跳躍昆蟲的運(yùn)動(dòng)仿生與感知仿生研究.pdf

1、本課題主要以微小型跳躍機(jī)器人為對(duì)象進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)與感知仿生研究。首先,通過高速攝像實(shí)驗(yàn)對(duì)昆蟲跳躍運(yùn)動(dòng)的全過程進(jìn)行生物學(xué)觀察與分析,提取相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)與特征,為微小型跳躍機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(duì)昆蟲運(yùn)動(dòng)特征及動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方式進(jìn)行解釋,為隨后的運(yùn)動(dòng)仿生研究奠定理論基礎(chǔ);再次,參考生物學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)論,提出人工跳躍足的仿生設(shè)計(jì)方

2、法,以此為基礎(chǔ)發(fā)展微小型仿生跳躍機(jī)器人樣機(jī),并通過多體動(dòng)力學(xué)分析以及實(shí)驗(yàn)測量,對(duì)跳躍機(jī)器人樣機(jī)的性能與運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行測試與分析,通過對(duì)比跳躍昆蟲與跳躍機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)方式上的仿生相似性,證明運(yùn)動(dòng)仿生結(jié)構(gòu)對(duì)于跳躍動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的有效性;隨后,針對(duì)仿生跳躍機(jī)器人的控制需求,以跳躍昆蟲的纖毛感受機(jī)制為對(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)修正相結(jié)合的方式對(duì)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(jì)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(duì)外界擾動(dòng)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(yùn)動(dòng)與身體加速特征,提取相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)優(yōu)化方式;

4、r>　　 2、跳躍運(yùn)動(dòng)理論模型研究。針對(duì)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(duì)比分析不同的跳躍足結(jié)構(gòu)比例,得到彈射跳躍運(yùn)動(dòng)下跳躍足結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;
　　 3、仿生跳躍機(jī)器人設(shè)計(jì)。利用跳躍運(yùn)動(dòng)方式所具有的高效性、高環(huán)保性以及對(duì)于微小型機(jī)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(jī)器人的跳躍足優(yōu)化,驅(qū)動(dòng)與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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