Моделирование кинематики нижней конечности шагающего робота с верхним расположением приводов

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.

1. Белотелов В. Н., Дарьина А. Н. Метод поиска каса-тельных в задаче быстродействия для колесного мобильного робота // Компьютерные исследования и моделирование. 2025. Т. 17, № 3. С. 401—421. DOI: 10.20537/2076-7633-2025-17-3-401-421.

2. Bruzzone L., Nodehi S. E., Fanghella P. Tracked locomotion systems for ground mobile robots: А review // Machines. 2022. Vol. 10, N. 8. P. 648. DOI: 10.3390/machines10080648.

3. Ларкина В. А. Шагающие роботы для спасательных операций. Обзор и анализ существующих моделей // Кибернетика и программирование. 2021. № 1. С. 35—73.

4. Цароев Р. Х. Реализация низкоуровневой системы управления для четырехногого шагающего робота // Труды 21-й Всероссийской школы-конференции молодых ученых "Управление большими системами" (УБС’2025, Тамбов). Тамбов: Издательский центр ФГБОУ ВО "ТГТУ", 2025. С. 330—336.

5. Liu X. J., Wang J. Parallel kinematics: Type, kinematics, and optimal design. Berlin: Springer, 2014. 309 p. (Springer Tracts in Mechanical Engineering). DOI: 10.1007/978-3-642-36929-2.

6. Gonzalez de Santos P., Garcia E., Estremera J. Quadrupedal locomotion: an introduction to the control of four-legged robots. London: Springer London, 2006.

7. Чигарев А. В., Борисов А. В. Моделирование управляемого движения двуногого антропоморфного механизма // Российский журнал биомеханики. 2011. № 1. С. 74—88.

8. Луговской К. С., Казанин П. И. Автоматизация обратной задачи кинематики двухзвенного манипулятора // Теория и практика современной науки. 2016. № 8 (14). С. 257—264.

9. Kucuk S., Bingul Z. Robot kinematics: Forward and inverse kinematics. London, UK: INTECH Open Access Publisher, 2006. Vol. 1.

10. Gouasmi M. et al. Kinematic modelling and simulation of a 2-R robot using solidworks and verification by MATLAB/ Simulink // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2012. Vol. 9, N. 6. P. 245.

11. Xu P. et al. Quadruped robot mechanism design and motion simulation based on SolidWorks and Adams // ASSISTIVE ROBOTICS: Proceedings of the 18th International Conference on CLAWAR 2015. 2016. P. 454—460.