跳跃昆虫的运动仿生与感知仿生研究

摘要

本课题主要以微小型跳跃机器人为对象进行了运动与感知仿生研究。首先,通过高速摄像实验对昆虫跳跃运动的全过程进行生物学观察与分析,提取相应的运动力学参数与特征,为微小型跳跃机器人的运动仿生研究提供生物学参考依据;其次,以生物相似性为前提,建立昆虫跳跃足的理论模型,利用理论分析结果,从生物进化及结构受力的角度对昆虫运动特征及动力学优化方式进行解释,为随后的运动仿生研究奠定理论基础;再次,参考生物学实验与理论分析结论,提出人工跳跃足的仿生设计方法,以此为基础发展微小型仿生跳跃机器人样机,并通过多体动力学分析以及实验测量,对跳跃机器人样机的性能与运动特征进行测试与分析,通过对比跳跃昆虫与跳跃机器人在运动方式上的仿生相似性,证明运动仿生结构对于跳跃动力学优化的有效性;随后,针对仿生跳跃机器人的控制需求,以跳跃昆虫的纤毛感受机制为对象,开展了跳跃昆虫的感知仿生研究,为突破现有制造方法的限制,获得更加敏感且适于微小型机器人的人工感受器结构,提出敏感纤毛结构的热成型拉伸制备方法,并通过理论分析与实验修正相结合的方式对这一制备过程进行研究;最后,以三维微纳操控技术为基础,以拉伸拟合模型为指导,设计并制备基于PVDF压电材料的人工纤毛感受器阵列,并测试其对外界扰动的响应能力。
　　 本课题的主要研究工作如下:
　　 1、跳跃昆虫的生物学研究。基于高速摄像技术与图像分析方法,获得叶蝉跳跃加速过程中的腿部运动与身体加速特征,提取相应的运动与力学参数,用于分析并研究昆虫跳跃加速的全周期过程和动力学优化方式;
　　 2、跳跃运动理论模型研究。针对叶蝉跳跃足的弹射跳跃结构建立跳跃理论模型,得到描述跳跃加速过程的微分表达式,通过对比分析不同的跳跃足结构比例,得到弹射跳跃运动下跳跃足结构的优化设计方法;
　　 3、仿生跳跃机器人设计。利用跳跃运动方式所具有的高效性、高环保性以及对于微小型机器人的高适用性,参考生物结构与理论分析结果,进行仿生跳跃机器人的跳跃足优化,驱动与整体结构设计、稳定性优化等方面研究,发展以连续跳跃为主要步态的跳跃机器人样机;
　　 4、跳跃昆虫的感知仿生研究。针对仿生跳跃机器人的控制需求,以跳跃昆虫的纤毛感受机制为对象,开展了跳跃昆虫的感知仿生研究。基于三维定向微纳操作技术发展人工纤毛热成型拉伸制备方法,并通过理论分析、流体仿真与实验修正相结合的方法,对这一制备方法的工艺参数要求和人工纤毛结构的输出特性进行研究。以研究所得的修正模型为指导,设计并制备PVDF人工纤毛感受器,测试其对于外界扰动的响应特性。