第二章 仿生甲虫可重构机器人结构设计
2.1 引言
机构设计是仿生甲虫可重构机器人系统设计的基础，整机机械结构的好坏直接影响机器人的运动和动力性能。仿生甲虫可重构机器人的机构设计主要包括机器人躯体的机构设计、腿部的机构设计和可重构模块的设计。论文在对甲虫机构简化的基础上，确定了仿生甲虫可重构机器人的结构框架，并以可重构为目标进行了结构优化。
2.2 甲虫的结构特点
课题主要研究的是仿生甲虫可重构机器人，设计的初衷是模拟六足纲昆虫的结构特点和运动特征，并在其基础上进行适当的结构变型，使所研制的机器人达到装拆方便、运动灵活和高效稳定的目的。基于上述原则，课题选择甲虫作为仿生的实验对象。甲虫，鞘翅目昆虫的统称，身体外部有硬壳，前翅是角质，厚而硬，后翅是膜质，如金龟子、天牛、象鼻虫等。甲虫的结构如图 2.1 所示。甲虫和其它的昆虫一样，身体分头、胸、腹三部。头部有触角 1 对（极少数无触角）；胸部由前胸、中胸、后胸三节组成，每节腹面两侧各生腿一对，由根、基、髋、股、膝、胫、跗六节和足组成，中胸和后胸节可有翅各一对。腹部除末端数节外，附肢多退化或无。
甲虫具有良好的负载能力和高速静稳定行走能力，尤其在复杂的地势环境中它们拥有出色的运动能力。这一切优点都要归功于甲虫的六条腿。甲虫的腿部构造如图 2.2 所示，基节、股节和胫节三部分分别绕着根关节、髋关节和膝关节做单自由度旋转运动，属于一个 RRRS 型开链机构。
2.3 仿生甲虫可重构机器人模型的建立
2.3.1 机构模型及其自由度
仿生甲虫可重构机器人是由机体和 6 条腿组成，机体是一个规则平台，每条腿通过根关节与机体相连。机器人的步行腿由根关节机构、髋关节机构、膝关节机构和足机构组成。在正常的行走条件下，各支撑腿与地面的接触存在摩擦和打滑，可以简化成点接触，相当于一个球铰，具有三个自由度，再加上根关节、髋关节和膝关节三个转动关节，每条腿有6 个自由度[41]。腿上的主动关节都由电机驱动。由于机器人的结构对称，因此设计时将机器人的结构重心与其几何中心尽可能重合。仿生甲虫可重构机器人的模型在行走时，相当于一个并联机构，它们的本质区别在于仿生甲虫可重构机器人涉及冗余驱动的情况[42]。设任一时刻处于支撑相的腿数为 n(n≤6)，则此时模型为具有 n 个分支的空间多环并联机构，其自由度可由下式计算[43]：
第二章 仿生甲虫可重构机器人结构............................... 10
2.1 引言 ................................................................... 10
2.2 甲虫的结构................................. 10
2.3 仿生甲虫可重构机器人模型.................................... 10
2.4 仿生甲虫可重构机器人机构......................... 17
第三章 仿生甲虫可重构机器人步态......................................... 21
3.1 引言 .................................... 21
3.2 步态的相关定义 ..................................... 21
3.3 仿生甲虫可重构机器人典型步态.................................. 22
第四章 仿生甲虫可重构机器人运动学........................ 33
4.1 引言 ................................................................... 33
4.2 仿生甲虫可重构机器人........................................ 33
第七章 结论与展望
7.1 引言
课题的研究是基于南京林业大学引进高层次人才和高层次留学回国人员科研基金项目“多功能移动智能机器人系统实现的研究”(G2003-01)课题展开的。既是 2009 年度江苏省研究生科研创新计划“六足减灾救援仿生机器人虚拟样机研究”(CX09S-012Z)的延伸，同时也是 2011 年度江苏省研究生科研创新计划“仿生甲虫可重构机器人控制系统研究”(CXLX11-0524)的前期基础。仿生甲虫可重构机器人的研究对在非结构化环境或未知环境中执行特殊任务如空间及海底探索、军事侦察、核电站检修、灾难救援等具有重要的理论价值和实际意义。
7.2 作者的工作
论文的研究工作主要集中在仿生甲虫可重构机器人的机构建模以及仿真两个方面，同时也适当地进行了一些仿生甲虫可重构机器人运动学和动力学分析。具体完成了以下几方面的工作：
（1）阐述了课题来源、研究目的及意义，详细分析了国内外可重构机器人以及仿生多足机器人的研究发展现状，给出了论文研究的主要内容。
（2）基于六足甲虫的身体结构特征，运用机器人机构学、仿生机器人设计方法等，确定仿生甲虫可重构机器人组成单元的自由度和关节尺寸，设计可重构模块单元，利用三维实体设计软件 SOLIDWORKS 构建出仿生甲虫可重构机器人完整的物理模型。
（3）根据甲虫的运动特点，设计出了仿生甲虫可重构机器人在六足模式和四足模式时直走以及定点转弯的步态，为仿生甲虫可重构机器人实现稳定的步行行走奠定基础。
（4）综合运用串、并联机构理论，对仿生甲虫可重构机器人的机构进行分析，获得仿生甲虫可重构机器人步行行走时完整的运动学、动力学模型。同时利用理论力学中的运动学方法和力的动态平衡法得到仿生甲虫可重构机器人四轮滚动时运动学和动力学模型。
（5）利用三维实体设计软件SOLIDWORKS和机械系统动力学仿真软件ADAMS联合构建出复杂环境特征以及完整的仿生甲虫可重构机器人仿真模型，得到一系列仿真数据，为仿生甲虫可重构机器人物理样机的研究以及机构的优化提供了一定的理论依据。
参考文献
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