蝗蟲起跳運動分析及其仿生跳躍機構(gòu)研究.pdf

1、本論文研究工作依托國家自然科學(xué)基金項目“基于蝗蟲杠桿-彈射跳躍機理的仿生微跳躍機構(gòu)研究”（項目編號:50975251），開展了蝗蟲跳躍機理及其仿生跳躍機構(gòu)研究。首先，通過高速攝像實驗對蝗蟲的起跳階段進行圖像采集與分析，獲取蝗蟲在起跳階段跳躍足運動參數(shù);其次，建立蝗蟲起跳階段平面剛體模型，基于蝗蟲跳躍實驗的跳躍足運動參數(shù)進行運動分析，得到了蝗蟲在起跳階段的運動特征，并闡述了該運動特征所具有的優(yōu)勢;再次，參考生物學(xué)實驗和蝗蟲運動特征，提出了

2、仿生跳躍足的設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計加工制作了仿蝗蟲跳躍機構(gòu)，并對其進行動力學(xué)分析和起跳階段實驗測試，驗證了其起跳階段與蝗蟲的運動仿生相似性;隨后，對該跳躍機構(gòu)的跳躍性能進行測試，分析影響其跳躍的因素，并進行優(yōu)化改進，改進后的仿生跳躍機構(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，介紹生物跳躍運動以及國內(nèi)外跳躍機器人的研究現(xiàn)狀，提出論文的主要研究內(nèi)容和論文框架。
　　第二章，開展了蝗蟲跳躍機理的研

3、究。以中華稻蝗為研究對象，采用高速攝像技術(shù)對蝗蟲起跳階段進行圖像采集，并對采集到的圖像進行處理，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行運動學(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)心運動學(xué)曲線，為仿生跳躍機構(gòu)的設(shè)計提供了依據(jù)。
　　第三章，針對蝗蟲跳躍足的特點以及蝗蟲在起跳階段的運動學(xué)特性，提出仿生跳躍機構(gòu)跳躍足的設(shè)計方

4、案，并對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出仿蝗蟲跳躍機構(gòu)。
　　第四章，針對仿生跳躍機構(gòu)，對其進行動力學(xué)建模，并用MATLAB對動力學(xué)方程進行求解，得到仿生跳躍機構(gòu)在跳躍加速階段的運動特性曲線。并對該仿生跳躍機構(gòu)起跳階段進行實驗測試，動力學(xué)分析和跳躍樣機的實驗測試表明該機構(gòu)具有與蝗蟲跳躍運動相似的運動曲線。
　　第五章，對跳躍機構(gòu)的跳躍運動全周期過程進行圖像采集，分析其跳躍性能和存在的缺陷，為了使跳躍機構(gòu)獲得更好的質(zhì)量分布和機