跳躍昆蟲的運動仿生與感知仿生研究.pdf

1、本課題主要以微小型跳躍機器人為對象進(jìn)行了運動與感知仿生研究。首先,通過高速攝像實驗對昆蟲跳躍運動的全過程進(jìn)行生物學(xué)觀察與分析,提取相應(yīng)的運動力學(xué)參數(shù)與特征,為微小型跳躍機器人的運動仿生研究提供生物學(xué)參考依據(jù);其次,以生物相似性為前提,建立昆蟲跳躍足的理論模型,利用理論分析結(jié)果,從生物進(jìn)化及結(jié)構(gòu)受力的角度對昆蟲運動特征及動力學(xué)優(yōu)化方式進(jìn)行解釋,為隨后的運動仿生研究奠定理論基礎(chǔ);再次,參考生物學(xué)實驗與理論分析結(jié)論,提出人工跳躍足的仿生設(shè)計方

2、法,以此為基礎(chǔ)發(fā)展微小型仿生跳躍機器人樣機,并通過多體動力學(xué)分析以及實驗測量,對跳躍機器人樣機的性能與運動特征進(jìn)行測試與分析,通過對比跳躍昆蟲與跳躍機器人在運動方式上的仿生相似性,證明運動仿生結(jié)構(gòu)對于跳躍動力學(xué)優(yōu)化的有效性;隨后,針對仿生跳躍機器人的控制需求,以跳躍昆蟲的纖毛感受機制為對象,開展了跳躍昆蟲的感知仿生研究,為突破現(xiàn)有制造方法的限制,獲得更加敏感且適于微小型機器人的人工感受器結(jié)構(gòu),提出敏感纖毛結(jié)構(gòu)的熱成型拉伸制備方法,并通過

3、理論分析與實驗修正相結(jié)合的方式對這一制備過程進(jìn)行研究;最后,以三維微納操控技術(shù)為基礎(chǔ),以拉伸擬合模型為指導(dǎo),設(shè)計并制備基于PVDF壓電材料的人工纖毛感受器陣列,并測試其對外界擾動的響應(yīng)能力。
　　 本課題的主要研究工作如下:
　　 1、跳躍昆蟲的生物學(xué)研究。基于高速攝像技術(shù)與圖像分析方法,獲得葉蟬跳躍加速過程中的腿部運動與身體加速特征,提取相應(yīng)的運動與力學(xué)參數(shù),用于分析并研究昆蟲跳躍加速的全周期過程和動力學(xué)優(yōu)化方式;

4、r>　　 2、跳躍運動理論模型研究。針對葉蟬跳躍足的彈射跳躍結(jié)構(gòu)建立跳躍理論模型,得到描述跳躍加速過程的微分表達(dá)式,通過對比分析不同的跳躍足結(jié)構(gòu)比例,得到彈射跳躍運動下跳躍足結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法;
　　 3、仿生跳躍機器人設(shè)計。利用跳躍運動方式所具有的高效性、高環(huán)保性以及對于微小型機器人的高適用性,參考生物結(jié)構(gòu)與理論分析結(jié)果,進(jìn)行仿生跳躍機器人的跳躍足優(yōu)化,驅(qū)動與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、穩(wěn)定性優(yōu)化等方面研究,發(fā)展以連續(xù)跳躍為主要步態(tài)的跳躍