Automation and modeling in design and management Automation and modeling in design and management Автоматизация и моделирование в проектировании и управлении 2658-3488 2658-6436 53191 10.30987/2658-6436-2022-3-57-67 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ MATHEMATICAL AND COMPUTER MODELING МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ SIMULATING A SEMI-AUTOMATIC MOTION CONTROL MODE OF BIPEDAL WALKING ROBOTS IN VIRTUAL ENVIRONMENT SYSTEMS МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОЛУАВТОМАТИЧЕСКОГО РЕЖИМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ДВУНОГИХ ШАГАЮЩИХ РОБОТОВ В СИСТЕМАХ ВИРТУАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ Страшнов Евгений Владимирович Strashnov Evgeny Vladimirovich Финагин Леонид Алексеевич Finagin Leonid Alekseevich ФГУ «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук» Россия ФГУ «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук» Russian Federation ФГУ «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук» Россия ФГУ «Федеральный научный центр Научно-исследовательский институт системных исследований Российской академии наук» Russian Federation 30 09 2022 30 09 2022 2022 3 57 67 28 09 2022 https://naukaru.ru/en/nauka/article/53191/view

Рассматриваются методы и подходы для полуавтоматического управления движением двуногих шагающих роботов в системах виртуального окружения. Предлагаемые решения включают генерацию шаблона ходьбы, расчет инверсной кинематики и синтез ПД-регуляторов с обратной связью по показаниям датчиков углов. Для того чтобы обеспечить статическую и динамическую устойчивость шагающего робота, генерация траекторий его движения реализуется с применением критерия точки нулевого момента (ТНМ) и модели обратного маятника с виртуальной высотой. При этом генерация шаблона ходьбы осуществляется путем решения задачи инверсной кинематики методом Левенберга-Марквардта для вычисления углов поворота в сочленениях робота. Для реализации полуавтоматического управления движением шагающего робота в виртуальном окружении задействован подход, основанный на технологии функциональных схем и виртуальных пультов управления. Апробация предложенных методов и подходов проводилась в программном комплексе виртуального окружения VirSim и показала их адекватность и эффективность для моделирования движения шагающего робота с сохранением его равновесия

The paper considers methods and approaches for semi-automatic motion control of bipedal walking robots in virtual environment systems. The proposed solutions include generating a walking pattern, calculating inverse kinematics, and synthesis of PD-controllers with feedback based on the angle sensor readings. To ensure the static and dynamic stability of the walking robot, generating its movement trajectories is implemented using the criterion of zero mo-ment point (ZMP) and the inverse pendulum model with virtual height. In this case, the walking pattern is generated by solving the problem of inverse kinematics using the Leven-berg-Marquardt method to calculate the rotation angles in the robot joints. To implement semi-automatic motion control of a walking robot in a virtual environment, an approach based on the technology of functional diagrams and virtual control panels is used. Testing the proposed methods and approaches is carried out in the VirSim virtual environment software package and shows their adequacy and efficiency for modelling a walking robot movement while maintaining its balance.

 двуногий шагающий робот моделирование шаблон ходьбы устойчивость точка нулевого момента инверсная кинематика виртуальный пульт ПД-регулятор система виртуального окружения bipedal walking robot simula-tion walking pattern stability zero moment point inverse kinematics virtual console PD controller virtual environment system. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-07-00371 The study was carried out with the financial support of the RFBR as part of the scientific project No. 20-07-00371

Юревич, Е.И. Основы робототехники: учеб. пособие, 4-е изд., перераб. и доп. // Е.И. Юревич. - СПб: БХВ-Петербург, 2017. - 304 с. Yurevich E.I. Fundamentals of Robotics. St. Petersburg: BHV-Petersburg; 2017. Geijtenbeek, T. Flexible Muscle-Based Locomotion for Bipedal Creatures / T. Geijtenbeek, M. van de Panne, A. Frank van der Stappen // ACM Transactions on Graphics 32. - 2013. - No. 6. doi: 10.1145/2508363.2508399. Geijtenbeek T., Van de Panne M., Frank van der Stappen A. Flexible Muscle-Based Locomotion for Bipedal Creatures. ACM Transactions on Graphics 32. 2013 (6). doi: 10.1145/2508363.2508399. Mombauri, K. Modeling, simulation and optimization of bipedal walking // K. Mombauri, K. Berns. - Springer. - 2013. - 298 p. Mombauri K., Berns K. Modelling, Simulation and Optimization of Bipedal Walking. Springer; 2013. Kajita, S. Biped walking pattern generation based on spatially quantized dynamics / S. Kajita, M. Benallegue, R. Cisneros, T. Sakaguchi, S. Nakaoka, M. Morisawa, K. Kaneko, F. Kanehiro // IEEE-RAS 17th International Conference on Humanoid Robotics, Birmingham, UK. - 2017. - pp. 599-605. doi: 10.1109/HUMANOIDS.2017.8246933. Kajita S, Benallegue M, Cisneros R, Sakaguchi T, Nakaoka S, Morisawa M, Kaneko K, Kanehiro F. Biped Walking Pattern Generation Based on Spatially Quantized Dynamics. In: Proceedings of IEEE-RAS 17th International Conference on Humanoid Robotics; Birmingham (UK): 2017. p. 599-605. doi: 10.1109/HUMANOIDS.2017.8246933. Westervelt, E. Feedback control of dy-namic bipedal robot locomotion, ser. Control and Automation // E. Westervelt, J. Grizzle, C. Chevallereau, J. Choi, B. Morris. - Boca Raton: CRC Press, June 2007. - 503 p. Westervelt E., Grizzle J., Chevallereau C., Choi J., Morris B. Feedback Control of Dy-namic Bipedal Robot Locomotion, ser. Control and Automation. Boca Raton: CRC Press; 2007. Vukobratovic, M. Zeromoment point - thirty-five years of its life / M. Vukobratovic, B. Borovac // International Journal of Humanoid Robotics. - 2004. - No. 1. - pp. 157-173. doi: 10.1142/S0219843604000083. Vukobratovic M., Borovac B. Zero-Moment Point - Thirty-Five Years of Its Life. International Journal of Humanoid Robotics. 2004;1:157-173. doi: 10.1142/S0219843604000083. Ha, T. An effective trajectory genera-tion method for bipedal walking / T. Ha, C.-H. Choi // Robotics and Autonomous Sys-tems. - 2007. - No. 55. - pp. 795-810. doi: 10.1016/j.robot.2007.06.001. Ha T., Choi C.-H. An Effective Trajectory Generation Method for Bipedal Walking. Ro-botics and Autonomous Systems. 2007;55:795-810. doi: 10.1016/j.robot.2007.06.001. Михайлюк, М.В. Система виртуального окружения VirSim для имитационно-тренажерных комплексов подготовки космонавтов / М.В. Михайлюк, А.В. Мальцев, П.Ю. Тимохин, Е.В. Страшнов, Б.И. Крючков, В.М. Усов // Пилотируемые полеты в космос. - 2020. - Т. 37. - № 4. - С. 72-95. doi: 10.34131/MSF.20.4.72-95. Mikhailyuk M.V., Maltsev A.V., Timokhin P.Yu., Strashnov E.V., Kryuchkov B.I., Usov V.M. VirSim Virtual Environment System for Simulation Training Complexes for Cosmonaut Training. Manned Spaceflight Scientific Periodical. 2020;37(4):72-95. doi: 10.34131/MSF.20.4.72-95. Страшнов, Е.В. Командный режим управления виртуальным двуногим шагающим роботом / Е.В. Страшнов, И.Н. Мироненко, Л.А. Финагин // Труды НИИСИ РАН. - 2020. - Т. 10. - № 4. - С. 33-39. Strashnov EV, Mironenko IN, Finagin LA. Command Mode for Virtual Bipedal Walking Robot Control. In: Proceedings of NIISI RAS: 2020;10(4). p. 33-39. Sugihara, T. Solvability-unconcerned inverse kinematics based on Levenberg-Marquardt method with robust damping / T. Sugihara // 9th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, Paris, France. - 2009. - pp. 555-560. doi: 10.1109/ICHR.2009.5379515. Sugihara T. Solvability-Unconcerned Inverse Kinematics Based on Levenberg-Marquardt Method with Robust Damping. In: Proceedings of the 9th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots; Paris (France): 2009. p. 555-560. doi: 10.1109/ICHR.2009.5379515.