用于足式行走对象的多路面运动力学观测系统的制作方法

本发明涉及观测系统及试验设备领域，具体涉及一种用于足式行走对象的多路面运动力学观测系统。

背景技术：

仿生机器人的研究在全世界范围内得到广泛开展。随着研究的不断深入，越来越多的研究人员通过对拥有优异运动能力的动物进行试验研究，获得启示，进而将动物所具备的卓越运动原理与机制应用于机器人的技术开发，大幅提高机器人的运动性能。在生物运动原型及仿生机器人的众多研究之中，由于足式动物以及足式机器人所具有的良好的步行运动以及适应不同路况的能力，因此足式动物及足式行走机器人的多路面行走运动力学研究成为机器人领域的热点。

然而，目前用于足式动物及足式机器人的多路面运动力学试验测试设备尚有待开发。目前，往往是采用简易的搭接木板或者普通跑步机对足式行走动物或者足式机器人进行观察测试。这些传统的试验装置存在诸多缺陷，如通常采用的简易搭接木板试验装置一般只能实现俯仰方向的倾斜，而且由于支撑物体高度的限制并不能实现连续的角度调节，这给测试带来诸多不便；另外，由于其不能实现横滚方向的角度调节，故对足式动物或者足式机器人的侧向稳定性以及在侧倾情况下的行走能力不能进行有效评估。再者，目前测试中经常使用的普通跑步机，同样也只能完成俯仰方向的角度调节，且调节的范围较小，并不能满足试验要求；同时，文献调研表明，常见的行走测试系统多数仅能针对某单一路面情况进行测试，无法进行多路面的选择与切换，因此具有较大测试局限性。

综观上述用于足式行走的运动力学观测系统的研究现状，急需一种能够同时实现俯仰、横滚角度调节、不同测试路面切换且有效获取运动力学数据并能够用于不同足式行走对象的运动力学观测系统。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的足式行走对象观察测试装置存在的功能单一、不能快速进行多路面行走测试、试验数据采集能力不足等问题，而提供一种用于足式行走对象的运动力学观测系统，该运动力学观测系统功能多样，能够快速切换测试路面类型、拥有较强的数据采集能力并适用于包括足式机器人、小型足式行走动物等足式行走对象的运动力学数据采集。

本发明包括横滚传动机构、路面转换机构、横滚角度保持机构、俯仰机构以及由高速摄像机和红外摄像机所组成的光学三维运动捕捉系统。

所述的光学三维运动捕捉系统由两台高速摄像机，六台均布的红外摄像机组成，其中高速摄像机用于捕捉行走对象的运动细节，红外摄像机负责试验对象的三维空间运动数据的采集。

所述的横滚传动机构包括第二机架、第一齿轮、第二齿轮、第三机架、第三螺钉、第一减速自锁电机。其中，第二机架由一对对称分布的第三螺钉固定在第三机架上，第一减速自锁电机固连在第三机架的中部，横滚旋转轴、第一减速自锁电机的轴端部分透过第二机架和第三机架的对应轴孔分别与第一齿轮、第二齿轮固连，第一减速自锁电机所产生的动力通过第一齿轮与第二齿轮的啮合传递给横滚旋转轴来完成测试路面侧向偏转角度的调节以及不同测试路面的切换。

所述的路面转换机构包括第一滑轨、螺杆、可升降路面、仿形基板、第一压簧、压力板路面、路面支撑架、柔性材质垫、第一机架、第二滑轨，第一机架通过四个对称分布的第二螺钉固定在第二机架上，横滚旋转轴由第一机架与第二机架上相对应的轴孔确定相对位置；三个均匀布置的三角形的路面支撑架固连在横滚旋转轴上，两块仿形基板布置在三个路面支撑架之间，与可升降路面构成凹凸测试路面的主体部分；可升降路面上存在与仿形基板上凸起对应的圆孔，可升降路面可以沿对称分布的第一滑轨上下滑动以调节仿形基板上的凸包露出高度来形成不同的凹凸路面；成对分布在可升降路面两侧的第一螺钉穿过路面支撑架上的通孔以螺纹连接的方式固连在可升降路面上，布置在可升降路面与第一螺钉之间的第一压簧起到保持升降路面相对位置的作用；对称分布的四个螺杆以螺纹连接的方式固连在两侧的路面支撑架上，同时穿过可升降路面的通孔，通过调节在四个螺杆上的螺母的位置即可调节可升降路面的高度。另两个测试路面类型分别为普通平路测试路面和松软测试路面，其中，普通平路测试路面由压力板路面固连在路面支撑架的侧边，而松软测试路面则是在此基础上将柔性材质垫紧密贴合在另一个压力板路面上。在横滚传动机构的协动下，三种路面可以根据试验要求快速自由切换，且每种路面的侧向偏转角度可自由调节。

所述的横滚角度保持机构包括第四螺钉、第五机架、第二压簧、第一销轴、限位支架、第一丝杠、第一丝杠螺母、连杆、支撑梁、夹持元件。第五机架由第四螺钉与第一机架确定装配关系，支撑梁穿过第五机架并与第五机架固定连接，两个夹持元件可在支撑梁上自由滑动，且与两个连杆形成铰链连接。同时，第一丝杠螺母通过两个第一销轴与两个第二连杆分别铰接，通过旋转第一丝杠，随着第一丝杠螺母的移动，夹持元件会完成对横滚旋转轴的夹持，以防止在第一减速自锁电机处于非工作状态时，路面转换机构的非主动旋转运动，在调节侧向偏转角度或者切换路面之前应反向旋转第一丝杠，使夹持元件处于非夹持状态。这里限位支架的作用是限制第一丝杠的轴向运动，第二压簧的作用是协助丝杠螺母机构对横滚旋转轴进行夹持。

所述的俯仰机构包括第一支撑杆、第三滑轨、第二减速自锁电机、第一丝杠保持架、第二丝杠螺母、支架连杆、滑块、支撑杆固定架、水平保持架、第二丝杠保持架、第二丝杠、第二支撑杆、滑轮，俯仰机构的动力由第二减速自锁电机通过联轴器传递给第二丝杠，再通过第二丝杠螺母与穿过第二丝杠螺母的支架连杆转化为滑块沿第三滑轨的水平滑动。这里两个对称分布的第三滑轨通过六对第五螺钉固连在第四支架上，两对支撑架的主体由第一支撑杆、第二支撑杆和滑轮组成，第一支撑杆、第二支撑杆分别通过第二销轴、第三销轴与滑块和支撑杆固定架形成铰接，第一支撑杆、第二支撑杆则通过第四销轴形成铰接，滑轮与第四销轴形成转动副。这里，支撑杆固定架的相对位置是由第七螺钉确定的，第二丝杠的相对位置是由第一丝杠保持架、第二丝杠保持架确定的，而第一丝杠保持架与第二丝杠保持架分别由两对第六螺钉、第九螺钉固定在第四支架上，对称分布的一对水平保持架，有两对第八螺钉固定在第四支架上，起到防止俯仰运动出现负角度的作用。

本发明的工作过程和原理：

在具体的实施过程中，俯仰机构通过一组滑轮将支撑力作用在固连在第四支架两侧的第二滑轨上来完成俯仰运动，俯仰运动的支点为第三机架与第四支架的铰接处，由于第二减速自锁电机和以第二丝杠与第二丝杠螺母为主体的丝杠螺母机构均具有自锁性，故不必添加其它锁紧机构来完成俯仰机构在非工作状态下的锁紧。横滚传动机构、路面转换机构与横滚角度保持机构协同完成横滚动作，包括测试路面侧向偏转角度的调节、测试路面的快速切换、凹凸测试路面凸起高度的调节以及在横滚传动机构处于非工作状态下横滚旋转轴的锁定等工作。横滚传动机构将动力传递给横滚旋转轴使其产生旋转运动，既可以使每一个路面产生侧向偏转来测试行走对象的侧向稳定性，又可以快速切换不同的测试路面完成测试对象的不同类型路面行走能力测试。其中，凹凸测试路面凸包高度的调节可以通过螺母、第一压簧协同完成，在进行测试工作时，由横滚角度保持机构对横滚旋转轴的夹持作用确保装置的稳定。运动力学测试数据的采集分别由两个压力板路面及两台高速摄像机与六台均布的红外摄像机组成的光学三维运动捕捉系统完成，压力板路面用于采集行走对象对路面产生的压力数据，而光学三维运动捕捉系统用于捕捉运动对象在三维空间的运动数据。

本发明的有益效果：

1、本发明可用于足式行走对象运动力学的观测，这里的足式行走对象不仅包括足式行走机器人还包括一些小型的足式行走动物，足式行走动物相关运动力学数据的采集可以为仿生机器人的研究奠定良好基础。

2、本发明可以同时实现测试路面横滚和俯仰角度的连续调节，可以模拟不同路况的路面，使测试数据更加全面。

3、本发明可以通过简单的控制电机转动达到快速切换不同测试路面的目的，大大节约测试时间的同时可以得到多组不同测试路面的试验数据。

4、本发明将新型路面切换机构与运动力学数据采集装置(压力板路面)集成，配合光学三维运动捕捉系统，便于试验数据的快速采集，利于试验后期的数据分析。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为图2的A-A视图。

图4为本发明的俯视图。

图5为本发明俯仰支撑机构的结构示意图。

图6为本发明在进行俯仰动作时的示意图。

图7为本发明在进行横滚动作时的示意图。

其中：1-高速摄像机；2-红外摄像机；3-路面转换机构；31-第一滑轨；32-螺杆；33-可升降路面；34-仿形基板；35-螺母；36-第一压簧；37-第一螺钉；38-压力板路面；39-路面支撑架；310-柔性材质垫；311-横滚旋转轴；312-第一机架；313-第二滑轨；314-第二螺钉；4-横滚传动机构；41-第二机架；42-第一齿轮；43-第二齿轮；44-第三机架；45-第三螺钉；46-第一减速自锁电机；5-第四支架；6-横滚角度保持机构；61-第四螺钉；62-第五机架；63-第二压簧；64-第一销轴；65-限位支架；66-第一丝杠；67-第一丝杆螺母；68-连杆；69-支撑梁；610-夹持元件；7-俯仰机构；71-第一支撑杆；72-第二销轴；73-第三滑轨；74-第五螺钉；75-第二减速自锁电机；76-联轴器；77-第一丝杠保持架；78-第二丝杠螺母；79-第六螺钉；710-支架连杆；711-滑块；712-第七螺钉；713-第三销轴；714-支撑杆固定架；715-水平保持架；716-第八螺钉；717-第二丝杠保持架；718-第九螺钉；719-第二丝杠；720-第二支撑杆；721-滑轮；722-第四销轴。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6及图7所示，本实施例包括横滚传动机构4、路面转换机构3、横滚角度保持机构6、俯仰机构7以及由高速摄像机和红外摄像机所组成的光学三维运动捕捉系统。

所述的光学三维运动捕捉系统由两台高速摄像机1，六台均布的红外摄像机2组成，其中高速摄像机1用于捕捉行走对象的运动细节，红外摄像机2负责试验对象三维空间运动数据的采集。

所述的横滚传动机构4包括第二机架41、第一齿轮42、第二齿轮43、第三机架44、第三螺钉45、第一减速自锁电机46，第二机架41由一对对称分布的第三螺钉45固定在第三机架44上，第一减速自锁电机46固连在第三机架44的中部，横滚旋转轴311、第一减速自锁电机46的轴端部分透过第二机架41和第三机架44的对应轴孔分别与第一齿轮42、第二齿轮43固连，第一减速自锁电机46所产生的动力通过第一齿轮42与第二齿轮43的啮合传递给横滚旋转轴311来完成测试路面侧向偏转角度的调节以及不同测试路面的切换。

所述的路面转换机构3包括第一滑轨31、螺杆32、可升降路面33、仿形基板34、第一压簧36、压力板路面38、路面支撑架39、柔性材质垫310、第一机架312、第二滑轨313，第一机架312通过四个对称分布的第二螺钉314固定在第二机架41上，横滚旋转轴311由第一机架312与第二机架41上相对应的轴孔确定相对位置；三个均匀布置的三角形的路面支撑架39固连在横滚旋转轴311上，两块仿形基板34布置在三个路面支撑架39之间，与可升降路面33构成凹凸测试路面的主体部分；可升降路面33上存在与仿形基板34上凸包对应的圆孔，可升降路面33可以沿对称分布的第一滑轨31上下滑动以调节仿形基板34上的凸包露出高度来形成不同凹凸测试路面；成对分布在可升降路面33两侧的第一螺钉37穿过路面支撑架39上的通孔以螺纹连接的方式固连在可升降路面33上，布置在可升降路面33与第一螺钉37之间的第一压簧36起到保持升降路面33相对位置的作用，而对称分布的四个螺杆32以螺纹连接的方式固连在两侧的路面支撑架39上，同时穿过可升降路面33的通孔，通过调节在四个螺杆32上的螺母35的位置即可调节可升降路面33的高度。另两个测试路面分别为普通平路测试路面和松软测试路面，其中，普通平路测试路面由压力板路面38固连在路面支撑架39的侧边，而松软测试路面则是在此基础上将柔性材质垫310紧密贴合在在另一个压力板路面38上。在横滚传动机构4的协动下，三种路面可以根据试验要求快速自由切换，且每种路面的侧向偏转角度可自由调节。所述的柔性材质垫310是海绵或柔性橡胶。

所述的横滚角度保持机构6包括第四螺钉61、第五机架62、第二压簧63、第一销轴64、限位支架65、第一丝杠66、第一丝杠螺母67、连杆68、支撑梁69、夹持元件610，第五机架62由第四螺钉61与第一机架312确定装配关系，支撑梁69穿过第五机架62并与第五机架62固定连接，两个夹持元件610可在支撑梁69上自由滑动，且与两个连杆68形成铰链连接。同时，第一丝杠螺母67通过两个第一销轴64与两个第二连杆68分别铰接，通过旋转第一丝杠66，随着第一丝杠螺母67的移动，夹持元件610会完成对横滚旋转轴311的夹持，以防止在第一减速自锁电机46处于非工作状态时，路面转换机构3的非主动旋转运动，在调节侧向偏转角度或者切换路面之前应反向旋转第一丝杠66，使夹持元件610处于非夹持状态。这里限位支架65的作用是限制第一丝杠66的轴向运动，第二压簧63的作用是协助丝杠螺母机构对横滚旋转轴311进行夹持。

所述的俯仰机构7包括第一支撑杆71、第三滑轨73、第二减速自锁电机75、第一丝杠保持架77、第二丝杠螺母78、支架连杆710、滑块711、支撑杆固定架714、水平保持架715、第二丝杠保持架717、第二丝杠719、第二支撑杆720、滑轮721，俯仰机构7的动力由第二减速自锁电机75通过联轴器76传递给第二丝杠719，再通过第二丝杠螺母78与穿过第二丝杠螺母78的支架连杆710转化为滑块711沿第三滑轨73的水平滑动；这里两个对称分布的第三滑轨73通过六对第五螺钉74固连在第四支架5上，两对支撑架的主体由第一支撑杆71、第二支撑杆720和滑轮721组成，第一支撑杆71、第二支撑杆720分别通过第二销轴72、第三销轴713与滑块711和支撑杆固定架714形成铰接，第一支撑杆71、第二支撑杆720则通过第四销轴722形成铰接，滑轮721与第四销轴722形成转动副；这里，支撑杆固定架714的相对位置是由第七螺钉712确定的，第二丝杠719的相对位置是由第一丝杠保持架77、第二丝杠保持架717确定的，而第一丝杠保持架77与第二丝杠保持架717分别由两对第六螺钉79、第九螺钉718固定在第四支架5上，对称分布的一对水平保持架715，有两对第八螺钉716固定在第四支架5上，起到防止俯仰运动出现负角度的作用。

在具体的实施过程中，俯仰机构7通过一组滑轮721将支撑力作用在固连在第四支架5两侧的第二滑轨313上来完成俯仰运动，俯仰运动的支点为第三机架44与第四支架5的铰接处，由于第二减速自锁电机75和以第二丝杠719与第二丝杠螺母78为主体的丝杠螺母机构均具有自锁性，故不必添加其它锁紧机构来完成俯仰机构7在非工作状态下的锁紧。横滚传动机构4、路面转换机构3与横滚角度保持机构6协同完成横滚动作，包括测试路面侧向偏转角度的调节、测试路面的快速切换、凹凸测试路面凸起高度的调节以及在横滚传动机构4处于非工作状态下横滚旋转轴311的锁定等工作。横滚传动机构4将动力传递给横滚旋转轴311使其产生旋转运动，既可以使每一个路面产生侧向偏转来测试行走对象的侧向稳定性，又可以快速切换不同的测试路面，完成测试对象的不同类型路面行走能力测试。其中，凹凸测试路面凸包高度的调节可以通过螺母35、第一压簧36协同完成，在进行测试工作时，由横滚角度保持机构6对横滚旋转轴311的夹持作用确保装置的稳定。有关测试数据的采集分别由两个压力板路面38，及两台高速摄像机1，六台均布的红外摄像机2组成的光学三维运动捕捉系统完成，压力板路面38用于采集行走对象对路面产生的压力数据，而光学三维运动捕捉系统用于捕捉运动对象在三维空间的运动学数据。