山羊坡地行走的步態(tài)分析

張伏+王唯++張國(guó)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)序列存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)中，利用SigmaScan軟件和Matlab軟件對(duì)存入計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)影像結(jié)果進(jìn)行處理分析，得出山羊36°坡地上的運(yùn)動(dòng)步態(tài)特性參數(shù)和坡地運(yùn)動(dòng)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(duì)角小跑步態(tài)；在上坡過程中，山羊各腿的負(fù)荷因數(shù)為0.645±0.205，即腿處于支撐相的時(shí)間遠(yuǎn)大于處于移動(dòng)相的時(shí)間，說明山羊各腿的支撐相大于移動(dòng)相，這種特點(diǎn)可增加山羊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，為仿山羊農(nóng)業(yè)機(jī)械坡地行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠促進(jìn)四足行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)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(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）08-0196-03

行走步態(tài)作為自然界動(dòng)物最常使用的1種生物特征，是研究步行式行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)[1-3]。目前，隨著行走機(jī)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(jī)構(gòu)均已出現(xiàn)，其中以4足步行行走機(jī)構(gòu)的研究最為廣泛。近年來(lái)，研究地面各類4足行走動(dòng)物的行走狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律有很多，但國(guó)內(nèi)外對(duì)山羊這種4足哺乳動(dòng)物的研究較少。山羊軀體較小，四肢骨骼堅(jiān)實(shí)有力，它的支撐足離散地接觸地面，可自主選擇最佳落足點(diǎn)。其運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列孤立的點(diǎn)，具有主動(dòng)隔振能力，能以較高速度在凸凹不平和松軟地面上運(yùn)動(dòng)，能耗較小，可遠(yuǎn)距離行走；其運(yùn)動(dòng)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(jìn)行跨越運(yùn)動(dòng)，受環(huán)境限制較小。山羊可作為行走機(jī)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(jī)械行走機(jī)構(gòu)提供新思路[4-10]。本研究引入高速攝像技術(shù)對(duì)山羊36°坡地運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了拍攝，并應(yīng)用SigmaScan軟件和Matlab軟件對(duì)所拍攝圖像進(jìn)行了分析。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)方法本試驗(yàn)采用高速攝像儀（最高可達(dá)10 000幀/s）拍攝山羊在坡地的行走過程。試驗(yàn)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(jī)于三腳架上，設(shè)置鏡頭于山羊前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的正側(cè)面，并對(duì)攝像機(jī)的空間位置、取景范圍、拍攝距離、光圈和焦距等硬件條件進(jìn)行調(diào)整，保證鏡頭主光軸對(duì)準(zhǔn)山羊運(yùn)動(dòng)范圍的中心，盡可能地靠近山羊運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)相適應(yīng)，記錄下山羊在36°坡地的運(yùn)動(dòng)序列圖像并儲(chǔ)存至計(jì)算機(jī)中，然后利用SigmaScan圖像軟件采集分析山羊軀體關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)，得出山羊在不同坡地運(yùn)動(dòng)中的對(duì)應(yīng)系列特征參數(shù)及曲線。

1.2試驗(yàn)對(duì)象

山羊?qū)儆谂继隳浚饕蓄^、頸、軀干和四肢組成。頭部堅(jiān)實(shí)，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(zhǎng)豐滿，四肢強(qiáng)健，結(jié)構(gòu)勻稱，高度適中。試驗(yàn)對(duì)1頭母山羊（1.5年）進(jìn)行了分析，其主要體態(tài)特征列見表1。試驗(yàn)地點(diǎn)為河南省洛陽(yáng)市郊區(qū)山坡，氣溫為32～35 ℃。

1.3試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用的儀器設(shè)備分為3類：第1類測(cè)試設(shè)備，包括高速攝像儀（FASTCAM-Super 10K，用于拍攝山羊運(yùn)動(dòng)過程）、傾角儀、機(jī)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(jì)算機(jī)、筆記本電腦和打印機(jī)等。

1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

從試驗(yàn)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(cè)得的山羊四肢關(guān)鍵點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)值和對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到山羊運(yùn)動(dòng)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(shí)間間隔70 ms（即8幀）來(lái)選取1個(gè)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(gè)完整的步態(tài)周期需要花費(fèi)440 ms（共44幀）。試驗(yàn)中觀察到的山羊的行走步態(tài)為靜步態(tài)和對(duì)角小跑步態(tài)的交替運(yùn)行。

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

由表2可知，在上坡過程中，山羊各腿的負(fù)荷因數(shù)為0645±0.205，即腿處于支撐相的時(shí)間遠(yuǎn)大于處于移動(dòng)相的時(shí)間。說明總體上山羊各腿處于支撐相時(shí)需要較多的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定重心，當(dāng)各腿處于移動(dòng)相時(shí)，在空中處于擺動(dòng)狀態(tài)的各腿可產(chǎn)生慣性力矩，移動(dòng)相時(shí)間較短可減少慣性力矩對(duì)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(gè)步態(tài)變換周期共經(jīng)歷了4次3腿共同支撐時(shí)期。右前腿懸空時(shí)，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(shí)，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(shí)（對(duì)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(shí)，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(shí)（對(duì)角小跑步態(tài)），此過程經(jīng)歷了120 ms；之后，右后腿懸空時(shí)，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(shí)，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(gè)完整的步態(tài)變換周期。隨著1個(gè)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(shí)，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(shí)（對(duì)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(gè)完整的步態(tài)周期內(nèi)，山羊的各條腿支撐時(shí)期占整個(gè)步態(tài)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中總共經(jīng)歷3腿共同支撐時(shí)期4次；對(duì)角小跑步態(tài)2次；對(duì)角小跑所占用的懸空時(shí)間遠(yuǎn)小于3腿支撐所占用的懸空時(shí)間；隨著山羊從坡底到坡頂過程中，對(duì)角小跑所占用的懸空時(shí)間越來(lái)

越小。本試驗(yàn)條件下可認(rèn)為山羊在36°坡地的上坡運(yùn)動(dòng)過程中主要為3腿共同支撐和對(duì)角小跑狀態(tài)。

2.2山羊腿部角度分析

測(cè)得山羊36°坡地上坡各腿的腿部角度變化范圍值見表4。

對(duì)山羊行走的1個(gè)步態(tài)周期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到山羊坡地行走時(shí)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(jìn)方向的夾角，即大腿與水平前進(jìn)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、減小而減小；當(dāng)α角處于峰值和低谷時(shí)，β角的值也處于對(duì)應(yīng)的峰值和低谷處，說明在邁步運(yùn)動(dòng)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(shí)，β角處于最小值；當(dāng)α角第1次處于低谷時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(shí)，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(shí)，β角出現(xiàn)再次的低谷現(xiàn)象；β角出現(xiàn)最大值時(shí)，α角處于平緩狀態(tài)；此后，當(dāng)α角處于最大值時(shí)，β角處于低谷。

3結(jié)論

對(duì)山羊坡地行走試驗(yàn)過程和試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了圖像處理軟件SigmaScan在高速攝像中的應(yīng)用方法，并對(duì)山羊身上的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集和歸類，獲得了較完整的運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)序列圖像，得出山羊36°坡地上的運(yùn)動(dòng)步態(tài)特性參數(shù)和坡地運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在本試驗(yàn)條件下可認(rèn)為山羊在36°坡地的上坡運(yùn)動(dòng)過程中主要為3腿共同支撐和對(duì)角小跑狀態(tài)。

分析表明，山羊各腿的負(fù)荷因數(shù)為0.645±0.205，即腿處于支撐相的時(shí)間遠(yuǎn)大于處于移動(dòng)相的時(shí)間，說明山羊各腿的支撐相大于移動(dòng)相，這種特點(diǎn)可增加山羊運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

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