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贺兰山岩羊步态运动学分析

刘喜玲  
【摘要】:岩羊是一种善于攀岩跳跃的山地动物,具有奔跑速度飞快,步态稳定,落地面积小、能量消耗低等优点。由于带攀岩功能的仿生四足机器人在许多领域,特别是国防、人机工程、交通、未来星际探索、军事侦查等方面有着非常重要的应用。所以研究岩羊四肢运动步态的变化规律,可以为开发功能强大的带攀岩功能的仿生四足机器人奠定必要的理论基础,对四足机器人的发展和应用有着重大的现实意义和社会意义。 在总结和分析国内外步态研究和运动学研究技术的基础上,以贺兰山岩羊为仿生研究对象,通过对岩羊的生物学特征和形态学特征的分析和研究,找到并确定岩羊运动的各种因素及相互之间的关系。采用监测和图像采集的方法,对岩羊慢走过程进行实验监测。实验通过用反光球标记岩羊四肢运动的关键点,结合专用图像处理软件HALCON,对高速摄像机进行参数设定,建立岩羊运动步态实验系统。把实验中拍摄得到的连续的岩羊运动图像存储在与摄像机相连的计算机中,在HALCON界面下测量记录岩羊四肢关键标记点的三维坐标数据,得到岩羊在慢走运动中的步态周期、步幅、单腿跨距等,利用HALCON软件对所得数据进行处理得到关键点标记的关节角的变化趋势,建立岩羊运动规律曲线。通过对大量的实验数据进行分析整理,确定建立岩羊运动模型所需要的结构参数(包括运动关节角可取值范围)和所要建模部位(包括岩羊四肢及岩羊躯干)的尺寸大小,把岩羊躯体等效为刚体,四肢等效为杆体,利用D-H方法对各个杆体建立相应坐标系,并用变换矩阵实现各坐标系之间的相互转换,建立岩羊运动模型的运动学方程,并对岩羊不同状态下(着地和腾空)的运动学模型的稳定性进行分析,并对这两种状态分别进行正向运动学分析


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