[第1讲]运动学、静力学
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试论述机器人静力学、动力学、运动学的关系。
静力学、动力学和运动学是机器人学中的三大重要分支,也是机器人机械系统设计和分析的基础。
它们之间具有千丝万缕的联系,彼此间互相依赖。
首先,让我们来看一下静力学。
静力学是研究机器人静止物体,尤其是机器人结构的运动学性质的一门学科,是分析机器人结构内力、力矩、力矩惯性矩阵并确定机器人所处的动力学状态的研究对象。
它主要研究包括机械系统的结构分析、运动学分析、力学模型建立、力学计算等,并在此基础上为动力学分析和机械动力学分析提供有力的依据。
其次,动力学是研究机器人在实际环境中的运动过程的一门学科。
动力学研究的基础是静力学,它考察机器人结构在其运动过程中会受到的外力和内力;不同类型的外力会造成机器人总体运动有所不同,但机械系统本质上也具有力学性质,所以运动特性的研究依赖于动力学以及机器人结构的力学属性。
最后,运动学可以被定义为研究在静力学的基础上运动物体末端相对位姿和状态的研究。
它主要是分析机器人结构的全局位置变换、及其所服从的动力学控制。
它通过对机器人运动路径及时间建模和控制,从而实现相应的机器人系统功能。
运动学、静力学、动力学概念运动学运动学是理论力学的一个分支学科,它是运用几何学的方法来研究物体的运动,通常不考虑力和质量等因素的影响。
至于物体的运动和力的关系,则是动力学的研究课题。
用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系,因此,单纯从运动学的观点看,对任何运动的描述都是相对的。
这里,运动的相对性是指经典力学范畴内的,即在不同的参照系中时间和空间的量度相同,和参照系的运动无关。
不过当物体的速度接近光速时,时间和空间的量度就同参照系有关了。
这里的“运动”指机械运动,即物体位置的改变;所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。
运动学主要研究点和刚体的运动规律。
点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。
刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。
运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。
掌握了这两类运动,才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。
在变形体研究中,须把物体中微团的刚性位移和应变分开。
点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征,这些都随所选的参考系不同而异;而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。
刚体运动按运动的特性又可分为:刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。
运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础,也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。
运动学的发展历史运动学在发展的初期,从属于动力学,随着动力学而发展。
古代,人们通过对地面物体和天体运动的观察,逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。
中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。
亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动,已有了速度的概念。
伽利略发现了等加速直线运动中,距离与时间二次方成正比的规律,建立了加速度的概念。
在对弹射体运动的研究中,他得出抛物线轨迹,并建立了运动(或速度)合成的平行四边形法则,伽利略为点的运动学奠定了基础。
运动学⑴ 质点运动的基本概念㈠ 参照系(一般选择匀速运动或静止的物体为参考物—惯性参考系)㈡ 位置、位移、路程㈢ 平均速度(注意方向)和平均速率 瞬时速度和瞬时速率㈣ 加速度㈤ 匀变速直线运动(多用图像)⑵ 运动的合成与分解㈠ Va →b=Va →c+Vc →b (小船过河,切割玻璃)㈡ 刚性杆、绳上各点在同一时刻同有相同的沿绳方向的分速度1. 做匀变速直线运动物体的加速度是a ,在时间t 内的位移是x ,末速度是v ,则a 、t 、x 、v 之间的关系为( )A 2at 21vt x += B 2at 21vt x +-= C 2at 21vt x -= D 2at 21vt x --= 2.如图所示,小球沿足够长的斜面向上做匀变速运动,依次经a 、b 、c 、d 到达最高点e .已知ab =bd =6 m ,bc =1 m ,小球从a 到c 和从c 到d 所用的时间都是2 s ,设小球经b 、c 时的速度分别为v b 、v c ,则A .v b =10m/sB .v c =4 m/sC .de =3 mD .从d 到e 所用时间为4 s3.在地质、地震、勘探、气象和地球物理等领域的研究中,需要精确的重力加速度g 值,g 值可由实验精确测定.近年来测g 值的一种方法叫“对称自由下落法”,它是将测g 值归于测长度和时间,以稳定的氦氖激光的波长为长度标准,用光学干涉的方法测距离,以铷原子钟或其他手段测时间,此方法能将g 值测得很准.具体做法是:将真空长直管沿竖直方向放置,自其中的O 点向上抛小球,从抛出小球至小球又落回抛出点的时间为T 2;小球在运动过程中经过比O 点高H 的P 点,小球离开P 点至又回到P 点所用的时间为T 1.由T 1、T 2和H 的值可求得g 等于 ( )A.8H T 22-T 21B.4H T 22-T 21C.8H T 2-T 21D.H 4T 2-T 214. 已知O 、A 、B 、C 为同一直线上的四点,AB 间的距离为L1,BC 间的距离为L2,一物体自O 点由静止出发,沿此直线做匀加速运动,依次经过A 、B 、C 三点,已知物体通过AB 段与BC 段所用的时间相等。
运动学、静力学、动力学概念运动学运动学是理论力学的一个分支学科,它是运用几何学的方法来研究物体的运动,通常不考虑力和质量等因素的影响。
至于物体的运动和力的关系,则是动力学的研究课题。
用几何方法描述物体的运动必须确定一个参照系,因此,单纯从运动学的观点看,对任何运动的描述都是相对的。
这里,运动的相对性是指经典力学范畴内的,即在不同的参照系中时间和空间的量度相同,和参照系的运动无关。
不过当物体的速度接近光速时,时间和空间的量度就同参照系有关了。
这里的“运动”指机械运动,即物体位置的改变;所谓“从几何的角度”是指不涉及物体本身的物理性质(如质量等)和加在物体上的力。
运动学主要研究点和刚体的运动规律。
点是指没有大小和质量、在空间占据一定位置的几何点。
刚体是没有质量、不变形、但有一定形状、占据空间一定位置的形体。
运动学包括点的运动学和刚体运动学两部分。
掌握了这两类运动,才可能进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动。
在变形体研究中,须把物体中微团的刚性位移和应变分开。
点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征,这些都随所选的参考系不同而异;而刚体运动学还要研究刚体本身的转动过程、角速度、角加速度等更复杂些的运动特征。
刚体运动按运动的特性又可分为:刚体的平动、刚体定轴转动、刚体平面运动、刚体定点转动和刚体一般运动。
运动学为动力学、机械原理(机械学)提供理论基础,也包含有自然科学和工程技术很多学科所必需的基本知识。
运动学的发展历史运动学在发展的初期,从属于动力学,随着动力学而发展。
古代,人们通过对地面物体和天体运动的观察,逐渐形成了物体在空间中位置的变化和时间的概念。
中国战国时期在《墨经》中已有关于运动和时间先后的描述。
亚里士多德在《物理学》中讨论了落体运动和圆运动,已有了速度的概念。
伽利略发现了等加速直线运动中,距离与时间二次方成正比的规律,建立了加速度的概念。
在对弹射体运动的研究中,他得出抛物线轨迹,并建立了运动(或速度)合成的平行四边形法则,伽利略为点的运动学奠定了基础。