【电动滑台】四足动物步态的定义与分类_TYT线性模组
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【电动滑台】四足动物步态的定义与分类

日期:2018-07-22 浏览:
天誉科技电动滑台
  四足动物步态分类 
 
  足式动物的运动模式用“步态”来表示,步态是指各腿之间具有固定相位关系的行走模式[94]0不同的四足动物由于身体条件的限制以及神经控制能力的差异,运动的步态呈现不同的形式,即使同一种动物在不同运动状态下(例如马的慢走与奔跑等)步态之间的差异也相当明显。 
 
  速度较慢的行走状态下,四足动物的每一步行走都处于比较稳定的三足支撑状态,其稳定性将得到必然的保证,该步态被称为行进步态(crawl),如乌龟和撕蜴的行走(实际)。行进步态是一种四拍步态,每次 只有一条腿抬起,并按照左前、右后、右前、左后的抬腿顺序依次迈动,其他三条支撑腿与地面的支撑点连接组成一个三角形支撑区域,使动物实现稳定行走。 
 
  比行进步态更快一些的步态是小跑步态(trot)以及溜蹄步态(pace),两者都是两拍步态。狗在小跑步态运动时,位于“对角线”位置的两腿同时摆动,即左后腿和右前腿与右后腿和左前腿交替完成摆动和支撑运动[96]。在马以溜蹄步态的运动中(实际),马用同侧的两条腿(左后腿与左前腿或右后腿与右前腿)同时摆动和支撑。 
 
  实际狗的小跑步态 
 
  实际马的溜蹄步态 
 
  一些四足行进动物的小跑运动可能是速度最快的行走形式;而对马、豹等大型哺乳动物,疾驰步态可以产生最高的运动速度。如实际所示,马在疾驰中,通常两条前腿或者两条后腿会同时抬起或落下,即依次交替摆动和支撑。 
 
  实际马的疾驰步态 
 
  行进步态是人们广泛研究与大力应用的运动步态。理论上四足机器人可以实现四足动物的各种步态,包括行进、小跑与疾驰等不同的步态。但对于后两种运动步态,利用现有科技条件制作的机器人还难以实现。所以四足机器人主要的模拟对象还是着眼于步行速度较慢的动物。
 
  四足动物步态参数定义 
 
  如上所述,足式动物的运动模式一般用“步态”来表示,其主要表征参数定义如下:步态周期r是指一个完整的运动循环所用的时间;步长s是指一个步态周期内,支撑腿推动躯体质心相对于地面移动的距离,由于一个周期每条腿只进行一次迈步,因此也可以表示迈步距离;抬脚高度是指在一步内足端离地最大高度,一般需保证足端在步长的中间范围大于这个高度的80%,以保证有足够的通过性;相位差  其中7;t、?^分别代表支撑相和摆动相的周期长度;〃为根据步长和周期计算求得的运动速度。 
 
  根据各腿负载因子的大小,电动滑台步态可分为规则步态和不规则步态。规则步态是指各腿具有相同的负载因子,运动规律相同,并且顺次腿之间的相位差值相同的步态。 
 
  相位差是步态描述的关键参数,四足哺乳类动物的典型步态一般分为四种,按照运动的节奏分为单拍步态(四足跳跃pronk)、双拍步态(对角小跑trot、同侧遛步pace、跳跑bound)、准两拍步态(奔跑gallop)和四拍步态(单步行走walk);以L、R、F、H分别代表左(Left)、右(Right)、前(Front)、后(Hind),则几种步态的相位关系分别如实际所示(以LF腿为0基准,  Prf=0 ^RH=0 
 
  实际四足动物典型步态的相对相位 
 
  trot;(c)pace;(d)bound;(e)gallop;3。1。3四足机器人步态参数定义 
 
  四足机器人的步态是参照四足动物的步态制定的,因此其步态的基本参数与动物的类似,以下是四足机器人步态描述中常见的参数: 
 
  占空比卢 
 
  它是指机器人每条腿与地面接触的时间和一个步态周期时长的比值。当占空比小于0.5时,机器人在任意瞬时只有不到两条腿支撑于地面,该步态被称为疾驰步态,如马的疾驰步态;当占空比大于或等于0.75时,机器人在任意瞬时都至少有三条腿支撑于地面,该步态称为行进步态,如蜥蜴的行进步态;介于这两种步态之间的步态被称为小跑步态,如上文中描述的狗的小跑步态。 
 
  支撑区域 
 
  机器人的支撑足在平面上的接触点连线所组成的最小凸多边形称为支撑区域的是足1在空中的摆动过程。 
 
  实际四足机器人俯视简化图 
 
  稳定裕度 
 
  它是指四足机器人在行走过程中,电动缸机体重心在足支撑平面上的垂直投影点到支撑区域多边形边界的最短距离[97],如实际中的心、心和心的最小值。四足机器人在静态稳定步态的运动过程中,稳定裕度将永远大于零。 
 
  机器人足端可达区域 
 
  它是指四足机器人的足端相对于躯体可以到达的平面运动区域。该区域是由单腿的运动空间所决定的的四个扇形区域。四足机器人单腿的运动空间在文献[98]中有详细记载,本书不再赘述。 
 
  前、后极限位置 
 
  四足机器人足端可达区域中,相对机器人躯体前后有两个极限位置,即前极限位置(AnteriorExtremePosition,AEP)和后极限位置(PosteriorExtremePosition,PEP)。四足机器人足端在摆动状态下向AEP方向相对运动,在支撑状态下则向PEP方向相对运动。 
 
  单腿运动限度
 
  电动滑台单腿运动限度是指四足机器人支撑足相对于机体当前位置与PEP之间的距离,用灸表示。由于机器人移动采用的是支撑腿朝相反方向进行相对运动,所以A代表了机器人腿部可推动躯体前进剩余的能力。在稳定情况下,有着最低运动限度的腿通常最先被抬起运动。 
 
  步态周期 
 
  步态周期是指四足机器人的4条腿做一次循环摆动所用的时间。 
 
  步距 
 
  它是指四足机器人的机体在一个步态周期内相对于地面移动的距离。 
 
  单腿步距 
 
  单腿步距4是指四足机器人的单腿从抬起到落地的运动过程中,四足机器人机体相对于地面的位移。 
 
  单腿相对跨距£ 
 
  单腿相对跨距£是指四足机器人的单腿从抬起到落地的运动过程中,足端相对机器人机体的位移。其最大值为AEP与PEP之间的距离。 
 
  单腿绝对跨距 
 
  单腿绝对跨距是指四足机器人的单腿从抬起到落地的运动过程中,单腿相对于地面的位移。通常情况下i=4+£=A。 
 
  为了保持四足机器人的运动稳定性,通常情况下,其步距、单腿步距、单腿相对跨距、单腿绝对跨距等参数都是稳定裕度S的函数,写作A(S)、4(S)、£(S)、3.2CPG单元模型及动态特性分析 
 
  在3.1节中已经详细介绍了CPG控制机理的重要性,接下来将仔细分析CPG振荡单元模型、CPG控制网络以及CPG步态算法在四足机器人步态规划中的应用方式。 

 


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