论文摘要
仿生多足机器人广泛应用于灾害救援、军事侦察、深空探测、交通运输等领域，研制仿生多足机器人的灵感来源于自然界中的多足动物，这也是仿生学研究的基础。中华绒螯蟹是一种具有优秀运动能力的节肢动物，可进行长距离迁徙至河口进行繁殖或洄游，因此中华绒螯蟹不仅对复杂地面环境具有良好的适应性，而且具有多栖性，对中华绒螯蟹运动特性的研究可为仿蟹机器人的研制提供仿生原型和理论基础。此外，中华绒螯蟹还具备优秀的挖掘能力，其所使用的主要工具是两只螯，对螯结构的研究可改进触土部件的切削能力并且提高其使用寿命；对中华绒螯蟹挖掘动作的研究也可为仿生挖掘机器人的研究提供仿生学依据。为了定量分析被试地面的不平度，研制基于激光测距仪测量地面不平度的专用装置，采集6种规格石英砂所铺设的不平地面的离散形貌样本数据，使用平均粒径作为每种规格石英砂的量度，经韦尔奇法得到每种不平地面的空间自功率谱密度函数并绘制空间自功率谱密度函数曲线。结果表明，随着石英砂平均粒径的增加，空间自功率谱密度函数曲线的峰值增加，空间自功率谱密度函数曲线与频率轴所围成的面积增加，表明不平地面所包含的能量增加。在此基础上提出了地面能量作为衡量地面不平度的一个指标，与表面不平度标准差（RMS高度）比较后表明，地面能量与RMS高度具有强相关性，说明使用地面能量定量评价地面不平度是可行的。提出使用相互平行直线方程拟合双对数坐标系中空间自功率谱密度曲线评价地面不平度的方法。统计结果表明，随着平均粒径的增大，拟合直线方程的截距增大。由RMS高度和平均粒径相关性结论，可以得出随着拟合直线的截距增大，地面不平度越来越大，说明在双对数坐标系中对空间自功率谱密度曲线进行直线拟合，通过分析拟合直线之间的相对位置和直线截距来评估地面不平度是可靠的。使用三维运动图像系统捕捉中华绒螯蟹平面运动图像，通过逐帧法对中华绒螯蟹的步态进行分析，结果表明中华绒螯蟹在平面上行走时使用交替四角步法，L-步足组的平均负荷因数大于R-步足组，表明L-步足组与地面相互作用产生拉力时间大于R-步足组与地面作用产生推力时间，跨步频率随平均速率的增加而增长。使用三维运动分析软件对所采集的运动图像进行解析，得到中华绒螯蟹质心运动学参数。对运动学参数分析结果表明随着中华绒螯蟹质量增加，平均速率呈非线性减小。中华绒螯蟹在平面运动时以跳跃步态为主；除跳跃步态外，中华绒螯蟹偶然使用倒立摆步态；恢复系数与其平均速率没有相关关系，且恢复系数较低。质心机械能比质量功率随着平均速率增加呈线性增长；在Heglund N C总结的质心机械能比质量功率与平均速率关系公式基础上，引入中华绒螯蟹质心总机械能比质量功率后对该公式再次进行总结。质心水平动能比质量功率和质心重力势能比质量功率分别是质心总动能比质量功率和总机械能比质量功率的主要组成部分，分别在加速和抬升中华绒螯蟹身体时起主要作用。采集中华绒螯蟹在5种地面（包括1种平面和4种不平地面）上的运动图像，使用逐帧法对图形进行分析，结果表明随着地面不平度的增加，中华绒螯蟹的步法由交替的四角步态逐渐转变为无规律步法，L-步足组的平均负荷因数大于R-步足组的平均负荷因数，表明L-步足组与地面接触的时间大于R-步足组与地面接触的时间。L-步足组在5种地面上的平均负荷因数基本相同；而对于T-步足组，在4种不平地面上的平均负荷因数大于其在平面上的平均负荷因数。对于5种地面，L-2和L-3步足的平均负荷因数分别大于T-2和T-3步足，表明L-2和L-3步足在中华绒螯蟹运动中主要产生拉力并且用于探知其运动方向的地面环境。在不平路面运动时，中华绒螯蟹平均速率均小于其在平面运动的平均速率。个体总质量小于61.99g的中华绒螯蟹，平均速率随个体总质量的增加而减小；对于个体总质量大于61.99g的中华绒螯蟹，其运动的平均速率随个体总质量增加而增加。中华绒螯蟹在5种地面上运动时使用两种基本的机械能转换形式，即跳跃步态和倒立摆步态。其中跳跃步态为主要的机械能转换形式，中华绒螯蟹为适应复杂的地面环境偶尔使用倒立摆步态。质心水平动能决定了质心总动能的波动；质心重力势能决定了质心总机械能的波动。质心总机械能比质量功率随平均速率的增加呈线性增长，并且其质心总机械能比质量功率随陈代谢比质量功率的增加而增加，表明中华绒螯蟹运动时的机械能主要来自于新陈代谢所产生的能量。使用形态学的方法对中华绒螯蟹的身体结构进行分析。结果表明，中华绒螯蟹身体各部分的质量、长度都随个体总质量的增加而增加。对于螯足，座节的质量最小，螯的质量最大；基节的长度最短，螯的长度最长。对于步足，指节的质量最小，长节的质量最大；基节的长度相最短，长节的长度最长。配对t检验表明中华绒螯蟹的身体结构呈双侧对称性。建立了螯足、步足和躯干的简化物理模型，并对螯足、步足、躯干的简化模型的转动惯量进行计算。结果表明，螯足的基节转动惯量最小，螯的转动惯量最大；L-2步足和L-3步足的长节的转动惯量明显大于L-1步足和L-4步足的长节；L-2步足和L-3步足的其他节的转动惯量与L-1步足和L-4步足其他节的转动惯量基本一致。使用D-H法建立了步足摆动相和支撑相下正逆运动学方程，使用拉格朗日法建立了步足摆动相和支撑相下正逆动力学方程。