CN104697805B - 壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法，属仿生运动测试领域。该系统包括着陆平板（8）、滑动横梁（14），滑动横梁下方具有由透明板（13）、左翻板（17）、右翻板（19）构成的壁虎停留空间。该系统还包括布置于着陆平板（8）上的三维力传感器阵列（9）、高速摄像机、计算机控制终端（5）、力传感器数据采集系统(6)。该系统及方法，可有效地开展壁虎空中运动姿态调控和缓冲着陆的仿生机理研究，为仿壁虎空间机器人调控姿态和着陆研究提供了姿态控制和着陆碰撞的仿生新方法。
Description
技术领域
本发明属于仿生运动测试领域，具体涉及一种壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法。
背景技术
关于生物壁虎的运动行为观测，国外著名生物学家Robert Full的研究团队发现了壁虎尾巴在爬行跳跃飞行中能够调节姿态，具有有效的平衡功能。由此，他们研发了一种带有尾巴姿态自调节功能的移动小车。这种移动小车的尾巴可以在降落的过程中调节姿态，保持车身的平衡性，从而落地时不会倾翻。2012年，相关的论文发表在《Nature》期刊，他从生物学研究角度，定性验证了壁虎尾巴具有一定的调节姿态功能。
国内，南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所的戴振东科研团队，开展了壁虎的运动行为与力学测试技术研究，研制的三维力测试阵列可记录壁虎在地面、竖直面和天花板面运动的力学性能，同时高速摄像可记录壁虎行走步态。但目前还未开展关于壁虎自由落体和缓冲着陆过程中运动姿态调控和碰撞力学性能综合测试研究。
仿壁虎空间机器人作为全新的空间在轨服务机器人概念的提出，将在未来航天领域具有广泛的应用前景和研究价值。我们设想发展“寄生”的新型仿壁虎空间在轨服务机器人（几公斤～几十公斤)，该机器人具有小型化、轻量化、低成本、运动范围大、可自主移动检测功能，由航天器母船发射飞行、“着陆”到目标航天器(一般几千公斤)表面，并在目标航天器上稳定粘附运动完成空间检测维护或特种操作任务。
为此，我们从仿生学研究出发，开展壁虎空间姿态调控和着陆缓冲的仿生研究，研制了一种壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法，为开展仿生学研究提供了硬件设备和实验观测技术途径，为开展地面模拟微重力环境下仿壁虎空间机器人调姿-着陆提供仿生机理研究手段。该领域在国内外属于前瞻性研究，设计的壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统将具有一定创新性，相关的壁虎空中姿态调控和着陆缓冲力学性能的仿生机理研究，将取得国际领先成果。
发明内容
本发明的目的在于为仿壁虎空间机器人调控姿态和着陆研究提供了姿态控制和着陆碰撞的仿生新方法。
壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统，其特征在于：
包括支撑架底座，及分别垂直固定于支撑架底座的着陆板支撑柱和Y向标尺支撑柱；还包括与着陆板支撑柱铰接，并通过固定于着陆板支撑柱上的着陆平板旋转驱动电机驱动的着陆平板；还包括固定于Y向标尺支撑柱上且高度可调的支撑横梁，以及安装于支撑横梁上可沿支撑横梁滑动的滑动横梁；上述滑动横梁下方还安装有透明板、左翻板、左翻板驱动电机、右翻板和右翻板驱动电机；其中透明板与所述滑动横梁平行固定，左翻板左边与滑动横梁铰接，并通过固定于滑动横梁的左翻板驱动电机驱动，右翻板右边与滑动横梁铰接，并通过固定于滑动横梁的右翻板驱动电机驱动，上述透明板、左翻板和右翻板之间构成壁虎停留空间；该系统还包括布置于着陆平板上的三维力传感器阵列、X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机、计算机控制终端、力传感器数据采集系统；其中X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机均与计算机控制终端相连，三维力传感器阵列经过所述力传感器数据采集系统与计算机控制终端相连，着陆平板旋转驱动电机与计算机控制终端相连；设置XYZ坐标系；其中X轴与滑动横梁平行，Y轴与Y向标尺支撑柱平行，Z轴与着陆平板旋转驱动电机输出轴平行。
利用上述壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统的测试方法，其特征还在于包括以下过程：
步骤1、将壁虎放入透明板、左翻板和右翻板之间构成的壁虎停留空间；
步骤2、使X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机均对准观测区域，其中Y向高速摄像机是从透明板上方对准观测区域的；通过计算机控制终端高速记录X轴向视频图像信息；
步骤3、其中壁虎空中姿态调整与着陆运动测试时，调整好支撑横梁与支撑架底座之间实验所需自由落体高度，驱动左翻板驱动电机和右翻板驱动电机，以便打开左翻板和右翻板，壁虎开始自由落体运动，通过X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机观察壁虎在空中的姿态变化，计算机控制终端记录过程中视频图像信息；
步骤4、通过计算机控制终端调节着陆平面驱动电机，设置着陆平板的不同倾斜角度，观测不同倾斜平面时，计算机控制终端采集壁虎与三维力传感器阵列之间的碰撞接触力，结合X向高速摄像机、Y向高速摄像机、Z向高速摄像机观察壁虎在着陆瞬间时视频图像信息，分析壁虎着陆运动时的缓冲粘附机制。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明以壁虎空中姿态调整和着陆运动相结合，设计了从空中姿态调控到粘附着陆的实验系统，具有较强的系统集成性，比单纯的空中姿态调控具有更多的功能特点。
2、本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，满足壁虎在不同倾斜姿态角度与着陆状态时运动的性能分析要求，为提高地面模拟微重力环境下的空间姿态调控与着陆的实验性能。
3、本发明记录了壁虎运动视频图像、目标着陆平面姿态和着陆碰撞三维力信号，为仿壁虎空间机器人进一步实验分析提供充足的仿生数据，提高了机器人运动实验效率，为空间机器人姿态调控与着陆提供有利途径和良好的方式方法。
附图说明
图1是本发明壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统总体分布图。
上述图中标号名称：1、X向高速摄像机、2、X向三脚架、3、Z向高速摄像机、4、Z向三脚架、5、计算机控制终端、6、力传感器数据采集系统、7、支撑架底座、8、着陆平板、9、三维力传感器阵列、10、Y向标尺支撑柱、11、支撑横梁、12、Y向高速摄像机、13、透明板、14、滑动横梁、15、光源、16、左翻板驱动电机、17、左翻板、18、右翻板驱动电机、19、右翻板、20、壁虎、21、着陆平板旋转驱动电机、22、着陆板支撑柱
图中X向为针对壁虎侧面方向；Y向为针对垂直面方向；Z向为针对壁虎正面方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
结合图1，本实施例为一种壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法，包括X向高速摄像机1、X向三脚架2、Z向高速摄像机3、Z向三脚架4、计算机控制终端5、力传感器数据采集系统6、支撑架底座7、着陆平板8、三维力传感器阵列9、Y向标尺支撑柱10、支撑横梁11、Y向高速摄像机12、透明板13、滑动横梁14、光源15、左翻板驱动电机16、左翻板17、右翻板驱动电机18、右翻板19、壁虎20、着陆平板旋转驱动电机21和着陆板支撑柱22组成。
如图1所示，所述的一种壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法：包括支撑架底座7，及分别垂直固定于支撑架底座7的着陆板支撑柱22和Y向标尺支撑柱10；还包括与着陆板支撑柱22铰接，并通过固定于着陆板支撑柱22上的着陆平板旋转驱动电机21驱动着陆平板8；还包括固定于Y向标尺支撑柱10上且高度可调的支撑横梁11，以及安装于支撑横梁11上可沿支撑横梁11滑动的滑动横梁14；上述滑动横梁14下方还安装有透明板13、左翻板17、左翻板驱动电机16、右翻板19和右翻板驱动电机18；其中透明板13与所述滑动横梁14平行固定，左翻板17左边与滑动横梁14铰接，并通过固定于滑动横梁14的左翻板驱动电机16驱动，右翻板19右边与滑动横梁14铰接，并通过固定于滑动横梁14的右翻板驱动电机18驱动，上述透明板13、左翻板17和右翻板19之间构成壁虎停留空间；该系统还包括布置于着陆平板8上的三维力传感器阵列9、X向高速摄像机1、Y向高速摄像机12、Z向高速摄像机3、计算机控制终端5、力传感器数据采集系统6；其中X向高速摄像机1、Y向高速摄像机12、Z向高速摄像机3均与计算机控制终端5相连，三维力传感器阵列9经过所述力传感器数据采集系统6与计算机控制终端5相连，着陆平板旋转驱动电机21与计算机控制终端5相连；设置XYZ坐标系；其中X轴与滑动横梁14平行，Y轴与Y向标尺支撑柱10平行，Z轴与着陆平板旋转驱动电机21输出轴平行。
所述的壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法，其特征在于：上述滑动横梁14下方还安装有光源15，所述壁虎停留空间位于光源15和Y向标尺支撑柱10之间。
所述的壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统及方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、将壁虎放入透明板13、左翻板17和右翻板19之间构成壁虎停留空间；
步骤2、使X向高速摄像机1、Y向高速摄像机12、Z向高速摄像机3均对准观测区域，其中Y向高速摄像机12是从透明板13上方对准观测区域的；通过计算机控制终端5高速记录X轴向视频图像信息；
步骤3、其中壁虎空中姿态调整与着陆运动测试时，调整好支撑横梁11与支撑架底座7之间实验所需自由落体高度，驱动左翻板驱动电机16和右翻板驱动电机18，以便打开左翻板17和右翻板19，壁虎20开始自由落体运动，通过X向高速摄像机1、Y向高速摄像机12、Z向高速摄像机3观察壁虎20在空中的姿态变化，计算机控制终端5记录过程中视频图像信息；
步骤4、通过计算机控制终端5调节着陆平板旋转驱动电机21，设置着陆平板8的不同倾斜角度，观测不同倾斜平面时，计算机控制终端5采集壁虎20与三维力传感器阵列9之间的碰撞接触力，结合X向高速摄像机1、Y向高速摄像机12、Z向高速摄像机3观察壁虎20在着陆瞬间时视频图像信息，分析壁虎20着陆运动时的缓冲粘附机制。
Claims (3)
1.壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统，其特征在于：
包括支撑架底座（7），及分别垂直固定于支撑架底座（7）的着陆板支撑柱（22）和Y向标尺支撑柱（10）；
还包括与着陆板支撑柱（22）铰接，并通过固定于着陆板支撑柱（22）上的着陆平板旋转驱动电机（21）驱动的着陆平板（8）；
还包括固定于Y向标尺支撑柱（10）上且高度可调的支撑横梁（11），以及安装于支撑横梁（11）上可沿支撑横梁（11）滑动的滑动横梁（14）；
上述滑动横梁（14）下方还安装有透明板（13）、左翻板（17）、左翻板驱动电机（16）、右翻板（19）和右翻板驱动电机（18）；其中透明板（13）与所述滑动横梁（14）平行固定，左翻板（17）左边与滑动横梁（14）铰接，并通过固定于滑动横梁（14）的左翻板驱动电机（16）驱动，右翻板（19）右边与滑动横梁（14）铰接，并通过固定于滑动横梁（14）的右翻板驱动电机（18）驱动，上述透明板（13）、左翻板（17）和右翻板（19）之间构成壁虎停留空间；
该系统还包括布置于着陆平板（8）上的三维力传感器阵列（9）、X向高速摄像机（1）、Y向高速摄像机（12）、Z向高速摄像机(3)、计算机控制终端（5）、力传感器数据采集系统(6)；其中X向高速摄像机（1）、Y向高速摄像机（12）、Z向高速摄像机(3)均与计算机控制终端（5）相连，三维力传感器阵列（9）经过所述力传感器数据采集系统(6)与计算机控制终端（5）相连，着陆平板旋转驱动电机（21）与计算机控制终端（5）相连；
设置XYZ坐标系；其中X轴与滑动横梁（14）平行，Y轴与Y向标尺支撑柱（10）平行，Z轴与着陆平板旋转驱动电机（21）输出轴平行。
2.根据权利要求1所述的壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统，其特征在于：上述滑动横梁（14）下方还安装有光源（15），所述壁虎停留空间位于光源（15）和Y向标尺支撑柱（10）之间。
3.利用权利要求1所述的壁虎空中姿态调整与着陆运动测试系统的测试方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、将壁虎放入透明板（13）、左翻板（17）和右翻板（19）之间构成的壁虎停留空间；
步骤2、使X向高速摄像机（1）、Y向高速摄像机（12）、Z向高速摄像机(3)均对准观测区域，其中Y向高速摄像机（12）是从透明板（13）上方对准观测区域的；通过计算机控制终端（5）高速记录X轴向视频图像信息；
步骤3、其中壁虎空中姿态调整与着陆运动测试时，调整好支撑横梁（11）与支撑架底座（7）之间实验所需自由落体高度，驱动左翻板驱动电机（16）和右翻板驱动电机（18），以便打开左翻板（17）和右翻板（19），壁虎（20）开始自由落体运动，通过X向高速摄像机（1）、Y向高速摄像机（12）、Z向高速摄像机（3）观察壁虎（20）在空中的姿态变化，计算机控制终端（5）记录过程中视频图像信息；
步骤4、通过计算机控制终端（5）调节着陆平板旋转驱动电机（21），设置着陆平板（8）的不同倾斜角度，观测不同倾斜平面时，计算机控制终端（5）采集壁虎（20）与三维力传感器阵列（9）之间的碰撞接触力，结合X向高速摄像机（1）、Y向高速摄像机（12）、Z向高速摄像机（3）观察壁虎（20）在着陆瞬间时视频图像信息，分析壁虎（20）着陆运动时的缓冲粘附机制。
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