仿蝗虫机器人跳跃机理的实验研究及
运动形态的三维动态仿真∗
我眼中的缤纷世界作文陈勇，陈东辉，佟金，陈秉聪
吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室，长春 130025
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摘要：自然界中，不同种类的昆虫具有各自的跳跃特点，对不同场合使用的跳跃机器人的结构设计和步态研究具有重要的仿生学启示。运动行为的分析是机械系统运动学、动力学和结构强度分析的基本前提。生物体的运动特性研究对仿生机械的理论研究和开发实践具有重要的意义。以蝗虫跳跃状态为研究对象，分析了蝗虫的形态结构、运动步态和跳跃特征，提出了影响跳跃的主要因素，建立了仿蝗虫跳跃机器人的机构模型。利用虚拟样机技术，对仿蝗虫跳跃机器人进行了运动质量、加速度、角加速度的分析，研究了腿部与外部环境的作用关系。该方法为仿生机械的动力学研究、运动控制和实验研究提供了理论基础，为其他仿生机器人的研究提供了一种分析方法，可以达到缩短开发周期、降低开发成本、提高产品质量和增强竞争力的目的。
关键词：机器人；跳跃；蝗虫；运动形态；虚拟样机
中图分类号：TP24; TP391.9
0 引言
近二十年来，仿生机器人的研究一直是机器人领域一个非常活跃的方向。具有跳跃能力的机器人有很多优点：(1) 越障能力强，可以越过数倍于自身尺寸的障碍物；(2) 跳跃运动的突然性与爆发性，有助于机器人躲避危险；(3) 与爬行和步行运动方式结合，可以提高机器人的活动范围；(4) 在星际探索中，由于月球和火星表面重力加速度大大低于地球(火星38%，月球17%)[1]，跳跃运动能充分利用这个优势，节省运动能量和扩展活动空间。
1.5～2g重的蝗虫(Schistocerca gregaria)用9～11mJ的能量在30ms内能使其自身加速到3.2m/s，其最佳跳跃过程的加速度为重力加速度的19倍，而昆虫用于驱动肌肉组织的质量仅仅为其躯体总质量的4-5%[2-4]。蝗虫在运动中所表现出的驱动能量效率是巨大的。因此，通过对蝗虫跳跃过程的研究，并将研究成果用于跳跃机器人的开发，对促进跳跃机器人技术的成熟与发展有着重要的现实意义。
虚拟样机技术利用仿真软件建立系统的数字化模型，通过CAD/CAM/CAE以及VR等技术将产品信息集成到可视化虚拟环境，在实际制造前进行产品的仿真、分析与优化[5]。在机器人研究中，利用虚拟样机技术可使研究者从繁重的计算过程中解脱出来，将精力投入到机械
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∗国家杰出青年科学基金资助项目(编号50025516)，高等学校博士学科点专向科研基金资助项目(编号20010183024)和吉林大学研究生创新基金资助项目
陈 勇男 1979年生 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 博士生
陈东辉男 1961年生 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 副教授 硕士生导师
佟 金男 1957年生 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 长江学者特聘教授 博士生导师
陈秉聪男 1921年生 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 中国工程院院士 博士生导师心静的句子
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系统的分析与优化过程，为机器人研究提供一种分析手段，能够缩短开发周期、降低开发成本、提高产品质量和增强竞争力。
1 蝗虫跳跃形态的实验研究
1.1 蝗虫的形态特点
蝗虫属于直翅目(Orthoptera )。它们一般都有两对大而长的翅膀；身体由多体节构成，分成头部、胸部和腹部；胸部由三节组成，前、中、后胸各生有一对足，分别称为前足(fore leg)、中足(middle leg)和后足(hind leg)，前、中足适于步行，后足特别发达，善于跳跃。胸足由6个节段组成，自躯体开始向足端依次是：基节(coxa)、转节(trochanter)、腿节(femur)、胫节(tibia)、跗节(tarsus) 和前跗节(pretarsus)，如图1所示[6]。
实验所用的蝗虫为黄胫小车蝗
伦敦南岸大学
(Oedaleus infernalis Saussure )的成虫，如图2所示。蝗虫采集于吉林省长春市郊区，采集时间为9月—10月，实验在温度27~30°C 的环境下进行。 1.2 蝗虫的跳跃形态 在实验中，将蝗虫放在一个顶部装有日光灯的透明玻璃箱中，玻璃箱尺寸为2000×800× 1500mm 。采用高速摄像机(FASTCAM-10K Model 500)进行拍摄，实验过程中拍摄频率为500fps 。蝗虫活体质量为0.31~0.35g (FA2004电子天平测得)，体长为25~32mm 。跳跃高度为100~620mm ，水平距离为150~730mm 。从拍摄的照片中，每隔1ms 提取一张，图3是蝗虫跳跃过程的几个典型图片。 图2. 实验所用的黄胫小车蝗 图1. 蝗虫胸足的形态
图3. 蝗虫的跳跃过程
1.3 蝗虫起跳过程腿部的变化
蝗虫的腿由三部分组成：第1、2部分为硬质结构，中间绞合连接；第3部分为特殊的柔性结构，可以发生弯曲变形，起跳时由曲变直。在起跳过程中，当第1、2部分都伸直后，第3部分的弯曲程度达到最大，然后第3部分逐渐完成由弯曲到伸直，直到离开接触面，如图4所示。
图4. 蝗虫起跳过程腿部的变化
在起跳过程中，腿的第1、2部分有显著的位移，但是没有发生变形，可以看作是围绕节点转动的刚体，起到了抬高身体的作用，并提供瞬时加速度。
蝗虫的中腿和后腿静止时柔性部分没有弯曲，在准备起跳时不断发生弯曲，在离开接触面的过程中弯曲部分逐渐伸直。弯曲过程中将能量储存为柔性变形，然后在伸直过程中释放出来，将身体推离接触面。
蝗虫在起跳阶段储存能量；在腾空阶段释放能量，将弹性能转化为势能和动能；在腾空的下降阶段和着地的压缩阶段，部分动能和势能转化为弹性能。蝗虫在跳跃过程中很好地进行了能量的转化和平衡，使得起跳迅速、腾空持久、落地稳定。
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2 虚拟样机技术
虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术[7]。
图5. 机械系统虚拟样机设计流程
机械系统虚拟样机设计流程如图5所示：首先建立实体虚拟样机模型，然后对模型进行包含静力学、运动学和动力学的仿真试验，再现运动过程，预测整体性能，修改设计缺陷，直至获得最优的设计方案，最后设计物理样机。这样就能最大限度地减少对物理样机的试验次数，也避免了对物理样机不必要的损伤。
同传统的设计方法相比，虚拟样机技术具有以下特点：在设计早期确定关键的设计参数、更新产品开发过程、安全可靠而且可多次重复试验，从而达到了缩短开发周期、降低成本、提高产品质量和增强竞争力的目的。
3 仿蝗虫机器人跳跃过程的研究
图6.仿真结构框图才思敏捷的意思
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3.1 虚拟样机模型的建立
由于虚拟样机技术在进行运动学、动力学求解时，只考虑零件的质心和质量，而对零件的外部形状不予考虑[8]。因此，要对蝗虫的形态结构进行适当的简化：
(1) 头部和躯体紧密相连，简化为一个整体。
(2) 躯体与基节以关节相连，用机构学上的球副来约束，等效实现二者的相对运动。
1024性(3) 基节与转节用转动副来约束。
(4) 转节与腿节紧密相连而不活动，简化为一个节段。
(5) 腿节与胫节之间的连接简化为铰链，用转动副来约束。
(6) 跗节和前跗节对整体运动影响较小，可以忽略不计，将跗节、前跗节和胫节简化为一个节段。
根据蝗虫的实际形态结构，按照简化原则，建立了仿蝗虫跳跃机器人虚拟样机模型，如图7所示。这样不仅节省了大量的建模时间，也保证了仿真分析能够顺利进行。
图7. 仿蝗虫机器人虚拟样机模型
建模时假定：(1) 各部件为刚体；(2) 在跳跃一瞬间各个足与地面没有相对滑动；(3) 忽略关节摩擦。
3.2 运动特性的分析
蝗虫的运动都是通过关节来实现的，因此研究和设计各个关节的运动，对于仿蝗虫跳跃机器人的运动
模型来说是十分重要的，其中最关键的是分析各个关节的自由度、相应的运动幅度以及多个关节之间的约束运动。
一般来说，机构自由度的多少决定了机构运动形式的种类。仿蝗虫跳跃机器人的自由度很多，但其主导运动是腿部的运动，其他的运动(如头部运动)是辅助运动。各种形式的复杂运动均可由一种或若干种基本运动组合而成。仿蝗虫机器人运动学仿真流程如图8所示。
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3.3 动态仿真分析
图
9是仿蝗虫机器人虚拟样机模型跳跃形态的动态仿真过程，白色曲线是机器人躯体质心的运动轨迹。整个动态仿真过程，进行了运动分析和行为再现，直观地描述了跳跃过程中结构动力学参数的变化过程。
从图10可以看出：仿蝗虫机器人前腿腿节的位移最大，后腿胫节的位移最小。当后腿胫节和后腿腿节达到一定角度后就不再进行大幅度转动，而是和后腿腿节保持同样的速度运动，这一点从速度图（图11）也可以清楚地看出。
图11. 仿蝗虫机器人腿部的速度图图12. 仿蝗虫机器人腿部的加速度图
图10. 仿蝗虫机器人腿部的位移图
图9. 跳跃形态的动态仿真过程
图8. 运动学仿真的工作流程图
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