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【電動滑臺】四足動物步態的定義與分類

日期:2018-07-22 瀏覽:
天譽科技電動滑臺
  四足動物步態分類 
 
  足式動物的運動模式用“步態”來表示,步態是指各腿之間具有固定相位關系的行走模式[94]0不同的四足動物由于身體條件的限制以及神經控制能力的差異,運動的步態呈現不同的形式,即使同一種動物在不同運動狀態下(例如馬的慢走與奔跑等)步態之間的差異也相當明顯。 
 
  速度較慢的行走狀態下,四足動物的每一步行走都處于比較穩定的三足支撐狀態,其穩定性將得到必然的保證,該步態被稱為行進步態(crawl),如烏龜和撕蜴的行走(實際)。行進步態是一種四拍步態,每次 只有一條腿抬起,并按照左前、右后、右前、左后的抬腿順序依次邁動,其他三條支撐腿與地面的支撐點連接組成一個三角形支撐區域,使動物實現穩定行走。 
 
  比行進步態更快一些的步態是小跑步態(trot)以及溜蹄步態(pace),兩者都是兩拍步態。狗在小跑步態運動時,位于“對角線”位置的兩腿同時擺動,即左后腿和右前腿與右后腿和左前腿交替完成擺動和支撐運動[96]。在馬以溜蹄步態的運動中(實際),馬用同側的兩條腿(左后腿與左前腿或右后腿與右前腿)同時擺動和支撐。 
 
  實際狗的小跑步態 
 
  實際馬的溜蹄步態 
 
  一些四足行進動物的小跑運動可能是速度最快的行走形式;而對馬、豹等大型哺乳動物,疾馳步態可以產生最高的運動速度。如實際所示,馬在疾馳中,通常兩條前腿或者兩條后腿會同時抬起或落下,即依次交替擺動和支撐。 
 
  實際馬的疾馳步態 
 
  行進步態是人們廣泛研究與大力應用的運動步態。理論上四足機器人可以實現四足動物的各種步態,包括行進、小跑與疾馳等不同的步態。但對于后兩種運動步態,利用現有科技條件制作的機器人還難以實現。所以四足機器人主要的模擬對象還是著眼于步行速度較慢的動物。
 
  四足動物步態參數定義 
 
  如上所述,足式動物的運動模式一般用“步態”來表示,其主要表征參數定義如下:步態周期r是指一個完整的運動循環所用的時間;步長s是指一個步態周期內,支撐腿推動軀體質心相對于地面移動的距離,由于一個周期每條腿只進行一次邁步,因此也可以表示邁步距離;抬腳高度是指在一步內足端離地最大高度,一般需保證足端在步長的中間范圍大于這個高度的80%,以保證有足夠的通過性;相位差  其中7;t、?^分別代表支撐相和擺動相的周期長度;〃為根據步長和周期計算求得的運動速度。 
 
  根據各腿負載因子的大小,電動滑臺步態可分為規則步態和不規則步態。規則步態是指各腿具有相同的負載因子,運動規律相同,并且順次腿之間的相位差值相同的步態。 
 
  相位差是步態描述的關鍵參數,四足哺乳類動物的典型步態一般分為四種,按照運動的節奏分為單拍步態(四足跳躍pronk)、雙拍步態(對角小跑trot、同側遛步pace、跳跑bound)、準兩拍步態(奔跑gallop)和四拍步態(單步行走walk);以L、R、F、H分別代表左(Left)、右(Right)、前(Front)、后(Hind),則幾種步態的相位關系分別如實際所示(以LF腿為0基準,  Prf=0 ^RH=0 
 
  實際四足動物典型步態的相對相位 
 
  trot;(c)pace;(d)bound;(e)gallop;3.1.3四足機器人步態參數定義 
 
  四足機器人的步態是參照四足動物的步態制定的,因此其步態的基本參數與動物的類似,以下是四足機器人步態描述中常見的參數: 
 
  占空比盧 
 
  它是指機器人每條腿與地面接觸的時間和一個步態周期時長的比值。當占空比小于0.5時,機器人在任意瞬時只有不到兩條腿支撐于地面,該步態被稱為疾馳步態,如馬的疾馳步態;當占空比大于或等于0.75時,機器人在任意瞬時都至少有三條腿支撐于地面,該步態稱為行進步態,如蜥蜴的行進步態;介于這兩種步態之間的步態被稱為小跑步態,如上文中描述的狗的小跑步態。 
 
  支撐區域 
 
  機器人的支撐足在平面上的接觸點連線所組成的最小凸多邊形稱為支撐區域的是足1在空中的擺動過程。 
 
  實際四足機器人俯視簡化圖 
 
  穩定裕度 
 
  它是指四足機器人在行走過程中,電動缸機體重心在足支撐平面上的垂直投影點到支撐區域多邊形邊界的最短距離[97],如實際中的心、心和心的最小值。四足機器人在靜態穩定步態的運動過程中,穩定裕度將永遠大于零。 
 
  機器人足端可達區域 
 
  它是指四足機器人的足端相對于軀體可以到達的平面運動區域。該區域是由單腿的運動空間所決定的的四個扇形區域。四足機器人單腿的運動空間在文獻[98]中有詳細記載,本書不再贅述。 
 
  前、后極限位置 
 
  四足機器人足端可達區域中,相對機器人軀體前后有兩個極限位置,即前極限位置(AnteriorExtremePosition,AEP)和后極限位置(PosteriorExtremePosition,PEP)。四足機器人足端在擺動狀態下向AEP方向相對運動,在支撐狀態下則向PEP方向相對運動。 
 
  單腿運動限度
 
  電動滑臺單腿運動限度是指四足機器人支撐足相對于機體當前位置與PEP之間的距離,用灸表示。由于機器人移動采用的是支撐腿朝相反方向進行相對運動,所以A代表了機器人腿部可推動軀體前進剩余的能力。在穩定情況下,有著最低運動限度的腿通常最先被抬起運動。 
 
  步態周期 
 
  步態周期是指四足機器人的4條腿做一次循環擺動所用的時間。 
 
  步距 
 
  它是指四足機器人的機體在一個步態周期內相對于地面移動的距離。 
 
  單腿步距 
 
  單腿步距4是指四足機器人的單腿從抬起到落地的運動過程中,四足機器人機體相對于地面的位移。 
 
  單腿相對跨距£ 
 
  單腿相對跨距£是指四足機器人的單腿從抬起到落地的運動過程中,足端相對機器人機體的位移。其最大值為AEP與PEP之間的距離。 
 
  單腿絕對跨距 
 
  單腿絕對跨距是指四足機器人的單腿從抬起到落地的運動過程中,單腿相對于地面的位移。通常情況下i=4+£=A。 
 
  為了保持四足機器人的運動穩定性,通常情況下,其步距、單腿步距、單腿相對跨距、單腿絕對跨距等參數都是穩定裕度S的函數,寫作A(S)、4(S)、£(S)、3.2CPG單元模型及動態特性分析 
 
  在3.1節中已經詳細介紹了CPG控制機理的重要性,接下來將仔細分析CPG振蕩單元模型、CPG控制網絡以及CPG步態算法在四足機器人步態規劃中的應用方式。 

 
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