一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置

1.本实用新型属于三维运动数据采集领域，具体的说就是使用3d打印技术制造一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置。


背景技术：

2.随着科技水平不断发展，人们对多足机器人的应用需求在不断扩大，多足机器人的设计也成为了人们探讨的一大话题。在机器人的设计中，稳定性是评价机器人性能的一个重要参数。影响稳定性的因素除机器人自身结构以外还包括多足机器人运动的步态、运动时的动态平衡、失衡时的自主代偿等。为了解决多足机器人如何进行稳定行走的问题，人们把目光看向了仿生学的方法上。通过采集生物运动的数据，并将此数据分析并应用于多足机器人的行走中去，用以实现多足机器人的稳定行走。
3.研究者们寻找了很多生物运动采集的方法，其中最常用的方法就是使用多台高速相机拍摄动物在特制的跑步机上的运动过程。但是研究表明，多足机器人最佳的仿生原型为昆虫。昆虫因其体积小，运动速度快，等众多影响因素，导致上述的拍摄方法难以获得较为准确的运动数据。使用多台高速相机，也存在设备价格过于高昂的问题。
4.中国发明专利(cn 107113416 b)公布了一种多视点高速运动采集的方法及系统，其利用多个高速相机以及大量常速相机，实现了从多个视点采集高速运动。该设计具有应用范围广泛，准确度高等优点。但也存在一定的问题使其无法应用于昆虫运动的采集，问题如下：该设计主要应用于大型场景的运动采集，昆虫体积过小，不能清晰采集到运动数据；设备过于复杂且体积过大，不适合实验室内使用；多个高速相机和大量常速相机成本高昂。
5.《真马运动采集及在六自由度机器马中的复现》一文中，设计了一种六自由度并联机器马平台，并对空间运动进行分析。该研究实现了以马为原型的仿生机器人设计，但其思路应用于昆虫的运动采集上难以实现，其原因如下：该设计需要用到大量传感器，昆虫体积过小，并不能携带传感器；昆虫肢体复杂程度相比于马要复杂很多，昆虫相对运动速度也较快，此方法很难实现空间运动分析。
6.《three-dimensional kinematics and limb kinetic energy of running cockroaches》一文中，利用两台高速相机对蟑螂的运动数据进行了采集分析。该方法具有便于实验室使用、采集数据精准度高、可使用于昆虫等小型动物的运动采集等优点，为我们的设计提供了重要思路。但其也存在一定的问题，即：使用两台相机分别捕捉数据，使数据处理起来较为繁琐；两台高速相机价格昂贵。


技术实现要素：

7.本实用新型设计一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，要解决的技术问题如下：只使用一台高速相机大幅节约成本、结构简单方便实验室加工制造、装置校准方法简单快捷且具有较高的数据精度、得到的图像数据方便进行处理。
8.本实用新型解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
9.一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，由底板、行走平台、上下螺母架、m6
×
15螺母、螺旋推杆、反射镜支撑板、反射镜以及两端挡板组成。行走平台、上下螺母架、反射镜支撑板依次插入底板所留定位孔当中，两面反射镜平行置于行走平台的两侧，由行走平台的边缘和反射镜支撑板定位，与行走平台约成135
°
角，依靠螺旋推杆实现反射镜的角度调节。所用图像采集装置为高速相机，其位置垂直于整体装置上方，镜头向下拍摄，因反射镜角度可以调节，所以对高速相机位置没有严格要求，方便校准。所述上下螺母架以及反射镜支撑板设计为可插接的形式，采用3d打印制造，采用插接的装配方式，不需要依赖其他工具装配。其底板所留定位孔为方形孔，使用方形孔定位，准确度较高。所述行走平台边缘采用45
°
斜角设计，可完全贴合与反射镜表面，使反射镜定位更为精确。所述螺旋推杆手持端设计有t型结构凸台，便于用户手持使用。
10.昆虫运动采集一般需要三台高速相机，分别位于昆虫上方与左右位置，记录昆虫运动时的俯视图、左视图和右视图，为了大幅节约成本，使用两面反射镜分别代替昆虫左右两台高速相机，通过镜面的反射，即可用昆虫正上方的一台高速相机同时记录下昆虫俯视图、左视图与右视图的图像。为了方便实验室加工制造，所以选择3d打印技术进行加工，昆虫三维运动数据采集装置的结构设计，也是基于3d打印的加工特点，全部采用易于打印的简单结构。该采集昆虫三维运动数据的装置只对昆虫上方的一台高速相机镜头垂直于运动平面向下的垂直精度有要求，对此高速相机的高度以及水平位置精度都没有过高要求，通过调节反射镜角度即可简单快捷的进行装置的校准。因其只使用一台高速相机，所以得到的运动数据(昆虫运动的俯视图、左视图与右视图)集中在一组图像中，减少了对多组图像进行后处理的工作量。本实用新型其特征在于：由底板、行走平台、上下螺母架、m6
×
15螺母、螺旋推杆、反射镜支撑板、反射镜以及两端挡板组成。上下螺母架以及反射镜支撑板设计为可插接的形式，不需要依靠其他工具即可完成装配。
11.本实用新型分为两步进行使用，第一步为装置的装配：行走平台、上下螺母架、反射镜支撑板依次插入底板所留定位孔当中，两面反射镜平行置于行走平台的两侧，由行走平台的边缘和反射镜支撑板定位，与行走平台约成135
°
角，由螺母和调节螺旋推杆实现镜面与底板角度的微调。
12.第二步为装置的校准：将高速相机垂直于行走平台正上方放置，镜头向下拍摄。将高速相机连接至电脑，观察所拍摄的画面并转动螺旋推杆以调节反射镜角度，直至刚好完全观测不到反射镜中行走平台的上表面，说明拍摄视角完全平行于行走平台，则校准完毕，即可进行拍摄，得到昆虫运动图像。
13.本实用新型可捕捉到精准的昆虫运动画面；结合didge软件(将图像中的点位转化为三维坐标)与matlab软件(计算三维坐标得到运动数据)即可得到精准的运动数据。
14.本实用新型的优点和有益效果为：该采集昆虫三维运动数据的装置，只使用一台高速相机，大幅度节约成本；结构简单，可完全由3d打印机进行加工制造，不需要依靠其他工具装配，简便快捷；结构具有可拆卸性，拆装方便，发生故障易于更换零件；反射镜角度可以调节，对高速相机的高度以及水平位置精度都没有过高要求，便于校准；所得到的运动数据(昆虫运动的俯视图、左视图与右视图)集中在一组图像中，减少了对多组图像进行后处理的工作量。
附图说明
15.为了易于说明，本实用新型由下述的具体实施及附图作以详细描述。
16.图1为本实用新型的爆炸图；
17.图2为本实用新型的结构示意图；
18.图3为本实用新型的实施实例的结构示意图。
19.图4为本实用新型工作原理示意图。
20.图中：1-挡板、2-行走平台、3-上螺母架、4-反射镜支撑板、5-m6
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15六角螺母、6-螺旋推杆、7-下螺母架、8-底板、9-反射镜、10-模拟的实验对象(昆虫)、11-高速摄像机、12-led光源、13-电脑以及捕捉到的图像。
具体实施方式
21.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本实用新型。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实新型的范围。
22.如图1、图2所示，昆虫三维数据采集装置，其结构包括：两端挡板1、行走平台2、上螺母架3、反射镜支撑板4、m6
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15六角螺母5、螺旋推杆6、下螺母架7、底板8、反射镜9。
23.一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，由两端挡板1、行走平台2、上螺母架3、反射镜支撑板4、m6
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15六角螺母5、螺旋推杆6、下螺母架7、底板8、反射镜9组成。行走平台2、上螺母架3、下螺母架7、反射镜支撑板4依次插入底板8所留定位孔当中，两面反射镜9平行置于行走平台的两侧，由行走平台2的边缘和反射镜支撑板4定位，与行走平台2约成135
°
角，依靠螺旋推杆6实现反射镜9的角度调节。所用图像采集装置为高速相机，其位置垂直于整体装置上方，镜头向下拍摄，因反射镜9角度可以调节，所以对高速相机位置没有严格要求，方便校准。所述上螺母架6、下螺母架7以及反射镜支撑板4设计为可插接的形式，采用3d打印制造，采用插接的装配方式，不需要依赖其他工具装配。其底板8所留定位孔为方形孔，使用方形孔定位，准确度较高。所述行走平台2边缘采用45
°
斜角设计，可完全贴合与反射镜9表面，使反射镜9定位更为精确。所述螺旋推杆6手持端设计有t型结构凸台，便于用户手持使用。
24.本实用新型装配方法：先将底板8置于平面上，依次将行走平台2、两端挡板1插入底板8对应孔中；将螺母5置于下螺母架7中对应位置，之后将上螺母架3与下螺母架7拼合，此操作重复两遍；将得到的两个拼合好的螺母架(上螺母架3、螺母5、下螺母架7)插入底板8对应孔中；将反射镜支撑板4放入底板8所留滑道中；将螺旋推杆6分别旋入螺母5中，直至接触到反射镜支撑板4；将反射镜9置于反射镜支撑板上方与行走平台凸起边缘所贴合(如图4)；此时继续旋转螺旋推杆6进给，可使反射镜与行走平台夹角变小；反向旋出螺旋推杆6，在重力的作用下，反射镜与行走平台夹角变大；以此实现了反射镜角度的自由调节。
25.本实用新型使用方法，如图3所示：将高速相机11垂直于行走平台2正上方放置，镜头向下拍摄。将高速相机11连接至电脑，观察所拍摄的画面并转动螺旋推杆6以调节反射镜9的角度，直至刚好完全观测不到反射镜9中行走平台2的上表面，说明拍摄视角完全平行于行走平台2，则校准完毕，此时拍摄画面内可以同时存在昆虫俯视图、左视图与右视图，进行拍摄，得到昆虫运动图像。将所得图像结合didge软件(将图像中的点位转化为三维坐标)与
matlab软件(使用三维坐标计算得到昆虫各个肢体关节角随时间变化规律等运动数据)即可得到精准的运动数据。
26.本实用新型原理，如图4所示：所拍摄昆虫(图中阴影方块)可视作为一个点光源，取此点光源竖直向上、水平向左以及水平向右的三条光线说明原理。图中黑色实线分别为此三条光线，通过调节反射镜的反射角度，使水平的两条光线与竖直向上的光线所相交于一点。当相机画面所拍摄到的图像刚好完全观测不到反射镜9中行走平台2的上表面时，说明相机镜头位于此点上，可使相机拍摄画面同时存在昆虫俯视图、左视图与右视图。当相机镜头位置相对昆虫正上方有偏移时(图中虚线所示)，昆虫依然视为点光源，取此点光源与镜头连线、水平向左以及水平向右的三条光线，通过调节反射镜的反射角度，依旧可以使三条所示光线所相交于一点，与上述方法相同，将相机镜头位于此点上，可使相机拍摄画面同时存在昆虫俯视图、左视图与右视图。两次拍摄画面所得运动数据完全一致，所以本实用新型对高速相机的高度以及水平位置精度都没有过高要求，易于使用与校准。
27.以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型具体实施只局限于上述这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，其特征在于：由底板、行走平台、上下螺母架、m6
×
15螺母、螺旋推杆、反射镜支撑板、反射镜以及两端挡板组成；行走平台、上下螺母架、反射镜支撑板依次插入底板所留定位孔当中，两面反射镜平行置于行走平台的两侧，由行走平台的边缘和反射镜支撑板定位，与行走平台约成135
°
角，依靠螺旋推杆实现反射镜的角度调节。2.根据权利要求1所述的一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，其特征在于：所用图像采集装置为高速相机，其位置垂直于整体装置上方，镜头向下拍摄，反射镜角度可以调节。3.根据权利要求1所述的一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，其特征在于：所述上下螺母架以及反射镜支撑板设计为可插接的形式，采用3d打印制造。4.根据权利要求1所述的一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，其特征在于：其底板所留定位孔为方形孔。5.根据权利要求1所述的一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，其特征在于：所述行走平台边缘采用45
°
斜角设计。6.根据权利要求1所述的一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，其特征在于：所述螺旋推杆手持端设计有t型结构凸台。

技术总结
本实用新型设计了一种基于一台高速相机采集昆虫三维运动数据的装置，解决了现有运动采集方法不适用于昆虫、三维采集设备价格高昂、结构复杂难以装配与维修、采集数据不够精准等问题。所述采集装置的特征为：由底板、行走平台、上下螺母架、M6


技术研发人员：张琰 张若凡 赵旭文 张涛 许露露
受保护的技术使用者：天津科技大学
技术研发日：2022.11.15
技术公布日：2023/7/14