Моделювання та аналіз руху мобільної роботомеханічної системи з крокуючими рушіями

Abstract

Здійснено структурно-кінематичний аналіз шарнірно-важільного механізму крокування, побудованого на основі лямбда-механізму Чебишева. Виведено аналітичні залежності координат точки шарніра кріплення опорного важеля від геометричних параметрів механізму та кута повороту кривошипа. З метою забезпечення необхідної довжини кроку та висоти підйому опорної стопи розраховано геометричні параметри крокуючого механізму. Проаналізовано кінематику руху опорної стопи на основі виведених аналітичних залежностей та з використанням побудованих у програмному продукті SolidWorks твердотільної й імітаційної моделей крокуючої машини. За результатами моделювання зроблено висновки, що фаза контакту стопи з опорною поверхнею повністю забезпечує попередньо задану довжину кроку – 370 мм, а фаза перенесення стопи – необхідну висоту її підйому – 70 мм. На основі кінематичних параметрів руху опорної стопи зроблено висновок, що у фазі контакту стопи з опорною поверхнею відбувається вертикальне “просідання” корпусу машини на стадії одного кроку приблизно на 2 мм, що спричинятиме втрати енергії на періодичне підніманняопускання корпусу. Також спостерігається істотна зміна горизонтального і вертикального пришвидшень корпусу на етапі одного кроку, що спричиняє виникнення значних динамічних навантажень на опорні вузли машини, та, відповідно, втрати енергії на періодичне розганяння-гальмування корпусу під час крокування.

In the article, a structural analysis of the hinge-lever walking mechanism constructed on the basis of the Chebyshev’s lambda mechanism, which contains one structural group (Assur group) of the second class second order first type and the input link being a mechanism of the first class. Considering that the mechanism is characterized by single degree of freedom, the method of closed vector loops is used to describe the kinematic parameters of its links and nodes. A kinematic analysis of the walking mechanism is carried out, on the basis of which the analytical dependencies of the coordinates of the attaching hinge of the supporting lever were deduced on the geometrical parameters of the mechanism and on the angle of the crank rotation. On the basis of the analytic dependencies derived, in order to provide the required length of step and the lifting height of the supporting foot, the geometrical parameters of the walking mechanism are calculated. Using the obtained geometrical parameters, an analysis of the kinematics of the supporting foot motion is performed on the basis of the corresponding analytical dependencies and on the basis of the solid state and simulation models of the walking machine designed using the SolidWorks software. According to the results of the simulation, it is concluded that the supporting foot of the walking mechanism performs maximal vertical displacement of about 75 mm, and the horizontal displacement of about 400 mm. Herewith, the phase of contact of the foot with the supporting surface totally ensures the predetermined length of the step (370 mm), and the phase of the foot transfer ensures the necessary height of its lifting (70 mm). The results of the virtual experiments are totally consistent with the theoretical trajectory of the foot motion, constructed on the basis of the derived analytical dependencies in accordance with the specified parameters of the mechanism. Analysing the kinematic parameters of the supporting foot motion, in particular, the characteristics of its horizontal and vertical displacement, as well as horizontal and vertical velocities and accelerations, it is concluded that in the phase of contact of the foot with the supporting surface there is a vertical “squeezing” of the machine body during one step by about 2 mm, which will cause the energy losses for the periodic lifting-lowering of the body. There is also a significant change in the horizontal and vertical accelerations of the body during one step. The defined range of acceleration changes will result in significant dynamic loads acting upon the machine’s units, and, accordingly, in energy losses on periodic accelerating-slowing of the body during the process of walking. Also, the considered dynamic phenomena will have a significant effect on the efficiency of the walking machine and the quality of the transporting and technological operations being performed.