蝗蟲起跳運(yùn)動(dòng)分析及其仿生跳躍機(jī)構(gòu)研究.pdf

1、本論文研究工作依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于蝗蟲杠桿-彈射跳躍機(jī)理的仿生微跳躍機(jī)構(gòu)研究”（項(xiàng)目編號(hào):50975251），開展了蝗蟲跳躍機(jī)理及其仿生跳躍機(jī)構(gòu)研究。首先，通過高速攝像實(shí)驗(yàn)對(duì)蝗蟲的起跳階段進(jìn)行圖像采集與分析，獲取蝗蟲在起跳階段跳躍足運(yùn)動(dòng)參數(shù);其次，建立蝗蟲起跳階段平面剛體模型，基于蝗蟲跳躍實(shí)驗(yàn)的跳躍足運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到了蝗蟲在起跳階段的運(yùn)動(dòng)特征，并闡述了該運(yùn)動(dòng)特征所具有的優(yōu)勢(shì);再次，參考生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和蝗蟲運(yùn)動(dòng)特征，提出了

2、仿生跳躍足的設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工制作了仿蝗蟲跳躍機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和起跳階段實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了其起跳階段與蝗蟲的運(yùn)動(dòng)仿生相似性;隨后，對(duì)該跳躍機(jī)構(gòu)的跳躍性能進(jìn)行測(cè)試，分析影響其跳躍的因素，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的仿生跳躍機(jī)構(gòu)提高了能量利用率和跳躍高度。
　　第一章，主要闡述論文研究的背景與意義，介紹生物跳躍運(yùn)動(dòng)以及國內(nèi)外跳躍機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，提出論文的主要研究內(nèi)容和論文框架。
　　第二章，開展了蝗蟲跳躍機(jī)理的研

3、究。以中華稻蝗為研究對(duì)象，采用高速攝像技術(shù)對(duì)蝗蟲起跳階段進(jìn)行圖像采集，并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理，得到該階段蝗蟲跳躍足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的變化曲線，在此基礎(chǔ)上將蝗蟲簡化為平面連桿模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到蝗蟲質(zhì)心與跳躍足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，將提取出的跳躍足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角導(dǎo)入數(shù)學(xué)關(guān)系式得到蝗蟲在跳躍加速階段的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線，為仿生跳躍機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　第三章，針對(duì)蝗蟲跳躍足的特點(diǎn)以及蝗蟲在起跳階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，提出仿生跳躍機(jī)構(gòu)跳躍足的設(shè)計(jì)方

4、案，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出仿蝗蟲跳躍機(jī)構(gòu)。
　　第四章，針對(duì)仿生跳躍機(jī)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并用MATLAB對(duì)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解，得到仿生跳躍機(jī)構(gòu)在跳躍加速階段的運(yùn)動(dòng)特性曲線。并對(duì)該仿生跳躍機(jī)構(gòu)起跳階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，動(dòng)力學(xué)分析和跳躍樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該機(jī)構(gòu)具有與蝗蟲跳躍運(yùn)動(dòng)相似的運(yùn)動(dòng)曲線。
　　第五章，對(duì)跳躍機(jī)構(gòu)的跳躍運(yùn)動(dòng)全周期過程進(jìn)行圖像采集，分析其跳躍性能和存在的缺陷，為了使跳躍機(jī)構(gòu)獲得更好的質(zhì)量分布和機(jī)