蝗虫起跳的运动力学及仿生跳跃机器人

摘要

蝗虫拥有过人的跳跃能力，对其跳跃运动行为和力学的研究不仅可以加深我们对于自然界中昆虫跳跃机制的理解，还能进一步启发跳跃机器人的研发和改进，从而提高仿生机器人的越障能力。 过去的研究主要着重蝗虫在单一表面起跳的运动力学，没有从起跳表面的粗糙程度等客观因素的影响分析蝗虫起跳机制。本文的目的是以蝗虫为仿生研究对象，建立相关模型，揭示蝗虫在起跳过程中的身体和腿部运动力学变化机制。为此，本文进行了蝗虫在不同粗糙度的固体表面和跨介质的出水起跳实验，并研制了仿蝗虫跳跃机器人。 通过实验获得了蝗虫起跳瞬间的运动学及力学数据。本文基于粗糙表面和光滑表面起跳的数据进行了对比分析，并建立钩爪模型，讨论了起跳表面颗粒对蝗虫起跳机理的影响以及腿脚关节处钩爪与脚掌垫的协同作用方式。结果发现，蝗虫在地面起跳时粗糙表面最大法向力相对于光滑表面增大而轴向力和侧向力最大值均减小，且不同的粗糙表面对蝗虫关节的协同作用时间、侧向力偏角和仰角均有影响。 通过蝗虫在出水起跳的实验数据，研究了蝗虫出水时所受阻力和起跳瞬间的运动方式与地面的异同，建立相应的力学模型分析瞬间受力状态，计算了蝗虫在起跳瞬间从水面获得的推力，突破水的粘滞阻力，从而完成起跳动作。结果显示，蝗虫出水所受阻力与其自身重量成正比；出水瞬间两条后腿分步蹬出，先行蹬出的后腿使得蝗虫获得出水仰角，之后另一条后腿蹬出使得蝗虫获得最大的出水速度，且跳跃左右方向幅度的大小主要受后一次蹬出的后腿影响；出水起跳时关节不是同时运动，且变化角度与地面起跳时关节角变化相比存在显著差异。通过计算发现跗节在水面运动轨迹为一条分段曲线。 通过对蝗虫蹬腿跳跃方式的模拟，研制一种新型的可实现连续跳跃的跳跃机器人。在研究起跳过程中能量转换机制的基础上，设计了扭簧弹跳机构。扭簧在减速电机和机身轨道的共同作用下完成连续的腿部收缩和起跳过程，同时可以实现稳定着陆以保证多次跳跃。通过设计黏附垫与钩爪共同作用的仿生跳跃底座结构，进一步增强跳跃机器人在不同表面起跳的适应能力。

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