收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

德国牧羊犬运动特性及其运动模型研究

田为军  
【摘要】:传统地面机械在复杂路况下都会丧失移动能力。足式机器人尤其是模仿动物运动的足式机器人与传统机械相比最大的优点就是足式机器人有较强的地面适应性。在整个仿生足式机器人中,仿生四足机器人占有很大比重,这是由于仿生四足机器人比仿生两足机器人承载能力强、稳定性好,同时又比仿生六足、八足机器人的结构简单,从稳定性和控制难易程度及制造成本等方面综合考虑,四足机器人都是最佳的足式机器人形式。因此对仿生四足机器人的研究具有重要的现实意义。 四足动物步态研究是仿生四足机器人研究的基础,四足动物如牧羊犬、山羊等能在复杂恶劣的地理环境下牧羊或生存,并在极度恶劣的非结构环境下表现出了卓越的移动能力,且能在地形发生变化时,及时调整姿态,保证安全、稳定、顺利、高效的通过。对典型四足动物-德国牧羊犬步态分析为设计和制造具有高稳定性、高通过性、高柔顺性的仿生机器人提供了优异的仿生蓝本,也为完成工程探险、深空探测、反恐防暴、军事侦察等提供了仿生学基础。通过对德国牧羊犬步态测量获取运动学和动力学数据,分析其步态,可为研制四足机器人自由步态行走提供理论依据,使所设计仿生四足机器人具有自由步态,使其更好地应用到军事、工业和星球表面探测等领域。 本文以德国牧羊犬为研究对象,对其不同步态的时序以及运动学进行分析,研究德国牧羊犬步态运动学特性,定量研究德国牧羊犬的运动稳定性,建立仿犬四足运动模型的运动学及动力学计算模型,为四足机器人仿生设计及稳定性判断提供理论依据。 论文完成的具体工作和取得的主要结论与成果如下: (1)德国牧羊犬运动学数据捕捉及运动时序分析。基于德国牧羊犬生理结构,采用Vicon MX运动捕捉系统进行运动学试验。基于试验采集的数据,分析德国牧羊犬运动时序策略。德国牧羊犬慢走步态下,两前肢落地滞后时间占周期百分比F≈50%,两后肢落地滞后时间占周期百分比H≈50%,同侧前后肢落地滞后时间占周期百分比50%P100%;对角小跑步态下,F≈50%,H≈50%,P≈50%;同侧小跑步态下,F≈50%,H≈50%,P≈0%。因此时间参数F及H用于确定德国牧羊犬步态是否为对称步态,P用于区别对称步态种类。德国牧羊犬各肢周期和支撑相时间随运动速度增大而减少,而摆动相时间变化不大,即通过减少支撑相时间来满足运动速度的变化。 (2)对德国牧羊犬关节位移以及关节角运动特性进行研究。德国牧羊犬左右前肢/左右后肢在空间位移以及关节角变化上具有很好对称性,且每个关节运动均呈现周期性运动规律。随着速度增大,各关节垂直最大位移提前,运动频率增大,在相同时间间隔内垂直向位移变化周期数增多,且小跑步态下各关节垂直位移幅度大于慢走步态。德国牧羊犬运动速度增大时,支撑相内,各关节并不改变伸展的最大程度,充分伸展可保证有足够的能量完成运动,同时为满足犬的运动速度要求,各关节达到最大伸展的速度增大。在整个步态运动周期中,髋关节和膝关节,膝关节和踝关节有着紧密的协调运动关系,增加速度并未显著改变关节之间的协调机制。 (3)从非线性时间序列分析角度研究了德国牧羊犬作为动力系统对微小扰动的敏感性。通过Lyapunov指数的计算,对德国牧羊犬动态稳定性进行定量描述,比较不同速度下德国牧羊各关节最大Lyapunov旨数,研究速度与动态稳定性之间的关系,结果表明随着速度增大,各关节最大Lyapunov指数均增大,也即德国牧羊犬动态稳定性在一定速度范围内随着速度增大均有所降低。 (4)建立并简化仿德国牧羊犬四足运动模型,对四足运动模型进行了正运动学和逆运动学分析。正运动学分析得出了四足运动模型在给定关节角时躯干和腿的位置和姿态,逆运动学则解决了在四足运动模型位置和姿态给定时相应各关节的关节角计算问题。同时,基于不同步态下的德国牧羊犬各肢运动时间顺序,对仿犬四足运动模型进行时序分析,得出了各肢步态周期内的时序模型。 (5)采用拉格朗日方法,对所建立的四足运动模型进行动力学计算。通过对腿以及躯干的运动解析,推导出腿和躯干运动的速度以及角速度,最终建立拉格朗日方程进行动力学计算。 本文采用时序分析方法对德国牧羊犬不同步态的运动控制策略进行了研究,选取时序参数描述德国牧羊犬不同步态的四肢运动时间序列,使得德国牧羊犬不同步态的各肢运动时间规律清晰化。绘制关节角以及位移相位图,对德国牧羊犬前后肢关节角协调运动进行了阐释。采用非线性时间序列的方法研究德国牧羊犬动态稳定性,为研究四足动物以及四足机器人稳定性提供了新的方法。建立仿德国牧羊犬四足运动模型,并对其进行了运动学和动力学计算,得到各关节与躯干之间运动关系以及系统拉格朗日方程,为进行运动仿真和机构设计提供依据。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 王健;贺鑫;韩旺;;基于曲柄摇杆机构和凸轮机构的四足机器人步态分析[J];湖南农机;2011年07期
2 赵文涛;李军;刘志忠;;四足仿生机器人单腿机构工作空间的优化设计[J];机械与电子;2011年07期
3 陈小平;罗文坚;;以机器人实验为载体的实践创新培养体系研究[J];研究生教育研究;2011年03期
4 ;[J];;年期
5 ;[J];;年期
6 ;[J];;年期
7 ;[J];;年期
8 ;[J];;年期
9 ;[J];;年期
10 ;[J];;年期
11 ;[J];;年期
12 ;[J];;年期
13 ;[J];;年期
14 ;[J];;年期
15 ;[J];;年期
16 ;[J];;年期
17 ;[J];;年期
18 ;[J];;年期
19 ;[J];;年期
20 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 潘寿文;方建强;程广银;;德国牧羊犬SV步容、步态评审初探(2)[A];第十一次全国养犬学术研讨会论文集[C];2005年
2 于毅;谢辉重;;德国牧羊犬追踪作业行为方式观察与分析[A];第十三次全国养犬学术研讨会论文集[C];2009年
3 ;针对德国牧羊犬的消化特点的日粮设计[A];第十一次全国养犬学术研讨会论文集[C];2005年
4 随国旗;;关于荷兰牧羊犬初步观察研究[A];第十一次全国养犬学术研讨会论文集[C];2005年
5 张晓远;谢富强;邵知蔚;;德国牧羊犬髋关节发育不良发病情况临床调查[A];中国畜牧兽医学会兽医影像技术学会分会第十一次学术研讨会论文集[C];2008年
6 王林;刘锁英;;六月龄德国牧羊犬警用性能指标量化考核标准[A];第十一次全国养犬学术研讨会论文集[C];2005年
7 闻默;张红斌;;一例德国牧羊犬脓皮病的诊断与治疗[A];中国畜牧兽医学会小动物医学分会第四次学术研讨会、中国畜牧兽医学会兽医外科学分会第十六次学术研讨会论文集(2)[C];2009年
8 张红斌;;一例德国牧羊犬脓皮病的诊断与治疗[A];中国畜牧兽医学会小动物医学分会第四次学术研讨会、中国畜牧兽医学会兽医外科学分会第十六次学术研讨会论文集(2)[C];2009年
9 周向阳;王丽华;;德国牧羊犬猝死及急性死亡病例浅析[A];全国兽医外科学第13次学术研讨会、小动物医学第1次学术研讨会暨奶牛疾病第3次学术讨论会论文集[C];2006年
10 杨前勇;叶俊华;;5个警用纯种犬品种遗传学研究[A];第十三次全国养犬学术研讨会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 田为军;德国牧羊犬运动特性及其运动模型研究[D];吉林大学;2011年
2 邓奇;具弹性躯干仿生四足机器人准被动动力学研究[D];上海交通大学;2012年
3 李彬;视觉地形分类和四足机器人步态规划方法研究与应用[D];山东大学;2012年
4 贾文川;四足机器人脑机协作导航与规划[D];华中科技大学;2011年
5 刘飞;四足机器人步态规划与平衡控制研究[D];中国科学技术大学;2010年
6 张秀丽;四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[D];清华大学;2004年
7 孙磊;四足机器人仿生控制方法及行为进化研究[D];中国科学技术大学;2008年
8 黄博;四足机器人行走步态及CPG控制研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
9 王鹏飞;四足机器人稳定行走规划及控制技术研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
10 余联庆;仿马四足机器人机构分析与步态研究[D];华中科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 雷云云;基于被动式四足机器人的运动学及动力学分析[D];山东科技大学;2010年
2 付博;四足机器人动态稳定性分析及运动控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 李冬冬;柔顺四足机器人的设计与控制研究[D];北京交通大学;2012年
4 张玉刚;四足机器人的运动学分析与仿真研究[D];武汉理工大学;2012年
5 李华;内膝肘式四足机器人步态仿真[D];山东大学;2012年
6 李蒙;考虑弹簧腿的四足机器人动力学分析与仿真[D];山东大学;2012年
7 章忠良;四足机器人运动学及动力学研究[D];电子科技大学;2012年
8 王春兰;液压驱动四足机器人的关节控制[D];山东大学;2010年
9 王利利;基于四脚支持时间的四足机器人斜面静态步行研究及实验仿真[D];中国海洋大学;2010年
10 王浩威;四足机器人跳跃步态参数分析及优化研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 常丽君;中国畜牧协会德国牧羊犬委员会成立[N];科技日报;2009年
2 记者 周泓;中国畜牧业协会犬业分会德国牧羊犬委员会成立[N];中国畜牧兽医报;2009年
3 本报记者 杜晓 本报见习记者 任雪;中国最大狼犬俱乐部被指“借名获利”[N];法制日报;2010年
4 刘海英;教你的小狗背单词[N];科技日报;2009年
5 本报记者 简工博;明知不能养,私下交易仍存在[N];解放日报;2011年
6 记者 曹妍;“限养令”接二连三,没打算执行?[N];新华每日电讯;2010年
7 林琳;狗智商如2岁幼童,黑背等最聪明[N];新华每日电讯;2009年
8 皇甫秀玲;狗年狗市热 名犬不寂寞[N];内蒙古日报(汉);2006年
9 祝俊业陈永祥 本报记者 李媛媛;警犬:不可替代的“活武器”[N];中国国防报;2007年
10 本报特约记者 朱翔;狗与狼是否真是亲戚?[N];北京科技报;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978