<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">izvestswsu</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Известия Юго-Западного государственного университета</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Proceedings of the Southwest State University</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">2223-1560</issn><issn pub-type="epub">2686-6757</issn><publisher><publisher-name>ЮЗГУ</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.21869/2223-1560-2018-22-3-59-66</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">izvestswsu-359</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>Технические науки</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТРОПОМОРФНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ГИБКИМИ ПЕРЕДАЧАМИ ВВЕДЕНИЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ ЗВЕНЬЕВ</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>SIMULATION OF ANTHROPOMORPHIC ROBOTS WITH ELASTIC DRIVES BY INTRODUCING VIRTUAL LINKS</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Савин</surname><given-names>С. И.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Savin</surname><given-names>S. I.</given-names></name></name-alternatives><email xlink:type="simple">savinswsu@mail.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Ворочаева</surname><given-names>Л. Ю.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Vorochaeva</surname><given-names>L. Yu.</given-names></name></name-alternatives><email xlink:type="simple">mila180888@yandex.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Курск, Россия</institution></aff><aff xml:lang="en"><institution>Southwest State University</institution></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2018</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>28</day><month>06</month><year>2018</year></pub-date><volume>22</volume><issue>3</issue><fpage>59</fpage><lpage>66</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Савин С.И., Ворочаева Л.Ю., 2018</copyright-statement><copyright-year>2018</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Савин С.И., Ворочаева Л.Ю.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Savin S.I., Vorochaeva L.Y.</copyright-holder><license xml:lang="ru" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.</license-p></license><license xml:lang="en" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/359">https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/359</self-uri><abstract><p>В настоящее время антропоморфных шагающих роботов можно отнести к наиболее перспек-тивным модельным роботам с точки зрения их внедрения в урбанизированную среду за счет взаимодействия с человеком и использования существующей инфраструктуры при выполнении различных технологических задач. Для адекватной работы системы управления таких роботов требуется разработка их точных математических моделей, в которых учитываются свойства приводов, передач и сенсоров. В данной работе рассмотрены подходы к описанию модели двуногого шагающего робота при учете упругих передач между его звеньями. Робот представляет собой трехзвенный механизм, движущийся в сагиттальной плоскости и осуществляющий посадку или вставание. Предложены два варианта составления математической модели робота. В первом используются уравнения Лагранжа, при этом число уравнений, описывающих движение робота, увеличивается вдвое за счет внедрения упругих связей по сравнению со случаем, когда этими связями пренебрегают. Во втором варианте модель движения робота и модель работы упругих элементов записываются отдельно, что не приводит к увеличению числа уравнений. К преимуществам этого метода можно отнести тот факт, что он позволяет сохранить структуру и свойства уравнений движения механизма, используемые при построении методов управления в случаях, когда упругие свойства передач не учитываются, а также сохранить структуру матрицы при обобщенных ускорениях. Приведены результаты моделирования движения робота при двух вариантах составления его математической модели (в первом случае модель содержит три обобщенные координаты, а во втором - шесть), проведено их сравнение. Установлено, что в целом обе математические модели ведут себя практически идентично, наиболее существенные различия проявляются при формировании управляющих воздействий, генерируемых регулятором.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>Anthropomorphic walking robots are among the most promising robot types, due to the possibility to introduce them into the urbane environment through the use of the existing infrastructure. Control systems developed for such robots require access to the exact mathematical models of these robots, taking into account the properties of actuators, gears and sensors. In this paper, we consider approaches to describing the model of a bipedal walking robot with elastic drives. The robot is a three-link mechanism that moves in the sagittal plane and performs verticalization (sit-to-stand transfer). Two variants of describing the dynamics of the robot are shown. In the first variant, the number of equations describing the movement of the robot is doubled due to the introduction of elastic drives, in comparison with the case when there are no elastic elements present. In the second variant, there is robot model and the elastic element dynamics model, and bothare described separately. The advantages of this method include the fact that it allows us to preserve the structure and properties of the equations of motion of the mechanism used in constructing control methods in cases when the elastic properties of the gears are not taken into account, and it also allows to conserve the structure of the generalized inertia matrix. The simulation results are presented in two described previously variants, their comparison is made. It is established that both mathematical models behave almost identically, with the most significant differences manifested in the formation of control actions generated by the regulator.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>антропоморфный шагающий робот</kwd><kwd>модельный робот</kwd><kwd>модель упругой передачи</kwd><kwd>СТС-регулятор</kwd><kwd>anthropomorphic walking robot</kwd><kwd>model-based control</kwd><kwd>elastic drive</kwd><kwd>CTC controller</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Griffin R., Wiedebach G., Bertrand S., Leonessa A. Pratt J. Straight-Leg Walking Through Underconstrained Whole-Body Control. 2017. arXiv preprint arXiv: 1709. 03660.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Griffin R., Wiedebach G., Bertrand S., Leonessa A. Pratt J. Straight-Leg Walking Through Underconstrained Whole-Body Control. 2017. arXiv preprint arXiv: 1709. 03660.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Pratt J., Carff J., Drakunov S., Goswami A. Capture point: A step toward humanoid push recovery // Proc. 6th IEEE-RAS Intern. Conf. Humanoid Robots. Genova, Italy, 2006, pp. 200-207.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Pratt J., Carff J., Drakunov S., Goswami A. Capture point: A step toward humanoid push recovery // Proc. 6th IEEE-RAS Intern. Conf. Humanoid Robots. Genova, Italy, 2006, pp. 200-207.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Motion control algorithm for exoskeleton push recovery in the frontal plane // Proc. Intern. Conf. on Robotics in Alpe-Adria Danube Region. Belgrade, Serbia, 2016, pp. 474-481.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Motion control algorithm for exoskeleton push recovery in the frontal plane // Proc. Intern. Conf. on Robotics in Alpe-Adria Danube Region. Belgrade, Serbia, 2016, pp. 474-481.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Dai H., Tedrake R. Planning robust walking motion on uneven terrain via convex optimization // Proc. 16th IEEE-RAS Intern. Conf. Humanoid Robots. Cancun, Mexico, 2016, pp. 579-586. IEEE.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Dai H., Tedrake R. Planning robust walking motion on uneven terrain via convex optimization // Proc. 16th IEEE-RAS Intern. Conf. Humanoid Robots. Cancun, Mexico, 2016, pp. 579-586. IEEE.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Footstep Planner Algorithm for a Lower Limb Exoskeleton Climbing Stairs // Proc. Intern. Conf. on Interactive Collaborative Robotics. Hatfield, UK, 2017, pp. 75-82.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Footstep Planner Algorithm for a Lower Limb Exoskeleton Climbing Stairs // Proc. Intern. Conf. on Interactive Collaborative Robotics. Hatfield, UK, 2017, pp. 75-82.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Mason S., Rotella N., Schaal S., Righetti L. Balancing and walking using full dynamics LQR control with contact constraints // Proc. 16th IEEE-RAS Intern. Conf. Humanoid Robots. Cancun, Mexico, 2016, pp. 63-68.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Mason S., Rotella N., Schaal S., Righetti L. Balancing and walking using full dynamics LQR control with contact constraints // Proc. 16th IEEE-RAS Intern. Conf. Humanoid Robots. Cancun, Mexico, 2016, pp. 63-68.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Galloway K., Sreenath K., Ames A.D., Grizzle J.W. Torque saturation in bipedal robotic walking through control Lyapunov function-based quadratic programs // IEEE Access. 2015. Vol. 3. P. 323-332.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Galloway K., Sreenath K., Ames A.D., Grizzle J.W. Torque saturation in bipedal robotic walking through control Lyapunov function-based quadratic programs // IEEE Access. 2015. Vol. 3. P. 323-332.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Savin S., Vorochaeva L. Nested quadratic programming-based controller for pipeline robots // Proc. Intern. Conf. Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). St. Petersburg, Russia. 2017. P. 1-6.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Savin S., Vorochaeva L. Nested quadratic programming-based controller for pipeline robots // Proc. Intern. Conf. Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). St. Petersburg, Russia. 2017. P. 1-6.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Адаптивная система управления экзоскелета, осуществляющего вертикализацию человека / С.Ф. Яцун, С.И. Савин, А.С., Яцун Р.Н. Турлапов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии. 2015. №3 (16). C. 30-37.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Адаптивная система управления экзоскелета, осуществляющего вертикализацию человека / С.Ф. Яцун, С.И. Савин, А.С., Яцун Р.Н. Турлапов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии. 2015. №3 (16). C. 30-37.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Синтез параметров регулятора экзоскелета, с использованием lpτ последовательностей / С.Ф. Яцун, С.И. Савин, А.С. Яцун, И.А. Яковлев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2015. №4 (17). C. 24-31.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Синтез параметров регулятора экзоскелета, с использованием lpτ последовательностей / С.Ф. Яцун, С.И. Савин, А.С. Яцун, И.А. Яковлев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2015. №4 (17). C. 24-31.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jatsun S.F., Vorochaeva L.Yu., Yatsun A.S., Savin S.I. The modelling of the standing-up process of the anthropomorphic mechanism // Proc. 18th Intern. Conf. Assistive Robotics (CLAWAR). HangZhou, China, 2015. P. 175-182.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jatsun S.F., Vorochaeva L.Yu., Yatsun A.S., Savin S.I. The modelling of the standing-up process of the anthropomorphic mechanism // Proc. 18th Intern. Conf. Assistive Robotics (CLAWAR). HangZhou, China, 2015. P. 175-182.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Особенности управления движением многозвенной электромеханической системы с учетом свойств электропривода / Г.Я. Пановко, С.Ф. Яцун, С.И. Савин, А.С. Яцун // Машиностроение и инженерное образование. 2016. № 2 (47). С. 2-10.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Особенности управления движением многозвенной электромеханической системы с учетом свойств электропривода / Г.Я. Пановко, С.Ф. Яцун, С.И. Савин, А.С. Яцун // Машиностроение и инженерное образование. 2016. № 2 (47). С. 2-10.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Pratt J.E., Krupp B.T. Series elastic actuators for legged robots // Unmanned Ground Vehicle Technology Vi. Orlando, Florida, United States, 2004, vol. 5422, pp. 135-145.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Pratt J.E., Krupp B.T. Series elastic actuators for legged robots // Unmanned Ground Vehicle Technology Vi. Orlando, Florida, United States, 2004, vol. 5422, pp. 135-145.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jatsun S., Savin S., Yatsun A., Postolnyi A. Control system parameter optimization for lower limb exoskeleton with integrated elastic elements // Proc. 19th Intern. Conf. Advances in Cooperative robotics (CLAWAR). London, UK, 2016. P. 797-805.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jatsun S., Savin S., Yatsun A., Postolnyi A. Control system parameter optimization for lower limb exoskeleton with integrated elastic elements // Proc. 19th Intern. Conf. Advances in Cooperative robotics (CLAWAR). London, UK, 2016. P. 797-805.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Хайрер Э., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи. М.: Мир, 1999. 685 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Хайрер Э., Ваннер Г. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений. Жесткие и дифференциально-алгебраические задачи. М.: Мир, 1999. 685 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jatsun S., Savin S., Yatsun A., Malchikov A. Study of controlled motion of exoskeleton moving from sitting to standing position // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2015. Vol. 371. P. 165-172.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jatsun S., Savin S., Yatsun A., Malchikov A. Study of controlled motion of exoskeleton moving from sitting to standing position // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2015. Vol. 371. P. 165-172.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Comparative analysis of iterative LQR and adaptive PD controllers for a lower limb exoskeleton // Proc. IEEE Intern. Conf. Cyber Technology in Automation, Control and Intelligent Systems (CYBER). Chengdu, China, 2016. P. 239-244.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Jatsun S., Savin S., Yatsun A. Comparative analysis of iterative LQR and adaptive PD controllers for a lower limb exoskeleton // Proc. IEEE Intern. Conf. Cyber Technology in Automation, Control and Intelligent Systems (CYBER). Chengdu, China, 2016. P. 239-244.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
