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正文內(nèi)容

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-07-22 11:56 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 并消化,總結(jié)出我們自己的方法;,選擇合適的步態(tài),并穩(wěn)定性分析,行走步態(tài)設(shè)計(jì);,繪制仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)原理圖;針對(duì)運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu),改善運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成設(shè)計(jì)。,并用CATIA軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)行走仿真,動(dòng)態(tài)模擬分析。研究手段研究結(jié)果成果集成網(wǎng)上資料查閱收集確定基本思路步態(tài)分析查閱機(jī)械原理基礎(chǔ)知識(shí)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬分析機(jī)器人機(jī)構(gòu)可行性分析第二章 仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)步態(tài)規(guī)劃步態(tài)是指在步行運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)器人各關(guān)節(jié)在時(shí)間和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系。合理的步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人穩(wěn)定步行的基礎(chǔ)。步態(tài)規(guī)劃不僅是兩足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)基本擬人動(dòng)作的關(guān)鍵,而且可以為兩足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。沒有行走步態(tài)的規(guī)劃,兩足機(jī)器人最基本的步行功能也就無(wú)從實(shí)現(xiàn),就失去了兩足步行機(jī)器人靈活性、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。而擬人機(jī)器人的其他功能,也會(huì)受到極大的影響。仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃不僅取決于地面條件、下肢結(jié)構(gòu)、控制的難易程度,而且必須滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、速度、機(jī)動(dòng)性和功率等要求。為了便于對(duì)仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃,首先定義一些有關(guān)兩足步行的基本概念。步態(tài):在步行運(yùn)動(dòng)過程中,機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在時(shí)序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系以及機(jī)器人相對(duì)環(huán)境的時(shí)空關(guān)系。通常由各關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)軌跡和質(zhì)心軌跡來(lái)描述。 步距:在步行運(yùn)動(dòng)中,機(jī)器人左右腳落地位置間的縱向距離。 跨高:擺動(dòng)腿在擺動(dòng)過程中腳底離地面的最大距離,用于衡量機(jī)器人跨越樓體高度的大小。 步行周期:是指機(jī)器人周期性行走過程中,同一只腳順序兩次著地所用的時(shí)間。每個(gè)周期內(nèi)左右腿各向前邁步一次,又可分為三個(gè)階段,雙腳支撐期、左腳支撐期和右腳支撐期。步速:是衡量機(jī)器人步行能力的一個(gè)重要指標(biāo),是指機(jī)器人單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)步行環(huán)境所移動(dòng)的距離。單腳支撐:機(jī)器人僅有一只腳與地面相接觸,起支撐作用,另一只腳處于擺動(dòng)狀態(tài)。 因本文所述的仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)爬樓梯功能,鑒于機(jī)器人行走場(chǎng)地具有良好的環(huán)境,在不影響機(jī)器人主要功能的前提下做出如下設(shè)定:(1)機(jī)器人在行走過程中處于靜力學(xué)平衡的狀態(tài),即機(jī)器人行走方式為靜態(tài)步行; (2)由于樓梯的臺(tái)階具有較為良好的水平性,我們?cè)O(shè)定機(jī)器人腳底面相對(duì)于臺(tái)階表面始終保持平行狀態(tài); (3)設(shè)定機(jī)器人以直線狀態(tài)行走;(4)機(jī)器人在直線行走過程中,髖關(guān)節(jié)相對(duì)于地面的高度始終保持不變; (5)由于本機(jī)器人左右腿的關(guān)節(jié)的對(duì)稱性,在以后的討論中僅考慮右腿的運(yùn)動(dòng)情況,左腿的情況與右腿類似。仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)機(jī)械圖如下圖所示:XY平面投影定義的大腿長(zhǎng)為R1,小腿的長(zhǎng)度為R2。由上圖可以看出,仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)向上旋轉(zhuǎn)了θh角度的時(shí)候,其中大腿在Y軸方向提升高度,仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)大腿Y方向提升高度可以通過下圖計(jì)算:根據(jù)圖中所示,得到計(jì)算的表達(dá)式子:H=R1cosθacosθh 所以可以確定的是髖關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)θh角度時(shí)候在Z軸的方向上提升高度的函數(shù)關(guān)系。 由圖25可見仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)向著前面轉(zhuǎn)動(dòng)θ1的時(shí)候立足位置點(diǎn)在Y軸的方向上前進(jìn)了半步長(zhǎng)為?x,仿人二足步行機(jī)器人爬樓梯行走機(jī)構(gòu)腿部X方向前進(jìn)的步長(zhǎng)計(jì)算如下:圖25 腿在Y方向上前進(jìn)的示意圖 所以說可以得出來(lái)?x=R1cosθ1+R2cosφ2sinφ1,由表達(dá)可以確定髖關(guān)節(jié)向前轉(zhuǎn)動(dòng)θ1角度的時(shí)候,立足位置點(diǎn)在X方向的前進(jìn)的步長(zhǎng)為一半?x的確定的關(guān)系。當(dāng)θ1較小的時(shí)候,可以設(shè)旋轉(zhuǎn)θ1角度后腿在X軸上的投影長(zhǎng)度近視為L(zhǎng)=R1+R2。 雙足機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性分析 步行穩(wěn)定性判據(jù)雙足機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)過程中,兩只腳交替的與地面,發(fā)生間歇性的相互作用,即交替的出現(xiàn)左腳單支撐,雙腳支撐和右腳單支撐的狀態(tài),周期性的不斷前進(jìn)。雙足機(jī)器人步態(tài)研究的重點(diǎn)就在于如何維持支撐腳與地面的相對(duì)瞬時(shí)固定,使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中保持穩(wěn)定步行而不發(fā)生翻倒或滑倒。目前衡量雙足步行機(jī)器人穩(wěn)定性有兩個(gè)主要的指標(biāo):一個(gè)是整個(gè)機(jī)器人的重心在地面投影點(diǎn)(Center of Gravity,簡(jiǎn)稱COG),COG對(duì)應(yīng)的是靜態(tài)穩(wěn)定性;另一個(gè)是零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point,簡(jiǎn)稱ZMP)如圖2.2所示,ZMP對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性M。靜態(tài)穩(wěn)定性只有在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)非常緩慢時(shí)才適用,大多數(shù)情況,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有一定的速度,需考慮它的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。因此,研究者們己經(jīng)采用了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性,最普遍的是采用零力矩點(diǎn)(ZMP)作為雙足機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)。零力矩點(diǎn)(zero.moment point,縮寫為ZMP)有關(guān)雙足機(jī)器人各部位動(dòng)態(tài)控制的概念,它首先由南斯拉夫?qū)W者M(jìn)iomir.Vukobratovic在1968年1月莫斯科第三屆理論與應(yīng)用力學(xué)全聯(lián)盟代表大會(huì)上提出,在他后來(lái)的研究工作中和發(fā)表的論文中,Miomir.Vukobratovic等人致力于ZMP的研究工作,1972年,Vukobratoviche Stepanenko在一篇關(guān)于雙足機(jī)器人控制的論文開頭定義了零力矩點(diǎn)。現(xiàn)在經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展,ZMP的表述方法主要有兩種:1.ZMP指地面上滿足地面反力的合力矩對(duì)x,Y軸分量為零的那一點(diǎn),即T(Tx,Ty,Tz)表示由地面反力繞某一點(diǎn)產(chǎn)生的合力矩在ZMP點(diǎn)滿足Tx=0,Ty=0,Tz=0。2.ZMP指重力和慣性力的合力在地面上的投影,在這一點(diǎn)上合力矩為零??梢宰C明這兩種表述方式是一致的,雙足機(jī)器人穩(wěn)定步行時(shí),其ZMP具有如下性質(zhì):ZMP始終位于支撐腿的腳掌所組成的凸形有效支撐區(qū)域內(nèi),以保證ZMP的條件,滿足ZMP穩(wěn)定性原則p6朝。ZMP概念的引入,為雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)步行運(yùn)動(dòng)分析和規(guī)劃提供了一個(gè)重要的依據(jù)。圖22重心地回投影及ZMP根據(jù)零力矩點(diǎn)的定義,不管哪一種步行方式,零力矩點(diǎn)必須落在機(jī)器人支撐腳構(gòu)成的區(qū)域的一定范圍內(nèi)才能保證它的穩(wěn)定。對(duì)于一個(gè)給定步態(tài),如果其在雙足步行機(jī)器人上是可復(fù)現(xiàn)的,則稱這一步態(tài)是穩(wěn)定的;反之,則稱這一步態(tài)是不穩(wěn)定的。顯然,當(dāng)ZMP始終落在腳掌支撐面內(nèi)時(shí),這一步態(tài)是穩(wěn)定的,也是可復(fù)現(xiàn)的;若ZMP超出腳掌支撐面,則這一步態(tài)是不穩(wěn)定的,也是不可復(fù)現(xiàn)的。機(jī)器人行走時(shí)支撐腳與地面的接觸面為支撐面,雙腳支撐面為兩腳所構(gòu)成的凸多邊形的面積。雙足機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行的穩(wěn)定性問題是步態(tài)規(guī)劃的關(guān)鍵問題,借助理論力學(xué)工具,推導(dǎo)出穩(wěn)定步行需滿足的動(dòng)力學(xué)條件。為了將ZMP的性質(zhì)運(yùn)用于動(dòng)態(tài)步行的步態(tài)分析與設(shè)計(jì)中,首先得分析ZMP與步態(tài)軌跡之間的聯(lián)系。機(jī)器人的行走方式可以劃分為靜態(tài)行走
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