ДВИЖЕНИЕ АНТРОПОИДА НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ

Рассматривается антропоидная модель из трех подвижных звеньев, изменяющих свою конфигурацию под действием внутренних управляющих усилий и реакций со стороны подвижной точки опоры, движение которой задано. Первое нижнее звено моделирует голень, второе звено - бедро и третье - корпус вместе с головой. Отличием предложенной модели, от созданных ранее, заключается в использовании углов между звеньями. В предшествующих работах по моделированию динамики антропоидов углы обычно отсчитываются от какого-либо фиксированного направления - вертикали или горизонтали. Однако такой способ не соответствует биомеханике опорно-двигательного аппарата антропоида, экзоскелета, антропоморфного робота, положения звеньев которых измеряются углами между звеньями. При таком способе задания углов усложняется система дифференциальных уравнений динамики, описывающая движение предложенной модели, в сравнении с моделями, в которых углы отсчитываются от фиксированного направления. Для составления уравнений движения используются локальные подвижные системы координат, связанные со звеньями. Рассматривается программное движение модели, соответствующее заданному закону изменения обобщенных координат, и в результате решения прямой задачи определяются соответствующие управляющие силы. Управление моделируется кусочно-заданной ступенчатой функцией. Рассматривается влияние собственной массы пассивного экзоскелета. Исследуется влияние вращающихся роторов электродвигателей активного экзоскелета на динамику биомеханической системы человек-экзоскелет. Проводятся оценки энергетических затрат в каждом приводе. Проведен полный цикл моделирования динамики антропоида на подвижном основании при различных режимах движения. Ценность полученных результатов заключается в том, что предложенную модель можно непосредственно использовать при создании антропоморфных роботов или экзоскелетов.

The antropoid model of three mobile links that can change their configuration due to internal steering forces and the mobile surface reactions with the specified motion is considered in the article. The first bottom link simulates shin, the second link simulates hip, and the third link simulates the body with the head. The proposed model differs from the existing ones in utilization of angles between links. In the preceding studies of anthropoid dynamics simulation, the angles are usually calculated from a particular assigned direction - either vertical or horizontal. This approach, however, is inconsistent with the musculoskeletal system biomechanics of anthropoid, exoskeleton, or anthropomorphic robot. The positions of their links are specified by the angles between the links. This approach of specifying the angles makes the system of differential equations, describing the proposed model motion, more complicated in comparison with the models where the angles are calculated from the assigned direction. The local mobile systems of coordinates are fixed with the corresponding links and are used for deriving the motion equations. The programmed motion corresponding to the specified law of generalized coordinates change is considered. The corresponding controlling forces are figured out as the result of the forward problem solution. The link control is simulated with the piecewise step function. The impact of the passive exoskeleton own mass is considered. The spinning rotors impact of the active exoskeleton’s electric drives on the dynamics of human-exoskeleton biomechanical system is studied. The energy consumption in each drive is estimated. The entire cycle of anthropoid dynamics simulation on the movable base in different motion modes is conducted. The value of the obtained results lies in the fact that the proposed model can be used directly in creating anthropomorphic robots and exoskeletons.