CN104083173A - 一种四足动物运动观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四足动物运动观测系统，本发明包括有运动通道、六自由度平台、红外线摄像头、高速摄像机、重力传感器、计算机，运动通道和六自由度平台配合使用，运动通道包含右转弯段、左转弯段、15°坡段和25°坡段四个部分，六自由度平台上均布有重力传感器。本发明使四足动物观测过程系统化，提高了观测结果的集成度，大大缩短了观测周期，有效解决了四足动物运动观测困难的问题。

Description

一种四足动物运动观测系统

技术领域

本发明涉及四足动物运动观测和仿生机器人研究领域。特别涉及山羊维稳减振特性观测与研究。可用于四足机器人的运动测试。

技术背景

从1959年美国制造出世界第一台工业机器人至今，机器人的发展经历了多个阶段，目前正处于具有高级生命形态特征的仿生机器人研究阶段。仿生机器人是模仿自然界中生物的外部形态或某些机能的机器人系统，是将运动仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等仿生技术完美综合与全面应用的产物。其中，运动观测是运动仿生技术的基础与前提。

应用运动仿生技术进行四足仿生机器人研究，首先应获取仿生原型的运动参数(步态、步速、步幅、关节角、四足驱动规律及受力分布情况等)，即对四足动物进行运动图像采集和受力分布测试。

为方便、快捷的获取四足动物运动参数，本发明设计了一种四足动物运动观测系统，在山羊维稳减振性能观测和德国牧羊犬运动特性观测方面效用上佳，能广泛应用于牛、羊、马、驴、鹿、犬等四足动物的运动观测，为四足机器人的研究提供运动参数，也可用于四足机器人的运动测试，为四足机器人的运动性能改进提供方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种四足动物运动观测系统，本发明能实现四足动物运动观测系统化，提高观测集成度，缩短观测周期，为获取四足动物运动参数提供方便，为四足机器人研究奠定基础。

本发明包括有一个运动通道；一个位于运动通道包围空间中心位置的六自由度平台；六个红外线摄像头和六个摄像头支架；一个高速摄像机和一个摄像机移动架；四个均布于六自由度平台载物台上的重力传感器；一个接收红外线摄像头、高速摄像机和重力传感器的输出数据，并控制六自由度平台运动的计算机；

所述的运动通道包含有右转弯段、左转弯段、15°坡段和25°坡段，右转弯段与左转弯段之间、左转弯段与15°坡段之间、15°坡段与25°坡段之间均由水平面连接；

所述的六自由度平台是由载物台、上平台、铰链、电动缸、下平台和滚轮组成，六个电动缸通过铰链铰接在下平台与上平台之间，下平台的底面设置滚轮，上平台上方连接有载物台，四个重力传感器均布于载物台上，四个重力传感器的位置可调，由计算机控制六自由度平台运动，四足动物位于载物台上，随六自由度平台运动，四足动物的四肢踩踏在四个重力传感器上，其四足受力数据实时传入计算机中；

所述红外线摄像头设置在摄像头支架上，六个红外线摄像头布设在运动通道的周边或运动通道上，具体位置根据实际需要确定；所述的高速摄像机设置在摄像机移动架上，高速摄像机位于运动通道周边或运动通道上，具体位置根据实际需要确定。

本发明的工作过程和原理：

本发明包括运动模式和静止模式，四足动物运动模式在运动通道上实现，能够先后实现四足动物的直线运动、左转弯运动、右转弯运动、15°坡运动、25°坡运动的观测，五种运动方式可以单独进行也可以按序依次进行，坡上运动包括上坡、下坡两种情况；四足动物的静止模式在六自由度平台上实现，能够按需实现四足动物在平动(前后、左右、上下移动)、转动(左右转动)、倾斜(前后、左右倾斜)、随机振动时应激反应的观测，由计算机调节，六自由度平台在各种模式(平动、转动、倾斜、随机振动)下，参数变化具有连续性。例如，为测量四足动物维稳极限角，可连续变化六自由度平台的倾斜角，观察四足动物维持稳定的最大倾斜角。

本发明的有益效果：

本发明将运动通道与六自由度平台配合使用，重力传感器与六自由度平台相结合，能够实现牛、羊、马、驴、鹿、犬等较大型四足动物的运动观测，大大提高了观测效率，缩短了观测周期，实现了四足动物运动观测系统化，解决了较大型四足动物运动观测困难的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的六自由度平台立体示意图。

图3为本发明的运动通道立体示意图。

图4为本发明运动模式下四足动物右转弯运动示意图。

图5为本发明运动模式下四足动物15°坡运动示意图。

图6为本发明运动模式向静止模式切换示意图。

图7为本发明静止模式下四足动物前倾状态示意图。

图8为本发明静止模式下四足动物前移状态示意图。

图9为本发明静止模式下四足动物左转状态示意图。

图中：1-运动通道，2-六自由度平台，3-红外线摄像头，4-高速摄像机，5-重力传感器，6-计算机，7-摄像头支架，8-摄像机移动架，9-四足动物，10-载物台，11-上平台，12-铰链，13-电动缸，14-下平台，15-滚轮，16-右转弯段，17-左转弯段，18-15°坡段，19-25°坡段。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示，本发明包括有一个运动通道1；一个位于运动通道1包围空间中心位置的六自由度平台2；六个红外线摄像头3和六个摄像头支架7；一个高速摄像机4和一个摄像机移动架8；四个均布于六自由度平台2载物台10上的重力传感器5；一个接收红外线摄像头3、高速摄像机4和重力传感器5的输出数据，并控制六自由度平台2运动的计算机6；

如图3所示，所述的运动通道1包含有右转弯段16、左转弯段17、15°坡段18和25°坡段19，右转弯段16与左转弯段17之间、左转弯段17与15°坡段18之间、15°坡段18与25°坡段19之间均由水平面连接；

如图2所示，所述的六自由度平台2是由载物台10、上平台11、铰链12、电动缸13、下平台14和滚轮15组成，六个电动缸13通过铰链12铰接在下平台14与上平台11之间，下平台14的底面设置滚轮15，滚轮15具有自锁功能，上平台11上方连接有载物台10，四个重力传感器5均布于载物台10上，四个重力传感器5的位置可调，由计算机6控制六自由度平台2运动，四足动物9位于载物台10上，随六自由度平台2运动，四足动物9的四肢踩踏在四个重力传感器5上，其四足受力数据实时传入计算机6中；

所述红外线摄像头3设置在摄像头支架7上，六个红外线摄像头3位于运动通道1的周边或运动通道1上，具体位置根据实际需要确定；所述的高速摄像机4设置在摄像机移动架8上，高速摄像机4位于运动通道1周边或运动通道1上，具体位置根据实际需要确定。

本实施例的工作过程和原理：

本实施例包括运动模式和静止模式，四足动物9以山羊为例；

运动模式试验：牵引人牵引受测山羊由运动通道1起始点开始运动，依次经过右转弯段16、左转弯段17、15°坡段18、25°坡段19四个重点观测部位，其间六个红外线摄像头3和一个高速摄像机4的位置如图4、图5所示。摄像头支架7支撑红外线摄像头3，红外线摄像头3的高度、位置可调。摄像机移动架8支撑高速摄像机4，高速摄像机4高度和位置可调，六个红外线摄像头3和一个高速摄像机4采集的受测山羊运动图像和数据传输给计算机6；为保证图像与数据采集效果，牵引人应位于运动通道1内侧。观测过程中如果遇到某处观测效果不理想，可直接牵引山羊来到此处进行补充试验。

运动模式向静止模式切换：由于六自由度平台2较高，四足动物9直接登台困难，需要由运动通道1进行过渡。模式切换过程主要是六自由度平台2的位置调节过程。模式切换过程中，山羊应位于运动通道1末端的最高平面处，六自由度平台2应尽量靠近山羊，待山羊被牵引至六自由度平台2上后，移动六自由度平台2至运动通道1中心位置，以便为六自由度平台2的状态调节留有足够空间。滚轮15为六自由度平台2的移动提供方便，滚轮15具有自锁功能，以满足六自由度平台2的位置固定，防止观测效果受影响。模式切换过程如图6所示。运动模式主要用于获取山羊平面、转弯、坡度攀爬运动过程中的步态、步幅、步长、步速、关节角等运动参数，为山羊四肢运动仿真奠定基础。

静止模式试验：静止模式试验主要依靠计算机6控制六自由度平台2实现。六自由度平台2的上平台11上方连接有载物台10，载物台10尺寸根据山羊体积选取。载物台10上具有滑槽和连接孔，连接孔用于连接上平台11和测试装置如重力传感器5，滑槽允许载物台10上的测试装置位置可调。本试验中，测试装置为重力传感器5，其在载物台10上呈矩形分布，试验前已将重力传感器5根据山羊四肢位置排布好并固定。静止模式试验过程包含平动(前后、左右、上下移动)、转动(左右转动)、倾斜(前后、左右倾斜)、随机振动四个主要部分，相关参数由计算机6调节，具有连续性。静止模式主要用于测试山羊四肢减振特性与应激维稳特性，可得到山羊应激过程中的四肢受力分布数据与山羊体态变化图像，为山羊维稳减振机理分析奠定基础。静止模式的测试过程如图7、图8和图9所示。

根据以上步骤进行试验，可以高效、快速的获取山羊运动相关数据与图像，经过数据与图像处理，即可得到步态、步幅、步长、步速、关节角、受力分布等结果，本发明将运动观测与受力数据采集同复杂模式(运动模式、静止模式)相结合，能够在较短时间周期内获取大量运动信息，大大提高了观测效率，并实现了四足动物运动观测系统化，解决了较大型四足动物运动观测困难的问题。

Claims (1)

1.一种四足动物运动观测系统，其特征在于：其包括有一个运动通道(1)；一个位于运动通道(1)包围空间中心位置的六自由度平台(2)；六个红外线摄像头(3)和六个摄像头支架(7)；一个高速摄像机(4)和一个摄像机移动架(8)；四个均布于六自由度平台(2)载物台(10)上的重力传感器(5)；一个接收红外线摄像头(3)、高速摄像机(4)和重力传感器(5)的输出数据，并控制六自由度平台(2)运动的计算机(6)；

所述的运动通道(1)包含有右转弯段(16)、左转弯段(17)、15°坡段(18)和25°坡段(19)，右转弯段(16)与左转弯段(17)之间、左转弯段(17)与15°坡段(18)之间、15°坡段(18)与25°坡段(19)之间均由水平面连接；

所述的六自由度平台(2)是由载物台(10)、上平台(11)、铰链(12)、电动缸(13)、下平台(14)和滚轮(15)组成，六个电动缸(13)通过铰链(12)铰接在下平台(14)与上平台(11)之间，下平台(14)的底面设置滚轮(15)，上平台(11)上方连接有载物台(10)，四个重力传感器(5)均布于载物台(10)上，四个重力传感器(5)的位置可调，由计算机(6)控制六自由度平台(2)运动，四足动物(9)位于载物台(10)上，随六自由度平台(2)运动，四足动物(9)的四肢踩踏在四个重力传感器(5)上，其四足受力数据实时传入计算机(6)中；

所述红外线摄像头(3)设置在摄像头支架(7)上，六个红外线摄像头(3)布设在运动通道(1)的周边或运动通道(1)上；所述的高速摄像机(4)设置在摄像机移动架(8)上，高速摄像机(4)位于运动通道(1)周边或运动通道(1)上。