引言
对于足式机器人系统而言，早期研究大多是在 确定的环境中开展的，并且已经取得了大量的研究 和应用成果M】。然而，随着人们对机器人智能需求 的不断提高，在不确定环境下的足式机器人控制技 术成为研究的主流n 81。
自然界中的昆虫具有很强的环境适应性，可以 对环境的改变和各种刺激做出快速准确的反应。
1984年加拿大的Pearson教授昆虫的这种环境适应 性定义为反射[9】，并一直沿用至今[10-121。目前国内外 在昆虫步态特点和反射特性实验方面的研究成果十 分罕见。
为了得到有利于提高仿生六足机器人环境适应 性和自主性的反射控制策略，本文通过对典型的六 足昆虫——竹节虫和螽斯越障行为的实验研究，深 入了解六足昆虫的步态特点和反射特性，为得到适 应六足机器人反射控制的算法提供基础。
1实验材料
1．1实验对象 实验采用
的昆虫是竹节
虫中的东方叶 憔。该虫属于 昆虫纲有翅亚
图1实验昆虫 纲棒候科，主
要分布在热带和亚热带地区，在国内多在湖北、云
南、贵州等省。该虫为褐色，身体修长似竹节，为大
型昆虫，该虫体长一般在50～100毫米，如图l所示。 为了增强实验结果的适用性，实验用竹节虫雄虫10只。
1．2高速摄像系统 为了准确把握昆虫灵活的行走特性和精确的越障
步态，本实验采用了加拿大mage speed公司生产的 MS50K型号的高速摄像系统进行观察，该系统能以
5000帧／s的最高速率采集并无损保存，多种拍摄触发 方式使得能较方便地捕捉事件瞬间变化的细节信息。
1．3拍摄光源 由于高速摄像系统采集的图像为黑白色，为了使
实验拍摄效果更加理想，我们选择了105w黄色节能
灯两只作为光源。因为：第一，黑白相机对钠光的吸 收比较多，黄光下拍摄效果更清晰；第二，节能灯功 率较小，以避免光源的高温对昆虫的运动产生影响。
1．4光学玻璃 为了更好的进行后期的图像识别和分析，实验采
用光学玻璃片作为实验背景，是拍摄图像更加清晰。
1．5有机玻璃 为了能使昆虫按照实验要求直线行走，根据竹
节虫的尺寸选择70 X 200mm的有机玻璃板两块作
为行走通道，以控制其行走方向。
2实验方案
该实验搭建了如图2所示的生物实验系统，在 两个相互垂直的轴向上各安置l台高速摄像机，在
图2实验系统示意图
两轴的焦点的 正下方放置实 验平台及实验 用昆虫。
经过多次 尝试和实验发 现，当拍摄图片 分辨率为1280
X 1020，拍摄速
的关节角度变 化。图a中从点
26为该腿开始 抬起，到点50落 下，为一个完整 的抬腿过程，周 期约为0．24s， 步幅为46mm±
2mm，运动速度
黠藤瓣
a) b) c)
图3昆虫步态示意图
度为100帧／s时获得的实验结果较为理想。 实验分为两大部分。 第一部分，两台摄像机同时启动，拍摄昆虫以
正常步态行走在不同速度的传送带上的全过程，用 以与反射现象进行对比，然后将各帧图像再以BMP 格式保存，便于后期进行比对分析。
第二部分，两台摄像机同时启动，让昆虫以沿 直线正常行走，在行走通道上分别设置不同宽度的 沟渠等障碍，然后将各帧图像再以BMP格式保存， 便于后期进行比对分析。
3实验结果分析
实验典型样本(n=1 0)中的竹节虫体长约为
65mm±3mm，腿部长度(前腿：55mm±2mm；中 腿：37mm±2mm；后腿：46mm±2mm，腿部长 度不包括被动关节的长度)。
从图3中可以观察到昆虫在一个步行周期内六
足的位姿变化，可以发现，昆虫有三种步态。第一 种，以足Ll，L2，L3，R3，R2，R1为顺序交替前进， 称为顺序步态，如图4中a所示；第二种，以足Ll， R2为一组，足L2，R3为一组，足L3，R1为一组， 以“对角”的步态交替前进，成为对角步态，如图4 中b所示；第三种，以足Ll，L3，R2为一组，足L2， R1，R3为一组，以“三角形”的步态交替前进，称 为三角步态，如图3中C所示，与文献[13]描述一致。 图4为昆虫的一条腿部的2个关节。实验中，昆 虫关节1((p)有两个自由度，分别绕图示垂直于平面 的轴线(y轴)和垂直方向的轴线(Z轴)转动；关节
2(Y)有一个自由度，绕Y轴转动。简化关节1，将 其分为两个关节(仅和13)的转动，可以得到如下模 型，图示0c，p，Y分别绕Z轴，Y轴，Y轴转动。
根据实验，得到在正常运动的过程中，竹节虫
各个关节角的变化如图所示。 如图6为竹节虫正常运动中，前腿在不同时刻三
为3 8mm／S± lmm／s。图b中 从点15为该腿 开始抬起，到 点40落下，周 期约为0．25S， 步幅为3 2 mm
±2mm，运动 速度为16rnnds
±lmm／s。
图4昆虫实际关节示意图
图5简化的关节模型
个关节角度的变化，图a与b分别显示不同采样个体
图6正常运动中关节角变化曲线
在运动过程中，当昆虫遇到沟渠等障碍时，腿
部会产生搜索行为，称为搜索反射。图7为竹节虫 直线行走时的搜索反射行为。
图8高速运动过程中的搜索反射
明，该变化与昆虫运动神经细胞的兴奋程度也存在 一定关系，由于目前实验条件的限制，可以近似的 认为，搜索的频率和幅值与昆虫的运动速度成正比。 如图8所示，为昆虫在快速运动的情况下发生反射， 得到的三个关节角的运动曲线。
4结论
【b)
图7运动过程中的搜索反射
如图7为搜索反射过程中三个关节角的变化曲 线图。图a中，a关节角以约ls为一个周期进行循 环搜索，运动幅值约为20度，b与g关节角均以约
0．5s为一个周期进行运动，运动幅值分别约为40度
和20度。图b中，a关节角以约0．5s为一个周期进 行循环搜索，运动幅值约为20度，b与g关节角均 以约0．3s为一个周期进行运动，运动幅值分别约为(责任编辑：南粤论文中心)转贴于南粤论文中心: http://www.nylw.net(南粤论文中心__代写代发论文_毕业论文带写_广州职称论文代发_广州论文网）
