一種四足動物運動觀測系統的製作方法
2023-04-25 00:12:21
一種四足動物運動觀測系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種四足動物運動觀測系統，本發明包括有運動通道、六自由度平臺、紅外線攝像頭、高速攝像機、重力傳感器、計算機，運動通道和六自由度平臺配合使用，運動通道包含右轉彎段、左轉彎段、15°坡段和25°坡段四個部分，六自由度平臺上均布有重力傳感器。本發明使四足動物觀測過程系統化，提高了觀測結果的集成度，大大縮短了觀測周期，有效解決了四足動物運動觀測困難的問題。
【專利說明】-種四足動物運動觀測系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及四足動物運動觀測和仿生機器人研究領域。特別涉及山羊維穩減振特 性觀測與研究。可用於四足機器人的運動測試。 技術背景
[0002] 從1959年美國製造出世界第一臺工業機器人至今，機器人的發展經歷了多個階 段，目前正處於具有高級生命形態特徵的仿生機器人研究階段。仿生機器人是模仿自然界 中生物的外部形態或某些機能的機器人系統，是將運動仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿 生、材料仿生等仿生技術完美綜合與全面應用的產物。其中，運動觀測是運動仿生技術的基 礎與前提。
[0003] 應用運動仿生技術進行四足仿生機器人研究，首先應獲取仿生原型的運動參數 (步態、步速、步幅、關節角、四足驅動規律及受力分布情況等），即對四足動物進行運動圖 像採集和受力分布測試。
[0004] 為方便、快捷的獲取四足動物運動參數，本發明設計了一種四足動物運動觀測系 統，在山羊維穩減振性能觀測和德國牧羊犬運動特性觀測方面效用上佳，能廣泛應用於牛、 羊、馬、驢、鹿、犬等四足動物的運動觀測，為四足機器人的研究提供運動參數，也可用於四 足機器人的運動測試，為四足機器人的運動性能改進提供方便。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種四足動物運動觀測系統，本發明能實現四足動物運動觀 測系統化，提高觀測集成度，縮短觀測周期，為獲取四足動物運動參數提供方便，為四足機 器人研究奠定基礎。
[0006] 本發明包括有一個運動通道；一個位於運動通道包圍空間中心位置的六自由度平 臺；六個紅外線攝像頭和六個攝像頭支架；一個高速攝像機和一個攝像機移動架；四個均 布於六自由度平臺載物臺上的重力傳感器；一個接收紅外線攝像頭、高速攝像機和重力傳 感器的輸出數據，並控制六自由度平臺運動的計算機；
[0007] 所述的運動通道包含有右轉彎段、左轉彎段、15°坡段和25°坡段，右轉彎段與左 轉彎段之間、左轉彎段與15°坡段之間、15°坡段與25°坡段之間均由水平面連接；
[0008] 所述的六自由度平臺是由載物臺、上平臺、鉸鏈、電動缸、下平臺和滾輪組成，六個 電動缸通過鉸鏈鉸接在下平臺與上平臺之間，下平臺的底面設置滾輪，上平臺上方連接有 載物臺，四個重力傳感器均布於載物臺上，四個重力傳感器的位置可調，由計算機控制六自 由度平臺運動，四足動物位於載物臺上，隨六自由度平臺運動，四足動物的四肢踩踏在四個 重力傳感器上，其四足受力數據實時傳入計算機中；
[0009] 所述紅外線攝像頭設置在攝像頭支架上，六個紅外線攝像頭布設在運動通道的周 邊或運動通道上，具體位置根據實際需要確定；所述的高速攝像機設置在攝像機移動架上， 高速攝像機位於運動通道周邊或運動通道上，具體位置根據實際需要確定。
[0010] 本發明的工作過程和原理：
[0011] 本發明包括運動模式和靜止模式，四足動物運動模式在運動通道上實現，能夠先 後實現四足動物的直線運動、左轉彎運動、右轉彎運動、15°坡運動、25°坡運動的觀測，五 種運動方式可以單獨進行也可以按序依次進行，坡上運動包括上坡、下坡兩種情況；四足動 物的靜止模式在六自由度平臺上實現，能夠按需實現四足動物在平動（前後、左右、上下移 動）、轉動（左右轉動）、傾斜（前後、左右傾斜）、隨機振動時應激反應的觀測，由計算機調 節，六自由度平臺在各種模式（平動、轉動、傾斜、隨機振動）下，參數變化具有連續性。例 如，為測量四足動物維穩極限角，可連續變化六自由度平臺的傾斜角，觀察四足動物維持穩 定的最大傾斜角。
[0012] 本發明的有益效果：
[0013] 本發明將運動通道與六自由度平臺配合使用，重力傳感器與六自由度平臺相結 合，能夠實現牛、羊、馬、驢、鹿、犬等較大型四足動物的運動觀測，大大提高了觀測效率，縮 短了觀測周期，實現了四足動物運動觀測系統化，解決了較大型四足動物運動觀測困難的 問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明的結構示意圖。
[0015] 圖2為本發明的六自由度平臺立體示意圖。
[0016] 圖3為本發明的運動通道立體示意圖。
[0017] 圖4為本發明運動模式下四足動物右轉彎運動示意圖。
[0018] 圖5為本發明運動模式下四足動物15°坡運動示意圖。
[0019] 圖6為本發明運動模式向靜止模式切換示意圖。
[0020] 圖7為本發明靜止模式下四足動物前傾狀態示意圖。
[0021] 圖8為本發明靜止模式下四足動物前移狀態示意圖。
[0022] 圖9為本發明靜止模式下四足動物左轉狀態示意圖。
[0023] 圖中：1_運動通道，2_六自由度平臺，3_紅外線攝像頭，4_ 1?速攝像機，5_重力傳 感器，6_計算機，7_攝像頭支架，8_攝像機移動架，9-四足動物，10-載物臺，11-上平臺， 12-鉸鏈，13-電動缸，14-下平臺，15-滾輪，16-右轉彎段，17-左轉彎段，18-15 °坡段， 19-25° 坡段。
【具體實施方式】
[0024] 請參閱圖1、圖2和圖3所示，本發明包括有一個運動通道1 ;一個位於運動通道1 包圍空間中心位置的六自由度平臺2 ;六個紅外線攝像頭3和六個攝像頭支架7 ;-個高速 攝像機4和一個攝像機移動架8 ;四個均布於六自由度平臺2載物臺10上的重力傳感器5 ; 一個接收紅外線攝像頭3、高速攝像機4和重力傳感器5的輸出數據，並控制六自由度平臺 2運動的計算機6 ;
[0025] 如圖3所示，所述的運動通道1包含有右轉彎段16、左轉彎段17、15°坡段18和 25°坡段19,右轉彎段16與左轉彎段17之間、左轉彎段17與15°坡段18之間、15°坡段 18與25°坡段19之間均由水平面連接；
[0026] 如圖2所示，所述的六自由度平臺2是由載物臺10、上平臺11、鉸鏈12、電動缸13、 下平臺14和滾輪15組成，六個電動缸13通過鉸鏈12鉸接在下平臺14與上平臺11之間， 下平臺14的底面設置滾輪15,滾輪15具有自鎖功能，上平臺11上方連接有載物臺10,四 個重力傳感器5均布於載物臺10上，四個重力傳感器5的位置可調，由計算機6控制六自 由度平臺2運動，四足動物9位於載物臺10上，隨六自由度平臺2運動，四足動物9的四肢 踩踏在四個重力傳感器5上，其四足受力數據實時傳入計算機6中；
[0027] 所述紅外線攝像頭3設置在攝像頭支架7上，六個紅外線攝像頭3位於運動通道 1的周邊或運動通道1上，具體位置根據實際需要確定；所述的高速攝像機4設置在攝像機 移動架8上，高速攝像機4位於運動通道1周邊或運動通道1上，具體位置根據實際需要確 定。
[0028] 本實施例的工作過程和原理：
[0029] 本實施例包括運動模式和靜止模式，四足動物9以山羊為例；
[0030] 運動模式試驗：牽引人牽引受測山羊由運動通道1起始點開始運動，依次經過右 轉彎段16、左轉彎段17、15°坡段18、25°坡段19四個重點觀測部位，其間六個紅外線攝像 頭3和一個高速攝像機4的位置如圖4、圖5所示。攝像頭支架7支撐紅外線攝像頭3,紅 外線攝像頭3的高度、位置可調。攝像機移動架8支撐高速攝像機4,高速攝像機4高度和 位置可調，六個紅外線攝像頭3和一個高速攝像機4採集的受測山羊運動圖像和數據傳輸 給計算機6 ;為保證圖像與數據採集效果，牽引人應位於運動通道1內側。觀測過程中如果 遇到某處觀測效果不理想，可直接牽引山羊來到此處進行補充試驗。
[0031] 運動模式向靜止模式切換：由於六自由度平臺2較高，四足動物9直接登臺困難， 需要由運動通道1進行過渡。模式切換過程主要是六自由度平臺2的位置調節過程。模式 切換過程中，山羊應位於運動通道1末端的最高平面處，六自由度平臺2應儘量靠近山羊， 待山羊被牽引至六自由度平臺2上後，移動六自由度平臺2至運動通道1中心位置，以便為 六自由度平臺2的狀態調節留有足夠空間。滾輪15為六自由度平臺2的移動提供方便，滾 輪15具有自鎖功能，以滿足六自由度平臺2的位置固定，防止觀測效果受影響。模式切換 過程如圖6所示。運動模式主要用於獲取山羊平面、轉彎、坡度攀爬運動過程中的步態、步 幅、步長、步速、關節角等運動參數，為山羊四肢運動仿真奠定基礎。
[0032] 靜止模式試驗：靜止模式試驗主要依靠計算機6控制六自由度平臺2實現。六自 由度平臺2的上平臺11上方連接有載物臺10,載物臺10尺寸根據山羊體積選取。載物臺 10上具有滑槽和連接孔，連接孔用於連接上平臺11和測試裝置如重力傳感器5,滑槽允許 載物臺10上的測試裝置位置可調。本試驗中，測試裝置為重力傳感器5,其在載物臺10上 呈矩形分布，試驗前已將重力傳感器5根據山羊四肢位置排布好並固定。靜止模式試驗過 程包含平動（前後、左右、上下移動）、轉動（左右轉動）、傾斜（前後、左右傾斜）、隨機振 動四個主要部分，相關參數由計算機6調節，具有連續性。靜止模式主要用於測試山羊四肢 減振特性與應激維穩特性，可得到山羊應激過程中的四肢受力分布數據與山羊體態變化圖 像，為山羊維穩減振機理分析奠定基礎。靜止模式的測試過程如圖7、圖8和圖9所示。
[0033] 根據以上步驟進行試驗，可以高效、快速的獲取山羊運動相關數據與圖像，經過數 據與圖像處理，即可得到步態、步幅、步長、步速、關節角、受力分布等結果，本發明將運動觀 測與受力數據採集同複雜模式（運動模式、靜止模式）相結合，能夠在較短時間周期內獲取 大量運動信息，大大提高了觀測效率，並實現了四足動物運動觀測系統化，解決了較大型四 足動物運動觀測困難的問題。
【權利要求】
1. 一種四足動物運動觀測系統，其特徵在於：其包括有一個運動通道（1);一個位於運 動通道（1)包圍空間中心位置的六自由度平臺（2);六個紅外線攝像頭（3)和六個攝像頭 支架（7);-個高速攝像機（4)和一個攝像機移動架（8);四個均布於六自由度平臺（2)載 物臺（10)上的重力傳感器（5); -個接收紅外線攝像頭（3)、高速攝像機（4)和重力傳感器 (5)的輸出數據，並控制六自由度平臺（2)運動的計算機（6); 所述的運動通道（1)包含有右轉彎段（16)、左轉彎段（17)、15°坡段（18)和25°坡段 (19)，右轉彎段（16)與左轉彎段（17)之間、左轉彎段（17)與15°坡段（18)之間、15°坡 段（18)與25°坡段（19)之間均由水平面連接； 所述的六自由度平臺（2)是由載物臺（10)、上平臺（11)、鉸鏈（12)、電動缸（13)、下 平臺（14)和滾輪（15)組成，六個電動缸（13)通過鉸鏈（12)鉸接在下平臺（14)與上平臺 (11)之間，下平臺（14)的底面設置滾輪（15)，上平臺（11)上方連接有載物臺（10)，四個重 力傳感器（5)均布於載物臺（10)上，四個重力傳感器（5)的位置可調，由計算機（6)控制 六自由度平臺（2)運動，四足動物（9)位於載物臺（10)上，隨六自由度平臺（2)運動，四足 動物（9)的四肢踩踏在四個重力傳感器（5)上，其四足受力數據實時傳入計算機￠)中； 所述紅外線攝像頭（3)設置在攝像頭支架（7)上，六個紅外線攝像頭（3)布設在運動 通道（1)的周邊或運動通道（1)上；所述的高速攝像機（4)設置在攝像機移動架（8)上，高 速攝像機（4)位於運動通道（1)周邊或運動通道（1)上。
【文檔編號】A61B5/11GK104083173SQ201410317828
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】田為軍, 王驥月, 叢茜, 任雷, 任露泉 申請人:吉林大學