基于蝗虫杠杆—弹射跳跃机理的仿生微跳跃机构研究

本项目通过研究蝗虫杠杆-弹射跳跃及翻身位姿调节运动机理，提出一种仿生微跳跃机构的设计新思路；仿生蝗虫足掌的独特生物构造及与地面的柔性接触模式，进行仿生微跳跃机构着陆缓冲装置的设计，并基于刚/弹性接触理论，研究该仿生微跳跃机构着陆接触碰撞发生阶段的刚/柔耦合多体力学模型；针对传统的零力矩点（ZMP）运动稳定性理论难以揭示仿生机器人跳跃、翻身位姿调节等复杂运动的规律，从跳跃运动轨迹的角度，研究该仿生微跳跃机构运动全周期过程的实时稳定性；基于中枢模式发生器（CPG）及多传感信息融合技术，研究该仿生微跳跃机构的跳跃运动控制系统，并引入高层调节机制及反馈控制，研究其跳跃运动与翻身位姿调节运动间不同运动方式的转换模型。项目研究成果对目前正在开展的探月工程等外星际探测机器人，以及重大自然灾害下的探测、侦查、反恐机器人开发具有重要的研究价值和科学意义。

本项目主要以微跳跃机器人为研究对象，开展了蝗虫跳跃机理及其仿生跳跃机构运动学和动力学的研究。本项目完成的主要工作及取得的主要成果如下：（1）搭建了蝗虫跳跃运动试验测试平台，研究了蝗虫的跳跃机理。基于高速摄像技术和图像分析方法，获取了蝗虫起跳阶段跳跃足与身体的运动特征，提取相应的几何与运动参数，用于研究蝗虫起跳阶段的运动过程和运动仿生方法；（2）建立了平面刚体模型，深入研究了蝗虫弹射跳跃机理。针对起跳阶段蝗虫跳跃足的多杆式跳跃结构，建立了平面刚体模型，利用平面刚体模型和提取的几何与运动参数，得到了描述蝗虫起跳阶段弹射跳跃的运动学和动力学表达式；（3）研究了基于多杆式结构的仿生弹射技术。利用蝗虫弹射跳跃运动方式具有的高能量利用率和高跳跃性能，参考蝗虫跳跃腿的多杆式构造和弹射跳跃研究结果，进行了基于多杆式驱动结构的仿生弹射技术研究，采用六杆式结构有效仿生了蝗虫非线性弹射跳跃运动；（4）提出了基于多杆式结构的仿生弹射机构，并进行了整机的优化研究。参考多杆式结构弹射技术研究结果，进行仿生跳跃机构的多杆式跳跃足、驱动构件、储能构件和整机结构的设计、性能优化的研究；（5）完成了样机的制作装配，研究了样机的弹射性能，验证了样机的仿生相似性。利用仿生跳跃机构的设计优化结果，加工制作了仿蝗虫跳跃机构样机，并通过高速摄像技术，进行了样机的实验测试和动力学分析，对比研究了样机与蝗虫起跳阶段的弹射跳跃相似性；（6）研究了蝗虫的复位机理，提出了仿生复位策略和复位机构。利用高速摄像技术对蝗虫的复位特性研究，表明蝗虫具备主被动相耦合的复位机理，仿生蝗虫复位机理，提出了主被动耦合的复位策略以及基于主被动耦合复位策略的复位机构；（7）完成了复位机构的优化设计和实验验证。建立了基于ZMP的复位稳定判断准则，分析了主动复位构件对样机跳跃性能的影响，进行了主动复位构件的优化，利用高速摄像机理，测试了具备复位功能样机的复位性能，结果表明仿生蝗虫主被动耦合的复位策略在多杆式弹射跳跃机构中能实现稳定复位。本项目研究成果将对蝗虫跳跃及复位机理的研究、仿生微跳跃机器人技术等方面的研究具有重要的理论指导和实际应用价值。项目研究过程共培养了博士后1名，博士生2名，硕士生2名，本科生4名；共发表或投稿论文5篇（其中，2篇已正式发表），其中SCI检索论文1篇；共申请国家专利10项，其中，国家发明专利5项（3项已获正式授权）。