Study of Stability of Antares Anthropomorphic Robot under the Action of an External Load

Recent trends in the field of anthropomorphic robotics involve approximation to the motion characteristics of the robot kinematics of a human body. The problem of high energy consumption in implementation of the kinematics of an anthropomorphic robot is partially solved by reduction of the weight of a design. In this regard, of special interest are the developments concerning the study of the stability of the structures and materials capable to withstand the set loads. In this paper a research was done of the stability of the basic structural elements of the lower extremities of Antares anthropomorphic robot under the influence of the external forces, such as straight-line power and twisting. The design of Antares robot employs actuators Dynamixel MX-64T and MX-28, the gears are made of a metal, which allows the robot to move with a given accuracy and a margin of safety. During modeling the assembly of the lower extremities were subjected to simulation of 2 types of loads, those were torque and "direct force" orientated in three directions: vertical (perpendicular to the transverse plane), lateral (normal to the front plane) and lateral (perpendicular to the sagittal plane). The direction of the applied force was selected on the basis of the fact that this force would have its maximal value, when the leg will be in a "sitting" position, therefore, the direction would be directed along the normal to the sagittal plane of the leg. In order to test the leg for twisting a situation was modeled, in which the robot was in the lying position with the inner part of its foot resting on the floor surface. During the study the values of the actuators' torques, intended to move the robot in space, were determined. The moments of rotation of the engine output shaft in a robot leg were determined: ankle, knee, hip joint. The maximal values of the rotational moments, able to withstand the construction of the hip and the thigh of 5 Nm and 5.2 Nm, respectively, were determined. During the simulation it was also found out that raising of the robot from "a sitting position" required 2.4 times less effort than the maximal torque developed by the engine, and the design of the leg could withstand the maximal torque of the motor rotation. On the basis of those data a conclusion was made, that the robot was able to jump in the vertical plane, and later this was proved successfully in real experiments.

антропоморфные роботы, конструкции деталей, анализ прочности, сервоприводы, моделирование нагрузки, нижние конечности, голень, бедро, кинематика, anthropomorphic robots, parts of construction, strength analysis, servomotors, load modeling, lower limbs, shin, hi p, kinematics

1. Градецкий В. Г., Ермолов И. Л., Князьков М. М., Семенов Е. А., Суханов А. Н. Кинематическая модель экзоскелета руки человека и определение ошибки позиционирования // Мехатроника, Автоматизация, управление. 2014. Вып. 5. С. 37-41.

2. Жиденко И. Г., Кутлубаев И. М. Методика определения сигналов управления антропоморфным роботом // Мехатрони-ка, Автоматизация, управление. 2014. Вып. 5. С. 41-46.

3. Лавровский Э. К., Письменная Е. В. Алгоритмы управления экзоскелетоном нижних конечностей в режиме одноопор-ной ходьбы по ровной и ступенчатой поверхностям // Мехат-роника, автоматизация, управление. 2014. № 1. С. 44-51.

4. Яцун С. Ф., Савин С. И., Емельянова О. В., Яцун А. С., Турлапов Р. Н. Анализ конструкций, принципы создания, основы моделирования. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2015. 179 с.

5. Яцун С. Ф., Савин С. И., Яцун А. С., Климов Г. В. Кинематический анализ экзоскелета в процессе подъема груза // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2015. № 3 (16). С. 24-30.

6. Алямовский А. А. Исследование кинематики приспособлений для машиностроения и деревообработки в SolidWorks // Технические науки и технологии, электронный научный журнал. 2015. Вып. 78. С. 85-92.

7. Филатов В. В. Использование САПР SolidWorksMotion для исследования плавности хода транспортного средства // Транспортная техника, электронный научный журнал. 2014. Вып. 1. С. 1-7.

8. Warnakulasooriyaa S., Bagheria A., Sherburnb N., Shan-mugavel M. Bipedal Walking Robot - A developmental design // Procedia Engineering. 2012. Vol. 41. P. 1016-1021.

9. Lima S. C., Yeapa G. H. The Locomotion of Bipedal Walking Robot with Six Degree of Freedom // Procedia Engineering. 2012. Vol. 41. P. 8-14.

10. Yoo J. K., Lee B. J., Kim. J. H. Recent Progress and Development of the Humanoid Robot Hansaram // Robotics and Autonomous Systems. 2009. Vol. 57. P. 973-981.

11. Buschmann T., Lohmeier S., Ulbrich H. Humanoid Robot Lola: Design and Walking Control // Journal of Physiology. 2009.Vol. 103. P. 141-148.

12. Mohameda Z., Capi G. Development of a New Mobile Humanoid Robot for Assisting Elderly People // Procedia Engineering. 2012. Vol. 41. P. 345-351.

13. Nakashima M., Tsunoda Y. Improvement of Crawl Stroke for the Swimming Humanoid Robot to Establish an Experimental Platform for Swimming Research // Procedia Engineering. 2015. Vol. 112. P. 517-521.

14. Shah S. V., Saha S. K., Dutt J. K. Modular Framework for Dynamic Modeling and Analyses of Legged Robots // Mechanism and Machine Theory. 2012. Vol. 49. P. 234-255.

15. Yua X., Fub C., Chen K. Modeling and Control of a Singlelegged Robot // Procedia Engineering. 2011. Vol. 24. P. 788-792.

16. Potts A. S., Jaime da Cruz J. A Comparison Between Free Motion Planning Algorithms Applied to a Quadruped Robot Leg // IFAC-papers online. Vol. 48, Iss. 19. P. 019-024.

17. Rostro-Gonzalez H., Cerna-Garcia P. A., Trejo-Caballero G., Garcia-Capulin C. H., Ibarra-Manzano M. A., Avina-Cervantes J. G., Torres-Huitzil C. A CPG System Based on Spiking Neurons for Hexapod Robot Locomotion // Neurocomputing. 2015. Vol. 170. P. 47-54.

18. Pan P. S., Wu C. M. Design of a Hexapod Robot with a Servo Control and a Man-Machine Interface // Robotics and Computer-Integrated manufacturing. 2012. Vol. 28. P. 351-358.

19. Vidoni R., Gasparetto A. Efficient Force Distribution and Leg Posture for a Bio-Inspired Spider Robot // Robotics and Autonomous Systems. 2011. Vol. 59. P. 142-150.

20. Павлюк Н. А., Будков В. Ю., Бизин М. М., Ронжин А. Л. Разработка конструкции узла ноги антропоморфного робота Антарес на основе двухмоторного колена // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 1 (174). С. 227-239.

21. Pavluk N., Ivin A., Budkov V., Kodyakov A., Ronzhin A. Mechanical Leg Design of the Anthropomorphic Robot Antares // Interactive Collaborative Robotics, First International Conference ICR 2016, Budapest, Hungary, August 24-26, 2016. Springer International Publishing, 2016. LNAI 9812. P. 113-123.

22. Сагиров Ю. Г. Прочностной анализ металлоконструкции грузоподъемных кранов с использованием SolidWorks // Вестник Приазовского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2013. Вып. 26. С. 194-203.

23. Таблица характеристик металлов. URL: http://splav-khar-kov.com/mat_start.php?name_id=1438/(дата обращения 20.06.16).

24. Мотиенко А. И., Тарасов А. Г., Дорожко И. В., Басов О. О. Проактивное управление робототехническими системами спасения пострадавших // Труды СПИИРАН. 2016. Вып. 46. C. 174-195.

25. Ронжин А. Л., Юсупов Р. М. Многомодальные интерфейсы автономных мобильных робототехнических комплексов // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2015. № 1 (162). С. 195-206.

26. Юсупов Р. М., Крючков Б. И., Карпов А. А., Ронжин А. Л., Усов В. М. Возможности применения многомодальных интерфейсов на пилотируемом космическом комплексе для поддержания коммуникации космонавтов с мобильным роботом - помощником экипажа // Пилотируемые полеты в космос. 2013. № 3 (8). С. 23-34.

27. Мотиенко А. И., Ронжин А. Л., Павлюк Н. А. Современные разработки аварийно-спасательных роботов: возможности и принципы их применения // Научный вестник НГТУ. 2015. № 3 (60). С. 147-165.

28. Станкевич Л. А., Серебряков С. В. Когнитивные системы и агенты // Труды СПИИРАН. 2006. Вып. 3. Том 1. C. 71-87.