RU2134193C1 - Method of remote control of anthropomorphic walking and copying robot - Google Patents
Method of remote control of anthropomorphic walking and copying robot Download PDFInfo
- Publication number
- RU2134193C1 RU2134193C1 RU97105586A RU97105586A RU2134193C1 RU 2134193 C1 RU2134193 C1 RU 2134193C1 RU 97105586 A RU97105586 A RU 97105586A RU 97105586 A RU97105586 A RU 97105586A RU 2134193 C1 RU2134193 C1 RU 2134193C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- robot
- angle
- human operator
- ring
- angles
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Описываемый способ позволяет разработать и изготовить аппаратуру, необходимую для дистанционного управления в копирующем режиме ходьбой антропоморфного шагающего робота. The described method allows you to develop and manufacture the equipment necessary for remote control in copy mode walking anthropomorphic walking robot.
Вначале рассматриваются способы изготовления датчиков, определяющих угловую ориентацию произвольно движущегося твердого тела /в данном случае - корпуса робота/. Initially, we consider methods for manufacturing sensors that determine the angular orientation of an arbitrarily moving solid (in this case, the robot body).
В просмотренной мною литературе, касающейся проблемы создания антропоморфных шагающих роботов, говорится, что "Шагающий робот должен быть снабжен гироскопическим датчиком для определения ориентации в пространстве." /см. Е. П. Попов, А. С. Ющенко "Роботы и человек", Москва, 1984 г., стр. 63/. In the literature I reviewed regarding the problem of creating anthropomorphic walking robots, it says that "A walking robot must be equipped with a gyroscopic sensor to determine orientation in space." /cm. E.P. Popov, A. S. Yushchenko "Robots and Man", Moscow, 1984, p. 63 /.
Такие датчики, определяющие угловую ориентацию, необходимы для обеспечения устойчивой походки робота. Such sensors that determine the angular orientation are necessary to ensure a stable gait of the robot.
Однако механический "свободный" гироскоп имеет ряд очевидных изъянов, совокупность которых, по-видимому, и является одним из препятствий на пути создания полноценных шагающих роботов. However, the mechanical “free” gyroscope has a number of obvious flaws, the combination of which, apparently, is one of the obstacles to creating full-fledged walking robots.
Первый, очевидный, но не основной, недостаток гироскопа - механическое вращение маховика и необходимость в постоянном поддержании этого быстрого вращения. The first, obvious, but not the main, drawback of the gyroscope is the mechanical rotation of the flywheel and the need to constantly maintain this fast rotation.
Второй изъян гироскопа /он менее очевиден, но зато гораздо более существенен/: т. н. "свободный" гироскоп, закрепленный на карданном подвесе, не является свободным в полной мере этого слова. Действительно, пусть в первый момент ось вращения "свободного" гироскопа направлена вертикально /фиг. 1/, где эллипсом изображен маховик гироскопа, вращающийся на оси O-O1. Малая /внутренняя/ рамка карданного подвеса обозначена буквами A, B, C, D. Она имеет ось вращения P-P1. Большая рамка карданного подвеса E, K, L, M вращается на оси N-N1 в подшипниках, закрепленных в корпусе робота. По идеи ось вращения маховика O-O1 должна всегда сохранять свое направление в пространстве, независимо от того, как изменится угловая ориентация корпуса робота, но это не так, в некоторых случаях возможно возникновение такой ситуации, когда ось O-O1 будет наклонена под воздействием внешних сил, изменяющих ориентацию корпуса робота. Рассмотрим эту ситуацию.The second flaw of the gyroscope / it is less obvious, but much more significant /: the so-called. A “free” gyroscope mounted on a gimbal is not fully free of this word. Indeed, let the first axis of rotation of the "free" gyroscope be directed vertically / Fig. 1 /, where the gyro flywheel rotating on the axis OO 1 is depicted by an ellipse. The small / inner / gimbal frame is indicated by the letters A, B, C, D. It has a rotation axis PP 1 . The large gimbal frame E, K, L, M rotates on the axis NN 1 in bearings mounted in the robot body. According to the idea, the rotation axis of the flywheel OO 1 should always maintain its direction in space, regardless of how the angular orientation of the robot body changes, but this is not so, in some cases a situation may arise when the axis OO 1 will be tilted under the influence of external forces, changing the orientation of the robot body. Consider this situation.
Введем правую тройку векторов жестко связанную с осью O-O1 гироскопа. Орт направим вдоль оси O-O1. Маховик гироскопа крутится, но векторы в этом кручении не участвуют. Вектор направлен вдоль оси P-P1, проходящей через подшипники внутренней рамки карданного подвеса. Вектор будет направлен "к нам". Введем теперь правую тройку векторов жестко связанную с корпусом робота. И пусть начальный момент, когда робот стоит вертикально, векторы совпадают по своему направлению с ортами гироскопа. Теперь допустим, что робот из вертикального положения принял положение "упор лежа" /проще говоря, лег на живот/, тогда рамки карданного подвеса займут по отношению к гироскопу положение, изображенное на фиг. 2. Если теперь робот начнет перекатываться из положения "упор лежа" на спину, то рамки карданного подвеса находятся в таком положении /фиг. 2/, что не дают возможности оси вращения "свободного" гироскопа сохранить свое направление в пространстве. При перекатывании робота с живота на спину ось вращения гироскопа может оказаться повернута на 180o/я привожу здесь наиболее неблагоприятный случай/.We introduce the right triple of vectors rigidly connected to the axis OO 1 of the gyroscope. Ort direct along the axis OO 1 . The gyro flywheel is spinning, but the vectors do not participate in this torsion. Vector directed along the axis of PP 1 passing through the bearings of the inner frame of the gimbal. Vector will be sent "to us." We introduce now the right triple of vectors rigidly connected to the body of the robot. And let the initial moment when the robot is standing upright, vectors coincide in their direction with the orts gyroscope. Now suppose that the robot from the upright position has taken a “lying position” position (in other words, it lies on its stomach), then the frames of the gimbal will occupy the position shown in FIG. 2. If now the robot starts to roll from the "stop lying" position to the back, then the gimbal frames are in this position / Fig. 2 /, which does not allow the axis of rotation of the "free" gyroscope to maintain its direction in space. When the robot rolls from the abdomen to the back, the axis of rotation of the gyroscope may be rotated 180 o / I give here the most unfavorable case /.
После такого перекатывания показания гироскопического датчика уже будут неверными. /Может возникнуть еще более худшая ситуация, когда ось маховика O-O1 будет погнута и гироскопический датчик ориентации выйдет из строя./ В реальных технических устройствах /ракетах, самолетах/ от указанного изъяна "свободного" гироскопа избавляются введением " разгрузочных двигателей", которые не дают рамкам карданного подвеса ложиться в одну плоскость. Но в любом случае механический гироскоп - это сложное устройство, которое плохо подходит для шагающего антропоморфного робота.After such a roll, the gyro sensor readings will already be incorrect. / An even worse situation may arise when the axis of the flywheel OO 1 will be bent and the gyroscopic orientation sensor will fail. / In real technical devices / rockets, airplanes / the indicated flaw of the "free" gyroscope is eliminated by the introduction of "unloading engines" that do not give the gimbal frames go to the same plane. But in any case, a mechanical gyroscope is a complex device that is poorly suited for a walking anthropomorphic robot.
Возможно использование для шагающего робота в качестве датчиков, определяющих ориентацию, интерференционных лазерных гироскопов. Но такие интерферометры имеют большие размеры, требуют сложной юстировки, дороги и не очень надежны. It is possible to use interference laser gyroscopes as sensors that determine the orientation of a walking robot. But such interferometers are large, require complex alignment, roads and are not very reliable.
Целью настоящего изобретения является способ, с помощью которого можно изготовить компактные, надежные, технологичные в производстве датчики угловой ориентации. The aim of the present invention is a method by which it is possible to produce compact, reliable, technological in the production of angular orientation sensors.
Для этой цели предполагается использовать два различных по своим принципам устройства. For this purpose, it is supposed to use two devices different in their principles.
Первое из них - это жидкостной "датчик-отвес". Он позволяет определять начальное направление "верх-низ", а также позволяет измерять медленные наклоны тела, изменяющего ориентацию. The first of these is a liquid "plumb sensor". It allows you to determine the initial direction of the "top-bottom", and also allows you to measure the slow slopes of the body, changing the orientation.
Второе из них - это жидкостной инерционный датчик, позволяющий измерять произвольные вращательные движения, имеющие значительное ускорение. The second of them is a liquid inertial sensor that allows you to measure arbitrary rotational movements with significant acceleration.
Датчик-отвес. Plumb sensor.
Рассматриваем проекции отвесной линии /линии "верх-низ"/ на три "единичные" окружности, вписанные в стороны куба /см. фиг. 3/. На фиг. 3 изображен куб со стороной в две условные единицы. В стороны куба вписаны три окружности единичного радиуса, т.е. с диаметрами в две условные единицы. Передние стенки куба изображены штриховкой, они как бы отсутствуют. We consider the projection of a vertical line / top-to-bottom line / onto three “unit” circles inscribed on the sides of the cube / cm. FIG. 3 /. In FIG. 3 shows a cube with a side in two arbitrary units. Three circles of unit radius are inscribed on the sides of the cube, i.e. with diameters of two arbitrary units. The front walls of the cube are depicted by hatching, as if they are absent.
Введем в куб две системы координат: декартовы координаты X, Y, Z и полярные координаты θ, φ. Углы θ, φ изменяются в пределах 0o ≤ θ ≤ 180o и 0o ≤ φ ≤ 360o /см. фиг. 4/.We introduce two coordinate systems into the cube: the Cartesian coordinates X, Y, Z and the polar coordinates θ, φ. The angles θ, φ vary between 0 o ≤ θ ≤ 180 o and 0 o ≤ φ ≤ 360 o / cm. FIG. 4/.
Углы θ и φ определяют ориентацию /наклон/ вектора отвесной линии относительно системы координат X, Y, Z /см. фиг. 4/. На фиг. 4 вектор отвесной линии обозначен сокращением "ОЛ" , проекция вектора отвесной линии обозначена сокращением "ПОЛ". Угол θ отсчитывается от оси Y системы координат X, Y, Z, т.е., если вектор отвесной линии совпадает /параллелен/ оси Y, то θ = 0o. А если вектор отвесной линии не параллелен оси Y, то угол θ ≠ 0o /см. фиг. 4/. Угол φ берет начало своего отсчета от оси X системы координат X, Y, Z и увеличивается, если проекция вектора отвесной линии смещается /поворачивается/ относительно системы координат от оси X в направлении оси Z /см. фиг. 4/.The angles θ and φ determine the orientation / slope / of the plumb line vector relative to the coordinate system X, Y, Z / cm. FIG. 4/. In FIG. 4, the vertical line vector is indicated by the abbreviation "OL", the projection of the vertical line vector is indicated by the abbreviation "FLOOR". The angle θ is measured from the Y axis of the coordinate system X, Y, Z, i.e., if the vector of the vertical line coincides / parallel to / the Y axis, then θ = 0 o . And if the vertical line vector is not parallel to the Y axis, then the angle θ ≠ 0 o / cm. FIG. 4/. The angle φ takes its origin from the X axis of the coordinate system X, Y, Z and increases if the projection of the vertical line vector is shifted / rotated / relative to the coordinate system from the X axis in the direction of the Z axis / cm. FIG. 4/.
Датчик - отвес устроен так: каждая единичная окружность представляет из себя набор фотоэлементов, расположенных по окружности /см. фиг. 5/. Перед "единичной окружностью фотоэлементов" устанавливается прозрачная дискообразная емкость-"кювета", заполненная прозрачной демпферирующей жидкостью /спиртом, керосином и т.д./. В этой кювете имеется небольшая, по отношению к общему объему кюветы, капелька ртути. На кювету от источника света падает излучение, освещая почти все фотоэлементы единичной окружности. Однако несколько фотоэлементов закрыты от источника света непрозрачной капелькой ртути. Эти закрытые фотоэлементы характеризуют наиболее низкую точку единичной окружности фотоэлементов /см. фиг. 5/. На фиг. 5 изображена "единичная окружность", состоящая только из 18 фотоэлементов. В реальной конструкции датчика-отвеса их должно быть гораздо больше, например тысяча. The sensor - plumb line is arranged as follows: each unit circle is a set of photocells arranged around a circle / cm. FIG. 5/. In front of the “single circle of photocells” a transparent disk-shaped “cell” is installed, filled with a transparent damping liquid / alcohol, kerosene, etc. /. This cuvette contains a small drop of mercury relative to the total volume of the cuvette. Radiation is incident on a cuvette from a light source, illuminating almost all photocells of a single circle. However, several photocells are closed from the light source by an opaque drop of mercury. These closed photocells characterize the lowest point of a unit circle of photocells / cm. FIG. 5/. In FIG. 5 depicts a “unit circle” consisting of only 18 photocells. In the real design of the plumb sensor, there should be much more, for example, a thousand.
Каждый фотоэлемент, принадлежащий единичной окружности, подключен одним своим выводом к своему индивидуальному тактируемому "Д" триггеру. Далее все "Д" триггеры подключены к приоритетному шифратору /см. фиг.6/. /"Единичную окружность - набор фотоэлементов, "Д" триггеры, приоритетный шифратор лучше изготовить в виде одной большой интегральной схемы, т.е. на одном кристалле. Возможно использовать в качестве измерительной "единичной окружности" "ПЗС окружность". Т.е. прибор с зарядовой связью, выполненный в виде окружности с последовательным опросом элементов. Each photocell belonging to a single circle is connected with its own output to its individual clocked "D" trigger. Further, all “D” triggers are connected to the priority encoder / cm. Fig.6 /. / "A single circle - a set of photocells," D "triggers, a priority encoder is best made in the form of one large integrated circuit, that is, on a single chip. It is possible to use a" CCD circle "as a measuring" unit circle ". That is charge-coupled device made in the form of a circle with sequential interrogation of elements.
По своей сути фиг. 6 - это "вид сбоку" на т.н. единичную окружность датчика - отвеса. Этот "вид сбоку" позволяет нам проследить связь элементов датчика - отвеса. На фиг. 6 цифрами обозначены: 1 - источник света, 2 - кювета, 3 - капля ртути, 4 - набор фотоэлементов, 5 - набор "Д" триггеров, 6 - приоритетный шифратор, 7 - электрические выводы из шифратора, на которых появляется двоичный код, характеризующий наиболее низкую точку данной единичной окружности датчика - отвеса. Inherently FIG. 6 is a “side view” of the so-called unit circumference of the sensor - plumb. This "side view" allows us to trace the connection of the sensor elements - plumb. In FIG. 6 numbers indicate: 1 - light source, 2 - cuvette, 3 - a drop of mercury, 4 - a set of photocells, 5 - a set of "D" triggers, 6 - priority encoder, 7 - electrical leads from the encoder, on which a binary code that characterizes the lowest point of this unit circumference of the sensor is a plumb line.
Экранирование каплей ртути фотоэлементов вызывает появление на выходе приоритетного шифратора двоичного кода. Этот код, положение капли ртути, определяет проекцию отвесной линии на "единичную окружность". Shielding a drop of mercury photocells causes the appearance of a priority binary code encoder on the output. This code, the position of the mercury drop, determines the projection of the plumb line onto the “unit circle”.
В устройстве датчика-отвеса используются три "единичные окружности". Это дает нам возможность получить проекции отвесной линии на три взаимно перпендикулярные плоскости, см. фиг. 7. В результате мы получаем три угла α, β, γ, характеризующие наклон системы координат X, Y, Z относительно вектора отвесной линии. The plumb sensor uses three “unit circles”. This enables us to obtain projections of a plumb line on three mutually perpendicular planes, see Fig. 7. As a result, we obtain three angles α, β, γ characterizing the slope of the coordinate system X, Y, Z with respect to the vertical line vector.
Угол α принимает значения в интервале 0o ≤ α ≤ 360o и характеризует наклон системы координат X, Y, Z, полученный в результате вращения системы координат X, Y, Z вокруг оси X. Угол α берет свое начало /отсчет/ от оси Z , т. е. , если ось Z совпадает с вектором проекции отвесной линии на плоскость Z, O, Y, то угол α = 0o/см. фиг. 8 /. Направление отсчета угла α определяется исходя из условия, что правая система координат X, Y, Z совершает вращение вокруг оси X, которое определяется векторным произведением
т. е. угол α возрастает, если в плоскости Z, О, Y вектор проекции отвесной линии смещается от оси Z в направлении к оси Y /см. фиг. 9 /.The angle α takes values in the
i.e., the angle α increases if in the plane Z, O, Y the projection vector of the plumb line is shifted from the Z axis in the direction to the Y / cm axis. FIG. nine /.
Угол β принимает значения в интервале 0o≤β≤360o и характеризует наклон системы координат X, Y, Z, полученный в результате вращения системы координат X, Y, Z вокруг оси Y. Угол β берет свое начало /отсчет/ от оси X, т.е. , если ось X совпадает с вектором проекции отвесной линии на плоскость X, O, Z, то угол β = 0o/см. фиг. 10/. Направление отсчета угла β определяется исходя из условия, что правая система координат X, Y, Z совершает вращение вокруг оси Y, которое определяется векторным произведением
т. е. угол β возрастает, если в плоскости X, Y, Z вектор проекции отвесной линии смещается от оси X в направлении к оси Z /см. фиг. 11/.The angle β takes values in the
i.e., the angle β increases if, in the X, Y, Z plane, the projection vector of the plumb line is shifted from the X axis towards the Z / cm axis. FIG. eleven/.
Угол γ принимает значения в интервале 0o≤ γ ≤360o, и характеризует наклон системы координат X, Y, Z, полученный в результате вращения системы координат X, Y, Z вокруг оси Z. Угол γ берет свое начало /отсчет/ от оси Y, т. е. , если ось Y совпадает с вектором проекции отвесной линии на плоскость Y, O, X, то угол γ = 0o/см. фиг. 12 /. Направление отсчета угла γ определяется исходя из условия, что правая система координат X, Y, Z совершает вращение вокруг оси Z, которое определяется векторным произведением
т.е. угол γ возрастает, если в плоскости Y, O, X вектор проекции отвесной линии смещается от оси Y в направлении к оси X /см. фиг. 13 /.The angle γ takes values in the
those. the angle γ increases if, in the Y, O, X plane, the projection vector of the plumb line is shifted from the Y axis towards the X / cm axis. FIG. 13 /.
Теперь задача сводится к следующему: необходимо определить углы θ и φ, зная углы α, β, γ.
Ниже дан вывод формул, связывающих углы, α, β, γ с углами θ и φ. Эти формулы нужны для программирования ПЗУ /постоянного запоминающего устройства, см. фиг. 14/. Углы α, β, γ, как и углы θ и φ, образуют дискретный конечный набор значений, что и позволяет использовать ПЗУ при пересчете углов α, β, γ в углы θ и φ. На фиг. 14 цифрами 1, 2 и 3 помечены т.н. "единичные окружности", а 4 - ПЗУ. В данном случае каждая единичная окружность измеряет какой-то свой угол: α, β или γ, и представляет собой единую электронно-оптическую структуру, выполненную на одной подложке. /Предполагается, что топология каждой такой "единичной окружности" имеет структуру, идентичную блок-схеме, представленной на фиг. 6./ Задача фиг. 14 состоит в том, чтобы подчеркнуть применение ПЗУ для пересчета углов α, β, γ в углы θ, φ. Надо заметить, что на фиг. 14 отсутствуют несколько очень важных промежуточных блоков. /Более подробно эта структурная схема будет представлена на фиг. 66, после соответствующего описания./
Для вывода математических формул сделаем некоторые геометрические построения /см. фиг. 15 /. Где сфера "единичного" радиуса вписана в куб ABCDD'A'B'C'. В центре сферы берет начало система координат X', Y', Z'. Взаимная ориентация системы координат и куба такова, что оси X', Y', Z' ортогональны соответствующим граням куба. /Проекции сферы и куба на плоскости, перпендикулярные осям системы координат, дают нам три "единичные окружности", вписанные в квадраты, как это видно из фиг. 15./
Фиг. 15 позволяет разбить сферу на шесть угловых секторов. В зависимости от того, какую грань куба пересекает вектор отвесной линии, мы определяем угловой сектор.Now the problem is as follows: it is necessary to determine the angles θ and φ, knowing the angles α, β, γ.
The following is a conclusion of the formulas connecting the angles α, β, γ with the angles θ and φ. These formulas are needed for programming ROM / read-only memory, see FIG. fourteen/. The angles α, β, γ, as well as the angles θ and φ, form a discrete finite set of values, which allows the use of ROM when recalculating the angles α, β, γ into angles θ and φ. In FIG. 14
To derive mathematical formulas, we make some geometric constructions / cm. FIG. fifteen /. Where the sphere of the "unit" radius is inscribed in the cube ABCDD'A'B'C '. In the center of the sphere originates the coordinate system X ', Y', Z '. The relative orientation of the coordinate system and the cube is such that the axes X ', Y', Z 'are orthogonal to the corresponding faces of the cube. / Projections of a sphere and a cube on a plane perpendicular to the axes of the coordinate system give us three “unit circles” inscribed in squares, as can be seen from FIG. fifteen./
FIG. 15 allows you to divide the sphere into six angular sectors. Depending on which face of the cube the vertical line intersects, we define the angular sector.
Первый угловой сектор получится, если отвесная линия пересекает сторону ABCD куба /см. фиг. 16 /. В этом случае углы проекций отвесной линии на единичные окружности заключены в пределах
Значением угла γ пренебрегаем, т. к. мы имеем возможность вычислить наклон /углы θ и φ / по двум углам α и β.
Привожу математические формулы, позволяющие вычислить для первого сектора θ и φ по значениям углов α и β . Для этого рассмотрим следующие геометрические построения /см. фиг. 17/. Где совмещены центры двух "единичных окружностей", по которым производится отсчет углов α и β, с реперной точкой O' координат X', Y', Z'. Согласно этому рисунку вектор отвесной линии принадлежит первому угловому сектору. Проекции отвесной линии на соответствующие "единичные окружности" дают углы α и β.
Из фиг. 17 видно, что
φ = β. (5)
Угол θ находим из прямоугольного треугольника O'PN, см. фиг. 18, которая является частью фиг. 17. Вершина P треугольника O'PN равна 90o, поэтому угол θ можно найти как арктангенс отношения катетов NP и PO'
θ = arctg(NP:PO′). (6)
Но отрезок O'P, согласно фиг. 18, равен отрезку LM прямоугольного треугольника O'LM. А отрезок NP, согласно фиг. 18, равен гипотенузе KO' прямоугольного треугольника KLO'. Таким образом получаем
O′P = LM = |O′L|•tgα = 1•tgα; (7)
NP = KO′ = |O′L|:sinβ = 1:sinβ. (8)
Тогда формула 6 трансформируется в такой вид
Это и есть искомая формула, связывающая для первого углового сектора углы α и β с углом θ.
Второй угловой сектор получится, если отвесная линия пересекает сторону ADD'A' куба /см. фиг. 15 /. В этом случае углы проекций отвесной линии на единичные окружности заключены в пределах
Значением угла α пренебрегаем.The first angular sector will turn out if the plumb line intersects the side of the ABCD cube / cm. FIG. 16 /. In this case, the projection angles of the plumb line on unit circles are within
We neglect the value of the angle γ, since we are able to calculate the slope / angles θ and φ / from the two angles α and β.
I give mathematical formulas that allow us to calculate θ and φ for the first sector from the values of the angles α and β. To do this, consider the following geometric constructions / cm. FIG. 17 /. Where the centers of two "unit circles" are combined, along which the angles α and β are counted, with the reference point O 'of the coordinates X', Y ', Z'. According to this figure, the vertical line vector belongs to the first angular sector. The projection of the plumb line on the corresponding "unit circles" gives the angles α and β.
From FIG. 17 shows that
φ = β. (5)
The angle θ is found from the right triangle O'PN, see FIG. 18, which is part of FIG. 17. The vertex P of the triangle O'PN is 90 o , so the angle θ can be found as the arctangent of the ratio of the legs NP and PO '
θ = arctan (NP: PO ′). (6)
But the segment O'P, according to FIG. 18 is equal to the segment LM of the right triangle O'LM. And the segment NP, according to FIG. 18 is equal to the hypotenuse KO 'of the right triangle KLO'. Thus we obtain
O′P = LM = | O′L | • tgα = 1 • tgα; (7)
NP = KO ′ = | O′L |: sinβ = 1: sinβ. (eight)
Then
This is the desired formula relating the angles α and β to the angle θ for the first angular sector.
The second angular sector will turn out if the plumb line intersects the ADD'A 'side of the cube / cm. FIG. fifteen /. In this case, the projection angles of the plumb line on unit circles are within
The angle α is neglected.
Производим необходимые геометрические построения /см. фиг. 19 /. Откуда видно
φ = β (11)
Угол θ находим из прямоугольного треугольника O'PN, см. фиг. 20. Вершина P треугольника O'PN равна 90o, угол θ, как и в предыдущем случае, выражаем через арктангенс отношения катетов NP и PO'
θ = arctg(NP:PO′). (12)
С учетом того, что из прямоугольных треугольников KLO' и MPO' имеем
NP = (cosβ)-1 и PO′ = ctgγ. (13)
Получаем в окончательном виде формулу для нахождения угла θ:
Третий угловой сектор получится, если отвесная линия пересекает сторону DCC'D' куба /см. фиг. 15/. В этом случае углы проекций отвесной линии на единичные окружности заключены в пределах
Значением угла β пренебрегаем.We produce the necessary geometric constructions / cm. FIG. 19 /. Where can I see
φ = β (11)
The angle θ is found from the right triangle O'PN, see FIG. 20. The vertex P of the triangle O'PN is 90 o , the angle θ, as in the previous case, is expressed through the arctangent of the ratio of the legs of NP and PO '
θ = arctan (NP: PO ′). (12)
Given the fact that from right triangles KLO 'and MPO' we have
NP = (cosβ) -1 and PO ′ = ctgγ. (13)
We obtain in the final form the formula for finding the angle θ:
The third angular sector will turn out if the plumb line intersects the DCC'D 'side of the cube / cm. FIG. fifteen/. In this case, the projection angles of the plumb line on unit circles are within
The angle β is neglected.
Производим необходимые геометрические построения /см. фиг. 21 /. Она существенно отличается от похожей фиг. 17 тем, что в нее введена дополнительная линия LN. Это можно видеть на фиг. 22. Угол θ находим из прямоугольного треугольника O'LN как арктангенс отношения катетов LN и O'L /см. фиг. 23/
Учтем, что отрезок O'L равен единице, тогда формула 16 примет вид
θ = arctg LN, (17)
Отрезок LN находим с помощью теоремы Пифагора из прямоугольного треугольника LMN /см. фиг. 24/
Катет LM получаем из прямоугольного треугольника O'LM /см. фиг. 25/
LM = tgγ. (19)
А катет MN получаем из прямоугольного треугольника O'LK /см. фиг. 26/
MN = LK = tg(90o-α) = ctgα (20)
Тогда формула 18 примет вид
Отсюда получим в окончательном виде формулу для угла θ
Формула для нахождения угла φ получается как арктангенс отношения катетов MN и LM прямоугольного треугольника LMN /см. фиг. 24/. С учетом формул 19 и 20 получим
Здесь необходимо сделать еще несколько замечаний, связанных с формулой 23
Если угол γ = 0o и угол α < 90o, то угол φ = 90o.We produce the necessary geometric constructions / cm. FIG. 21 /. It differs significantly from that of FIG. 17 by the fact that an additional line LN is introduced into it. This can be seen in FIG. 22. The angle θ is found from the right triangle O'LN as the arctangent of the ratio of the legs of LN and O'L / cm. FIG. 23 /
We take into account that the segment O'L is equal to unity, then
θ = arctan LN, (17)
The segment LN is found using the Pythagorean theorem from a right-angled triangle LMN / cm. FIG. 24 /
The LM leg is obtained from the right triangle O'LM / cm. FIG. 25 /
LM = tgγ. (19)
And the leg MN is obtained from the right triangle O'LK / cm. FIG. 26 /
MN = LK = tg (90 o -α) = ctgα (20)
Then
From here we obtain in final form the formula for the angle θ
The formula for finding the angle φ is obtained as the arctangent of the ratio of the legs MN and LM of the right triangle LMN / cm. FIG. 24 /. Given
Here it is necessary to make a few more remarks related to
If the angle γ = 0 o and the angle α <90 o , then the angle φ = 90 o .
Если угол γ = 0o и угол α > 90o, то угол φ = 270o.If the angle γ = 0 o and the angle α> 90 o , then the angle φ = 270 o .
Если угол γ = 0o и угол α = 0o, то угол φ имеет неопределенное значение.If the angle γ = 0 o and the angle α = 0 o , then the angle φ has an indefinite value.
Выражение "угол φ имеет неопределенное значение" становится понятным, если для системы координат X, Y, Z /см. фиг. 4/ построить "глобус наклонов" - сферу произвольного радиуса, с нанесенной на ее поверхности сеткой, состоящей из меридиан и параллелей /см. фиг. 27 /. Меридианы - это линии на поверхности глобуса наклонов, вдоль которых угол φ имеет постоянное значение. Параллели - это линии, вдоль которых угол θ сохраняет постоянное значение. Но на поверхности глобуса наклонов есть две особые, т.н. "полярные" точки. В этих точках угол φ имеет неопределенное значение, а при пересечении этих точек вдоль меридиана угол φ испытывает скачок в 180o. В полярных точках не надо знать значения угла φ, эти точки характеризуются другим углом, углом θ. Всякий раз, когда θ = 0o или θ = 180o означает, что вектор отвесной линии проходит через полярную точку, т.е. это означает, что система координат X, Y, Z наклонена в пространстве так, что вектор отвесной линии параллелен оси Y системы координат.The expression "angle φ has an indefinite value" becomes clear if for the coordinate system X, Y, Z / cm. FIG. 4 / to build a "tilt globe" - a sphere of arbitrary radius, with a grid on its surface consisting of meridians and parallels / cm. FIG. 27 /. Meridians are lines on the surface of the slope globe along which the angle φ has a constant value. Parallels are lines along which the angle θ remains constant. But on the surface of the inclination globe there are two special ones, the so-called "polar" points. At these points, the angle φ has an indefinite value, and when these points intersect along the meridian, the angle φ experiences a jump of 180 o . At the polar points it is not necessary to know the values of the angle φ, these points are characterized by a different angle, the angle θ. Whenever θ = 0 o or θ = 180 o means that the vertical line vector passes through the polar point, i.e. this means that the coordinate system X, Y, Z is inclined in space so that the vertical line vector is parallel to the axis Y of the coordinate system.
Четвертый угловой сектор:
Отвесная линия пересекает сторону ABB'A' куба /см. фиг. 15 /. В этом случае углы проекции отвесной линии на единичные окружности заключены в пределах
Значением угла β пренебрегаем. Геометрические построения выполнены в фиг. 28 - это общий вид.Fourth corner sector:
A plumb line intersects the side of ABB'A 'cube / cm. FIG. fifteen /. In this case, the projection angles of the plumb line to unit circles are within
The angle β is neglected. Geometric constructions are made in FIG. 28 is a general view.
Фиг. 29 выделяет из фиг. 28 только те элементы изображения, которые нужны нам для вывода формул. Из фиг. 29 видно, что для нахождения угла θ необходимо воспользоваться прямоугольным треугольником O'LN /см. фиг. 30 /. Катет LN треугольника O'LN связан с углом θ таким образом
Т.е. получаем
θ = arctg(-|LN|). (25)
Отрезок LN находим с помощью теоремы Пифагора из прямоугольника LMNK /см. фиг. 31/
Отрезок LK находим с помощью фигуры 32, которая получается, если посмотреть на систему координат X', Y', Z', изображенную на фиг. 29 вдоль оси Z'. Имеем
Отрезок LM находим из фиг. 33
Формула 25 с учетом формул 26, 27 и 28 запишется так
Угол φ согласно фиг. 31 ищем в виде арктангенса отношения отрезков LM и LK
С учетом формул 27 и 28 получим
Здесь опять необходимо сделать несколько замечаний в связи с тем, что в секторе 4 находится полярная точка. Поэтому для формулы 31 имеем дополнения:
Если угол γ = 180o и угол α > 270o, то угол φ = 90o.FIG. 29 highlights from FIG. 28 only those image elements that we need to derive formulas. From FIG. Figure 29 shows that to find the angle θ, it is necessary to use a right-angled triangle O'LN / cm. FIG. thirty /. The leg LN of the triangle O'LN is connected with the angle θ in this way
Those. we get
θ = arctan (- | LN |). (25)
The segment LN is found using the Pythagorean theorem from the rectangle LMNK / cm. FIG. 31 /
The line segment LK is found using figure 32, which is obtained by looking at the coordinate system X ', Y', Z 'shown in FIG. 29 along the z axis. We have
The segment LM is found from FIG. 33
The angle φ according to FIG. 31 we are looking in the form of arctangent for the ratio of the segments LM and LK
Given
Here again, it is necessary to make a few comments in connection with the fact that
If the angle γ = 180 o and the angle α> 270 o , then the angle φ = 90 o .
Если угол γ = 180o и угол α < 270o, то угол φ = 270o.If the angle γ = 180 o and the angle α <270 o , then the angle φ = 270 o .
Если угол γ = 180o и угол α = 270o, то угол φ имеет неопределенное значение.If the angle γ = 180 o and the angle α = 270 o , then the angle φ has an indefinite value.
Пятый угловой сектор:
Отвесная линия пересекает сторону BCC'B' куба /см. фиг. 15 /. Углы проекции отвесной линии на единичные окружности заключены в пределах
Значением угла α пренебрегаем. Геометрические построения /общий вид/ выполнены на фиг. 34. Фиг. 35 выделяет из фиг. 34 только необходимые элементы изображения, которые нужны для вывода формул. Мы видим из фиг. 35, что
φ = β. (33)
Угол θ находим из прямоугольного треугольника O'PN как арктангенс отношения катетов NP и O'P
Отрезок NP получаем из прямоугольного треугольника О'LK, это демонстрирует фиг. 36
Согласно фиг. 37;
Тогда формула 34 запишется в таком виде
Шестой угловой сектор:
Отвесная линия пересекает сторону A'B'C'D' куба /см. фиг. 15/. Углы проекции отвесной линии на единичные окружности заключены в пределах
Пренебрегаем значением угла γ. Необходимые геометрические построения выполнены на фиг. 38 и 39, откуда видно
φ = β. (39)
Угол θ находим как арктангенс отношения катетов TN и O'T прямоугольного треугольника O'TN /см. фиг. 39/
Отрезок TN получаем из треугольника O'LM /фиг. 40/
Отрезок O'T находим из треугольника O'LK /фиг. 41/;
В окончательном виде формула для угла θ запишется
Достоинством предлагаемого жидкостного датчика - отвеса является его технологичность. Необходимо только изготовить соответствующую микросхему, содержащую в себе единичную окружность фотоэлементов, набор триггеров и шифратор. При современном уровне развития микроэлектронной промышленности это не составит особого труда. А дальше при окончательной сборке датчика-отвеса не будет больших проблем с настройкой. Например: пусть на эталонном /горизонтальном/ стенде во время сборки датчика-отвеса выяснилось, что микросхема, определяющая угол α, дает ошибочные показания /см. фиг. 42/. В этой ситуации специалисту, осуществляющему сборку, достаточно будет, учитывая показания контрольных приборов, слегка повернуть микросхему, а затем закрепить ее в нужном положении /см. фиг. 43/.Fifth corner sector:
A plumb line intersects the side of the BCC'B 'cube / cm. FIG. fifteen /. The projection angles of the plumb line to unit circles are within
The angle α is neglected. Geometric constructions / general view / are made in FIG. 34. FIG. 35 highlights from FIG. 34 only the necessary image elements that are needed to derive the formulas. We see from FIG. 35 that
φ = β. (33)
The angle θ is found from the right triangle O'PN as the arctangent of the ratio of the legs of NP and O'P
The segment NP is obtained from the right triangle O'LK, as shown in FIG. 36
According to FIG. 37;
Then the
Sixth corner sector:
A plumb line intersects the A'B'C'D 'side of the cube / cm. FIG. fifteen/. The projection angles of the plumb line to unit circles are within
Neglect the angle γ. The necessary geometric constructions are made in FIG. 38 and 39, from where it can be seen
φ = β. (39)
We find the angle θ as the arctangent of the relation of the legs of TN and O'T of the right triangle O'TN / cm. FIG. 39 /
The segment TN is obtained from the triangle O'LM / Fig. 40 /
The segment O'T is found from the triangle O'LK / Fig. 41 /;
In the final form, the formula for the angle θ is written
The advantage of the proposed liquid sensor - plumb is its manufacturability. It is only necessary to make an appropriate microcircuit containing a single circle of photocells, a set of triggers and an encoder. At the current level of development of the microelectronic industry, this will not be difficult. And then, during the final assembly of the plumb sensor, there will be no big problems with tuning. For example: let it be found out on a standard / horizontal / stand during the assembly of the plumb sensor that the microcircuit that determines the angle α gives erroneous readings / cm. FIG. 42 /. In this situation, it will be enough for the specialist performing the assembly, taking into account the indications of the control devices, slightly turn the microcircuit, and then fix it in the desired position / cm. FIG. 43 /.
Другие датчики - отвесы, в основу работы которых положены иные технические решения, требуют более кропотливой настройки. Так в датчике - отвесе, выполненном на трех пружинных акселерометрах, расположенных вдоль осей системы координат X, Y, Z /см. фиг. 44/, необходимо учитывать разброс параметров трех акселерометров: небольшие различия в жесткости пружин, в трении, в массе инерционных грузиков. Все это делает настройку датчика - отвеса, состоящего из пружинных акселерометров, более трудоемкой. Other sensors - plumb lines, which are based on other technical solutions, require more painstaking adjustment. So in the sensor - plumb, made on three spring accelerometers located along the axes of the coordinate system X, Y, Z / cm. FIG. 44 /, it is necessary to take into account the scatter of the parameters of three accelerometers: small differences in the stiffness of the springs, in friction, in the mass of inertial weights. All this makes tuning the sensor - a plumb line, consisting of spring accelerometers, more time-consuming.
Недостатком жидкостного датчика - отвеса является то, что он может выдавать точные показания только в том случае, если тело, на котором датчик - отвес установлен, совершает в пространстве в течение достаточно длительного времени поступательное /или почти поступательное/ движение, без сильных толчков и вращений, т.е. жидкостной датчик - отвес выдает правильные показания, если он достаточно долго находится в инерциальной /или почти инерциальной / системе отсчета. The disadvantage of a liquid plummet sensor is that it can give accurate readings only if the body on which the plummet sensor is mounted performs a translational / or almost translational / movement in space for a sufficiently long time, without strong shocks and rotations , i.e. liquid sensor - the plumb line gives the correct readings if it has been in the inertial / or almost inertial / reference system for a long time.
/Здесь под выражениями: "в течение достаточно длительного времени" и "достаточно долго", подразумевается время, большее времени успокоения собственных колебаний /колебаний капелек ртути в кюветах/. / Here, under the expressions: “for a sufficiently long time” and “long enough”, we mean a time longer than the time of calming the natural vibrations / vibrations of mercury droplets in the cells /.
Жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений. Liquid inertial accelerated rotation sensor.
Принцип действия:
Рассмотрим такое устройство, условно назовем его "измерительный виток":
Емкость, заполненная жидкостью, поделена на две камеры упругой мембраной /см. фиг. 45/, где V1 - первая камера, V2 - вторая камера, M - упругая мембрана.Operating principle:
Consider such a device, conventionally call it "measuring coil":
The tank filled with liquid is divided into two chambers by an elastic membrane / cm. FIG. 45 /, where V 1 is the first chamber, V 2 is the second chamber, M is an elastic membrane.
Из одной камеры к другой идет трубка Т, также заполненная жидкостью. Трубка имеет форму окружности радиуса R. From one chamber to another there is a tube T, also filled with liquid. The tube has a circle shape of radius R.
При ускоренном вращении такого устройства вокруг точки "O" по разные стороны от мембраны создается перепад давления
где ρ - плотность жидкости, l - длина окружности /длина трубки - вращательное ускорение.With the accelerated rotation of such a device around the point "O" on different sides of the membrane creates a pressure drop
where ρ is the fluid density, l is the circumference / tube length - rotational acceleration.
Формула 42 получается по аналогии с формулой для расчета давления, создаваемого столбом жидкости в поле гравитационных сил. Только в нашем случае в роли "ускорения свободного падения" выступает вращательное ускорение
Под действием перепада давления ΔP упругая мембрана прогнется. Таким образом, следя за смещением мембраны, можно получить значение вращательного ускорения Тогда угол α′, на который повернулся в пространстве измерительный виток под воздействием вращательного ускорения за время t, вычисляется по формуле
Мы должны иметь возможность измерять вращательные ускорения, происходящие вокруг любого произвольного направления /вокруг любой произвольной оси/, поэтому в жидкостном инерционном датчике вращательных ускорений необходимо использовать три таких измерительных витка. Причем каждый из этих измерительных витков будет иметь свою отдельную емкость и свою отдельную упругую мембрану, т.е. измерительные витки будут работать независимо друг от друга. Располагаться они будут в трех взаимно ортогональных плоскостях /см. фиг. 46/.
Under the action of a pressure drop ΔP, the elastic membrane bends. Thus, by monitoring the displacement of the membrane, we can obtain the value of rotational acceleration Then the angle α ′, which turned the measuring coil in space under the influence of rotational acceleration over time t, is calculated by the formula
We must be able to measure rotational accelerations occurring around any arbitrary direction / around any arbitrary axis /, therefore it is necessary to use three such measuring coils in a liquid inertial rotational acceleration sensor. Moreover, each of these measuring coils will have its own separate capacitance and its own separate elastic membrane, i.e. measuring coils will work independently of each other. They will be located in three mutually orthogonal planes / cm. FIG. 46 /.
Из формулы 42 видно, что для повышения чувствительности прибора необходимо взять жидкость с возможно большей удельной плотностью ρ /например, ртуть/ и увеличить длину трубки Т /см. фиг. 45/. Длину измерительной трубки можно увеличить в несколько раз, но чтобы при этом весь прибор остался компактным, трубку придется свернуть особым - "спиралеобразным" образом. При этом необходимо тщательно следить за тем, чтобы случайно не образовались дополнительные /незапланированные/ петли, лежащие во взаимно ортогональных плоскостях. Это особенно важно, если общее число измерительных витков в "спирале" невелико. А если мы свернем трубку неправильно, то прибор будет давать неправильные показания. На фиг. 47 изображено как можно свернуть измерительную трубку. Фиг. 48 дает вид фиг. 47 слева. На фиг. 49 показана аксонометрическая проекция фиг. 47. Еще один возможный вариант сворачивания "спирали" представлен фиг. 50 - 52. Как видно здесь, на измерительной трубке образовались два бугорка. Наличие таких бугорков не оказывает влияния на правильность функционирование прибора, несмотря на то, что они не лежат в одной плоскости с основными измерительными витками. Дело в том, что воздействие двух таких бугорков на жидкость, заполняющую измерительную трубку, взаимно компенсируются. Возможно свернуть измерительную трубку в многовитковую спираль - соленоид, намотав ее на катушку в несколько слоев /подобно тому, как наматывают медную проволоку при изготовлении электромагнита/ см. фиг. 53. Эта последняя конструкция в виде катушки - солиноида обладает наибольшей чувствительностью, а появление нескольких дополнительных витков во взаимно ортогональных плоскостях уже не страшно, т.к. их влиянием на точность прибора можно пренебречь. Конечно, после сворачивания измерительной трубки в соленоид или в "спираль" формула 42 уже не будет выполняться абсолютно точно, но это тоже не страшно, ведь прибор в любом случае придется градуировать эмпирически. From
Предлагаемый здесь жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений реагирует только на вращательные ускорения /на изменение угловой ориентации тела в пространстве/ и полностью игнорирует прямолинейные ускорения тела /ускорения, возникающие при поступательном движении тела/. The liquid inertial accelerated rotation sensor proposed here responds only to rotational accelerations / to a change in the angular orientation of the body in space / and completely ignores the linear accelerations of the body / accelerations arising from the translational movement of the body /.
Жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений предназначен измерять значительные вращательные ускорения, этим самым он компенсирует недостатки жидкостного датчика - отвеса /см. выше/, который не может работать в неинерциальных системах отсчета. The liquid inertial accelerated rotation sensor is designed to measure significant rotational accelerations, thereby it compensates for the disadvantages of the liquid sensor - plumb / cm. above /, which cannot work in non-inertial reference systems.
Смещение мембраны в жидкостном инерционном датчике ускоренных вращений можно определить, воспользовавшись изменением электрической емкости, т.е. мембрана должна будет выполнять роль одной из обкладок конденсатора переменной емкости. Это демонстрируется фиг. 54, где изображены два конденсатора переменной емкости C1 и C2, соединенных между собой последовательно. Причем изменение емкостей этих конденсаторов взаимно противоположно, т.е., если емкость одного конденсатора увеличивается, то емкость другого в это время обязательно уменьшается, и наоборот. От конденсатора С2 идут выводы, к которым подключается измерительный прибор, здесь по сути дела получился емкостный делитель напряжения. На конденсаторы подается эталонное синусоидальное напряжение Uоп, имеющее фиксированную частоту и амплитуду.The displacement of the membrane in the liquid inertial accelerated rotation sensor can be determined using the change in electric capacitance, i.e. the membrane will have to play the role of one of the plates of a capacitor of variable capacity. This is illustrated in FIG. 54, which shows two capacitors of variable capacitance C 1 and C 2 connected in series with each other. Moreover, the change in capacitance of these capacitors is mutually opposite, i.e., if the capacitance of one capacitor increases, then the capacitance of the other at this time necessarily decreases, and vice versa. From the capacitor C 2 there are conclusions to which the measuring device is connected, here, in fact, a capacitive voltage divider is obtained. The capacitors are supplied with a reference sinusoidal voltage U op having a fixed frequency and amplitude.
В зависимости от того, какая жидкость используется в жидкостном датчике: диэлектрик /керосин/ или проводник электрического тока /ртуть/, возможны следующие конструкции датчика:
Фиг. 55.. В качестве жидкости, заполняющей датчик, используем диэлектрик /керосин/. Тогда применяется только одна мембрана: M, она выполняет роль обкладки электрического конденсатора. Другие две обкладки: K1 и K2 размещены непосредственно внутри камер V1 и V2, заполненных керосином. От мембраны и от двух других обкладок сделаны соответствующие электрические выводы.Depending on which liquid is used in the liquid sensor: dielectric / kerosene / or electric current conductor / mercury /, the following sensor designs are possible:
FIG. 55 .. As a fluid filling the sensor, we use a dielectric / kerosene /. Then only one membrane is used: M, it acts as a lining of an electric capacitor. The other two covers: K 1 and K 2 are located directly inside the chambers V 1 and V 2 filled with kerosene. Corresponding electrical conclusions are made from the membrane and from two other plates.
Если в качестве жидкости, заполняющей инерционный датчик ускоренных вращений, используется проводник электрического тока, например, ртуть, то надо воспользоваться иной конструкцией датчика /см. фиг. 56/. Здесь применены уже две упругие металлические мембраны: M1 и M2. Между ними установлена металлическая распорка P, упирающаяся в мембраны выпуклыми /скругленными/ поверхностями. Вершины /центральные точки/ скругленных поверхностей металлической распорки припаяны к соответствующим мембранам. Таким образом, проводящая жидкость /ртуть/, мембраны M1, M2 и распорка P представляют из себя один сплошной проводник. Распорка является конденсаторной обкладкой. Напряжение с нее снимается с помощью вывода K3, который одним своим концом погружен в ртуть. Две другие конденсаторные обкладки K1 и K2 выполнены в виде шайб, насаженных своими центральными отверстиями на внешние поверхности камер V1 и V2, изготовленных из диэлектрика. /Здесь необходимо заметить, что отношение суммарной массы мембран M1, M2 и распорки P к объему воображаемого цилиндра Vц, основаниями которого являются мембраны /см. фиг. 57/, должно равняться плотности жидкости, используемой в датчике,
Иначе датчик ускоренных вращений окажется чувствительным к поступательным ускорениям, что крайне нежелательно./
Основным достоинством жидкостного инерционного датчика вращений является его простота по сравнению с другими устройствами, выполняющими аналогичную роль. Например, по сравнению с лазерными интерференционными гироскопами, изготовленными с использованием оптических волокон. Однако жидкостной инерционный датчик вращений имеет один достаточно серьезный недостаток: в нем используется упругий элемент - мембрана, которая может послужить источником т.н. возвращающей силы. Как следствие, в датчике возможно появление колебаний и, конечно, резонанса при определенной частоте. Надо сказать, что по своей сути жидкостной инерционный датчик вращательных ускорений представляет из себя модифицированный пружинный датчик - акселерометр, см. фиг. N 44. В данном случае в жидкостном инерционном датчике ускоренных вращений роль инерционной массы играет жидкость, а роль пружины - упругая мембрана. Так что вполне естественно, что жидкостному инерционному датчику ускоренных вращений, как и всякому датчику ускорений с инерционной массой присущ этот недостаток: опасность возникновения резонанса. Однако в технике сплошь и рядом применяются датчики-акселерометры, главным образом в навигационных системах кораблей, самолетов, баллистических ракетах. И это несмотря на опасность появления резонанса. Надеюсь, что и жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений найдет свое применение в технике, несмотря на опасность проявления резонанса, тем более, что существуют способы, позволяющие существенно ослабить влияние резонанса на точность измерений:
Во - первых, сама жидкость, заключенная в трубке, может выполнить роль демпферирующего элемента и погасить резонансные колебания. Дело в том, что при колебаниях жидкость должна будет поочередно перетекать в небольших количествах по трубке Т то в одну камеру V1, то в другую V2. /см. фиг. N 45/, при этом жидкость будет тереться о стенки трубки Т, гася возникшие колебания.If an electric current conductor, for example, mercury, is used as the liquid filling the inertial accelerated rotation sensor, then a different sensor design / cm should be used. FIG. 56 /. Two elastic metal membranes have already been applied here: M 1 and M 2 . A metal spacer P is installed between them, abutting the membranes with convex / rounded / surfaces. The vertices / center points / rounded surfaces of the metal spacer are soldered to the corresponding membranes. Thus, the conductive liquid / mercury /, the membranes M 1 , M 2 and the spacer P are one solid conductor. The spacer is a capacitor plate. The voltage is removed from it with the help of terminal K 3 , which at one end is immersed in mercury. Two other capacitor plates K 1 and K 2 are made in the form of washers, mounted with their central holes on the outer surfaces of the chambers V 1 and V 2 made of a dielectric. / It is necessary to note here that the ratio of the total mass of the membranes M 1 , M 2 and the spacer P to the volume of an imaginary cylinder V c , the bases of which are membranes / cm. FIG. 57 /, should be equal to the density of the liquid used in the sensor,
Otherwise, the accelerated rotation sensor will be sensitive to translational accelerations, which is extremely undesirable. /
The main advantage of a liquid inertial rotation sensor is its simplicity in comparison with other devices performing a similar role. For example, compared with laser interference gyroscopes made using optical fibers. However, the liquid inertial rotation sensor has one rather serious drawback: it uses an elastic element - a membrane, which can serve as a source of the so-called. restoring power. As a result, oscillations and, of course, resonance at a certain frequency are possible in the sensor. I must say that, in essence, the liquid inertial sensor of rotational accelerations is a modified spring sensor - accelerometer, see Fig.
Firstly, the liquid itself, enclosed in a tube, can play the role of a damping element and damp out resonant vibrations. The fact is that during fluctuations, the liquid will have to alternate in small quantities alternately flowing through the T-tube into one chamber V 1 , then into another V 2 . /cm. FIG.
Во - вторых, можно разработать активные способы борьбы с резонансными колебаниями. Для этого необходимо перенести путем соответствующего изначального подбора основных характеристик датчика /подбором упругости мембраны, подбором длины и сечения измерительной трубки/ резонансную частоту датчика в область высоких частот, т.е. в такую область, которая абсолютно не характерна для тела, изменения угловой ориентации которого мы измеряем. /Например, частота вращений /колебаний/ корпуса антропоморфного шагающего робота скорее всего будет меньше 5 Гц. В этом случае мы должны перевести частоту собственных колебаний жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений в область порядка 10 Гц./ Далее в электрические цепи, предназначенные для снятия показаний с жидкостного инерционного датчика, необходимо будет ввести полосно - подавляющий фильтр, а в цепь обратной отрицательной связи - узкополосный фильтр. Причем резонансная частота этих фильтров должна совпадать с частотой резонанса жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений. Secondly, it is possible to develop active methods of dealing with resonant oscillations. For this, it is necessary to transfer, by appropriate initial selection of the main characteristics of the sensor / selection of the membrane elasticity, selection of the length and cross section of the measuring tube / resonant frequency of the sensor to the high-frequency region, i.e. in a region that is absolutely not characteristic of a body whose changes in the angular orientation we measure. / For example, the rotation / vibration / body frequency of an anthropomorphic walking robot is likely to be less than 5 Hz. In this case, we must translate the natural vibration frequency of the liquid inertial accelerated rotation sensor to a region of the order of 10 Hz. / Next, in the electrical circuits intended for taking readings from the liquid inertial sensor, it will be necessary to introduce a band-suppression filter, and in the negative feedback circuit - narrow band filter. Moreover, the resonant frequency of these filters must coincide with the resonance frequency of the liquid inertial accelerated rotation sensor.
Применение в электронных цепях таких фильтров позволит выделить интересующую нас низкочастотную составляющую вращений тела /корпуса робота/, даже в том случае, если резонанс в датчике все же наступит. Фиг. 58 и 59 поясняют это. The use of such filters in electronic circuits will allow us to highlight the low-frequency component of the rotations of the body / body of the robot / that we are interested in, even if the resonance in the sensor does occur. FIG. 58 and 59 explain this.
На фиг. 58 изображен график колебаний электрического напряжения, снимаемого с датчика, до фильтров. А фиг. 59 показывает, что через фильтры прошла только низкочастотная составляющая напряжения. In FIG. 58 is a graph of fluctuations in electrical voltage taken from a sensor to filters. And FIG. 59 shows that only the low-frequency component of the voltage passed through the filters.
Электрические цепи, с помощью которых можно снимать показания с жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений, могут иметь такую структуру: /см. фиг. 60/. Electric circuits with which you can take readings from a liquid inertial accelerated rotation sensor can have the following structure: / cm. FIG. 60 /.
На фиг. 60 имеются следующие элементы: конденсаторы С1 и C2 изображают собой мембрану и обкладки K1 и K2 датчика ускоренных вращений. Эти конденсаторы подключены к генератору переменного напряжения Uоп, фиксированной частоты и амплитуды. Напряжение, снимаемое с мембраны датчика /на схеме мембрана помечена буквой "М"/, подается на полосно - подавляющий фильтр 1. Далее сигнал усиливается усилителем 2, у которого в цепи обратной отрицательной связи встроен узкополосный фильтр 3. Применение фильтров устраняет высокочастотную составляющую, соответствующую резонансным колебаниям датчика. Далее используется диодный мост 4, выпрямляющий напряжение. За ним стоит фильтр L-C3, сглаживающий колебания несущей частоты, возникшие в цепях от генератора переменного напряжения Uоп. На вход устройства выборки - хранения 5 поступает только низкочастотная составляющая, характеризующая изменение угловой ориентации тела /корпуса робота/. Затем идет аналого-цифровой преобразователь 6, вслед за которым стоит программируемое постоянное запоминающее устройство 7, на выходе которого получается двоичный код. /ППЗУ 7 необходимо для настройки датчика. / В предложенной схеме используются две независимые земли" 31 и З2.In FIG. 60 there are the following elements: capacitors C 1 and C 2 represent a membrane and plates K 1 and K 2 of the accelerated rotation sensor. These capacitors are connected to an alternating voltage generator U op , a fixed frequency and amplitude. The voltage removed from the sensor membrane (in the diagram the membrane is marked with the letter "M") is applied to a band-
Существует еще одна возможность существенно ослабить угрозу возникновения резонансных колебаний в датчике. Для этого необходимо превратить распорку Р /см. фиг. 56/ в "Прибор Фрама для уменьшения вибраций", смотри книгу: Н. В. Розе "Динамика твердого тела" Ленинград 1932 г. стр. 285 - 289. Однако здесь эту возможность я рассматривать не буду, т.к. полагаю, что достаточно уже рассмотренных способов гашения колебаний. There is another opportunity to significantly reduce the risk of resonant oscillations in the sensor. To do this, turn the spacer R / cm. FIG. 56 / in “The Fram device for reducing vibrations”, see the book: N.V. Roze “Dynamics of a rigid body” Leningrad 1932, pp. 285 - 289. However, I will not consider this possibility here, because I believe that the methods already considered for damping oscillations are sufficient.
Как видно из фиг. 60, мы получаем на выходах ППЗУ значение вращательного ускорения а нам для дальнейших применений понадобится значение угла α′, на который произошел поворот корпуса робота за время t под воздействием вращательного ускорения см. формулу (43). Поэтому рассмотрим метод численного интегрирования значений вращательных ускорений. Интегрирование будем производить с помощью цифровой /двоичной/ электроники.As can be seen from FIG. 60, we get the rotational acceleration value at the outputs of the ROM and for further applications, we need the value of the angle α ′, by which the robot body rotated in time t under the influence of rotational acceleration see formula (43). Therefore, we consider the method of numerical integration of rotational acceleration values. We will integrate using digital / binary / electronics.
Предполагается, что в первые секунды после включения электропитания корпус робота неподвижен или малоподвижен. Это дает нам возможность получить начальные условия для "задачи определения угловой ориентации корпуса робота", т.е. мы можем определить начальное направление "вниз". За те первые секунды, пока робот остается неподвижным, электроника жидкостных датчиков ориентации успеет выдать показания тысячи раз. Часть из этих показаний надо будет запомнить - они нужны для вычислений. It is assumed that in the first seconds after turning on the power, the robot body is stationary or inactive. This gives us the opportunity to get the initial conditions for the "task of determining the angular orientation of the robot body", i.e. we can define the initial downward direction. In those first seconds, while the robot remains stationary, the electronics of the liquid orientation sensors have time to give readings thousands of times. Some of these indications will need to be remembered - they are needed for calculations.
Изменение угловой ориентации корпуса робота "с точки зрения электроники" происходит медленно, т.е. электроника работает гораздо быстрее, чем происходят повороты корпуса робота в пространстве. Производим выборку значений вращательных ускорений через равные промежутки времени Δt.
Вначале найдем скорость поворота корпуса робота, которая получается в результате вращательных ускорений
Используем аппроксимацию: заменим интегрирование суммированием площадей трапеций, заключенных под графиком функции /см. фиг. 61/. Здесь надо особо подчеркнуть один принципиальный момент: из графика, изображенного на фиг. 61, видно, что в первые мгновения значения функции равны нулю. Это крайне необходимое условие, а вовсе не случайность! Только при соблюдении этого обстоятельства можно выполнить интегрирование.The change in the angular orientation of the robot casing "from an electronic point of view" is slow, i.e. Electronics works much faster than rotations of the robot body in space. We select the values of rotational accelerations at regular intervals Δt.
First, we find the rotation speed of the robot body, which is obtained as a result of rotational accelerations
We use the approximation: we replace the integration by summing the areas of the trapezoids enclosed under the graph of the function / cm. FIG. 61 /. One fundamental point should be emphasized here: from the graph depicted in FIG. 61, it can be seen that in the first instants of the function equal to zero. This is an essential condition, and not an accident at all! Only under this circumstance can integration be performed.
Тогда скорость вращения корпуса робота, полученная под воздействием вращательных ускорений за конечное время ti, выражается формулой
-
площадь элементарной трапеции, заключенной под графиком функции Это есть приращение угловой скорости вращения за "бесконечно малое" время Δt, прошедшее между моментами времени tn-1 и tn.Then the rotation speed of the robot body, obtained under the influence of rotational accelerations for a finite time t i , is expressed by the formula
-
area of the elementary trapezoid enclosed under the function graph This is the increment of the angular velocity of rotation for the "infinitesimal" time Δt elapsed between the times t n-1 and t n .
Тогда формула (6) перепишется так:
Полная скорость вращения корпуса робота получается с учетом начальных условий
где начальная малая скорость, полученная из показаний датчика - отвеса. /Напомню, что датчиком - отвесом можно пользоваться, когда робот малоподвижен, например, сразу после включения электропитания./ В общем случае α0, хотя и малая, но все-таки отличная от нуля величина, поэтому ее надо учитывать. Вычисляется она как разность угла α0, измеренного в момент времени to, и угла α-1, измеренного в момент - t-1 и запомненного электроникой.Then formula (6) can be rewritten as follows:
The full speed of rotation of the robot body is obtained taking into account the initial conditions
Where initial low speed obtained from the readings of the sensor - plumb. / I remind you that the plumb sensor can be used when the robot is inactive, for example, immediately after turning on the power. / In the general case, α 0 , although small, but still non-zero, so it must be taken into account. It is calculated as the difference between the angle α 0 measured at time t o and the angle α -1 measured at time t -1 and stored by the electronics.
Полный поворот корпуса робота, произошедший за время ti, определяется формулой
где первый член описывает поворот, полученный роботом, под воздействием вращательных ускорений за промежуток времени, прошедший между моментами to и ti.A complete rotation of the robot body that occurred during time t i is determined by the formula
where the first term describes the rotation obtained by the robot under the influence of rotational accelerations for the period of time elapsed between the moments t o and t i .
Второй член описывает угол, на который поворачивается корпус робота под воздействием малой начальной скорости Третий член - это начальный угол α0, т. е. угол, на который был повернут корпус робота в момент времени to, его значение получено от датчика - отвеса.The second term describes the angle at which the robot body rotates under the influence of a low initial velocity The third term is the initial angle α 0 , that is, the angle by which the robot body was rotated at time t o , its value is obtained from the plumb sensor.
Используем аналогичный прием: заменяем интегрирование суммированием по площадям /см. фиг. 62/. Тогда формула (50) будет записана так:
Перепишем это в более наглядной форме:
Из формулы (52) видно, что полный угол, на который повернулся в пространстве корпус робота под воздействием произвольных ускорений, можно найти, если представить его так:
где
Эти две последнии формулы (53) и (54) более удобны по сравнению с формулой (52), т. к., основываясь на них, легче организовать "бесконечный вычислительный цикл" /см. фиг. 63 и 64/. К формулам (53) и (54) необходимо еще добавить начальные условия:
начальную скорость
и начальное ускорение
а также добавим еще одну формулу, которая получается из формулы (48),
Комментарии:
В соответствии с формулой (53) угол на который повернулся в пространстве корпус робота к моменту времени ti, вычисляется как сумма двух слагаемых:
Первое слагаемое: это значение угла, на который был повернут корпус робота к моменту ti-1. К моменту ti угол должен быть вычислен и запомнен электроникой.We use a similar technique: we replace integration by summing over areas / cm. FIG. 62 /. Then formula (50) will be written as follows:
We rewrite this in a more visual form:
From formula (52) it can be seen that the full angle at which the robot body rotated in space under the influence of arbitrary accelerations can be found if it is represented as follows:
Where
These last two formulas (53) and (54) are more convenient in comparison with formula (52), since, based on them, it is easier to organize an “infinite computational cycle” / cm. FIG. 63 and 64 /. To formulas (53) and (54), it is necessary to add the initial conditions:
initial speed
and initial acceleration
and also add another formula, which is obtained from formula (48),
Comments:
According to formula (53), the angle on which the robot body turned in space at time t i , is calculated as the sum of two terms:
The first term: this is the value of the angle by which the robot casing was rotated by the time t i-1 . To the moment t i the angle must be calculated and memorized by electronics.
Второе слагаемое: это причащение угла поворота корпуса робота, возникшее за время Δt, прошедшее между моментами ti-1 и ti. Значение вычисляется электроникой робота с учетом формул (55), (56) и (57), на основе показаний датчика - отвеса.The second term: this is the communion of the angle of rotation of the robot body that arose during the time Δt elapsed between the moments t i-1 and t i . Value calculated by the robot electronics, taking into account formulas (55), (56) and (57), based on the readings of the sensor - plumb.
Объясню как работает алгоритм, изображенный на фиг. 63 и 64. I will explain how the algorithm depicted in FIG. 63 and 64.
Сразу после включения электропитания робота начинается вычислительный процесс, заданный указанным алгоритмом. Immediately after turning on the power to the robot, the computational process specified by the specified algorithm begins.
В блоке 2 происходит присвоение начальных значений некоторым параметрам. Целочисленный параметр J необходим для организации разветвлений в "бесконечном цикле", в зависимости от проверки выполнения условия. /Блок 2 играет еще одну очень важную роль, которая не отображена полностью в этом алгоритме. Дело в том, что выполнение "бесконечного цикла" время от времени будет прерываться, а вычислительный процесс будет возвращен к блоку 2. Причины возникновения таких прерываний будут объяснены позже, в разделе, где обсуждается вопрос доминирования датчика одного типа над датчиком другого типа, т. е. в зависимости от динамики изменения угловой ориентации корпуса робота./
Ввод текущих показаний от жидкостного датчика - отвеса и от жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений на представленном алгоритме изображен блоком 3.In
Entering current readings from a liquid sensor - plumb line and from a liquid inertial accelerated rotation sensor on the presented algorithm is shown in
Блок 4 обеспечивает тот самый режим прерывания, о котором было сказано выше.
Блок 5 - проверка выполнения условия, если J = 0, то переходим к блоку 6. Block 5 - verification of the condition, if J = 0, then go to
В блоке 6 производим некоторые присвоения. Параметру J присваивается значение единица. Углу на который повернут корпус робота, присваивается текущее значение угла αi, измеренное датчиком - отвесом. А также в блоке 6 происходит присвоение переменной текущего значения угла αi, это - "задел на будущее" - в следующем периоде выполнения цикла нынешнее значение αi будет уже считаться предыдущим.In
Блок 7 обозначает вывод значения полного угла на который повернулся корпус робота. После этого мы вновь возвращаемся к блоку 3, это показано стрелкой. Теперь начинается новый период цикла.
Опять в блоке 3 происходит ввод текущих значений, выдаваемых датчиком - отвесом и инерционным датчиком ускоренных вращений. После этого мы спускаемся к блоку 5, если нам удалось пройти блок 4. Теперь значение параметра J = 1, поэтому мы направляемся к блоку 8, где происходит проверка условия. Again, in
После этого мы попадаем в блок 9, где на основе предыдущего и нынешнего показания датчика - отвеса происходит вычисление начальной угловой скорости поворота корпуса робота. After that, we get to block 9, where, based on the previous and current readings of the plumb sensor, the initial angular velocity of rotation of the robot body is calculated.
В блоке 10 производятся присвоения. Параметру J присваивается значение "двойка", это необходимо нам для того, чтобы в следующий период можно было перейти на другую ветвь алгоритма. Полный угол на который повернулся в пространстве корпус робота, получается присвоением текущего значения угла αi, измеренного датчиком - отвесом. Переменная получает значение /Как уже ранее указывалось это приращение угла поворота корпуса робота, возникшее за промежуток времени Δt. /. Все остальные присвоения, осуществленные в блоке 10, необходимы, чтобы обеспечить работу алгоритма в следующем периоде, т.е. "нынешние значения становятся предыдущими" и запоминаются - записываются в соответствующие ячейки памяти. Так нынешняя скорость для следующего периода цикла становится предыдущей нынешний угол αi станет предыдущим
Далее переходим к блоку 11, который символизирует собой вывод информации: полного угла на который повернут корпус робота, и приращения угла поворота корпуса робота После чего, мы вновь возвращаемся к блоку 3.In
Next, go to block 11, which symbolizes the output of information: full angle on which the robot body is rotated, and increments of the angle of rotation of the robot body After which, we again return to block 3.
Теперь, по прошествии первых двух периодов цикла, корпус робота может подвергаться сильным произвольным вращательным ускорениям. Мы эти ускорения измеряем жидкостным инерционным датчиком ускоренных вращений /блок 3/. Ранее параметру в блоке 10 было присвоено значение 2, поэтому теперь после нескольких проверок на выполнение условий /блоки 4, 5, 8/ попадаем в блок 12, где осуществляется двойное интегрирование по времени. Этим самым мы получаем полный угол на который повернут корпус робота к моменту ti /блок 14/. В блоке 15 делаются необходимые присвоения для следующего периода цикла.Now, after the first two periods of the cycle, the robot body can undergo strong arbitrary rotational accelerations. We measure these accelerations with a liquid inertial accelerated rotation sensor /
Блок 16 символизирует вывод информации, после чего мы вновь возвращаемся к блоку 3, и цикл становится "бесконечным".
Теперь основная роль в определении угловой ориентации корпуса робота перешла целиком к жидкостному инерционному датчику ускоренных вращений. Эта роль будет принадлежать ему до тех пор, пока угловая ориентация корпуса робота не станет изменяться равномерно в течение длительного времени /при этих условиях произойдет прерывание, изображаемое на алгоритме блоком 4, параметру J будет в блоке 2 присвоено значение ноль и т.д./. Now the main role in determining the angular orientation of the robot body has passed entirely to the liquid inertial accelerated rotation sensor. This role will belong to him until the angular orientation of the robot body begins to change uniformly for a long time / under these conditions there will be an interruption depicted on the algorithm by
Для нахождения полных углов β′ и γ′ можно представить аналогичные по своей структуре алгоритмы и формулы, аналогичные формулам (53), (54), (55), (56), (57). To find the total angles β ′ and γ ′, one can imagine algorithms and formulas similar in structure, similar to formulas (53), (54), (55), (56), (57).
Итак мы имеем в своем распоряжении три угла α′, β′, γ′, которые получены с учетом показаний датчиков двух типов, как датчика - отвеса, так и жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений. So, we have at our disposal three angles α ′, β ′, γ ′, which are obtained taking into account the readings of two types of sensors, both a plumb sensor and a liquid inertial accelerated rotation sensor.
По изменению значений этих трех углов α′, β′, γ′ мы теперь можем определить изменение угловой ориентаций корпуса робота. Для этого введем правую систему координат XYZ, жестко связав ее с корпусом антропоморфного шагающего робота. By changing the values of these three angles α ′, β ′, γ ′, we can now determine the change in the angular orientations of the robot body. To do this, we introduce the right coordinate system XYZ, rigidly connecting it with the body of an anthropomorphic walking robot.
Здесь для наших теоретических построений необходимо воспользоваться теоремой Эйлера, которая утверждает:
"Если относительно некоторой системы отсчета S твердое тело имеет одну неподвижную точку, то перемещение твердого тела из любого положения в любое другое положение может быть совершено одним поворотом на определенный угол вокруг определенной оси, проходящей через неподвижную точку тела."
/Смотри книгу: И. И. Ольховский "Курс теоретической механики для физиков". М., 1970 г., стр. 148./
Пусть в течение достаточно длительного отрезка времени корпус робота, а вместе с ним и система координат XYZ, не изменял в пространстве своей угловой ориентации /такая ситуация, как я уже указывал, возникает в первые моменты сразу после включения электропитания антропоморфного шагающего робота. Робот еще неподвижен, а датчики угловой ориентации уже выдают свои показания./
Затем робот /совместно с системой координат XYZ. /начинает совершать в пространстве свои произвольные движения, изменяя при этом непредсказуемым образом свою угловую ориентацию.Here, for our theoretical constructions, it is necessary to use the Euler theorem, which states:
“If, with respect to some reference frame S, a rigid body has one fixed point, then the movement of the solid from any position to any other position can be accomplished by one rotation at a certain angle around a certain axis passing through the fixed point of the body.”
/ See book: I. I. Olkhovsky "Course in Theoretical Mechanics for Physicists". M., 1970, p. 148./
Suppose that for a sufficiently long period of time, the robot body, and with it the coordinate system XYZ, did not change its angular orientation in space / such a situation, as I have already indicated, arises in the first moments immediately after turning on the power of the anthropomorphic walking robot. The robot is still motionless, and the angular orientation sensors are already giving out their readings. /
Then the robot / together with the coordinate system XYZ. / begins to make its arbitrary movements in space, changing its angular orientation in an unpredictable way.
В момент времени ti система координат XYZ имела наклон θi, φi. Пометим систему координат XYZ, наблюдаемую в момент времени ti индексом "i", так мы получим: Xi, Yi, Zi. Спустя один период Δt опроса датчиков в момент времени tk= ti + Δt датчики ориентации выдали показания: т. е. система координат XYZ совершила поворот в пространстве, перейдя в состояние, которое можно пометить индексом "k": Xk, Yk, Zk.At time t i , the coordinate system XYZ had a slope θ i , φ i . We mark the coordinate system XYZ observed at time t i with the index "i", so we get: X i , Y i , Z i . After one period Δt of polling sensors at time t k = t i + Δt, the orientation sensors gave readings: that is, the coordinate system XYZ made a rotation in space, passing into a state that can be marked with the index "k": X k , Y k , Z k .
Период опроса датчиков Δt "с точки зрения" механики в нашем случае можно считать "бесконечно малым" отрезком времени, т.е. изменение угловой ориентации корпуса робота происходит медленно по сравнению со скоростью работы электроники. Поэтому за "бесконечно малое" время Δt /за период опроса датчиков ориентации/ корпус робота успеет изменить /свою ориентацию только на "бесконечно малые" величины: /это "бесконечно малые величины с точки зрения механики", но отнюдь не "с точки зрения" электроники/.In our case, the period of polling sensors Δt “from the point of view” of mechanics can be considered an “infinitesimal” time interval, i.e. the change in the angular orientation of the robot casing is slow compared to the speed of the electronics. Therefore, for the "infinitesimal" time Δt / for the period of the survey of orientation sensors / the robot body will have time to change / its orientation only by "infinitesimal" values: / these are "infinitesimal values from the point of view of mechanics", but by no means "from the point of view" of electronics /.
Как известно, бесконечно малые повороты коммутируют, поэтому они могут быть отождествлены с вектором, смотри книгу: И. И. Ольховский "Курс теоретической механики для физиков". М., 1970 г., стр. 151, где сказано примерно следующее: бесконечно малый поворот можно задать вектором, модуль этого вектора равен углу поворота, а прямая, на которой расположен вектор является мгновенной осью вращения. As you know, infinitesimal rotations commute, therefore they can be identified with a vector, see the book: I. I. Olkhovsky, “A Course in Theoretical Mechanics for Physicists”. Moscow, 1970, p. 151, where it says something like this: an infinitesimal rotation can be specified by a vector, the modulus of this vector is equal to the angle of rotation, and the straight line on which the vector is located is the instantaneous axis of rotation.
В нашем случае вектор характеризующий бесконечно малое изменение ориентации корпуса робота, произошедшее за время Δt, будет иметь в системе координат Xi, Yi, Zi компоненты: и длину /модуль/:
Теперь рассмотрим очень важный принципиальный момент, играющий фундаментальное значение в теории изготовления механизма подвеса - устройства, с помощью которого мы будем управлять ходьбой антропоморфного шагающего робота.In our case, the vector characterizing the infinitesimal change in the orientation of the robot body that occurred during the time Δt will have the following components in the coordinate system X i , Y i , Z i : and length / module /:
Now consider a very important point of principle that plays a fundamental role in the theory of manufacturing the suspension mechanism - a device with which we will control the walking of an anthropomorphic walking robot.
Мы имеем полное право разложить произвольный бесконечно малый поворот корпуса робота, совершаемый в пространстве вокруг мгновенной оси, иным /эквивалентным/ образом, а именно: как наклон корпуса робота, происходящий относительно вектора отвесной линии, и как поворот вокруг вектора отвесной линии, осуществляемый корпусом робота одновременно с наклоном.We have every right to decompose an arbitrary infinitesimal turn the robot body, made in space around the instantaneous axis, in a different / equivalent / way, namely: as the inclination of the robot body relative to the vector of the vertical line, and as the rotation around the vector of the vertical line, carried out by the robot body simultaneously with the inclination.
Таким образом любое произвольное изменение ориентации корпуса робота описывается тремя независимыми параметрами. Наклон корпуса робота относительно вектора отвесной линии определяется двумя бесконечно малыми углами
Поворот корпуса робота вокруг вектора отвесной линии определяется еще одним бесконечно малым углом dξ′, который вычисляется как скалярное произведение двух векторов: вектора отвесной линии - вектора единичной длины, с направлением, взятым момент ti, вектора По сути мы здесь находим проекцию вектора на единичный вектор отвесной линии /см. фиг. 65/.Thus, any arbitrary change in the orientation of the robot body is described by three independent parameters. The inclination of the robot body relative to the vertical line vector is determined by two infinitely small angles
The rotation of the robot body around the vertical line vector is determined by another infinitesimal angle dξ ′, which is calculated as the scalar product of two vectors: vertical line vector - unit length vector, with the direction taken moment t i , of the vector In fact, we find here the projection of the vector per unit vector of a vertical line / cm. FIG. 65 /.
Единичный вектор отвесной линии имеет в момент времени ti в системе координат Zi,Yi,Zi компоненты /см. фиг. 4/:
Таким образом угол dξ′ вычисляется по формуле
От дистанционного антропоморфного шагающего робота мы будем передавать по каналам связи на устройство управления три угла: /см. фиг. 66/.The unit vector of the vertical line has at the time t i in the coordinate system Z i , Y i , Z i components / cm. FIG. 4/:
Thus, the angle dξ ′ is calculated by the formula
From a remote anthropomorphic walking robot, we will transmit three angles via communication channels to the control device: /cm. FIG. 66 /.
На блок - схеме, показанной на фиг. 66, соответствующими блоками изображены: жидкостной датчик - отвес и жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений. /Об устройстве этих датчиков было рассказано выше./
Данные от датчиков поступают в блок вычислений и в блок управления.In the block diagram shown in FIG. 66, the corresponding blocks depict: a liquid sensor - a plumb line and a liquid inertial sensor of accelerated rotation. / The device of these sensors was described above. /
Data from the sensors enter the computing unit and the control unit.
Блок вычислений: его назначение состоит в том, чтобы на основе данных, поступающих от жидкостных датчиков, вычислить полные углы: α′, β′, γ′ и угол dξ′. Работа блока вычислений основана на алгоритме, представленном фиг. 63 и 64. Computation block: its purpose is to calculate the total angles: α ′, β ′, γ ′ and the angle dξ ′ based on the data from the liquid sensors. The operation of the computing unit is based on the algorithm shown in FIG. 63 and 64.
Кроме того, в блоке вычислений для расчета угла dξ′ используются значения углов θ′ и φ′ /см. формулу (63)/, полученных в предыдущий период. /Это на схеме показано стрелками, идущими от ПЗУ к блоку вычислений./
Блок управления, исходя из показаний жидкостных датчиков и из динамики изменения этих показаний, задает различные режимы работы блока вычислений. /На схеме, изображенной фиг. 66, "руководящее" воздействие блока управления на блок вычислений обозначено толстой стрелкой./
Постоянное запоминающее устройство /ПЗУ/ преобразует углы: α′, β′, γ′ в углы θ′ и φ′. /Об этом ранее уже говорилось, см. фиг. 14 и комментарии к ней./
Рассмотрим принципы работы блока управления.In addition, in the calculation block, the angles θ ′ and φ ′ / cm are used to calculate the angle dξ ′. formula (63) / obtained in the previous period. / This is shown in the diagram by arrows going from the ROM to the computation unit. /
The control unit, based on the readings of liquid sensors and from the dynamics of changes in these readings, sets various modes of operation of the calculation unit. / In the circuit of FIG. 66, the “steering” action of the control unit on the calculation unit is indicated by a thick arrow. /
The read-only memory / ROM / converts the angles: α ′, β ′, γ ′ into the angles θ ′ and φ ′. / This has already been mentioned, see fig. 14 and comments on it. /
Consider the principles of operation of the control unit.
Работа блока управления основана на следующем: исходя из данных, поступающих в блок управления от жидкостных датчиков, и на основе динамики изменения этих данных, необходимо определить режим изменения угловой ориентации корпуса робота и в соответствии с определенным режимом изменить режим расчета блока вычислений. The operation of the control unit is based on the following: based on the data received from the liquid sensors in the control unit and based on the dynamics of changes in these data, it is necessary to determine the mode of changing the angular orientation of the robot body and, in accordance with a certain mode, change the calculation mode of the calculation unit.
Для решения этой задачи необходимо будет вначале рассмотреть/правильнее сказать: "подсмотреть"/ как человек определяет свою угловую ориентацию в пространстве, т.е. необходимо посмотреть как функционируют человеческие органы равновесия. To solve this problem, it will be necessary at first to consider / more correctly say: "peep" / how a person determines his angular orientation in space, i.e. you need to see how the human organs of balance function.
У человека в голове имеются жидкостные инерционные "датчики ускоренных вращений", это т.н. "отолитовые органы". Имеется у человека и "датчик - отвес", но он не лакализован в каком-то конкретном месте организма, а "размазан" фактически по всему телу. Т.е. человек определяет направление внешних ускорений /в том числе и направление действия гравитационных сил/ с помощью всего своего тела. Под воздействием внешних ускорений отдельные части человеческого тела смещаются относительно друг друга, каким-то определенным образом, человек это чувствует и подсознательно определяет направление и интенсивность действия внешних ускорений. A person has liquid inertial "accelerated rotation sensors" in his head, this is the so-called otolithic organs. The person also has a “sensor - plumb line”, but it is not localized in any particular place in the body, but is “smeared” over virtually the entire body. Those. a person determines the direction of external accelerations / including the direction of gravitational forces / with the help of his whole body. Under the influence of external accelerations, individual parts of the human body are displaced relative to each other, in a certain way, a person feels this and subconsciously determines the direction and intensity of the action of external accelerations.
Использование человеческим организмом подобного "датчика-отвеса" позволяет ему определять начальное направление "вниз". А отолитовые органы следят за последующими изменениями угловой ориентации человеческого тела /в том числе и за поворотами, происходящими вокруг вектора отвесной линии, а "датчик-отвес" повороты такого рода не замечает/. The use by the human body of such a "plumb sensor" allows it to determine the initial downward direction. And the otolithic organs monitor subsequent changes in the angular orientation of the human body / including the rotations that occur around the vertical line vector, and the "plumb sensor" does not notice such rotations /.
Приведу конкретные примеры, на которых поясняется действие того или иного "датчика" в той или иной ситуации:
Первый, очень важный случай. Он часто встречается нам в практике: тело человека достаточно долго остается неподвижным или почти неподвижным, т.е. человеческий организм не испытывает больших ускорений и быстрых вращательных движений. Из этой ситуации человек подсознательно с помощью своего "датчика - отвеса" получает информацию о начальном направлении "вниз". В дальнейшем эта информация "о начальном направлении "вниз" человеку очень понадобится для определения своей угловой ориентации, когда его тело начнет двигаться неравномерно, т. е. когда появятся вращательные ускорения /см. второй случай/.I will give specific examples that explain the effect of a particular “sensor” in a given situation:
The first, very important case. It is often found in practice in us: the human body remains motionless or almost motionless for a long time, i.e. the human body does not experience large accelerations and rapid rotational movements. From this situation, a person subconsciously using his "sensor - plumb" receives information about the initial direction "down". In the future, this information "about the initial downward direction" will be very necessary for a person to determine his angular orientation when his body begins to move unevenly, that is, when rotational accelerations appear / see the second case /.
Применяя математическую терминологию, можно этот первый случай прокомментировать так: "нахождение начального направления "вниз" - это нахождение начальных условий в задаче об "определении угловой ориентации произвольно движущегося человеческого тела". Using mathematical terminology, we can comment on this first case as follows: "finding the initial direction" down "is the finding of the initial conditions in the problem of" determining the angular orientation of an arbitrarily moving human body ".
Второй, очень распространенный случай: человек передвигается пешим ходом по сильно пересеченной местности. При этом тело человека обязательно будет испытывать толчки и вращательные ускорения. В такой ситуации основную роль в определении угловой ориентации у человека играет отолитовый орган. The second, very common case: a person moves on foot over heavily rough terrain. In this case, the human body will certainly experience tremors and rotational accelerations. In this situation, the main role in determining the angular orientation in humans is played by the otolith organ.
Эти два только что рассмотренных случая для нас наиболее важные, т.к. они наиболее типичны - природа создавала человека "исходя из предположения", что он /человек/ будет передвигаться прежде всего своим, пешим, ходом. These two cases just examined are the most important for us, because they are most typical - nature created man "on the basis of the assumption" that he / man / will move first of all on his own, on foot, on the move.
В дальнейшем человек сильно "избаловался", придумав различные технические средства передвижения, незапланированные первобытной природой: лодки, телеги, машины и т.д.... В этот список обязательно надо включить еще один механизм - центрифугу, которая, конечно, не относится к транспортным средствам передвижения, однако она является самым "коварным" техническим устройством для человеческих органов равновесия. In the future, the person was very "spoiled" by inventing various technical means of transportation unplanned by the primitive nature: boats, carts, cars, etc. .... One more mechanism must be included in this list - a centrifuge, which, of course, does not apply to vehicles, however, it is the most "insidious" technical device for the human organs of balance.
В результате применения технических средств органы равновесия человека часто оказываются в ситуациях, "нетипичных с точки зрения первозданной природы". Продемонстрирую это на примере центрифуги /см. фиг. 67/. As a result of the use of technical means, the human balance organs often find themselves in situations that are “atypical from the point of view of pristine nature”. I will demonstrate this by the example of a centrifuge / cm. FIG. 67 /.
Схематически центрифуга устроена так: в подшипниках 1 и 2 установлена вертикальная ось вращения 3. На ней закреплен перпендикулярный стержень 4, в одном конце которого имеется противовес 5, а в другом подвешена "люлька" 6. Schematically, the centrifuge is arranged as follows: a vertical axis of
Человек /на фигуре он обозначен цифрой 7/ ложится в люльку 6, когда привод центрифуги выключен. После этого центрифуга приводится во вращение. The person / in the figure it is indicated by the
Спустя некоторое время, люлька 6 вместе с человеком 7 отклонится от своего начального положения под воздействием центробежной силы, изменив свой угол примерно на 90o по отношению к стержню 4 /см. фиг. 68/.After some time, the
В этой ситуации показания различных "датчиков равновесия" человеческого организма крайне противоречивы. Отолитовый орган выдает следующие показания /см. фиг. 69/: "человек из горизонтального положения "встал на голову" и вертится вокруг своей оси с угловой скоростью, равной угловой скорости центрифуги". In this situation, the readings of various "equilibrium sensors" of the human body are extremely contradictory. The otolithic organ gives the following indications / cm. FIG. 69 /: "a person from a horizontal position" stood on his head "and spins around its axis with an angular velocity equal to the angular velocity of the centrifuge."
А "датчик - отвес", "размазанный" по телу человека, в это время выдает совершенно другие показания /см. фиг. 70 /: "тело человека лежит горизонтально в непривычно сильном гравитационном поле". And the "sensor is a plumb line", "smeared" over the human body, at this time gives completely different readings / cm. FIG. 70 /: "the human body lies horizontally in an unusually strong gravitational field."
Органы равновесия человека успешно справляются с указанным противоречием: человек признает правильным показания "датчика - отвеса". The human balance organs successfully cope with this contradiction: the person recognizes the correct readings of the "sensor - plumb".
Для создания дистанционного, антропоморфного робота, управляемого человеком в копирующем режиме, необходимо в блоке управления использовать алгоритмы, которые по возможности повторяли бы режимы работы органов равновесия человека. To create a remote, anthropomorphic robot controlled by a person in copying mode, it is necessary to use algorithms in the control unit that would, if possible, repeat the operating modes of the human balance organs.
На фиг. 71 и 72 даны такие алгоритмы блока управления. In FIG. 71 and 72 are given such control unit algorithms.
Алгоритм, изображенный на фиг. 71, представляет из себя "бесконечный цикл". Назначение этого алгоритма - определять ситуации, когда корпус робота длительное время движется в пространстве без сильных вращательных ускорений. После чего из блока управления в блок вычислений должен быть подан сигнал прерывания /см. фиг. 63, блок 4/. Т.е. алгоритм, представленный фиг. 71 выявляет ситуации, удобные для измерения "начальных условий". The algorithm depicted in FIG. 71 is an "endless cycle". The purpose of this algorithm is to determine situations when the robot body for a long time moves in space without strong rotational accelerations. Then, an interrupt signal / cm should be sent from the control unit to the calculation unit. FIG. 63,
Блок 2, алгоритма, изображенного на фиг. 71, обозначает присвоение начального значения параметру S. Этот параметр будет необходим нам для измерения определенного промежутка времени.
Блок 3 обозначает ввод данных от жидкостных датчиков. Углы α, β и γ вводятся от соответствующих единичных окружностей датчика - отвеса. Вращательные ускорения: вводятся в алгоритм от соответствующих измерительных витков жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений. /Здесь в рассмотрение введены вращательные ускорения с верхними индексами α, β, γ. Если то это означает, что корпус робота вращается в пространстве c переменной угловой скоростью вокруг оси X системы координат XYZ, жестко связанной с корпусом робота /см. фиг. 7 /, т.е. угол α изменяется неравномерно. Аналогично, если то угол β изменяется неравномерно. И, наконец, если то γ изменяется неравномерно./
В блоке 4 производятся вычисления. Электроника рассчитывает: квадрат абсолютного значения угловой скорости вращения корпуса робота M, полученного на основе измерений датчика - отвеса, и квадрат абсолютного значения вращательного ускорения, F, полученного на основе данных, измеренных инерционным датчиком ускоренных вращений.
In
Далее идет блок 5 - это проверка выполнения условия. Если корпус робота не испытывает сильных вращательных ускорений: F≤C1, то переходим к блоку 6. А если имеются сильные вращательные ускорения: F>C1, то идем к блоку 10, где производится обнуление "секундомера" S= 0 и возвращаемся к началу цикла в блок 3.Next comes block 5 - this is a verification of the condition. If the robot body does not experience strong rotational accelerations: F≤C 1 , then go to
Блок 6 - это то же проверка выполнения условия. Если условие: M<C2 выполняется, то это означает, что корпус робота не совершает в пространстве быстрых вращений.
Блоки 7 и 8 организуют "секундомер": если в течение длительного времени корпус робота изменяет свою угловую ориентацию медленно и равномерно, то "бесконечный цикл" алгоритма успевает прокрутиться много раз, проходя все время через одни и те же блоки с номерами: 3, 4, 5, 6, 7, 8. И каждый раз, при прохождении блока 7, значение параметра S будет увеличиваться на единицу - "секундомер тикает". В блоке 8 происходит сравнение времени, отмеренного "секундомером", с определенным временным интервалом, задаваемым константой С3. /Значение константы С3 подбирается с учетом скорости выполнения электроникой робота всех необходимых вычислительных операций алгоритма./ Как только "секундомер натикает" больше 2,5 - 3 секунд /S>C3/, происходит переход к блоку 9, т.е. электронным блоком управления будет подана команда прерывания /см. фиг. 66 и 63/. После этого "секундомер" будет обнулен: S=0 и выполнение цикла начнется снова.
Представленный фиг. 71 алгоритм электронного блока управления позволяет антропоморфному шагающему роботу передвигаться по сильно пересеченной местности пешим ходом, а также пользоваться фактически любыми видами транспортных средств. Presented by FIG. 71 algorithm of the electronic control unit allows an anthropomorphic walking robot to walk on very rough terrain on foot, and also use virtually any type of vehicle.
На тот случай, если робот попадет в центрифугу, для блока управления разработан другой вычислительный алгоритм, изображенный на фиг. 72. Этот алгоритм будет постоянно "крутиться" в блоке управления, анализируя ситуацию, параллельно с алгоритмом, представленным фиг. 71. In case the robot enters the centrifuge, another computational algorithm is developed for the control unit, as shown in FIG. 72. This algorithm will constantly “spin” in the control unit, analyzing the situation, in parallel with the algorithm presented in FIG. 71.
Для робота, попавшего в центрифугу, наклон корпуса θ и φ должен определяться с помощью датчика - отвеса, а жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений позволит узнать лишь: dξ - поворот корпуса робота вокруг вектора отвесной линии. For a robot trapped in a centrifuge, the inclination of the casing θ and φ should be determined using a plumb sensor, and the liquid inertial accelerated rotation sensor will only know: dξ is the rotation of the robot casing around the vertical line vector.
/Ранее мной употреблялись, аналогичные буквенные обозначения, но со штрихом: α′, β′, γ′, θ′, φ′, dξ′ это объяснялось тем, что в определении угловой ориентации корпуса робота основную роль играл жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений. А для него я выбрал штрихованные переменные. / Earlier, I used similar letter designations, but with a stroke: α ′, β ′, γ ′, θ ′, φ ′, dξ ′ this was explained by the fact that the liquid inertial accelerated rotation sensor played the main role in determining the angular orientation of the robot body. And for him I chose hatched variables.
В ситуации, когда робот попадает в центрифугу, основная /доминирующая/ роль в определении угловой ориентации переходит к датчику - отвесу, для которого изначально были взяты переменные без штрихов: α, β, γ, θ, φ.
Теперь к этим пяти нештрихованным переменным добавляется еще одна нештрихованная переменная: dξ, значение которой рассчитывается по формуле
Т. е. наличие или отсутствие у переменной штриха показывает - какой датчик играл доминирующую роль при ее получении./
Физические принципы работы алгоритма, изображенного на фиг. 72, заключаются в следующем: если в течение 2 - 3 секунд наклон корпуса робота, измеренный датчиком - отвесом, существенно /более чем на 15o/ отличается от наклона, вычисленного с помощью жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений, то наклон корпуса робота необходимо определять по датчику - отвесу.In the situation when the robot enters the centrifuge, the main / dominant / role in determining the angular orientation goes to the sensor - a plumb line, for which variables without strokes were originally taken: α, β, γ, θ, φ.
Now, to these five unshaded variables, one more unshaded variable is added: dξ, whose value is calculated by the formula
That is, the presence or absence of a variable in a stroke indicates which sensor played a dominant role in its receipt. /
The physical principles of operation of the algorithm depicted in FIG. 72 are as follows: if, within 2 to 3 seconds, the inclination of the robot casing, measured by the plumb sensor, is significantly / more than 15 o / different from the inclination calculated using the accelerated liquid inertia sensor, then the inclination of the robot casing must be determined by sensor - plumb.
В обычной ситуации, когда антропоморфный робот будет передвигаться по местности своим /пешим/ ходом, капельки ртути в датчике - отвесе будут совершать небольшие колебания около самых нижних точек единичных окружностей датчика. При этом направление "вниз", вычисленное на основе показаний жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений, будет мало отличаться от истинного направления "вниз", полученного датчиком - отвесом. В течение длительного времени /например, в течение трех секунд/ показания датчиков различных типов несколько раз совпадут или будут очень близки друг к другу. In a normal situation, when an anthropomorphic robot moves around the terrain on its own / on foot / move, the mercury droplets in the plumb sensor will make small vibrations near the lowest points of the sensor’s individual circles. In this case, the downward direction, calculated on the basis of the readings of the liquid inertial accelerated rotation sensor, will not differ much from the true downward direction obtained by the plumb sensor. For a long time (for example, for three seconds), the readings of various types of sensors will coincide several times or will be very close to each other.
Иное дело в ситуации, когда робот попадет в центрифугу: здесь в течение длительного времени /например, в течение трех секунд/ показания датчика - отвеса и показания жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений очень сильно разнятся, например, разнятся более чем на 15o. /В качестве примера можно посмотреть фиг. 67-70 и соответствующие комментарии к ним./
Такое длительное сильное различие в показаниях датчиков и позволит электронике блока управления прийти к выводу о том, что робот попал в центрифугу.The situation when the robot enters the centrifuge is different: here for a long time / for example, for three seconds / the readings of the sensor - the plumb line and the readings of the liquid inertial sensor of accelerated rotations are very different, for example, differ by more than 15 o . / As an example, see FIG. 67-70 and related comments thereto. /
Such a long-term strong difference in the readings of the sensors will allow the electronics of the control unit to conclude that the robot is in a centrifuge.
Я взял здесь в качестве "длительного времени" три секунды. Можно сказать, что эти три секунды - это "время адаптации", т.е. время привыкания робота к режиму центрифуги /или время отвыкания от режима центрифуги/. I took here as a "long time" three seconds. We can say that these three seconds is “adaptation time”, i.e. time of the robot getting used to the centrifuge mode / or time of weaning off from the centrifuge mode /.
Итак у нас имеются два вектора отвесной линии. Один вектор отвесной линии измерен датчиком - отвесом, другой вектор отвесной линии измерен жидкостным инерционным датчиком ускоренных вращений. Найти угол между этими двумя векторами можно с помощью скалярного произведения векторов. So we have two plumb line vectors. One vector of the plumb line is measured by a plumb sensor; the other vector of the plumb line is measured by a liquid inertial accelerated rotation sensor. You can find the angle between these two vectors using the scalar product of vectors.
По договоренности вектор отвесной линии имеет единичную длину, его компоненты в системе координат XYZ. такие /см. фиг. 4 /:
(sinθ)(cosφ); (cosθ); (sinθ)(sinφ). (64)
/Это были приведены компоненты вектора отвесной линии, измеренного датчиком - отвесом./
Для вектора отвесной линии, определенного с помощью жидкостного инерционного датчика ускоренных вращений, в записи компонент должны быть использованы штрихованные переменные:
(sinθ′)(cosφ′); (cosθ′); (sinθ′)(sinφ′). (65)
Тогда скалярное произведение между двумя единичными векторами отвесных линий даст нам косинус угла между ними и запишется:
где переменной Ri обозначено значение косинуса угла, заключенного между двумя векторами отвесных линий, полученных в момент времени ti датчиками двух различных типов.By agreement, the vertical line vector has a unit length, its components in the XYZ coordinate system. such / see FIG. 4 /:
(sinθ) (cosφ); (cosθ); (sinθ) (sinφ). (64)
/ These were the components of the plumb line vector measured by the plumb sensor. /
For a vertical line vector, determined using a liquid inertial accelerated rotation sensor, in the component record, the dashed variables should be used:
(sinθ ′) (cosφ ′); (cosθ ′); (sinθ ′) (sinφ ′). (65)
Then the scalar product between two unit vectors of plumb lines will give us the cosine of the angle between them and will be written:
where the variable R i denotes the cosine of the angle enclosed between two vectors of vertical lines obtained at time t i by sensors of two different types.
Для получения углов θ и φ, как и для получения углов θ′, φ′ можно воспользоваться одним и тем же ПЗУ /см. фиг. 66/, преобразующим углы α, β, γ в углы θ, φ. Дело в том, что жидкостной датчик - отвес срабатывает гораздо быстрее по сравнению с жидкостным инерционным датчиком ускоренных вращений. Действительно, чтобы снять показания с жидкостного датчика - отвеса достаточно подать запрашивающий стробирующий импульс на "Д" триггера датчика - отвеса, после чего на выходах приоритетных шифраторов появятся значения углов α, β, γ в двоичном коде. Т.е. время срабатывания датчика - отвеса определяется скоростью протекания переходных процессов в приоритетных шифраторах /см. фиг. 6 /. А жидкостной инерционный датчик ускоренных вращений работает гораздо медленнее. Это объясняется тем, что вначале необходимо аналоговый сигнал /электрическое напряжение / преобразовать с помощью АЦП в двоичный код, который затем преобразуется в другой двоичный код с помощью ППЗУ /см. фиг. 60 /. Затем уже этот преобразованный двоичный код используется для вычисления углов α′, β′, γ′ по алгоритму, представленному фиг. 63 и 64. To obtain the angles θ and φ, as well as to obtain the angles θ ′, φ ′, you can use the same ROM / cm. FIG. 66 /, transforming the angles α, β, γ into the angles θ, φ. The fact is that the liquid sensor - plumb responds much faster compared to the liquid inertial sensor of accelerated rotation. Indeed, in order to take readings from a liquid plummet sensor, it is sufficient to apply a requesting gating pulse to the sensor trigger D - plummet “D”, after which the values of angles α, β, γ in the binary code will appear on the outputs of the priority encoders. Those. response time of the sensor - plumb is determined by the rate of transient processes in priority encoders / cm. FIG. 6 /. A liquid inertial accelerated rotation sensor is much slower. This is because in the beginning it is necessary to convert the analog signal / voltage / using an ADC to a binary code, which is then converted to another binary code using an EPROM / cm. FIG. 60 /. Then this converted binary code is then used to calculate the angles α ′, β ′, γ ′ according to the algorithm presented in FIG. 63 and 64.
Так вот, в то время пока в блоке вычислений /см. фиг. 66/ будет производиться расчет углов α′, β′, γ′ на входы ПЗУ будут поданы значения углов α, β, γ и тогда на выходах ПЗУ появятся двоичные значения углов θ и φ. Эти значения будут переданы в блок управления /см. фиг. 66./, где они подлежат запоминанию и используются для дальнейших вычислений. So, while in the block of calculations / cm. FIG. 66 / the angles α ′, β ′, γ ′ will be calculated, the values of the angles α, β, γ will be fed to the inputs of the ROM, and then the binary values of the angles θ and φ will appear at the outputs of the ROM. These values will be transferred to the control unit / cm. FIG. 66./, where they are subject to memorization and are used for further calculations.
/Здесь возможно еще более эффективное использование ПЗУ, если в него помимо преобразования углов α, β, γ в углы θ и φ внести значения компонент вектора отвесной линии в двоичном коде. Тогда не придется в блоке управления пересчитывать углы в компоненты вектора./
Проследим как работает алгоритм./ An even more efficient use of the ROM is possible if, in addition to converting the angles α, β, γ into angles θ and φ, we add the values of the components of the plumb line vector in binary code. Then it is not necessary in the control unit to recalculate the angles into the components of the vector. /
Let's see how the algorithm works.
Сразу после включения электропитания робота алгоритм, представленный фиг. 72, начинает работать. Этот момент обозначен блоком 1. Immediately after turning on the power to the robot, the algorithm shown in FIG. 72, starts to work. This moment is indicated by
В блоке 2 осуществляется присвоение начальных значений параметрам: U и Т. Параметр U может принимать только два значения "ноль" или "единица". Начальное значение параметра U устанавливается равным нулю /U = 0/. В дальнейшем, в процессе функционирования робота, значение параметра U в результате выполнения алгоритма может измениться. Если U станет равным единице, то это означает, что робот попал в центрифугу и теперь в определении его угловой ориентации доминирует датчик - отвес. In
Параметр Т необходим, чтобы отсчитывать "время адаптации". Этот параметр одновременно применяется как для определения продолжительности режима "привыкания" робота к центрифуге, так и для определения продолжительности режима "отвыкания" робота от центрифуги. Начальное значение параметра Т устанавливается равным -С /Т = -С/, где С - положительное, целое число. Его значение подбирается таким, чтобы время "адаптации" равнялось примерно 2 - 3 секундам. Parameter T is needed to count "adaptation time". This parameter is simultaneously used both to determine the duration of the robot’s “getting used to” mode to the centrifuge, and to determine the duration of the robot’s “weaning” mode from the centrifuge. The initial value of the parameter T is set equal to -C / T = -C /, where C is a positive integer. Its value is selected so that the "adaptation" time is approximately 2 to 3 seconds.
Ввод данных от жидкостных датчиков двух различных типов осуществляется в алгоритме блоком 3. Data input from liquid sensors of two different types is carried out in
Блок 4 представленного алгоритма символизирует операцию вычисления Ri - косинуса угла, заключенного между двумя векторами отвесных линий, направления которых измерены в момент времени ti жидкостными датчиками различных типов. /Я не стал вписывать формулу вычисления Ri непосредственно в алгоритм из-за ее громоздкости /см. формулу (66)/./
Блок 5 - проверка выполнения условия: если Ri меньше косинуса 15o, то это означает, что угол между двумя векторами отвесных линий, измеренных различными датчиками, больше 15o. А если, условие в блоке 5 для Ri не выполняется, т.е., если Ri больше или равно косинусу 15o, то значит угол между двумя векторами отвесных линий меньше 15o.
Block 5 - verification of the condition: if R i is less than the cosine of 15 o , then this means that the angle between the two vectors of steep lines measured by different sensors is more than 15 o . And if, the condition in
Сделаем допущение: пусть в первые минуты после включения электропитания робот не подвергается воздействию центробежных сил, т.е. находится в привычной, нормальной обстановке, например, передвигается по местности пешим ходом. В этой ситуации алгоритм, представленный фиг. 72, работает следующим образом: во время первого периода мы проходим блоки: 1, 2, 3, 4, 5. Т.к. робот не в центрифуге, то условие, записанное в блоке 5 не выполняется - угол, заключенный между двумя векторами отвесных линий, меньше 15o. Тогда переходим к проверке выполнения условия - блок 6. Согласно блоку 2: Т= -С, поэтому условие в блоке 6 не выполняется, переходим к блоку 7, где значение параметра Т уменьшается на единицу, теперь: Т=-С-1. Далее переходим к проверке выполнения условия в блоке 8 - условие выполняется, переходим к блоку 9 - присваиваем параметру: U значение "ноль" и возвращаемся к блоку 3.We make the assumption: let the robot not be exposed to centrifugal forces in the first minutes after turning on the power, i.e. It is in the usual, normal environment, for example, it moves on the ground on foot. In this situation, the algorithm shown in FIG. 72, works as follows: during the first period we go through the blocks: 1, 2, 3, 4, 5. Since the robot is not in a centrifuge, the condition recorded in
Таким образом, в результате выполнения первого периода алгоритма, значение параметра Т стало: Т=-С-1., а параметру U присвоено значение "ноль". Thus, as a result of the first period of the algorithm, the value of the parameter T became: T = -C-1., And the value U is assigned the value "zero".
Рассмотрим второй период цикла: последовательно проходим блоки с номерами: 3, 4, 5 и подходим к блоку 6. Теперь у нас Т=-С-1, поэтому условие в блоке 6 выполняется и мы переходим к блоку 3. Здесь надо сказать, что блок 6 /как и блок 10, представленного алгоритма/ предназначен для ограничения абсолютного значения параметра Т. Consider the second period of the cycle: sequentially go through the blocks with numbers: 3, 4, 5 and go to
Теперь сколько бы не прошло периодов представленного алгоритма, параметр Т имеет значение, равное: -С-1, параметр U = 0. Так и должно быть, ведь робот не находится в центрифуге. Now no matter how many periods of the presented algorithm have passed, the parameter T has a value equal to: -С-1, parameter U = 0. It should be so, because the robot is not in the centrifuge.
Сделаем другое допущение:
Пусть робот длительное время передвигался собственным /пешим/ ходом, а потом запрыгнул во вращающуюся центрифугу.We make another assumption:
Let the robot move for a long time on its own / on foot / move, and then jump into a spinning centrifuge.
Так вот, с того самого момента когда робот окажется во вращающейся центрифуге, угол, образованный двумя векторами отвесных линий, измеренных жидкостными датчиками различных типов, окажется больше 15o. И теперь при прохождении каждого периода цикла будет выполняться условие, записанное в блоке 5, и вычисления пойдут по другой ветви алгоритма - блоки 5, 10, 11, 12, 13. Процессы, протекающие в этой, новой, ветви алгоритма, во многом аналогичны процессам, протекавшим в блоках 6, 7, 8, 9, за исключением того, что параметр Т теперь будет увеличиваться, а параметр U примет значение "единица", если Т станет больше С.So, from the very moment when the robot is in a rotating centrifuge, the angle formed by two vectors of steep lines measured by liquid sensors of various types will be more than 15 o . And now, when passing through each period of the cycle, the condition recorded in
Представленный на фиг. 72 алгоритм позволяет антропоморфному шагающему роботу самостоятельно адаптироваться к центрифуге, ось вращения который может иметь в пространстве любую угловую ориентацию. Presented in FIG. 72 algorithm allows an anthropomorphic walking robot to adapt independently to a centrifuge, the axis of rotation of which can have any angular orientation in space.
На этом я заканчиваю описание "вестибулярного аппарата" антропоморфного шагающего робота /жидкостных датчиков и необходимого им математического сопровождения/. This concludes the description of the "vestibular apparatus" of the anthropomorphic walking robot / liquid sensors and the mathematical support they need /.
Перейду теперь к описанию механизма подвеса тела человека - оператора, т. е. к описанию устройства, позволяющего управлять движениями робота. I will now proceed to describe the mechanism of suspension of the human body - the operator, that is, to the description of the device that allows you to control the movements of the robot.
Механизм подвеса человека-оператора. The suspension mechanism of the human operator.
Перед нами стоит задача создания дистанционного антропоморфного шагающего робота. Такой робот будет обладать повышенной маневренностью, т. е. робот сможет свободно ходить на двух ногах по сильно пересеченной местности, приседать, ложиться, перекатываться с боку на бок, вставать, лазить по стремянкам и даже заниматься альпинизмом /в буквальном смысле этого слова/. We are faced with the task of creating a remote anthropomorphic walking robot. Such a robot will have increased maneuverability, i.e., the robot will be able to walk freely on two legs over very rough terrain, crouch, lie down, roll side to side, get up, climb stairs and even do mountain climbing / in the literal sense of the word /.
Управление роботом осуществляется в копирующем режиме с помощью следящей системы, одна часть которой представлена самим роботом, другая выполнена в виде управляющего костюма с жесткими элементами, надеваемого на человека-оператора. В каждом суставе антропоморфного робота и в каждом суставе управляющего костюма установлены датчики двух типов: один датчик измеряет угол сгиба сустава, второй - измеряет вращательный момент силы, приложенный к жестким элементам сустава. Данные от этих датчиков, установленных в корпусе дистанционно-управляемого робота, передаются по каналу связи на электронные логические цепи управляющего костюма. Одновременно на эти же логические цепи поступают данные и от датчиков, установленных в суставах управляющего костюма. Электроника анализирует эти данные и выдает необходимые управляющие команды на силовые приводы конечностей робота и управляющего костюма. Команды управления поступают к дистанционно управляемому роботу по соответствующим каналам связи. The robot is controlled in copy mode using a tracking system, one part of which is represented by the robot itself, the other is made in the form of a control suit with rigid elements, worn on a human operator. Two types of sensors are installed in each joint of the anthropomorphic robot and in each joint of the control suit: one sensor measures the angle of the bend of the joint, the second measures the rotational moment of force applied to the rigid elements of the joint. Data from these sensors installed in the body of a remote-controlled robot is transmitted via a communication channel to the electronic logic circuits of the control suit. At the same time, the data from the sensors installed in the joints of the control suit also comes to the same logical circuits. Electronics analyzes this data and issues the necessary control commands to the power drives of the limbs of the robot and the control suit. Control commands are sent to a remotely controlled robot through the appropriate communication channels.
Силовые, воздействия, оказываемые человеком-оператором на жесткие элементы какого-то сустава управляющего костюма, воспринимаются соответствующим датчиком, измеряющую момент силы. Если при этом на аналогичный сустав антропоморфного робота не действует равный по модулю и противоположный по направлению момент сил, то сустав управляющего костюма начинает сгибаться в направлении усилий, оказываемых оператором. Одновременно в том же направлении сгибается и аналогичный сустав антропоморфного робота. При этом электроника следит за тем, чтобы аналогичные суставы робота и управляющего костюма сгибались с одинаковой угловой скоростью и на одинаковый угол, т.е. должен выполняться принцип копирования. В свою очередь, если силовое воздействие внешних тел, окружающих робота не будет компенсироваться силовым воздействием со стороны оператора, то сустав робота и аналогичный ему сустав управляющего костюма начнут сгибаться в направлении силового воздействия, оказываемого на робота внешними телами. Все это позволяет человеку-оператору подсознательно ощущать непосредственно своими пропреоцепторами пространственное положение конечностей робота и усилия, оказываемые роботом на предметы, а также определять на ощупь форму предметов и их вес. Таким образом двигательная и чувствительная системы человека-оператора оказываются сочленены с механическими конечностями робота так, что последние становятся как бы естественным продолжением конечностей человека. Оператор получает в общем ту же самую информацию от конечностей робота, как если бы человек непосредственно своими руками манипулировал телами, окружающими робот. The forceful effects exerted by the human operator on the rigid elements of some joint of the control suit are perceived by the corresponding sensor, which measures the moment of force. If, at the same time, a similar moment of forces does not act on a similar joint of an anthropomorphic robot, then the joint of the control suit begins to bend in the direction of the efforts exerted by the operator. At the same time, a similar joint of an anthropomorphic robot bends in the same direction. At the same time, the electronics ensures that the similar joints of the robot and the control suit bend at the same angular speed and at the same angle, i.e. the principle of copying must be followed. In turn, if the force impact of the external bodies surrounding the robot will not be compensated by force from the operator, then the joint of the robot and the joint of the control suit similar to it will begin to bend in the direction of the force exerted on the robot by external bodies. All this allows the human operator to subconsciously feel directly with their propreoceptors the spatial position of the limbs of the robot and the efforts exerted by the robot on the objects, as well as determine the shape of the objects and their weight by touch. Thus, the motor and sensory systems of the human operator are articulated with the mechanical limbs of the robot so that the latter become, as it were, a natural extension of the human limbs. The operator receives in general the same information from the limbs of the robot, as if a person directly manipulated the bodies surrounding the robot with his own hands.
Кроме того, электронные логические цепи, основываясь на данных, полученных от датчиков угловой ориентации корпуса робота, должны вносить соответствующие поправки в силовые воздействия, оказываемые управляющим костюмом на человека-оператора. Это необходимо для того, чтобы компенсировать гравитационную тяжесть конструктивных элементов робота и управляющего костюма, т.е. необходимо добиться, чтобы робот и управляющий костюм не висели бы своей тяжестью на руках и ногах человека-оператора независимо от его ориентации в пространстве. Иначе говоря, нужно сделать соответствующие "электронные противовесы". "
На данном этапе основное внимание при разработке подобного робота необходимо уделить конструкции механизма подвеса, с помощью которого мы должны подвесить в пространстве человека-оператора, одетого в управляющий активный экзоскелетон.In addition, electronic logic circuits, based on data received from the sensors of the angular orientation of the robot casing, should make appropriate amendments to the force effects exerted by the control suit on the human operator. This is necessary in order to compensate for the gravitational gravity of the structural elements of the robot and the control suit, i.e. it is necessary to ensure that the robot and the control suit do not hang with their weight on the hands and feet of the human operator, regardless of its orientation in space. In other words, the corresponding “electronic balances” must be made. "
At this stage, the main attention in the development of such a robot must be given to the design of the suspension mechanism, with which we must hang in the space of a human operator dressed in a control active exoskeleton.
Механизм подвеса должен удовлетворять следующим двум требованиям:
1/ Не дать человеку - оператору соприкасаться своими конечностями с посторонними предметами: человек - оператор, например, не должен доставать ногами до пола, иначе это будет мешать управлению ходьбой робота.The suspension mechanism must satisfy the following two requirements:
1 / Do not allow the human operator to touch extraneous objects with his limbs: the human operator, for example, should not reach the floor with his feet, otherwise this will interfere with the robot's walking control.
Механизм подвеса должен придавать в пространстве телу человека - оператора ту же ориентацию, что и у корпуса робота, те же угловые скорости и те же вращательные ускорения - все это позволит обеспечить вертикальную ходьбу робота. The suspension mechanism should give the body of the human operator the same orientation in space as the robot body, the same angular velocities and the same rotational accelerations - all this will ensure vertical walking of the robot.
"Это позволит человеку ощущать своими органами равновесия все изменения, происходящие в угловой ориентации корпуса робота. При этом человек-оператор, осуществляя управление вертикальной ходьбой робота, будет подсознательно стремиться сохранить вертикальную устойчивость, непроизвольно изменяя соответствующим образом положение своих конечностей, из-за чего будет сохраняться и устойчивость вертикальной походки робота, т.к. он будет копировать все эти непроизвольные движения оператора. “This will allow a person to feel with his balance organs all the changes occurring in the angular orientation of the robot body. At the same time, the human operator, controlling the vertical walking of the robot, will unconsciously strive to maintain vertical stability by involuntarily changing the position of his limbs accordingly, which will the stability of the vertical gait of the robot is preserved, as it will copy all these involuntary movements of the operator.
Человек-оператор при управлении ходьбой робота будет испытывать примерно такие же ощущения как и при ходьбе в скафандре на механическом тренажере "беговая дорожка". The human operator when managing the robot’s walking will experience about the same sensations as when walking in a spacesuit on a treadmill mechanical simulator.
Таким образом от дистанционного робота по каналам связи на логические электронные цепи управляющего костюма и механизма подвеса передаются следующие телеметрические данные:
1/ данные об угловой ориентации корпуса робота,
2/ данные от датчиков, установленных во всех суставах робота,
3/ видеосигнал обстановки, окружающей робота,
4/ данные, характеризующие звуковую обстановку вокруг робота. /Последнее актуально для роботов-солдат и роботов-пожарных./
В свою очередь по соответствующим каналам связи к дистанционно управляемому роботу передаются:
1/ команды управления силовыми приводами суставов робота,
2/ сигналы, позволяющие роботу воспроизводить устную речь человека-оператора. /Последнее актуально для роботов- солдат и роботов-пожарных./"
Подобные роботы смогут найти применение в качестве роботов водолазов, роботов - солдат, роботов - шахтеров, роботов - пожарных и т.д.Thus, the following telemetric data are transmitted from the remote robot via communication channels to the logical electronic circuits of the control suit and suspension mechanism:
1 / data on the angular orientation of the robot body,
2 / data from sensors installed in all joints of the robot,
3 / video signal of the environment surrounding the robot,
4 / data characterizing the sound environment around the robot. / The latter is relevant for robotic soldiers and robotic firefighters. /
In turn, through the appropriate communication channels to the remote-controlled robot are transmitted:
1 / commands to control the power drives of the joints of the robot,
2 / signals allowing the robot to reproduce the spoken language of the human operator. / The latter is relevant for robotic soldiers and robotic firefighters. / "
Such robots can be used as divers' robots, robots - soldiers, robots - miners, robots - firefighters, etc.
Применение роботов в качестве солдат обсуждается позже, отдельным пунктом. А сейчас продемонстрирую применение роботов в качестве водолазов /см. фиг. N 73 - 78/, где нечетные фигуры изображают человека - оператора, одетого в управляющий костюм и подвешенного на механизме подвеса. Четные фигуры, имеющие номера: 74, 76, 78, изображают робота - водолаза. The use of robots as soldiers is discussed later, as a separate paragraph. And now I will demonstrate the use of robots as divers / cm. FIG. N 73 - 78 /, where the odd figures depict a human operator, dressed in a control suit and suspended from a suspension mechanism. Even figures having numbers: 74, 76, 78, depict a robot - diver.
Здесь обязательно надо сказать, что мы не сможем воспроизвести с помощью механизма подвеса поступательные ускорения, которые испытывает робот. Иначе человек - оператор должен был бы совершать в пространстве тот же путь, который проделывает робот. Траектория этого пути совпадала бы с траекторией пути робота. Например, в случае с роботом - водолазом, мы просто чисто физически не можем себе позволить, чтобы человек - оператор разгуливал по кораблю в управляющем костюме, свободно, как призрак, проходя сквозь все корабельные переборки. It must be said here that we cannot reproduce, with the help of the suspension mechanism, the translational accelerations experienced by the robot. Otherwise, the human operator would have to follow in space the same path that a robot follows. The path of this path would coincide with the path of the robot. For example, in the case of a robot-diver, we simply cannot physically allow ourselves to allow a human operator to walk around the ship in a control suit, freely, like a ghost, passing through all ship bulkheads.
Управляющий костюм должен оказывать силовое воздействие на человека - оператора. Это необходимо для того, чтобы человек - оператор имел такие же проприоцептивные ощущения, как и робот, т.е., если робот держит в своих руках какой - то предмет, то оператор, под силовым воздействием управляющего костюма, должен ощущать вес предмета, его форму и, что особенно важно, положение рук робота в пространстве. Аналогичные проприопептивные ощущения управляющий костюм создает для всех суставов тела человека - оператора. The control suit must exert a forceful effect on the human operator. This is necessary so that the human operator has the same proprioceptive sensations as the robot, that is, if the robot is holding an object in its hands, then the operator, under the force of the control suit, should feel the weight of the object, its the shape and, most importantly, the position of the robot’s arms in space. The control suit creates similar proprioceptive sensations for all joints of the human body - the operator.
На фиг. 73, 75, 77 у человека - оператора за спиной изображен ранец. Это объясняется тем, что в ранце размещаются "мышцы", ответственные за плечевые, шейные, поясные и тазовые суставы управляющего костюма. Размещение этих "мышц" за спиной у человека позволит освободить больше места спереди и сделает управление роботом более удобным. In FIG. 73, 75, 77 in a human operator, a satchel is shown behind his back. This is due to the fact that the “muscles” are located in the knapsack, responsible for the shoulder, cervical, waist and pelvic joints of the control suit. Placing these “muscles” behind a person’s back will free up more space in front and make controlling the robot more convenient.
Перейдем к более обстоятельному знакомству с устройством механизма подвеса. Let's move on to a more thorough acquaintance with the device of the suspension mechanism.
Ранее указывалось, что ориентация корпуса антропоморфного робота задается тремя углами θ, φ и dξ /см. выше/. Первые два угла определяют наклон корпуса робота относительно вектора отвесной линии. Третий угол задает поворот корпуса робота вокруг вектора отвесной линии. It was previously indicated that the orientation of the body of the anthropomorphic robot is specified by three angles θ, φ, and dξ / cm. above/. The first two angles determine the inclination of the robot body relative to the vertical line vector. The third angle sets the rotation of the robot body around the vertical line vector.
В механизме подвеса, для придания телу человеку - оператора той же ориентации, как и у корпуса робота, необходимо воспроизвести эти же углы θ, φ, dξ.
С корпусом антропоморфного шагающего робота жестко свяжем систему координат XYZ /см. фиг. 79 /. Теперь изменение угловой ориентации корпуса робота означает, что изменится и, угловая ориентация системы координат XYZ.In the suspension mechanism, in order to give the human body the operator the same orientation as that of the robot body, it is necessary to reproduce the same angles θ, φ, dξ.
We will rigidly connect the coordinate system XYZ / cm to the body of the anthropomorphic walking robot. FIG. 79 /. Now changing the angular orientation of the robot body means that the angular orientation of the XYZ coordinate system will also change.
Задание углов θ и φ вектора отвесной линии в системе координат XYZ определяется так же, как было изображено на фиг. 4. The angles θ and φ of the plumb line vector in the coordinate system XYZ are defined in the same way as shown in FIG. 4.
Если робот будет совершать "наклон вперед", то угол φ будет увеличиваться /см. фиг. 80 и 81/. If the robot makes a “forward tilt”, then the angle φ will increase / cm. FIG. 80 and 81 /.
Если робот будет лежать на левом боку, то значение угла θ равно нулю /см. фиг. 82/. А если робот лежит на правом боку, то значение угла θ равно 180o /см. фиг. 83/.If the robot is lying on its left side, then the value of the angle θ is equal to zero / cm. FIG. 82 /. And if the robot lies on its right side, then the value of the angle θ is 180 o / cm. FIG. 83 /.
Аналогичную систему координат XYZ жестко свяжем и с телом человека - оператора, подвешенного на механизме подвеса. We will rigidly connect the analogous coordinate system XYZ with the body of a person - an operator suspended on a suspension mechanism.
Механизм подвеса имеет следующую кинематическую схему:
Это шесть вложенных друг в друга колец. Пронумеруем их так, чтобы самое маленькое /внутреннее/ кольцо имело N 1, а самое большое /наружное/ кольцо - N 6, см фиг. 84.The suspension mechanism has the following kinematic scheme:
These are six rings embedded in each other. We number them so that the smallest / inner / ring has
В центре этой системы вложенных друг в друга колец находится человек - оператор, одетый в свой управляющий костюм. Жилет управляющего костюма жестко связан с кольцом 1 с помощью радиального стержня, который берет свое начало на внутренней поверхности кольца 1 и заканчивается на спине у человека - оператора /см. фиг. 85/. At the center of this system of rings nested into each other is a man - an operator dressed in his control suit. The vest of the control suit is rigidly connected to the
У каждого кольца имеется два внешних выступа, лежащих на прямой, проходящей через центр кольца, т.е. лежащих на продолжении диаметра /см. фиг. 84 и 85 /. Кольца меньшего диаметра упираются своими выступами в кольца большего диаметра. Кольцо 6 лежит своими выступами на основании K1-K2 механизма подвеса /см. фиг. 84/.Each ring has two external protrusions lying on a straight line passing through the center of the ring, i.e. lying on the continuation of the diameter / cm. FIG. 84 and 85 /. Rings of smaller diameter abut their protrusions against rings of larger diameter.
/В случае если мы будем иметь дело с роботом - водолазом таким основанием для механизма подвеса будет жесткий каркас корабля, с которого производится управление роботом. А в случаях когда робот будет использоваться на суше, например, в качестве робота - солдата, основанием для механизма подвеса послужит каркас машины, с которой производится управление роботом./
Если внимательно посмотреть на фиг. 84, то можно заметить, что выступы колец с четными номерами /2, 4, 6/ лежат на одной прямой, которая направлена вдоль оси X системы координат XYZ жестко связанной с телом человека - оператора. А по отношению к выступам колеи с нечетными номерами можно заметить, что все они лежат на прямой, коллинеарной оси Y системы координат XYZ, связанной с телом человека - оператора./ In case we are dealing with a robot-diver, the rigid frame of the ship from which the robot is controlled will be such a basis for the suspension mechanism. And in cases when the robot will be used on land, for example, as a robot - a soldier, the basis for the suspension mechanism will be the frame of the machine with which the robot is controlled. /
If you look closely at FIG. 84, you can see that the protrusions of the rings with even numbers / 2, 4, 6 / lie on one straight line, which is directed along the X axis of the coordinate system XYZ rigidly connected with the human body - the operator. And in relation to the projections of the track with odd numbers, you can notice that they all lie on a straight, collinear Y axis of the XYZ coordinate system associated with the human body - the operator.
Фиг. 84 здесь начерчена для того, чтобы дать общее представление о наборе деталей, из которых состоит механизм подвеса. На ней показан механизм подвеса в ситуации, когда все кольца лежат строго в одной плоскости, но в рабочей обстановке реальная конструкция механизм подвеса очень редко будет выглядеть подобным образом. Дело в том, что выступы на кольцах являются механическими осями, вокруг которых кольца поворачиваются друг относительно друга, это необходимо нам для того, чтобы можно было придавать телу человека - оператора определенную угловую ориентацию. FIG. 84 is drawn here to give an overview of the set of parts that make up the suspension mechanism. It shows the suspension mechanism in a situation where all the rings lie strictly in the same plane, but in a working environment, the real design of the suspension mechanism will very rarely look like this. The fact is that the protrusions on the rings are mechanical axes around which the rings rotate relative to each other, this is necessary for us in order to give the body of the human operator a certain angular orientation.
Перейдем к рассмотрению функций, которые выполняют представленные детали механизма подвеса;
Роль колец 5 и 6 состоит исключительно в том, чтобы оси - выступы кольца 4 всегда были расположены вдоль вектора отвесной линии /см. фиг. 86./
/Ниже будет показано, что одно из назначений кольца 4 - поворот тела человека - оператора на угол dξ вокруг вектора отвесной линии и именно поэтому оси - выступы кольца 4 должны всегда лежать на вертикальной линии./
По существу кольца 5 и 6 образуют здесь обычный карданный подвес, наподобие того, который применяется для механического гироскопа /см. фиг. 1/.We proceed to consider the functions that perform the presented details of the suspension mechanism;
The role of
/ It will be shown below that one of the purposes of
Essentially, rings 5 and 6 form here a conventional gimbal, similar to that used for a mechanical gyro / cm. FIG. 1/.
В качестве примера, демонстрирующего необходимость введения такого карданного подвеса, рассмотрим две ситуации. As an example, demonstrating the need for the introduction of such a gimbal, consider two situations.
Допустим, что с корабля в условиях морской качки производится управление роботом - водолазом. Датчики, установленные на корабле, будут следить за изменением углового крена судна и подавать необходимые команды на карданный подвес, образованный кольцами 5 и 6, сохраняя вертикальную ориентацию осей - выступов кольца 4. Let's say that from a ship under the conditions of sea rolling, a robot is controlled by a diver. The sensors installed on the ship will monitor the change in the angular roll of the ship and give the necessary commands to the gimbal formed by
Или другой пример. Машина, с которой управляют роботом-солдатом, стоит не горизонтально. В этой ситуации нас опять выручит карданный подвес - выступы кольца 4 будут установлены вертикально. Or another example. A machine controlled by a robot soldier is not horizontal. In this situation, the gimbal will again help us out - the tabs of the
Полагаю, что здесь я достаточно полно раскрыл назначение карданного подвеса, образованного кольцами 5 и 6. Больше к этому вопросу уже не вернусь. /На всех последующих фигурах кольца 5 и 6 изображаться уже не будут, это делается в целях упрощения чертежей, для их лучшего понимания. Т.е. с данного момента мы условимся считать, что выступы - оси кольца 4 всегда расположены вертикально./
Вращая на выступах - осях кольцо 1 относительно кольца 2, мы сможем в механизме подвеса задавать телу человека -оператору угол φ /см. фиг. 85, 80 и 81/.I believe that here I have fully disclosed the purpose of the gimbal formed by
By rotating the
В механизме подвеса угол θ для тела человека - оператора в общем случае задается одновременным вращением двух колец 2 и 3. In the suspension mechanism, the angle θ for the human body - the operator in the general case is set by the simultaneous rotation of two
Здесь придется сделать очень подробные объяснения, чтобы Вам стало ясно, почему для задания угла θ используются повороты двух колец. Here you will have to make very detailed explanations so that it becomes clear to you why rotations of two rings are used to set the angle θ.
Казалось бы, что для задания телу человека-оператора угла θ можно использовать вращение только одного кольца 2 /см. фиг. 87 и 88/, а кольцо 3 вообще выкинуть и этим существенно упростить конструкцию механизма подвеса. На самом деле подобное "упрощение" очень негативно скажется на работе механизма подвеса. It would seem that to specify the angle θ to the body of a human operator, one can use the rotation of only one
Дело в том, что если "выкинуть" кольцо 3, то в ситуациях, когда значение угла θ близко к 0o или 180o, в упрощенной конструкции механизма подвеса возникнут значительные сингулярности. Например:
Пусть робот длительное время лежит на левом боку так, что его наклон относительно вектора отвесной линии определяется двумя углами: θ= 1o φ = 270o т.е. пространственная ориентация робота напоминает фиг. 82. В упрощенной конструкции механизма подвеса аналогичный наклон телу человека-оператора задается соответствующим поворотом двух колец, имеющих номера 1 и 2 /см. фиг. 88/.The fact is that if you "throw out" the
Let the robot lie on the left side for a long time so that its slope relative to the vertical line vector is determined by two angles: θ = 1 o φ = 270 o i.e. the spatial orientation of the robot resembles FIG. 82. In a simplified design of the suspension mechanism, a similar inclination to the body of a human operator is specified by the corresponding rotation of two
Допустим, что в какой-то момент робот незначительно изменяет наклон своего корпуса, так, что углы θ и φ приобретают значения: θ = 1o и φ = 0o. При этом для постороннего наблюдателя изменение ориентации корпуса робота кажется столь незначительным, что его положение в пространстве по-прежнему с большим успехом можно характеризовать фиг. 82. В системе координат XYZ, жестко связанной с корпусом робота, угол между двумя векторами отвесных линий, взятых в различные моменты времени, по своему абсолютному значению меньше 1,5o, так что "на глаз" изменение ориентации корпуса робота фактически незаметно.Suppose that at some point the robot slightly changes the slope of its body, so that the angles θ and φ acquire the values: θ = 1 o and φ = 0 o . At the same time, for an outsider, the change in the orientation of the robot body seems so insignificant that its position in space can still be characterized with great success by FIG. 82. In the XYZ coordinate system, rigidly connected with the robot body, the angle between two vectors of plumb lines taken at different points in time is less than 1.5 o in absolute value, so that “by eye” the change in the orientation of the robot body is practically imperceptible.
Абсолютно иначе обстоит дело с приданием наклона θ = 1o, φ = 0o телу человека - оператора в упрощенном механизме подвеса /см. фиг. 89 /.The situation with giving the slope θ = 1 o , φ = 0 o to the human body as an operator in a simplified suspension / cm mechanism is completely different. FIG. 89 /.
Если теперь обратить внимание на фигуры с номерами: 82, 88 и 89, то можно заметить явное несоответствие: робот лишь слегка изменил наклон своего корпуса, а в упрощенном механизме подвеса, для придания телу человека - оператора такого же наклона, пришлось очень быстро повернуть кольцо 1 на 90o, это и есть сингулярность, о которой я говорил.If we now pay attention to the figures with numbers: 82, 88 and 89, we can see a clear discrepancy: the robot only slightly changed the inclination of its body, and in the simplified suspension mechanism, in order to give the human body the operator the same inclination, I had to turn the ring very quickly 1 at 90 o , this is the singularity that I spoke about.
Далее нами будет рассматриваться только "усложненная" конструкция механизма подвеса, в которой содержится кольцо 3, предназначенное для устранения сингулярностей подобного рода. Further, we will consider only the "complicated" design of the suspension mechanism, which contains the
Каким образом кольцо 3 справляется с этой задачей я расскажу позже, а сейчас необходимо договориться о направлении отсчета и о начале отсчета углов, определяющих в механизме подвеса взаимные повороты колец. How
На фиг. 84 кольца 1, 2, 3 и 4 имеют на одном из своих выступов "черную метку". Такие "черные метки" позволяют нам определить положительное направление отсчета углов, задающих взаимную ориентацию колец механизма подвеса:
"Угол между двумя кольцами возрастает, если кольцо меньшего диаметра поворачивается против часовой стрелки относительно кольца большего диаметра, при условии, что "черная метка" малого кольца направлена к нам."
Здесь было приведено самое общее правило, определяющее положительное направление поворотов, совершаемых друг относительно друга кольцами механизма подвеса. Это правило выработано на основе договора.In FIG. 84
"The angle between the two rings increases if the ring of smaller diameter is rotated counterclockwise relative to the ring of larger diameter, provided that the" black mark "of the small ring is directed towards us."
Here was given the most general rule that determines the positive direction of the turns made relative to each other by the rings of the suspension mechanism. This rule is developed on the basis of the contract.
Перейдем к рассмотрению конкретных углов. We proceed to consider specific angles.
Угол μ задает поворот кольца относительно кольца 2. Он увеличивается, если тело человека - оператора совместно с кольцом 1 совершает по отношению к кольцу 2 "кувырки вперед" /см. фиг. 90 и 91 /. За начало отсчета угла μ берется такое взаимное положение колец 1 и 2, когда ось X системы координат XYZ, жестко связанной с телом человека - оператора, перпендикулярна плоскости кольца 2, а ось Z системы координат XYZ при этом направлена в сторону "черной метки" кольца 2 /см. фиг. 90/. The angle μ determines the rotation of the ring relative to
Угол λ задает поворот кольца 2 относительно кольца 3. Угол λ увеличивается, если кольцо 2 поворачивается относительно кольца 3 в направлении, оговоренном общим правилом, определяющим положительное направление взаимных поворотов колец механизма подвеса. Начало отсчета угла λ определим следующим взаимным положением колец 2 и 3 /см. фиг. 92./: кольцо 2 своей "черной меткой" направлено на нас и перпендикулярно к плоскости кольца 3. "Черная метка" кольца 3 по отношению к нам направлена в правую сторону, а "черная метка" кольца 1 направлена вниз. The angle λ determines the rotation of the
Угол κ задает в механизме подвеса величину поворота кольца 3 относительно кольца 4. Он возрастает, если кольцо 3 поворачивается относительно кольца 4 в направлении, оговоренном общим правилом, определяющим положительное направление взаимных поворотов колец механизма подвеса. Началом отсчета угла κ выберем следующее взаимное положение колец 3 и 4 /см. фиг. 93 /: выступы - оси кольца 4 расположены строго вертикально, "черная метка" кольца 4 расположена внизу. Плоскость кольца 3 перпендикулярна плоскости кольца 4, а "черная метка" направлена направо. При этом "черная метка" кольца 2 направлена к нам. The angle κ defines in the suspension mechanism the amount of rotation of the
/Вообще фиг. 93 изображает ситуацию когда все углы равны нулю: μ = 0o, λ = 0o, κ = 0o.
Изменяя в механизме подвеса значения углов μ, λ, κ, мы сможем задавать человеку - оператору такой же наклон, как и у корпуса робота./ In general, FIG. 93 depicts a situation where all angles are equal to zero: μ = 0 o , λ = 0 o , κ = 0 o .
By changing the values of the angles μ, λ, κ in the suspension mechanism, we can set the human operator the same slope as that of the robot body.
/Необходимо заметить, что повороты на углы μ, λ, κ вокруг соответствующих выступов - осей механизма подвеса коммутируют - результат поворотов не зависит от последовательности их выполнения! Т.е. тело человека - оператора будет принимать один и тот же наклон θ, φ в пространстве при одних и тех же углах μ, λ, κ, независимо от очередности выполнения этих поворотов. Казалось бы, что это, противоречит известному утверждению о том, что: "результат двух /и более/ поворотов на конечные углы в самом общем случае зависит от последовательности выполнения этих поворотов" /см. И.И.Ольховский "Курс теоретической механики для физиков", 1970 г. М. стр. 150/. Однако это только что приведенное утверждение справедливо лишь при условии, что все повороты, как промежуточные, так и результирующий отсчитываются относительно абсолютно неподвижного пространства. / It should be noted that turns at angles μ, λ, κ around the corresponding protrusions - the axes of the suspension mechanism commute - the result of the turns does not depend on the sequence of their execution! Those. the body of a human operator will take the same slope θ, φ in space at the same angles μ, λ, κ, regardless of the sequence of these turns. It would seem that this contradicts the well-known assertion that: “the result of two / or more / rotations by finite angles in the most general case depends on the sequence of performing these rotations” / cm. I.I. Olkhovsky "The Course of Theoretical Mechanics for Physicists", 1970. M. p. 150 /. However, this statement just quoted is valid only under the condition that all turns, both intermediate and resulting, are counted relative to absolutely motionless space.
В случае же с механизмом подвеса только результирующий поворот /наклон тела человека - оператора/ рассматривается относительно абсолютного пространства, а все промежуточные повороты μ, λ, κ отсчитываются относительно жестких элементов конструкции механизма подвеса, поэтому-то повороты на углы μ, λ, κ и коммутируют. В этом при желании можно убедиться с помощью соответствующих геометрических построений./
Покажем, что конкретная пара углов θ и φ, определяющих наклон тела человека - оператора /подчеркиваю: наклон, а не ориентацию в пространстве/ в общем случае может быть реализована с помощью очень большого набора углов κ, λ, μ, если между этими углами существуют определенные соотношения.In the case with the suspension mechanism, only the resulting rotation / tilt of the human body - the operator / is considered relative to the absolute space, and all intermediate rotations μ, λ, κ are counted relative to the rigid structural elements of the suspension mechanism, therefore, rotations by the angles μ, λ, κ and commute. If you wish, you can verify this using the appropriate geometric constructions. /
We show that a particular pair of angles θ and φ that determine the inclination of the human body - the operator / I emphasize: the inclination, and not the orientation in space / in the general case can be realized using a very large set of angles κ, λ, μ, if between these angles certain ratios.
Рассмотрим фиг. 94, где изображены кольца 1, 2 и 3. Consider FIG. 94, which shows
Ранее мной указывалось, что для того чтобы придать телу человека - оператора такую же угловую ориентацию, как и у корпуса робота, необходимо в механизме подвеса определенным образом наклонить тело человека - оператора и одновременно повернуть его определенным образом вокруг вектора отвесной линии. Повороты тела человека - оператора вокруг вектора отвесной линии осуществляются в механизме подвеса за счет вращений кольца 4 вокруг его выступов - осей. Но сейчас, в данный момент, нас прежде всего интересуют наклоны тела человека - оператора относительно вектора отвесной линии, а не угловая ориентация вообще. Поэтому мы можем сейчас считать, что положение кольца 4 фиксировано в пространстве и рассматривать только повороты колец 1, 2, 3. Earlier, I pointed out that in order to give the body of the human operator the same angular orientation as that of the robot body, it is necessary to tilt the body of the human operator in a certain way and simultaneously turn it in a certain way around the vertical line vector. Rotations of the human body - the operator around the vertical line vector are carried out in the suspension mechanism due to the rotation of the
Жестко свяжем с кольцами 2, 3 и 4 системы координат: X2, Y2, Z2, X3, Y3, Z3 и X4, Y4, Z4 /на фиг. 94 в целях упрощения изображения кольцо 4 отсутствует, однако имеется связанная с ним система координат X4, Y4, Z4/.Rigidly connect with
Сейчас наша задача состоит в том, чтобы получить выражения / в виде формул/ для компонент вектора отвесной линии в системе координат: XYZ, жестко связанной с телом человека - оператора, последовательно выполнив с помощью механизма подвеса повороты κ, λ, μ.
Используем матрицы, описывающие повороты систем координат относительно друг друга.Now our task is to obtain expressions / in the form of formulas / for the components of the vertical line vector in the coordinate system: XYZ, rigidly connected with the body of the human operator, sequentially performing the turns κ, λ, μ using the suspension mechanism.
We use matrices that describe the rotations of coordinate systems relative to each other.
Матрица A, описывающая поворот системы координат X3, Y3, Z3 относительно системы координат X4, Y4, Z4 получается, если мы смотрим на систему X4, Y4, Z4 из системы координат X3, Y3, Z3 после совершения кольцом 3 поворота на угол κ относительно кольца 4, т.е. мы рассматриваем ситуацию так, как если бы система координат X4, Y4, Z4 вместе с вектором отвесной линии совершали бы поворот относительно системы координат X3, Y3, Z3 как одно целое.The matrix A describing the rotation of the coordinate system X 3 , Y 3 , Z 3 relative to the coordinate system X 4 , Y 4 , Z 4 is obtained if we look at the system X 4 , Y 4 , Z 4 from the coordinate system X 3 , Y 3 , Z 3 after the
/В действительности, конечно, все обстоит наоборот: система координат X4, Y4, Z4 неподвижна, а вращение на угол κ совершает относительно нее система координат X3, Y3, Z3./
При нахождении матрицы A необходимо учитывать также взаимное положение систем координат X4, Y4, Z4 и X3, Y3, Z3 /колец 4 и 3/, когда κ = 0o, т.е. начало отсчета угла κ /см. фиг. 95/. А также необходимо учитывать и взаимное положение систем координат X3, Y3, Z3 и X4, Y4, Z4 после того как кольцо 3 повернулось относительно кольца 4 в положительном направлении отсчета угла κ /см. фиг. 96/./ In reality, of course, the opposite is true: the coordinate system X 4 , Y 4 , Z 4 is stationary, and the coordinate system X 3 , Y 3 , Z 3 makes rotation relative to it.
When finding the matrix A, it is also necessary to take into account the mutual position of the coordinate systems X 4 , Y 4 , Z 4 and X 3 , Y 3 , Z 3 / rings 4 and 3 /, when κ = 0 o , i.e. origin of the angle κ / cm. FIG. 95 /. And also it is necessary to take into account the mutual position of the coordinate systems X 3 , Y 3 , Z 3 and X 4 , Y 4 , Z 4 after
Тогда в соответствии с фиг. 95 и 96 матрица A запишется
Аналогичные методы используются для получения других матриц:
Матрица В получается с помощью фиг. 97 и 98, она описывает поворот на угол λ системы координат X2, Y2, Z2 относительно системы координат X3, Y3, Z3:
Матрица С получается с помощью фиг. 99 и 100, она описывает поворот на угол μ системы координат XYZ относительно системы координат X2, Y2, Z2
В соответствии с фиг. 94 компоненты вектора отвесной линии в системе координат X4, Y4, Z4 имеют постоянные значения
(0,0-1). (70)
Используя матрицы A, B, C найдем значение компонент вектора отвесной линии в системе координат XYZ. Для этого надо использовать матричное умножение: вначале умножим компоненты вектора отвесной линии /формула (70)/ на матрицу A, полученный результат затем умножим на матрицу B, а потом и этот результат умножаем на матрицу С. Таким образом мы получим компоненты вектора отвесной линии в системе координат XYZ в виде формул
/Здесь надо обязательно заметить, что матрицы A, B и C между собой не коммутируют, несмотря на то, что повороты на углы κ, λ, μ коммутируют. Т.е. порядок выполнения матричного умножения в данном случае надо строго соблюдать./
С другой стороны мы, используя фиг. 4, можем для компонент вектора отвесной линии записать такие выражения
Напомню: сейчас я доказываю, что какой-то конкретный наклон θ, φ тела человека-оператора в механизме подвеса может быть получен в общем случае очень большим набором значений углов κ, λ, μ, если они удовлетворяют формулам 71.Then, in accordance with FIG. 95 and 96 matrix A is written
Similar methods are used to obtain other matrices:
Matrix B is obtained using FIG. 97 and 98, it describes a rotation through an angle λ of the coordinate system X 2 , Y 2 , Z 2 relative to the coordinate system X 3 , Y 3 , Z 3 :
Matrix C is obtained using FIG. 99 and 100, it describes the rotation by the angle μ of the coordinate system XYZ relative to the coordinate system X 2 , Y 2 , Z 2
In accordance with FIG. 94 components of the plumb line vector in the coordinate system X 4 , Y 4 , Z 4 have constant values
(0.0-1). (70)
Using the matrices A, B, C, we find the value of the components of the vertical line vector in the XYZ coordinate system. To do this, you need to use matrix multiplication: first, we multiply the components of the vertical line vector / formula (70) / by matrix A, then we multiply the result by matrix B, and then we multiply this result by matrix C. Thus, we obtain the components of the vertical line vector in XYZ coordinate system in the form of formulas
/ It should be noted here that the matrices A, B and C do not commute with each other, despite the fact that the rotations by the angles κ, λ, μ commute. Those. the order of matrix multiplication in this case must be strictly observed. /
On the other hand, using FIG. 4, we can write such expressions for the components of the vertical line vector
Let me remind you: now I prove that a specific slope θ, φ of the body of a human operator in the suspension mechanism can be obtained in the general case by a very large set of values of the angles κ, λ, μ, if they satisfy
Для примера рассмотрим такую ситуацию: вектор отвесной линии имеет в системе координат ориентацию, определяемую углами θ = 30o, φ = 0o. Тогда из формул (72) получаем
Xол=0,5; Yол=0,866; Zол=0. (73)
В механизме подвеса этот наклон тела человека - оператора относительно вектора отвесной линии может быть /в принципе/ реализован, если углы κ, λ, μ примут соответствующие числовые значения, указанные в какой-то /любой/ строке таблицы, приведенной на фиг. 101. Это как раз и есть наглядное доказательство того, что в механизме подвеса любой наклон тела человека-оператора в принципе мог бы быть получен бесконечным набором соответствующих комбинаций трех углов κ, λ, μ, удовлетворяющих выражениям 71 и 73.As an example, consider this situation: the vertical line vector has an orientation in the coordinate system defined by the angles θ = 30 o , φ = 0 o . Then from formulas (72) we obtain
X ol = 0.5; Y ol = 0.866; Z ol = 0. (73)
In the suspension mechanism, this inclination of the human body - the operator relative to the vertical line vector can be / in principle / realized if the angles κ, λ, μ take the corresponding numerical values indicated in some / any / row of the table shown in FIG. 101. This is just clear evidence that, in the suspension mechanism, any tilt of the human operator’s body could, in principle, be obtained by an infinite set of appropriate combinations of the three angles κ, λ, μ,
В связи с этим перед нами возникает вопрос; "Как из такого бесконечного набора комбинаций углов κ, λ, μ выбрать оптимальную, обеспечивающую в механизме подвеса наиболее эффективный способ придания необходимого наклона телу человека- оператора? " - это необходимо для рациональной организации электроники механизма подвеса. In this regard, a question arises before us; “How to choose the optimal, providing the most effective way to give the necessary tilt to the human operator’s body in the suspension mechanism from such an endless set of combinations of angles κ, λ, μ?” - this is necessary for the rational organization of the suspension mechanism electronics.
Чтобы ответить на поставленный вопрос надо вернуться к понятию "глобус наклонов" /см. выше и фиг. 27 /. To answer the question posed it is necessary to return to the concept of "globe tilt" / cm. above and FIG. 27 /.
Изобразим глобусы наклонов вокруг корпуса робота и вокруг тела человека - оператора, так, как это показано на фиг. 102 и 103. Let us depict globules of inclinations around the robot body and around the body of a human operator, as shown in FIG. 102 and 103.
Робот свободен, он может двигаться /наклоняться/ так, как ему заблагорассудится. Понятие "глобус наклонов" для него не играет особой роли. The robot is free, it can move / bend / as it pleases. The concept of “tilt globe” does not play a special role for him.
Тело же человека - оператора не является свободным, его ориентация в пространстве задается с помощью механизма подвеса, путем вращения соответствующих колец вокруг выступов осей. И именно здесь, в механизме подвеса, понятие "глобус наклонов" играет чрезвычайно важную демонстрационную роль. The body of the human operator is not free, its orientation in space is set using the suspension mechanism, by rotating the corresponding rings around the protrusions of the axes. And it is precisely here, in the suspension mechanism, that the concept of a “tilt globe” plays an extremely important demonstration role.
Глобус наклонов, жестко связанный с телом человека - оператора, разобьем мысленно на три сектора, выделив на его поверхности два "полярных круга" и "экваториальную часть" /см. фиг. 104, где полярные круги затемнены/. Точки поверхности глобуса наклонов, принадлежащие одному полярному кругу удовлетворяют условию
θ ≤ 30o. (74)
Для другого полярного круга выполняется
θ ≤ 150o (75)
Так вот, если нам необходимо, чтобы вектор отвесной линии проходил для человека - оператора через экваториальную часть глобуса, то мы будем задавать такие наклоны тела человека - оператора исключительно только с помощью двух колец механизма подвеса: с помощью вращений кольца 1 и кольца 2. Угол же κ при этом должен быть равен нулю, т.е.The tilt globe, rigidly connected with the body of the human operator, is mentally divided into three sectors, highlighting on its surface two "polar circles" and the "equatorial part" / cm. FIG. 104, where the polar circles are darkened. Points on the surface of the slope globe belonging to the same polar circle satisfy the condition
θ ≤ 30 o . (74)
For the other polar circle
θ ≤ 150 o (75)
So, if we need the vector of the vertical line to pass for the human operator through the equatorial part of the globe, then we will set such inclinations of the human body as the operator only using two rings of the suspension mechanism: using the rotations of
если: 30o < θ < 150o, то κ = 0o! (76)
Тогда в экваториальном секторе задание наклона тела человека- оператора будет осуществляться предельно просто: вращением кольца 1 мы будем устанавливать угол φ, а вращением кольца 2 угол θ.
Таким образом, если нам необходимо придать телу человека-оператора наклон, характеризуемый углами θ и φ, где угол θ заключен в интервале 30o < θ < 150o, то мы теперь можем это сделать уже только двумя способами в зависимости от того, к какому интервалу значений принадлежит угол λ: так, если мы выберем 0o ≤ λ1 ≤ 180o, то для задания углов θ и φ необходимо, чтобы углы λ1 и μ1 приняли следующие значения:
λ1 = θ; μ1 = φ, (77)
а если мы выбрали для угла λ интервал значений 180o < λ2 < 360o, то для задания тех же углов θ и φ необходимо, чтобы выполнялись равенства
λ2 = 360-θo; μ2 = φ+180o. (78)
/Вопрос о том, какой интервал значений угла λ выбрать для задания наклонов тела человека - оператора решается просто: договоримся, что электроника, обеспечивающая работу механизма подвеса, в первые мгновения после включения питания устройства должна всегда задавать режим 0o ≤ λ1 ≤ 180o. В дальнейшем, в процессе работы механизма подвеса, интервал значений угла λ может измениться и стать 180o < λ2 < 360o, но для этого в механизме подвеса вектор отвесной линии обязательно должен пройти через территорию полярного круга./
Теперь вместо бесконечного набора комбинаций углов κ, λ и μ, с определенными соотношениями между собой, мы имеем уже только две возможности, что, конечно же, является существенным упрощением ситуации.if: 30 o <θ <150 o , then κ = 0 o ! (76)
Then, in the equatorial sector, the task of tilting the body of a human operator will be extremely simple: by rotating the
Thus, if we need to give the body of a human operator a slope characterized by angles θ and φ, where the angle θ is in the
λ 1 = θ; μ 1 = φ, (77)
and if we have chosen for the angle λ the interval of
λ 2 = 360-θ o ; μ 2 = φ + 180 o . (78)
/ The question of which interval of values of the angle λ to choose for setting the slopes of the human body - the operator is solved simply: we agree that the electronics that provide the suspension mechanism should always set the
Now, instead of an infinite set of combinations of angles κ, λ, and μ, with certain relationships among themselves, we already have only two possibilities, which, of course, is a significant simplification of the situation.
/Пусть, например, на данный момент механизм подвеса задает телу человека-оператора наклон, характеризующийся углами θ и φ, одновременно от робота приходит информация о том, что наклон корпуса робота по отношению к вектору отвесной линии определяется иными углами θ′ и φ′. Электроника механизма подвеса вычисляет величины dθ = θ′-θ ≠ 0o и dφ = φ′-φ ≠ 0o, которые выступают в качестве сигналов рассогласования. Задача механизма подвеса - придать такой наклон телу человека-оператора, что dθ = 0o и dφ = 0o. И все, больше никаких особо сложных вычислений делать не придется, что позволяет очень сильно упростить электронные цепи механизма подвеса - фактически мы имеем здесь в достаточной степени простую, традиционную систему слежения./
Экваториальный сектор 30o < θ < 150o занимает на глобусе наклонов большую часть поверхности, примерно 86,6% площади сферы, поэтому в большинстве случаев в механизме подвеса можно будет воспользоваться относительно простой электроникой./ Suppose, for example, at the moment the suspension mechanism sets the slope of the human operator’s body, characterized by angles θ and φ, at the same time the information comes from the robot that the slope of the robot body relative to the vertical line vector is determined by other angles θ ′ and φ ′. The electronics of the suspension mechanism calculates the quantities dθ = θ′-
The
Из фиг. 105 и 106 становится ясно почему имеются только две возможности, реализующие один и тот же наклон тела человека- оператора относительно вектора отвесной линии, при условии, что 30o < θ < 150o.
На фиг. 105 и 106 изображены центральные детали механизма подвеса - кольца с номерами 1, 2, 3 и человек-оператор в управляющем костюме. В обоих случаях мы /внешние наблюдатели/ смотрим на механизм подвеса из одной и той же фиксированной точки, кольцо 3 неподвижно относительно нас, а вот кольца 2 и 1 совершают повороты.From FIG. 105 and 106, it becomes clear why there are only two possibilities that realize the same slope of the human operator’s body relative to the vertical line vector, provided that 30 o <θ <150 o .
In FIG. 105 and 106 depict the central details of the suspension mechanism - rings with
В первом случае /фиг. 105/ имеем такие углы поворотов колец 1 и 2: λ1 = 45o и μ1 = 300o. Во втором случае /фиг. 106/: λ2 = 315o и μ2 = 120o.In the first case / Fig. 105 / we have such angles of rotation of
Для демонстрации того факта, что наклоны тела человека- оператора в случае λ1 = 45o, μ1 = 300o и в случае λ2 = 315o, μ2 = 120o одинаковы, можно воспользоваться формулами (71). Поочередно подставим значения углов λ1 = 45o, μ1 = 300o, κ = 0o и λ2 = 315o, μ2 = 120o κ = 0o в формулы (71). В обоих случаях у нас получатся одни и те же значения компонент вектора отвесной линии в системе координат XYZ:
Xол=0,353; Yол=0,707; Zол=0,612, (79)
а это является бесспорным свидетельством того, что наклоны тела человека - оператора в обоих случаях одинаковы.To demonstrate the fact that the slopes of the human operator’s body in the case of λ 1 = 45 o , μ 1 = 300 o and in the case of λ 2 = 315 o , μ 2 = 120 o are the same, one can use formulas (71). Subsequently, we substitute the values of the angles λ 1 = 45 o , μ 1 = 300 o , κ = 0 o and λ 2 = 315 o , μ 2 = 120 o κ = 0 o in formulas (71). In both cases, we get the same values of the components of the plumb line vector in the XYZ coordinate system:
X ol = 0.353; Y ol = 0.707; Z ol = 0.612, (79)
and this is indisputable evidence that the slopes of the human body - the operator in both cases are the same.
Теперь рассмотрим такие наклоны тела человека-оператора, осуществляемые механизма подвеса, при которых вектор отвесной линии попадает на территорию полярного круга глобуса наклонов. Now we will consider such tilts of the human operator’s body, carried out by the suspension mechanism, in which the vertical line vector falls on the territory of the polar circle of the slope globe.
Напомню, что я определил полярный круг как множество точек поверхности глобуса наклонов, имеющих угол θ ≤ 30o,/ другой полярный круг - множество точек с: θ ≥ 150o/.Let me remind you that I defined the Arctic Circle as the set of points on the surface of the slope globe having an angle θ ≤ 30 o , / the other polar circle is the set of points with: θ ≥ 150 o /.
Ранее я уже указывал, что любая точка θ, φ на поверхности глобуса может быть в принципе реализована очень большим набором углов κ, λ, μ. В связи с этим у нас возникла проблема выбора из большого набора углов κ, λ, μ оптимальной комбинации при задании телу человека-оператора необходимого наклона. Для точек экваториальной части глобуса (30o < θ < 150o) эта проблема решалась фиксацией значения угла κ : κ = 0o.
Тогда наклоны тела человека - оператора в механизме подвеса задаются поворотами колец 1 и 2 на углы λ и μ, значения которых вычисляются по формулам (77) или (78).Earlier, I pointed out that any point θ, φ on the surface of the globe can, in principle, be realized by a very large set of angles κ, λ, μ. In this regard, we had the problem of choosing the optimal combination from a large set of angles κ, λ, μ when setting the necessary slope for the human operator. For points of the equatorial part of the globe (30 o <θ <150 o ), this problem was solved by fixing the value of the angle κ: κ = 0 o .
Then the slopes of the human body - the operator in the suspension mechanism are set by rotating the
Для полярных кругов эта проблема устраняется иным путем;
Введем для точек глобуса, принадлежащих полярному кругу, понятие "соседние точки" - это такие две близкие точки на поверхности глобуса, которые отстоят друг от друга на одно деление угла θ или /и/ угла φ /см. фиг. 107 /.For the polar circles, this problem is eliminated in a different way;
We introduce for the globe points belonging to the polar circle the concept of "neighboring points" - these are two close points on the surface of the globe that are spaced apart by one division of the angle θ or / and / of the angle φ / cm. FIG. 107 /.
На фиг. 107 точки: B, C, D являются соседними точками к точке A. Точки же: B, C уже не являются соседними к точке D, т.к. отстоят от нее на два деления угла φ.
Задача, стоящая перед нами, заключается в том, чтобы по возможности уменьшить /или вообще устранить/ сингулярности вблизи полярных точек глобуса наклонов. Математически это выражается так
|Δμ|+|Δλ|+|Δκ| _→ min, (80)
где Δμ = μ′-μ - разность углов между нынешним μ поворотом кольца 1 и будущим μ′ поворотом кольца 1, который необходимо задать для получения требуемого наклона тела человека-оператора.In FIG. 107 points: B, C, D are adjacent points to point A. Points: B, C are no longer adjacent to point D, because separated by two divisions of the angle φ.
The challenge facing us is to reduce, if possible, or even eliminate / the singularities near the polar points of the slope globe. Mathematically, this is expressed as
| Δμ | + | Δλ | + | Δκ | _ → min, (80)
where Δμ = μ′-μ is the difference in angles between the current μ rotation of
Аналогично для Δλ и Δκ.
Для решения этой задачи введем два достаточно очевидных граничных условия:
1: Угол κ ≠ 0 только на территории полярного круга. При подходе из внутренних областей полярного круга к его периферии значение угла κ плавно стремится к нулю. За пределами полярного круга κ = 0o.
2: Если вектор отвесной линии имеет полярную координату θ, равную нулю при любом φ, то κ = 0o, λ = 0o, угол μ поворота первого кольца механизма подвеса может иметь произвольное значение.Similarly for Δλ and Δκ.
To solve this problem, we introduce two fairly obvious boundary conditions:
1: Angle κ ≠ 0 only in the Arctic Circle. When approaching from the inner regions of the polar circle to its periphery, the value of the angle κ smoothly tends to zero. Outside the polar circle κ = 0 o .
2: If the vertical line vector has a polar coordinate θ equal to zero for any φ, then κ = 0 o , λ = 0 o , the angle μ of rotation of the first ring of the suspension mechanism can have an arbitrary value.
Далее введем еще несколько условий:
3: Угол κ на территории полярного круга в общем случае неравен нулю и может принимать значения в интервале от -12 до +12 градусов. При этом абсолютное максимальное значение которое может принимать угол κ для данной θ, φ точки полярного круга, определяется углом θ и задается кривой, изображенной на фиг. 108 - параболой, плавно переходящей в прямые. /Эта кривая выражается в аналитическом виде с помощью алгоритма, представленного на фиг. 109. / Полученное таким образом значение выступает в дальнейшем как "радиус-вектор " или как "амплитуда ".Next, we introduce some more conditions:
3: The angle κ in the Arctic Circle is generally non-zero and can take values in the range from -12 to +12 degrees. In this case, the absolute maximum value which can take the angle κ for a given θ, φ point of the polar circle, is determined by the angle θ and is given by the curve depicted in FIG. 108 - a parabola, smoothly turning into straight lines. / This curve is expressed in analytical form using the algorithm presented in FIG. 109. / Value thus obtained appears in what follows as a "radius vector "or how" amplitude "
4: У каждой θ, φ точки полярного круга имеется набор значений угла κt, который получается "как проекция радиус- вектора " с помощью формулы
где - "радиус-вектор", упоминавшийся в условии (3),
Т - "число секторов", на которые мы разбили воображаемую окружность, образованную радиус-вектором
t - целочисленный параметр: t ⊂ [0,T].
5: Для различных θ, φ точек полярного круга значение Т определяется в зависимости от значения θ:
если θ ⊂ ]0o,9o], то Т = 88; (82)
если θ ⊂ [10o,29o], то T = 4•(31 -θ ); (83)
если θ ≥ 30o, то T = 0. (84)
6: Для каждой θ, φ, точки полярного круга определяем набор значений угла λN, используя набор значений угла κt, полученный для данной точки полярного, и формулу
Здесь необходимо следить за знаком, который появляется перед λi. Договоримся, что если
данные элементы "набора λN " имеют отрицательные значения. А если
то такие элементы "набора λN " имеют положительные значения.4: Each θ, φ of the polar circle point has a set of values of the angle κ t , which is obtained "as a projection of the radius vector "using the formula
Where - "radius vector" referred to in condition (3),
T is the "number of sectors" into which we divided the imaginary circle formed by the radius vector
t is an integer parameter: t ⊂ [0, T].
5: For different θ, φ points of the polar circle, the value of T is determined depending on the value of θ:
if θ ⊂] 0 o , 9 o ], then T = 88; (82)
if θ ⊂ [10 o , 29 o ], then T = 4 • (31 -θ); (83)
if θ ≥ 30 o , then T = 0. (84)
6: For each θ, φ, polar circle point, we determine the set of values of the angle λ N , using the set of values of the angle κ t obtained for this polar point, and the formula
Here it is necessary to follow the sign that appears before λ i . We agree that if
these elements of the “set λ N " have negative values. What if
then such elements of the “set λ N " have positive values.
При этом количество элементов в "наборе λN " буде равно: N + T+2 /Элементы "набора λN " образованные при t=0 и при t=T/2 дадут в "набор λN " еще по одному элементу, таким образом и получается: N=Т+ 2, N ⊂ [2, 90].
7: Набор значений угла μ для данной θ, φ точки полярного круга найдем с помощью формул
если λi > 0o, то μi = φ-Si; (86)
если λi < 0o, то μi = φ+180-Si; (87)
где Si поправка, вычисляемая по формуле
Таким образом, каждой θ, φ точке полярного круга ставится в соответствие набор троек углов κn, λn, μn, где n ⊂ [1,N]. Каждая такая тройка углов κi, λi, μi может реализовать в механизме подвеса наклон θ, φ тела человека-оператора.Moreover, the number of elements in the “set of λ N " will be equal to: N + T + 2 / Elements of the “set of λ N ” formed at t = 0 and at t = T / 2 give to the “set λ N " one more element, and thus it turns out: N = T + 2, N ⊂ [2, 90].
7: The set of values of the angle μ for a given θ, φ point of the polar circle will be found using the formulas
if λ i > 0 o , then μ i = φ-S i ; (86)
if λ i <0 o , then μ i = φ + 180-S i ; (87)
where S i is the correction calculated by the formula
Thus, each θ, φ point of the polar circle is associated with a set of triples of angles κ n , λ n , μ n , where n ⊂ [1, N]. Each such triple of angles κ i , λ i , μ i can realize the slope θ, φ of the human operator’s body in the suspension mechanism.
Теперь допустим, что в какой-то момент времени вектор отвесной линии находится на территории полярного круга в точке с полярными координатами θ, φ, при этом внутренние кольца механизма подвеса, задающие наклон тела человека-оператора, повернуты относительно друг друга на определенные углы κ, λ, μ. Предположим, что у нас затем возникла необходимость изменить наклон тела человека-оператора таким образом, чтобы вектор отвесной линии оказался в θ′, φ′ точке полярного круга. Этой новой θ′, φ′ точке полярного круга соответствует набор троек углов содержащий N элементов /N троек углов/, и определяемый в соответствии с вышеперечисленными семью условиями.Now suppose that at some point in time the vector of the vertical line is located on the territory of the Arctic Circle at the point with polar coordinates θ, φ, while the inner rings of the suspension mechanism, defining the slope of the human operator’s body, are rotated relative to each other at certain angles κ, λ, μ. Suppose that we then had the need to change the tilt of the body of a human operator so that the vector of the vertical line was at the θ ′, φ ′ point of the polar circle. This new θ ′, φ ′ point of the polar circle corresponds to a set of triples of angles containing N elements / N triples of angles /, and determined in accordance with the above seven conditions.
Остается из этого набора троек углов выбрать такую, которая максимально удовлетворяла бы формуле (80), и повернуть внутренние кольца механизма подвеса на эти углы. Таким образом проблема сингулярности вблизи полярных точек будет решена. It remains to choose from this set of triples of angles one that would satisfy formula (80) as much as possible, and turn the inner rings of the suspension mechanism by these angles. Thus, the problem of singularity near the polar points will be solved.
Представленные условия позволяют разработать алгоритм, который реализован автором заявки в виде демонстрационной программы DATAPK. BAS. The presented conditions allow us to develop an algorithm that is implemented by the author of the application in the form of a demo program DATAPK. BAS.
Для получения формулы (85) необходимо приравнять вторые строки формул (71) и (72), запишем:
cosθ = cosλ•cosκ, (89)
откуда уже легко получается формула (85).To obtain formula (85), it is necessary to equate the second lines of formulas (71) and (72), we write:
cosθ = cosλ • cosκ, (89)
whence formula (85) is easily obtained.
Обоснуем формулы (86) и (88). We justify formulas (86) and (88).
Из-за того, что на территории полярного круга угол κ в общем случае не равен нулю, выражение μ = φ /см. формулы (77)/ не выполняется, и мы должны теперь воспользоваться для вычисления угла μ формулой (86). Где S играет роль поправки. Due to the fact that in the polar circle the angle κ is not generally zero, the expression μ = φ / cm. formula (77) / does not hold, and we must now use formula (86) to calculate the angle μ. Where S plays the role of amendment.
Для обоснования формулы 86 используем следующий прием: допустим, что мы смотрим на систему координат XYZ так, что при любых ее наклонах ось Y всегда направлена строго на нас. Т.е. мы как будто все время жестко насажены своим глазом на ось Y системы координат XYZ и совершаем вместе с ней наклоны относительно вектора отвесной линии. To justify
Пусть в начальный момент времени система координат XYZ имеет такую ориентацию, что вектор отвесной линии проходит через полярную точку глобуса наклонов θ = 0o, т.е. направлен по оси Y системы координат XYZ. Согласно второму условию, изложенному выше, подобная ориентация системы координат реализуется в механизме подвеса углами: κ = 0o, λ =0o, угол μ при этом может без ограничения общности равняться нулю. Выше мы договорились, что будем смотреть на систему координат XYZ так, что ось Y все время была бы направлена точно на нас. Тогда данная ситуация изображается фиг. 110.Suppose that at the initial moment of time the coordinate system XYZ has such an orientation that the vertical line vector passes through the polar point of the inclination globe θ = 0 o , i.e. directed along the y-axis of the XYZ coordinate system. According to the second condition stated above, a similar orientation of the coordinate system is realized in the suspension mechanism by angles: κ = 0 o , λ = 0 o , and the angle μ can be equal to zero without loss of generality. Above, we agreed that we would look at the XYZ coordinate system so that the Y axis would be directed exactly at us all the time. Then this situation is depicted in FIG. 110.
Допустим, что в следующий момент система координат XYZ претерпела в пространстве наклон. Так, что λ > 0o. При этом мы /внешние наблюдатели/ также подверглись подобному наклону и система координат XYZ по-прежнему направлена своей осью Y строго "к нам". Однако вектор отвесной линии уже неколлинеарен оси Y и дает проекцию на плоскость XOZ, перпендикулярную оси Y системы координат XYZ. Из фиг. 111 видно, что проекция вектора отвесной линии лежит на оси X системы координат XYZ, а это означает, что φ = 0o.
Теперь допустим, что система координат XYZ была повернута механизмом подвеса вокруг оси Y, так, что угол μ получил положительное приращение. Тогда для нас /наблюдателей/ взаимная ориентация системы координат XYZ и вектора отвесной линии представится фиг. 112, из которой видно, что φ ≠ 0o и φ = μ.
И в заключение пусть система координат XYZ получит с помощью механизма подвеса положительное приращение угла κ: κ > 0o /cм. фиг. 113/. Откуда видно, что φ = μ+S.
Таким образом формула (86) получила свое обоснование.Suppose that at the next moment, the XYZ coordinate system has undergone a slope in space. So that λ> 0 o . At the same time, we / external observers / also underwent a similar inclination and the coordinate system XYZ is still directed with its Y axis strictly “towards us”. However, the plumb line vector is already noncollinear to the Y axis and gives a projection onto the XOZ plane perpendicular to the Y axis of the XYZ coordinate system. From FIG. 111 it is seen that the projection of the vertical line vector lies on the X axis of the XYZ coordinate system, which means that φ = 0 o .
Now suppose that the XYZ coordinate system was rotated by the suspension mechanism around the Y axis, so that the angle μ received a positive increment. Then for us / observers / the relative orientation of the XYZ coordinate system and the vertical line vector will be presented in FIG. 112, which shows that φ ≠ 0 o and φ = μ.
In conclusion, let the XYZ coordinate system obtain, using the suspension mechanism, a positive increment of the angle κ: κ> 0 o / cm. FIG. 113 /. This shows that φ = μ + S.
Thus, formula (86) has been substantiated.
Теперь докажем формулу (88). Для этого выполним ряд геометрических построений. Now we prove formula (88). To do this, we perform a number of geometric constructions.
Пусть вначале ориентация системы координат XYZ в пространстве такова, что вектор отвесной линии совпадает по направлению с осью Y системы координат /см. фиг. 114 и 93/. First, let the orientation of the XYZ coordinate system in space be such that the vertical line vector coincides in direction with the Y axis of the coordinate system / cm. FIG. 114 and 93 /.
Эта ситуация реализуется в механизме подвеса, когда углы μ, λ, κ равны нулю, согласно второму условию, изложенному выше
Пусть в следующий момент механизм подвеса изменяет наклон системы координат XYZ так, что λ > 0o /см. фиг. 115/, при этом вектор отвесной линии остается на территории полярного круга, т.е. θ < 30o. Угол между осью X системы координат и проекцией вектора отвесной линии определяет значение угла φ, в данном случае φ = 0o.This situation is realized in the suspension mechanism, when the angles μ, λ, κ are equal to zero, according to the second condition described above
Suppose that at the next moment the suspension mechanism changes the slope of the coordinate system XYZ so that λ> 0 o / cm. FIG. 115 /, while the vector of the vertical line remains on the territory of the Arctic Circle, i.e. θ <30 o . The angle between the axis X of the coordinate system and the projection of the vertical line vector determines the value of the angle φ, in this case φ = 0 o .
Теперь допустил, что после этого система координат XYZ была еще раз наклонена механизмом подвеса, так, что угол κ получил положительное приращение и стал отличным от нуля: κ > 0o.Now he admitted that after this the coordinate system XYZ was once again tilted by the suspension mechanism, so that the angle κ received a positive increment and became nonzero: κ> 0 o .
Поворот системы координат XYZ на угол κ осуществляется путем ее вращения вокруг прямой, перпендикулярной вектору отвесной линии, /в большинстве ситуаций эта прямая не совпадает с какой-то конкретной осью системы координат ХY2/. Поэтому задание механизмом подвеса положительного приращения угла κ, при котором угол κ становится отличным от нуля, представляется в системе координат XYZ как изменение направления вектора отвесной линии, причем угол между предыдущим направлением вектора отвесной линии и новым направлением равен приращению угла κ. Это показано на фиг. 116. The coordinate system XYZ is rotated by an angle κ by rotating it around a straight line perpendicular to the vector of the vertical line / in most situations this line does not coincide with any particular axis of the coordinate system XY2 /. Therefore, setting the suspension mechanism to a positive increment of the angle κ at which the angle κ becomes nonzero appears in the XYZ coordinate system as a change in the direction of the vertical line vector, and the angle between the previous direction of the vertical line vector and the new direction is equal to the increment of the angle κ. This is shown in FIG. 116.
/Фиг. 114, 115 и 116 дают аксонометрические изображения системы координат XYZ на различных этапах ее эволюции, начиная от первого момента, когда λ = 0o, κ = 0o, и заканчивая моментом, когда λ = 10o, κ = 5o. Все эти три фигуры выполнены математически точно, т.е. перед тем, как чертить, я рассчитал параметры их элементов: направление и длину всех векторов. Но для дальнейших логических построений фиг. 114, 115 и 116 использовать неудобно./
Нарисую еще одну фиг. 117. Она несет такую же физическую нагрузку, как и фиг. 116. Однако в данном случае соотношения между элементами изображения сильно изменены /в частности, значительно увеличены величины углов λ и κ /. Такого рода искажения здесь вполне допустимы, они сделаны в чисто демонстрационных целях и в дальнейшем не повлияют на истинность приведенных логических построений./ Fig. 114, 115 and 116 give axonometric images of the XYZ coordinate system at various stages of its evolution, starting from the first moment when λ = 0 o , κ = 0 o , and ending with the moment when λ = 10 o , κ = 5 o . All three of these figures are mathematically accurate, i.e. Before drawing, I calculated the parameters of their elements: the direction and length of all vectors. But for further logical constructions of FIG. 114, 115 and 116 are inconvenient to use. /
I will draw another FIG. 117. It carries the same physical activity as FIG. 116. However, in this case, the relations between the image elements are greatly changed / in particular, the angles λ and κ / are significantly increased. Such distortions are quite admissible here; they are made for purely demonstrative purposes and will not affect the truth of the logical constructions given below.
Итак: на фиг. 117 изображены три некомпланарные луча, берущие начало в одной общей точке "О". Луч [O,A] символизирует собой ось Y системы координат XYZ. /см. фиг. 116/. Луч [O,B] изображает направление вектора отвесной линии в ситуации, когда система координат XYZ имела наклон: λ ≠ 0o, κ = 0o /см. фиг. 115 /. Угол между лучами [O,A] и [O,B] равен λ. Луч [O,F] совпадает по направлению с вектором отвесной линии, когда наклон системы координат задается в механизме подвеса углами: λ ≠ 0o, κ ≠ 0o /см. фиг. 116/. Угол между лучами [O,B] и [O,F] равен κ.
Рассечем луч [O, A] перпендикулярной плоскостью /см. фиг. 118 /. Тогда проекции лучей [O,B] и [O,F] на эту плоскость дадут нам отрезки [A,B] и [A, F]. Соединим точки B и F прямой линией, получим отрезок [B,F].So: in FIG. 117 depicts three non-coplanar rays originating at one common point "O". The ray [O, A] represents the Y axis of the XYZ coordinate system. /cm. FIG. 116 /. The ray [O, B] depicts the direction of the plumb line vector in a situation where the coordinate system XYZ had a slope: λ ≠ 0 o , κ = 0 o / cm. FIG. 115 /. The angle between the rays [O, A] and [O, B] is equal to λ. The ray [O, F] coincides in direction with the vector of the vertical line, when the inclination of the coordinate system is specified in the suspension mechanism by angles: λ ≠ 0 o , κ ≠ 0 o / cm. FIG. 116 /. The angle between the rays [O, B] and [O, F] is κ.
We cut the ray [O, A] perpendicular to the plane / cm. FIG. 118 /. Then the projections of the rays [O, B] and [O, F] on this plane will give us the segments [A, B] and [A, F]. Connect the points B and F by a straight line, we get the segment [B, F].
Таким образом мы получили четыре треугольника: Δ OAB, Δ OAF, Δ OBF и Δ ABF. Треугольники Δ OAB и Δ OAF - прямоугольные, т.к. катеты: [A,B] и [A,F] лежат в плоскости, перпендикулярной катету [O,A]. Плоскость треугольника Δ OAB перпендикулярна плоскости треугольника Δ OBF, т.к. в механизме подвеса оси, вращением вокруг которых задаются углы λ и κ, перпендикулярны друг другу. So we got four triangles: Δ OAB, Δ OAF, Δ OBF and Δ ABF. The triangles Δ OAB and Δ OAF are rectangular, because legs: [A, B] and [A, F] lie in a plane perpendicular to the leg [O, A]. The plane of the triangle Δ OAB is perpendicular to the plane of the triangle Δ OBF, because in the suspension mechanism, the axes, the rotation around which the angles λ and κ are set, are perpendicular to each other.
В результате того, что две взаимно перпендикулярные плоскости: OBF и OAB пересекаются третьей плоскостью ABF, перпендикулярной к плоскости OAB, мы получаем, что углы: ABF и OBF - прямые. As a result of the fact that two mutually perpendicular planes: OBF and OAB intersect with the third plane ABF, perpendicular to the plane OAB, we get that the angles: ABF and OBF are straight.
Таким образом, все четыре треугольника, представленные на фиг. 118, прямоугольные. Сложенные вместе они образуют пространственную фигуру: треугольную наклонную пирамиду /см. фиг. 118 /. Плоская развертка этой пирамиды представлена фиг. 119 - здесь все треугольники лежат в одной плоскости. Напомню, что катет [A,B] треугольника OAB получился в результате проекции вектора отвесной линии на плоскость BAF, параллельной плоскости XOZ, в ситуации, когда наклон системы координат XYZ определяется углами λ = 10o, κ = 0o.Thus, all four triangles shown in FIG. 118, rectangular. Folded together they form a spatial figure: a triangular slant pyramid / cm. FIG. 118 /. A flat scan of this pyramid is shown in FIG. 119 - here all the triangles lie in the same plane. Let me remind you that the leg [A, B] of the triangle OAB was obtained as a result of the projection of the plumb line vector onto the BAF plane parallel to the XOZ plane, in a situation where the inclination of the XYZ coordinate system is determined by the angles λ = 10 o , κ = 0 o .
Гипотенуза [A,B] треугольника ABF получилась в результате проекции вектора отвесной линии на плоскость ABF, параллельной плоскости XOZ системы координат XYZ, в ситуации, когда λ = 10o, κ = 5o.The hypotenuse [A, B] of the triangle ABF was obtained as a result of the projection of the vertical line vector on the plane ABF parallel to the XOZ plane of the XYZ coordinate system, in the situation when λ = 10 o , κ = 5 o .
Т.е. величина угла BAF - есть величина искомого угла S /поправки/!
Из треугольников, приведенных на фиг. 119, найдем математическую формулу, необходимую для вычисления поправки S.Those. the value of the angle BAF is the value of the desired angle S / correction /!
Of the triangles shown in FIG. 119, we find the mathematical formula necessary to calculate the correction S.
Сделаем допущение:
Пусть
|OB| = 1, (90)
Тогда
|BF| = tgκ и |AB| = sinλ. (91)
Отсюда уже легко получить:
т.е. формула (88) доказана.We make the assumption:
Let be
| OB | = 1, (90)
Then
| BF | = tgκ and | AB | = sinλ. (91)
From here it is already easy to get:
those. formula (88) is proved.
И наконец, обоснуем формулу (87). Для чего будем смотреть на систему координат XYZ так, что ось во всех случаях направлена точно на нас. Пусть в первый момент система координат имела такой наклон, что вектор отвесной линии был параллелен оси Y /см. фиг. 120/. Такая ситуация согласно второму условию, изложенному выше, в механизме подвеса получается, если μ =0o, λ = 0o, κ = 0o.Finally, we justify the formula (87). Why will we look at the XYZ coordinate system so that the axis in all cases is directed exactly at us. Suppose that at the first moment the coordinate system had such a slope that the vertical line vector was parallel to the Y / cm axis. FIG. 120 /. Such a situation, according to the second condition described above, in the suspension mechanism is obtained if μ = 0 o , λ = 0 o , κ = 0 o .
В следующий момент механизм подвеса изменяет наклон системы координат так, что λ < 0o, μ = 0o, κ = 0o /см. фиг. 121 /. Проекция вектора отвесной линии на плоскость XOZ системы координат XYZ оказалась в полуплоскости где X < 0.At the next moment, the suspension mechanism changes the slope of the coordinate system so that λ <0 o , μ = 0 o , κ = 0 o / cm. FIG. 121 /. The projection of the plumb line vector onto the XOZ plane of the XYZ coordinate system was in the half-plane where X <0.
Затем механизм подвеса еще раз изменил наклон системы координат, сделав κ > 0o, /см. фиг. 122 / теперь проекция вектора отвесной линии оказалась в той четверти координатной плоскости где: Z > О, X < 0. Тогда для фиг. 122 можно записать
φ = μ+180o+S, (93)
где μ без ограничения общности равно нулю. Отсюда получаем формулу (87).Then the suspension mechanism once again changed the inclination of the coordinate system, making κ> 0 o , / cm. FIG. 122 / now the projection of the vertical line vector is in that quarter of the coordinate plane where: Z> 0, X <0. Then for FIG. 122 can be written
φ = μ + 180 o + S, (93)
where μ without loss of generality is equal to zero. From this we obtain formula (87).
В реальной конструкции механизма подвеса для поиска нужной тройки углов κ, λ, μ следует использовать специализированные электронные цепи, осуществляющие параллельную обработку информации. Структура этих цепей может быть такой, как это изображено на фиг. 123. In the real design of the suspension mechanism, specialized electronic circuits carrying out parallel information processing should be used to search for the necessary triple of angles κ, λ, μ. The structure of these circuits may be as shown in FIG. 123.
Набор ПЗУ /постоянных запоминающих устройств/ количеством 90 штук образует первый ряд электронных элементов. /На фиг. 123 таких ПЗУ изображено только три./
Поясню почему в первом ряду применяется 90 ПЗУ. Дело в том, что максимальная длина N = Т+2 набора троек углов κ, λ, μ может составлять 90. А в каждом ПЗУ первого ряда хранится только одна тройка углов, соответствующая конкретной θ, φ точке полярного круга. Отсюда и появляется набор из 90 ПЗУ.A set of ROMs / read-only memory / 90 pieces form the first row of electronic elements. / In FIG. 123 of these ROMs are shown only three. /
I will explain why in the
На входы ПЗУ первого ряда через общую шину подаются значения θ′, φ′, характеризующие наклон, который мы собираемся придать телу человека-оператора. После чего на выходах ПЗУ первого ряда появляются значения троек углов, соответствующих наклону θ′, φ′. Причем на выходе каждого ПЗУ появляется только значения углов какой-то одной тройки κ′, λ′, μ′.
Далее эти значения троек углов в качестве операндов поступают на второй ряд электронных элементов, который состоит из 90 ПЛМ /программируемых логических матриц /. Каждая тройка углов, полученная от какого-то ПЗУ первого ряда, подается на свою "персональную" ПЛМ второго ряда. В качестве другого операнда на входы ПЛМ второго ряда из соответствующей общей шины поступают значения тройки углов κ, λ, μ, которая в данный момент реализует в механизме подвеса наклон θ, φ тела человека-оператора. На выходах ПЛМ появляются калиброванные значения абсолютных разностей троек углов - сравниваются значения κ, λ, μ внешней тройки углов и всевозможные значения троек углов κ′, λ′, μ′ которые будут задавать следующий θ′, φ′ наклон тела человека-оператора. Т.е. в ПЛМ второго ряда вычисляются такие выражения
Kn = |Δμ|+|Δλ|+|Δκ|, (94)
где n принимает значение от 1 до 90.The values of θ ′, φ ′, characterizing the slope that we are going to give to the body of a human operator, are fed to the inputs of the ROM of the first row through a common bus. After that, the values of triples of angles corresponding to the slope θ ′, φ ′ appear at the outputs of the ROM of the first row. Moreover, at the output of each ROM only the values of the angles of one triple κ ′, λ ′, μ ′ appear.
Further, these values of the triples of angles as operands are received on the second row of electronic elements, which consists of 90 PLM / programmable logic matrices /. Each triple of angles received from some ROM of the first row is fed to its "personal" second-row PLM. As another operand, the values of the triple of angles κ, λ, μ, which currently implements the slope θ, φ of the human operator’s body in the suspension mechanism, are received at the second-row PLC inputs from the corresponding common bus. At the outputs of the PLM, calibrated values of the absolute differences of the triples of angles appear - the values κ, λ, μ of the outer triple of angles are compared and all sorts of values of the triples of the angles κ ′, λ ′, μ ′ that will determine the next θ ′, φ ′ tilt of the human operator’s body. Those. in the second-row PLM, such expressions are calculated
K n = | Δμ | + | Δλ | + | Δκ |, (94)
where n takes a value from 1 to 90.
Одновременно с этим каждая ПЛМ второго ряда производит калибровку своего "персонального" выражения (94), дополняя его до наименьшего целого числа, превышающего или равного значению выражения (94). /Например, если в какой-то i-й ПЛМ второго ряда вычислено, что
Ki = |Δμ|+|Δλ|+|Δκ| = 2.56,
то на выходе i-й ПЛМ появится калиброванное значение этого выражения: Ki = 3, и т.д./
Затем полученные на ПЛМ колиброванные значения Kn попадают на входы дешифраторов /Дш/, где происходит их преобразование из двоичного разрядного кода в разрядный код с основанием единица. После чего преобразованные в дешифраторах значения подаются на общую шину. Причем эта разрядная шина с основанием единица, т.е. если на выходе каких-то ПЛМ второго ряда появляется калиброванное значение, равное нулю, то после дешифраторов на разрядном проводе шины, соответствующем нулю /это, например,- может быть первый провод "разрядной шины, с основанием единица"/, появляется положительный потенциал. А если одновременно с этим на выходах каких-то других ПЛМ второго ряда появляются калиброванные значения, равные пяти, то положительный потенциал появляется также и на разрядном проводе шины, соответствующем пяти /шестой провод шины/, таким образом на первом и шестом проводах шины появляются положительные потенциалы и т.д. Т.е. данная шина в своих разрядных проводах несет информацию одновременно о всех 90 Kn.At the same time, each second-line PLM calibrates its “personal” expression (94), supplementing it with the smallest integer that is greater than or equal to the value of expression (94). / For example, if in some i-th PLM of the second row it is calculated that
K i = | Δμ | + | Δλ | + | Δκ | = 2.56,
then the calibrated value of this expression will appear at the output of the i-th PLM: K i = 3, etc. /
Then, the calibrated values of K n obtained at the PLM go to the inputs of the decoders / Дш /, where they are converted from a binary bit code to a bit code with the base unit. Then the values converted in the decoders are fed to the common bus. Moreover, this bit bus with a base unit, i.e. if at the output of some PLCs of the second row a calibrated value appears, equal to zero, then after the decoders on the discharge wire of the bus corresponding to zero / this, for example, may be the first wire of the "discharge bus, with the base unit" /, a positive potential appears. And if at the same time calibrated values equal to five appear at the outputs of some other second-order PLCs, then the positive potential also appears on the discharge wire of the bus corresponding to the five / sixth bus wire /, thus positive on the first and sixth bus wires potentials etc. Those. this bus in its discharge wires carries information simultaneously about all 90 K n .
Далее к этой шине своими входами подключены электронные элементы четвертого ряда - девяносто ПЗУ. Одновременно к другим входам ПЗУ в качестве операндов от ПЛМ второго ряда в индивидуальном порядке поступают калиброванные значения Kn.Further, electronic elements of the fourth row — ninety ROMs — are connected to this bus with their inputs. At the same time, the other inputs of the ROM as operands from the second-row PLCs individually receive calibrated values of K n .
Назначение ПЗУ четвертого ряда состоит в том, чтобы сравнить индивидуальные калиброванные значения Ki, полученные от ПЛМ второго ряда, одновременно сразу со всеми Kn калиброванными значениями, имеющимися в наборе /в разрядной шине с основанием единица/.The purpose of the fourth row ROM is to compare the individual calibrated values of K i received from the second row PLC, simultaneously with all K n calibrated values available in the set / in the discharge bus with the base unit /.
В данном случае ПЗУ четвертого ряда выбирают из всего набора троек углов κ′, λ′, μ′, задающих в механизме подвеса будущий наклон тела человека-оператора, только те тройки углов, которые удовлетворяют выражению (80). Положительный потенциал появляется на выходе i-го ПЗУ четвертого ряда, если его индивидуальное K1 меньше или равно минимального значения всего набора троек углов.In this case, the fourth-row ROMs are selected from the entire set of triples of angles κ ′, λ ′, μ ′, which determine the future tilt of the human operator’s body in the suspension mechanism, only those triple angles that satisfy expression (80). A positive potential appears at the output of the i-th ROM of the fourth row if its individual K 1 is less than or equal to the minimum value of the entire set of triples of angles.
Затем в схеме идет ряд логических элементов ИЛИ и НЕ-И применение которых позволяет устранить неоднозначность - выделить из нескольких троек углов, удовлетворяющих выражению (80), какую-то одну. Это осуществляется тем, что появление на выходе какого-то i-го ПЗУ положительного потенциала блокирует выходы всех (90-i) ПЗУ, расположенных справа от него. Then in the circuit there is a series of logical elements OR and NAND, the application of which allows to eliminate the ambiguity - to select from one of the three triples of angles that satisfy expression (80) one. This is due to the fact that the appearance of an i-th ROM of a positive potential at the output blocks the outputs of all (90-i) ROMs located to the right of it.
В последнем ряду рассматриваемой электронной схемы располагается набор из 90 регистров, открывающих доступ на выходную шину единственной тройке углов κ′, λ′, μ′, удовлетворяющей всем семи условиям, изложенным выше. In the last row of the electronic circuit under consideration, there is a set of 90 registers that open access to the output bus to the only three angles κ ′, λ ′, μ ′ satisfying all seven conditions described above.
Поворотами внутренних колец механизма подвеса на эти углы и будет задаваться новый наклон θ′, φ′ тела человека-оператора. By turning the inner rings of the suspension mechanism at these angles, a new slope θ ′, φ ′ of the human operator’s body will be set.
Скорость параллельной обработки информации в такой электронной структуре определяется только переходными процессами. The speed of parallel processing of information in such an electronic structure is determined only by transients.
Здесь мною была описана только сама идея по созданию электронных цепей, осуществляющих быструю выборку из набора N = 90 нужной тройки углов, причем я сознательно опустил определенные нюансы. Here I described only the idea of creating electronic circuits that quickly select from the set N = 90 the desired three angles, and I deliberately omitted certain nuances.
Таким образом, здесь мы полностью рассмотрели вопросы, связанные с приданием телу человека-оператора того же наклона, что и у корпуса робота. Thus, here we fully examined the issues related to giving the body of a human operator the same tilt as that of the robot body.
Но для того чтобы тело человека-оператора получило в пространстве определенную угловую ориентацию одного лишь наклона недостаточно, необходимо еще совершить поворот на определенный угол вокруг вектора отвесной линии /см. текст выше, где сказано, что любое изменение ориентации корпуса робота мы можем рассматривать как наклон корпуса робота относительно вектора отвесной линии и как поворот вокруг вектора отвесной линии, происходящий одновременно с наклоном./
Ранее я уже указывал, что в механизме подвеса поворот тела человека - оператора вокруг вектора отвесной линии осуществляется путем вращения кольца 4 относительно колец 5 и 6. Но кроме этого вращение кольца 4 выполняет еще одну очень важную "нейтрализующую" роль.But in order for the body of a human operator to receive a certain angular orientation in space, just tilting it is not enough, it is still necessary to make a rotation by a certain angle around the vector of the vertical line / cm. the text above, which says that any change in the orientation of the robot body, we can consider as the inclination of the robot body relative to the vector of the vertical line and as a rotation around the vector of the vertical line, which occurs simultaneously with the inclination. /
Earlier, I pointed out that in the suspension mechanism the rotation of the human body - the operator around the vertical line vector is carried out by rotating the
Рассмотрим эти вопросы подробнее. Consider these issues in more detail.
Пусть в первый момент робот стоит вертикально /см. фиг. 79/. Let the robot stand vertically / cm at the first moment. FIG. 79 /.
Теперь допустим, человек-оператор принимает решение повернуть робота "направо". Тогда оператор начинает оказывать ногами соответствующее силовое воздействие на "штаны" управляющего костюма, что в свою очередь вызовет появление соответствующих усилий на ногах робота, после чего робот начнет поворачивать свой корпус направо. Такое небольшое изменение ориентации корпуса робота будет зафиксировано жидкостным инерционным датчиком ускоренных вращений, который перешлет по каналу связи информацию электронике механизма подвеса о том, что ориентация корпуса робота изменилась на величину: Δγ ≠ 0.
После чего механизм подвеса повернет кольцо 4 /а вместе с ним и тело человека - оператора / на угол Δγ и т.д., до тех пор, пока робот /и управляющий им человек-оператор/ полностью - на 90o - не совершат в пространстве поворот направо, задуманного человеком-оператором.Now suppose a human operator decides to turn the robot "to the right." Then the operator begins to exert a corresponding forceful effect on the "pants" of the control suit with his feet, which in turn will cause the appearance of the corresponding efforts on the legs of the robot, after which the robot will begin to turn its body to the right. Such a small change in the orientation of the robot body will be detected by a liquid inertial accelerated rotation sensor, which will send information via the communication channel to the electronics of the suspension mechanism that the orientation of the robot body has changed by Δγ ≠ 0.
After that, the suspension mechanism will rotate the
Процесс поворота робота и тела человека - оператора "направо" демонстрируется фиг. 79, 124, 125 и 126. The process of turning the robot and the human body - the operator "to the right" is shown in FIG. 79, 124, 125, and 126.
Вначале робот стоял вертикально см. фиг. 79, этому положению в механизме подвеса соответствовала ориентация тела человека - оператора, изображенная на фиг. 124. Фиг. 125 изображает робота уже после того, как он полностью выполнил поворот "направо", этому положению соответствует новая ориентация тела человека - оператора, задаваемая в механизме подвеса поворотом кольца 4 /см. фиг. 126/. At first, the robot stood upright, see FIG. 79, this position in the suspension mechanism corresponded to the orientation of the human body - the operator, depicted in FIG. 124. FIG. 125 depicts a robot already after it has completely completed the "right" turn, this position corresponds to a new orientation of the human body - the operator, defined in the suspension mechanism by turning the
Теперь поговорим о "нейтрализующей" роли, выполняемой кольцом 4. Now let's talk about the "neutralizing" role performed by
Для этого рассмотрим четыре позы, которые робот последовательно принимает в пространстве. To do this, consider four poses that the robot sequentially takes in space.
Пусть вначале наклон корпуса робота задается углами: θ = 40o, φ = 270o /см. фиг. 127/. В следующий момент робот начинает опускать верхнюю часть своего корпуса и одновременно с этим слегка перекатывается на живот, так, что углы θ = 40o, φ = 0o /см. фиг. 128/. Далее робот опять перекатывается на левое плечо и одновременно приподнимает нижнюю часть своего корпуса: θ = 40o, φ = 90o /см. фиг. 129/. И наконец, робот опускает свою нижнюю часть корпуса и слегка перекатывается на спину: θ = 40o, φ = 180o /см. фиг. 130/. Затем робот опять принимает позу, изображаемую фигурой 127, и весь цикл повторяется.Let first the slope of the robot body is set by the angles: θ = 40 o , φ = 270 o / cm. FIG. 127 /. At the next moment, the robot begins to lower the upper part of its body and at the same time rolls slightly onto the stomach, so that the angles θ = 40 o , φ = 0 o / cm. FIG. 128 /. Then the robot again rolls onto the left shoulder and at the same time raises the lower part of its body: θ = 40 o , φ = 90 o / cm. FIG. 129 /. And finally, the robot lowers its lower part of the body and rolls slightly onto its back: θ = 40 o , φ = 180 o / cm. FIG. 130 /. Then the robot again takes the pose depicted by figure 127, and the whole cycle repeats.
На глобусе наклонов тела человека - оператора, поворачиваемом в механизме подвеса, при подобных наклонах корпуса робота конец вектора отвесной линии будет описывать круги вокруг полярной точки: θ = 0o /см. фиг. 131/. И вот тут-то в механизме подвеса как раз и возникает тот нежелательный эффект, который нужно нейтрализовать поворотом кольца 4.On the globe of the tilts of the human body - the operator, rotated in the suspension mechanism, with such tilts of the robot body, the end of the vertical line vector will describe circles around the polar point: θ = 0 o / cm. FIG. 131 /. And here in the suspension mechanism exactly that undesirable effect arises that needs to be neutralized by turning the
Обратите внимание на то, что на фиг. 127 - 130 ось Z системы координат XYZ, жестко связанной с корпусом робота, все время направлена в одну сторону, вдоль одного и того же азимута. Т.е. робот не совершает в пространстве реального вращения вокруг вектора отвесной линии, а только лишь наклоняется относительно него. Note that in FIG. 127 - 130 the Z axis of the XYZ coordinate system, rigidly connected with the robot body, is always directed in one direction, along the same azimuth. Those. the robot does not make a real rotation in space around the vertical line vector, but only tilts relative to it.
В то время как в механизме подвеса мы будем вынуждены вращать тело человека - оператора для придания ему необходимых наклонов /см. фиг. 132-135 /:
фиг. 132 соответствует позе робота, изображенной на фиг. 127,
фиг. 133 соответствует позе робота, изображенной на фиг. 128,
фиг. 134 соответствует позе робота, изображенной на фиг. 129,
фиг. 135 соответствует позе робота, изображенной на фиг. 130.While in the suspension mechanism, we will be forced to rotate the body of the human operator to give him the necessary slopes / cm. FIG. 132-135 /:
FIG. 132 corresponds to the pose of the robot depicted in FIG. 127,
FIG. 133 corresponds to the pose of the robot depicted in FIG. 128,
FIG. 134 corresponds to the pose of the robot depicted in FIG. 129,
FIG. 135 corresponds to the pose of the robot depicted in FIG. 130.
Таким образом в механизме подвеса при задании телу человека - оператора необходимого наклона /с помощью вращения колец 1, 2 и 3 / одновременно возникает нежелательное вращение вокруг вектора отвесной линии. Thus, in the suspension mechanism, when the body of the operator, the operator, is given the necessary tilt / by rotation of the
Чтобы нейтрализовать это нежелательное вращение тела человека - оператора вокруг вектора отвесной линии мы будем поворачивать кольцо 4 ему навстречу. Тогда тело человека - оператора не будет совершать в пространстве незапланированного поворота вокруг вектора отвесной линии. Именно в этом и заключается нейтрализующая роль кольца 4. In order to neutralize this undesirable rotation of the human body - the operator around the vertical line vector, we will turn the
Итак, в механизме подвеса кольцо 4 за "бесконечно малый" промежуток времени: dt должно в общем случае повернуться вокруг своих выступов - осей /см фиг. 86, 93 /на угол:
dψ = dξ-dN, (95)
где величина угла dξ вычисляется по формуле (62). Физический смысл поворота на этот угол dξ был раскрыт ранее.So, in the suspension mechanism, the
dψ = dξ-dN, (95)
where the angle dξ is calculated by formula (62). The physical meaning of the rotation through this angle dξ was disclosed earlier.
Величина нейтрализуемого вращения dN вычисляется по формуле
По своей сути величина dN - это угол нежелательного вращения, на который повернется тело человека - оператора вокруг вектора отвесной линии за время dt при задании ему необходимого наклона: θi+1, φi+1.
Бесконечно малый промежуток: dt берется между двумя близкими моментами времени ti и ti+1:
dt = ti+1 - ti. (97)
Значения дифференциалов dλ и dμ вычисляются исходя из текущего и будущего наклонов тела человека - оператора. Т.е. в момент времени ti тело человека- оператора имеет наклон: θi, φi, который в механизме подвеса задан углами μi, λi, κi. Одновременно от робота по каналу связи к нам пришла информация, что наклон корпуса робота определяется иными углами θi+1, φi+1, близкими по своим значениям к углам θi, φi.
Для придания телу человека - оператора подобной угловой ориентации /как и у корпуса робота/ мы будем должны повернуть за время dt кольца 1, 2, 3, 4 на углы dμ, dλ, dκ и dψ.
Перед тем как выполнить повороты на эти углы электроника механизма подвеса должна вычислить их значения.The value of the neutralized rotation dN is calculated by the formula
In essence, the value of dN is the angle of unwanted rotation, which will turn the body of the person - the operator around the vector of the vertical line in time dt when he sets the necessary slope: θ i + 1 , φ i + 1 .
Infinitely small gap: dt is taken between two close points in time t i and t i + 1 :
dt = t i + 1 - t i . (97)
The values of the differentials dλ and dμ are calculated based on the current and future slopes of the human body - the operator. Those. at time t i, the body of the human operator has a slope: θ i , φ i , which in the suspension mechanism is given by the angles μ i , λ i , κ i . At the same time, information came to us from the robot via the communication channel that the tilt of the robot body is determined by other angles θ i + 1 , φ i + 1 , which are close in their values to the angles θ i , φ i .
To give the human body the operator a similar angular orientation / like the robot body / we will have to rotate the
Before making turns at these angles, the electronics of the suspension mechanism must calculate their values.
Дифференциал dμ вычисляется как разность будущего значения угла μi+1 и текущего значения угла μi:
dμ = μi+1-μi, (98)
где значение будущего угла μi+1 электроника механизма подвеса извлекает из набора ПЗУ, куда "зашиты" значения углов поворотов колец μ, λ, κ как функции от углов θ, φ, определяющих наклон /см. текст выше/.The differential dμ is calculated as the difference between the future value of the angle μ i + 1 and the current value of the angle μ i :
dμ = μ i + 1 -μ i , (98)
where the value of the future angle μ i + 1 the electronics of the suspension mechanism extracts from the set of ROMs, where the values of the rotation angles of the rings μ, λ, κ are “sewn” as a function of the angles θ, φ that determine the slope / cm. text above.
Аналогичным образом вычисляются дифференциалы dλ и dκ:
dλ = λi+1-λi; (99)
dκ = κi+1-κi. (100)
В формуле (96) перед дифференциалами dλ и dμ стоят коэффициенты [sinκ(ti)] и [cosκ(ti)•cosλ(ti)], значения которых берутся на текущий момент времени ti.The differentials dλ and dκ are calculated in a similar way:
dλ = λ i + 1 -λ i ; (99)
dκ = κ i + 1 -κ i . (100)
In formula (96), the differentials dλ and dμ are faced by the coefficients [sinκ (t i )] and [cosκ (t i ) • cosλ (t i )], the values of which are taken at the current time t i .
Обосную формулу (96). The justification formula (96).
Для этого рассмотрим следующий пример:
Допустим, что у нас имеется твердое тело, вращаемое на механической оси A-B см. фиг. 136 /. Ось вращения A-B направлена под углом θ к вектору отвесной линии. Введем в рассмотрение две системы координат: систему XYZ и систему XoYoZo, такие, что ось Zo системы XoYoZo направлена противоположно вектору отвесной линии, оси Yo и Y совпадают /совмещены/ и направлены под углом 90o к оси Zo, ось X сонаправлена с механической осью вращения A-B, а ось Xo компланарна оси X /см. фиг. 137./.To do this, consider the following example:
Assume that we have a solid body that rotates on the mechanical axis AB, see fig. 136 /. The axis of rotation AB is directed at an angle θ to the plumb line vector. We introduce two coordinate systems: the XYZ system and the X o Y o Z o system , such that the Z o axis of the X o Y o Z o system is directed opposite the vertical line vector, the Y o and Y axes coincide / are aligned / and are angled 90 o to the Z o axis, the X axis is aligned with the mechanical axis of rotation AB, and the X o axis is coplanar to the X / cm axis. FIG. 137./.
Несмотря на то, что твердое тело вращается вокруг оси A-B, системы координат XoYoZo и XYZ неподвижны в пространстве, т.е. твердое тело не вовлекает во вращение системы координат.Despite the fact that the solid rotates around the axis AB, the coordinate systems X o Y o Z o and XYZ are stationary in space, i.e. a solid does not involve a coordinate system in rotation.
Угол N, на который происходит вращение твердого тела вокруг оси Zo /вокруг вектора отвесной линии/, определим как дугу, описываемую в пространстве единичным радиус - вектором, перпендикулярным оси Zo. Вращение этого единичного радиус - вектора вокруг оси Zo рисует в плоскости XoOYo окружность единичного радиуса, которая на фиг. 138 выглядит как эллипс. /Единичный радиус - вектор пока что не связан ни с какой конкретной материальной точкой твердого тела./
Теперь выберем в твердом теле материальную точку "A", располагающуюся на расстоянии от оси вращения A-B. /см. фиг. 138/.The angle N, at which the rigid body rotates around the Z o axis / around the vertical line vector /, is defined as the arc described in space by a unit radius - a vector perpendicular to the Z o axis. The rotation of this unit radius - vector around the axis Z o draws in the plane X o OY o a circle of unit radius, which in FIG. 138 looks like an ellipse. / Unit radius - the vector is not yet connected with any particular material point of the solid. /
Now, in the solid, select the material point "A" located at a distance from the axis of rotation AB. /cm. FIG. 138 /.
На фиг. 138 показан общий вид систем координат XoYoZo и XYZ /здесь использованы аксонометрические проекции/, большой эллипс изображает единичную окружность, описываемую в пространстве вокруг оси Zo единичным радиус - вектором, а малый эллипс изображает окружность, описываемую материальной точкой "A" при вращении материального твердого тела вокруг механической оси A-B.In FIG. 138 shows a general view of the coordinate systems X o Y o Z o and XYZ / axonometric projections are used here /, the large ellipse represents the unit circle described in space around the axis Z o by the unit radius - vector, and the small ellipse represents the circle described by the material point "A "during the rotation of a solid material around the mechanical axis AB.
Найдем вектор линейной скорости материальной точки "A" в момент, когда она пересекает единичную окружность при вращении твердого тела вокруг оси Х. Далее мы находим проекцию этой линейной скорости на касательную к единичной окружности, проведенную в точке, где вектор пересекает окружность. Отсюда мы уже легко можем найти угловую скорость, которую имеет материальная точка "A" по отношению к оси Zo в момент прохождения точкой "A" плоскости XoOYo.We find the linear velocity vector of the material point "A" at the moment when it intersects the unit circle when the solid rotates around the X axis. Next, we find the projection of this linear speed on the tangent to the unit circle drawn at the point where the vector crosses a circle. From here we can already easily find the angular velocity that the material point "A" has with respect to the axis Z o at the moment the point "A" passes through the plane X o OY o .
Точка "A" была выбрана нами в твердом теле достаточно произвольно, понятие: "единичный радиус-вектор" также имеет достаточно произвольную интерпретацию. Отсюда мы получаем проекцию вектора угловой скорости на ось Zo для всех точек твердого тела, когда они в своем вращении пересекают плоскость XoOYo.The point "A" was chosen by us in a solid quite arbitrarily, the concept: "unit radius vector" also has a fairly arbitrary interpretation. From here we get the projection of the angular velocity vector on the Z o axis for all points of the solid when they intersect the X o OY o plane in their rotation.
Фиг. 139 дает нам изображение фиг. 138 сверху, так что ось Zo системы координат XoYoZo направлена к нам.FIG. 139 gives us an image of FIG. 138 above, so that the axis Z o of the coordinate system X o Y o Z o is directed towards us.
Фиг. 140 дает вид фиг. 138 сбоку, так что ось Yo системы координат XoYoZo направлена к нам.FIG. 140 gives the view of FIG. 138 on the side, so that the axis Y o of the coordinate system X o Y o Z o is directed towards us.
На фиг. 138 и 139 был введен в рассмотрение единичный радиус-вектор лежащий в плоскости XoOYo. Этот вектор берет свое начало в точке "О" и заканчивается в той точке единичной окружности, через которую материальная точка "A" пересекает плоскость XoOYo.In FIG. 138 and 139 the unit radius vector was introduced lying in the plane X o OY o . This vector originates at the point "O" and ends at that point of the unit circle through which the material point "A" intersects the plane X o OY o .
Как видно из фиг. 139, вектор имеет в системе координат XoYoZo следующие компоненты:
(cosρ, sinρ, 0). (101)
Теперь с помощью матрицы, описывающей переход от системы координат XoYoZo к системе XYZ /см. фиг. 140/:
можно записать компоненты вектора в системе координат XYZ:
(cosρ•sinθ, sinρ, cosρ•cosθ). (103)
Отсюда уже легко получить компоненты вектора в тот момент, когда материальная точка "A" пересекает при своем вращении единичную окружность, лежащую в плоскости XoOYo:
(0, sinρ, cosρ•cosθ). (104)
Найдем с помощью векторного произведения компоненты вектора линейной скорости материальной точки "A" в системе координат XYZ. Для этого рассмотрим векторное произведение двух векторов: вектора и вектора задающего вращение твердого тела. Вектор имеет в системе координат XYZ следующие компоненты:
Тогда вектор линейной скорости материальной точки "A" :
Т.е. через компоненты линейная скорость материальной точки "A" в системе XYZ запишется так:
Теперь перейдем от системы координат XYZ к системе координат XoYoZo. Для этого транспонируем матрицу, записанную в выражении (102)
Тогда вектор линейной скорости материальной точки "A" в системе координат XoYoZo имеет следующие компоненты:
Найдем проекцию этого вектора линейной скорости на касательную к единичной окружности в точке, где заканчивается вектор /см. фиг. 141/. Для этого необходимо вначале определить единичный вектор, перпендикулярный вектору и лежащий в плоскости XoOYo. Такой вектор в системе координат XoYoZo имеет компоненты /см. фиг. 141 /:
(sinρ, -cosρ, 0). (110)
Искомая нами проекция вектора линейной скорости материальной точки "A" на касательную определяется скалярным произведением вектора линейной скорости /выражение (109)/ и единичного вектора, касательного к окружности /выражение (110)./:
Итак, мы получили
/О том, что связь между и будет именно такой, можно было догадаться. Собственно говоря, я так и поступил, а здесь уже просто подогнал доказательство под интуитивно полученный ответ./
Теперь уже не составит труда объяснить появление формулы (96).As can be seen from FIG. 139, vector has the following components in the coordinate system X o Y o Z o :
(cosρ, sinρ, 0). (101)
Now, using the matrix describing the transition from the coordinate system X o Y o Z o to the XYZ / cm system. FIG. 140 /:
you can write the components of the vector in the XYZ coordinate system:
(cosρ • sinθ, sinρ, cosρ • cosθ). (103)
From here it is already easy to obtain the components of the vector at the moment when the material point "A" intersects during its rotation a unit circle lying in the plane X o OY o :
(0, sinρ, cosρ • cosθ). (104)
Using the vector product, we find the components of the linear velocity vector of the material point “A” in the coordinate system XYZ. To do this, consider the vector product of two vectors: a vector and vector specifying the rotation of a rigid body. Vector has the following components in the XYZ coordinate system:
Then the linear velocity vector of the material point "A":
Those. through the components, the linear velocity of the material point "A" in the XYZ system can be written as follows:
Now we move from the coordinate system XYZ to the coordinate system X o Y o Z o . To do this, we transpose the matrix written in the expression (102)
Then the linear velocity vector of the material point "A" in the coordinate system X o Y o Z o has the following components:
We find the projection of this linear velocity vector onto the tangent to the unit circle at the point where the vector ends /cm. FIG. 141 /. To do this, you must first determine the unit vector perpendicular to the vector and lying in the plane X o OY o . Such a vector in the coordinate system X o Y o Z o has components / cm. FIG. 141 /:
(sinρ, -cosρ, 0). (110)
The projection of the linear velocity vector of the material point “A” onto the tangent that we are looking for is determined by the scalar product of the linear velocity vector / expression (109) / and the unit vector tangent to the circle / expression (110) ./:
So we got
/ That connection between and it will be just that, one could guess. As a matter of fact, I did just that, and here I simply adapted the proof to the intuitively received answer. /
Now it will not be difficult to explain the appearance of formula (96).
Первое слагаемое [sinκ(ti)•dλ, записанное в формуле (96), определяет величину поворота тела человека - оператора вокруг вектора отвесной линии, когда кольцо 2 поворачивается в механизме подвеса на угол dλ. По своей сути выражение [sinκ(ti)•dλ - это проекция "вектора вращения" на вектор отвесной линии. /Появление перед dλ "sin" а не "cos", как это казалось бы следует из формулы (112), объясняется тем, что в механизме подвеса угол κ берет свое начало /начинает свой отсчет/ в положении, когда плоскость кольца 3 перпендикулярна вектору отвесной линии /см. фиг. 93 //. Второй член суммы (96) определяет величину поворота тела человека - оператора вокруг вектора отвесной линии, вызванного вращением dμ кольца 1 механизма подвеса. Перед дифференциалом dμ имеется коэффициент, состоящий из произведения косинусов, его появление объясняется формулой (89).The first term [sinκ (t i ) • dλ, written in formula (96), determines the amount of rotation of the human body, the operator, around the vertical line vector, when
В формулу (96) не входит дифференциал dκ, т.к. оси - выступы кольца 3 всегда остаются перпендикулярными вектору отвесной линии и проекция вектора на вектор отвесной линии всегда равна нулю. Однако повороты кольца 3 изменяют наклоны выступов - осей колец 1 и 2, поэтому-то значение угла κ и входит через "sin " и "cos" в коэффициенты, стоящие перед dλ и dμ.
Предложенная здесь конструкция механизма подвеса обладает еще одним достоинством, заключающимся в том, что при задании наклонов тела человека-оператора сингулярные эффекты могут проявляться в механизме подвеса только тогда, когда антропоморфный робот находится в максимально устойчивом положении - лежит на правом или левом боку, поэтому сингулярные эффекты не отразятся на устойчивости вертикальной походки робота.Formula (96) does not include the differential dκ, because axis - the protrusions of the
The suspension mechanism design proposed here has one more advantage, namely, that when defining the body of a human operator, singular effects can appear in the suspension mechanism only when the anthropomorphic robot is in the most stable position — it lies on the right or left side, therefore, singular effects will not affect the stability of the vertical gait of the robot.
Предложенный здесь способ /физическая теория механизма подвеса и датчиков угловой ориентации/ позволяет изготовить дистанционно управляемый, копирующий, антропоморфный, шагающий робот, имеющий повышенную маневренность и повышенную проходимость /по сравнению с роботами, передвигающимися на колесном или гусеничном ходу /. The method proposed here (physical theory of the suspension mechanism and sensors of angular orientation) makes it possible to manufacture a remotely controlled, replicating, anthropomorphic walking robot with increased maneuverability and increased cross-country ability / compared to robots moving on a wheeled or tracked track /.
Способ защиты электроники антропоморфного робота от воды. A method of protecting the electronics of an anthropomorphic robot from water.
По этому способу наружное покрытие робота состоит из двух слоев. Первый слой - сборные щитки, изготовленные из нержавеющих сплавов. Одно из назначений этих "рыцарских доспехов" - защитить внутренности робота от колюще-режущих воздействий окружающих предметов. Для этого металлические щитки должны полностью прикрывать собой поверхность робота. В тех местах, где у робота размещаются суставы, щитки должны при необходимости заходить друг за друга, чтобы не мешать роботу сгибать сустав. In this method, the outer coating of the robot consists of two layers. The first layer is prefabricated shields made of stainless alloys. One of the purposes of these "knightly armor" is to protect the inside of the robot from the piercing and cutting effects of surrounding objects. To do this, the metal shields must completely cover the surface of the robot. In those places where the robot has joints, the shields should, if necessary, go behind each other so as not to interfere with the robot bending the joint.
Под металлическими щитками находится сплошная полимерная оболочка, наподобие той, которая надевается на тело человека-водолаза, работающего в трехболтовом водолазном снаряжении. /Вероятно, эту оболочку будет лучше изготовить не из резины, а из нейлона, который, как мне известно, более стойко переносит воздействие углеводородных соединений./
В тех местах, где у робота располагаются наиболее подвижные суставы /плечевые, тазовые, коленные,.../ между металлическими щитками и полимерной оболочкой должна располагаться кольчужная прокладка - структура, сплетенная из металлических колец.Under the metal shields is a continuous polymer shell, like the one that is worn on the body of a human diver working in three-bolt diving equipment. / Probably, this shell will be better made not of rubber, but of nylon, which, as I know, is more resistant to the effects of hydrocarbon compounds. /
In those places where the robot has the most movable joints / shoulder, pelvic, knee, ... / between the metal shields and the polymer shell should be located chain-link gasket - a structure woven from metal rings.
Назначение этой кольчужной прокладки состоит в том, чтобы предохранить полимерную оболочку от случайного защемления металлическими щитками и от разрыва, когда робот сгибает сустав и щитки заходят друг за друга. /Кольца кольчуги должны иметь достаточно крупные размеры, чтобы не попасть между щитками, а сами щитки должны быть тщательно подогнаны друг к другу, чтобы зазор между ними был по возможности меньше. The purpose of this chain-link gasket is to protect the polymer shell from being accidentally pinched by metal shields and from tearing when the robot bends the joint and the shields go one after another. / The chain mail rings should be large enough not to fall between the shields, and the shields themselves should be carefully adjusted to each other so that the gap between them is as small as possible.
При погружении робота - водолаза на глубину вода, конечно, легко проникнет в щели между металлическими щитками и сквозь кольца кольчуги, но она не сможет пройти дальше внутрь робота через герметичную, сплошную, полимерную оболочку. When a robot diver is immersed to a depth, water, of course, will easily penetrate the gaps between the metal shields and through the chain mail rings, but it will not be able to go further inside the robot through an airtight, continuous, polymer shell.
С увеличением глубины погружения робота - водолаза будет возрастать и давление воды на полимерную оболочку. Однако полимерная оболочка будет сохранять объем, заключенный внутри нее, т.к. она заполнена "несжимаемой" жидкостью /керосином или соляркой/. Поэтому нам удастся предотвратить сжатие и разрыв полимерной оболочки под воздействием возрастающего внешнего давления воды. With an increase in the immersion depth of the robot-diver, the water pressure on the polymer shell will also increase. However, the polymer shell will retain the volume enclosed within it, as it is filled with an "incompressible" liquid / kerosene or diesel fuel /. Therefore, we will be able to prevent compression and rupture of the polymer shell under the influence of increasing external water pressure.
Таким образом электроника робота - водолаза все время будет находиться в неагрессивной, диэлектрической среде /в керосине или в солярке/, этим мы и сможем защитить ее от воздействия морской воды. Thus, the electronics of the robot-diver will be in a non-aggressive, dielectric environment / in kerosene or in diesel fuel / all the time, and we can protect it from the effects of sea water.
Примечание:
Диэлектрическая жидкость, заполняющая полимерную оболочку, играет роль смазки для внутренних механизмов робота - водолаза /при этом ее можно даже принудительно нагнетать между трущимися поверхностями суставов робота/. На суше "рыцарские доспехи" робота - водолаза предотвращают "раздувание" полимерной оболочки в нижней части робота под воздействием веса диэлектрической жидкости, заключенной в полимерной оболочке.Note:
The dielectric fluid filling the polymer shell plays the role of a lubricant for the internal mechanisms of the robot - the diver / while it can even be forced to pump between the rubbing surfaces of the joints of the robot /. On land, the "knightly armor" of a robot-diver prevents the "shell" of the polymer shell in the lower part of the robot from being inflated by the weight of the dielectric fluid enclosed in the polymer shell.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97105586A RU2134193C1 (en) | 1997-04-03 | 1997-04-03 | Method of remote control of anthropomorphic walking and copying robot |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97105586A RU2134193C1 (en) | 1997-04-03 | 1997-04-03 | Method of remote control of anthropomorphic walking and copying robot |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97105586A RU97105586A (en) | 1999-04-10 |
RU2134193C1 true RU2134193C1 (en) | 1999-08-10 |
Family
ID=20191724
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97105586A RU2134193C1 (en) | 1997-04-03 | 1997-04-03 | Method of remote control of anthropomorphic walking and copying robot |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2134193C1 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494335C1 (en) * | 2012-04-26 | 2013-09-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро приборостроения" | Method of determining angle of bank of missile regularly spinning in roll and device to this end |
CZ307125B6 (en) * | 2015-11-30 | 2018-01-24 | Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava | Motion control of anthropomorphic robotic systems with many degrees of freedom based on principles of independent motion control in the direction of characteristic vectors of the linearized dynamic Lagrange equation and the anthropomorphic robotic system |
RU2698364C1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-08-26 | Акционерное общество "Волжский электромеханический завод" | Exoskeleton control method |
RU2731793C1 (en) * | 2019-09-17 | 2020-09-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург" | Device for remote measurement of kinematic characteristics of human 3d motion, including anthropomorphic mechanism |
RU2743952C2 (en) * | 2019-01-16 | 2021-03-01 | Александр Яковлевич Стрельцов | Method of forced angular orientation of the head and pelvis of a human operator in a suspension mechanism used for remote control of an anthropomorphic robot |
US11422625B2 (en) | 2019-12-31 | 2022-08-23 | Human Mode, L.L.C. | Proxy controller suit with optional dual range kinematics |
-
1997
- 1997-04-03 RU RU97105586A patent/RU2134193C1/en active
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494335C1 (en) * | 2012-04-26 | 2013-09-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское бюро приборостроения" | Method of determining angle of bank of missile regularly spinning in roll and device to this end |
CZ307125B6 (en) * | 2015-11-30 | 2018-01-24 | Vysoká Škola Báňská-Technická Univerzita Ostrava | Motion control of anthropomorphic robotic systems with many degrees of freedom based on principles of independent motion control in the direction of characteristic vectors of the linearized dynamic Lagrange equation and the anthropomorphic robotic system |
RU2698364C1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-08-26 | Акционерное общество "Волжский электромеханический завод" | Exoskeleton control method |
RU2743952C2 (en) * | 2019-01-16 | 2021-03-01 | Александр Яковлевич Стрельцов | Method of forced angular orientation of the head and pelvis of a human operator in a suspension mechanism used for remote control of an anthropomorphic robot |
RU2731793C1 (en) * | 2019-09-17 | 2020-09-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург" | Device for remote measurement of kinematic characteristics of human 3d motion, including anthropomorphic mechanism |
US11422625B2 (en) | 2019-12-31 | 2022-08-23 | Human Mode, L.L.C. | Proxy controller suit with optional dual range kinematics |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Woolard | Theory of the rotation of the Earth around its center of mass | |
Zhu et al. | A real-time articulated human motion tracking using tri-axis inertial/magnetic sensors package | |
Savage | Strapdown analytics | |
Bachmann et al. | Inertial and magnetic tracking of limb segment orientation for inserting humans into synthetic environments | |
US7143648B2 (en) | Magnetofluidic accelerometer with capacitive sensing of inertial body position | |
GB2146776A (en) | Accelerometer systems | |
RU2134193C1 (en) | Method of remote control of anthropomorphic walking and copying robot | |
JP5185825B2 (en) | Method for estimating solid movement | |
Sun et al. | Fiber-based rotary strapdown inertial navigation system | |
Hunter | Determination of the distribution function of an elliptical galaxy | |
Fontaine et al. | Sourceless human body motion capture | |
Haslwanter | 3D Kinematics | |
Shkel et al. | Pedestrian inertial navigation with self-contained aiding | |
Cutnell et al. | Physics | |
Calusdian | A personal navigation system based on inertial and magnetic field measurements | |
Chelnokov | Inertial navigation equations for the apparent and gravitational velocities and their analytic solutions for an immovable object | |
RU97105586A (en) | REMOTE CONTROL METHOD IN COPY MODE BY ANTHROPOMORPHIC, STEPPING ROBOT. | |
Petrov | The Earth's Free Oscillations | |
Shetty | Robust human motion tracking using low-cost inertial sensors | |
Lobo | Inertial sensor data integration in computer vision systems | |
CN113260832A (en) | Gyroscope using toroidal channels and image processing | |
Bai | 3D Orientation Estimation Using Inertial Sensors | |
McGhee et al. | Real-time tracking and display of human limb segment motions using sourceless sensors and a quaternion-based filtering algorithm-Part I: Theory | |
RU2115094C1 (en) | Method checking drift of gyroscopic device | |
Hynecek | Geometry based critique of general relativity theory |