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27 \paperpagestyle default
28
29 \layout Chapter
30
31 Equations\SpecialChar \ldots{}
32
33 \layout Standard
34
35 This document used to contain figures and other stuf, now it's only for
36  testing editing of equations.
37 \layout Section
38
39 Planar geometry
40 \layout Standard
41
42 Note that the asymmetry has been introduced via the parameter 
43 \begin_inset Formula $\gamma$
44 \end_inset 
45
46  according to the following transformation
47 \begin_inset Formula \[
48 \left\{ \begin{array}{c}
49 r=\frac{r_{1}+r_{2}}{2}\\
50 \gamma=\frac{r_{1}-r_{2}}{r_{2}+r_{1}}\end{array}\right\} \,\leftrightarrow\,\left\{ \begin{array}{c}
51 r_{1}=\left(1+\gamma\right)r\\
52 r_{2}=\left(1-\gamma\right)r\end{array}\right\} \]
53
54 \end_inset 
55
56 where 
57 \begin_inset Formula $r_{1}$
58 \end_inset 
59
60  and 
61 \begin_inset Formula $r_{2}$
62 \end_inset 
63
64  are the distances from 
65 \begin_inset Formula $A$
66 \end_inset 
67
68  to the left and right feet respectively.
69  In case of possible future use, I provide some relationsships as follows:
70 \begin_inset Formula \begin{eqnarray*}
71 r_{1}+r_{2} & = & 2r\\
72 r_{1}-r_{2} & = & 2\gamma\\
73 r_{1}*r_{2} & = & \left(1-\gamma^{2}\right)r^{2}\\
74 \frac{r_{1}}{r_{2}} & = & \frac{1+\gamma}{1-\gamma}\\
75 r_{1}^{2}+r_{2}^{2} & = & 2\left(1+\gamma^{2}\right)r^{2}\\
76 r_{1}^{2}-r_{2}^{2} & = & 4\gamma r^{2}\end{eqnarray*}
77
78 \end_inset 
79
80
81 \layout Section
82
83 Planar equilibria
84 \layout Paragraph*
85
86 More general definition of ground force
87 \layout Standard
88
89 Assume that the ground force on foot 
90 \begin_inset Formula $P_{i}$
91 \end_inset 
92
93  is 
94 \begin_inset Formula \begin{eqnarray*}
95 \overline{f}^{G_{l}}\left(\overline{r}^{NP_{l}};\,\overline{r}^{NC_{l}^{0}},\overline{\overline{K}}^{l}\right)=\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\\
96 =\begin{cases}
97 \overline{f}^{Gnd}\left(\overline{r}^{NP_{l}};\,\overline{r}^{NC_{l}^{0}},\overline{\overline{K}}^{l}\right) & \textrm{if}\,\textrm{ }\left(\overline{r}^{NC_{l}^{0}}-\overline{r}^{NP_{l}}\right)\cdot\overline{n}_{3}>0\\
98 \overline{0} & \textrm{otherwise}\end{cases}\end{eqnarray*}
99
100 \end_inset 
101
102 where 
103 \begin_inset Formula \[
104 \overline{f}^{Gnd}\left(\overline{r};\,\overline{r}^{0},\overline{\overline{K}}\right)=\overline{\overline{K}}\cdot\overline{r}\]
105
106 \end_inset 
107
108
109 \begin_inset Formula $\overline{\overline{K}}^{l}=k^{l}\overline{n}_{3}\overline{n}_{3}$
110 \end_inset 
111
112 .
113  Note that only the static case is considered here, so any velocity dependant
114  arguments have been removed.
115  Furthermore, the ground force is uni-lateral, i\SpecialChar \@.
116 e\SpecialChar \@.
117  here it is always directed
118  out of the surface.
119 \layout Standard
120
121 Let us be convenient and consider the centre of mass as foot 
122 \begin_inset Formula $0$
123 \end_inset 
124
125 , i\SpecialChar \@.
126 e\SpecialChar \@.
127  let 
128 \begin_inset Formula $P_{0}=B$
129 \end_inset 
130
131  and denote the corresponding force 
132 \begin_inset Formula $\overline{f}^{G_{0}}\left(\overline{r}\right)=-mg\overline{n}_{3}$
133 \end_inset 
134
135 .
136  Then the force equilibrium constraint can be written as follows
137 \begin_inset Formula \begin{equation}
138 \sum_{l=0}^{L}\overline{f}^{G_{l}}=\overline{0}\label{eq: force equlibrium}\end{equation}
139
140 \end_inset 
141
142 and the moment equilibrium constraint around an aribtrary point 
143 \begin_inset Formula $A$
144 \end_inset 
145
146  can be written as follows
147 \begin_inset Formula \begin{equation}
148 \sum_{l=0}^{L}\overline{r}^{AP_{l}}\times\overline{f}^{G_{l}}=\overline{0}.\label{eq: moment equilibrium}\end{equation}
149
150 \end_inset 
151
152
153 \layout Standard
154
155 Depending on the number of feet in contact with ground, these constraints
156  look different.
157  For instance, the case without any feet att all in contact with the ground,
158  results in
159 \begin_inset Formula \[
160 \sum_{l=0}^{L}\overline{f}^{G_{l}}=\overline{f}^{G_{0}}=mg\overline{n}_{3}\neq\overline{0}\]
161
162 \end_inset 
163
164 and hence no equlibria are possible.
165 \layout Standard
166
167 Assume that only one foot, say foot 
168 \begin_inset Formula $l$
169 \end_inset 
170
171 , supports the robot, i\SpecialChar \@.
172 e\SpecialChar \@.
173
174 \begin_inset Formula \[
175 \overline{f}^{Gnd_{i}}=\begin{cases}
176 \overline{f}^{Gnd_{l}} & \textrm{if}\, i=l\\
177 \overline{0} & otherwise\end{cases},\]
178
179 \end_inset 
180
181  then (
182 \begin_inset LatexCommand \ref{eq: force equlibrium}
183
184 \end_inset 
185
186 ) and (
187 \begin_inset LatexCommand \ref{eq: moment equilibrium}
188
189 \end_inset 
190
191 ) reduce to
192 \begin_inset Formula \begin{equation}
193 \overline{f}^{Gnd_{l}}=-\overline{f}^{G_{0}}\label{eq: force equlibrium, w only foot l}\end{equation}
194
195 \end_inset 
196
197 and
198 \begin_inset Formula \begin{equation}
199 \overline{r}^{AP_{l}}\times\overline{f}^{G_{l}}=-\overline{r}^{AP_{0}}\times\overline{f}^{G_{0}}.\label{eq:moment equlibrium, w only foot l}\end{equation}
200
201 \end_inset 
202
203 respectively.
204  By letting the arbitrary point 
205 \begin_inset Formula $A$
206 \end_inset 
207
208  in (
209 \begin_inset LatexCommand \ref{eq:moment equlibrium, w only foot l}
210
211 \end_inset 
212
213 ) coincide with 
214 \begin_inset Formula $P_{0}$
215 \end_inset 
216
217 , i\SpecialChar \@.
218 e\SpecialChar \@.
219  
220 \begin_inset Formula $B,$
221 \end_inset 
222
223  we see that 
224 \begin_inset Formula $\overline{f}^{G_{l}}=\overline{f}^{G_{0}}\shortparallel\overline{r}^{BP_{l}}$
225 \end_inset 
226
227 , i\SpecialChar \@.
228 e\SpecialChar \@.
229  the foot 
230 \begin_inset Formula $l$
231 \end_inset 
232
233  must be directly below the centre of mass.
234  The distance will of course be given by the solution to (
235 \begin_inset LatexCommand \ref{eq: force equlibrium, w only foot l}
236
237 \end_inset 
238
239 ).
240  This kind of equilibrium, with only a single point in contact with the
241  ground will from now on be refered to as an 
242 \emph on 
243 extreme equilibrium
244 \emph default 
245 .
246  Since the centre of mass is directly over the only supporting foot, it
247  is easy to see from figure\SpecialChar ~
248
249 \begin_inset LatexCommand \ref{Fig: Extreme equilibrium, existance}
250
251 \end_inset 
252
253  that in the planar configuration, the equlibrium angle 
254 \begin_inset Formula $\alpha^{*}$
255 \end_inset 
256
257 must be one of 
258 \begin_inset Formula $-\alpha_{1}$
259 \end_inset 
260
261  and 
262 \begin_inset Formula $\alpha_{2}$
263 \end_inset 
264
265 .
266  In figure\SpecialChar ~
267
268 \begin_inset LatexCommand \ref{Fig: Extreme equilibrium, existance}
269
270 \end_inset 
271
272 , the equlibrium is 
273 \begin_inset Formula $\alpha^{*}=\alpha_{2}$
274 \end_inset 
275
276 .
277 \layout Standard
278
279 The reasoning above assumed that there was only one foot supporting the
280  robot, and thus showed that any equlibrium must be directly above that
281  foot.
282  This reasoning can be reversed.
283  Assume that there exists an equlibrium where the centre of mass is directly
284  above foot\SpecialChar ~
285 two, one of two feet.
286  Then, by letting 
287 \begin_inset Formula $A=P_{2}$
288 \end_inset 
289
290  in (
291 \begin_inset LatexCommand \ref{eq: moment equilibrium}
292
293 \end_inset 
294
295 ) we get
296 \begin_inset Formula \[
297 \underbrace{\overline{r}^{P_{2}P_{0}}\times\overline{f}^{G_{0}}}_{=\overline{0}}+\overline{r}^{P_{2}P_{1}}\times\overline{f}^{G_{1}}+\underbrace{\overline{r}^{P_{2}P_{2}}\times\overline{f}^{G_{l}}}_{=\overline{0}}=\overline{r}^{P_{2}P_{1}}\times\overline{f}^{G_{1}}=\overline{0.}\]
298
299 \end_inset 
300
301 When can this be satisfied? A general solution is given by 
302 \begin_inset Formula $\overline{f}^{G_{1}}=f^{1}\overline{r}^{P_{2}P_{1}}$
303 \end_inset 
304
305  where 
306 \begin_inset Formula $f^{1}\in\Re$
307 \end_inset 
308
309 .
310  The most typical solution is of course 
311 \begin_inset Formula $f^{1}=0$
312 \end_inset 
313
314 , i\SpecialChar \@.
315 e\SpecialChar \@.
316  
317 \begin_inset Formula $\overline{f}^{G_{1}}=\overline{0}$
318 \end_inset 
319
320 , which corresponds to only one supporting foot.
321  However, if 
322 \begin_inset Formula $\overline{r}^{P_{2}P_{1}}=\overline{0}$
323 \end_inset 
324
325  the equation is also satisfied, corresponding to two feet in the same place.
326  A third alternative (illustrated in figure\SpecialChar ~
327 ) when both 
328 \begin_inset Formula $f^{1}\neq0$
329 \end_inset 
330
331  and 
332 \begin_inset Formula $\overline{r}^{P_{2}P_{1}}\neq\overline{0}$
333 \end_inset 
334
335  can sometimes also exist.
336  First note that since ground forces by assumption must be directed upwards,
337  it follows that 
338 \begin_inset Formula $f^{1}\overline{r}^{P_{2}P_{1}}$
339 \end_inset 
340
341  also must be directed upwards.
342  Then, if 
343 \begin_inset Formula $f^{1}>0$
344 \end_inset 
345
346  it follows that 
347 \begin_inset Formula $P_{1}$
348 \end_inset 
349
350  must be located somewhere 
351 \emph on 
352 below
353 \emph default 
354  
355 \begin_inset Formula $P_{2}$
356 \end_inset 
357
358 , and similarly if 
359 \begin_inset Formula $f^{1}>0$
360 \end_inset 
361
362 , that 
363 \begin_inset Formula $P_{1}$
364 \end_inset 
365
366  must be located somewhere 
367 \emph on 
368 above
369 \emph default 
370  
371 \begin_inset Formula $P_{2}$
372 \end_inset 
373
374 .
375  Inserting this into the force equlibrium (
376 \begin_inset LatexCommand \ref{eq: force equlibrium}
377
378 \end_inset 
379
380 ) and scalar multiplying with a vertical and horizontal unit vector produces
381  the following equation:
382 \begin_inset Formula \[
383 ^{N}f^{Gnd}\left(\overline{r}^{NC_{2}};\,\overline{r}^{NC_{2}^{0}},\overline{\overline{K}}^{2}\right)=\left[\begin{array}{c}
384 0\\
385 0\\
386 mg\end{array}\right]-f^{1}\left(n\cdot b^{T}\right)\{^{B}r^{P_{2}P_{1}}\}\]
387
388 \end_inset 
389
390 Sigh\SpecialChar \ldots{}
391 this is more complicated than I thought...
392  Anyway, at least when only vertical forces are allowed, the third alternative
393  is impossible and the second disregarded since the foot feet can then just
394  be considered as one foot.
395  
396 \layout Standard
397
398 In a configuration with more than two feet, we will get the same result
399  for a foot on the edge of a convex support area .
400  Note however that there can exist an equilibrium where the centre of mass
401  is above one of the supporting feet.
402  Consider for instance a symmetric and planar case with three eqally spaced
403  supporting feet.
404  If the foot stiffnesses are equal, and the ground horizontal, then it should
405  be obivous that the centre of mass directly above middle foot is an equlibrium.
406  The definition of an extreme equlibrium is therefore refined:
407 \layout Standard
408
409 The 
410 \emph on 
411 projected\SpecialChar ~
412 support\SpecialChar ~
413 region
414 \emph default 
415  is a unique region in any normal plane (w\SpecialChar \@.
416 r\SpecialChar \@.
417 t\SpecialChar \@.
418  gravity), defined as the convex
419  hull of the projection of all supporting feet into that plane.
420  
421 \layout Standard
422
423 The 
424 \emph on 
425 extreme\SpecialChar ~
426 equlibrium
427 \emph default 
428  is any equlibrium, where the projection of the centre of mass along the
429  direction of gravity belongs to the boundary of the projected support region.
430  A 
431 \emph on 
432 singular extreme equlibrium
433 \emph default 
434  is an extreme equlibrium where the centre of mass is directly above one
435  of the supporting feet.
436 \layout Standard
437
438 From the results above, a singular extreme equlibrium can only be supported
439  by one foot.
440 \the_end