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作者及研究机构
本研究由Santiago Arroyave-Tobon、Jordin Drapin、Pierre Moretto和Jean-Marc Linares共同完成。研究团队分别来自法国艾克斯-马赛大学（Aix Marseille Univ, CNRS, ISM）和图卢兹大学（Univ Toulouse, CRCA, CBI, UMR CNRS-UPS 5169）。研究发表于2023年的*Procedia CIRP*期刊，卷号为119，页码范围855-860。
学术背景
本研究属于生物启发设计（Bio-inspired Design）领域，具体聚焦于昆虫运动学的多体模型（Multibody Model）构建与分析。自然界中的生物系统在进化过程中形成了高效的运动和负载能力，这为工程学提供了丰富的设计灵感。蚂蚁（Messor barbarus）因其卓越的负载能力（能够搬运和拖拽超过自身重量12倍和35倍的物体）而成为研究的对象。研究的目标是通过构建蚂蚁外骨骼的运动学链（Kinematic Chain）模型，分析其运动学特性，为工业外骨骼等机械系统的设计提供参考。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
形态数据获取
研究使用微计算机断层扫描（Micro-computed Tomography, µ-CT）技术对一只工蚁（Messor barbarus）进行扫描，获取其身体各部位的三维模型。扫描设备为Zeiss Xradia 510 Versa 3D，扫描数据通过ITK-SNAP软件（版本3.6.0）进行分割，生成蚂蚁身体各部位的三维模型，包括头、胸、腹以及腿部的各个关节。模型以STL格式导出。
运动学链模型构建
基于文献和CT扫描数据，研究提出了蚂蚁外骨骼的拓扑结构模型。该模型由39个刚性段组成，包括头、胸、腹以及腿部的各个关节（如髋节、转节、股节等）。关节类型包括球节（Ball-and-socket Joint，3自由度）和枢轴节（Pivot Joint，1自由度）。
关节几何参数提取
通过三维模型，研究使用关节接触面的最佳拟合技术提取关节的几何参数。对于球节，计算关节接触面的最佳拟合球心；对于枢轴节，计算两个关节髁的最佳拟合球心，并通过球心定义旋转轴。
坐标系定义
为运动学仿真定义了地面坐标系和每个身体段的局部坐标系。地面坐标系基于重力方向和蚂蚁运动方向定义，局部坐标系则基于关节几何参数和身体段的解剖学特征定义。
计算模型构建
使用NMSBuilder软件将三维几何模型、运动学链拓扑结构和关节几何参数整合为多体模型。最终生成的可用于OpenSim仿真软件的数值模型。
运动学仿真
基于已发表的实验数据，进行逆运动学（Inverse Kinematics）仿真。仿真通过最小化实验标记点与虚拟模型标记点之间的加权最小二乘距离，估计模型各自由度的位置。仿真结果包括关节角度和均方根误差（Root Mean Square Error, RMSE）。
研究结果
研究的主要结果如下：
三维模型与运动学链
成功构建了蚂蚁外骨骼的三维几何模型和运动学链模型，模型包含39个刚性段和65个自由度。
关节几何参数
通过最佳拟合技术提取了关节的几何参数，包括球节中心和枢轴节旋转轴。
运动学仿真
逆运动学仿真结果表明，模型能够较好地复现蚂蚁的步态运动。仿真均方根误差为0.21毫米，占蚂蚁体长的3.2%。
关节角度数据
仿真提供了蚂蚁步态周期中各关节的角度变化数据，为六足机器人（Hexapod Robot）的设计提供了参考。
结论与意义
本研究通过构建蚂蚁外骨骼的多体模型，深入分析了其运动学特性。研究不仅为理解蚂蚁的运动机制提供了新的视角，还为工程学中的机械系统设计（如工业外骨骼和六足机器人）提供了重要的参考。此外，研究提出的基于几何分析的关节参数提取方法和多体模型构建流程，为小尺度生物运动学分析提供了新的技术手段。
研究亮点
1. 首次构建了Messor barbarus蚂蚁外骨骼的详细多体模型。
2. 提出了一种基于几何分析的关节参数提取方法，适用于小尺度生物的运动学分析。
3. 通过逆运动学仿真验证了模型的准确性，为六足机器人的设计提供了宝贵的数据。
其他有价值的内容
研究还指出，未来的工作可以进一步扩展为蚂蚁步态的动态分析，包括肌肉建模、质量与惯性参数估计以及地面反作用力的研究。这些研究将有助于理解蚂蚁在负载和运动中的高效机制。