一种六肢昆虫运动方式确定方法、仿生六肢昆虫机器人及其使用方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于仿生机器人领域，具体地说，设及一种六肢昆虫运动方式确定方法、仿 生六肢昆虫机器人及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 仿生昆虫机器人是基于昆虫（如六肢昆虫)运动灵活稳定、适应能力强等优点而研 发的运动机构，具有较好的机动性，对不平路面适应能力突出，可W轻松跨过较大障碍物， 因此在抗震救灾、捜索救援、外星探索、W及军事等领域有着广泛的应用。六肢昆虫具有6条 腿用于支持身体和行走;行走时，它一边的前后腿和另一边的中腿形成一组，=点式接触保 证了运动的稳定性。尽管身体每侧各有=条腿，但是每一条腿在运动时所起作用是不一样 的，前腿向头部上方凸出，主要用于爬越障碍物，中间的腿主要用于直线行走，后腿除了保 持与前腿的节奏外，还起到转向作用。
[0003] 中国专利申请号201010133732.X，公开日2010年10月6日的专利文件，公开了一种 基于双四连杆机构的仿生六肢昆虫机器人，该机器人包括有六组结构相同的足，W及将所 述的足连接在一起的上、下连板。所述足的构形采用双四连杆机构，由=个舱机驱动双四连 杆机构来分别模拟六肢昆虫的髓关节、大腿关节和小腿关节运动。该发明设计的仿生六肢 昆虫机器人采用=角步态方式行进，从而实现该机器人的=角步态运动。为了增加机器人 的承载能力，同时能够将=个舱机放置于所述的足上用W改善整个机器人的刚性和稳定 性，该发明将平面四杆机构用于腿构形的设计中，能够实现力和运动的放大，降低对舱机驱 动能力的要求，提高机器人的负载能力。从仿生学角度看，采用多连杆结构设计仿生六肢昆 虫机器人具有合理性。但该发明只是依据六肢昆虫的行走特点模拟仿生六肢昆虫机器人， 该仿生六肢昆虫机器人虽然能按照六肢昆虫的爬行特点进行运动，但研究重点侧重于控制 和模拟;六肢昆虫是世界上最快的爬行昆虫，其速度之快让人难W想象，而运一凸出特点W 及六肢昆虫的运动规律该发明没能反映。
[0004]由于六肢昆虫机器人是一种多支链运动机构，其驱动关节数大于运动自由度，因 此其运动学分析较为复杂。尽管国内有部分学者对六肢昆虫机器人等六肢昆虫机器人的运 动进机制及行走算法控制等进行了研究，但其研究与六肢昆虫实际运动规律存在一定差 距，所W还不能制造出能够克服恶劣环境而进行抗震救灾、捜索救援、外星探索、W及军事 等领域的仿生六肢昆虫机器人。
【发明内容】
[0005] 1、要解决的问题
[0006]针对现有六肢昆虫运动方式不明确，依据现有技术不能制造出适应路况差等恶劣 环境的高仿生六肢昆虫机器人的问题，本发明提供一种六肢昆虫运动方式确定方法、仿生 六肢昆虫机器人及其使用方法，能精确地确定六肢昆虫的运动方式，制造出能够适应抗震 救灾等恶劣环境的仿生六肢昆虫机器人。
[0007] 2、技术方案
[0008]为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
[0009] -种仿生六肢昆虫机器人，包括本体和肢体，所述的肢体包括一对前肢、一对中肢 和一对后肢，所述的一对前肢分别对称设置在本体前端的两侧，所述的一对中肢分别对称 设置在本体中部的两侧，所述的一对后肢分别对称设置在本体后端的两侧，所述的前肢、中 肢、后肢的长度分别为Li、L2、L3，贝恪长度之间的关系满足L2 = 1~1.3Li，L3 = 1.1~1.3化2; 所述的本体上设有控制元件;所述的肢体上设有执行元件;所述的执行元件与控制元件相 连;所述的控制元件包括一个信号接收器。
[0010] 优选地，所述的前肢、中肢和后肢均包括大臂、中臂和小臂;所述的大臂与本体连 接;所述的中臂与大臂连接;所述的小臂与中臂连接。
[0011]优选地，所述的大臂长度为Si、中臂长度为S2、小臂长度为S3,则各长度满足关系S2 = 3Si前，S3 = 4Si。
[0012]优选地，所述的大臂与本体之间的连接为活动范围0~30°的连接;所述的大臂和 中臂之间的连接、中臂和小臂之间的连接均为活动范围0~90°的连接。
[0013] -种仿生六肢昆虫机器人的使用方法，其步骤为：
[0014] 1)使用前准备，启动机器人控制电源，将控制元件初始化，启动信号接收器，建立 控制元件与计算机的无线连接；
[0015] 2)运动准备，输入信号，限定各肢体大臂、中臂、小臂之间活动范围与时间的变化 关系：
[0016]前肢本体与大臂之间、大臂与中臂之间、中臂与小臂之间的活动范围随时间t的变 化关系分别是：
[0017] 011 = 0,目12 = 31/巧sin2(t)，目i3 = V巧sin2(t);
[001引其中011为前肢本体与大臂之间的夹角，012为前肢大臂与中臂之间的夹角，目13为前 肢中臂与小臂之间的夹角；
[0019]中肢本体与大臂之间、大臂与中臂之间、中臂与小臂之间的活动范围随时间t的变 化关系分别是：
[0020] 021=0,目22= V巧sin2(t+3i/6)，目23 = V巧sin2(t+3i/6);
[0021]其中02功中肢本体与大臂之间的夹角，022为中肢大臂与中臂之间的夹角，023为中 肢中臂与小臂之间的夹角；
[0022] 后肢本体与大臂之间、大臂与中臂之间、中臂与小臂之间的活动范围随时间t的变 化关系分别是：
[0023] 031 = 0,目32 = V巧sin2(t+3i/3)，目33 = V巧sin2(t+3i/3);
[0024]其中031为后肢本体与大臂之间的夹角，032为后肢大臂与中臂之间的夹角，033为后 肢中臂与小臂之间的夹角；
[0025]3)输入信号，控制各肢体大臂、中臂、小臂连接处按如下运动速度执行：
[0026]前肢；
[0027]本体与大臂连接处的角速度为
[002引 辞1=0，
[0029] 角加速度为
[0030] 句1=0.
[0031] 大臂与中臂连接处的角速度为
[0033] 角加速度为
[0034] 中:=批*cos(2〇.
[0035] 中臂与小臂连接处的角速度为
[0037] 角加速度为
[0038] 6>3=pi*c〇s(2t). ，：
[0039] 中肢：
[0040] 本体与大臂连接处的角速度为 [0041 ]巧 1=O
[0042] 角加速度为
[0043] 6||=0. >1
[0044] 大臂与中臂连接处的角速度为
[0046] 角加速度为
[0048]中臂与小臂连接处的角速度为
[0050] 角加速度为
[00对后肢：
[0053] 本体与大臂连接处的角速度为
[0054] 砖1=0，
[0055] 角加速度为
[0056] 巧,=0.
[0057]大臂与中臂连接处的角速度为
[0059]角加速度为
[0061]中臂与小臂连接处的角速度为
[0063]角加速度为
[0065]其中t的初始值为0;
[0066] 4)断开机器人控制电源，运动停止。
[0067] -种六肢昆虫运动方式确定方法，其步骤为：
[0068] 1)数据采集，采集六肢昆虫肢体静态数据和运动过程中的运动数据，并依照该静 态数据和运动数据制作六肢昆虫模型；
[0069] 2)根据步骤1)中所采集的静态数据和运动数据计算模型中大臂与本体、中臂与大 臂、小臂与中臂之间的位置关系，并最终得到小臂端点相对于本体的动态位置，用第一坐标 公式表示；
[0070] 3)将步骤2)中根据静态数据和运动数据得到的第一坐标公式对时间求导，并结合 雅可比矩阵求解和变换得到六肢昆虫肢体运动过程中的线速度、角速度矢量公式和加速度 公式；
[0071] 4)将步骤1)中采集的六肢昆虫肢体静态数据和步骤3)中得到的六肢昆虫肢体运 动过程中线速度、角速度矢量和加速度输入计算机进行仿真分析，与六肢昆虫实际运动方 式相比较，初步验证仿生六肢昆虫的运动方式；
[0072] 5)设定六肢昆虫肢体大臂与本体、中臂与大臂、小臂与中臂连接处随时间的变化 关系，并结合上述步骤中得到的运动参数，输入计算机进行仿真分析，验证确定六肢昆虫运 动方式。
[0073]优选地，步骤1)中所述的静态数据为六肢昆虫肢体与本体的位置关系W及大臂、 中臂、小臂之间的长度比例关系。
[0074] 优选地，步骤2)中所述的运动数据为大臂相对于本体、中臂相对于大臂、小臂相对 于中臂的活动范围和角度。
[0075]优选地，步骤2)中所述的大臂与本体、中臂与大臂、小臂与中臂之间的位置关系通 过在本体质屯、、大臂与中臂连接点、中臂与小臂连接点、小臂端点四点建立S维坐标系，再 用各点的坐标值表示;求解各坐标值的关系，得到小臂端点相对于本体的动态位置。
[0076]优选地，步骤4)中仿真分析采用的工具为MATLAB软件。
[0077] 3、有益效果
[0078] 相比于现