Расчёт и определение области устойчивости образовательного антропоморфного робота

Автор(ы): Ипатов Д.В., Петров К.В., Чернобрывец М.А., Кулагин К.А.

Выпуск: 117

Рубрика: Математическая теория управления

Год: 2025

Библиография: Ипатов Д.В., Петров К.В., Чернобрывец М.А., Расчёт и определение области устойчивости образовательного антропоморфного робота // Управление большими системами. - 2025. - Вып. 117. - С.141-170.

Дата опубликования: 30.09.2025

Ключевые слова: антропоморфные роботы, анализ кинематических характеристик, анализ динамических характеристик, область устойчивости, область гарантированной статической устойчивости, точка нулевого момента

Аннотация: Рассматривается разработка и исследование образовательного антропоморфного робота комплекта «СТЕМ Академия». Для анализа кинематических характеристик использована методика Денавита – Хартенберга. Для расчета действующих на робота внешних сил была составлена динамическая модель, учитывающая действующие на приводы силы тяжести на основе метода Ньютона – Эйлера. Построена модель зависимости точки нулевого момента от углов поворота сервоприводов с учетом положения центра масс каждого звена. Проведено экспериментальное определение точки нулевого момента с использованием датчиков деформации, результаты которого были сравнены с теоретическими данными. Введен новый термин «область гарантированной статической устойчивости» (ОГСУ), являющийся подмножеством понятия «области устойчивости» и дополняющийся учетом технологических факторов. Проведен экспериментальный анализ ОГСУ, который показал, что ОГСУ не соответствует размерам области устойчивости, описываемым физическим контуром стопы. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов показало, что рассчитанную математическую модель возможно интегрировать в систему управления антропоморфным роботом, а также в симулятор программирования движений для оценки статической устойчивости. Полученные результаты позволяют предсказывать устойчивость целевого положения в статике и могут служить основой для дальнейших исследований алгоритмов динамической стабилизации.

Author(s): Ipatov D., Petrov K., Chernobryvets M., Kulagin K.

Article title: Calculation and determination of the stability area of an educational anthropomorphous robot

Issue: 117

Year: 2025

Keywords: anthropomorphic robots, analysis of kinematic characteristics, analysis of dynamic characteristics, stability region, zero moment point

Abstract: This article discusses the development and study of the educational anthropomorphic robot of the STEM Academy kit. The robot design features increased mass and mass redistribution with heavier feet to lower the center of mass in order to improve stability. The Denavit – Hartenberg technique was used to analyze the kinematic characteristics. A dynamic model wascompiled to calculate the external forces acting on the robot, taking into account the gravity forces acting on the drives based on the Newton – Euler method. A model wasconstructed for the dependence of the zero moment point on the servo rotation angles taking into account the position of the center of mass of each link. An experimental determination of the zero moment point was carried out using strain gauges, the results of which were compared with theoretical data. A new term, the "region of guaranteed static stability" (ROGSS), was introduced, which is a subset of the fundamental concept of the "region of stability", supplemented by taking into account technological factors. An experimental analysis of the stability area of the ROGSS robot was also conducted, which showed that the ROGSS does not correspond to the dimensions of the stability area described by the physical contour of the foot. Comparison of theoretical and experimental results showed that the calculated mathematical model can be integrated into the control system of an anthropomorphic robot, as well as into a simulator of motion programming for assessing static stability. The results obtained allow predicting the stability of the target position in statics and can serve as a basis for further research into dynamic stabilization algorithms.