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一种机器鼠与实验鼠运动相似性评价方法

阅读：648发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种机器鼠与实验鼠运动相似性评价方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种机器鼠与实验鼠运动相似性评价方法。基于实验鼠的运动参数的机器鼠运动设计，由实验鼠的运动参数获取、运动学模拟、机器鼠实验和相似度评价四部分组成。运动相似性评价以表征实验鼠运动特征的参数(各个动作持续时间、俯仰角 αp、俯仰高度hp、偏航距离dy和偏航半径ry等)为依据，选取两个典型行为进行机器鼠模仿实验，提出了采用动态时间规整(DTW)作为相似性评价方法。根据运动相似性评价结果，不断优化控制策略。本发明从定量的角度来评价机器鼠模仿实验鼠的运动相似度，能够实现对实验鼠运动的高相似度模仿。，下面是一种机器鼠与实验鼠运动相似性评价方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种运动相似性的评价方法，包括以下步骤，
S1：通过捕捉的第一对象的运动数据；
S2：进行逆运动学求解，得到第二对象的关节角及姿态；
S3：建立起第一对象与第二对象的运动学对应关系；
S4：捕捉第二对象的运动数据，得到第一对象与第二对象的运动参数随时间变化的曲线；
S5：通过相似性评价方法，对第一对象与第二对象运动相似性进行评价。
2.根据权利要求1所述的运动相似性评价方法，其特征在于,所述步骤S1中通过拍摄第一对象运动视频再逐帧读取第一对象的运动参数。
3.根据权利要求1所述的运动相似性评价方法，其特征在于,所述步骤S1中的运动数据包括各个动作持续时间，以及俯仰角αp、俯仰高度hp、偏航距离dy和偏航半径ry四个参数随时间变化的值。
4.根据权利要求1所述的评价第一对象与第二对象运动相似性评价方法，其特征在于,所述步骤S5采用动态时间规整(DTW)方法来评估运动的相似性。
5.根据权利要求4所述的运动相似性评价方法，其特征在于,所述动态时间规整(DTW)方法通过把时间序列进行延伸和缩短，来计算两个时间序列性之间的相似性。
6.根据权利要求1所述的运动相似性评价方法，其特征在于,所述步骤S5采用累加距离(AD)作为相似性的表示。
7.一种仿生机器人控制方法，包括以下步骤，
S10：捕捉实验动物的运动参数；
S20：进行逆运动学求解，得到仿生机器人的关节角及姿态；
S30：对实验动物和所述仿生机器人进行运动学匹配；
S40：获取仿生机器人的运动参数；
S50：采用动态时间规整(DTW)方法进行运动的相似性评价；
S60：判断实验动物和所述仿生机器人的运动相似度是否满足要求，若不满足要求则转到步骤S30；
S70：得到具有最大相似性的动作。
8.根据权利要求7所述的仿生机器人控制方法，其特征在于，所述实验动物是实验鼠，所述仿生机器人是机器鼠。
9.根据权利要求8所述的仿生机器人控制方法，其特征在于，所述步骤S10中适用两个典型行为进行相似性评价：一是在表达攻击、自卫的行为时，进行先奔跑、再直立的连续动作，将其定义为行为模式1(BP1)；二是表达探索周围环境或与同类进行攀压交互等行为时，通常进行嗅探、攀压、回撤的一系列动作，将其定义为行为模式2(BP2)。

说明书全文

一种机器鼠与实验鼠运动相似性评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种机器鼠仿生运动评价方法。通过该方法可以有效地设计出与实验鼠运动具有高相似度的机器鼠运动，实现机器鼠高质量的仿生运动。

背景技术

[0002] 由于实验鼠身体构造及药物反应和人类接近，因此常被用作人类疾病的动物模型 (具有人类疾病模拟表现的动物)，是研究人类疾病规律与新型药物测试及筛选的关键资源。但是传统动物模型行为评估实验条件不可控、实验周期长，动物之间的行为交互测试存在再现性低、不易控制的问题，并且在实验过程中对照组也存在误差等。因此，借助于可编程和自由配置的仿生机器人代替动物，通过再现相应的动物行为，与动物进行交互，已经成为了国际研究动物行为的新方法。将机器鼠应用于实验鼠行为交互，提高了行为交互中实验条件的可控性，便于实现自动化实验，进一步研究实验鼠行为学。为了更好的实现机器鼠与实验鼠的交互，机器鼠需要做出与实验鼠具有高度相似度的动作和运动。建立运动相似性评价方法可以将机器鼠模仿实验鼠运动的相似程度量化，为机器鼠改进运动模仿提供重要参考标准。

[0003] 在非专利文献1中(“Design and control of a biomimetic robotic rat for interaction with laboratory rats”，SHI,Qing等，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，第20卷，第4卷，第1832-1842页，2015年8月)，作者提到了一种可以模仿实验鼠动作的仿生机器鼠，并与实验鼠进行交互实验。该仿生机器鼠可以模仿实验鼠的各类动作(例如：奔跑、直立、攀压、转身、理毛、嗅探等动作)，从而可以与一只或者一群实验鼠进行交互实验。

[0004] 该仿生机器鼠仅能从视觉效果上模仿实验鼠的各类动作，并没有从定量的角度出发去评价这种相似性；由于缺乏一个定量评价这种运动相似性的方法，故很难在运动的模仿上对机器鼠进行改进，限制了机器鼠的优化控制策略的应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的是：为了实现机器鼠对实验鼠的高相似度运动模仿，提出了一种评价两者运动相似性的方法。

[0006] 本发明的技术方案如下。

[0007] 一种运动相似性的评价方法，包括以下步骤，

[0008] S1：通过捕捉的第一对象的运动数据；

[0009] S2：进行逆运动学求解，得到第二对象的关节角及姿态；

[0010] S3：建立起第一对象与第二对象的运动学对应关系；

[0011] S4：捕捉第二对象的运动数据，得到第一对象与第二对象的运动参数随时间变化的曲线；

[0012] S5：通过相似性评价方法，对第一对象与第二对象运动相似性进行评价。

[0013] 进一步地,所述步骤S1中通过拍摄第一对象运动视频再逐帧读取第一对象的运动参数。

[0014] 进一步地,所述步骤S1中的运动数据包括各个动作持续时间，以及俯仰角αp、俯仰高度 hp、偏航距离dy和偏航半径ry四个参数随时间变化的值。

[0015] 进一步地,所述步骤S5采用动态时间规整(DTW)方法来评估运动的相似性。

[0016] 进一步地,所述动态时间规整(DTW)方法通过把时间序列进行延伸和缩短，来计算两个时间序列性之间的相似性。

[0017] 进一步地,所述步骤S5采用累加距离(AD)作为相似性的表示。

[0018] 本发明还提供了一种仿生机器人控制方法，包括以下步骤，

[0019] S10：捕捉实验动物的运动参数；

[0020] S20：进行逆运动学求解，得到仿生机器人的关节角及姿态；

[0021] S30：对实验动物和所述仿生机器人进行运动学匹配；

[0022] S40：获取仿生机器人的运动参数；

[0023] S50：采用动态时间规整(DTW)方法进行运动的相似性评价；

[0024] S60：判断实验动物和所述仿生机器人的运动相似度是否满足要求，若不满足要求则转到步骤S30；

[0025] S70：得到具有最大相似性的动作。

[0026] 进一步地,所述实验动物是实验鼠，所述仿生机器人是机器鼠。

[0027] 进一步地,所述步骤S10中适用两个典型行为进行相似性评价：一是在表达攻击、自卫的行为时，进行先奔跑、再直立的连续动作，将其定义为行为模式1(BP1)；二是表达探索周围环境或与同类进行攀压交互等行为时，通常进行嗅探、攀压、回撤的一系列动作，将其定义为行为模式2(BP2)。

[0028] 本发明的有益效果是：

[0029] (1)本发明从俯仰角αp、俯仰高度hp、偏航距离dy和偏航半径ry四个运动参数，来定量地评估机器鼠和实验鼠的运动相似性；

[0030] (2)本发明采用动态时间规整(DTW)方法，优点在于机器鼠运动的速度快慢几乎不影响与实验鼠运动相似性的匹配。

[0031] (3)本发明可以引导机器鼠在满足运动学条件下，实现对实验鼠运动的高相似度模仿。附图说明

[0032] 图1为根据本发明的运动相似性评价方法的机器鼠控制流程示意图；

[0033] 图2为7 转动关节机器鼠运动学模型；

[0034] 图3为实验鼠与机器鼠运动参数定义；

[0035] 图4为BP1模式下的实验分析结果；

[0036] 图5为BP2模式下的实验分析结果。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图和技术方案对本发明作进一步说明，但并不作为本发明的限定。

[0038] 图1所示为根据本发明的运动相似性评价方法的机器鼠控制流程示意图，包括以下步骤。

[0039] S10：捕捉实验动物的运动参数；

[0040] S20：进行逆运动学求解，得到仿生机器人的关节角及姿态；

[0041] S30：对实验动物和所述仿生机器人进行运动学匹配；

[0042] S40：获取仿生机器人的运动参数；

[0043] S50：采用动态时间规整(DTW)方法进行运动的相似性评价；

[0044] S60：判断实验动物和所述仿生机器人的运动相似度是否满足要求，若不满足要求则转到步骤S30；

[0045] S70：得到具有最大相似性的动作。

[0046] 图2所示为7旋转关节机器鼠运动学模型。坐标系(xt,yt,zt)原点为机器鼠轮部与地面接触点Jt，世界坐标系与坐标系(xt,yt,zt)重合。坐标系(x0,y0,z0)固定在第一个旋转关节点，由世界坐标系沿着zt平移得到。坐标系(xi,yi,zi)(i＝1,2...7)固定在从臀部到颈部的每个旋转关节点Ji处。θi(i＝1,2...7)表示各自的关节角。鼻尖点定义为Js。

[0047] 如图2所示为实验鼠与机器鼠运动参数定义。上面三张图表示俯仰方向运动，下面三张图表示偏航方向运动。俯仰角αp定义为J1J5绕J1旋转到与水平线重合的角(逆时针旋转为正，顺时针旋转为负)；俯仰高度hp定义为Js到地面的垂直距离；偏航距离dy定义为Jt与Js两点间的水平距离；偏航半径ry定义为由J3、J4、J6、Jt和Js五个点拟合的最佳圆半径。显然，俯仰运动可以由αp和hp来描述，偏航运动可以由dy和ry来描述。另外为了比较机器鼠相对于实验鼠的俯仰和偏航运动的机动能力，定义先前的四个参数的极值：和分别表示最大俯仰角、最大俯仰高度、最小偏航距离和最
小偏航半径。为了获得实验鼠的这四个极值，分析X光成像仪捕捉的实验鼠图像，对三只实验鼠分别采样10分钟，总计30分钟的视频。通过测量和计算可以得到这四个极值：
其中单位体长BL定义为老鼠处于平趴姿态
时，从Jt到Js的水平距离。同样通过采集机器鼠运动视频可以测量和计算出机器鼠的这四个极值：可以看出，实验鼠与机器鼠运
动性能上极其相似，机器鼠能够完成较大的MPA及与实验鼠几乎相同的MYR，但是具有相对于实验鼠较小的MPH和较大的MYD，这是由于实验鼠相对于刚体的机器鼠具有更高的灵活性和可延展性。

[0048] 通过大量观察实验鼠行为活动，选取两个典型行为进行机器鼠模仿实验：BP1和BP2。对视频进行逐帧标记，从而计算出各个动作持续的时间、αp、hp、dy、ry等运动参数；再通过逆运动学解算出各个关节的姿态；通过实验鼠与机器鼠的关节对应关系，适当调整关节姿态，将实验鼠的关节姿态映射到机器鼠上；将关节姿态转换成各个电机的速度和位置，通过合适的控制算法，系统控制电机以设定速度到达指定位置；实验过程中，将实验鼠的行为拆分为几个动作，控制机器鼠按顺序对每个动作进行组合模拟，每次实验重复3次，取3次实验的平均值为机器鼠模拟实验的运动参数值；通过拍摄机器鼠运动视频再逐帧读取机器鼠的运动参数，绘制出机器鼠与实验鼠的运动参数关于时间变化的曲线；选取合适的采样时间，获得实验鼠与机器鼠的采样值，再利用动态时间规整(DTW)方法对实验鼠与机器鼠运动相似性进行评价。

[0049] 采用累加距离(AD)作为相似性的表示，俯仰高度hp作为实验参数，机器鼠在每种行为模式(BP1和BP2)下分别以两种不同速度进行实验，可以得到实验结果如图3、4所示。图4(a) 曲线表示实验鼠和机器鼠两次不同速度下的俯仰高度hp，(b)(c)表示实验鼠与机器鼠两次不同速度分别比对的DTW结果，图中的点表示两条曲线的欧氏距离，白色曲线表示最佳路径，深色对角线表示如果两条曲线完全相同时得到的理想路径。经过计算可以得到(b)的AD值为 0.5741，(c)的AD值为0.6058，这样可以定量地表示实验鼠与机器鼠运动的相似性。同理图 4可以得到BP2下的AD值，分别为0.0192和0.0252。很明显，AD值在BP1下远大于在BP2 下，说明实验鼠与机器鼠运动相似性在BP2下高于在BP1下。原因是BP1下要求实验鼠和机器鼠的俯仰高度超过1.5BL，这对实验鼠来说很容易，但是对机器鼠来说几乎是不可能的。 DTW的结果也可以帮助定位实验鼠与机器鼠运动最相似或者最不相似的时间段，最佳路径与理想路径越接近，说明相似度越高，反之亦然。如图4(b)(c)，横轴0-0.8s和
2.6s-7s两段两条曲线匹配的非常好，说明在这两段时间内实验鼠和机器鼠运动几乎完全相同。因此可以根据相似性评价的结果，不断对控制策略进行优化，以实际测试来调整控制各电机的速度和角度，以及各电机之间的协调配合，来实现对各个关节的姿态进行精确控制，从而达到对实验鼠运动高相似度模仿的效果。

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