ных машинных программ для этой цели - один из важнейших этапов в работе по созданию ползающих, ходящих или бегающих машин". Другим, не менее важным этапом, вероятно, можно считать исследования, направленные на создание метаматической модели ША как объекта управления. По-видимому, теоретический (если не сказать биомеханический) анализ робототехнических задач таких как выбор алгоритмов управления системой связанных твердых тел позволил понять специфику Ж как объекта управления, исходя из того, что "ходьба человека или животных представляет собой последовательность периодического наложения и снятия импульсных связей. Учет всех закономерностей таких связей позволит в полной мере уяснить механизм экономических способов передвижения в живой природе" [41]
Резюмируя эти мнения, можно утверждать, что система управления Ж должна быть достаточно сложной (включать в себя ЭВМ) и при синтезе системы управления Ж внимание должно быть сосредоточено
на учете эффектов, обусловленных сменой опорных конечностей (изменением накладываемых связей), т.е. принципы управления ША должны базироваться на математических результатах теории управления систем с переменными связями.
Один из возмогших путей создания алгоритмов управления системами с переменными связями был изложен в [33,59] , где вопреки существующему мнению [21] о бесполезности применения методов оптимизации к решению задач искусственной ходьбы было доказано*), что именно благодаря использованию методов оптимизации [34] удается решить задачу стабилизации ША (одну из самых существенных проблем Ы >• рассматриваемого как система с переменными связями (некоторые вопросы устойчивости аналогичных систем рассматривались в [23,43,44] ).
Дальнейшие исследования в этом направлении [37] показали, что отказ от традиционных (стационарных) алгоритмов стабилизации (см., например, [56] , где есть дальнейшие ссылки), которые обычно синтезируются без учета процессов, связанных со сменой опорных ног ША, и применением оптимизационной процедуры синтеза регулятора, использующего динамические эффекты, обусловленные изменением накладываемых связей, позволяет повысить эффективность системы ста -билизации. Поэтому в качестве основного направления исследований, результаты которых приводятся в настоящей работе, было принято дальнейшее развитие, изложенного в N , подхода к проблеме управления ША.
Настоящая работа, в основном, посвящена исследованию неста -ционарных режимов движения ША, (трогание, остановка, изменение
*) В [27] описаны результаты математического моделирования плоского движения антроморфного двуногого ША. Синтезированная система управления позволяла этому ША устойчиво стоять на месте, тро -гаться с места, подниматься по наклону в 23° и останавливаться.

В этих соотношениях к - номер шага, матрицы Щ и Г(с) определяются формулой Коши (1.3.7), матрица А/ описывает ударный процесс, связанный с наложением новых связей в момент {р. — КМг и для ее вычисления может быть использована процедура, описанная, например, в |зЗ ]
Далее, предположим, что процесс формирования ЭВМ удравляюще-. го воздействия и(Е требует времени Ь • В этом случае уравнение (1.3.13) остается без изменений, а соотношение (1.3.12) следует заменить уравнением (1.3.8). Если ограничиться случаем §4 А , то б (1.3.8) Р= У и система (1.3.12) преобразуется в следующую:
х(£*1)= (1.3.14)
Окончательно, аналог уравнения (1.3.10) рассматриваемой периодической системы для первого периода О^с^р-1 выглядит так:

2(1)

2^-0 = 2(р)'
и далее
г(р*1)=
О О
Ш Ш
о о
Ф) %
о о
о о о N
Е(о) +
2(4 +
2(р*) +

гм)
и (о)
и(4
(1.3.15)

Го(р
и (р
г(р

о о
Ш М(о)
-гСрМ

и(р)
Таким образом, при синтезе системы стабилизации Ж, как объект управления, следует описывать периодической системой (1.3.15), когда временем формирования управляющего воздействия нельзя лре-