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正文內(nèi)容

[基礎科學]四足機器人爬行步態(tài)研究(編輯修改稿)

2024-09-13 01:09 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 正因如此,所以我們在步態(tài)規(guī)劃的過程中需借助于質(zhì)心公式(1),分析機器人的質(zhì)心的動態(tài)變化對穩(wěn)定性的影響。對圖5所的模型,我們建立以身體質(zhì)心為坐標原點的隨動坐標系,因此可以得到機器人的質(zhì)心在任何時刻相對于身體質(zhì)心的位置情況(質(zhì)心表示為)。根據(jù)機器人質(zhì)心的變化規(guī)律,分析出了如圖6所示的步態(tài)規(guī)劃過程(圖中僅分析變化規(guī)律,長度并非實際值)。 (1) (2) (3) (4)(M機器人總質(zhì)量、大腿質(zhì)量、小腿質(zhì)量、頭部質(zhì)量、尾部質(zhì)量) 圖61 圖62 圖63 圖64 圖65 圖6:步態(tài)規(guī)劃過程 由于機器人的結構對稱,所以在初始狀態(tài)時我們假定機器人的重心正好位于支撐長方形的對角線的交點上(圖61);按照圖4所示的流程圖,首先應該邁左后腿,為了滿足靜穩(wěn)定性要求,機器人的重心應該經(jīng)過一個1的轉化過程(機器人右傾),使機器人的重心位于支撐三角形內(nèi),然后經(jīng)過2的邁腿過程,機器人邁出第一條腿,抬腿還將對機器人重心產(chǎn)生一個較小的前移3(圖62所示);邁左前腿時,機器人的重心已經(jīng)位于支撐三角形內(nèi),機器人經(jīng)過邁腿1和2的重心前移完成左前腿的邁步動作(圖63所示);在邁右側腿前機器人需要一個1的重心側移(機器人左傾)過程,然后按照同樣的方式分別邁出右后腿和右前腿,分別如圖64和65所示。 單腿分析 爬行步態(tài)4條腿的邁步過程是相同的,所以只需設計出任何一條腿的邁腿過程即可。機器人在運動前都有個初始站位狀態(tài),而初始站位往往和步態(tài)規(guī)劃的初始位置不相同。圖7左圖所示,其中圖中1號位置為初始站位,腿部呈直立狀態(tài),我們將2或3號位置設計為步態(tài)起始位置,使用這種轉換可以使身體僅在垂直方向變化,在轉換過程中身體不會產(chǎn)生前傾或后仰的沖擊。假設大腿長a,小腿長b,大腿的轉角為,小腿的轉角為,則只要滿足公式(5),機器人就可以實現(xiàn)要求達到步態(tài)規(guī)劃初始位置。 (5) 圖7:初始位姿及邁步分析機器人能實現(xiàn)前進的關鍵是能夠邁步,所以邁步過程的設計是步態(tài)設計的關鍵部分之一,邁步的過程如圖7右圖所示。通過圖7左圖的轉換后,機器人達到左圖1號位置,此時小腿關節(jié)保持,大腿轉動γ角度,使得OA以O為圓心轉動到OB位置,且保證OB為大腿及小腿的長度之和。所以通過幾何關系很容易得到:γ=arcos(h/(a+b)) (h=OA) (6)轉動到要求的位置后,大腿和小腿按照公式(5)的比例關系回轉,那么腳掌將延OB運動直到與地面接觸(及與B重合),而AB的長度也正好是一個跨步的距離,所以跨步的大小由大腿的初始位姿的轉角大小來決定。3步態(tài)仿真利用Adams6的建模功能構建如圖7所示的機器人仿真模型,機器人的每條腿由三個關節(jié)組成:髖關節(jié)、大腿關節(jié)和膝關節(jié),仿真的過程就是分別給這三個關節(jié)賦予運動函數(shù),然后觀察其運動效果,建模參數(shù)如表1所示。圖7:四足機器人虛擬樣機模型表1: Adams建模參數(shù)表名稱參數(shù)說明大腿22*6*2cm20kg小腿20*6*2cm20kg身體**150kgStiffness2855N/mmDampingNsec/mmExponentPenetration depthMmStatic friction vel.Dyn
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