д-р техн. наук, доц., вед. науч. сотр.
Москва
Moscow, 117997
мл. науч. сотр.
Москва
Junior Researcher
Moscow, 117997
инженер
Москва
Moscow, 117997
Представлена кинематическая модель нижней конечности четвероного шагающего робота. Ключевая особенность модели заключается в расположении приводов в бедренном шарнирном узле, при этом передача вращения от вала привода на голень реализуется с помощью рычажного механизма. Преимуществом разработанной конструкции является уменьшение массы нижней конечности, что способствует повышению скорости реакции конечности на управляющие сигналы и увеличению маневренности робота в целом. Недостатком является усложнение кинематики, что, в свою очередь, требует вычисления зависимостей между углами поворотов звеньев.
Целью исследования является разработка полной кинематической модели нижней конечности четвероногого робота с расположением приводов бедренного звена и звена голени в одном шарнирном узле, где передача крутящего момента с вала привода на голень осуществляется через рычажный механизм. Такой подход позволит снизить массу нижних конечностей и избежать недостатков, присущих классической кинематической схеме.
Продемонстрирована зависимость между углом вращения вала привода и поворотом голени четвероного шагающего робота относительно бедра. Для апробации модели разработаны уравнения, описывающие траекторию движения точки голеностопа в процессе ходьбы. По полученным координатам рассчитаны изменения углов в результате решения обратной задачи кинематики. Полученные графики изменения углов демонстрируют плавность и непрерывность, что является необходимым условием для обеспечения безударного движения нижней конечности.
Верификация посредством трехмерной модели в SolidWorks подтверждает отсутствие механических коллизий между звеньями во всех расчетных положениях. В статье приведен математический аппарат для проектирования и управления конечностями шагающих роботов. Таким образом, работа закладывает основу для создания более легких и динамичных платформ, применимых в задачах инспекции, мониторинга и автономной навигации в сложных условиях.
This paper presents the development of a kinematic model for the lower limb of a quadruped walking robot. The key feature of the model is the placement of all actuators within the hip joint housing, where torque from the drive shaft is transmitted to the shin via a lever mechanism. The advantage of this design is the reduced mass of the lower limb, which enhances the limb’s response speed to control signals and increases the overall maneuverability of the robot. The disadvantage is the increased kinematic complexity, which necessitates deriving the relationships between the angular displacements of the components. The aim of this work is to develop a complete kinematic model of the lower limb of a quadruped robot, with the actuators for both the thigh and shin segments located within a single hip joint unit, where torque from the drive shaft is transmitted to the shin through a lever mechanism. This approach reduces the mass of the lower limbs and overcomes the drawbacks inherent to classical kinematic configurations. In this study, the relationship between the actuator shaft rotation angle and the resulting shin deflection relative to the thigh was derived. To validate the model, equations describing the ankle point trajectory during the walking process were formulated. Using the obtained coordinates, the angular variations were calculated by solving the inverse kinematics problem. The resulting graphs of these angular changes are smooth and continuous, which is a necessary condition for ensuring impact-free motion of the lower limb. Verification using a 3D solid model in SolidWorks confirmed the absence of mechanical interference (collisions) between links across all calculated positions. The obtained results constitute a complete mathematical framework for the design and control of energy-efficient limbs for walking robots. Thus, this work lays the foundation for creating lighter and more dynamic robotic platforms applicable in inspection, monitoring, and autonomous navigation tasks in complex environments.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.