大壁虎运动时前后路关节位置的变化

大壁虎运动时前后路关节位置的变化

动物的运动是在肌肉、骨骼和神经系统的合作下进行的。时间和空间特征的形成是其固有特征与运动系统动力学相互作用的结果[2.5]。动物运动的研究涉及生物化学和力学的交叉领域。对动物运动行为的研究有助于理解动物运动的规律性，并为模拟机器人的机构设计、步骤计划和控制系统设计提供指导和参考。动物在长期的进化过程中,为了提高在生存环境中的运动能力,形成了具有自己种类特征的身体和肢体形状等形态特征,如壁虎的黏附脚垫和扁平的身体形状使其在水平面和光滑的垂直面,甚至天花板上自由运动;猫的爪子、树蛙的吸盘使它们具有攀爬的能力.陆栖四足爬行动物往往生活在表面高低不平的环境中,如沟壑、斜坡、山崖等.动物在陡峭或者竖直的地表上运动时,肢体必须产生足够的推动力克服惯量、空气和地表的阻力以及重力.动物后腿前推提供推动力,同时前腿必须牵拉在墙面上以避免身体的翻转.相对于水平面上的行走,在垂直面上攀爬对动物的运动系统提出明显不同的要求[8~11].研究表明,地面生存的动物应该具有较长的肢体,依靠减小肢体与矢状面的夹角增大步幅,同时把身体抬离地面避免与地面之间的摩擦,而攀爬类动物却具有较短的肢体,多采用匍匐爬行运动使质心尽可能地接近垂直面.现代非结构环境下机器人在运动的平稳性、灵活性、健壮性、环境适应性及能源利用效率等方面远远落后于动物.壁虎以其自然界中超凡的黏附能力吸引了大量的研究.在垂直壁面上随意的黏附和脱附,壁虎主要依靠脚趾上分层的刚毛与接触面间范德华尔兹力的作用[19~21].从壁虎脚掌的表面结构、黏附机理、黏附力[23~25]、运动调控以及外界环境的影响等方面对壁虎的爬壁功能进行了大量而且深入的研究,专门从形态和在垂直面上运动的运动学特性方面对壁虎的研究也已有记载,而从壁虎在水平面和垂直面上运动时前后肢关节角度的变化来研究其运动还未见报道.通过三维空间轨迹研究动物的运动规律和步态特性,由于形态差异将使数据结果差异很大,而从关节转动角度观测可避免此问题带来的不足.目前仿生壁虎机器人的驱动仍以微型电机为主,机器人的运动规划和控制针对电机角度的变化而实施.因此壁虎运动肢体夹角的变化规律对于仿生壁虎机器人运动规划具有更加直接的参考价值.1运动通道面为水平面体平面实验用大壁虎属爬行纲、有鳞目、蜥蜴亚目、壁虎科,购自中国广西.用面包虫成虫喂食,饲养在模拟自然环境、温度和湿度可调的专用房间,常规日夜节律.三维运动观测由一个运动通道和高速摄像机组成,如图1所示.通道由软木板、一个透明的玻璃盖和一对与木板成45°夹角的镜子组成.高速摄像机(Mikrotron,MC1311,德国)支撑在玻璃盖之上并与计算机相连,通过计算机配置高速摄像机的拍摄频率和图像像素,并控制拍摄的启停.动物在通道中运动时,两面镜子中的图像即为动物在垂直于运动平面方向身体侧面的位姿.通道足够宽敞,以不影响大壁虎足和身体的自由摆动.在研究水平运动时,通道水平放置,大壁虎从一端向另一端运动;研究垂直面上的运动时,通道垂直放置,大壁虎从下面入口放入,使其向上运动.为清晰表述壁虎的运动,并和前期工作一致,我们规定三维运动观测系统中运动通道底面为水平面(体平面);矢状面为通过囟点和鼻点且垂直于体平面的平面;冠状面为通过囟点且与体平面和矢状面相垂直的平面.相关角度(单位:°)定义如下:股胫角(α)定义为股骨和胫骨间的夹角,始终为正值;摆动角(β)为体平面内股骨与过髋关节且平行于冠状面的平面间的夹角,定义之前为正,之后为负;提升角(γ)为股骨与过髋关节且平行于体平面的面间的夹角定义之上为正,之下为负.角度定义如图2所示.实验分为水平面和垂直面上较高速的对角步态(小跑)和较低速的三角步态(行走)四组情况进行研究选定的4只大壁虎除体重随时间稍有变化外,其他体态特征未变.每组实验都拍摄了20个完整步态,对步长和时间做线性回归,选出回归的R2值在0.95以上的4个完整步态做进一步处理.实验前在壁虎前后肢的髋、膝、踝关节上用无毒荧光漆标记,调整高速摄像机使镜头垂直于运动平面,布置好光源,调整镜头至清晰成像,如图3所示.整个运动过程以一定的帧速数字化记录起来.每个完整步态约90~100帧图片,在SigmaScanPro(SystatSoftware,Inc,美国)软件中拾取每帧图片通道和镜子中壁虎身体上的24个标记点坐标(以像素形式表示),推算出一个完整步态连续的关节角度值大壁虎运动速度以固结于躯体上的髋关节标记点为参考点进行计算.人工采集特征点的位置必然存在误差,使得到的角度数据不够连续,利用OriginPro8(OriginLabCorp.,USA)中数字平滑滤波工具,选用Savitzky-Golay方法进行自适应滤波,在去除数据抖动的同时保留了原曲线的峰值位置等特征.滤波后对角度数据进行方差分析,若计算所得的F值大于显著性水平0.05的临界值时,认为滤波后的数据与原数据差异不明显.2大壁虎关节角度变化的数据处理实验发现,壁虎在对角步态和三角步态之间的选择没有一个明显的速度界限.在较慢的速度下对角线上的两只脚仍可能同时离地.但一般而言,随着运动速度的增加,大壁虎将由三角步态过渡到对角步态.选取大壁虎水平面上小跑(337.1mm·s-1)和行走(66.7mm·s-1)以及垂直面上小跑(241.5mm·s-1)和行走(30.6mm·s-1)的关节角度变化数据进行处理和比较.表1为4组实验中前后肢关节角度极值及转动范围.2.1影响股异形运动时股异形.关节角度的时空变化是表示关节运动最直接的形式.为了便于各种实验条件下所得数据的对比,把周期时间进行归一化处理,大壁虎前后肢关节单周期内角度变化曲线如图4所示.单个运动周期内,摆动角β(实线)经历一次前后摆动,提升角γ(虚线)经历一次抬起-落下过程,因此两者变化曲线中均出现一个波峰和一个波谷.股胫角α(点画线)由于在摆动相和支撑相中各有一次展开和收缩,在该曲线中出现两个波峰和两个波谷.在前肢的角度曲线中(图4(a),(c),(e),(g)),当摆动角最小时提升角处于最大值,而后肢中(图4(b),(d),(f),(h))两者的相位则正好相反.股胫角在支撑相和摆动相各有一次局部最小值,而且在摆动相和支撑相变换过程中出现一次极大值.在同一平面上以不同步态运动时,曲线变化规律和趋势非常近似,后肢角度曲线尤为显著;而水平面和垂直面上的运动相比,即使是同种步态,关节角度变化的曲线差异还是比较明显.从曲线斜率看,摆动角曲线在摆动相的斜率大于支撑相.相对后肢,前肢的差别较为显然.在水平面上运动,前后肢的摆动角和股胫角的变化趋势比较相似(图4(a)~(d)).行走时前肢提升角曲线斜率的变化与摆动角相似(图4(c)和(g)).垂直小跑时后肢提升角的变化曲线在两个运动相中近似对称.后肢在两种运动平面上三个角度曲线的区别均较大,在同种平面上较为相似.在垂直面上后肢提升角在80%的周期内斜率几乎为零(图4(f)和(h)).在变化幅度上,由表1中可看出,在水平面上不同步态运动时前肢的摆动角最大值几乎相同(大概59°),最小值略有不同(相差7°左右).在垂直面上最小值几乎相同(约87°),最大值略有差异(相差3°).在同一平面上,前肢摆动角的变化范围几乎相同(相差在10°以内).在垂直面上运动的提升角变化曲线在坐标系中的位置明显比在水平面上运动时高,而且都在零值以上(表1、图4中可看出),变化范围除在水平面上行走较小(62.2°),其他三种情况相差都在10°以内.股胫角的范围在水平小跑时最大(99°),在垂直小跑时最小(53.9°).通过对比后肢数据发现,在垂直面上小跑时关节运动范围均最大.在每种平面上,运动速度快时各组数据的范围也较大.同种运动步态,垂直面上的变化范围比水平面上大.2.2大壁虎关节运动特征角度相图是一种直观地表示同一个时间变量下两个角度关系和变化趋势的方法.相图形状表示了不同阶段两个角度的变化趋势,在坐标系中的位置显示了角度的变化范围.用相图便于比较不同情况下同一组数据的变化.图5所示为大壁虎在四种不同情况下运动时摆动角与提升角、股胫角的相图.图中箭头所示为关节运动的方向,起始为摆动相.单张相图中相邻两点的时间间隔相等,点的疏密程度表示角度的变化速度.封闭图形表明运动的周期性,包络面积的大小表示在一个运动周期内支撑相和摆动相角度变化的大小.总体比较图5中各行的相图,水平小跑时的前后肢摆动-提升角(图5(a),(e))和前肢摆动-股胫角(图5(i))与其他相图差异比较大,其他的都有类似之处沿箭头所示变化方向可以看出,在摆动角从小到大变化时点的密度比从大到小变化时更密.水平面上走动和小跑时,由于速度的不同使相图形状差异较大.后肢摆动-股胫角相图形状上有相似之处(图5(m),(n)).随速度增加时,前后肢摆动-提升角包络面积明显增大(图5(a),(b),(e),(f)),前肢股胫角在摆动相变化很小,支撑相中出现了较大的转折(图5(i)).与图4中前肢角度变化曲线相对应,前肢摆动-提升角的相图(图5(a)~(d))变化与对应的后肢相图(图5(e)~(h))变化趋势相反(图形的倾斜方向相反).相对水平面上,在垂直面上以不同步态运动时各组相图形状相图较为相似,其中前肢的摆动-提升角相图(图5(c),(d))最为明显.除在位置上有所变化外,形状几乎相同,说明大壁虎在垂直面上运动时,随速度的增大关节运动速度增加,关节运动的方式却几乎保持不变.在垂直面上运动时前肢摆动-提升角相图的位置要比在水平面上高(图5(a)~(d)),图5(c),(d)的位置均在0度线以上的位置,表示在垂直面上运动时大腿主要在过髋关节平行于体平面的平面以上摆动.3摆动相过渡和摆动相过渡时膝关节和足的部分用于加正律的正时段,是一个可以正确把握的阶段,但引起了加速度的突变大壁虎的前后肢的形态差异使其运动具有自己的独特之处.为了适应爬壁的生活习性形成了较短的前肢.前肢在摆动相结束时大腿迈到最前,前肢髋关节与足的相对高度处于最大值,支撑相结束时大腿移至最后.支撑相到摆动相过渡时,大腿抬起的短时间内继续往后摆动,形成一个缓冲阶段,减小了因速度方向的改变而引起的加速度的突变,使运动更为协调和柔顺.3.1垂直面为平面运动,有待稳定的关节角度变化大壁虎在速度较快时使用对角小跑步态,即处于对角线上的前后肢其运动周期几乎相同.在速度较慢时采用三角步态行走,即按照右前-左后-左前-右后-右前的顺序轮流摆动各条腿.大壁虎在水平面和垂直面上以不同步态运动时,对速度调整的策略也不同.Zaaf等实验显示大壁虎在水平面上运动时随速度的增大步频增加而步长、步幅和占空比等不变后肢更多的在平行于矢状面的平面内运动.在垂直面上运动随速度的增加步长与步频同时增加,但相对频率的变化,步长增大的幅度较小.根据Zaaf的实验结果,关节角度的变化应该具有以下规律:在水平面上随着速度的增大关节的转动速度提高,摆动角的范围保持不变,支撑相抬举角曲线较低以减小与矢状面的夹角;在垂直面上随速度的增大关节的转动速度提高,摆动角的范围应增加.从图5中相图点的密度可以看出,在同种平面上关节的转动速度随速度的增大而增大.水平面小跑时支撑相提升角的曲线比水平行走时低.垂直面上速度的增大后肢的摆动角幅度增大最明显(表1).从关节转动角度验证了Zaaf的实验结果.并且实验发现,垂直面上后肢幅度的增大主要表现在后伸展的方向上,而前伸时的幅度相差不大.在水平小跑的摆动相,前肢股胫角几乎保持了支撑相结束时的值不变,通过髋关节的向前转动带动小腿前伸完成了摆动相的动作任务,使肢体的动作更加灵活.前肢大腿在抬起与下落的幅度均比走动时大,从而减少了摆动相中肢体与障碍物的碰撞以及支撑相身体与地面接触产生摩擦的机率.3.2大壁虎的肢体动作大壁虎在水平面上运动,四肢克服身体重力和摩擦力的作用撑起身体离开地面并推动身体前行在垂直墙面上运动,质心离开墙面时产生的颠覆力矩使其身体有翻倒的危险.该力矩与壁虎的质量和质心与墙面的距离成正比.大壁虎较短的前