岩羊岩羊四肢动力学分析及相关技术的研究

岩羊岩羊四肢动力学分析及相关技术的研究

0仿生机械的产生经过数亿年的发展和发展，生物形成了独特的生理和运动形式，这是人类机器人研究的基础。人类不断地研究动物的运动机理,并与其它学科相结合,来完成比动物更灵活,效率更高,更为完善的仿生机械。21世纪,人类进入了高度文明的时代,各种各样的机器人日渐走入我们的生活。通过对岩羊攀岩、跳跃及着陆时骨骼运动状态的测量来获取运动学和动力学数据,分析骨骼受力情况,可为研制攀岩机器人自由行走提供理论依据,使所设计机器人能够更适应山地高低不平的情况,增加机器人应用范围,能更好地应用到军事、工业和星球表面探测等领域。1岩羊动力学分析系统通过对岩羊四肢步态数据收集,进行相关动力学分析。定量地描述肢体活动能力,包括关节运动部位的线位移、线速度、线加速度、屈曲角、角速度和角加速度等各种运动数据。应用动态分析技术,记录岩羊行走时的各种适时步态数据,为实际应用提供直观、精确、可靠的数据和仿真模型。岩羊动力学分析系统流程如图1所示。岩羊(Pseudoisnayaur)又名石羊、崖羊和青羊,属偶蹄目牛科羊亚科岩羊属,数量比藏羚羊还要少,属国家二级保护动物。主要栖息于海拔2400m左右的高山裸岩地带及稀树草地中。岩羊的四肢构造中肌键相当发达。岩羊通过肌键的弹性,攀岩跳跃时可节省能量,岩羊可以在人类看似根本无法到达的悬崖半腰上奔跑或者休息,觅食时也常在悬崖间跳来跳去,岩羊可以灵活地在崖间奔跑跳跃,这和它们四肢的生理结构密切相关。1.1体重、体重大、眼大、耳小岩羊外形似绵羊,中等体型,体长1.15~1.65m,尾长10~20cm,肩高75~90cm,体重25~80kg;头较小,眼大,耳小,颏下无须;雌雄均具角,雄性成体角粗但不长,两角的基部接近,双角呈“V”形,向后外侧弯曲,外表具不明显的横棱,长达80cm。1.2岩羊的追踪研究研究地点选择在宁夏贺兰山国家级自然保护区苏峪口国家森林公园内。观察路线为松涛山庄至苏峪口管理站共9km的距离。这一带有岩羊200只左右,分别活动在两侧的沟谷、山坡和小的岔沟内。利用假期,在近一年的周期里进行记录。由于受到研究时间的限制,观察时间选择在每个月的11~20日。能够经常追踪并被识别的岩羊有14只,包括3只雄性成体、4只雌性成体、4只亚成体和3只幼体。采用瞬时扫描取样法,使用中国科学院动物研究所研制的SJ-1型电子事件记录器每隔10min记录一次观察到的岩羊个体的年龄阶段、性别和行为状态。观察距离一般为20~150m,利用8×42倍KOWA双筒望远镜和40~60倍KOWA单筒望远镜进行跟踪观测。当观察对象为岩羊群时,则依据从远到近、从左到右的顺序对群体中每个个体的行为逐一扫描并记录。1.3卧姿的下运动前人研究得到,岩羊运动时四肢形态为:休息时,腹部、背部或体侧接触基底,眼睛睁开或闭上,卧下时,前肢先跪下,后肢下蹲,接着腹部着地,最后臀部触地,四肢位于腹下。卧姿分为左侧卧和右侧卧,左侧卧时,前肢跪地位于胸下,左后肢曲在腹下,右后肢曲在身侧,身体向左侧卧,右侧卧则相反。运动时通过四肢的摆动使身体向前移动的过程,包括走动和跑动;站立时四肢接触基底,并支撑身体,保持静止不动的状态。岩羊取食较高灌丛的枝叶,常采用两种方式进行:用后肢支撑身体,尽量伸长颈部,使其嘴剖达到所食部位的枝叶;或是用1个或2个前肢使所食部位的树枝弯下,然后摄取其上的枝叶。岩羊在休息时将四肢蜷于身体下,或是1只或2只前腿向前伸开。2运动机分析的方法2.1岩羊资源特性分析技术通过对肢体步态数据采集,定量地描述肢体活动能力等各种运动数据。应用在线动态分析技术,记录岩羊行走时的各种适时步态数据,为岩羊四肢动力学分析提供直观、精确、可靠的数据。本项目采用微型传感器技术和红外线动态监测技术进行数据采集,是动力学分析的基础。微型传感器技术利用置于岩羊肢体上的微型传感器和随身携带的便携式记录盒,在基本不影响岩羊四肢运动的情况下,对岩羊左前肢、右前肢、左后肢、右后肢等多处进行24小时动态连续监测记录,记录结束后,将数据传输给计算机进行分析。微型传感器技术要求同时集成多个微型传感器,这使器件的选择、结构设计、材料选择、封装方法等因素难度很高。红外线动态监测技术是对岩羊进行运动学数据捕捉实验以及数据处理,为岩羊四肢运动分析计算提供运动轨迹。使用高精度的红外光点测量系统,对固定在岩羊关节处上的红外光发射点进行拍摄,通过VICON采集系统和专用计算机对红外光点的运动数据进行采集、运算与处理,获得关节处运动学数据和曲线图表等参数。2.2岩羊运动的理论研究步骤对肢体步态数据收集,可以定量地描述四肢活动能力。对岩羊四肢动力学进行计算,关键是建立其运动的力学模型,用动力学模型来描述运动。利用经典力学理论,研究岩羊的运动规律,分析运动机理,并用数学语言对运动过程进行描述。岩羊运动的理论研究步骤一般分为五步:简化并建立模型;确定目标函数,用数学语言描述运动;分析约束条件;建立动力学方程并求解;分析解释运动规律。岩羊的运动系统由肌肉系统、骨骼系统和神经系统组成,用数学方式描述岩羊的运动过程主要的方法,是直接应用多刚体系统动力学的理论建立力学模型,避免生物体内部复杂的运动模拟。动力学分析传统的方法是Lagrange方程和最具典型的是Kane方程。2.3约束方程的拉氏乘子列阵Lagrange方程是动力学普遍方程的广义坐标形式,方程组中方程的个数最少。Lagrange方程一般形式是:完整约束方程φ(q,t)=0;非完整约束方程θ(q,q,t)=0。其中:T—系统动能;q—系统广义坐标列阵;ρ—完整约束方程的拉氏乘子列阵;μ—非完整约束方程的拉氏乘子列阵;Q—广义力列阵。Lagrange方程基于功能原理把整个系统描述成一个封闭的数学表达式,方程中包含有大量的积分和求导,给求解带来困难。Kane方法对岩羊后肢动力学进行了分析,将后肢运动简化为四个刚体所组成的链状多刚体的平面运动,依据Kane方法建立动力学计算模型,得出后肢动力学计算方程,相对来说计算简单便于实现。2.4术后动力学分析方法基于运动系统的特点,采用广义速度代替广义坐标或广义坐标下某种形式的函数,作为独立变量,同时引入偏速度、偏角速度概念,求出广义主动力和广义惯性力。再由达朗伯原理导出Kane动力学方程。Kane动力学方程:作用在系统上的对应于每个广义速度的广义主动力和广义惯性力的代数和为零。其中:Fr—广义主动力;Fr*—广义惯性力。Kane方法主要涉及以下几个重要概念:广义速率、偏速度、偏角速度、广义主动力、广义惯性力。由上述分析可知,岩羊运动时主要驱动力是由后肢供给。把后肢作为研究对象,把其简化为多刚体系统,将后肢肌肉、筋腱作为各刚体之间的作用力和力矩,采用Kane方法进行后肢动力学计算。选取地面坐标为固定坐标系,根据Kane方法得到整个后肢的动力学方程组:运动轨迹通过对运动学数据的采集获得。利用Adams建立岩羊的模型,并进行初步运动学分析。3仿生机构设计岩羊