机器蛇系统构架和运动原理
60页1、机器蛇运动原理和系统构架,(一种愿望,一种安排,一种努力),中国农业大学 王伟,22-1,机构设计一般,借鉴了已有的设计。 成绩评定C,(一)机器蛇的结构设计范例,作业评价,22-2组,按照要求完成了作业,交了两份作业; 且其设计之一(左上图)新颖,独特,且做的很细致,装配关系明了可行。 成绩评定为A,23-2,深入理解了蛇的构造,兼顾了二维和三维,有创新。 没有设计总结 成绩评定A,23-3,机构设计有创新,兼顾了二维和三维的结构组合; 有新意; 设计报告写得较深刻,涉及意图明确; 成绩评定:A,作业评价,此结构仿造ss机器蛇样机。用caxa软件设计。 作的非常的细致,尺寸等也非常的合适。 有机构设计说明书 但是建议大家发挥自己的灵感,自己创新,不要拘于现有的国内外蛇的机构。 成绩评定为B,31-2组,作业评价,32-1组,此结构作的有新意。 四面平整,壳体结构也很简洁实用,加工性比较好。 有设计文档 机构的细部作的不足。略显粗糙。 成绩评定为A,作业评价,32-2组,此结构为完全仿造ss机器蛇样机。用caxa软件设计。 作的非常的细致,尺寸等也非常的合适。 有机构设计说明书 但是建
2、议大家发挥自己的灵感,自己创新,不要拘于现有的国内外蛇的机构。 成绩评定为B,41-2,采用圆形的蛇体结构,有新意,但在实用上会用问题; 没有设计总结; 成绩评定:B,作业评价,51-1组,按照要求完成了作业,且其设计之一(左上图)新颖,独特,且做的很细致,装配关系明了可行。 成绩评定为A,作业评价,51-2组,此机构亦为仿ss样机机构 没有设计文档 建议自己创新。 成绩评定为C,52-1组,机构设计比较细致,但一般。 没有文档说明 成绩评定为B,(二)机器蛇的运动分析,机器蛇的主要运动方式是: 在不同的时刻,对不同的关节运动姿态进行有序的排列,由于受力关系的不同,产生各种各样的运动形式。以蠕动机理为例说明: 要保证运动波形能够顺利的传播,利用三连杆机构的结构特点实现有效位移的传递。为保证有效位移的顺利传递,从机器蛇尾部开始进行三角波的传递。,机器蛇运动过程分为三个过程:步距产生阶段,步距传递过渡阶段,步距传递阶段。,1、步距产生阶段 通过计算机串口输入数据控制机器蛇尾部第2节点处的舵机,使舵机沿着 顺时针方向旋转过一定的角度,由于要克服杆的重力、地面的摩擦力和相邻杆件之间的约束,使第
3、1节连杆和第2节连杆产生垂直方向的角度变化,在结束时,形成的机器蛇体态,如上图B,可以产生水平方向的一个步距,即图示的位移L。,2、步距传递过渡阶段,为保证在以后的运动中,产生的有效位移不会消失或衰减,必须使后续运动能保证有效位移L不损失。即后续的三连杆机构必须按照一定的方式运动,只有这样,经过运动积累,才能保证机器蛇产生向前的运动。 步距传递的过渡阶段要将上一阶段产生的步距L从节点123平稳的传递到节点234,如图BC。期间,蛇体的运动只在节点1234之间运动,而其余节点的舵机不参与运动。,3、步距传递阶段:,步距传递过渡阶段结束以后,改变节点2的旋转方向,使节点2向下运动,节点3保持原来的运转速度和运转方向不变,节点3向上运动,形成的运动姿态如图B2。接下来,节点2快速下降,节点3以较小的变化角度向上增加一定的值,形成的运动姿态如图示B3。最后,节点2降低到与地面接触,完成由节点123到节点234的平稳传递。由图示B1、B2、B3可以看出,步距在由图BC的传递过程中没有产生有效位移的损失。,重复以上的过程,波峰将从节点3又向前传递一次。如果机器蛇的步距传递的姿态如图 I 时,机器蛇
4、完成了一个动作循环,即机器蛇前进了一个步距L。在不同的时刻,重复上述的运动姿态和控制过程,机器蛇在要求的运动方向上实现运动。如果改变控制时各个节点的时序,即机器蛇的头部先产生运动,机器蛇就可以实现向后的运动。,根据以上的分析结果,可以完成一个波在垂直方向上的传递,实现蠕动。 采用舵机驱动,而舵机的角速度和角加速度不需要控制,因此在具体的操作中,只需计算出蛇体在极限位置处的旋转角度,然后对这些计算的角度值进行插值计算,就可以得出在不同的时刻内,机器蛇的某个关节处的旋转角度值。,但在实际的应用中,在整条蛇体内传播单个波形时,受时延的影响,如果蛇体的关节数量较多,从机器蛇的尾部传递到头部所需的时间太长,造成前进的速度太慢。 且每一个波形传递不连续,不能形成连续的波形传递。为克服单个波形传递速度慢、波形不连续的缺点,下面介绍连续波传动的情况。,在波形的传递过程中,步距保持为一个定值,其大小与传动的起始角度有关。由图看出,当机器蛇的任意一个关节点经过图示112个运动姿态变化后,形成的一个完整的姿态循环。 (1) 中位的确定: 机器蛇的运动是各个关节的角度发生了变化,必须确定机器蛇的中位才能得到不
5、同的角度变化。中位规定为当各个关节的夹角为0时。,因此可以计算出从姿态1到姿态12机器蛇的同一关节不同时刻的关节角度值 根据时延不同对机器蛇的每一关节处的舵机循环加载此数组,就可以实现机器蛇连续的运动。 在实际的处理中,采用对舵机进行点位控制,相邻角度值不能变化过大(=100),否则运动不平滑,因此,需对以上数组进行插值处理,把以上包含12个角度的数组,扩展为32位或64位的数组。如果得出的数组不是12位,同样需要把它插值为32或64位。,对于舵机控制,没有角加速度的控制量,因此旋转的角度应尽量接近,这样就能达到满意的运动形式。可以利用插值方法形成64位数组。 我们根据相邻点处角度差值的大小,采用均匀插值的方法插入相应的数值,比如-52 与-30之间相差22,我们插入两个值,而-30和 0之间相差30,我们插入三个值。,经过插值后的64位数组:, 90,86,82,79,75,71,67,64, 60,56,52,49,45,41,37,34, 30,34,37,41,45,49,52,56, 60,64,67,71,75,79,82,86, 90,94,97,101,105,109,
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