Методы управления двуногими шагающими робототехническими системами на основе небионической стабилизации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, доктор наук Рядчиков Игорь Викторович

• Рядчиков Игорь Викторович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Рядчиков Игорь Викторович

Выводы

Глава 2. Исследование условий и ограничений стабилизации шагающего робота с помощью сустава

2.1 Постановка задачи синтеза системы управления стабилизацией суставом

2.2 Синтез и исследование управления стабилизацией

2.3. Численный эксперимент

Выводы

Глава 3. Метод небионической стабилизации шагающих конструкций на основе маховика

3.1. Разработка метода небионической стабилизации

3.2. Разработка метода синтеза управления для стабилизации шагающей конструкции на основе небионической стабилизации

3.3. Методика моделирования и оценки эффективности функционирования двуногих шагающих робототехнических систем

Выводы

Глава 4. Стабилизация системы маховиком в условиях системной ошибки в показаниях датчика угла отклонения

4.1. Синтез наблюдателя в задаче стабилизации обратного маятника

4.2. Синтез и исследование глобально экспоненциально-устойчивого наблюдателя угловой скорости для обратного маятника с маховиком

Выводы

Глава 5. Исследование условий и ограничений стабилизации шагающего робота с помощью гиродина

5.1 Синтез и исследование управления стабилизацией гиродином

5.2 Управление системой стабилизации в условиях системной ошибки датчика угла отклонения

5.3. Методика моделирования и синтеза управления при небионической

стабилизации шагающей конструкции с помощью гиродина

Выводы

Глава 6. Применение интеллектуальных методов для синтеза управления небионической стабилизации

6.1. Методика поиска ПИД-регуляторов системы стабилизации шагающего робота с гиродином с помощью имитационного моделирования и эволюционных вычислений

6.2. Методика разработки нейро-нечетких контроллеров шага двуногой шагающей конструкции

Выводы

Глава 7. Имитационное моделирование системы стабилизации шагающего робота

7.1 Методика имитационного моделирования и исследования управляемых систем, использующих небионическую стабилизацию

7.2 Имитационная модель стабилизации шагающего робота

7.3 Имитационная модель сервопривода

Выводы

Глава 8. Применение методов и алгоритмов моделирования и повышения эффективности функционирования двуногих шагающих робототехнических систем на основе решения задач стабилизации с использованием небионических мехатронных конструкций

8.1. Робототехническая система с неантропоморфным двуопорным шасси

8.2 Шагающий робот с гиродинами

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ГЛОССАРИЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ШАССИ НЕАНТРОПОМОРФНОГО ДВУНОГОГО РОБОТА ANYWALKER

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА И ПАТЕНТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НА МЕЖДУНАРОДНЫХ ВЫСТАВКАХ И САЛОНАХ ИЗОБРЕТЕНИЙ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы управления двуногими шагающими робототехническими системами на основе небионической стабилизации»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Двуногие шагающие роботы — одно из развивающихся направлений разработки и исследований в мировой робототехнике. Особенность двуногой ходьбы заключается в том, что шаг робота сопровождается переносом центра масс при перемещении свободной ноги, при этом в каждый момент времени движение конструкции в целом должно быть устойчивым. Дополнительным требованием является обеспечение динамической стабилизации робота, позволяющей реализовать непрерывный характер перемещения в режиме управляемого падения, используя силы тяжести. УправлеРядние ходьбой робота должно обеспечивать различные режимы движения в широком диапазоне характеристик поверхностей (наклонная плоскость, ступени, препятствия переменной высоты, влажная поверхность, неровности ландшафта, нежесткая поверхность). Управление должно быть такого качества, чтобы, сохраняя устойчивость, учитывать износ электромеханических и гидравлических компонентов конструкции.

При разработке антропоморфных роботов проектируются кинематические схемы, берущие за основу скелет людей. Способы передвижения конструируются за счет воссоздания коленного, тазобедренного сустава с помощью сервоприводов. Инструменты управления искусственными суставами, таким образом, являются объектом управления для систем автоматического управления. Тем не менее, физиологически перемещение человека осуществляется не только за счет управления суставами ног, но и с использованием мышечной системы, центральной и вегетативной нервных систем, сердечно-сосудистой системы. Известно, что при поражении шейных артерий возникает неуверенная походка, также известны положения тела, в которых человек может удержать равновесие с закрытыми глазами не более нескольких минут. Для планирования устойчивой ходьбы двуногого робота широко

применяется метод точки нулевого момента (Zero Moment Point, ZMP, предложенный М. Вукобратовичем в 1968 г.). Метод не может быть эффективно использован в системах управления шагающих роботов в реальном времени [64], поскольку необходимо заранее рассчитывать паттерны перемещения робота. Данный недостаток ZMP связан с нелинейностями моделей и вычислительной сложностью задач управления [140, 189]. Более современным подходом к энергооптимальному планированию перемещения механических систем, в том числе шагающих двуногих роботов, является метод гибридной нулевой динамики (Hybrid Zero Dynamics, HZD). Основной идеей HZD является задание виртуальных ограничений для создания предельного цикла в пространстве состояний робота. Практическим недостатком HZD являются высокие требования к точности измерения характеристик системы: при возникновении нелинейных эффектов, связанных с износом оборудования, возникновением люфтов, изменением характеристик вязкого трения, стабилизация робота без использования вспомогательных мехатронных стабилизирующих устройств становится невозможной. Надо отметить, что те же проблемы имеют место и при управлении шагами робототехнических конструкций, построенных по типу перемещения животных (прыжки кенгуру, шаги страуса и проч.). Также имеют место значительные затраты, сильно превышающие допустимые для области практического применения и приемлемую стоимость изготовления.

Одним из разработанных небионических мехатронных технических подходов к стабилизации мобильных конструкций является использование гиродинов или маховиков: в задаче обеспечения боковой устойчивости автомобилей, мотоциклов; в авиации; при борьбе с качкой судна при морском волнении; при ориентировании и стабилизации искусственных спутников Земли и пр. Для использования необионической стабилизации на основе гиродинов и маховиков в составе дополнительных контуров управления, для обеспечения управляемости двуногим шагающим роботом

в заданных условиях функционирования, для расширения возможностей по повышению эффективности управления по заданным критериям качества и формализации разрешимых задач синтеза оптимального управления требуется разработка соответствующих методов управления и моделирования, учитывающих особенности движения двуногих шагающих роботов.

Таким образом, диссертация посвящена решению актуальных задач разработки проблемно-ориентированных методов моделирования и управления для стабилизации двуногих шагающих роботов за счет разработки небионических мехатронных стабилизирующих модулей, обеспечивающих заданные требования к качеству управления.

Степень разработанности темы. Несмотря на значительный исторический период существования и развития мобильных роботизированных технических систем со второй половины XIX века от стопоходящего механизма П. Чебышёва до луноходов и мобильных промышленных, сельскохозяйственных роботов, главной задачей практической эксплуатации мобильных роботизированных систем является разработка систем стабилизации для поддержания их устойчивости при перемещении в соответствии с заданными критериями качества. Надежные результаты в этой области были получены в последние десятилетия.

Существуют разработки, выделяющие в конструкциях самостабилизирующиеся платформы, например, оснащенной датчиками положения и ускорения [188]. Стабилизация робота осуществляется с помощью инерционного буфера. Использование такого подхода, однако, не позволяет решить задачу обеспечения динамически устойчивого передвижения робота в условиях стохастических импульсных воздействий. Имеются подходы к моделированию, основанные на использовании линеаризации исходной нелинейной динамической модели робота с применением кинематической модели робота [56]. Линеаризация динамической модели шагающего робота не всегда позволяет достичь

практически эффективной стабилизации, необходимой для осуществления динамически устойчивой ходьбы робота. Известно использование набора искусственных мускулов на ногах шагающей конструкции. Например, робот Athlete [135] имеет семь наборов искусственных мускулов, приводимых в действие шестью пневматическими цилиндрами. Получение информации о положении и состоянии робота осуществляется с помощью контактных датчиков и тензорезисторов на ногах изделия. Существуют конструкции, включающие датчики положения конечностей: робот BigDog компании Boston Dynamics с системой стабилизации, включающей гироскоп, акселерометры; также известны разработки, например, М. Н. Магомедова, где предлагается использовать тактильные датчики. Отдельным направлением исследований является разработка телеоператорных роботов, управляемых человеком удаленно посредством воссоздания роботом движений оператора. К системам такого типа можно отнести SAR-400 НПО «Андроидная техника».

Идея использования небионической стабилизации базируется на успешном опыте применения мехатронных устройств для стабилизации в различных технических приложениях, таких как система предотвращения переворачивания больших транспортных средств с помощью маховика [191]; система ориентирования космических аппаратов; система гироскопической стабилизации для судна [43, 81, 177].

Применение маховиков в качестве основы системы стабилизации роботов реализовано также в робототехнической системе Cubli [83, 84]. Однако в системах, развивающих идеи Cubli, не проработаны вопросы моделирования и использования иных небионических принципов стабилизации роботов, как и не проработаны вопросы применения стабилизации маховиками именно шагающих роботов.

Таким образом, разработка методик моделирования и повышения эффективности управления двуногих шагающих робототехнических систем

на основе небионической стабилизации является задачей, имеющей важное прикладное и теоретическое значение.

Цель диссертационного исследования: разработка методов управления двуногими шагающими робототехническими системами на основе решения задач стабилизации с использованием небионических мехатронных конструкций.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Аналитический обзор систем автоматического управления шагающими робототехническими системами.

2. Формирование формализованных способов оценки и критериев эффективности функционирования двуногих шагающих робототехнических систем на основе стабилизации с использованием небионических мехатронных конструкций.

3. Разработка метода небионической стабилизации проблемно-ориентированной системы управления шагающих робототехнических конструкций.

4. Стабилизация системы в условиях системной ошибки, вызванной ошибкой датчика положения, либо нелинейностями, вызванными износом механических деталей конструкции, либо изменением центра масс и момента инерции в процессе функционирования.

5. Синтез управления и исследование условий и ограничений стабилизации шагающего робота с помощью гиродина.

6. Применение интеллектуальных методов для разработки проблемно-ориентированных систем управления в технических системах с использованием метода небионической стабилизации.

8. Имитационное моделирование системы стабилизации шагающего

робота.

9. Применение методов и алгоритмов моделирования и повышения эффективности функционирования двуногих шагающих

робототехнических систем на основе решения задач стабилизации с использованием небионических мехатронных конструкций.

10. Анализ результатов.

Объект исследования: системы и критерии эффективности управления динамически-сложными техническими системами.

Предмет исследования: методы моделирования и управления в задачах стабилизации двуногих шагающих роботов с использованием небионических мехатронных систем.

Методы исследования: использованы методы системного анализа, математической теории управления, мехатроники, аналитической механики, интеллектуального анализа данных, численных методов.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке методов управления двуногими шагающими робототехническими системами на основе решения задач стабилизации с использованием небионических мехатронных конструкций, в том числе:

1) разработан метод небионической стабилизации мехатронными устройствами (маховиками, гиродинами) двуногих шагающих робототехнических систем на основе линеаризованных моделей, обеспечивающий заданные требования к перемещению, маневренности, энергоэффективности и быстродействию;

2) разработана методика моделирования и оценки эффективности небионической стабилизации двуногих шагающих робототехнических систем, использующая в качестве критерия эффективности значения угла отклонения конструкции от положения равновесия, при котором обеспечивается управление в заданных конструктивных особенностях;

3) разработан метод наблюдения корректного положения равновесия при наличии постоянного смещения при ходьбе с небионической стабилизацией на основе вспомогательного мехатронного устройства в условиях системной ошибки, вызванной ошибкой датчика положения либо нелинейностями, вызванными износом механических деталей конструкции,

либо изменением центра масс и момента инерции в процессе функционирования;

4) разработаны методики проектирования систем управления исполнительными механизмами при небионической стабилизации на основе интеллектуальных методов;

5) разработана методика имитационного моделирования в условиях ограничений на изменение параметров, обеспечивающих требуемое качество управления, определяемое маневренностью робототехнической системы.

Достоверность и обоснованность научных результатов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, основаны на корректном использовании математической теории управления, теории дифференциальных уравнений, аналитической механики, на использовании вычислительно надежных методов, на экспериментальном исследовании на стендах и опытных образцах, а также основана на апробации и обсуждении результатов на международных научных конференциях и семинарах, рецензировании, подтверждается экспертизой научных статей, опубликованных в ведущих научных изданиях.

Теоретическая и практическая значимость исследования. Внедрение. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет» в рамках преподавания дисциплины «Введение в робототехнику».

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России по государственному заданию № 8.2321.2017/ПЧ «Разработка и адаптация систем управления компенсацией динамических отклоняющих воздействий на мобильные объекты, находящиеся в состоянии динамического равновесия». Результаты работы внедрены в ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», ФГУП Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро РАН, АО «Концерн «Калашников», ООО

«НЕЙРОЛАБ», ООО «ТСВК», ОАО «766 УПТК», что подтверждается актами, приведенными в приложении 3 диссертации.

Соответствие паспорту специальности 05.13.01. Диссертация направлена на разработку методов решения задач анализа, моделирования, создания контура управления с небионическими стабилизирующими устройствами, обеспечивающими повышение эффективности функционирования объектов исследования — управляемых мобильных робототехнических конструкций , что соответствует формуле специальности 05.13.01. Область исследования соответствует пп.: «3. Разработка критериев и моделей описания и оценки эффективности решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации»; «9. Разработка проблемно-ориентированных систем управления, принятия решений и оптимизации технических объектов»; «10. Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических системах».

Апробация результатов и публикации. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на более 30 международных и всероссийских конференциях и семинарах, выставках и салонах:

- 26, 28 международная научно-техническая конференция «Экстремальная робототехника», (2015, 2017, Санкт-Петербург);

- 47st, 50th International Symposium On Robotics (ISR 2016, ISR 2018), (2016, 2018, Мюнхен, Германия);

- 6th, 7th Seminar on Industrial Control Systems: Analysis, Modeling and Computation, (2016, 2017, Москва);

- Workshop on Contemporary Materials and Technologies in the Aviation Industry, (МАИ, 2016, 2017, 2018, 2019 гг., Москва);

- ICPE 2017 International Conference on Psychology and Education, 08-09 июня, 2017, ПИ РАО, Москва;

- XII Международная конференция по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли, 24-31 мая 2018 г., Алушта;

- 13th International Symposium on Intelligent Systems, INTELS 2018, (22-24 октября, 2018, ЛЭТИ, Санкт-Петербург);

- 8th IFAC Symposium on Mechatronic Systems (MECHATRONICS 2019) and the 11th IFAC Symposium on Nonlinear Control Systems (NOLCOS 2019), (4-6 сентября 2019, Вена, Австрия);

- XIV международная конференция по электромеханике и робототехнике «Завалишинские чтения» (17-20 апреля, 2019, ЮЗГУ, Курск);

- XIII Всероссийское совещание по проблемам управления (17-20 июня, 2019, ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН, Москва);

на других конференциях, выставках семинарах.

Результаты работы, внедрены в робототехнические конструкции, отмеченные на международных выставках и салонах дипломами и медалями.

Положения, выносимые на защиту.

1. Разработка проблемно-ориентированной системы управления и метода небионической стабилизации мехатронными устройствами (маховиками, гиродинами) двуногих шагающих робототехнических систем на основе линеаризованных моделей. Использование метода обеспечивает вычислительно-надежное решение задач управляемости, устойчивости, синтеза линейно-квадратичных и ПИД-регуляторов. Экспериментально на ряде конструкций подтверждено, что метод небионической стабилизации эффективно удовлетворяет заданным требованиям к перемещению, маневренности, энергоэффективности и быстродействию. Для систем, стабилизируемых по методу небионической стабилизации, достигается значение Cost of Transportation (CoT) 1,0021.

2. Методика моделирования и оценки эффективности функционирования небионической стабилизации двуногих шагающих

робототехнических систем, использующая в качестве критерия эффективности значения угла отклонения от положения равновесия, при котором обеспечивается управление в заданных конструктивных особенностях. Применение введенного критерия позволяет производить оценку различных вариантов реализаций систем управления и решать задачи синтеза управления, обеспечивающие требования к типу и форме ходьбы, такие как высота преодоления препятствий, скорость передвижения, угол поворота. Использование угла отклонения от положения равновесия в качестве единственного критерия эффективности понижает размерность фазового пространства робототехнической системы, с 7 координат до 1, обеспечивает высокую скорость синтеза систем управления и надежность полученных решений, достигается удешевление стоимости конструкции робототехнической системы за счет отказа от датчиков контакта с поверхностью.

3. Метод оценки смещения положения равновесия при ходьбе с небионической стабилизацией на основе вспомогательного мехатронного устройства в условиях системной ошибки, вызванной ошибкой датчика положения либо нелинейностями, вызванными износом механических деталей конструкции. Применение данного метода позволяет отказаться от учета нелинейных явлений при синтезе управления, а также обеспечить надежность управления в условиях износа робототехнической системы. Шумовая составляющая сигнала в обратной связи, вызываемая численным дифференцированием сигнала, уменьшена до нуля.

4. Методики проектирования систем управления исполнительными механизмами при небионической стабилизации на основе интеллектуальных методов. Направленный поиск коэффициентов регуляторов на основе генетических алгоритмов с разработанной в исследовании фитнес-функцией, использующей введенный критерий эффективности (п. 2), обеспечивает решение задачи синтеза управления небионической стабилизацией за 50 итераций генетического алгоритма.

Применение адаптивных нейро-нечетких регуляторов обеспечивает гладкость первой и второй производной вектора управления сервомоторами в суставах робототехнической системы, для обучения искусственной нейронной сети регулятора по разработанной методике достаточно 3 эпох с получением величины ошибки обучения на контрольных данных.

5. Методика имитационного моделирования в условиях ограничений на изменение параметров, обеспечивающих требуемое качество управления, определяемое маневренностью робототехнической системы, позволяющая проводить оценку влияния принятых модельных допущений на качество функционирования и быстродействия отдельных узлов и различных вариантов интеграции шагающих конструкций. Использование методики имитационного моделирования позволяет сократить количество исследуемых вариантов проектирования узлов робототехнической системы за счет ограничений на изменение параметров для обеспечение требуемого качества управления. Срок разработки стабилизированных систем исследуемого типа сокращается в несколько раз.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 41 работе, из них 28 — в изданиях, включенных в перечень рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК, имеется 5 свидетельств о регистрации РИД.

Личный вклад соискателя в получение результатов, изложенных в диссертации. Все результаты и положения, составляющие основные результаты, выносимые на защиту, получены автором. В работах без соавторов [20, 21] изложен метод небионичекой стабилизации шагающих роботов на основе мехатронных устройств. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад Рядчикова И.В. состоит в выборе критерия эффективности систем стабилизации шагающих роботов [8, 152], в разработке теоретических основ небионической стабилизации, включающих методику моделирования и оценки эффективности функционирования небионической стабилизации двуногих

шагающих робототехнических систем, определяющую условия синтеза управления [22, 23, 27, 28, 31, 38, 54, 155, 158, 156, 159]; в методе оценки смещения положения равновесия при ходьбе с небионической стабилизацией на основе вспомогательного мехатронного устройства в условиях системной ошибки датчика угла [1, 51]; в методике синтеза управления шагающей конструкцией с помощью гиродина [2, 153]; в интеллектуальных методиках синтеза управления [3, 9, 24, 145, 148]; в методиках исследования численных решений и имитационного моделирования систем управления [25, 26, 29, 30, 32, 148, 154], в методах обработки информации в реализации систем управления [33, 37, 75, 149, 151, 157, 160, 161, 170]. Автор лично формулировал постановку целей и задач исследования и лично принимал участие в разработке и апробации систем управления шагающими роботами. Все результаты доведены до практической реализации на экспериментальных стендах и промышленных образцах шагающих роботов, что потребовало привлечения инженеров, конструкторов, материаловедов, специалистов по вычислительной математике, являющихся соавторами публикаций, внесших вклад в реализацию конструкций роботов, что не является предметом рассмотрения специальности 05.13.01 и не относится к защищаемым положениям.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, списка основных терминов, 8 глав, глоссария, списка использованной литературы из 194 наименований, 4 приложений. Общий объем работы составляет 318 страниц.

В главе 1 «Аналитический обзор систем автоматического управления шагающими робототехническими системами» выполнен критический анализ методов моделирования и повышения эффективности управления двуногих шагающих робототехнических систем.

В главе 2 «Исследование условий и ограничений стабилизации шагающего робота с помощью сустава» разработана технология моделирования и методики оценки эффективности функционирования

двуногих шагающих робототехнических систем на основе введения критерия оценки эффективности стабилизации с использованием небионических мехатронных конструкций. В качестве критерия оценки эффективности функционирования двуногой шагающей робототехнической системы используется поиск областей изменения наблюдаемых параметров, обеспечивающих стабилизацию.

В главе 3 «Метод небионической стабилизации шагающих конструкций на основе маховика» сформулирована методика моделирования и поиска диапазона значений угла отклонений, обеспечивающего стабилизацию в заданных условиях функционирования.

В главе 4 «Стабилизация системы маховиком в условиях системной ошибки в показаниях датчика угла отклонения» рассмотрено решение задачи проектирования системы автоматического управления в условиях ограничений на изменения параметров, обеспечивающих требуемое качество управления на примере стабилизации одномерного обратного маятника с помощью проектирования LQR-регулятора при наличии небионической стабилизации на основе вспомогательного мехатронного устройства - маховика при отклонении обратного маятника на заданный угол от положения равновесия при наличии системной ошибки, вызванной ошибкой датчика положения либо нелинейностями, вызванными износом механических деталей конструкции шагающего робота.

В главе 5 «Исследование условий и ограничений стабилизации шагающего робота с помощью гиродина» рассмотрена методика моделирования и управления небионической стабилизацией шагающей конструкции с помощью гиродина и ее экспериментальная реализация.

В главе 6 «Применение интеллектуальных методов для синтеза управления небионической стабилизации» рассмотрены вопросы использования современных подходов к решению задач регулирования.

В главе 7 «Имитационное моделирование системы стабилизации шагающего робота» осуществлена разработка алгоритмов управления

шагающими конструкциями на основе использования небионических мехатронных конструкций.

В главе 8 «Применение методов и алгоритмов моделирования и повышения эффективности функционирования двуногих шагающих робототехнических систем на основе решения задач стабилизации с использованием небионических мехатронных конструкций» рассмотрены опытные образцы шагающих робототехнических систем, в которых реализованы разработанные методики небионической стабилизации.

В Приложении 1 приведена кинематическая схема шасси неантропоморфного двуногого робота AnyWalker.

В Приложении 2 представлены авторские свидетельства и патенты.

В Приложении 3 приведены акты о внедрении результатов диссертационного исследования на промышленных предприятиях и использовании результатов в учебном процессе.

В Приложении 4 приведены сведения о представлении результатов исследования на международных выставках и салонах изобретений.

Глава 1. Аналитический обзор систем автоматического управления шагающими робототехническими системами

В главе выполнен критический анализ методов моделирования и повышения эффективности управления двуногих шагающих робототехнических систем. В разделе 1.1 рассмотрена иерархия уровней управления в системах автоматического управления шагающими робототехническими системами и подходы к разработке алгоритмов управления двуногими системами. В разделе 1.2 осуществлен анализ применимости алгоритмов планирования перемещения к задаче синтеза траектории перемещения. В разделе 1.3 изучены подходы к повышению качества управления двуногими шагающими робототехническими системами за счет разработки наблюдателей полного механического состояния. Выявлены ограничения данного подхода, требующие оснащения робота небионической стабилизацией. В разделе 1.4 рассмотрены применения распределенных вычислений в системах автоматического управления шагающими роботами. Выявлены ограничения данного подхода.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Рядчиков Игорь Викторович, 2020 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Арановский С. В., Бирюк А. Э., Никульчев Е. В., Рядчиков И. В., Соколов Д. В. Синтез наблюдателя в задаче стабилизации обратного маятника с учетом ошибки в датчиках положения // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2019. № 2. С. 145-153.

2. Бабешко В. А., Евдокимова О. В., Бабешко О. М., Рядчиков И. В. Метод проектирования неоднородных материалов и блочных конструкций // Доклады Академии наук. 2018. Т. 482. № 4. С. 398-402.

3. Бабешко В. А., Евдокимова О. В., Бабешко О. М., Федоренко А. Г., Рядчиков И. В., Лозовой В. В., Горшкова Е. М. О блочных элементах в моделировании сложных структур и объектов // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2010. № 1. С. 13-25.

4. Германский центр авиации и космонавтики, официальный сайт, описание направления исследований в области шагающих роботов [Электронный ресурс]. Электрон. док. - Режим доступа: http://www.dlr.de/rmc/rm/en/desktopdefault.aspx/tabid-6838/.

5. Голубев Ю. Ф. Основы теоретической механики. Учебник. - М.: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 2000.

6. Гришин А.А. Ленский А.В., Охоцимский Д.Е., Панин Д.А., Формальский А.М. О синтезе управления неустойчивым объектом. Перевернутый маятник // Известия РАН. Теория и системы управления. 2002. № 5. С. 14-24.

7. Гришин А.А. Ленский А.В., Охоцимский Д.Е., Панин Д.А., Формальский А.М. О синтезе управления неустойчивым объектом. Перевернутый маятник // Известия РАН. Теория и системы управления. 2002. № 5. С. 14-24.

8. Гусев А. А., Никульчев Е. В., Рядчиков И. В., Соколов Д. В. Синтез и исследование модели глобального экспоненциально-устойчивого

наблюдателя угловой скорости для обратного маятника с маховиком // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2018. № 3 (43). С. 129-137.

9. Гусев А.А., Рядчиков И.В., Сеченев С.И., Прутский А.С. Реализация генетического алгоритма для поиска эффективного выбора компонентов при разработке распределенной программной системы, состоящей из обособленных компонентов / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019660024. 29.06.2019.

10. «Дорожная карта» для роботов US [Электронный ресурс]. - Электрон. док. - Режим доступа: http://iacobsschool.ucsd.edu/contextualrobotics/docs/rm3-final-rs.pdf.

11. Исследование по вопросу о конкурентоспособности рекреационного морского сектора [Электронный ресурс]. - Электрон. док. - Режим доступа:

https://www.google.ru/url?sa=t&rct=i&q=&esrc=s&source=web&cd=1&c ad=ria&uact=8&ved=0ahUKEwi%3A%2F%2Fec.europa.eu%2FDocsRoo m%2Fdocuments%2F 15043%2Fattachments%2F 1%2Ftranslations%2Fen %2Frenditions%2Fnative&usg=AFQiCNHyDrp4BKSgrvPORorSkfm7UG GigA&sig2=EsoKPcU2Y.

12. Как южнокорейский робот побеждал в робототехнических соревнованиях DARPA [Электронный ресурс]. - Электрон. док. -Режим доступа: http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/how-kaist-drc-hubo-wondarpa-robotics-challenge.

13. Китай строит армию роботов типовых рабочих [Электронный ресурс]. - Электрон. док. - Режим доступа: https://www.technologyreview.com/s/601215/china-is-building-a-robot-army-ofmodel-workers/.

14. Компоновка, моделирование и стабилизация обратного маятника с маховиком путем изменения момента силы [Электронный ресурс]. -Электрон. док. - Режим доступа: http://web.eng.ucsd.edu/mae/groups/callafon/publications/2009/SYSID09 1.pdf.

15. Кубли: трехмерный обратный маятник на маховиках [Электронный ресурс] - Электрон. док. - Режим доступа: http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/prost/proceedings/ecc-2013/data/papers/0829.pdf96.

16. Ли Э. Б., Маркус Л. Основы теории оптимального управления. М.: Наука, 1972.

17. Нелинейный анализ и управление трехмерным обратным маятником, построенным на маховиках [Электронный ресурс]. - Электрон. док. -https://pdfs.semanticscholar.org/2892/b295aa3a824851b415460002f3d61c 4f0689.pdf.

18. Обзор технологий Schaft от Boston Commons [Электронный ресурс]. -Электрон. док. - Режим доступа: http://www.bostoncommons.net/schaft-robot/.

19. Решмин C. А., Черноусько Ф. Л. Оптимальное по быстродействию управление перевернутым маятником в форме синтеза // Известия РАН. Теория и системы управления. 2006. № 3. С. 51-62.

20. Рядчиков И. В. Метод небионической стабилизации двуногих шагающих робототехнических систем // International Journal of Open Information Technologies. 2019. № 11. С. 20-25.

21. Рядчиков И. В. Разработка системы стабилизации шагающего робота на основе обратного маятника с тремя степенями свободы // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. 2018. № 4 (44). С. 89-103.

22. Рядчиков И. В., Бубнов Г. Г., Плужник Е. В., Сеченев С. И. Двуногий шагающий робот / Патент на полезную модель РФ № 164528 RU. Заявка 14.12.2005. Опубл. 10.09.2016.

23. Рядчиков И. В., Бубнов Г. Г., Плужник Е. В., Сеченев С. И. Устройство для стабилизации положения объемного тела в пространстве с силовой компенсацией отклоняющих воздействий / Патент на полезную модель РФ № 160949 RU. Заявка 14.12.2005. Опубл. 10.09.2016.

24. Рядчиков И. В., Гусев А. А., Сеченев С. И. Динамическая стабилизация шагающего робота с помощью генетического алгоритма // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2018. Т. 7. № 4 (44). С. 14-18.

25. Рядчиков И. В., Гусев А. А., Сеченев С. И., Никульчев Е. В. Генетический алгоритм поиска параметров ПИД-регуляторов системы стабилизации шагающего робота // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 2019. № 1(124). С. 52-60.

26. Рядчиков И. В., Мамелин Ю. В. Очувствление робототехнических систем, методика распознавания поверхности // Евразийский союз ученых. 2015. № 4-12 (13). С. 85-87.

27. Рядчиков И. В., Никульчев Е. В., Сеченев С. И., Синица С. Г., Большаков А. В., Фешин А. А., Алотаки А. М., Смирнов А. Н., Волкодав П. П. Проектирование и управление самостабилизирующего шагающего робота AnyWalker // Экстремальная робототехника. 2017. № 1. С. 344352.

28. Рядчиков И. В., Свидлов А. А., Бирюк А. Э., Сеченев С. И., Гусев А. А., Никульчев Е. В. Исследование решения задач стабилизации линеаризованной модели робота типа «Акробот» // Оо^ойшепсе. 2019. Т. 6. № 1. С. 169-185.

29. Рядчиков И. В., Сеченев С. И., Михальков Н. В., Бирюк А. Э., Свидлов А. А., Гусев А. А., Соколов Д. В., Никульчев Е. В. Синтез линейно-квадратичного регулятора для стабилизации обратного маятника

гиродином при переносе положения равновесия // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2019. № 68. С. 8389.

30. Рядчиков И. В., Сеченев С. И., Русаков А. М., Никульчев Е. В. Модельное исследование и реализация стабилизирующего комплекса шагающего робота AnyWalker // Cloud of Science. 2018. Т. 5. № 3. С. 498-515.

31. Рядчиков И. В., Сеченев С. И., Свидлов А. А., Бирюк А. Э., Прутский А. С., Гусев А. А., Никульчев Е. В. Разработка конструкции шагающего робота Anywalker // XIII Всероссийское совещание по проблемам управления ВСПУ-2019 : Труды / Под общ. ред. Д. А. Новикова. — М.: ИПУ РАН, 2019. C. 1215-1219.

32. Рядчиков И. В., Синица С. Г., Брагин Б. О., Шепилов В. В., Пузановский К. В. Создание робота автономного движения по линии // Технические науки: проблемы и перспективы: Материалы III Международной научной конференции. — СПб., 2015. С. 19-25.

33. Рядчиков И. В., Синица С. Г., Сеченев С. И., Мамелин Ю. В., Гусев А. А., Прутский А. С. Программа стабилизации неантропоморфного робота с внешним вычислителем на базе ROS и Matlab Simulink / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018666915. 24.12.2018.

34. Савин С. И., Ворочаева Л. Ю. Методы управления движением шагающих внутритрубных роботов // Cloud of Science. 2018. Т. 5. № 1. С. 163-195.

35. Самойлов Л. К. Классический метод учета влияния временных задержек сигналов в устройствах систем управления // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2016. -№ 4 (177).

36. Сильные и слабые стороны моделирования человеческой ходьбы методом обратного маятника [Электронный ресурс]. - Электрон. док. -

Режим доступа:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0966636214007498.

37. Синица С. Г., Рядчиков И. В., Волкодав П. П., Данилов А. С., Мамелин Ю. В., Прутский А. С., Алотаки А. М., Свидлов А. А., Сеченев С. И., Усманова А. Т., Шуткин И. Ю. Управление сервоприводами по протоколу Dynamixel / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018613397. 13.03.2018.

38. Синица С. Г., Сеченев С. И., Рядчиков И. В., Мамелин Ю. В. Разработка модели боевой робототехнической системы для участия в робототехнических соревнованиях // Экстремальная робототехника. 2015. № 1. С. 275-279.

39. Уилкинсон Д., Райнш К. Справочник алгоритмов на языке Алгол. - М.: Машиностроение, 1976.

40. Фантони И., Лозано Р. Нелинейное управление механическими системами с дефицитом управляющих воздействий. - М. - Ижевск: ООО «Компьютерная динамика», 2012.

41. Формалъский А. М. Управление движением неустойчивых объектов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 235 с.

42. Формалъский А. М. Управляемость систем с ограниченными ресурсами. - М.: Наука, 1974. - 368 с.

43. Adams J. D., McKenney S. W. Gyroscopic roll stabilizer for boats. U. S. Patent 6973847 B2, December 13, 2005.

44. Ahn SungHwan [и др.]. On-board odometry estimation for 3D vision-based SLAM of humanoid robot // Intelligent Robots and Systems (IROS), 2012 IEEE/RSJ International Conference on. - 2012. - P. 4006-4012.

45. Airbus plans to develop assembly line robots to work with humans. [Электронный ресурс]. - Электрон. док. -https://www. ft. com/content/c2d9eea0- 1072-11e6-91 da-096d89bd2173

46. Amanatiadis A. A multisensor indoor localization system for biped robots operating in industrial environments // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - [б.м.] : IEEE, 2016. - Vol. 63. - P. 7597-7606.

47. AN3371 Application Notes: документация [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_n ote/7a/9c/de/da/84/e7/47/8a/DM00025071.pdf/files/DM00025071.pdf/jcr:c ontent/translations/en.DM00025071.pdf. Дата обращения: 07.01.2019.

48. Anderson B. D. O., BitmeadR. R., Johnson C. R. et al. Stability of adaptive systems: Passivity and averaging analysis. - Cambridge: MIT Press, 1986.

49. Anderson B. D. O., Moore J. B. Optimal control: linear quadratic methods. -Courier Corporation, 2007.

50. Anderson S. O. [и др.]. Powered bipeds based on passive dynamic principles // 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots. - Tsukuba, Japan : IEEE, 2005.

51. Aranovskiy S., Biryuk A., Nikulchev E., Ryadchikov I., Sokolov D. Stabilization of the inverse pendulum with regard to the error in the position sensors // Journal of Computer and Systems Sciences International. 2019. V. 58. N. 2. P. 297-304.

52. Aranovskiy S., Ortega R., Romero J. G., Sokolov D. A Globally Exponentially Stable Speed Observer for a Class of Mechanical Systems: Experimental and Simulation Comparison with High-Gain and Sliding Mode Designs // International Journal of Control. 2017. P. 1-14. https://doi.org/10.1080/00207179.2017.1404130.

53. Astrom K. J., Wittenmark B. Computer-controlled systems: theory and design. - Courier Corporation, 2013.

54. Babeshko V. A., Evdokimova O. V., Babeshko O. M., Ryadchikov I. V. A method for the design of inhomogeneous materials and block structures // Doklady Physics.2018. V. 63. N. 10. P. 402-406.

55. Barraquand J., Latombe J.-C. Robot Motion Planning: A Distributed Representation Approach // The Internatioanal Journal of Robotics Research. - 1991. - № 6 : Vol. 10. - P. 628-649.

56. Bazylev D. N., Pyrkin A. A., Margun A. A., Zimenko K. A., Kremlev A. S., Ibraev D. D., Cech M. Approaches for stabilizing of biped robots in a standing position on movable support. Scientific and Technical Journal of Information Technologies. Mechanics and Optics. - vol. 15. - no. 3, pp. 418425, 2015.

57. Benavidez P. [u dp.]. Cloud-based realtime robotic visual SLAM // Systems Conference (SysCon), 2015 9th Annual IEEE International. - 2015. - P. 773777.

58. Booysen T., Marais S. The development of a remote controlled, omnidirectional six legged walker with feedback // In AFRICON 2013, 2013. P. 1-6.

59. Borrà J., Dollar A. M. (2012). Static analysis of parallel robots with compliant joints for in-hand manipulation. In 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 3086-3092.

60. Botea A. [u dp.]. Near optimal hierarchical path-finding // Journal of Game Development. - 2004. - № 1 : Vol. 1. - P. 1-30.

61. Boyd St., Vandenberghe L. Convex optimization. - [6.M.] : Cambridge university press, 2004.

62. Brooks R. A., Lozano-Perez T. A subdivision algorithm in configuration space for findpath with rotation // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. - 1985. - № 2 : Vol. SMC-15. - P. 224-233.

63. Bruce J. R., Veloso M. M. Safe multirobot navigation within dynamics constraints // Proceedings of the IEEE. - [6.M.] : IEEE, 2006. - Vol. 94. - P. 1398-1411.

64. Caballero R., Armada M. Zero Moment Point Modeling Using Harmonic Balance // Climbing and Walking Robots. - Springer: Berlin, Heidelberg. -Pp. 689-699.

65. Canny John F., Lin Ming C. An opportunistic global path planner // Algorithmica. - 1993. - № 2-4 : Vol. 10. - P. 102-120.

66. Chang D. E., McLenaghan R. G. Geometric criteria for the quasilinearization of the equations of motion of mechanical systems // IEEE Transactions on Automatic Control. 2013. Vol. 58. N. 4. P. 1046-1050.

67. Collins St. [и др.]. Efficient Bipedal Robots Based on Passive-Dynamic Walkers // Science. - 2005. - № 5712 : Vol. 307. - P. 1082-1085.

68. Collins St. H., Wisse M., Ruina A. A Three-Dimensional Passive-Dynamic Walking Robot with Two Legs and Knees // The International Journal of Robotics Research. - 2001. - № 7 : Vol. 20.

69. Dai H., Tedrake R. Optimizing robust limit cycles for legged locomotion on unknown terrain // IEEE 51st IEEE Conference on Decision and Control (CDC). - Maui, HI, USA : IEEE, 2012.

70. DARPA. Программа 2015 [Электронный ресурс]. - Электрон. док. -Специализированный научный портал Researchgate. - Режим доступа: https://www.researchgate.net/profile/Ilya_Klabukov/publication/27224495 0_Issledovatelskaa_programma_DARPA_na_2015_god_Review_of_DAR PA_FY_2015_Research_Programs/links/59da5443a6fdcc2aad 12a246/Issle dovatelskaa-programmaDARPA-na-2015-god-Review-of-DARPA-FY-2015-Research-Programs.pdf.

71. Davila J., Fridman L., Levant A. Second-order sliding-mode observer for mechanical systems // IEEE Transactions on Automatic Control. 2005. Vol. 50. N. 11. P. 1785-1789.

72. de Berg M. [и др.]. Computational Geometry: Algorithms and Applications. - Santa Clara, CA, USA : Springer-Verlag TELOS, 2008.

73. Deits R., Tedrake R. Computing Large Convex Regions of Obstacle-Free Space Through Semidefinite Programming // Algorithmic Foundations of Robotics XI . - 2015. - Vol. 107. - P. 109-124.

74. Deits R., Tedrake R. Footstep planning on uneven terrain with mixed-integer convex optimization // Humanoid Robots (Humanoids), 2014. 14th IEEE-RAS International Conference on. - 2014. - P. 279-286.

75. Deryugina O., Nikulchev E., Ryadchikov I., Sechenev S., Shmalko E. Analysis of the AnyWalker software architecture using the UML Refactoring tool // Procedia Computer Science. 2019. V. 150. P. 743-750.

76. Elson J., Girod L., Estrin D. Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts // ACM SIGOPS Operating Systems Review. -2002. - Т. 36(SI). - P. 147-163.

77. EPOS2 Positioning Controllers Application Notes: документация [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.maxonmotor.com/medias/sys_master/root/8823581507614/EP OS2-Application-Notes-Collection-En.pdf. Дата обращения: 07.01.2019.

78. Faraji S. [и др.]. Practical considerations in using inverse dynamics on a humanoid robot: Torque tracking, sensor fusion and Cartesian control laws. // Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ International Conference on. - 2015. - P. 1619-1626.

79. Ferguson D., Kalra N., Stentz A. Replanning with RRTs // Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference on. - 2006. - P. 1243-1248.

80. Feuer A., Goodwin G. Sampling in digital signal processing and control. -Springer Science & Business Media, 2012.

81. Filaretov V. F., Konoplin A. Yu, Konoplin N. Yu. Method of Synthesis of

Automatic Correction Systems of Underwater Vehicles Linear Displacements // Procedia Engineering. 2015. Vol. 100. P. 1434-1440.

82. Foxconn заменил 60 000 рабочих на роботов [Электронный ресурс]. -Электрон. док. - Режим доступа: http://www.bbc.com/news/technology-36376966.

83. Gajamohan M., Merz M., Thommen I., D'Andrea R. The Cubli: A cube that can jump up and balance // Intelligent Robots and Systems (IROS), 2012. IEEE/RSJ International Conference on. - IEEE, 2012. - С. 3722-3727.

84. Gajamohan M., Muehlebach M., Widmer T. D'Andrea R. The Cubli: A Reaction Wheel Based 3D Inverted Pendulum. - IMU, 2013 [Электронный ресурс]. - Электрон. док. - Режим доступа: http://folk.ntnu.no/skoge/prost/proceedings/ecc-2013/data/papers/0829.pdf

85. Garimort J, Hornung A, Bennewitz M. Humanoid navigation with dynamic footstep plans // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Shanghai, China: IEEE, 2011.

86. Geraerts R., Overmars M. H. Creating high-quality paths for motion planning // The International Journal of Robotics Research. - [б.м.] : Sage Publications Sage UK: London, England, 2007. - Vol. 26. - P. 845-863.

87. Goswami A. Postural Stability of Biped Robots and the Foot-Rotation Indicator (FRI) Point // The International Journal of Robotics Research. -1999. - № 6 : Vol. 18. - P. 523-533.

88. Goswami A. Walking Robots // Encyclopedia of Systems and Control. 2015. P. 1537-1548.

89. Griffin B., Grizzle J. Walking gait optimization for accommodation of unknown terrain height variations // American Control Conference (ACC). -Chicago, IL, USA : IEEE, 2015.

90. Grizzle J. W. [и др.]. Models, feedback control, and open problems of 3D bipedal robotic walking // Automatica. - 2014. - № 8 : Vol. 50. - P. 19551988.

91. Hamza M. et al. Real-time control of an inverted pendulum: A comparative study // 2011 Frontiers of Information Technology. - IEEE, 2011. - C. 183188.

92. Haupt R.L., Haupt S.E. Practical Genetic Algorithms. - 2nd Ed. - Hoboken: John Wiley & Sons Inc., 2004. - 253 p.

93. Hauser K. [u др.]. Motion planning for legged robots on varied terrain // The International Journal of Robotics Research. - [6.M.] : SAGE Publications Sage UK: London, England, 2008. - Vol. 27. - P. 1325-1349.

94. Herdt A. [u др.]. Online walking motion generation with automatic footstep placement // Advanced Robotics. - [6.M.] : Taylor & Francis, 2010. - Vol. 24. - P. 719-737.

95. Hirukawa H. [u др.]. Humanoid robotics platforms developed in HRP // Robotics and Autonomous Systems. - 2004. - № 4 : Vol. 48. - P. 165-175.

96. Hong S. [u др.]. Real-time walking pattern generation method for humanoid robots by combining feedback and feedforward controller // IEEE transactions on industrial electronics. - [6.M.] : IEEE, 2014. - Vol. 61. - P. 355-364.

97. Hornung A. [u др.]. OctoMap: an efficient probabilistic 3D mapping framework based on octrees // Autonomous Robots. - 2013. - № 3 : Vol. 34. - P. 189-206.

98. Jaillet L. [u др.]. Adaptive tuning of the sampling domain for dynamic-domain RRTs // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - Edmonton, Alta., Canada. : IEEE, 2005.

99. Kabanov A., Balabanov A. The modelling of an anthropomorphic robot arm, MATEC Web of Conferences, 224, 02034, 2018.

100. Kajita Sh. [h gp.]. A Hop towards Running Humanoid Biped // IEEE International Conference on Robotics & Automation. - New Orleans, LA : IEEE, 2004.

101. Kalman R. E., Bertram J. E. A unified approach to the theory of sampling systems // Journal of the Franklin Institute. - 1959. - T. 267. - №. 5. - C. 405436.

102. Kar D. C. Design of a statically stable walking robot: A review // Journal of Robotic Systems. Vol. 20. No. 11. P. 671-686.

103. Khalil H. K., Praly L. High-gain observers in nonlinear feedback control // International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2014. Vol. 24. N. 6. P. 993-1015.

104. Khalil H. K., Praly L. High-gain observers in nonlinear feedback control // International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2014. Vol. 24. N. 6. P. 993-1015.

105. Khatib Oussama. Real-Time Obstacle Avoidance for Manipulators and Mobile Robots // Autonomous Robot Vehicles. - 1986. - P. 396-404.

106. Kolter J. Zico, Rodgers Mike P., Ng Andrew Y. A Control Arhitecture for Quadruped Locomotion Over Rough Terrain // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Pasadena, CA, USA : IEEE, 2008. - P. 811-818.

107. Kopetz H. Event-triggered versus time-triggered real-time systems // Operating Systems of the 90s and Beyond. - Springer, Berlin, Heidelberg, 1991. - P. 86-101.

108. Kopetz H. Real-time systems: design principles for distributed embedded applications. - Springer Science & Business Media, 2011.

109. Korf R. E. Depth-first iterative-deepening: An optimal admissible tree search // Artificial Intelligence. - 1985 r. - № 1 : Vol. 27. - P. 97-109.

110. Krafes S., Chalh Z., Saka A. A Review on the Control of Second Order Underactuated Mechanical Systems // Complexity. - 2018. - Vol. 2018.

111. Kring A. W, ChampandardA. J., Samarin N. DHPA* and SHPA*: Efficient Hierarchical Pathfinding in Dynamic and Static Game Worlds // Sixth Artificial Intelligence and Interactive Digital Entertainment Conference. -[6.m.]: AAAI Publications, 2010.

112. Krtolica R. et al. Stability of linear feedback systems with random communication delays // International Journal of Control. - 1994. - T. 59. -№. 4. - C. 925-953.

113. Kuffner J. [u др.]. Online footstep planning for humanoid robots // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Taipei, Taiwan : IEEE , 2003.

114. Kuindersma S. [u др.]. Optimization-based locomotion planning, estimation, and control design for the atlas humanoid robot // Autonomous Robot. -2016. - № 3 : Vol. 40. - P. 429-455.

115. Kuo A. D. Choosing Your Steps Carefully // IEEE Robotics & Automation Magazine. - 2007. - № 2 : Vol. 14. - P. 18-29.

116. Kuo A. D. Energetics of Actively Powered Locomotion Using the Simplest Walking Model // Journal of Biomechanical Engineering. - 2001. - № 1 : Vol. 124. - P. 113-120.

117. Kuo A. D. Stabilization of Lateral Motion in Passive Dynamic Walking // The International Journal of Robotics Research. - 1999. - № 9 : Vol. 18. - P. 917-930.

118. Kwon SangJoo, Oh Yonghwan. Estimation of the center of mass of humanoid robot // Control, Automation and Systems, 2007. ICCAS'07. International Conference on. - 2007. - P. 2705-2709.

119. Lanari L, Hutchinson S., Marchionni L. Boundedness issues in planning of locomotion trajectories for biped robots // IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots. - Madrid, Spain : IEEE, 2014.

120. LaValle Steven M. Planning Algorithms. - New York : Cambrige University Press, 2006.

121. Li Tsai-Yen, Shie Yang-Chuan. An incremental learning approach to motion planning with roadmap management // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Washington, DC, USA : IEEE , 2002.

122. Liu G. H, Lin, H. Y, Lin, H. Y, Chen, S. T, Lin, P. C. (2013). Design of a kangaroo robot with dynamic jogging locomotion. In 2013 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), pp. 306-311.

123. Liu H., Liu W., Latecki L. J. Convex shape decomposition // IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. - San Francisco, CA, USA : IEEE, 2010. - P. 97-104.

124. Lofaro Daniel M., Asokan Arvin, Roderick Edward M. Feasibility of cloud enabled humanoid robots: Development of low latency geographically adjacent real-time cloud control // Humanoid Robots (Humanoids), 2015 IEEE-RAS 15th International Conference on. - 2015. - P. 519-526.

125. Luck R., Ray A. An observer-based compensator for distributed delays //Automatica. - 1990. - T. 26. - №. 5. - C. 903-908.

126. Luo Ren C., Kay Michael G. A tutorial on multisensor integration and fusion. // Industrial Electronics Society, 1990. IEC0N'90. 16th Annual Conference of IEEE. - 1990. - P. 707-722

127. Magomedov M. N. Method of controlling stabilization of walking robot. Russian Federation Patent 2507061 C2, February 20, 2014.

128. Mall R. Real-time systems: theory and practice. - Pearson Education India, 2009.

129. Manchester Ian R. [u dp.]. Stable dynamic walking over uneven terrain // The International Journal of Robotics Research. [6.M.] : SAGE Publications Sage UK: London, England. - 2011. - Vol.30 - P. 265-279.

130. McCall J. Genetic algorithms for modelling and optimization // Journal of Computational and Applied Mathematics. - 2005. - Vol. 184. - N° 1. - P. 205222.

131. McGeer Tad. Passive dynamic walking // The Unternatioanl Journal of Robotics Research. - 1990. - № 2 : Vol. 9. - P. 62-82.

132. McGeer Tad. Stability and control of two-dimensional biped walking. -Burnaby, British Columbia, Canada : Simon Fraser University - 1988.

133. Muehlebach M. R. D'Andrea: Nonlinear analysis and control of a reaction-wheel-based 3-d inverted pendulum. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 25(1) P.235-246, Jan 2017.

134. Nguyen Quan [u dp.]. Dynamic Walking on Randomly-Varying Discrete Terrain with One-step Preview // Robotics: Science and Systems. -Cambridge, MA, USA : [6.H.], 2017.

135. Niiyama R., Nishikava S., Kuniyoshi Y. Biomechanical Approach to Open-Loop Bipedal Running with a Musculoskeletal Athlete Robot, Advanced Robotics, vol. 26, issue 3-4, pp. 383-398, 2012.

136. Nilsson J. et al. Real-time control systems with delays. - 1998.

137. Pfeiffer F, Loffler K, Gienger M. The concept of jogging JOHNNIE // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Washington, DC, USA : IEEE, 2002.

138. Pluzhnik E., Nikulchev E., Payain S. Optimal control of applications for hybrid cloud services // Services (SERVICES), 2014 IEEE World Congress on. - IEEE, 2014. - P. 458-461.

139. Pratt J. E. u Tedrake R. Velocity-Based Stability Margins for Fast Bipedal Walking // Fast Motions in Biomechanics and Robotics. - 2006. - Vol. 340. - P. 299-324.

140. Qinghua Li, Takanishi A., Kato I. A biped walking robot having a ZMP measurement system using universal force-moment sensors // Proceedings IROS 91:IEEE/RSJ International Workshop on Intelligent Robots and Systems. - Vol. 3. - P. 1568-1573.

141. Rahman Akhlaqur [u dp.]. A cloud robotics framework of optimal task offloading for smart city applications // Global Communications Conference (GLOBECOM), 2016 IEEE. - 2016. - P. 1-7.

142. Rahman Akhlaqur [u dp.]. Motion and Connectivity Aware Offloading in Cloud Robotics via Genetic Algorithm // GLOBECOM 2017-2017 IEEE Global Communications Conference. - 2017. - P. 1-6.

143. Raibert M., Blankespoor K., Nelson G., Playter R. BigDog, the Rough-Terrain Quadruped Robot, IFAC Proceedings Volumes, vol. 41, issue 2, pp. 10822-10825, 2008.

144. Raibert Marc H. Legged robots that balance. - Cambrige, Massachusetts : The MIT Press, 1986.

145. Riadchykov I., Sechenev S., Sinitsa S., Nikulchev E. Constructive solution of the robotic chassis AnyWalker // ITM Web of Conferences. 2016. Vol. 6. P. 01003.

146. Romero J. G., Ortega R. Two globally convergent adaptive speed observers for mechanical systems // Automatica. 2015. Vol. 60. P. 7-11.

147. ROS Computation Graph Level [Электронный ресурс]. - Электрон. док. -Режим доступа: http://wiki.ros.org/ROS/Concepts#ROS_Computation_Graph_Level.

148. Ryachikov I. V., Gusev A. A., Sechenev S. I., Prutskiy A. S, Nikulchev E. V. Genetic algorithm and simulation for selecting PID-controllers parameters in the walking robot // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. V. 476. P. 012023.

149. Ryadchikov I., BiryukA., Drobotenko М., Svidlov A., Rusakov A. Systematic school robotics education // European Proceedings of Social and Behavioural Sciences. 2018. V. 49. P. 588-593.

150. Ryadchikov I., Nikulchev E., Sechenev S., Drobotenko M., Svidlov A., Volkodav P., Feshin A. Development of robotic mobile platform with the universal chassis system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 312. P. 012021.

151. Ryadchikov I., Samkov A., Volchenko N., Drobotenko М., Biryuk A., Svidlov A. Research on microbial technologies for alternative energy in university educational process // European Proceedings of Social and Behavioural Sciences. 2018. V. 49. P. 594-598.

152. Ryadchikov I., Sechenev S., Drobotenko M., Svidlov A., Volkodav P., Vishnykov R., Sokolov D., Nikulchev E. Stabilization system of a bipedal

non-anthropomorphic robot AnyWalker // Journal of Engineering Science and Technology Review. 2018. V. 11. N. 5. P. 128-133.

153. Ryadchikov I., Sechenev S., Mikhalkov N., Biryuk A., Svidlov A., Gusev A., Sokolov D., Nikulchev E. Feedback Control with Equilibrium Revision for CMG-Actuated Inverted Pendulum // Proceeding of 14th International Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings". 2019. V. 154. P. 431-440.

154. Ryadchikov I., Sechenev S., Nikulchev E., Drobotenko M., Svidlov A., Volkodav P., Vishnykov R. Control and stability evaluation of the bipedal walking robot AnyWalker // International Review of Automatic Control. 2018. V. 11. N. 4. P. 160-165.

155. Ryadchikov I., Sechenev S., Sinitsa S., Svidlov A., Volkodav P., Feshin A., Alotaki A., Bolshakov A., Drobotenko M., Nikulchev E. Design and control of self-stabilizing angular robotics AnyWalker // International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2017. V. 8. N. 9. P. 29-34.

156. Ryadchikov I., Sechenev S., Svidlov A., Sinitsa S., Buskandze Z., Nikulchev E. AnyWalker: all-terrain robotic chassis // Proceedings of ISR 2016: 47st International Symposium on Robotics. - IEEE, 2016. P. 696-701.

157. Ryadchikov I., Sechenev S., Svidlov A., Sinitsa S., Nikulchev E. Development of a self-stabilizing robotic chassis for industry // MATEC Web of Conferences. 2017. V. 99. P. 02007.

158. Ryadchikov I., Sechenev S., Svidlov A., Sinitsa S., Volkodav P., Mamelin Yu., Popko K., Nikulchev E. Project-based integration of robotics platforms into educational process in universities // European Proceedings of Social and Behavioural Sciences. 2017. V. 33. P. 299-303.

159. Ryadchikov I., Sechenev S., Svidlov A., Sinitsa S., Volkodav P., Mamelin Yu., Popko K., Nikulchev E. Integration of robotics simulation programs into educational process in Kuban State University // European Proceedings of Social and Behavioural Sciences. 2017. V. 33. P. 304-309.

160. Ryadchikov I., Sokolov D., Biryuk A., Sechenev S., Svidlov A., Volkodav P., Mamelin Y., Popko K., Nikulchev E. Stabilization of a hopper with three reaction wheels // ISR 2018 - 50th International Symposium on Robotics, June 2018, Munich, Germany. - VDE, 2018. (https://ieeexplore.ieee.org/document/8470572).

161. Ryadchikov I.V., Sechenev S.I., Gusev A.A. Fuzzy logic controller for stabilization of biped robot gait // ITM Web of Conferences. 2018. V. 18. P. 01008.

162. Sakagami Y. [u dp.]. The intelligent ASIMO: system overview and integration. // IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. - Lausanne, Switzerland, Switzerland : IEEE, 2002.

163. Samakwong T. Wudhichai A. PID Controller Design for Electro-hydraulic Servo Valve System with Genetic Algorithm // Procedia Computer Science. - 2016. - Vol. 86. - P. 91 - 94.

164. Scianca N. [u dp.]. Gait generation via intrinsically stable MPC for a multi-mass humanoid model // IEEE-RAS 17th International Conference on Humanoid Robotics (Humanoids). - Birmingham, UK : IEEE, 2017.

165. Shahbazi M., Babuska R., Lopes G. A. (2016). Unified modeling and control of walking and running on the spring-loaded inverted pendulum. IEEE Transactions on Robotics, 32(5): 1178-1195.

166. Siciliano B., Khatib O. Handbook of robotics. - [6.M.] : Springer, 2016.

167. Sivrikaya F., Yener B. Time synchronization in sensor networks: a survey // IEEE network. - 2004. - T. 18. - №. 4. - C. 45-50.

168. Spong M. W. The swing up control problem for the acrobot // IEEE control systems. - 1995. - Vol. 15. - №. 1. - P. 49-55.

169. Stephens B. J. State estimation for force-controlled humanoid balance using simple models in the presence of modeling error // Robotics and Automation (ICRA), 2011 IEEE International Conference on. - 2011. - P. 3994-3999.

170. Sukharev R., Lukyanchikov O., Nikulchev E., Biryukov D., Ryadchikov I. Methods and tools for profiling and control of distributed systems // IOP

Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 312. P. 012024.

171. Sulaj P. [и др.]. Examples of Real-Time UAV Data Processing with Cloud Computing // Proceedings of the 23rd Conference of Open Innovations Association FRUCT. - 2018. - P. 76.

172. Szczecinski N. S., Hunt A. J., Quinn, R. D. Design process and tools for dynamic neuromechanical models and robot controllers // Biological cybernetics. 2017. Vol. 111. No. 1. P. 105-127.

173. Takenaka Toru, Matsumoto Takashi, Yoshiike Takahide. Real time motion generation and control for biped robot - 1-st report: Walking gait pattern generatio // Intelligent Robots and Systems, 2009. IROS 2009. IEEE/RSJ International Conference on. - 2009. - P. 1084-1091.

174. Tedeschi F., Carbone G. Design issues for hexapod walking robots // Robotics. 2014. Vol. 3. No. 2. P. 181-206.

175. Telegenov K., Tlegenov Y., Shintemirov A. A Low-Cost Open-Source 3-D-Printed Three-Finger Gripper Platform for Research and Educational Purposes. In IEEE Access, vol. 3, pp. 638-647, 2015. doi: 10.1109/ACCESS.2015.2433937.

176. Toshiba представляет робота, который может помочь при ядерной катастрофе [Электронный ресурс]. - Электрон. док. - Режим доступа: https://iapanco.wordpress.com/tag/toshiba-goro-yanase/.

177. TownsendN. C., Shenoi R. A. Control Strategies for Marine Gyrostabilizers. IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 39, issue 2, pp. 243-255, April 2014.

178. Venkatraman A., Ortega R., Sarras I., Van der Schaft A. Speed observation and position feedback stabilization of partially linearizable mechanical systems // IEEE Transactions on Automatic Control. 2010. Vol. 55. № 5. P. 1059-1074.

179. Vukobratovic M., Borovac B., Potkonjak V. ZMP: A review of some basic misunderstandings // International Journal of Humanoid Robotics. - 2006. -№ 2 : Vol. 3. - P. 153-175.

180. Wang H. et al. Design and simulation of LQR controller with the linear inverted pendulum // Electrical and Control Engineering (ICECE), 2010 International Conference on. - IEEE, 2010. - С. 699-702.

181. Wawrzynaski P., Mozaryn J., Klimaszewski J. Robust velocity estimation for legged robot using on-board sensors data fusion // Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 2013 18th International Conference on. - 2013. - P. 717-722.

182. Wensing P. M., Orin D. E. High-speed humanoid running through control with a 3D-SLIP model // Intelligent Robots and Systems (IROS), 2013 IEEE/RSJ International Conference on. - 2013. - P. 5134-5140.

183. Wermelinger M. [и др.]. Navigation planning for legged robots in challenging terrain // Intelligent Robots and Systems (IROS), 2016 IEEE/RSJ International Conference on. - 2016. - P. 1184-1189.

184. Wilamowski B. M., Irwin J. D. (ed.). Industrial communication systems. -CRC Press, 2016.

185. Wisse M., van der Linde Richard Q. Delft Pneumatic Bipeds. - Berlin : Springer - 2007.

186. Wittmann R. [и др.]. State estimation for biped robots using multibody dynamics // Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ International Conference on. - 2015. - P. 2166-2172.

187. Xiong X., Worgotter F., Manoonpong P. Adaptive and energy efficient walking in a hexapod robot under neuromechanical control and sensorimotor learning // IEEE transactions on cybernetics. 2016. Vol. 46. No. 11. P. 25212534.

188. Xuan X., Chen W., Ziyu Q., Jingyang L., Yang Y., Huaihang Z., Chunpeng W., Yibo Q., Jiamei L. Mobile service system based on self stabilization platform. Патент КНР 109099898 (A). 28 декабря 2018.

189. Yamaguchi J., Takanishi A., Kato I. Development of a Biped Walking Robot Compensating for Three-Axis Moment by Trunk Motion // Journal of the Robotics Society of Japan. 1994. Vol. 11. Issue 4. P. 581-586.

190. Yershova A. [u dp.]. Dynamic-Domain RRTs: Efficient Exploration by Controlling the Sampling Domain // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Barcelona, Spain : IEEE, 2005.

191. Yoshihiro S., Junhoi H., Masahiko A., Lin S., Takahata R., Mukaide N. Study on Rollover Prevention of Heavy-Duty Vehicles by Using Flywheel Energy Storage Systems, in Proc. FISITA 2012 World Automotive Congress, Beijing, 2012, pp. 693-701.

192. Zhao J., Liu Q., Schütz S., Berns K. (2014). Experimental verification of an approach for disturbance estimation and compensation on a simulated biped during perturbed stance. In 2014 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp. 5082-5087.

193. Zhou R., Hansen E. A. Memory-Bounded A* Graph Search // Fifteenth International Florida Artificial Intelligence Research Society Conference. -[6.M.] : AAAI Press, 2002. - P. 203-209.

194. Zhu D., Latombe J. Constraint reformulation in a hierarchical path planner // IEEE International Conference on Robotics and Automation. - Cincinnati, OH, USA : IEEE , 1990.

266

ГЛОССАРИЙ

Генетический алгоритм - эволюционный метод оптимизации, в котором использованы механизмы случайного подбора, комбинирования и вариации искомых параметров, вдохновленные процессом естественного отбора в живой природе. Решение оптимизационной задачи записывается в виде генотипа, т.е. вектора генов, где каждый ген является битом, десятичным числом или другим математическим объектом. При решении задачи настройки системы автоматического управления динамической стабилизацией генотип состоит из набора параметров регуляторов. В процессе работы генетического алгоритма случайным образом генерируется набор из N генотипов начальной популяции решений Р. Каждому генотипу st соответствует определенное значение функции приспособленности /, заданной исследователем. На основе значений функции приспособленности выбираются лучшие генотипы s'k и sk, к которым затем применяются генетические операторы - скрещивание (кроссинговер) и мутация, что приводит к появлению нового поколения решений, для которых указанная процедура повторяется. Процесс завершается после проведения определенного исследователем числа поколений эволюционного отбора, дающих одинаковый лучший в поколении результат приспособленности (критерий сходимости алгоритма) по исчерпании заданного числа поколений (независимо от сходимости) либо по истечении времени, отпущенного на генетический поиск.

Гибридная нулевая динамика (Hybrid Zero Dynamics, HZD) - достаточно популярный подход к поиску решения задачи периодического устойчивого движения для шагающих двуногих роботов, применяемая для создания алгоритма планировщика перемещения по поверхности, являющейся сильно неровной, - там, где невозможно обеспечить полноценное периодическое движение, т.к. ширина и высота шагов различаются.

Метод небионической стабилизации - метод стабилизации шагающих роботов, основанный на следующих положениях: а) в качестве объекта

управления используются линеаризованные модели; б) дополнительный контур стабилизации реализуется за счет мехатронных конструкций (маховика и/или гиродина); в) реализация систем управления осуществляется на основе линейно-квадратичных регуляторов; г) полученные решения дают возможность использования ПИД-регуляторов, реализованных в типовых моделях промышленных контроллеров; д) возможно теоретическое оценивание полученных решений на основе критерия, введенного в гл. 2.

Метод точки нулевого момента (Zero Moment Point, ZMP) - метод, направленный на удержание центра давления сил реакции опоры на механизм строго внутри периметра опоры. Использование данного подхода приводит к квазистатически устойчивой (плоская постановка стопы при шаге) ходьбе, не обеспечивая динамически стабильную ходьбу (такая ходьба иногда характеризуется как «управляемое падение»).

Методика поиска ПИД-регуляторов системы стабилизации шагающего робота с гиродином с помощью имитационного моделирования и эволюционных вычислений - методика, состоящая из следующих шагов:

1. Разработка имитационной модели системы стабилизации с помощью программных средств имитационного моделирования.

2. Выбор целевой функции (функции приспособленности) для численной оценки качества функционирования системы стабилизации с заданными коэффициентами регуляторов

3. Написание программы эволюционного поиска, взаимодействующей с имитационной моделью системы стабилизации, передавая в нее оцениваемые наборы параметров регуляторов.

4. Запуск имитационной модели и программы эволюционного поиска.

5. Получение решения.

Методика разработки нейро-нечетких контроллеров шага двуногой шагающей конструкции - методика, состоящая из следующих шагов:

1. Разработка имитационной модели шагающего робота с помощью программных средств имитационного моделирования.

2. Выбор исходных данных для обучения, содержащих огрубленные значения углов в суставах работа в процессе осуществления шага.

3. Экспериментальный выбор параметров обучения искусственной нейронной сети, осуществляющей настройку нечетких регуляторов

по исходным данным.

4. Осуществление обучение нечетких контроллеров. Небионическая стабилизация - оснащение робота стабилизацией на

основе вспомогательных мехатронных устройств, таких как как маховики, гиродины, что является малоизученным в научной литературе вопросом применительно к стабилизации двуногих шагающих роботов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА ШАССИ НЕАНТРОПОМОРФНОГО ДВУНОГОГО РОБОТА ANYWALKER

Рассмотрим кинематическую схему шасси шагающей конструкции, в которой каждая из опор конструкции содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир, а также ступни, подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнир. Верхнее звено состоит из двух частей — первой и второй, соединенных друг с другом через четвертый шарнир, причем первая часть верхнего звена тела через первый шарнир соединена с объемным телом, а вторая часть верхнего звена через второй шарнир соединена с нижним звеном, при этом в положении робота стоя на двух ногах, четвертый шарнир каждой ноги робота расположен выше первого, второго и третьего шарниров, что представлено на рисунке П1.1.

Двуногий шагающий робот включает в себя объемное тело, соединенное с двумя ногами робота, блок управления, соединенный с датчиками определения смещения центра масс робота, источником электропитания, модулем корректирующего смещения центра масс робота, причем каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир, а также ступни, подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнир, позволяющие обеспечить повышение проходимости и преодоления препятствий.

1 - тело робота, 5 - модуль корректирующего смещения центра масс робота, 6 - поверхность, 8 - ось силы тяжести, проходящая через центр масс, 9 -препятствие, 11 - первая часть верхней ноги робота, 12 - вторая часть верхней ноги робота, 13 - нижняя нога робота, 14 - ступня, 21 - первый шарнир, 22 - второй шарнир, 23 - третий шарнир, 24 - четвертый шарнир

Рисунок П1.1 - Кинематическая схема робота.

Для достижения этой цели верхнее звено состоит из двух частей -первой и второй, соединенных друг с другом через четвертый шарнир, причем первая часть верхнего звена для опоры объемного тела через первый шарнир соединена с объемным телом, а вторая часть верхнего звена через второй шарнир соединена с нижним звеном, при этом в положении робота стоя на двух ногах, четвертый шарнир каждой ноги робота расположен выше второго и третьего шарниров.

Благодаря этому появляется возможность многократно повысить возможности маневренности такого устройства. За счет дополнительного шарнира и отдельных элементов верхнего звена становится возможным поднимать ступни высоко вверх, на высоту, в разы превышающую размер самого робота. За счет того, что робот имеет возможность создавать упор на

любую из ног, можно переносить центр масс и затем перемещать самого робота.

Дополнительным преимуществом наличия указанных признаков является то, что появляется возможность существования новых положений равновесия.

Существует возможный вариант исполнения кинематической схемы, в котором верхнее и нижнее звенья каждой ноги робота выполнены криволинейными и охватывающими объемное тело таким образом, что в положении робота стоя на двух ногах, ступни находятся под объемным телом, а четвертый шарнир каждой ноги робота расположен сверху объемного тела над ступнями. Благодаря такой характеристике появляется возможность повысить устойчивость робота и снизить величину корректирующего смещения центра масс робота.

Существует, кроме того, и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором оси вращения первого и второго шарниров совпадают. Благодаря такой характеристике появляется возможность нижнего звена ноги робота делать полный оборот вокруг второго шарнира.

Другие отличительные признаки и преимущества кинематической схемы явно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:

- рисунок П1.2 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в статичном варианте, когда тело выполнено в виде шара, а оси вращения первого и второго шарниров совпадают, согласно полезной модели;

- рисунок П1.3 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в статичном варианте, когда тело выполнено в виде параллелепипеда, а оси вращения первого и второго шарниров в общем не совпадают, согласно полезной модели;

- рисунок П1.4 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси

вращения первого и второго шарниров совпадают, часть ноги поднята, центр масс выравнен, согласно полезной модели;

- рисунок П1.5 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси вращения первого и второго шарниров совпадают, часть ноги поднята, тело робота также поднято, центр масс выравнен, согласно полезной модели;

- рисунок П1.6 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси вращения первого и второго шарниров совпадают, одна нога полностью поднята, тело робота также поднято, центр масс выравнен, согласно полезной модели;

- рисунок П1.7 изображает внешний вид сбоку двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси вращения первого и второго шарниров совпадают, одна нога вытянута и опирается на препятствие, показан вариант статического равновесия, согласно полезной модели;

На рисунках П1.2-П1.7 обозначены:

1 - тело робота,

2 - блок управления,

4 - источник электропитания,

5 - модуль корректирующего смещения центра масс робота,

6 - поверхность,

7 - оси вращения первого и второго шарниров,

8 - ось силы тяжести, проходящая через центр масс,

9 - препятствие,

11 - первая часть верхней ноги робота,

12 - вторая часть верхней ноги робота,

13 - нижняя нога робота,

14 - ступня,

21 - первый шарнир,

22 - второй шарнир,

23 - третий шарнир,

24 - четвертый шарнир.

Согласно рисунку 16 двуногий шагающий робот включает в себя объемное тело 1, соединенное с двумя ногами робота, блок управления 2, соединенный с датчиками 3 определения смещения центра масс робота, источником электропитания 4, модулем 5 корректирующего смещения центра масс робота. Каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир 21 и нижнее звено 13 для опоры верхнего звена через второй шарнир 22, а также ступни 14, подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнир 23.

Верхнее звено состоит из двух частей - первой 11 и второй 12, соединенных друг с другом через четвертый шарнир 24, причем первая часть верхнего звена 11 для опоры объемного тела через первый шарнир 21 соединена с объемным телом 1, а вторая часть верхнего звена 12 через второй шарнир 22 соединена с нижним звеном 13, при этом в положении робота стоя на двух ногах, четвертый шарнир 24 каждой ноги робота расположен выше второго 22 и третьего 23 шарниров.

Верхнее и нижнее звенья каждой ноги робота 11, 12, 13 выполнены криволинейными и охватывающими объемное тело 1 таким образом, что в положении робота стоя на двух ногах, ступни 14 находятся под объемным телом 1, а четвертый шарнир 24 каждой ноги робота расположен сверху объемного тела 1 над ступнями 14.

Оси 7 вращения первого и второго шарниров преимущественно совпадают. Объемное тело преимущественно выполнено в виде эллипсоида.

Все приводы между движущимися элементами могут быть выполнены в виде электродвигателей, в том числе иметь свои контроллеры и сервоприводы. На фигурах не показаны.

Модуль 5 корректирующего смещения центра масс робота может быть выполнен в виде:

- простейшего механического устройства, перемещающего расположенное внутри тела робота массивное тело, как показано на рисунке П1.4, П1.5 и П1.6;

- гиростабилизированной платформы,

- одного иди нескольких маховиков, которые могут раскручиваться и создавать момент силы, компенсирующий отклоняющее воздействие.

В качестве датчиков 3 определения смещения центра масс робота можно использовать и более сложные датчики, например, МЭМС-акселерометры ST, которые способны измерять ускорение и вибрацию одновременно в трех направлениях.

Рисунок П1.2 - Кинематическая схема робота.

Рисунок П1.3 - Вариант кинематической схемы робота.

Рисунок П1.4 - Кинематическая схема робота в процессе раскладывания.

Рисунок П1.5 - Кинематическая схема робота в процессе

раскладывания

Рисунок П1.6 - Кинематическая схема робота, наивысшее положение.

Рисунок П1.7 - Кинематическая схема робота при залезании на

ступеньку.

На основе данной полезной модели был собран опытный образец устройства, дополнительно оснащенный системой динамической стабилизации, которая в том числе является объектом исследования данной работы. Получившееся устройство представляет собой мобильный манипулятор, предназначенный для передвижения в сложной, предназначенной для человека, среде, оснащенный параллельно работающими кибер-физическими системами, отвечающими за кинематику ходьбы и стабилизацию. Также изучение динамической стабилизации на основе данного робота было внедрено в учебный процесс.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА И ПАТЕНТЫ

Авторы: Гусев Александр Алексеевич (И11), Рядчиков Игорь Викторович (НИ). Сеченев Семен Ильич (Я 11), Прутский Алексей Сергеевич (Ш>)

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

RU

(in

160 94913) U1

(51) МЛК GO 1С 19/04

(2006.01)

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

<т> •rt О)

о

(D

о:

(12) ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ

(21 )(22) Заявка; 2015153511/28, 14.12.2015

(24) Дата начала отсчета срока лействия патента: 14.12.2015

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 14.12.2015

(45) Опубликовано: 10.04.2016 Бюл.№ 10

Адрес для переписки:

105077, Москва, а/я 154, Мызникову Б.В.

(72) Автор(ы):

Рядчиков Игорь Викторович (RU), Бубнов Григорий Георгиевич (RU), Плужник Евгений Владимирович (RU), Сеченев Семен Ильич (RU)

(73) Патентообладателей): Рядчиков Игорь Викторович (RU)

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕМНОГО ТЕЛА В ПРОСТРАНСТВЕ С СИЛОВОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ ОТКЛОНЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

(57) Формула полезной модели

1. Устройство для стабилизации положения объемного тела в пространстве с силовой компенсацией отклоняющих воздействий, включающее в себя два маховика с приводами маховиков, соединенные с объемным телом, блок управления, соединенный сдатчиками положения, источником электропитания и приводами маховиков, причем оси вращения всех маховиков пересекаются в одной точке, отличающееся тем, что центр масс одного маховика совпадает с центром масс второго маховика и расположен внутри объемного тела, при этом блок управления соединен с датчиками угловой скорости вращения каждого маховика.

2. Устройство по п. I, отличающееся тем, что внутри объемного тела расположен дополнительный маховик со своим приводом, причем оси вращения всех маховиков пересекаются в одной точке.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что центры масс всех маховиков совпадают.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оси вращения всех маховиков ортогональны.

5. Устройство по п. I, отличающееся тем. что каждый маховик имеет датчик положения маховика, соединенный с блоком управления.

А. Устройство по п. I, отличающееся тем, что каждый маховик имеет датчик угловой скорости вращения маховика, соединенный с блоком управления.

7. Устройство по п. I, отличающееся тем. что каждый привод маховика имеет датчик положения маховика, соединенный с блоком управления.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый привод маховика имеет датчик угловой скорости вращения маховика, соединенный с блоком управления.

73 С

о о

(О Jb CD

ф

to

О)

to

to

£

Стр.: г

\УО 21(17/105294 РСТ/11и2016/050079

ДВУНОГИЙ ШАГАЮЩИЙ РОБОТ

Область техники , к которой относится полезная модель .

Полезная модель относится к двуногим шагающим роботам , включающим в себя объемное тело , соединенное с двумя ногами робота , блок управления , 5 соединенный с датчиками определения смещения центра масс робота , источником электропитания , модулем корректирующего смещения центра масс робота , причем каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир , и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир , а также ступни , подвижно соединенные с каждым нижним 10 звеном через третий шарнир и может использоваться в робототехнике

Уровень техники .

Шагоходы или шагающие роботы — разнообразные механизмы , передвигающиеся с помощью ног. Сложность такого решения заключается в поддержании равновесия . Для поддержание положения такого робота в 15 пространстве применятся различные решения - гиростабилизированная платформа , устройства для смещения центра масс и другие аналогичные .

Известны из уровня техники устройства , которые стабилизируют положение в пространстве объемного тела без применения гироскопов . Так известно из уровня техники устройство для стабилизации положения объемного 20 тела в пространстве с силовой компенсацией отклоняющих воздействий , включающее в себя два маховика с приводами маховиков , соединенные с объемным телом , блок управления , соединенный с датчиками положения , источником электропитания и приводами маховиков , причем оси вращения всех маховиков пересекаются в одной точке , см описание патента на изобретение № 25 2507061 , опубликован 27.06.201 3.

В данном уровне техники описан способ управления стабилизацией шагающего робота за счет управления распределением центра масс по несущим конечностям исполнительной механической системы , и описан сам робот , в котором описан двуногий шагающий робот , включающий в себя объемное тело , 30 соединенное с двумя ногами робота , блок управления , соединенный с датчиками определения смещения центра масс робота , источником электропитания , модулем корректирующего смещения центра масс робота , причем каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир ,

УУО 2017/105294 РСТ/КШО16/050079

и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир , а также ступни ,

подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнир .

Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели и взято за прототип к предлагаемой полезной 5 модели .

Недостатком данного устройства является недостаточная проходимость и недостаточное преодоление препятствий Действительно , данное решение представляет собой аналог человека и не может преодолевать препятствия , сравнимые с собственным ростом (размером ), тем более препятствия , 10 превосходящие рост (размер ) такого устройства . Отсюда следует и невысокая проходимость такого робота . Упершись а препятствие , сравнимое с собственным ростом , он перестанет иметь возможность двигаться дальше .

Раскрытие полезной модели . 15 Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная

модель , главным образом , имеет целью предложить двуногого шагающего робота , включающего в себя объемное тело , соединенное с двумя ногами робота , блок управления , соединенный с датчиками определения смещения центра масс робота , источником электропитания , модулем корректирующего смещения центра 20 масс робота , причем каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир , и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир , а также ступни , подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнире , позволяющую как минимум сгладить , указанный выше недостаток , а именно обеспечить повышение проходимости и преодоления 25 препятствий , что и является поставленной технической задачей настоящей полезной модели .

Для достижения этой цели верхнее звено состоит из двух частей - первой и второй , соединенных друг с другом через четвертый шарнир , причем первая часть верхнего звена для опоры объемного тела через первый шарнир соединена 30 с объемным телом , а вторая часть верхнего эвена через второй шарнир соединена с нижним звеном , при этом в положении робота стоя на двух ногах , четвертый шарнир каждой ноги робота расположен выше второго и третьего шарниров .

благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность 35 многократно повысить возможности маневренности такого устройства . За счет

2(117/105294 РСТ/Ш! 2016/050079

дополнительного шарнира и отдельных элементов верхнего звена , становится

возможным поднимать ступни высоко вверх , не высоту , в разы превышающую

размер самого робота . За счет того , что робот имеет возможность создавать упор

на любую из ног, можно переносить центр масс , и затем перемещать самого

5 робота .

Дополнительным преимуществом наличия указанных признаков является то, что появляется возможность существования новых положений равновесия .

Существует возможный вариант исполнения полезной модели , в котором верхнее и нижнее звенья каждой ноги робота выполнены криволинейными и 10 охватывающими объемное тело таким образом , что в положении робота стоя на двух ногах ступни находятся под объемным телом , а четвертый шарнир каждой ноги робота расположен сверху объемного тела над ступнями . Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность повысить устойчивость робота и снизить величину корректирующего смещения центра масс робота . 15 Существует кроме того и такой возможный вариант исполнения полезной

модели , в котором оси вращения первого и второго шарниров совпадают . Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность нижнего звена ноги робота делать полный оборот вокруг второго шарнира .

Существует и такой возможный вариант исполнения полезной модели , в 20 котором объемное тело выполнено в виде эллипсоида . Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность снижения общего объема тела робота .

Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения , что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна » для полезной 25 модели .

Краткое описание чертежей .

Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания , приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося 30 ограничительным , со ссылками на прилагаемые рисунки , на которых :

- фигура 1 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в статичном варианте , когда тело выполнено в виде шара , а оси вращения первого и второго шарниров совпадают , согласно полезной модели ,

- фигура 2 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота 35 в статичном варианте , когда тело выполнено в виде параллелепипеда , а оси

\У О 2017/105294

РСТ/К1)2016/050079

вращения первого и второго шарниров в общем не совпадают , совпадают , согласно полезной модели ,

- фигура 3 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте , когда тело выполнено в виде шара , оси вращения первого

5 и второго шарниров совпадают , часть ноги поднята , центр масс выровнен , согласно полезной модели ,

- фигура 4 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте , когда тело выполнено а виде шара , оси вращения первого и второго шарниров совпадают , часть ноги поднята , тело робота также поднято ,

10 центр масс выровнен , согласно полезной модели ,

- фигура 5 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте , когда тело выполнено в виде шара , оси вращения первого и второго шарниров совпадают , одна нога полностью поднята , тело робота также поднято , центр масс выровнен , согласно полезной модели ,

15 - фигура 6 изображает внешний вид сбоку двуногого шагающего робота в

шагающем варианте , когда тело выполнено в виде шара , оси вращения первого и второго шарниров совпадают , одна нога вытянута и опирается на препятствие , показан вариант статического равновесия ,согласно полезной модели ,

- фигура 7 схематично изображает этапы функционирования двуногого

20 шагающего робота , согласно полезной модели .

35

25

30

На фигурах обозначено :

1 - тело робота ,

2 - блок управления ,

4 - источник электропитания ,

5 - модуль корректирующего смещения центра масс робота ,

6 - поверхность ,

7 - оси вращения первого и второго шарниров ,

8 - ось силы тяжести , проходящая через центр масс

9 - препятствие ,

11 - первая часть верхней ноги робота ,

12 - вторая часть верхней ноги робота , 13- нижняя нога робота ,

14 - ступня

21- первый шарнир , 22 - второй шарнир ,

\У О 2017/1052У4 РСТ/КК2016/05(Ю79

23 - третий шарнир ,

24 - четвертый шарнир .

Согласно фигуре 1 двуногий шагающий робот , включает в себя объемное тело 1, соединенное с двумя ногами робота , блок управления 2, соединенный с 5 датчиками 3 определения смещения центра масс робота , источником электропитания 4, модулем 5 корректирующего смещения центра масс робота . Каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир 21, и нижнее звено 13 для опоры верхнего звена через второй шарнир 22, а также ступни 14, подвижно соединенные с каждым нижним звеном 10 через третий шарнир 23,

Верхнее звено состоит из двух частей - первой 11 и второй 12, соединенных друг с другом через четвертый шарнир 24, причем первая часть верхнего звена 11 для опоры объемного тела через первый шарнир 21 соединена с объемным телом 1, а вторая часть верхнего звена 12 через второй шарнир 22 15 соединена с нижним звеном 13, при этом в положении робота стоя на двух ногах , четвертый шарнир 24 каждой ноги робота расположен выше второго 22 и третьего 23 шарниров .

Верхнее и нижнее звенья каждой ноги робота - 11, 12 , 13 выполнены криволинейными и охватывающими объемное тело 1таким образом , что в 20 положении робота стоя на двух ногах ступни 14 находятся под объемным телом 1, а четвертый шарнир 24 каждой ноги робота расположен сверху объемного тела 1 над ступнями 14.

Оси 7 вращения первого и второго шарниров преимущественно совпадают . Объемное тело преимущественно выполнено в виде эллипсоида 25 Все приводы между движущимися элементами могут быть выполнены в

виде электродвигателей , в том числе иметь свои контроллеры и сервоприводы На фигурах не показаны .

Модуль 5 корректирующего смещения центра масс робота может быть выполнен в виде :

30 - простейшего механического устройства , перемещающего расположенное

внутри тела робота массивного тела , как показано на фигурах 3,4 и 5;

- гиростабилизированной платформы ,

- одного иди нескольких маховиков , которые могут раскручиваться и создавать момент силы , компенсирующий отклоняющее воздействие .

УУО 2017/105294 РСТ/Ш12016/050079

В качестве датчиков 3 определения смещения центра масс робота можно

использовать и более сложные датчики , например , МЭМС -акселерометры ЭТ, которые способны измерять ускорение и вибрацию одновременно в трех направлениях .