蚱蜢跳跃机理的仿生研究

Grasshopper is recognized as “jumping experts”.To study the movement mechanism of grasshoppers jumping and explore the regular pattern of energy transmission can provide important theoretical and technical significance for further study of jumping robot mechanical device. Based on the analysis of grasshopper jumping motion video, grasshopper body structure-leg-jumping movement process, the grasshopper jumping leg size ratio, mass distribution, movement patterns and characteristics can be gotten;To take into account,the hind legs muscle energy participation and nonlinear mechanical characteristics, using theoretical analysis of mechanism, to build a leg mechanism of bionic model of grasshopper jumps sudden motion and explosive, then analyses the grasshopper leg kinematics and dynamics properties, reveal the mechanism of grasshopper jumps from institutional perspective; in order to derived and give a leg structure contact force while it jumps motion, energy changing formular, to clarify the regular pattern of energy transmission in grasshopper jump motion and leg structure, clear the main factors affecting grasshopper jumping performance and their relationship, and get the main parameters of leg mechanism of grasshoppers.Through simulation experiment, test and verify the the feasibility and correctness of the theory, models and methods .The results of this project can provide reference for designing services related mechanical device.

蚱蜢是公认的“跳跃专家”。研究蚱蜢跳跃的运动机理，探索其能量传输规律，对进一步研究跳跃机器人等机械装置有重要的理论和技术启发意义。基于蚱蜢跳跃运动录像，分析蚱蜢身体结构形态-腿部机构-跳跃运动发生历程，得到蚱蜢跳跃运动腿部尺寸比例、质量分布、运动形态和特点；考虑蚱蜢后腿肌肉的能量参与作用和非线性力学特征，采用机械机构分析理论，建立体现蚱蜢跳跃运动突然性和爆发性的腿部机构仿生模型，进而分析蚱蜢腿部机构运动学和动力学特性，从机构学的角度揭示蚱蜢跳跃的运动机理；推导、给出跳跃运动时腿部结构的接触反力、能量变化公式，阐明蚱蜢跳跃运动与腿部结构的能量传输规律，厘清影响蚱蜢跳跃性能的主要因素及相互关系，并得到蚱蜢腿部机构的主要参数。通过仿真实验验证理论、模型和方法的可行性和正确性。本项目的研究结果可以为相关机械装置的设计服务。

1.搜集了蚱蜢样本，实测了蚱蜢腿部及身体其他各部分尺寸及重量，为探索蚱蜢跳跃能量机理提供了感性认识和基础数据；.2. 基于蚱蜢身体结构形态-腿部机构-跳跃运动发生历程和蚱蜢跳跃运动腿部尺寸比例、质量分布、运动形态和特点，建立了蚱蜢腿部机构跳跃的仿生模型。发表论文1篇（2014 机械与控制工程国际会议 MSCE 2014 The Establishment of Jumping Bionic Model of Grasshopper Leg）.3. 为了克服移动最小二乘近似难以准确施加本质边界条件的缺点，将滑动Kriging 插值引入无单元Galerkin法中，与非线性瞬变动态理论相结合，提出动力弹塑性分析的Kriging 插值无网格法，推导Kriging 插值无网格法在动力弹塑性问题中的理论公式，给出求解方案。研究结果表明：采用所提方法计算仅需要离散节点的信息，因而处理变得简单；采用预校正形式的Newmark 法进行时间离散，计算效率提高；通过2 个经典数值算例与有限元软件ABAQUS 的计算结果对比，验证了所提理论和方法的正确性与可行性。为蚱蜢跳跃腿部机构模型的动力学分析奠定了基础。发表论文1篇（中南大学学报,基于Kriging插值无网格法的动力弹塑性分析,Vol. 45,No. 2,2014）.4. 考虑蚱蜢后腿肌肉的能量参与作用和非线性力学特征，采用机械机构分析理论，建立体现蚱蜢跳跃运动突然性和爆发性的腿部机构仿生模型，进而分析蚱蜢腿部机构运动学和动力学特性，从机构学的角度揭示蚱蜢跳跃的运动机理；.5.推导、给出了跳跃运动时腿部结构的接触反力、能量变化公式，阐明蚱蜢跳跃运动与腿部结构的能量传输规律，厘清影响蚱蜢跳跃性能的主要因素及相互关系，并得到了蚱蜢腿部机构的主要参数。通过仿真实验验证理论、模型和方法的可行性和正确性。本项目的研究结果可以为相关机械装置的设计服务。