俯仰运动特性及对比分析

通过观察大量实验鼠在X射线下的行为视频影像，归纳总结出实验鼠在进行俯仰运动时的两种典型行为[9]：一是在表达敌对、自卫等行为时，通常进行先奔跑再直立的连续动作；二是在表达探索新环境或与实验鼠同类进行交互行为时，通常进行嗅探、攀压、回撤等一系列动作。分别将其定义为行为模式Ⅰ（BP-Ⅰ）、行为模式Ⅱ（BP-Ⅱ）。

图5-13　不同速度下Ki值与相应稳态时间Ts的关系

在实验过程中，将实验鼠的行为拆分为几个动作，控制机器鼠按既定顺序对每个动作进行模拟，组成一个完整的行为模式。通过分析实验鼠X射线下的运动视频图像，提取得到运动时的关键因子（αp、hp），根据机器鼠的逆运动学，可以解算出各个关节角参数（包括速度和位置），再将其输入到机器鼠的控制系统中，使其能够从运动参数上模拟实验鼠的行为[10]。选取的俯仰运动参数表示如图5-14所示。

图5-14　αp、hp参数的定义

（1）直线J1J5通过绕J1旋转到与水平轴重叠所经过的角度为俯仰角αp（逆时针旋转为正，顺时针旋转为负）。

（2）鼻尖Js到水平面的垂直距离为俯仰高度hp。

一、基于BP-Ⅰ情况下的俯仰运动控制

对于实验鼠的BP-Ⅰ情况，观察截取的实验鼠的运动视频图片（图5-15（a）），可以将实验鼠的行为看作奔跑后再进行1.2 s的直立动作。由于在实验鼠整个行为过程中没有偏航方向的运动，仅需要提取奔跑时的速度v以及直立动作时的俯仰运动参数。为了从运动参数上模拟实验鼠的行为，机器鼠在奔跑过程中选择跟实验鼠相同的平均速度v，在直立过程中选择在俯仰角αp和俯仰高度hp上实现对实验鼠的模拟。由于机器鼠和实验鼠在大小、体型上的差异，因而需要归一化处理，即选择用每秒移动的体长（BL/s）来表征速度。实验鼠在BP-Ⅰ中的奔跑平均速度为0.7 BL/s，故机器鼠也同样以0.7 BL/s（相当于0.135 m/s）平均速度前进。最后，控制机器鼠完成对实验鼠在BP-Ⅰ情况下的行为模拟，对其运动视频截图，如图5-15（b）所示。

图5-15　BP-Ⅰ情况下实验鼠和机器鼠运动视频截图对比

（a）实验鼠；（b）机器鼠

在BP-Ⅰ情况下模拟直立动作的过程中，以100 ms为采样间隔，分别将实验鼠和机器鼠的αp和hp值列出，如图5-16所示。首先，对于实验鼠而言，由αp曲线可知，实验鼠拥有柔性躯体，根据αp的定义，实验鼠的αp可以达到负数（曲线中αp最小值为-8°），最大俯仰角；由hp曲线可知，实验鼠自身躯体可以伸缩，其hp值为0.17～1.5 BL，变化范围较大。其次，对于机器鼠而言，由αp曲线可知，其躯体为刚性，机器鼠的αp值只能为正数（曲线里的αp最小值为2°），最大俯仰角；由hp曲线可知，机器鼠自身躯体不可以伸缩，其hp值为0.09～1.2 BL，变化范围略小。最后，对比实验鼠与机器鼠在BP-Ⅰ情况下的运动参数可得以下特性。(www.xing528.com)

图5-16　BP-Ⅰ情况下机器鼠与实验鼠αp和hp随时间变化曲线

（1）在整个运动过程中，同一时刻机器鼠与实验鼠αp的最大偏差为15°，但机器鼠的最大俯仰角甚至高于实验鼠的62°，而且两者的αp变化趋势基本一致。

（2）虽然机器鼠的最大俯仰高度相较于实验鼠的1.5 BL有一定差距，同一个时刻两者hp的最大偏差为0.34 BL，但是两者的hp变化趋势非常类似。

二、基于BP-Ⅱ情况下的俯仰运动控制

对于实验鼠的BP-Ⅱ情况，观察截取的实验鼠的运动视频图片，如图5-17（a）所示，可以将实验鼠的动作分为0～3.9 s的嗅探动作、3.9～5.2 s的攀压动作和5.2～7 s的回撤动作。与BP-Ⅰ类似，由于没有偏航方向的运动，提取行为过程中的俯仰运动高度hp以及攀压动作过程中的αp。为了从运动参数上模拟实验鼠的行为，机器鼠在整个行为过程中在俯仰高度hp上模拟实验鼠；与此同时，由于在攀压过程中俯仰角αp变化较为可观，故在此过程中选择在αp上也实现对实验鼠的模拟。最后，控制机器鼠完成对实验鼠在BP-Ⅱ情况下的行为模拟，将其运动视频截图如图5-17（b）所示。

图5-17　BP-Ⅱ情况下实验鼠和机器鼠运动视频截图对比

（a）实验鼠；（b）机器鼠

与BP-Ⅰ类似，在BP-Ⅱ情况下的模拟过程中，同样以100 ms为采样间隔，分别将实验鼠和机器鼠的αp和hp值列出来，如图5-18所示。首先，对于实验鼠而言，由αp曲线可知，实验鼠的αp值为-8°～28°；由hp曲线可知，在嗅探、攀压和回撤的过程中，实验鼠hp的最大值分别为0.38 BL、0.61 BL和0.62 BL。其次，对于机器鼠而言，由αp曲线可知，实验鼠的αp值为0°～26°；由hp曲线可知，在嗅探、攀压和回撤的过程中，实验鼠hp的最大值分别为0.38 BL、0.62 BL和0.63 BL。最后，对比实验鼠与机器鼠在BP-Ⅱ情况下的运动参数可得以下特性。

图5-18　BP-Ⅱ情况下机器鼠与实验鼠αp和hp随时间变化曲线

（1）在攀压过程中，同一时刻机器鼠与实验鼠αp的最大偏差为8°，但机器鼠达到的αp最大值跟实验鼠非常接近，而且两者的αp上升趋势基本一致。

（2）一方面，在嗅探、攀压和回撤的过程中，同一时刻机器鼠与实验鼠hp的最大偏差较小，分别为0.06 BL、0.11 BL和0.11 BL；另一方面，实验鼠的hp曲线变化更为多样，而且有突变，机器鼠由于身体结构和控制方法等原因，其hp变化较为平滑，几乎没有突变，但两者的变化趋势和最终结果都基本一致。