Statika. fn,n+1 F = N n,n+1

Podobné dokumenty
Kinematika. Kinematika studuje geometrii pohybu robotu a trajektorie, po kterých se pohybují jednotlivé body. Klíčový pojem je poloha.

Definice 13.1 Kvadratická forma v n proměnných s koeficienty z tělesa T je výraz tvaru. Kvadratická forma v n proměnných je tak polynom n proměnných s

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

Mechanika

4. Napjatost v bodě tělesa

Vektorové prostory R ( n 1,2,3)

Matematika B101MA1, B101MA2

Materiály ke 12. přednášce z předmětu KME/MECHB

Dynamika soustav hmotných bodů

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

ˇ EDNA SˇKA 9 DALS ˇ I METODY INTEGRACE

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

PŘEDNÁŠKA 6 INTEGRACE POMOCÍ SUBSTITUCE

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

Pružnost a plasticita II CD03

VI. Maticový počet. VI.1. Základní operace s maticemi. Definice. Tabulku

3. kapitola. Průběhy vnitřních sil na lomeném nosníku. Janek Faltýnek SI J (43) Teoretická část: Příkladová část: Stavební mechanika 2

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

1 Soustavy lineárních rovnic

Soustavy lineárních rovnic

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

Úvod do analytické mechaniky

3 Projektivní rozšíření Ēn prostoru E n

Vlastní čísla a vlastní vektory

= cos sin = sin + cos = 1, = 6 = 9. 6 sin 9. = 1 cos 9. = 1 sin cos 9 = 1 0, ( 0, ) = 1 ( 0, ) + 6 0,

Přímá a inverzní kinematika manipulátoru pro NDT (implementační poznámky) (varianta 2: RRPR manipulátor)

3 Lineární kombinace vektorů. Lineární závislost a nezávislost

Derivace funkcí více proměnných

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Matematika I, část I. Rovnici (1) nazýváme vektorovou rovnicí roviny ABC. Rovina ABC prochází bodem A a říkáme, že má zaměření u, v. X=A+r.u+s.

Obsah. Lineární rovnice. Definice 7.9. a i x i = a 1 x a n x n = b,

Michal Zamboj. December 23, 2016

DIPLOMOVÁ PRÁCE OPTIMALIZACE MECHANICKÝCH

1 Determinanty a inverzní matice

Necht tedy máme přirozená čísla n, k pod pojmem systém lineárních rovnic rozumíme rovnice ve tvaru

13. cvičení z Matematické analýzy 2

Úlohy nejmenších čtverců

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

9 Kolmost vektorových podprostorů

Substituce ve vícenásobném integrálu verze 1.1

Diferenciální geometrie

1 Vektorové prostory.

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

(Cramerovo pravidlo, determinanty, inverzní matice)

z = a bi. z + v = (a + bi) + (c + di) = (a + c) + (b + d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (a c) + (b d)i. z v = (a + bi) (c + di) = (ac bd) + (bc + ad)i.

Téma 12, modely podloží

Afinita je stručný název pro afinní transformaci prostoru, tj.vzájemně jednoznačné afinní zobrazení bodového prostoru A n na sebe.

Michal Zamboj. January 4, 2018

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

x 2 = a 2 + tv 2 tedy (a 1, a 2 ) T + [(v 1, v 2 )] T A + V Příklad. U = R n neprázdná množina řešení soustavy Ax = b.

6 Lineární geometrie. 6.1 Lineární variety

Aproximace posuvů [ N ],[G] Pro každý prvek se musí nalézt vztahy

5. Statika poloha střediska sil

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

1.13 Klasifikace kvadrik

Matematika 2 (Fakulta ekonomická) Cvičení z lineární algebry. TU v Liberci

5.3. Implicitní funkce a její derivace

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Vektory a matice. Obsah. Aplikovaná matematika I. Carl Friedrich Gauss. Základní pojmy a operace

Kapitola 2. o a paprsek sil lze ztotožnit s osou x (obr.2.1). sil a velikost rovnou algebraickému součtu sil podle vztahu R = F i, (2.

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

8 Matice a determinanty

Rovinné přetvoření. Posunutí (translace) TEORIE K M2A+ULA

Úvod do lineární algebry

Autor: Vladimír Švehla

Extrémy funkce dvou proměnných

Dynamika vázaných soustav těles

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Prizmatické prutové prvky zatížené objemovou změnou po výšce průřezu (teplota, vlhkost, smrštění )

Cvičení 1. Napjatost v bodě tělesa Hlavní napětí Mezní podmínky ve víceosé napjatosti

Geometrické transformace pomocí matic

Co je obsahem numerických metod?

Otázku, kterými body prochází větev implicitní funkce řeší následující věta.

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

15 Maticový a vektorový počet II

Parametrická rovnice přímky v rovině

Matematika I, část I Vzájemná poloha lineárních útvarů v E 3

Elementární křivky a plochy

Podobnostní transformace

Operace s maticemi. 19. února 2018

16. Matematický popis napjatosti

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

2. Schurova věta. Petr Tichý. 3. října 2012

Zjednodušená deformační metoda (2):

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

1 Zobrazení 1 ZOBRAZENÍ 1. Zobrazení a algebraické struktury. (a) Ukažte, že zobrazení f : x

Matematický ústav Slezské univerzity v Opavě Učební texty k přednášce ALGEBRA II, letní semestr 2000/2001 Michal Marvan. 14.

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

VĚTY Z LINEÁRNÍ ALGEBRY

Operace s maticemi

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

Statika tuhého tělesa Statika soustav těles. Petr Šidlof

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

Transkript:

Statika Zkoumá síly a momenty působící na robota v klidu. Uvažuje tíhu jednotlivých ramen a břemene. Uvažuje sílu a moment, kterou působí robot na okolí. Uvažuje konečné tuhosti ramen a kloubů. V našem rozboru budeme uvažovat jen jednoduchý model tuhosti kloubů, ramena považujeme za nekonečně tuhá. Uvažujeme jen otevřený kinematický řetězec. Na i-té rameno (viz Obr. 26) působí síly f i 1,i, f i,i+1 a tíha ramene m i g a momenty N i 1,i, N i,i+1. Označme dále vektory r i 1,i = O i 1 O i, r i,ci = O i C i. Pak můžeme psát podmínky pro statickou rovnováhu sil: f i 1,i f i,i+1 + m i g = 0, i = 1,..., n. (16) Statická rovnováha momentů vyjádřená vzhledem k těžišti: N i 1,i N i,i+1 (r i 1,i + r i,ci ) f i 1,i + ( r i,ci ) ( f i,i+1 ) = 0, i = 1,..., n. (17) Jako cvičení je možné ukázat, že i při volbě jiného bodu, ke kterému vyjádříme rovnováhu momentů, dospějeme k ekvivalentní soustavě rovnic. Pro manipulátor s n rameny dostáváme 2n vektorových rovnic o 2n + 2 vektorových neznámých. Jednoznačné řešení dostáváme například tehdy, když volíme sílu a moment, kterým působí okolí na chapadlo. Například při manipulaci břemenem je f n,n+1 rovna tíze břemene a moment je nulový N n,n+1 = 0. Nazvěme vektorem sil v chapadle vektor: [ ] fn,n+1 F =. N n,n+1 (18) Síla a moment, kterými působí jedno rameno na druhé, jsou částečně absorbovány strukturou manipulátoru a částečně musí být kompenzovány silou vyvozovanou v kloubu. Pro posuvný kloub (viz Obr. 28) tedy struktura absorbuje všechny složky momentu a dvě ze složek síly. Pouze složka síly ve směru kloubu musí být kompenzována pohonem kloubu: Pro otočný kloub pohonem vyvozovaný moment určíme z: τ i = b T i 1 f i 1,i. (19) τ i = b T i 1 N i 1,i. (20) Složky, které jsou kompenzovány strukturou, nekonají práci, protože nepůsobí po dráze. Vektor všech sil a momentů vyvozovaných klouby nazvěme kloubovými momenty a označme: τ 1 τ 2 τ =. τ n. (21) Lze ukázat, že kloubové momenty bez složky podpírající robot vypočteme z vektoru sil v chapadle vztahem: τ = J T F, (22) kde J je Jakobián manipulátoru. Jako cvičení dokažte výše uvedený vztah (například použitím zákona zachovaní energie). Vypočtěte τ pro manipulátor z Obr. 30. Diskutujme schema na Obr. 31. V horní části je naznačeno zobrazení Jakobiánem manipulátoru z rychlosti kloubových souřadnic do rychlostí kartézských souřadnic chapadla tedy diferenciální kinematika. V dolní části pak vidíme transformaci transponovaným jakobiánem z vektoru sil v chapadle do kloubových momentů tedy statika. Oblast N(J) tedy jádro zobrazení jakobiánem obsahuje rychlosti/infinitesimální 23-1

pohyby v kloubech, které nemění polohu chapadla. Oblast R(J) popisuje oblast infinitesimálních pohybů chapadla, které lze získat infinitesimálními pohyby v kloubech. Doplněk této oblasti S 2 označuje infinitesimální pohyby chapadla, které manipulátor nemůže provést. Oblast N(J T ), jádro zobrazení transponovaným jakobiánem, je množina všech sil v chapadle, které jsou kompenzovány strukturou manipulátoru. Oblast R(J T ) reprezentuje kloubové momenty, které mohou kompenzovat síly v chapadle. Oblast S 3 znázorňuje kloubové momenty, které nemohou být kompenzovány silami v chapadle. Ve směru, ve kterém infinitesimální pohyby v kloubech nezpůsobují pohyby chapadla(n(j)), nelze sílu/moment v kloubu (S 3 ) kompenzovat žádnou silou/momentem v chapadle. Jako cvičení zvolte θ 2 = 0 v Obr. 30, sestavte Jakobián, určete jeho hodnost a porovnejte, které směry odpovídají, kterým oblastem ve schematu 31. Zdůrazněme, že Jakobián manipulátoru a tedy i konkrétní obsah schematu (dimenze jednotlivých oblastí) závisí na poloze manipulátoru q. Transformace souřadnic a sil Máme-li dány dvě souřadné soustavy, můžeme vyjádřit přenos infinitesimálních pohybů, sil a momentů mezi nimi. Označme q a p souřadnice v jedné a druhé soustavě. Vztah mezi infinitesimálními pohyby pak opět můžeme vyjádřit vztahem: δp = Jδq, (23) kde J je Jakobián příslušné transformace souřadnic. Pak pro transformaci zobecněných sil P a Q platí: Q = J T P. (24) Použití lze dokumentovat na příkladu z Obr. 32. Známe sílu, kterou je třeba působit na šroub a chceme spočítat, jakou silou máme působit chapadlem v bodě O. V bodě O bychom pak třeba umístili snímač síly a momentu a vypočtená hodnota sil by nám pak sloužila jako požadovaná veličina do zpětnovazebního regulátoru. Zvolíme popis klíče dq = [dx, dy, dz, dφ x, dφ y, dφ z ] T v souřadné soustavě O xyz a dp = [du, dv, dw, dφ u, dφ v, dφ w ] T v souřadné soustavě O uvw. Snadno ukážeme, že: dp = du dv dw dφ u dφ v dφ w = 1 0 0 0 r z r y 0 1 0 r z 0 r x 0 0 1 r y r x 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 dx dy dz dφ x dφ y dφ z = Jdq. (25) Pokud zvolíme zobecněné síly v souladu s volbou souřadnic, tj. Q = [F x, F y, F z, M x, M y, M z ] T v soustavě O xyz a P = [F u, F v, F w, M u, M v, M w ] T, pak F x 1 0 0 F u F y 0 1 0 0 F v dq = F z M x = 0 0 1 F w 0 r z r y 1 0 0 M u (26) M y r z 0 r x 0 1 0 M v M z r y r x 0 0 0 1 M w Vyřeěte samostatně pro případ, že osa v prochází osou z pro jakoukoliv polohu při utahování šroubu. Modelování tuhosti Tuhost manipulátoru je ovlivněna několika složkami: tuhostí ramen, tuhostí kloubů a podobně. Ramena bývají zpravidla relativně tuhá (výjimkou je např. manipulálator na raketoplánu). Tuhost kloubů můžeme modelovat například pružnou vazbou mezi pohonem a pohybujícím se ramenem. To je dobry predpoklad, protože vyznamná část chyb skutečně takto vzniká, další část (tuhost ramene) lze v malých mezích takto aproximovat (jde vlastně o lineární člen Taylorova rozvoje). Tento model nemodeluje jevy blízké hysterezi. Síla nebo moment τ i je pak úměrný odchylce polohy kloubu od nezatížené polohy q i konstantou k i : 23-2

Maticově: kde K = τ i = k i q i. τ = K q, k 1 0.... 0 k n Poddajnost v kloubech se projeví na poddajnosti chapadla (viz Obr. 33). Síla F působící na chapadla musí být kompenzována silami v kloubech τ : τ = J T F. (27) S použitím modelu pružnosti kloubů se projeví odchylka v kloubech q. Odchylka v kloubech způsobí odchylku chapadla p: τ = K q. (28) p = J q. (29) Pokud jsou tuhosti nenulové je matice K invertovatelná a můžeme psát p = JK 1 J T F = CF. (30) Matici C nazýváme maticí poddajnosti chapadla. Pokud je jakobián manipulátoru čtvercový a regulární pak matici C můžeme invertovat a její inverzi nazýváme maticí tuhosti: F = C 1 p. (31) Pokud je jakobián manipulátoru singulární, existuje neprázdná oblast S 2 (viz Obr. 31) a tedy i neprázdná oblast N(J T ). Působíme-li silou v oblasti N(J T ) nevznikají žádné síly v kloubech a tedy manipulátor se jeví jako nekonečně tuhý. Připomeňme, že jakobián a tedy i matice poddajnosti a tuhosti zavisí na poloze manipulátoru. Protože odchylka polohy chapadla manipulátoru závisí na poloze manipulátoru, velikosti a směru působení sil na chapadlo, můžeme zkoumat největší a nejmenší odchylku při dané síle. Velikost odchylky pro jednotkovou velikost síly dostaneme: za podmínky p 2 = p T p = F T C T CF, (32) F 2 = F T F = 1. (33) Optimalizací zjistíme, že extrémních hodnot p = λ dosahuje odchylka polohy chapadla ve směrech daných vektory e, kde λ je minimální, resp. maximální vlastní číslo matice C 2 a vektor e je příslušný vlastní vektor. Transformaci souřadnic generovanou maticí vlastních vektorů pak nazýváme hlavní transformací. Působíme-li silami jen ve směru vlastních vektorů, i odchylka polohy chapadla je pak ve směru hlavních vektorů souhlasně orientovaná s působící silou. Zdůrazněme, že síla F v sobě zahrnuje i momenty sil a odchylka chapadla p i otočení. Příklad: Analyzujte manipulátor z Obr. 34. 23-3

Obrázek 26: Síly a momenty působící na rameno. Obrázek 27: Síly působící na rám a chapadlo.

Obrázek 28: Síly v posuvném kloubu. Obrázek 29: Posun a otočení vyvolané silou.

Obrázek 30: Síla působící na chapadlo. Obrázek 31: Mapování pro kinematiku a statiku.

Obrázek 32: Příklad.

Obrázek 33: Tuhost a poddajnost manipulátoru. Obrázek 34: Příklad analýzy tuhosti manipulátoru.