I nte rna t io na l J o urna l o f   Ro bo t ics a nd   Aut o m a t io n   ( I J RA )   Vo l.   5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 6 ,   p p .   24 4 ~ 25 4   I SS N:  2089 - 4856          244       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J RA   Dena v it - H a rtenb erg Co o rdina te  S y ste m  f o r Robo ts     w ith  Tree - li ke  K i ne m a t ic S truc tur e       Ale k s a nd er   K .   K o v a lchu k ,  F a niy a   K h.  Ak h m et o v a     Ba u m a n   M o sc o w   S tate   Tec h n ica l  Un iv e rsity ,   Ru ss ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   13 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   Oct  3 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   No v   1 6 ,   2 0 1 6       T h e   p a p e r  p re se n ts  a   m o d if ie d   De n a v it - Ha rten b e rg   c o o rd in a te  s y st e m   re su lt e d   f ro m   jo in t  a p p li c a ti o n   o f   g ra p h   th e o ry   a n d   th e   De n a v it - Ha rten b e rg   c o o rd i n a te  s y ste m ,   w h ich   wa s  d e v e lo p e d   to   d e sc rib e   th e   k in e m a ti c s  o f  ro b o t   a c tu a to rs  w it h   a   li n e a r   o p e n   k in e m a ti c   c h a in .   It  a ll o ws   f o r m in g   m a th e m a ti c a l   m o d e ls  o f   a c tu a ti n g   m e c h a n is m s  f o r  th e   ro b o ts  w it h   tree - li k e   k in e m a ti c   stru c tu re s.  T h e   w o rk   in tro d u c e s  th e   c o n c e p t   o f   p rim a r y   a n d   a u x il iary   c o o rd i n a te  sy ste m s.  It  c o n sid e rs  a n   e x a m p le  o f   m a k in g   th e   li n k s’  re a c h a b il it y   m a tri x   a n d   re a c h a b il it y   g ra p h   fo r  th e   tree - li k e   a c tu a ti n g   m e c h a n ism   o f   a   ro b o ti c   m a n n e q u in .   T h e   u se   e ff icie n c y   o f   th e   p ro p o se d   m o d if ied   De n a v it - Ha rten b e rg   c o o rd i n a te  sy ste m   i s  il lu stra ted   b y   th e   e x a m p les   g iv in g   th e   m a th e m a ti c a l  d e sc rip ti o n   o f   th e   k in e m a ti c s  a n d   d y n a m ics   o f   sp e c i fic  ro b o ts’   tree - li k e   a c tu a ti n g   m e c h a n ism s  d isc u ss e d   in   th e   p re v io u sly   p u b li sh e d   p a p e rs.   It  is  sh o w n   th a t  t h e   p ro p o se d   c o o r d in a te  sy ste m   c a n   a lso   b e   su c c e ss f u ll y   a p p li e d   t o   d e sc rib e   th e   a c tu a ti n g   m e c h a n is m s  o f   ro b o ts  w it h   a   li n e a r  o p e n   k in e m a ti c   c h a in ,   w h ich   is  a   p a rti c u lar  c a se   o f   th e   tree - li k e   k in e m a ti c   stru c tu re .   T h e   a b se n c e   o f   b ra n c h in g   jo in ts  i n   it   d o e s  n o t  re q u ire  i n tro d u c in g   a u x il iar y   c o o rd in a te  sy ste m s  a n d   th e   p a ra m e ters   f ( i)  a n d   n s( i)   a r e   n e c e ss a r y   o n ly   f o r  th e   f o r m a l  n o tatio n   o f   e q u a ti o n s,  w h ich   h a v e   si m il a r  f o rm s  f o r  th e   tree - li k e   a n d   li n e a r  c h a in s.  In   th is  c a se ,   th e   m o d if ied   a n d   trad it io n a l   c o o rd i n a te sy ste m s co in c id e .   K ey w o r d :   T r ee - lik e  ac tu ati n g   m ec h a n is m   Den a v it - Har ten b er g   co o r d in ate   s y s te m     R o b o t k in e m atic s     R o b o tic  ac tu ati n g   m ec h a n i s m     R o b o t d y n a m ics   Co p y rig h t  ©   201 6   In s t it u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A le k s a n d er   K.   Ko v alc h u k ,     B au m a n   Mo s co w   State  T ec h n ical  Un i v er s it y ,   5 /1 ,   2 n d   B au m a n   Str. ,   Mo s co w ,   R u s s ia,   1 0 5 0 0 5 .   E m ail:  ed ito r @ ac ad e m icp ap er s . o r g       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  m et h o d s   o f   m at h e m atic al  d escr ip tio n   o f   th e  r o b o ts ’   ac tu ato r   k in e m atic s   an d   d y n a m ics  ar e   ex ten s i v el y   d escr ib ed   in   liter a tu r e  [ 1 - 6 ] .   T h e  au th o r s   co n s id er   an   ac tu ati n g   m ec h an i s m   ( AM )   as  a  lin ea r   o p en   k in e m at ic  ch ai n ;  th a t  is   t y p ica l  f o r   in d u s tr ial  r o b o ts   an d   s p ec ial - p u r p o s e  h a n d li n g   eq u ip m en t.  T h er e  ar e  tw o   m o s t  w id el y   u s ed   m et h o d s   to   d escr ib e  th e  k i n e m a tics   a n d   d y n a m ic s   o f   s u c h   r o b o ts ’   A Ms.   T h e  f ir s t  m et h o d   is   b ased   o n   th e  u s e  o f   b lo ck   m at r ices   [ 7 ,   8 ] .   I t  allo w s   o b tain i n g   k in e m at ic s   eq u atio n s   i n   b o th   an al y tic  an d   alg o r ith m ic  f o r m s .   T o   u s e  th is   m et h o d   in   p r ac tice,   th e  au th o r s   d ev elo p ed   s o f t w ar e  t h at  al lo w s   e x p lo r in g   an d   d es ig n i n g   r o b o tic  ac tu a tin g   s y s te m s ,   i n clu d i n g   t h o s e  w it h   f le x ib le  li n k s .  T h e  w o r k   o f   A .   G.   L es k o v   et   al.   [ 9 ]   h as  an   ex a m p le  o f   u s in g   t h is   m et h o d   to   b u ild   a   m o d el  o f   th e  ac tu ato r   k in e m at ics i n   an   i n d u s tr ial  r o b o t  w it h   a  b r an ch i n g   k i n e m atic  s tr u ct u r e  ( KS)   o f   g r ip p in g .   T h e  s ec o n d   m et h o d   to   d escr ib e  th e  r o b o tic  ac tu ato r   k in e m a t ic s   w a s   o f f er ed   b y   J .   Den av it  an d   R .   S.   Har ten b er g   [ 1 0 ] .   I t  is   b ased   o n   u s i n g   h o m o g en eo u s   tr a n s f o r m atio n   m atr ices  ( 4   4 )   g iv i n g   u n a m b i g u o u s   a n d   clea r   r u les   f o r   m a k i n g   a  r o b o t’ s   ac tu a to r   m at h e m atica l   m o d el.   T h e  n u m b er   o f   p ar a m eter s   in   t h e  m atr i x   A i   o f   th e  ac tu ato r   s er ial  li n k s ’   r elati v e  p o s itio n   is   m in i m a l  an d   n at u r all y   d ef in e s   th e  m u tu al  ar r an g e m e n t  o f   ac t u ato r   s er ial  lin k s .   T h e  f o r m   o f   th e  m atr ix   A i   is   s i m ilar   f o r   b o th   r o tatio n al  an d   tr an s latio n al  j o in ts .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Den a vit - Ha r ten b erg   C o o r d in a te  S ystem  fo r   R o b o ts   w ith   Tr ee - like  K in ema tic  S tr u ctu r e  ( A le ksa n d er K )   245   T h e  s ig n i f ican t   ad v a n tag e  o f   t h is   m et h o d   d ev elo p ed   to   co n s tr u ct  r elate d   co o r d in ate  s y s te m s   ( C S)  i s   th at  y o u   m a y   s p ec i f y   o n l y   f o u r   p ar am eter s   d eter m in i n g   th e  r elativ e  p o s itio n   o f   t w o   s er ial  C Ss   i - 1   an d   i   a n d ,   as  a  co n s eq u e n ce ,   th e  tr an s f o r m a tio n   m atr i x   A i .   T h e  r esu ltin g   m atr ix   A i   j o in i n g   th e  C S s   i - 1   an d   i   h as t h e  f o ll o w i n g   f o r m   [ 1 0 ] :         |      (     )        (     )         (     )       (     )         (     )            (     )       (     )      (     )        (     )         (     )        (     )             (     )         (     )      (     )             |                                                                                                                                       ( 1 )   Ou t  o f   t h e  f o u r   p ar a m eter s   (     ,      ,      ,      )   f r o m   ex p r es s io n   ( 1 ) ,   th e  t w o   p ar a m eter s         an d         ar e  al w a y s   co n s ta n t  an d   d eter m i n ed   b y   th e  r o b o t’ s   ac t u ati n g   m e ch an i s m   d e s ig n .   On e  o f   th e  o t h er   t w o   p ar a m eter s   (       o r       )   is   v ar iab le.   Fo r   a  r o tatio n al  j o in t,  th e  v alu e        s p ec if ie s   t h e  an g le  o f   r elati v e  r o tatio n   o f   th e  li n k s   i - 1   an d   I ,   th e  lin ea r   v al u e        is   co n s ta n t.  Fo r   a  telesco p ic  jo in t  it  is   v ice  v er s a,   t h e  v ar iab le  v alu e  i s       .   T h e  v ar iab le  v al u e  o f   t h e  i - th   j o i n t   (       o r       )   is   co m m o n l y   r e f er r ed   to   as  th e  g e n er alize d   co o r d in ate  o f   th e  r o b o t’ s   ac tu ati n g   m ec h an is m .   I n   b u ild in g   r o b o tic  k in e m atic   m o d els,  t h is   m et h o d   is   m o s t   p r ev alen t  a m o n g   d ev elo p er s   d u e  to   its   clar it y   an d   r ef er e n ce   to   ac tu at o r s ’   d esig n   p ar a m eter s .   Ho w e v er ,   t h e  atte m p ts   o f   u s i n g   t h is   m eth o d   o f   d escr ib i n g   th e  r o b o ts   w i th   a  tr ee - li k e  K S  r ev ea led   ce r tain   d if f ic u ltie s   in   it s   ap p licatio n .       2 .           AP P L I CAB I L I T Y   Du r in g   t h e  p r o ce s s   o f   cr ea tin g   w a lk i n g   r o b o ts   ( W R )   ex ten s iv el y   elab o r ated   lately ,   t h e  d ev elo p er s   ca m e  ac r o s s   a  p r o b lem   -   h o w   to   m at h e m atica ll y   d escr ib e  th e  k i n e m atics  a n d   d y n a m ic s   o f   th eir   ac tu a tin g   m ec h a n i s m s ,   w h ic h   ar e  s p atial   tr ee - li k e  k i n e m a tic  s tr u ct u r es  w it h   a   lar g e  n u m b er   o f   f r ee d o m   m o tio n   d e g r ee s .   W ell - k n o w n   m et h o d s   p r o v id in g   g o o d   r esu lts   i n   th e  d escr i p tio n   o f   r o b o ts ’   A M s   w it h   li n ea r   o p en   k in e m at ic   ch ain s   ar e  n o t a l w a y s   ac ce p ta b le  to   d escr ib e  th e  A Ms  w it h   t r ee - lik e  k i n e m atic  ch a in s .   I t  is   also   i m p o r tan t  th at  t h e  m ath e m atica l  m o d el s   o f   ac t u ato r   k in e m atic s   o b tain ed   b y   th e s e  m et h o d s   ar e  to   b e  u s ed   in   co n s tr u ct in g   d y n a m ical  eq u at io n s   a n d   alg o r ith m s   f o r   r o b o t m o tio n   co n tr o l .   T h er ef o r e,   th e  d ev elo p m e n t  o f   n e w   e f f ec tiv e   m e th o d s   to   co n s tr u ct  t h e  m at h e m atica l  m o d el s   o f   r o b o tic  tr ee - lik e  ac tu ato r   k i n e m atic s   an d   d y n a m ics is   a n   i m p o r tan t scien ti f ic  a n d   tech n ica l c h alle n g e.       3.   RE S E ARCH   M E T H O D     T h e  au th o r s   s u g g est a  m et h o d   o f   b u ild i n g   a   m o d i f ied   Den a v i t - Har te n b er g   ( DH)   co o r d in ate  s y s te m ; i t   allo w s   f o r m in g   m at h e m atica l  m o d el s   f o r   th e  ac t u ato r s   o f   r o b o ts   w it h   ar b itra r y   tr ee - li k e  K Ses .   T h is   m eth o d   is   b ased   o n   jo in t  ap p licatio n   o f   th e  g r ap h   t h eo r y   [ 1 1 ]   an d   DH  co o r d in ate  s y s te m   p r o p o s ed   b y   De n av it  an d   Har ten b er g   [ 1 0 ]   to   d escr ib e  th e  k in e m atic s   o f   r o b o ts   w ith   li n ea r   o p en   k in e m atic  c h ain .   T h is   s av e s   th e  k n o wn   b en ef it s   o f   th e  DH  C S  an d   g i v es  a  p o s s ib ilit y   to   d escr ib e  th e  k i n e m atics  o f   t h e  ar b itra r y   tr ee - lik e  KS  u s i n g   th e  g r ap h   t h eo r y   m et h o d s .       4.   RE SU L T S  A ND  AN AL Y SI S     L et  u s   co n s id er   a  k i n e m a tics   s ch e m e  o f   a  r o b o t’ s   ac tu atin g   m ec h a n i s m   ( Fi g .   1 )   in   a  tr ee - li k e  d ir ec ted   g r ap h   ( Fi g .   2 )   [ 1 1 ] .   I n   th is   g r a p h ,   th e  ac t u ati n g   lin k s   ar e  v er t ices  an d   t h e  co n n ec ti n g   j o in ts   ar e  ed g es  [ 1 2 ] .   L et  u s   a s s u m e   th at   th e  tr ee   r o o t  ( th e  li n k   n u m b er   0 )   is   t h e  r o b o t' s   s u r r o u n d i n g   s p ac e.   T h e  r o b o tic  ac tu ati n g   lin k s   s tar t  f r o m   n u m b er   1 ;  t h en   t h e ir   n u m b er s   i n cr ea s e  f r o m   t h e  r o o t  o f   th e  tr ee   to   its   lea v es  w it h o u t  g ap s .   T h er e  m u s t  b e  a  co n d itio n   th a t  th e  lin k ’ s   o w n   n u m b er   i s   s m aller   th an   th e  n u m b er   o f   its   a n y   l in k - s u cc e s s o r .   T h e  n u m b er   o f   t h e  A M ’ s   g en er aliz ed   co o r d in ate  ( as  w ell  as  t h e  n u m b er   o f   t h e  co r r esp o n d in g   j o in t)   is   t h e  s a m e  a s   th e  n u m b er   o f   t h e  li n k   co n n ec ted   b y   t h is   j o in t  to   th e  p r ev io u s   li n k .   Fo r   w al k i n g   r o b o ts ,   th e  b o d y   o f   w h ic h   is   n o t  atta ch ed   to   a  f i x ed   b ase,   th e  to tal  n u m b er   o f   it s   f r ee d o m   d eg r ee s   is   eq u al   to   N +6 ,   wh er e  N   i s   th e   n u m b er   o f   m o tio n   f r ee d o m   d eg r ee s   f o r   its   ac tu ati n g   m ec h an is m s .   T o   “ b in d ”  th e  W R ’ s   A M s   to   an   ab s o lu te  C S  an d   d escr ib e  its   m o t io n   i n   s p ac e,   w e  in tr o d u ce   a   d u m m y   k i n e m atic  c h ai n   t h at  co n n ec t s   t h e   r o b o t’ s   b o d y   w it h   a   s tatio n ar y   ( in   t h e  ab s o lu te  C S )   d u m m y   s tan d .   T h is   d u m m y   ch ain   co n s i s ts   o f   w eig h tle s s   lin k s   ( 0   5 ) ,   ( th r ee   tr an s latio n al  a n d   th r ee   r o tatio n al  k in e m atic   p air s ,   5 th   g r ad e)   an d   ch ar ac ter izes  t h e  p o s itio n   an d   o r ien ta tio n   o f   th e  r o b o t’ s   b o d y   i n   t h e  ab s o lu t e  C S.   Su c h   a  d escr ip tio n   o f   t h e  r o b o t’ s   tr ee - li k e  ac t u ati n g   m ec h an i s m   k in e m atic   s c h e m e   p r esu m e s   d if f er e n t  v ar ian ts   o f   t h e  li n k s ’   n u m b er i n g .   T h e  q u an tit y   o f   n u m b er in g   v ar ian t s   d ep en d s   o n   t h e  tr ee - li k e  k in e m at ic  s t r u ct u r e’ s   co m p le x it y .   Her e,   ev er y   n u m b er i n g   v ar ian t  co r r esp o n d s   to   it s   o wn   d ir ec ted   g r ap h ,   it s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 6 :   24 4   –   25 4   246   r ea ch ab ilit y   m atr i x   an d   its   o wn   b lo ck   v ec to r     ̅   d eter m in i n g   th e  s eq u en ce   o f   b asi s   v ec to r s   o f   th e  ax e s     ̅ ,   w h ic h   m atc h   th e  j o in ts   co n n ec ti n g   th e  ac tu ati n g   li n k s   w i th   t h eir   an ce s to r   lin k s .   A   d e v elo p er   is   g i v e n   t h e  r i g h t   to   ch o o s e  a  s p ec i f ic  n u m b er i n g   v ar ia n t  b ased   o n   h i s   p r io r ities .   Ho w e v er ,   w e  m u s t r e m e m b er   th at  all  n u m b er in g   o p tio n s   ar e  eq u iv ale n t a n d   lead   to   th e  d esire d   r esu lt.           Fig u r e   1 .   Kin e m atic  s c h e m e  o f   a  r o b o tic    m a n n eq u in ’ s   ac tu a tin g   m ec h a n is m   w it h   d u m m y   l in k s           Fig u r e   2 .   T r ee - lik e  g r ap h   r ep r e s en ti n g   th e  k i n e m atic  s tr u ctu r e   o f   a  r o b o tic  m a n n eq u i n ’ s   ac tu ati n g   m ec h an is m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Den a vit - Ha r ten b erg   C o o r d in a te  S ystem  fo r   R o b o ts   w ith   Tr ee - like  K in ema tic  S tr u ctu r e  ( A le ksa n d er K )   247   I n   th e  m at h e m atica l  d escr ip tio n   o f   t h e  k in e m at ic  s tr u ctu r e  o f   r o b o tic  A Ms  r ep r esen ted   i n   t h e  f o r m   o f   tr ee - li k e  d ir ec ted   g r ap h s ,   w e  u s e  th e  f o llo w in g   d ef i n it io n s   [ 1 2 ] :   L={ 1 , 2 …, N }   –   th e  ir r eg u lar   s e t,  th e  ele m e n t s   o f   w h ich   ar e  t h e  n u m b er s   o f   A M ’ s   l in k s ;   f( i )   –   th e  n u m b er   o f   an ce s to r   o f   th e  l in k   i ;   s ( i,k )   –   th e  n u m b er   o f   th e  l in k   -   k - t h   s u cc es s o r   o f   th e  li n k   i ;   dg + ( i )   –   th e  o u td eg r ee   o f   t h e  li n k   i ; i t d eter m i n es t h e  n u m b er   o f   s u cc e s s o r s   o f   t h e  li n k   i ;   Γ ( i )   –   th e  s eq u e n ce   o f   li n k s ’   n u m b er s ,   w h ic h   ar e  th e  s u cc es s o r s   o f   th e  l in k   i ;  Γ ( i) ={ ( s ( i , 1 ) ,     s( i , 2 ) , …s ( i , k ) , …s ( i ,   dg + ( i ) ) ) };   n s ( i )   d eter m i n es t h e  o r d er   n u m b er   o f   t h e  s u cc es s o r   lin k   i   r elativ el y   it s   an ce s to r ;         *       +   –   th e  co ef f icie n t to   d ef i n e  t h e  j o in t ty p e  o f   t h e  li n k   i   ( 1   –   r o t atio n al,   0   –   tr an s latio n al) ;               *                   +   –   th e  d iag o n al  m atr ix   d e f in in g   th e              j o in t t y p es o f   t h e  tr ee - li k e  A M ’   lin k s .   L et  u s   co n s id er   th e  p r o ce d u r e  o n   s ettin g   th e  co o r d in ate  s y s te m s   r elate d   to   th e  tr ee - li k e  A M ’ s   li n k s   [ 1 3 ,   1 4 ] .   E v er y   A M ’ s   li n k   i s   co n n ec ted   w it h   t h e  q u a n tit y   o f   co o r d in ate  s y s te m s   eq u al  to   th e  q u a n tit y   o f   its   s u cc e s s o r s .   On e  C S  co n n ec te d   w ith   t h e  lin k   is   r eg ar d ed   as   p r im ar y ,   o th er   C Ses   ar e  au x i liar y .   Fig .   3   s h o w s   th r ee   s a m p le  co o r d in ate  s y s te m s   co n n ec ted   w ith   t h e  lin k   i ,   w h ic h   h as  t h r ee   s u cc e s s o r s .   All  C Ses   ar e  ass i g n ed   in   ac co r d an ce   w ith   De n a v it - H ar ten b er g   [ 1 0 ]   r u les.         Fig u r e   3.   Desig n atio n   o f   co o r d in ate  s y s te m s   co n n ec ted   w it h   a  b r an ch in g   li n k       T h e  tr an s itio n   o f   th e  li n k   i  f r o m   th e  p r i m ar y   C S  to   th e  co r r esp o n d in g   C S  o f   i ts   a n ce s to r   lin k   f( i )   i s   d ef in ed   b y   t h e  tr an s f o r m atio n   m atr i x   A i :                                                         | |       (   )      (   )   ̅     (   )      (   )         | | .                                             ( 2 )       T h e  tr an s itio n s   o f   t h e  li n k   i   f r o m   a u x iliar y   C Se s   to   t h e  p r im ar y   C S  i s   d eter m i n ed   b y   t h e  co n s ta n t   m atr ices o f   h o m o g e n eo u s   tr a n s f o r m a tio n s   M i, ns(j) ,   w h er e  j  is   t h e  n u m b er   o f   t h e  i - li n k ’ s   s u cc ess o r s :                                        (   )   | |            (   )            (   )           | | .     ( 3 )       T h e  ex p r ess io n s   ( 2 )   an d   ( 3 )   allo w   w r it in g   r ec u r r en t  r elati o n s   to   d eter m i n e  t h e  m atr i x   T ,   w h ic h   s p ec if ie s   th e  tr a n s it io n   f r o m   p r i m ar y   l i n k s ’   C Ses   to   t h e  ab s o lu te  C S.     T i = T f(i) M i, ns(j) A i .   T h e  m atr i x   M i, ns(j)  is   al w a y s   c o n s ta n t  an d   p er f o r m s   a  s u p p o r tin g   f u n ct io n   d u r i n g   t h e  tr a n s itio n   f r o m   th e  s u cc es s o r ’ s   p r i m ar y   C S    t o   th e  an ce s to r ’ s   p r i m ar y   C S.  I n   ca s e  j ∈ Γ (i)   a n d   it  co r r esp o n d s   to   th e  p r i m ar y   C S   o f   th e  li n k   i,   th e n   M i, ns(j)= E .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 6 :   24 4   –   25 4   248   C o o r d in ate  s y s te m   s eq u e n ce   o r d er   in   th e   tr ee - li k e  k i n e m atic  s tr u ct u r e  o f   r o b o ts ’   A M s   is   s e t  w it h   t h e   h elp   o f   th e  b lo ck   v ec to r     ̅ .   I t  d e f i n es  th e  s eq u e n ce   o f   th e  b asi s   v ec to r s   o f   th e  ax es  z ,   w h ic h   co r r esp o n d   t o   th e  j o in ts   co n n ec ti n g   th e  ac t u ati n g   li n k s   w it h   th e ir   an ce s to r s .   F o r   th e  ac tu ati n g   m ec h an is m ,   t h e  k i n e m atic  s c h e m e   o f   w h ic h   is   p r ese n ted   in   F ig .   1 ,   th e  b lo ck   v ec to r     ̅   h as t h e   f o ll o w i n g   f o r m :                             ̅   (                                                                                                                       ( 4 )                                                                                                                                                             )       T h e  f ir s t  ele m e n t  ( it  co r r esp o n d s   to   th e  f ir s t   lin k )   i s   z 0   in   th e  ab s o lu te  C S.  T h e  s ec o n d   ele m en t  i s   th e   b asis   v ec to r   o f   t h e  f ir s t  li n k ’ s   ax i s   z .   Fo r   in s ta n ce ,   f o r   L i n k   1 9 ,   th er e  is   th e   b asis   v ec to r   o f   t h e  ax is   z   o f   t h e  s ix t h   l in k ’ s   a u x iliar y   C S.  T h e  ax es  o f   t h e  li n k s - lea v es '   co o r d in ate  s y s te m s   ar e  n o t  i n cl u d ed   in to   th i s   b lo ck   v ec to r .   I t sh o u ld   b e  n o ted   th at  i n   t h e  c o n s id er ed   ex a m p le,   t h e    ̅   b lo ck   v ec to r ’ s   d i m e n s io n   is   ( 2 4 х 2 4 ) ,   an d   th e     ̅   b lo ck   v ec to r ’ s   d i m en s io n   i s   ( 2 1 х 2 1 )   –   d u e  to   th e  f ac t  th at  t h e  ele m e n t s             ,            ,              o f   th e  v ec to r     ̅   ar e  n o t  th e  A M ’ s   k i n e m a ti c  p air   ax es  b u t  ar e  r elate d   w it h   t h e  r o b o t’ s   au x iliar y   co o r d in ate  s y s te m s   d eter m in i n g   th eir   p o s itio n   a n d   o r ien tatio n   i n   t h e  m ai n   co o r d in ate  s y s te m .   Fo r   a  lin ea r   o p e n   k i n e m atic  ch ai n ,   th e  d i m e n s io n s   o f   th e  v ec to r s     ̅   an d     ̅   co in cid e.   Fo r   th e  m at h e m a tical  d escr ip tio n   o f   th e  A M ’ s   tr ee - lik e   k in e m atic  s tr u ct u r e,   it  is   n ec ess ar y   t o   d eter m in e   th e   li n k s ’   o r d er   r elativ e  to   ea ch   o t h er .   I t   is   f o u n d   b y   t h e  r ea ch ab il it y   m atr ix   D   –   th e   s q u ar e   m a tr ix ,   ev er y   ele m e n t  o f   w h ich              if   t h e  i - th   v er tex   o f   th e  d ir ec te d   g r ap h   d escr ib in g   t h e  A M ’ s   k i n e m atic   s tr u ct u r e  is   r ea ch ab le  f r o m   t h e   v er tex   j   a n d              if   th e  i - t h   v er tex   is   n o t r ea ch a b le  f r o m   th e  v er te x   j .   Up o n   n u m b er in g   t h e   r o b o t’ s   ac tu ati n g   li n k s   in   ac co r d an ce   w it h   t h e  ab o v e   r u le s ,   t h e   r ea ch ab ilit y   m atr i x   D   t u r n s   o u t   to   b e  a  lo w er   tr ia n g u lar   m atr i x ,   it s   d i m en s io n   is   eq u al  to   t h e  ac t u a tin g   li n k s ’   n u m b er .   T h er ef o r e,   b o th   th e  tr ee - li k e  g r ap h   r ep r esen tin g   th e  r o b o t’ s   tr ee - lik e  k i n e m at ic  s tr u ct u r e  an d   th e  r ea ch ab ilit y   m atr i x   D   r ef lect  t h e  r elati v e  p o s itio n   an d   r ea ch ab ili t y   o f   th e  ac tu ati n g   m ec h an is m ’ s   li n k s .   T h u s ,   th e  p r o p o s ed   m e th o d   o f   co n s tr u cti n g   a  m o d if ied   DH   co o r d in ate  s y s te m   allo w s   d e f i n in g   t h e   v alu e s   o f   th e  tr ee - li k e  ac tu ati n g   m ec h a n i s m ’ s   p r i m ar y   an d   au x i liar y   co o r d in ate  s y s te m s .   T ab les  1   an d   2   g iv e   th e  m o d if ied   DH   p ar a m eter s ’   v al u es   f o r   p r i m ar y   an d   au x il iar y   co o r d in ate  s y s te m s   o f   th e  r o b o tic  ac tu ati n g   m ec h a n i s m ,   t h e  k in e m atic  s ch e me   o f   w h ic h   is   p r esen ted   i n   F ig u r e   1   [ 1 1 ] .       T ab le  1 .   Mo d if ied   DH  p ar am e ter s ’   v alu e s   f o r   p r i m ar y   co o r d in ate  s y s te m s   o f   a  r o b o tic  ac tu atin g   m ec h a n is m   C S   N o .   θ,   r a d   d , m   a , m   α ,   r a d   f ( i )   n s( i )   1   -   π/ 2   0   0   -   π/ 2   0   1   2   -   π/ 2   0   0   -   π/ 2   1   1   3   -   π/ 2   0   0   -   π/ 2   2   1   4   π/ 2   0   0   π/ 2   3   1   5   π/ 2   0   0   π/ 2   4   1   6   0   - 0 . 3 4 9   0   -   π/ 2   5   1   7   π/ 2   - 0 . 1   0 . 1 7   π/ 2   6   1   8   0   0   0   -   π/ 2   7   1   9   0   0   0 . 4   0   8   1   10   0   0   0 . 4 2 7 2 6   0   9   1   11   0   0   0 . 0 5 1   0   10   1   12   -   π/ 2   0   0   -   π/ 2   7   2   13   0   0   0 . 4   0   12   1   14   0   0   0 . 4 2 7 2 6   0   13   1   15   0   0   0 . 0 5 1   0   14   1   16   π   0 . 2   0   π/ 2   6   2   17   π   0   0 . 2 6 2   -   π/ 2   16   1   18   0   0   0 . 4 4 4   0   17   1   19   π   0 . 2   0   -   π/ 2   6   3   20   π   0   0 . 2 6 2   -   π/ 2   19   1   21   0   0   0 . 4 4 4   0   20   1       T ab le  2 .   Mo d if ied   DH  p ar am e ter s ’   v alu e s   f o r   au x iliar y   co o r d in ate  s y s te m s   o f   a  r o b o tic  ac t u ati n g   m ec h an i s m   C S   N o .   θ,   r a d   d , m   a , m   α ,   r a d   f ( i )   n s( i )   6 . 2   π/ 2   0   - 0 . 3 4 9   π   6   2   6 . 3   π/ 2   0   - 0 . 3 4 9   0   6   3   7 . 2   π/ 2   0   0 . 2   0   7   2     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Den a vit - Ha r ten b erg   C o o r d in a te  S ystem  fo r   R o b o ts   w ith   Tr ee - like  K in ema tic  S tr u ctu r e  ( A le ksa n d er K )   249   B y   t h e  tr ee - li k e  g r ap h   ( Fi g .   2 )   p r esen tin g   th e  r o b o tic  k in e m atic  s tr u ct u r e,   w e  d ef i n e  th e  r ea ch ab ilit y   m atr i x   D( 2 1   21)   o f   th e  r o b o t’ s   ac tu ati n g   l in k s .   I ts   ele m e n ts ’   n u m er ica l v al u es c a n   b e  f o u n d   i n   T ab le  3 .       T ab le  3 .   Nu m er ical  v al u es o f   t h e  m atr i x   D   ele m e n ts     1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   D( 2 1   2 1 ) =       1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   0   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   0   0   0   0   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1   0   0   0   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   0   0   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   0   1   1   1   1   1   1   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   0   1   1   1       T h e  f ir s t  s ix   co lu m n s   o f   th e  m atr ix   D( 2 1   21)   co r r esp o n d   t o   t h e  lin k s   o f   th e  d u m m y   k i n e m atic  ch ain   co n n ec ti n g   t h e  r o b o t’ s   b o d y   w it h   a  d u m m y   s ta n d   s tatio n ar y   i n   t h e  ab s o l u te  s y s te m .   T h e  1 - v al u e  ele m e n ts   o f   th e  f ir s t  s ix   co l u m n s   i n d icate   th at  f r o m   t h ese  lin k s   ar e  r ea c h ab le  all  t h e  o th er   li n k s   o f   th e  r o b o t’ s   k i n e m a tic   ch ain .   T h e  s e v en t h   co lu m n   o f   th e  m atr i x   D ( 2 1   21)   co r r esp o n d s   to   L i n k   7 ,   f r o m   w h ich   t h e  lin k s   8   1 5   ar e   r ea ch ab le.   T h e  eig h t h   co r r esp o n d s   to   L i n k   8 ,   f r o m   w h ich   o n l y   t h e  lin k s   9   1 1   ar e  r ea ch ab le.   L i n k   1 1   ( th e  1 1 th   co lu m n )   is   r ea ch ab le  o n l y   f r o m   its e lf ,   etc.   T h u s ,   if   w e  co m p le m e n t  th e  t r ad itio n al  DH  p ar am eter s       ,      ,      ,        w it h   th e  p ar a m eter s   f ( i) ,  n s ( i ) ,  as  w ell  as  t h e  b lo ck   v ec to r     ̅ ,   th e  d iag o n a l  m atr i x   σ   a n d   th e  r ea ch ab ilit y   m atr i x   D   ch ar ac te r izin g   t h e  s p ec i f ic   C S ’ s   f ea t u r es,  it  i s   p o s s ib le  to   f o r m alize   th e  k i n e m atic  eq u at io n s   f o r   th e  ac t u ati n g   m ec h a n i s m   o f   a  r o b o t  w it h   an   ar b itra r y   tr ee - li k e  k i n e m ati c  ch ain .   Usi n g   th e  ab o v e - p r o p o s ed   m e th o d   o f   d escr ib in g   th e  k in e m atics  o f   a  tr ee - lik e  r o b o t’ s   AM   w it h   th e   h elp   o f   th e  m o d i f ied   DH  co o r d in ate  s y s te m ,   w e  w r ite  k in e m atic  d ep en d en cie s   f o r   all  AM ’ s   li n k s   in   a  b lo ck   m atr i x   f o r m   [ 1 3 ,   1 4 ] .   T h e  v a lu es ’   s y m b o ls   u s ed   in   th e   b elo w   e x p r ess io n s   ( 5 )   ( 1 4 )   co r r es p o n d   to   th o s e  i n   Ko v alch u k   et  al.   [ 1 4 ] .   T h e  ex p r ess io n s   to   d ef in e  t h e  lin k s ’   an g u lar   v elo citie s         an d   an g u la r   ac ce ler atio n s         ca n   b e  f o r m ed   as f o llo w s :                                               (               )   ̇ ;                                                                           ( 5 )                                        (                   ̈             ̇       ̇   ) .                       ( 6 )     L et  u s   w r ite  t h e  ex p r ess io n s   d ef in i n g   th e  v elo cities        an d   ac ce ler atio n s     ̇     o f   th e  lin k s ’   p r im ar y   C S o r ig i n s :                                                                 .     (       )                         (       ) /   ̇                 ( 7 )     ̇     .     (       )                         (       ) /   ̈     ( 8 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 6 :   24 4   –   25 4   250                           .     (   ̇     )   ̇               (   ̇     )                   ̇       (       ) /   ̇ .       T h e  A M  li n k s ’   ce n ter   o f   m as s   ac ce ler atio n   ca n   b e  d eter m i n e d   w it h   th e  f o llo w i n g   e x p r ess io n :          ̅             (             (       )       (        )           )   ̈           (        )     (               ̇   ) (       )               ̇           (     (        )         ̇         ̇               (        )       ( (       )                 ̇   ) )               ̇                                                         (       )   (       )     ̇   (       )               ̇ .                      ( 9 )   E ac h   e x p r ess io n   ( 5   9 )   co n tain s   th e  ab o v e   d ef i n ed   r ea ch ab ili t y   m atr i x   D ,   b lo ck   v ec to r   z   ( it  d escr ib es   th e  s eq u e n ce   o f   th e   b asis   v ec to r s   o f   t h e  li n k s - r elate d   c o o r d in ate  s y s te m s ’   z )   a n d   d i ag o n al  m atr i x   σ   ( it   d eter m in e s   t h e  j o in ts ’   t y p es   f o r   A M  lin k s   –   tr an s latio n al  o r   r o tatio n al) .   T h e  s u p er s cr ip t  “0 ”  in d icate s   th a t  all  th e  o b tain ed   ex p r ess io n s   (5   9 )   ar e  w r itte n   in   t h e  r ef er e n ce   C S   “ 0 ”.   T h e  ab o v e - p r o p o s ed   m et h o d   also   allo w s   w r iti n g   d y n a m ic  r el atio n s   f o r   all  r o b o tic  ac tu atin g   lin k s   in   a   b lo ck - m atr ix   f o r m .   T h e  d iag r a m   s h o w i n g   t h e  ap p licatio n   o f   f o r ce s   a n d   m o m e n ts   ex i s ti n g   b et w ee n   t h e  tr ee - lik e  A M ’ s   li n k s   i s   r ep r esen ted   in   Fi g u r e   4.       Fig u r e   4 .   Fo r ce s   an d   m o m e n t s   ex is ti n g   b et w ee n   t h e  r o b o tic  tr ee - lik e  ac t u ati n g   m ec h a n is m ’ s   lin k s   W e  ca n   w r ite  t h e   ex p r es s io n s   d escr ib in g   d y n a m ic  r elat io n s   if   t h e  f o llo w in g   co n d it io n s   ar e  tr u e  [ 1 3 ,   1 4 ] :     the  fo rce s  an d   m o m ents  e xisting   b et we en  the  ro b o t’ s  AM  li n ks  are  to   b e  co n sid ered  thro u g h   the for ces  and  m o m ents  af fect in g  t h e  lin k  fr o m  its  an c est o r’s sid e ;     the  fo rc es  ac tin g   o n   the  li n ks  fro m   their  an ces t o rs,  as  we ll   as  th e  li n k - affec tin g   ex te rn al  fo r ces     are  b ro u g h t  t o   th e  o rig in s  o f  the  c o o rd in at e  sy s te m s  o f  the  an ces to r s  co rr espo n d in g   to   these   li n ks;     the  m o m ents  acting   o n   the   li n ks  in clu d e  the  m o m ents   o b tain ed    after  b rin g in g   th ese   fo rc es  t o   the o rig in s  o f  co rr espo n d in g  c o o rd in ate   sy st e m s.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Den a vit - Ha r ten b erg   C o o r d in a te  S ystem  fo r   R o b o ts   w ith   Tr ee - like  K in ema tic  S tr u ctu r e  ( A le ksa n d er K )   251   T h en   th e  b lo ck - m atr i x   ex p r e s s io n s   d ef in i n g   th e  f o r ce s   0 f   an d   th e  m o m en ts   0 n   ex is t in g   b et w ee n   th e   A M ’ s   l in k s   ca n   b e  w r it ten   a s   f o llo w s :                                       ;     ( 1 0 )           [     (        ) ]                                               (       )                       (         )     (       )                                       (       )         ;   ( 1 1 )     T h e  ex p r ess io n s   f o r   d eter m i n in g   t h e  f o r ce s   a n d   m o m e n ts   d ev elo p ed   b y   r o b o tic  ac tu ato r s   ca n   b e  o b tain ed   b y   p r o j ec tin g   th e  ab o v e - d e f i n ed   f o r ce s   0 f   an d   m o m en ts   0 n   o f   th e  l in k s ’   i n ter ac tio n   o n to   th e  a x es  z   o f   th e  co o r d in ate  s y s te m s ,   w h ich   co r r esp o n d   to   th e  j o in ts   co n n ec tin g   th e s e  li n k s   w it h   th eir   a n ce s to r s .           (       )     ,   .   (        ) /                                                   (       )                   . (         )     (       )                       (       )                       -       (       )   (       )     (                               ) .       ( 1 2 )     I f   w e  d escr ib e,   f o r   th e  li n k s ’   f o r ce s   in   t h e  e x p r ess io n   ( 1 2 ) ,   v elo cities  a n d   ac ce ler atio n s   th r o u g h   th e   g en er alize d   co o r d in ates  q   a n d   th eir   d er iv at iv e s   an d   g r o u p   th e  s u m m an d s   at  ab s o lu te  v e lo cities  a n d   ac ce ler atio n s ,   w e   g e t  t h e  f o ll o w i n g   d y n a m ic  eq u a tio n   f o r   t h e  ac t u ati n g   m ec h a n i s m   o f   a  r o b o t  w ith   t h e  tr ee - lik e  k in e m atic  s tr u ct u r e:     (   )     ̈     (       ̇ )     (   )             (   )             ,   ( 1 3 )   w h er e:     (   )       (       )     (   .   (        ) /           (             (       )       (        )                 )                                     )   (       )   (       )                 (             (       )       (        )             ) ;     (       ̇ )       (       )     {   .   (        ) /           ,     (        )         (               ̇   )   (       )           .     (        )         ̇                     (        )   ( (       )                 ̇ )   /                   (         (       )     ̇   )   (       ) -                             ̇             (       )   (       )               (                   ̇ )                 }                 ̇   (       )       (       )                 ,     (        )       (               ̇   )       (       )               (         (       )     ̇   )   (       )           (     (        )         ̇                         (     (        )         ̇                     (        )       . (       )                 ̇ /   ) -                   ̇ ;     (   )       (       )     . (         )     (       )                 (       ) /       (       )   (       )         ;     (   )       (       )         ;     ̅       (   ̅           ̅             ̅       )     и    ̅       (   ̅           ̅             ̅       )       T h e  b lo ck   m atr ices  o f   ex ter n al  f o r ce s   an d   m o m e n ts   ac t in g   o n   th e  r o b o tic  tr ee - lik e   ac tu atin g     m ec h a n i s m ’ s   li n k s .   T h is   eq u atio n   is   v alid   u n d er   th e  f o l lo w in g   as s u m p tio n s :     the ac tua tin g  m echan is m ’s  li n ks  ab so lu t ely  rig id ;     the j o in ts’  c o n n ec tio n s  are  h o lo n o m i c;     the k in e m ati c  cha in s  o f  the  t ree - li ke   kin e m atic  structu re  are  o p en.   T h e  r esu ltin g   eq u at io n   ( 1 3 )   b ased   o n   th e  m o d i f ied   DH  co o r d in ate  s y s te m   i s   u n i v e r s al  ( u n d er   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4856   IJ RA    Vo l.   5 ,   No .   4 ,  Dec em b er   2 0 1 6 :   24 4   –   25 4   252   in d icate d   as s u m p tio n s )   f o r   a  w h o le  cla s s   o f   ac tu ati n g   m ec h an i s m s   o f   th e   r o b o ts   w it h   t r ee - lik e   k in e m ati c   s tr u ct u r es d ef i n i n g   b y   r ea ch ab ilit y   m atr ices  D ,   b lo ck   v ec to r s     ̅   an d   d iag o n al  m a tr ices  σ .     5.   DIS CU SS I O N   A.   K.   Ko v alc h u k   [ 1 5 ]   p r esen ts   th e  r es u lts   o f   s tu d y i n g   t h e   k in e m atic s   an d   d y n a m ic s   o f   a  r o b o tic  d o g ’ s   tr ee - li k e  ac tu ati n g   m ec h an is m .   Fo r   th e  A M  w it h   2 2   d e g r ee s   o f   m o t io n   f r ee d o m ,   t h e  au th o r   o b tain ed   th e   n u m er ical  v a lu e s   o f   th e  m o d if ied   DH  p ar am eter s ,   th e  r e ac h ab ilit y   m atr i x   D ,   th e  b lo ck   v ec to r     ̅   an d   th e  d iag o n al  m atr ix   σ .   B ased   o n   t h e  eq u atio n   ( 1 3 )   an d   u s i n g   a  s p ec iall y   d ev elo p ed   MA T L A B   s o f t w ar e  [ 1 6 ] ,   th er e  ar e  d ef in ed   m o m en t a n d   ca p ac it y   v a lu e s   in   t h e  f r ee d o m   d eg r ee s   o f   th e  r o b o t d o g .   T h e  w o r k   o f   A .   K.   Ko v alch u k   [ 1 7 ]   is   d ev o ted   to   KS  s y n t h es is   an d   s tu d y in g   t h e  d y n a m ic  o f   a  r o b o tic  cr ab   tr ee - lik e  ac tu at in g   m ec h a n is m   w it h   6 2   d eg r ee s   o f   m o ti o n   f r ee d o m .   T h e  m o d i f ied   DH  co o r d in ate  s y s te m   ca n   b e  ap p lied   in   b u ild in g   a  m ath e m atica l  m o d el  o f   it s   ac tu a tin g   m ec h a n is m ’ s   k in e m atic s   an d   d y n a m ics.  T h e   d ev elo p ed   3 - D  m o d el  o f   a  r o b o tic  cr a b   A M  h e lp ed   to   f i n d   th e  m as s   an d   i n er tia  c h ar ac ter is tic s   o f   it s   co n s tr u ct io n   ele m e n ts .   B y   m e an s   o f   t h e  s o f t w ar e  o f   Ko v alc h u k   et   al.   [ 1 6 ] ,   th e  a u th o r   o b t ain ed   t h e  n u m er ic  v alu e s   o f   th e   m atr i ce s ’   ele m en ts   in cl u d ed   in to   t h e  eq u ati o n   ( 1 3 ) ,   as  w ell  a s   t h e  v alu es  o f   m o m e n t s   an d   ca p ac ities   in   t h e  f r ee d o m   d eg r ee s   o f   th e  r o b o tic  cr ab .   A.   K.   Ko v alc h u k   [ 1 8 ]   co n s i d er s   th e  ex a m p le  o f   u s i n g   th e  m o d i f ied   DH  C S  i n   f o r m in g   t h e   m at h e m a tical  m o d el  o f   a  tr ee - li k e  A M ’ s   k i n e m a tics   a n d   d y n a m ics  f o r   an   an t h r o p o m o r p h ic  r o b o t  h av in g   1 1 4   d eg r ee s   o f   m o tio n .   Fo r   t h e  e q u atio n   ( 1 3 ) ,   s cie n tis t s   r ec ei v ed   th e  v al u es  o f   t h e  ele m e n t s   o f   its   co n s t itu e n t   m atr ices    (   ) ,   (       ̇ ) ,    (   ) ,    (   )   an d   ca lcu lated ,   w it h   t h e  h elp   o f   th e  s o f t w ar e   ( Ko v alch u k   et  al. ,   2 0 1 2 ) ,     th e  m o m e n t  a n d   ca p ac it y   v al u es  in   th e  m o tio n   f r ee d o m   d eg r ee s   o f   t h e  r o b o t’ s   A M.   T h e  o b tain ed   r esu lt s   ar e  r ec o m m e n d ed   f o r   u s e  i n   cr ea ti n g   m o d er n   p iece s   o f   a n th r o p o m o r p h ic  w al k in g   r o b o ts .   I n   t h e  w o r k s   o f   Ko v alc h u k   [ 1 9 ,   2 0 ] ,   it  is   s h o w n   t h at  t h e  m o d if ied   DH  C S  is   a n   e f f ec ti v e   m ea n s   to   f o r m   m at h e m atica l  m o d els o f   a  r o b o tic  A M  w it h   a  li n ea r   o p en   k in e m atic   ch ai n ,   w h ic h   is   a   p ar ticu lar   ca s e  o f   a   tr ee - li k e  KC .   I n   th i s   ca s e,   th e  k in e m atic  s c h e m e  m a y   b e  r ep r esen ted   as  a n   o r ien ted   g r ap h   th a t  h as  n o   cy cles.  T h e   g r ap h ’ s   v er tice s   ar e  co n n ec ted   in   s er ies,  b ec au s e  ea ch   o f   t h e m   h a s   n o   m o r e  t h an   t w o   ad j ac en t v er tice s .   T h e  r ea ch ab ilit y   m atr i x   D   o f   th e  r o b o t’ s   A M  l in k s   i s   th e  d eg en er ated   in to   a  lo w er   tr ia n g u lar   u n i t   m atr i x   o f   th e  o r d er   N ,   w h er e  N   is   t h e  n u m b er   o f   f r ee d o m   d eg r ee s   f o r   t h e  r o b o t’ s   AM .   I f   th e  g r ip p in g   m a n ip u lato r   o r   an y   o th er   A M ’ s   lin k   is   i m p o s ed   w it h   ex ter n a l  co n n ec tio n s ,   th e  A M   d y n a m ic  eq u atio n   is   w r itte n   i n   th e  f o llo w i n g   f o r m   [ 1 4 ] :                         (   (   )          (   )     (   )   )   (   ̈       )   (   (       ̇ )   (   ) )   (   (   )           )   .     / .                                    (1 4 )   T h e  m atr i x   co ef f icie n ts     (   ) ,    (       ̇ ) ,      (   ) ,         (   ) ,        ,    (   ) ,    (   ) ,          ar e  d eter m i n ed   i n   ac co r d an ce   w it h   [ 1 4 ] .   T h e  eq u atio n   ( 1 4 )   ca n   d eter m in e  t h e  m o tio n   o f   t h e  r o b o tic   ac tu ati n g   m ec h an i s m   w it h   a n   ar b itra r y   tr ee - li k e  KS   w it h   i m p o s ed   d r iv e  co n n ec tio n s   a n d   ca lcu late  t h e  v alu e s   o f   th e   co n n ec tio n s ’   ap p ea r in g   r ea ctio n   f o r ce s   an d   m o m e n ts .     A.   A .   Ver e y k in   e t  al.   [ 2 1 ]   s h o w   th e   ef f ec ti v e n es s   o f   th e   p r o p o s ed   co o r d in ate  s y s te m   f o r   c o n s tr u ct in g   eq u atio n s   o f   k i n e m atics  a n d   d y n a m ic s   f o r   th e  tr ee - lik e  ac t u atin g   m ec h an is m   o f   an   ac ti v e  ex o s k e leto n .   Usi n g   th e  eq u atio n   ( 1 4 )   m ad e  it  p o s s ib le  n o t  o n l y   to   d eter m in e  t h e  d r iv in g   p o w er   v a lu e s   in   m o tio n   d eg r ee s   o f   its   A M  w i th   i m p o s ed   d r iv e  co n n ec t io n s   b u t  also   to   ca lcu l ate  th e  r ea ctio n   f o r ce s   an d   m o m e n t s   o f   th e s e  co n n ec tio n s ,   w h ic h   ap p ea r   u p o n   i n ter ac ti n g   w it h   t h e  b ase  s u r f ac e   f o r   s tep s .   T h e  s p ec iall y   d ev elo p ed   MA T L A B - b ased   p r o g r a m   [ 2 2 ]   w as a n   ef f ec ti v e  m ea n s   o f   t h e  p er f o r m ed   ca lc u latio n s   an d   r esear ch .   T h e  s tu d y   o f   Ko v alc h u k   et  al.   [ 2 3 ]   d escr ib es  th e  m et h o d   o f   KS  s y n t h es is   f o r   a  w al k i n g   r o b o t’ s   tr ee - lik e  ac t u ati n g   m ec h an i s m s   –   f r o m   th e   p h o to g r ap h ic  i m a g es  o f   it s   b io lo g ical   p r o to ty p e ’ s   s k eleto n .   T h e  m eth o d   is   b ased   o n   a  KS  r ec o n s tr u cti o n   alg o r ith m   [ 2 4 - 2 6 ]   an d   th e  m o d i f ied   DH  C S.  T h er e  is   an   ex a m p le  ill u s tr atin g   th e  r esu lts   o f   t h e  m e th o d ’ s   ap p licatio n   –   cr ea tin g   th e  k i n e m atic  s tr u ct u r e  o f   an   ac tu a tin g   m ec h a n is m   f o r   a   r o b o t - Steg o s a u r u s .     T h u s ,   th e   ab o v e - m en t io n ed   r esear ch   r es u lts   ca n   lead   to   th e   co n clu s io n   t h at  th e  p r o p o s ed   m o d if ied   Den a v it - Har ten b er g   co o r d in a te  s y s te m   h a s   a  co m m o n   p r ac tical  g r o u n d   an d   ca n   b e   u s ed   in   f o r m i n g   m at h e m a tical  m o d els   o f   k i n e m atic s   a n d   d y n a m ics   f o r   th e   ac tu ati n g   m ec h a n i s m s   o f   r o b o t  w ith   a n   ar b itra r y   k in e m at ic  s tr u c tu r e.     6.   CO NCLU SI O N S   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ RA   I SS N:  2089 - 4856       Den a vit - Ha r ten b erg   C o o r d in a te  S ystem  fo r   R o b o ts   w ith   Tr ee - like  K in ema tic  S tr u ctu r e  ( A le ksa n d er K )   253   C r ea tin g   m o d er n   w a lk i n g   r o b o ts   is   co n s tr ai n ed   b y   t h e  la ck   o f   ef f ec t iv e  m et h o d s   o f   f o r m i n g   th e   m at h e m a tical  m o d els o f   th e ir   ac tu ati n g   m ec h an is m s   w i th   tr e e - li k e  k i n e m atic  s tr u ct u r es.   I n   co n s tr u cti n g   s u c h   m ec h an i s m s ’   m ath e m at ical  m o d els  o f   k in e m at ics  a n d   d y n a m ic s ,   it  i s   p r o p o s ed   to   u s e   th e   m o d i f ied   De n av it - Har ten b er g   co o r d in ate  s y s te m .   I ts   ap p licatio n   p r o v id es   a  d e v elo p er   даёт  w it h   a  clea r   alg o r ith m   o f   b u ild in g   m at h e m a tical  m o d els  o f   r o b o t ic  ac tu ati n g   m ec h a n i s m s   w it h   ar b itra r y   tr ee - lik e   k in e m at ic  s tr u c tu r e.   T h e  m ath e m at ical  m o d els  o b t ain ed   b y   th i s   m et h o d   an d   t h e  s o f t w ar e  d ev elo p ed   f o r   s u c h   r e s ea r ch   ca n   b e  ap p lied   in   cr ea tin g   ad v an ce d   s a m p le  w alk in g   r o b o ts .       RE F E R E NC E S    [1 ]   V.   S .   M e d v e d e v ,   A .   G .   Les k o v ,   a n d   A .   S .   Y u sh c h e n k o ,   Co n tro l   S y ste ms   o f  Ro b o ti c   M a n ip u l a to rs .   E.   P .   P o p o v ,   e d .   M o sc o w ,   Ru ss ia:  Na u k a ,   1 9 7 8   (in   Ru ss ian ).   [2 ]   K.   V . F ro l o v   a n d   E.   I. Vo ro b y o v ,   e d s.,   T h e   M e c h a n ics   o f  In d u stri a l  Ro b o ts .   M o sc o w ,   Ru ss ia:  V y ss h a y a   S h k o la,  1 9 8 8   (i n   R u ss ian ).   [3 ]   K.   F u ,   R.   G o n z a lez ,   a n d   C.   L e e ,   Ro b o ti c s:   Co n tro l,   S e n sin g ,   V isio n   a n d   In tell ig e n c e .   Ne w   Yo rk :  M c G ra w - Hill ,   1 9 8 7 .   [4 ]   M .   S h a h in p o o r,   A  R o b o t  E n g i n e e rin g   T e x t b o o k .   Ne w   Yo rk :  Ha rp e r   a n d   R o w ,   1 9 8 7 .   [5 ]   P.   D.  Kru t' k o ,   Ro b o t ic E x e c u ti v e   S y ste ms   Co n tro l .   M o sc o w ,   Ru ss ia:  Na u k a ,   1 9 9 1   ( in   R u ss ian ).   [6 ]   S.   L.   Zen k e v ich   a n d   A .   S.   Yu s h c h e n k o ,   F u n d a me n ta ls  o f  M a n ip u l a ti o n   R o b o ts  Co n tro l .   M o sc o w ,   Ru ss ia:  Ba u m a n   T e c h n ica l  Un iers it y ,   2 0 0 4   (i n   R u ss ian ).     [7 ]   A.   G.   L e sk o v   a n d   A .   S .   Yu sh c h e n k o ,   M o d e li n g   a n d   An a ly sis  o f  Ro b o ti c   S y ste ms .   M o sc o w ,   Ru ss ia:   M a sh in o str o y e n i y e ,   1 9 9 2   (in   Ru s sia n ).   [8 ]   A.   G .   L e s k o v ,   T h e o re ti c a l  Fo u n d a ti o n s  t o   M o d e li n g   a n d   A n a l y sis  o f  M a n ip u la ti o n   R o b o ts  D y n a mic s,  T h e ir   Ap p li c a ti o n   in   Pro b lem s  o f  De sig n i n g   a n d   Pre p a ri n g   Op e ra to rs .   Ha b il it a ti o n   T h e sis.  M o sc o w ,   R u ss ia:   Ba u m a n   T e c h n ica l  Un iers it y ,   2 0 0 2   (i n   R u ss ian ).   [9 ]   A.   G.   L e sk o v ,   K.   V.   Ba z h in o v a ,   S .   D.   M o ro s h k in ,   a n d   E.   V .   F e o k ti sto v a ,   “ Bu il d i n g   Kin e m a ti c   M o d e ls  o f   Ro b o ti c   M a n ip u lato rs’  A c tu a ti n g   M e c h a n ism s  Us in g   Blo c k   M a tri c e s,”  I n zh e n e rn y i  Z h u r n a l:   Na u k a   i  I n n o v a tsii ,  n o .   9 ,   2 0 1 3 .   A v a il a b le f ro m :  h tt p :/ /en g jo u r n a l. ru /ca talo g /p r ib o r/ro b o t /9 5 4 . h tm l  (in   R u ss ian ).   [1 0 ]   J.   De n a v it   a n d   R.   S .   Ha rten b e rg ,   “ Kin e m a ti c   n o tatio n   f o r  lo w e r - p a ir  m e c h a n is m s  b a se d   o n   m a tri c e s,”  J.   Ap p l.   M e c h ,   v o l.   7 7 ,   p p .   2 1 5 - 2 2 1 ,   1 9 5 5 .   [1 1 ]   A.   K.  Ko v a lch u k ,   “ De v e lo p m e n t   o f   a   M a th e m a ti c a l  M o d e l  o f   th e   A c tu a ti n g   M e c h a n is m   o f   Ro b o ti c   M a n n e q u in , ”   Na u c h n y i  Ves tn ik  M o sk o v sk o g o   Go su d a rs tve n n o g o   T e k h n ich e sk o g o   Un ive rs it e ta   Gr a zh d a n sk o y   A v ia tsii ,   v o l.   1 6 8 ,   no.   6 ,   p p .   1 0 3 - 1 0 9 ,   2 0 1 1   (in   Ru ss ian ).   [1 2 ]   V .   E.   A lek se e v   a n d   V .   A .   T a lan o v ,   Gr a p h s  a n d   Al g o ri th ms .   D a t a   S tru c tu re s.  C o mp u ta t io n a l   M o d e ls .   M o sc o w ,   Ru ss ia:  Bin o m ,   2 0 0 6   (i n   Ru ss ian ) .   [1 3 ]   A.   K.   Ko v a lch u k ,   D.   B.   Ku lak o v ,   a n d   S .   E.   S e m e n o v ,   “ M a th e m a ti c a l  De sc rip ti o n   o f   Kin e m a ti c s  a n d   Dy n a m ics   f o r  Ro b o ti c   A c tu a to r s  w it h   a   T re e - li k e   Kin e m a ti c   S tru c tu re , ”   Izv e stiya   Vys sh ikh   Uc h e b n y k h   Z a v e d e n ii .   S e riy a   M a sh in o str o y e n iye ,   v o l.   1 1 ,   p p .   13 - 2 5 ,   2 0 0 8   (i n   R u ss ian ).   [1 4 ]   A.   K.   Ko v a lch u k ,   B.   B.   K u lak o v ,   D.   B.   Ku lak o v ,   S .   E.   S e m e n o v ,   a n d   V.   V .   Ya r o ts.   B a sic   T h e o ry   o f  W a lki n g   Ro b o ts’  Actu a ti n g   M e c h a n isms .   M o sc o w ,   Ru ss ia:  Ru d o m in o ,   2 0 1 0   (in   Ru ss ian ).   [1 5 ]   A.   K.  Ko v a lch u k ,   “ T h e   S e lec ti o n   o f   a   Kin e m a ti c   S tru c tu re   a n d   t h e   S tu d y   o f   th e   T re e - li k e   A c tu a ti n g   M e c h a n ism   o f  a   Ro b o t  D o g , ”   Izv e stiya   Vys sh ikh   Uc h e b n y k h   Z a v e d e n ii .   S e riy a   M a sh in o st r o y e n iye ,   v o l.   8 ,   p p .   65 - 7 3 ,   2 0 1 1   (i n   Ru ss ian ).   [1 6 ]   A.   K.   Ko v a lch u k ,   L .   A.   Ka rg in o v ,   B.   B.   Ku lak o v ,   D.   B.   Ku lak o v ,   S .   E.   S e m e n o v ,   a n d   V .   V.  Ya ro ts,   “ T h e   P ro g ra m   to   S im u late   T re e - li k e   A c tu a ti n g   M e c h a n ism s  o f   W a l k in g   Ro b o ts, ”   Ce rtif ica te  o f  sta te  re g istra ti o n   o f   so ft w a re ,   n o .   2 0 1 2 6 1 0 3 9 8 ,   1 0 . 0 1 . 2 0 1 2 .   [1 7 ]   A.   K.  Ko v a l c h u k ,   “ T h e   S e l e c ti o n   o f   a   Kin e m a ti c   S tru c tu re   a n d   th e   S tu d y   o f   th e   T re e - li k e   A c tu a ti n g   M e c h a n ism   D y n a m ics   o f   a   Ro b o t  Cra b , ”   Izv e stiya   Vys sh ikh   Uc h e b n y k h   Z a v e d e n ii .   S e riy a   M a sh i n o stro y e n iye ,   v o l.   7 ,   p p .   73 – 7 9 ,   2 0 1 3   (i n   R u ss ian ).   [1 8 ]   A.   K.  Ko v a lch u k ,   “ D e sig n in g   o f   a n   A c tu a ti n g   M e c h a n is m   f o r  a n   A n th ro p o m o rp h ic  W a lk in g   Ro b o t, ”   Y e ste stv e n n iye   i  T e k h n ich e sk iye   Na u k i ,   v o l.   2 ,   n o .   7 0 ,   p p .   1 6 2 - 1 6 6 ,   2 0 1 4   (i n   R u ss ian ).   [1 9 ]   A.   K.  Ko v a lch u k ,   “ Ca lcu latio n   o f   a   Ro b o t  Driv in g   P o w e r   Co n sid e rin g   Its  A c tu a ti n g   M e c h a n ism   D y n a m ic s,”  Y e ste stv e n n iye   i  T e k h n ich e sk iye   Na u k i ,   v o l.   1 ,   n o .   6 9 ,   p p .   1 2 8 - 1 3 1 ,   2 0 1 4   (i n   R u ss ian ).   [2 0 ]   A.   K.  Ko v a lch u k ,   “ D e sig n in g   Dr iv e s  o f   a   M e d ica l  Ro b o t  A c tu a t o r, ”   L if e   S c ien c e   J o u rn a l ,   n o .   1 1 s,  p p .   3 3 7 - 3 4 0 ,   2 0 1 4 .   [2 1 ]   A.   A . V e re y k in ,   A .   K.   Ko v a lch u k ,   a n d   L .   A .   Ka rg in o v ,   “ A   S tu d y   o f   T h e   D y n a m ics   o f   a   L o we r  L i m b   Ex o sk e leto n   A c tu a ti n g   M e c h a n is m ,   Tak in g   i n to   A c c o u n t  t h e   Re a c ti o n s  o f   th e   Be a rin g   S u rf a c e , ”   Na u k a   i  Ob ra zo v a n iye .   El e c tro n ic  J o u r n a l  o f  B a u m a n   T e c h n ica l  Un ive rs it y ,   M o sc o w ,   Ru ss ia,  v o l.   1 2 ,   p p .   2 5 6 - 2 7 8 ,   2 0 1 4 .   DO I:  1 0 . 7 4 6 3   /   0 8 1 5 . 9 3 2 8 0 0 0   (i n   Ru ss ian ) .   [2 2 ]   A.   K.   Ko v a lch u k ,   L .   A.   Ka r g in o v ,   B.   B.   Ku lak o v ,   D.   B.   Ku lak o v ,   S .   E.   S e m e n o v ,   V .   V.   Ya ro ts,   a n d   A.   A.   V e re y k in ,   “ S im u latio n   o f   T re e - li k e   Walk in g   Ro b o t  A c tu a t in g   M e c h a n i sm s,  T a k in g   in to   A c c o u n t  Im p o se d   Ex tern a l  Co n n e c ti o n s.   Ce rtif ica te   o f  st a te re g istra t io n   o f   so ft w a re ,   n o .   2 0 1 4 6 1 2 5 4 7 ,   2 8 . 0 2 . 2 0 1 4 .   [2 3 ]   A.   K.   Ko v a lch u k ,   L .   A.   Ka rg in o v ,   F .   Kh .   A k h m e to v a ,   A .   Y.   Us t y u z h a n in ,   S .   S.   S e k e rin ,   a n d   A .   A .   V e re y k in ,   “ T h e   S y n th e sis  o f  a   K in e m a ti c   S c h e m e   f o r  th e   T re e - li k e   A c tu a ti n g   M e c h a n ism   o f   a   Ro b o ti c   S teg o sa u ru s  Us in g   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.