張伏+王唯++張國英++王俊++邱兆美++毛鵬軍

摘要：為研究山羊坡地的行走狀態(tài)和運動規(guī)律，以36°坡地為例，采用高速攝像系統(tǒng)記錄了山羊36°坡地的上坡行走過程，并將運動序列存儲至計算機中，利用SigmaScan軟件和Matlab軟件對存入計算機的試驗影像結(jié)果進行處理分析，得出山羊36°坡地上的運動步態(tài)特性參數(shù)和坡地運動過程中各腿腿部的角度變化曲線。結(jié)果表明，在36°坡面的上坡過程中，山羊采用的步態(tài)為靜步態(tài)和對角小跑步態(tài)；在上坡過程中，山羊各腿的負荷因數(shù)為0.645±0.205，即腿處于支撐相的時間遠大于處于移動相的時間，說明山羊各腿的支撐相大于移動相，這種特點可增加山羊運動的穩(wěn)定性，為仿山羊農(nóng)業(yè)機械坡地行走機構(gòu)的設(shè)計提供基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)，能夠促進四足行走機構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程；仿生；山羊；高速攝像；坡地；步態(tài)

中圖分類號： S126文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0196-03

行走步態(tài)作為自然界動物最常使用的1種生物特征，是研究步行式行走機構(gòu)的基礎(chǔ)[1-3]。目前，隨著行走機構(gòu)研究的深入，單足、2足、3足、4足、6足、8足甚至更多足數(shù)的步行式行走機構(gòu)均已出現(xiàn)，其中以4足步行行走機構(gòu)的研究最為廣泛。近年來，研究地面各類4足行走動物的行走狀態(tài)和運動規(guī)律有很多，但國內(nèi)外對山羊這種4足哺乳動物的研究較少。山羊軀體較小，四肢骨骼堅實有力，它的支撐足離散地接觸地面，可自主選擇最佳落足點。其運動軌跡是一系列孤立的點，具有主動隔振能力，能以較高速度在凸凹不平和松軟地面上運動，能耗較小，可遠距離行走；其運動步態(tài)敏捷輕快，能在地面、坡地、陡壁和山區(qū)等凸凹不平的地表上自由靈活地進行跨越運動，受環(huán)境限制較小。山羊可作為行走機構(gòu)研究的基礎(chǔ)，為研究適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的農(nóng)業(yè)機械行走機構(gòu)提供新思路[4-10]。本研究引入高速攝像技術(shù)對山羊36°坡地運動狀態(tài)進行了拍攝，并應(yīng)用SigmaScan軟件和Matlab軟件對所拍攝圖像進行了分析。

1材料與方法

1.1試驗方法本試驗采用高速攝像儀（最高可達10 000幀/s）拍攝山羊在坡地的行走過程。試驗過程中，由人牽引山羊，確保它在坡地上始終以直線狀態(tài)行走，以減小拍攝誤差，避免處理圖像數(shù)據(jù)困難。固定攝像機于三腳架上，設(shè)置鏡頭于山羊前進運動的正側(cè)面，并對攝像機的空間位置、取景范圍、拍攝距離、光圈和焦距等硬件條件進行調(diào)整，保證鏡頭主光軸對準(zhǔn)山羊運動范圍的中心，盡可能地靠近山羊運動平面，使得山羊能夠清晰成像。調(diào)整高速攝像儀，確保拍攝速度與不同坡地的山羊運動相適應(yīng)，記錄下山羊在36°坡地的運動序列圖像并儲存至計算機中，然后利用SigmaScan圖像軟件采集分析山羊軀體關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)，得出山羊在不同坡地運動中的對應(yīng)系列特征參數(shù)及曲線。

1.2試驗對象

山羊?qū)儆谂继隳?，主要有頭、頸、軀干和四肢組成。頭部堅實，頸部與軀體、前肢良好結(jié)合，胸寬且深，肋骨張開，背腰寬厚平直，后軀寬長豐滿，四肢強健，結(jié)構(gòu)勻稱，高度適中。試驗對1頭母山羊（1.5年）進行了分析，其主要體態(tài)特征列見表1。試驗地點為河南省洛陽市郊區(qū)山坡，氣溫為32～35 ℃。

1.3試驗設(shè)備

試驗所用的儀器設(shè)備分為3類：第1類測試設(shè)備，包括高速攝像儀（FASTCAM-Super 10K，用于拍攝山羊運動過程）、傾角儀、機械磅秤（XSJ 2×1300W-2O，用于山羊稱質(zhì)量）等；第2類照明設(shè)備，包括新聞燈（MODEL10000，用于攝像輔助光源）；第3類數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括微型計算機、筆記本電腦和打印機等。

1.4試驗數(shù)據(jù)處理方法

從試驗拍攝的圖像中抽選出具有完整步態(tài)周期的序列圖像，利用SigmaScan圖像軟件處理圖像數(shù)據(jù)[6-8]，并將測得的山羊四肢關(guān)鍵點的相對坐標(biāo)值和對應(yīng)關(guān)節(jié)處的角度值保存為Excel文件格式，然后將Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件對數(shù)據(jù)進行處理，最終得到山羊運動特征數(shù)據(jù)與曲線圖[9-10]。

2結(jié)果與分析

2.1山羊步態(tài)周期分析

以每2幅圖片之間的時間間隔70 ms（即8幀）來選取1個完整的山羊步態(tài)周期圖（圖1）。其中，山羊在此坡度上完成1個完整的步態(tài)周期需要花費440 ms（共44幀）。試驗中觀察到的山羊的行走步態(tài)為靜步態(tài)和對角小跑步態(tài)的交替運行。

1個完整的步態(tài)周期內(nèi)，山羊在36°坡地上行走對應(yīng)的行走速度為71.1 cm/s，行走步距127.5 cm。1個完整的步態(tài)行走周期內(nèi)，山羊在36°坡地上行走所對應(yīng)的單腿跨距、單腿步距、負荷因數(shù)見表2。

由表2可知，在上坡過程中，山羊各腿的負荷因數(shù)為0645±0.205，即腿處于支撐相的時間遠大于處于移動相的時間。說明總體上山羊各腿處于支撐相時需要較多的時間來穩(wěn)定重心，當(dāng)各腿處于移動相時，在空中處于擺動狀態(tài)的各腿可產(chǎn)生慣性力矩，移動相時間較短可減少慣性力矩對身體的影響，加快與支撐相腿交換頻率，從而增加身體的穩(wěn)定性。

由圖2可知，山羊在36°坡地上向上行走過程中，走完1個步態(tài)變換周期共經(jīng)歷了4次3腿共同支撐時期。右前腿懸空時，其他3條腿處于支撐狀態(tài)，此過程經(jīng)歷了480 ms；身體逐漸前移，右前腿邁步準(zhǔn)備著地時，左后腿離地（即兩腿處于短暫的懸空狀態(tài)），左前腿與右后腿仍處于支撐狀態(tài)時（對角小跑步態(tài)），此過程經(jīng)歷了80 ms；隨后左后腿懸空，其他3條腿處于支撐狀態(tài)，此過程經(jīng)歷了200 ms；隨之左前腿懸空，其他3條腿處于支撐狀態(tài)，此過程經(jīng)歷了180 ms；身體逐漸前傾，重心前移，左前腿邁步準(zhǔn)備著地時，右后腿離地（即兩腿處于短暫的懸空狀態(tài)），右前腿與左后腿仍處于支撐狀態(tài)時（對角小跑步態(tài)），此過程經(jīng)歷了120 ms；之后，右后腿懸空時，其他3條腿處于支撐狀態(tài)，此過程經(jīng)歷了320 ms；接著右前腿懸空時，其他3條腿處于支撐狀態(tài)，此過程經(jīng)歷了 480 ms。至此山羊完成了1個完整的步態(tài)變換周期。隨著1個步態(tài)周期的完成后，山羊的身體接著前移，右前腿邁步準(zhǔn)備著地時，左后腿離地（即2條腿處于短暫的懸空狀態(tài)），左前腿與右后腿仍處于支撐狀態(tài)時（對角小跑步態(tài)），此過程經(jīng)歷了60 ms；隨后左后腿懸空，其他3條腿處于支撐狀態(tài)，此過程經(jīng)歷了280 ms。如此反復(fù)，形成了山羊的穩(wěn)步行走[11-14]。

1個完整的步態(tài)周期內(nèi)，山羊的各條腿支撐時期占整個步態(tài)運動周期的比例見表3。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，山羊在36°坡地上的上坡運動中總共經(jīng)歷3腿共同支撐時期4次；對角小跑步態(tài)2次；對角小跑所占用的懸空時間遠小于3腿支撐所占用的懸空時間；隨著山羊從坡底到坡頂過程中，對角小跑所占用的懸空時間越來

越小。本試驗條件下可認為山羊在36°坡地的上坡運動過程中主要為3腿共同支撐和對角小跑狀態(tài)。

2.2山羊腿部角度分析

測得山羊36°坡地上坡各腿的腿部角度變化范圍值見表4。

對山羊行走的1個步態(tài)周期的試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到山羊坡地行走時4條腿腿部角度變化曲線（圖3）。其中，α角均表示為山羊在行走過程中大腿和小腿之間的夾角，即腕關(guān)節(jié)角度，β角均表示為山羊在行走過程中大腿與前進方向的夾角，即大腿與水平前進方向的夾角[11]。

山羊36°坡地上坡行走過程中各腿的腿部角度變化結(jié)果如下。左前肢：左前肢在后屈離地抬起到前伸邁步著地的過程中，β角的曲線隨著α角曲線的增大而增大、減小而減??；當(dāng)α角處于峰值和低谷時，β角的值也處于對應(yīng)的峰值和低谷處，說明在邁步運動過程中比較平穩(wěn)。左后肢：左后肢在前屈離地抬起到前伸邁步著地的過程中，當(dāng)α角處于最大值時，β角處于最小值；當(dāng)α角第1次處于低谷時，β角為最大值。右前肢：右前肢在后屈離地抬起到前伸邁步著地的過程中，β角的曲線基本隨著α角曲線的變化而變化，說明運動比較平穩(wěn)。右后肢：右后肢在前屈離地抬起到前伸邁步著地的過程中，α角較β角變化平穩(wěn)，當(dāng)α角第1次出現(xiàn)峰值時，β角出現(xiàn)第1次的低谷現(xiàn)象；當(dāng)α角第3次出現(xiàn)峰值時，β角出現(xiàn)再次的低谷現(xiàn)象；β角出現(xiàn)最大值時，α角處于平緩狀態(tài)；此后，當(dāng)α角處于最大值時，β角處于低谷。

3結(jié)論

對山羊坡地行走試驗過程和試驗方法進行了研究，重點分析了圖像處理軟件SigmaScan在高速攝像中的應(yīng)用方法，并對山羊身上的關(guān)鍵點進行了運動學(xué)數(shù)據(jù)采集和歸類，獲得了較完整的運動學(xué)數(shù)據(jù)參數(shù)，為步態(tài)分析提供了研究基礎(chǔ)。

利用SigmaScan軟件處理分析了存入計算機的實驗序列圖像，得出山羊36°坡地上的運動步態(tài)特性參數(shù)和坡地運動過程中各腿腿部的角度變化曲線及規(guī)律性，為仿山羊坡地行走機構(gòu)的設(shè)計提供了基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)。

在本試驗條件下可認為山羊在36°坡地的上坡運動過程中主要為3腿共同支撐和對角小跑狀態(tài)。

分析表明，山羊各腿的負荷因數(shù)為0.645±0.205，即腿處于支撐相的時間遠大于處于移動相的時間，說明山羊各腿的支撐相大于移動相，這種特點可增加山羊運動的穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]張伏，張國英，毛鵬軍. 山羊軀體結(jié)構(gòu)與影響步態(tài)運動因素的研究[J]. 農(nóng)機化研究，2012，34（1）：51-54.

[2]王建明，趙彥，朱彥防，等. 基于ADMAS與MATLAB的四足機器人的trot步態(tài)聯(lián)合仿真[J]. 機床與液壓，2015（3）：57-59.

[3]Autumn K，Hsieh S，Dudek D，et al. Dynamics of geckos running vertically[J]. The Journal of Experimental Biology，2006，209（Pt 2）：260-272.

[4]孫祥一，胡建，王鯤鵬，等. 高速攝像三維圖像分析技術(shù)與應(yīng)用[J]. 宇航計測技術(shù)，2010，30（6）：30-34，44.

[5]李杰. 大型六足仿生平臺機器人機構(gòu)設(shè)計及運動仿真[J]. 機械工程師，2014（10）：178-180.

[6]賈蘊琪，曹致中，王赟文，等. 基于數(shù)字影像處理技術(shù)的結(jié)縷草秋

季枯黃動態(tài)分析研究[J]. 草業(yè)學(xué)報，2009，18（3）：94-102.

[7]王立東，王良意，楊海濤，等. SigmaScan Pro 5軟件在脊柱影像測量分析中的應(yīng)用[J]. 中國醫(yī)師進修雜志，2007，30（增刊1）：90-91.

[8]劉冠初，熊靜琪，喬林，等. 四足機器人自由步態(tài)規(guī)劃建模與算法實現(xiàn)[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報，2015，49（6）：84-89，144.

[9]Pa P S. Design of a modular assembly of four-footed robots with multiple functions[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2009，25（4/5）：804-809.

[10]江勵，管貽生，蔡傳武，等. 仿生攀爬機器人的步態(tài)分析[J]. 機械工程學(xué)報，2010，46（15）：17-22.

[11]肖世旭. 大壁虎的三維步態(tài)實驗及分析[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

[12]王洪波，徐桂玲，胡星，等. 四足并聯(lián)腿步行機器人動力學(xué)[J]. 機械工程學(xué)報，2012，48（23）：76-82.

[13]譚小群，李軍，趙國斌，等. 一種重心調(diào)整裝置在四足機器人步行中的應(yīng)用[J]. 中國制造業(yè)信息化，2008，37（23）：25-28.

[14]謝惠祥，羅自榮，尚建忠.四足機器人對角小跑動態(tài)控制[J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報，2014（4）：146-151.