用於足式行走對象的多路面運動力學觀測系統的製作方法

2024-03-29 15:57:05

本發明涉及觀測系統及試驗設備領域，具體涉及一種用於足式行走對象的多路面運動力學觀測系統。

背景技術：

仿生機器人的研究在全世界範圍內得到廣泛開展。隨著研究的不斷深入，越來越多的研究人員通過對擁有優異運動能力的動物進行試驗研究，獲得啟示，進而將動物所具備的卓越運動原理與機制應用於機器人的技術開發，大幅提高機器人的運動性能。在生物運動原型及仿生機器人的眾多研究之中，由於足式動物以及足式機器人所具有的良好的步行運動以及適應不同路況的能力，因此足式動物及足式行走機器人的多路面行走運動力學研究成為機器人領域的熱點。

然而，目前用於足式動物及足式機器人的多路面運動力學試驗測試設備尚有待開發。目前，往往是採用簡易的搭接木板或者普通跑步機對足式行走動物或者足式機器人進行觀察測試。這些傳統的試驗裝置存在諸多缺陷，如通常採用的簡易搭接木板試驗裝置一般只能實現俯仰方向的傾斜，而且由於支撐物體高度的限制並不能實現連續的角度調節，這給測試帶來諸多不便；另外，由於其不能實現橫滾方向的角度調節，故對足式動物或者足式機器人的側向穩定性以及在側傾情況下的行走能力不能進行有效評估。再者，目前測試中經常使用的普通跑步機，同樣也只能完成俯仰方向的角度調節，且調節的範圍較小，並不能滿足試驗要求；同時，文獻調研表明，常見的行走測試系統多數僅能針對某單一路面情況進行測試，無法進行多路面的選擇與切換，因此具有較大測試局限性。

綜觀上述用於足式行走的運動力學觀測系統的研究現狀，急需一種能夠同時實現俯仰、橫滾角度調節、不同測試路面切換且有效獲取運動力學數據並能夠用於不同足式行走對象的運動力學觀測系統。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有的足式行走對象觀察測試裝置存在的功能單一、不能快速進行多路面行走測試、試驗數據採集能力不足等問題，而提供一種用於足式行走對象的運動力學觀測系統，該運動力學觀測系統功能多樣，能夠快速切換測試路面類型、擁有較強的數據採集能力並適用於包括足式機器人、小型足式行走動物等足式行走對象的運動力學數據採集。

本發明包括橫滾傳動機構、路面轉換機構、橫滾角度保持機構、俯仰機構以及由高速攝像機和紅外攝像機所組成的光學三維運動捕捉系統。

所述的光學三維運動捕捉系統由兩臺高速攝像機，六臺均布的紅外攝像機組成，其中高速攝像機用於捕捉行走對象的運動細節，紅外攝像機負責試驗對象的三維空間運動數據的採集。

所述的橫滾傳動機構包括第二機架、第一齒輪、第二齒輪、第三機架、第三螺釘、第一減速自鎖電機。其中，第二機架由一對對稱分布的第三螺釘固定在第三機架上，第一減速自鎖電機固連在第三機架的中部，橫滾旋轉軸、第一減速自鎖電機的軸端部分透過第二機架和第三機架的對應軸孔分別與第一齒輪、第二齒輪固連，第一減速自鎖電機所產生的動力通過第一齒輪與第二齒輪的嚙合傳遞給橫滾旋轉軸來完成測試路面側向偏轉角度的調節以及不同測試路面的切換。

所述的路面轉換機構包括第一滑軌、螺杆、可升降路面、仿形基板、第一壓簧、壓力板路面、路面支撐架、柔性材質墊、第一機架、第二滑軌，第一機架通過四個對稱分布的第二螺釘固定在第二機架上，橫滾旋轉軸由第一機架與第二機架上相對應的軸孔確定相對位置；三個均勻布置的三角形的路面支撐架固連在橫滾旋轉軸上，兩塊仿形基板布置在三個路面支撐架之間，與可升降路面構成凹凸測試路面的主體部分；可升降路面上存在與仿形基板上凸起對應的圓孔，可升降路面可以沿對稱分布的第一滑軌上下滑動以調節仿形基板上的凸包露出高度來形成不同的凹凸路面；成對分布在可升降路面兩側的第一螺釘穿過路面支撐架上的通孔以螺紋連接的方式固連在可升降路面上，布置在可升降路面與第一螺釘之間的第一壓簧起到保持升降路面相對位置的作用；對稱分布的四個螺杆以螺紋連接的方式固連在兩側的路面支撐架上，同時穿過可升降路面的通孔，通過調節在四個螺杆上的螺母的位置即可調節可升降路面的高度。另兩個測試路面類型分別為普通平路測試路面和鬆軟測試路面，其中，普通平路測試路面由壓力板路面固連在路面支撐架的側邊，而鬆軟測試路面則是在此基礎上將柔性材質墊緊密貼合在另一個壓力板路面上。在橫滾傳動機構的協動下，三種路面可以根據試驗要求快速自由切換，且每種路面的側向偏轉角度可自由調節。

所述的橫滾角度保持機構包括第四螺釘、第五機架、第二壓簧、第一銷軸、限位支架、第一絲槓、第一絲槓螺母、連杆、支撐梁、夾持元件。第五機架由第四螺釘與第一機架確定裝配關係，支撐梁穿過第五機架並與第五機架固定連接，兩個夾持元件可在支撐梁上自由滑動，且與兩個連杆形成鉸鏈連接。同時，第一絲槓螺母通過兩個第一銷軸與兩個第二連杆分別鉸接，通過旋轉第一絲槓，隨著第一絲槓螺母的移動，夾持元件會完成對橫滾旋轉軸的夾持，以防止在第一減速自鎖電機處於非工作狀態時，路面轉換機構的非主動旋轉運動，在調節側向偏轉角度或者切換路面之前應反向旋轉第一絲槓，使夾持元件處於非夾持狀態。這裡限位支架的作用是限制第一絲槓的軸向運動，第二壓簧的作用是協助絲槓螺母機構對橫滾旋轉軸進行夾持。

所述的俯仰機構包括第一支撐杆、第三滑軌、第二減速自鎖電機、第一絲槓保持架、第二絲槓螺母、支架連杆、滑塊、支撐杆固定架、水平保持架、第二絲槓保持架、第二絲槓、第二支撐杆、滑輪，俯仰機構的動力由第二減速自鎖電機通過聯軸器傳遞給第二絲槓，再通過第二絲槓螺母與穿過第二絲槓螺母的支架連杆轉化為滑塊沿第三滑軌的水平滑動。這裡兩個對稱分布的第三滑軌通過六對第五螺釘固連在第四支架上，兩對支撐架的主體由第一支撐杆、第二支撐杆和滑輪組成，第一支撐杆、第二支撐杆分別通過第二銷軸、第三銷軸與滑塊和支撐杆固定架形成鉸接，第一支撐杆、第二支撐杆則通過第四銷軸形成鉸接，滑輪與第四銷軸形成轉動副。這裡，支撐杆固定架的相對位置是由第七螺釘確定的，第二絲槓的相對位置是由第一絲槓保持架、第二絲槓保持架確定的，而第一絲槓保持架與第二絲槓保持架分別由兩對第六螺釘、第九螺釘固定在第四支架上，對稱分布的一對水平保持架，有兩對第八螺釘固定在第四支架上，起到防止俯仰運動出現負角度的作用。

本發明的工作過程和原理：

在具體的實施過程中，俯仰機構通過一組滑輪將支撐力作用在固連在第四支架兩側的第二滑軌上來完成俯仰運動，俯仰運動的支點為第三機架與第四支架的鉸接處，由於第二減速自鎖電機和以第二絲槓與第二絲槓螺母為主體的絲槓螺母機構均具有自鎖性，故不必添加其它鎖緊機構來完成俯仰機構在非工作狀態下的鎖緊。橫滾傳動機構、路面轉換機構與橫滾角度保持機構協同完成橫滾動作，包括測試路面側向偏轉角度的調節、測試路面的快速切換、凹凸測試路面凸起高度的調節以及在橫滾傳動機構處於非工作狀態下橫滾旋轉軸的鎖定等工作。橫滾傳動機構將動力傳遞給橫滾旋轉軸使其產生旋轉運動，既可以使每一個路面產生側向偏轉來測試行走對象的側向穩定性，又可以快速切換不同的測試路面完成測試對象的不同類型路面行走能力測試。其中，凹凸測試路面凸包高度的調節可以通過螺母、第一壓簧協同完成，在進行測試工作時，由橫滾角度保持機構對橫滾旋轉軸的夾持作用確保裝置的穩定。運動力學測試數據的採集分別由兩個壓力板路面及兩臺高速攝像機與六臺均布的紅外攝像機組成的光學三維運動捕捉系統完成，壓力板路面用於採集行走對象對路面產生的壓力數據，而光學三維運動捕捉系統用於捕捉運動對象在三維空間的運動數據。

本發明的有益效果：

1、本發明可用於足式行走對象運動力學的觀測，這裡的足式行走對象不僅包括足式行走機器人還包括一些小型的足式行走動物，足式行走動物相關運動力學數據的採集可以為仿生機器人的研究奠定良好基礎。

2、本發明可以同時實現測試路面橫滾和俯仰角度的連續調節，可以模擬不同路況的路面，使測試數據更加全面。

3、本發明可以通過簡單的控制電機轉動達到快速切換不同測試路面的目的，大大節約測試時間的同時可以得到多組不同測試路面的試驗數據。

4、本發明將新型路面切換機構與運動力學數據採集裝置(壓力板路面)集成，配合光學三維運動捕捉系統，便於試驗數據的快速採集，利於試驗後期的數據分析。

附圖說明

圖1為本發明的立體結構示意圖。

圖2為本發明的主視圖。

圖3為圖2的A-A視圖。

圖4為本發明的俯視圖。

圖5為本發明俯仰支撐機構的結構示意圖。

圖6為本發明在進行俯仰動作時的示意圖。

圖7為本發明在進行橫滾動作時的示意圖。

其中：1-高速攝像機；2-紅外攝像機；3-路面轉換機構；31-第一滑軌；32-螺杆；33-可升降路面；34-仿形基板；35-螺母；36-第一壓簧；37-第一螺釘；38-壓力板路面；39-路面支撐架；310-柔性材質墊；311-橫滾旋轉軸；312-第一機架；313-第二滑軌；314-第二螺釘；4-橫滾傳動機構；41-第二機架；42-第一齒輪；43-第二齒輪；44-第三機架；45-第三螺釘；46-第一減速自鎖電機；5-第四支架；6-橫滾角度保持機構；61-第四螺釘；62-第五機架；63-第二壓簧；64-第一銷軸；65-限位支架；66-第一絲槓；67-第一絲杆螺母；68-連杆；69-支撐梁；610-夾持元件；7-俯仰機構；71-第一支撐杆；72-第二銷軸；73-第三滑軌；74-第五螺釘；75-第二減速自鎖電機；76-聯軸器；77-第一絲槓保持架；78-第二絲槓螺母；79-第六螺釘；710-支架連杆；711-滑塊；712-第七螺釘；713-第三銷軸；714-支撐杆固定架；715-水平保持架；716-第八螺釘；717-第二絲槓保持架；718-第九螺釘；719-第二絲槓；720-第二支撐杆；721-滑輪；722-第四銷軸。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6及圖7所示，本實施例包括橫滾傳動機構4、路面轉換機構3、橫滾角度保持機構6、俯仰機構7以及由高速攝像機和紅外攝像機所組成的光學三維運動捕捉系統。

所述的光學三維運動捕捉系統由兩臺高速攝像機1，六臺均布的紅外攝像機2組成，其中高速攝像機1用於捕捉行走對象的運動細節，紅外攝像機2負責試驗對象三維空間運動數據的採集。

所述的橫滾傳動機構4包括第二機架41、第一齒輪42、第二齒輪43、第三機架44、第三螺釘45、第一減速自鎖電機46，第二機架41由一對對稱分布的第三螺釘45固定在第三機架44上，第一減速自鎖電機46固連在第三機架44的中部，橫滾旋轉軸311、第一減速自鎖電機46的軸端部分透過第二機架41和第三機架44的對應軸孔分別與第一齒輪42、第二齒輪43固連，第一減速自鎖電機46所產生的動力通過第一齒輪42與第二齒輪43的嚙合傳遞給橫滾旋轉軸311來完成測試路面側向偏轉角度的調節以及不同測試路面的切換。

所述的路面轉換機構3包括第一滑軌31、螺杆32、可升降路面33、仿形基板34、第一壓簧36、壓力板路面38、路面支撐架39、柔性材質墊310、第一機架312、第二滑軌313，第一機架312通過四個對稱分布的第二螺釘314固定在第二機架41上，橫滾旋轉軸311由第一機架312與第二機架41上相對應的軸孔確定相對位置；三個均勻布置的三角形的路面支撐架39固連在橫滾旋轉軸311上，兩塊仿形基板34布置在三個路面支撐架39之間，與可升降路面33構成凹凸測試路面的主體部分；可升降路面33上存在與仿形基板34上凸包對應的圓孔，可升降路面33可以沿對稱分布的第一滑軌31上下滑動以調節仿形基板34上的凸包露出高度來形成不同凹凸測試路面；成對分布在可升降路面33兩側的第一螺釘37穿過路面支撐架39上的通孔以螺紋連接的方式固連在可升降路面33上，布置在可升降路面33與第一螺釘37之間的第一壓簧36起到保持升降路面33相對位置的作用，而對稱分布的四個螺杆32以螺紋連接的方式固連在兩側的路面支撐架39上，同時穿過可升降路面33的通孔，通過調節在四個螺杆32上的螺母35的位置即可調節可升降路面33的高度。另兩個測試路面分別為普通平路測試路面和鬆軟測試路面，其中，普通平路測試路面由壓力板路面38固連在路面支撐架39的側邊，而鬆軟測試路面則是在此基礎上將柔性材質墊310緊密貼合在在另一個壓力板路面38上。在橫滾傳動機構4的協動下，三種路面可以根據試驗要求快速自由切換，且每種路面的側向偏轉角度可自由調節。所述的柔性材質墊310是海綿或柔性橡膠。

所述的橫滾角度保持機構6包括第四螺釘61、第五機架62、第二壓簧63、第一銷軸64、限位支架65、第一絲槓66、第一絲槓螺母67、連杆68、支撐梁69、夾持元件610，第五機架62由第四螺釘61與第一機架312確定裝配關係，支撐梁69穿過第五機架62並與第五機架62固定連接，兩個夾持元件610可在支撐梁69上自由滑動，且與兩個連杆68形成鉸鏈連接。同時，第一絲槓螺母67通過兩個第一銷軸64與兩個第二連杆68分別鉸接，通過旋轉第一絲槓66，隨著第一絲槓螺母67的移動，夾持元件610會完成對橫滾旋轉軸311的夾持，以防止在第一減速自鎖電機46處於非工作狀態時，路面轉換機構3的非主動旋轉運動，在調節側向偏轉角度或者切換路面之前應反向旋轉第一絲槓66，使夾持元件610處於非夾持狀態。這裡限位支架65的作用是限制第一絲槓66的軸向運動，第二壓簧63的作用是協助絲槓螺母機構對橫滾旋轉軸311進行夾持。

所述的俯仰機構7包括第一支撐杆71、第三滑軌73、第二減速自鎖電機75、第一絲槓保持架77、第二絲槓螺母78、支架連杆710、滑塊711、支撐杆固定架714、水平保持架715、第二絲槓保持架717、第二絲槓719、第二支撐杆720、滑輪721，俯仰機構7的動力由第二減速自鎖電機75通過聯軸器76傳遞給第二絲槓719，再通過第二絲槓螺母78與穿過第二絲槓螺母78的支架連杆710轉化為滑塊711沿第三滑軌73的水平滑動；這裡兩個對稱分布的第三滑軌73通過六對第五螺釘74固連在第四支架5上，兩對支撐架的主體由第一支撐杆71、第二支撐杆720和滑輪721組成，第一支撐杆71、第二支撐杆720分別通過第二銷軸72、第三銷軸713與滑塊711和支撐杆固定架714形成鉸接，第一支撐杆71、第二支撐杆720則通過第四銷軸722形成鉸接，滑輪721與第四銷軸722形成轉動副；這裡，支撐杆固定架714的相對位置是由第七螺釘712確定的，第二絲槓719的相對位置是由第一絲槓保持架77、第二絲槓保持架717確定的，而第一絲槓保持架77與第二絲槓保持架717分別由兩對第六螺釘79、第九螺釘718固定在第四支架5上，對稱分布的一對水平保持架715，有兩對第八螺釘716固定在第四支架5上，起到防止俯仰運動出現負角度的作用。

在具體的實施過程中，俯仰機構7通過一組滑輪721將支撐力作用在固連在第四支架5兩側的第二滑軌313上來完成俯仰運動，俯仰運動的支點為第三機架44與第四支架5的鉸接處，由於第二減速自鎖電機75和以第二絲槓719與第二絲槓螺母78為主體的絲槓螺母機構均具有自鎖性，故不必添加其它鎖緊機構來完成俯仰機構7在非工作狀態下的鎖緊。橫滾傳動機構4、路面轉換機構3與橫滾角度保持機構6協同完成橫滾動作，包括測試路面側向偏轉角度的調節、測試路面的快速切換、凹凸測試路面凸起高度的調節以及在橫滾傳動機構4處於非工作狀態下橫滾旋轉軸311的鎖定等工作。橫滾傳動機構4將動力傳遞給橫滾旋轉軸311使其產生旋轉運動，既可以使每一個路面產生側向偏轉來測試行走對象的側向穩定性，又可以快速切換不同的測試路面，完成測試對象的不同類型路面行走能力測試。其中，凹凸測試路面凸包高度的調節可以通過螺母35、第一壓簧36協同完成，在進行測試工作時，由橫滾角度保持機構6對橫滾旋轉軸311的夾持作用確保裝置的穩定。有關測試數據的採集分別由兩個壓力板路面38，及兩臺高速攝像機1，六臺均布的紅外攝像機2組成的光學三維運動捕捉系統完成，壓力板路面38用於採集行走對象對路面產生的壓力數據，而光學三維運動捕捉系統用於捕捉運動對象在三維空間的運動學數據。