一種六肢昆蟲運動方式確定方法、仿生六肢昆蟲機器人及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于仿生機器人領(lǐng)域，具體地說，設(shè)及一種六肢昆蟲運動方式確定方法、仿 生六肢昆蟲機器人及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 仿生昆蟲機器人是基于昆蟲（如六肢昆蟲)運動靈活穩(wěn)定、適應(yīng)能力強等優(yōu)點而研 發(fā)的運動機構(gòu)，具有較好的機動性，對不平路面適應(yīng)能力突出，可W輕松跨過較大障礙物， 因此在抗震救災(zāi)、捜索救援、外星探索、W及軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。六肢昆蟲具有6條 腿用于支持身體和行走;行走時，它一邊的前后腿和另一邊的中腿形成一組，=點式接觸保 證了運動的穩(wěn)定性。盡管身體每側(cè)各有=條腿，但是每一條腿在運動時所起作用是不一樣 的，前腿向頭部上方凸出，主要用于爬越障礙物，中間的腿主要用于直線行走，后腿除了保 持與前腿的節(jié)奏外，還起到轉(zhuǎn)向作用。
[0003] 中國專利申請?zhí)?01010133732.X，公開日2010年10月6日的專利文件，公開了一種 基于雙四連桿機構(gòu)的仿生六肢昆蟲機器人，該機器人包括有六組結(jié)構(gòu)相同的足，W及將所 述的足連接在一起的上、下連板。所述足的構(gòu)形采用雙四連桿機構(gòu)，由=個艙機驅(qū)動雙四連 桿機構(gòu)來分別模擬六肢昆蟲的髓關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)運動。該發(fā)明設(shè)計的仿生六肢 昆蟲機器人采用=角步態(tài)方式行進，從而實現(xiàn)該機器人的=角步態(tài)運動。為了增加機器人 的承載能力，同時能夠?qū)?個艙機放置于所述的足上用W改善整個機器人的剛性和穩(wěn)定 性，該發(fā)明將平面四桿機構(gòu)用于腿構(gòu)形的設(shè)計中，能夠?qū)崿F(xiàn)力和運動的放大，降低對艙機驅(qū) 動能力的要求，提高機器人的負載能力。從仿生學(xué)角度看，采用多連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計仿生六肢昆 蟲機器人具有合理性。但該發(fā)明只是依據(jù)六肢昆蟲的行走特點模擬仿生六肢昆蟲機器人， 該仿生六肢昆蟲機器人雖然能按照六肢昆蟲的爬行特點進行運動，但研究重點側(cè)重于控制 和模擬;六肢昆蟲是世界上最快的爬行昆蟲，其速度之快讓人難W想象，而運一凸出特點W 及六肢昆蟲的運動規(guī)律該發(fā)明沒能反映。
[0004]由于六肢昆蟲機器人是一種多支鏈運動機構(gòu)，其驅(qū)動關(guān)節(jié)數(shù)大于運動自由度，因 此其運動學(xué)分析較為復(fù)雜。盡管國內(nèi)有部分學(xué)者對六肢昆蟲機器人等六肢昆蟲機器人的運 動進機制及行走算法控制等進行了研究，但其研究與六肢昆蟲實際運動規(guī)律存在一定差 距，所W還不能制造出能夠克服惡劣環(huán)境而進行抗震救災(zāi)、捜索救援、外星探索、W及軍事 等領(lǐng)域的仿生六肢昆蟲機器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 1、要解決的問題
[0006]針對現(xiàn)有六肢昆蟲運動方式不明確，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)不能制造出適應(yīng)路況差等惡劣 環(huán)境的高仿生六肢昆蟲機器人的問題，本發(fā)明提供一種六肢昆蟲運動方式確定方法、仿生 六肢昆蟲機器人及其使用方法，能精確地確定六肢昆蟲的運動方式，制造出能夠適應(yīng)抗震 救災(zāi)等惡劣環(huán)境的仿生六肢昆蟲機器人。
[0007] 2、技術(shù)方案
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案。
[0009] -種仿生六肢昆蟲機器人，包括本體和肢體，所述的肢體包括一對前肢、一對中肢 和一對后肢，所述的一對前肢分別對稱設(shè)置在本體前端的兩側(cè)，所述的一對中肢分別對稱 設(shè)置在本體中部的兩側(cè)，所述的一對后肢分別對稱設(shè)置在本體后端的兩側(cè)，所述的前肢、中 肢、后肢的長度分別為Li、L2、L3，貝恪長度之間的關(guān)系滿足L2 = 1~1.3Li，L3 = 1.1~1.3化2; 所述的本體上設(shè)有控制元件;所述的肢體上設(shè)有執(zhí)行元件;所述的執(zhí)行元件與控制元件相 連;所述的控制元件包括一個信號接收器。
[0010] 優(yōu)選地，所述的前肢、中肢和后肢均包括大臂、中臂和小臂;所述的大臂與本體連 接;所述的中臂與大臂連接;所述的小臂與中臂連接。
[0011]優(yōu)選地，所述的大臂長度為Si、中臂長度為S2、小臂長度為S3,則各長度滿足關(guān)系S2 = 3Si前，S3 = 4Si。
[0012]優(yōu)選地，所述的大臂與本體之間的連接為活動范圍0~30°的連接;所述的大臂和 中臂之間的連接、中臂和小臂之間的連接均為活動范圍0~90°的連接。
[0013] -種仿生六肢昆蟲機器人的使用方法，其步驟為：
[0014] 1)使用前準(zhǔn)備，啟動機器人控制電源，將控制元件初始化，啟動信號接收器，建立 控制元件與計算機的無線連接；
[0015] 2)運動準(zhǔn)備，輸入信號，限定各肢體大臂、中臂、小臂之間活動范圍與時間的變化 關(guān)系：
[0016]前肢本體與大臂之間、大臂與中臂之間、中臂與小臂之間的活動范圍隨時間t的變 化關(guān)系分別是：
[0017] 011 = 0,目12 = 31/巧sin2(t)，目i3 = V巧sin2(t);
[001引其中011為前肢本體與大臂之間的夾角，012為前肢大臂與中臂之間的夾角，目13為前 肢中臂與小臂之間的夾角；
[0019]中肢本體與大臂之間、大臂與中臂之間、中臂與小臂之間的活動范圍隨時間t的變 化關(guān)系分別是：
[0020] 021=0,目22= V巧sin2(t+3i/6)，目23 = V巧sin2(t+3i/6);
[0021]其中02功中肢本體與大臂之間的夾角，022為中肢大臂與中臂之間的夾角，023為中 肢中臂與小臂之間的夾角；
[0022] 后肢本體與大臂之間、大臂與中臂之間、中臂與小臂之間的活動范圍隨時間t的變 化關(guān)系分別是：
[0023] 031 = 0,目32 = V巧sin2(t+3i/3)，目33 = V巧sin2(t+3i/3);
[0024]其中031為后肢本體與大臂之間的夾角，032為后肢大臂與中臂之間的夾角，033為后 肢中臂與小臂之間的夾角；
[0025]3)輸入信號，控制各肢體大臂、中臂、小臂連接處按如下運動速度執(zhí)行：
[0026]前肢；
[0027]本體與大臂連接處的角速度為
[002引 辭1=0，
[0029] 角加速度為
[0030] 句1=0.
[0031] 大臂與中臂連接處的角速度為
[0033] 角加速度為
[0034] 中:=批*cos(2〇.
[0035] 中臂與小臂連接處的角速度為
[0037] 角加速度為
[0038] 6>3=pi*c〇s(2t). ，：
[0039] 中肢：
[0040] 本體與大臂連接處的角速度為 [0041 ]巧 1=O
[0042] 角加速度為
[0043] 6||=0. >1
[0044] 大臂與中臂連接處的角速度為
[0046] 角加速度為
[0048]中臂與小臂連接處的角速度為
[0050] 角加速度為
[00對后肢：
[0053] 本體與大臂連接處的角速度為
[0054] 磚1=0，
[0055] 角加速度為
[0056] 巧,=0.
[0057]大臂與中臂連接處的角速度為
[0059]角加速度為
[0061]中臂與小臂連接處的角速度為
[0063]角加速度為
[0065]其中t的初始值為0;
[0066] 4)斷開機器人控制電源，運動停止。
[0067] -種六肢昆蟲運動方式確定方法，其步驟為：
[0068] 1)數(shù)據(jù)采集，采集六肢昆蟲肢體靜態(tài)數(shù)據(jù)和運動過程中的運動數(shù)據(jù)，并依照該靜 態(tài)數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)制作六肢昆蟲模型；
[0069] 2)根據(jù)步驟1)中所采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)計算模型中大臂與本體、中臂與大 臂、小臂與中臂之間的位置關(guān)系，并最終得到小臂端點相對于本體的動態(tài)位置，用第一坐標(biāo) 公式表示；
[0070] 3)將步驟2)中根據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)和運動數(shù)據(jù)得到的第一坐標(biāo)公式對時間求導(dǎo)，并結(jié)合 雅可比矩陣求解和變換得到六肢昆蟲肢體運動過程中的線速度、角速度矢量公式和加速度 公式；
[0071] 4)將步驟1)中采集的六肢昆蟲肢體靜態(tài)數(shù)據(jù)和步驟3)中得到的六肢昆蟲肢體運 動過程中線速度、角速度矢量和加速度輸入計算機進行仿真分析，與六肢昆蟲實際運動方 式相比較，初步驗證仿生六肢昆蟲的運動方式；
[0072] 5)設(shè)定六肢昆蟲肢體大臂與本體、中臂與大臂、小臂與中臂連接處隨時間的變化 關(guān)系，并結(jié)合上述步驟中得到的運動參數(shù)，輸入計算機進行仿真分析，驗證確定六肢昆蟲運 動方式。
[0073]優(yōu)選地，步驟1)中所述的靜態(tài)數(shù)據(jù)為六肢昆蟲肢體與本體的位置關(guān)系W及大臂、 中臂、小臂之間的長度比例關(guān)系。
[0074] 優(yōu)選地，步驟2)中所述的運動數(shù)據(jù)為大臂相對于本體、中臂相對于大臂、小臂相對 于中臂的活動范圍和角度。
[0075]優(yōu)選地，步驟2)中所述的大臂與本體、中臂與大臂、小臂與中臂之間的位置關(guān)系通 過在本體質(zhì)屯、、大臂與中臂連接點、中臂與小臂連接點、小臂端點四點建立S維坐標(biāo)系，再 用各點的坐標(biāo)值表示;求解各坐標(biāo)值的關(guān)系，得到小臂端點相對于本體的動態(tài)位置。
[0076]優(yōu)選地，步驟4)中仿真分析采用的工具為MATLAB軟件。
[0077] 3、有益效果
[0078] 相比于現(xiàn)