上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）陆地仿生_2013-蝗虫起跳运动分析及其仿生跳跃机构研究

蝗虫起跳运动分析及其仿生跳跃机构研究 论文作者签名：烧 指导教师签名： 体吸 论文评阅人1： 王文 教授 评阅人2： 杨克己教授 评阅人3： 汪久根 教授 评阅人4： 评阅人5： 答辩委员会主席： 胡旭晓 教授 委员1： 王文 教授 委员2： 杨克已教授 委员3： 吕福在副教授 委员4： 委员5： 答辩日期：2013年3月17日

论文作者签名：煎查三盔羔 指导教师签名： 论文评阅人1： 评阅人2： 评阅人3： 评阅人4： 评阅人5： 答辩委员会主席： 委员1： 委员2： 委员3： 委员4： 委员5：

Y2374492 Study on Bio-Jumping Mechanism Inspired from Locust's Take-Off Jumping Mechanism Author's signature: yinggian zhon Supervisor's signature:De Thesis reviewer 1: Wen Wang Professor Thesis reviewer 2: Keji Yang Professor Thesis reviewer 3: Jiugen Wang Professor Thesis reviewer 4. Thesis reviewer 5: Chair: Xuxiao Hu Professor (Committee of oral defence) Committeeman 1: Wen Wang Professor Committeeman 2: Keji Yang Professor Committeeman 3: Fuzai Ly Associate professor Committeeman 4: Committeeman 5: Date of oral defence:

Author’S signature： 一 ‘ ■ ‘ Supervisor 7S signature： Thesis reviewer 1： Thesis reviewer 2： Thesis reviewer 3： Thesis reviewer 4． Thesis reviewer 5： Chair： Xuxiao Hu Professor (Committee of oral defence) Committeeman 1： Committeeman 2： Committeeman 3： Committeeman 4． Committeeman 5： Date of oral defence：

浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 ￥位论文作者鉴名飘裤税字日菊：2013年3月2日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位老文作者鉴务凯 师松见 签字日期：2013年3月21日 签字日期：71乃年}月☑日

浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 乞签字日期： 动侈年弓月二7日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 迸姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂婆盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：挑 签字日期：幻／弓年多月二7日 签字日期：1≈f多年弓月钐f日

浙江大学项士学位论文 摘要 本论文研究工作依托国家自然科学基金项目“基于蝗虫杠杆弹射跳跃机理的仿生微 跳跃机构研究”（项目编号：50975251），开展了蝗虫跳跃机理及其仿生跳跃机构研究。首 先，通过高速摄像实验对蝗虫的起跳阶段进行图像采集与分析，获取蝗虫在起跳阶段跳跃 足运动参数；其次，建立蝗虫起跳阶段平面刚体模型，基于蝗虫跳跃实验的跳跃足运动参 数进行运动分析，得到了蝗虫在起跳阶段的运动特征，并阐述了该运动特征所具有的优势； 再次，参考生物学实验和蝗虫运动特征，提出了仿生跳跃足的设计方法，在此基础上设计 加工制作了仿蝗虫跳跃机构，并对其进行动力学分析和起跳阶段实验测试，验证了其起跳 阶段与蝗虫的运动仿生相似性；随后，对该跳跃机构的跳跃性能进行测试，分析影响其跳 跃的因素，并进行优化改进，改进后的仿生跳跃机构提高了能量利用率和跳跃高度。 第一章，主要阐述论文研究的背景与意义，介绍生物跳跃运动以及国内外跳跃机器人 的研究现状，提出论文的主要研究内容和论文框架， 第二章，开展了蝗虫跳跃机理的研究。以中华稻蝗为研究对象，采用高速摄像技术对 蝗虫起跳阶段进行图像采集，并对采集到的图像进行处理，得到该阶段蝗虫跳跃足关节转 角的变化曲线，在此基础上将蝗虫简化为平面连杆模型进行运动学分析得到蝗虫质心与跳 跃足关节转角之间的数学关系，将提取出的跳跃足关节转角导入数学关系式得到蝗虫在跳 跃加速阶段的质心运动学曲线，为仿生跳跃机构的设计提供了依据。 第三章，针对蝗虫跳跃足的特点以及蝗虫在起跳阶段的运动学特性，提出仿生跳跃机 构跳跃足的设计方案，并对其结构进行优化，在此基础上设计出仿蝗虫跳跃机构。 第四章，针对仿生跳跃机构，对其进行动力学建模，并用MATLAB对动力学方程进 行求解，得到仿生跳跃机构在跳跃加速阶段的运动特性曲线。并对该仿生跳跃机构起跳阶 段进行实验测试，动力学分析和跳跃样机的实验测试表明该机构具有与蝗虫跳跃运动相似 的运动曲线。 第五章，对跳跃机构的跳跃运动全周期过程进行图像采集，分析其跳跃性能和存在的 缺陷，为了使跳跃机构获得更好的质量分布和机构的轻型化，对跳跃机构进行改进，实验 测试表明，改进后跳跃机构具有更好的能量利用率和更高的跳跃高度。 第六章，总结了论文的主要研究工作，并展望了未来的研究工作

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文研究工作依托国家自然科学基金项目“基于蝗虫杠杆．弹射跳跃机理的仿生微 跳跃机构研究”(项目编号：50975251)，开展了蝗虫跳跃机理及其仿生跳跃机构研究。首 先，通过高速摄像实验对蝗虫的起跳阶段进行图像采集与分析，获取蝗虫在起跳阶段跳跃 足运动参数；其次，建立蝗虫起跳阶段平面刚体模型，基于蝗虫跳跃实验的跳跃足运动参 数进行运动分析，得到了蝗虫在起跳阶段的运动特征，并阐述了该运动特征所具有的优势； 再次，参考生物学实验和蝗虫运动特征，提出了仿生跳跃足的设计方法，在此基础上设计 加工制作了仿蝗虫跳跃机构，并对其进行动力学分析和起跳阶段实验测试，验证了其起跳 阶段与蝗虫的运动仿生相似性；随后，对该跳跃机构的跳跃性能进行测试，分析影响其跳 跃的因素，并进行优化改进，改进后的仿生跳跃机构提高了能量利用率和跳跃高度。 第一章，主要阐述论文研究的背景与意义，介绍生物跳跃运动以及国内外跳跃机器人 的研究现状，提出论文的主要研究内容和论文框架。 第二章，开展了蝗虫跳跃机理的研究。以中华稻蝗为研究对象，采用高速摄像技术对 蝗虫起跳阶段进行图像采集，并对采集到的图像进行处理，得到该阶段蝗虫跳跃足关节转 角的变化曲线，在此基础上将蝗虫简化为平面连杆模型进行运动学分析得到蝗虫质心与跳 跃足关节转角之间的数学关系，将提取出的跳跃足关节转角导入数学关系式得到蝗虫在跳 跃加速阶段的质心运动学曲线，为仿生跳跃机构的设计提供了依据。 第三章，针对蝗虫跳跃足的特点以及蝗虫在起跳阶段的运动学特性，提出仿生跳跃机 构跳跃足的设计方案，并对其结构进行优化，在此基础上设计出仿蝗虫跳跃机构。 第四章，针对仿生跳跃机构，对其进行动力学建模，并用MATLAB对动力学方程进 行求解，得到仿生跳跃机构在跳跃加速阶段的运动特性曲线。并对该仿生跳跃机构起跳阶 段进行实验测试，动力学分析和跳跃样机的实验测试表明该机构具有与蝗虫跳跃运动相似 的运动曲线。 第五章，对跳跃机构的跳跃运动全周期过程进行图像采集，分析其跳跃性能和存在的 缺陷，为了使跳跃机构获得更好的质量分布和机构的轻型化，对跳跃机构进行改进，实验 测试表明，改进后跳跃机构具有更好的能量利用率和更高的跳跃高度。 第六章，总结了论文的主要研究工作，并展望了未来的研究工作

浙江大学硕士学位论文 关键词：蝗虫；跳跃机理；仿生；跳跃机构

浙江大学硕士学位论文 关键词：蝗虫；跳跃机理；仿生；跳跃机构 II

浙江大学硕士学位论文 Abstract Supported by the project entitled"Fundamental research on design and manufacture of a bionic micro jumping mechanism based on the locust lever-ejection jumping mechanism"from National Natural Science Foundation of China(Grant No.50975251),we make a research on locust's jumping mechanism and its bio-jumping mechanism.Firstly,the images of locust's take-off phase are acquired by a high-speed photography camera,and the motion parameters of saltatorial leg are obtained.Then,the locust is simplified as a plane rigid body mechanism and the relationship between the locust centroid and joint rotation angle is established.By way of this,we can get the characteristic of the locust's movement,and a reasonable explanation of this advantageous character is presented.Then,we put forward the design of a bionic locust-jumping leg according to the biological experiments and kinematics analysis.Based on this,a bionic locust jumping mechanism is designed.Also,the dynamics analysis and experimental tests of the jumping mechanism are performed.The results illustrate the similarity between the locust and the mechanism.Subsequently,the jumping performance is tested and the adverse factors are analyzed.Lastly,the energy utilization rate and jumping height of the bionic jumping mechanism are improved. In Chapter 1,the background and significance of this research,the current research situation about the biological jumping movement and the jumping robot research were introduced,and then the research contents of this thesis were proposed. In Chapter 2,Oxya chinensis was selected as the research object,and the image of locust's jumping phase was obtained by a high-speed photography camera.Then,the motion parameters of saltatorial leg were acquired.To establish the relationship between the locust centroid and joint rotation angle,the locust is simplified as a plane rigid body mechanism,the centroid movement was studied by using the kinematics analysis.By way of this,the theoretical conclusion of the locust's jumping is obtained. In Chapter 3,Based on the kinematic characteristic of the locust,the saltatorial leg of the jumping mechanism is designed and its structure is optimized.Then,the whole jumping mechanism is designed. In Chapter 4,.the dynamic model of the jumping mechanism is established and the dynamic Ⅲ

浙江大学硕士学位论文 Abstract Supported by the proj ect entitled‘‘Fundamental research On design and manufacture of a bionic micro jumping mechanism based on the locust lever-ej ection jumping mechanism”from National Natural Science Foundation of China(Grant No．5097525 1)，we make a research on locust’S jumping mechanism and its bio-jumping mechanism．Firstly，the images of locust’S take-off phase are acquired by a high-speed photography camera，and the motion parameters of saltatorial leg are obtained．Then，the locust is simplified as a plane rigid body mechanism and the relationship between the locust centroid and joint rotation angle is established．By way of this， we can get the characteristic of the locuSt’S movement，and a reasonable explanation of this advantageous character is presented．Then，we put forward the design of a bionic locust-jumping leg according to the biological experiments and kinematics analysis．Based on this，a bionic locust jumping mechanism is designed．Also，the dynamics analysis and experimental tests of the jumping mechanism are performed．The results illustrate the similarity between the locust and the mechanism．Subsequently,the jumping performance is tested and the adverse factors are analyzed．Lastly，the energy utilization rate and jumping height of the bionic jumping mechanism are improved． In Chapter 1，the background and significance of this research，the current research situation about the biological jumping movement and the jumping robot research were introduced，and then the research contents of this thesis were proposed． In Chapter 2，Oxya chinensis Was selected as the research object，and the image of locust’S jumping phase Was obtained by a high—speed photography camera．Then，the motion parameters of saltatorial leg were acquired．To establish the relationship between the locust centroid and j oint rotation angle，the locust is simplified as a plane rigid body mechanism，the centroid movement Was studied by using the kinematics analysis．By way of this，the theoretical conclusion of the locust’S jumping is obtained． In Chapter 3，Based on the kinematic characteristic of the locust，the saltatorial leg of the jumping mechanism is designed and its structure is optimized．Then，the whole jumping mechanism is designed． In Chapter 4,．the dynamic model of the jumping mechanism is established and the dynamic III

浙江大学硕士学位论文 results is acquired by MATLAB.The jumping experiment of the jumping mechanism is made and the results show that the mechanism has a similar motion with the locust. In Chapter 5,.the whole jumping phase of the bionic mechanism is obtained,and we analyze the adverse factors of the mechanism.To obtain better quality distribution and make the jumping mechanism lighter,we improve it.Jumping experiment results show that the improved jumping mechanism has a better energy utilization rate and a higher jumping height. In Chapter 6,the chief work of this thesis was summarized,and research objects were proposed in future. Keywords:locust;jumping mechanism;bionic;jumping robot; IV

浙江大学硕士学位论文 results is acquired by MATLAB．The jumping experiment of the jumping mechanism is made and the results show that t11e mechanism has a similar motion with the locust． In Chapter 5,．the whole jumping phase of the bionic mechanism is obtained，and we analyze the adverse factors of the mechanism．To obtain better quality distribution and make the jumping mechanism lighter,we improve it．Jumping experiment results show that the improved jumping mechanism has a better energy utilization rate and a higher jumping height． In Chapter 6，the chief work of this thesis was summarized，and research obj ects were proposed in future． Keywords：locust；jumping mechanism；bionic；jumping robot； IV

浙江大学顾士学位论文 致谢 两年多的硕士研究生生活即将进入尾声，回首往昔，平淡中伴着忙碌，在这即将毕业 之时，有很多感悟，也有很多要感谢的人。 首先，我要深深的感谢尊敬的导师陈子辰教授在我两年多的学习和生活中给子的精心 指导和殷切关怀。感谢陈老师为我们提供了优越的实验条件和浓厚的科研氛围。两年多的 时间里，陈老师一直引导着我在科研的道路上克服困难，为我指明研究方向和研究方法。 陈老师一丝不苟的治学态度、踏踏实实的工作作风和诲人不倦的高尚品格，犹如一杆标尺， 一直激励着我不断前进。在此，学生再次向陈老师表达由衷的感谢和崇高的敬意。 特别感谢梅德庆教授。在整个硕士期间的学习和生活中，都得到了梅老师悉心的指导 与无微不至的照顾。梅老师用他高屋建瓴的学术视野为我的课题研究提供了极大的帮助。 每当遇到难点，总有梅老师的具体指导和鼓励，为我拨开迷雾，使我受益匪浅，顺利完成 论文。在此，学生谨向尊敬的梅老师致以最诚挚的感谢。 感谢浙江大学机械工程学系现代制造工程研究所的王文教授、傅建中教授、杨克己教 授在学习和课题研究中给予的指导和帮助。 感谢实验室李欣博士生、汪延成博士后、倪虹博士生、姚喆赫博士生、钱森博士生、 梁观浩博士生、王辉博士生、史尧光博士生、张国欣硕士、周红华硕士、唐培硕士、金标 硕士、沈辉硕士生、施庆波硕士生、戴宇硕士生、娄心洋硕士生、梁灵威硕士生和李洋硕 士生，正是他们在科研上的通力合作以及生活上对我的关心让我度过了两年多美好时光。 感谢浙江大学机械制造所10硕1班的全体同学以及汤峰、钱大鹏、夏军、洪志波和 丁大章等同窗好友们，因为有了你们的照顾和帮助，使我的科研和生活丰富多彩 感谢我的父母、家人和所有关爱我的亲人们。感谢父母的养育之恩，感谢他们在这数 十年里的默默付出和殷切关怀，他们自始自终无私的关爱和理解使我能在学校里安心完成 学业。感谢默默关爱我的亲人们，你们对我无私的关怀和帮助，我将始终铭记于心！ 感谢国家自然科学基金“基于蝗虫杠杆弹射跳跃机理的仿生微跳跃机构研究”（项目 编号：50975251)对本论文研究工作的资助。 时光如梭，在忙忙碌碌的科研和精彩纷呈的校园生活中，我即将度过在浙大的研究生 生活。读研以来，我在这里成长了很多。象牙塔外，希望将所学到的知识应用于以后的工 作和科研中，做一个对社会和国家有用之人。饮水思源，也希望有朝一日，能够回馈浙大， 不辜负导师对我的培养

浙江大学硕士学位论文 致谢 两年多的硕士研究生生活即将进入尾声，回首往昔，平淡中伴着忙碌，在这即将毕业 之时，有很多感悟，也有很多要感谢的人。 首先，我要深深的感谢尊敬的导师陈子辰教授在我两年多的学习和生活中给予的精心 指导和殷切关怀。感谢陈老师为我们提供了优越的实验条件和浓厚的科研氛围。两年多的 时间里，陈老师一直引导着我在科研的道路上克服困难，为我指明研究方向和研究方法。 陈老师一丝不苟的治学态度、踏踏实实的工作作风和诲人不倦的高尚品格，犹如一杆标尺， 一直激励着我不断前进。在此，学生再次向陈老师表达由衷的感谢和崇高的敬意。 特别感谢梅德庆教授。在整个硕士期间的学习和生活中，都得到了梅老师悉心的指导 与无微不至的照顾。梅老师用他高屋建瓴的学术视野为我的课题研究提供了极大的帮助。 每当遇到难点，总有梅老师的具体指导和鼓励，为我拨开迷雾，使我受益匪浅，顺利完成 论文。在此，学生谨向尊敬的梅老师致以最诚挚的感谢。 感谢浙江大学机械工程学系现代制造工程研究所的王文教授、傅建中教授、杨克己教 授在学习和课题研究中给予的指导和帮助。 感谢实验室李欣博士生、汪延成博士后、倪虹博士生、姚酷赫博士生、钱淼博士生、 梁观浩博士生、王辉博士生、史尧光博士生、张国欣硕士、周红华硕士、唐培硕士、金标 硕士、沈辉硕士生、施庆波硕士生、戴宇硕士生、娄心洋硕士生、梁灵威硕士生和李洋硕 士生，正是他们在科研上的通力合作以及生活上对我的关心让我度过了两年多美好时光。 感谢浙江大学机械制造所10硕1班的全体同学以及汤峰、钱大鹏、夏军、洪志波和 丁大章等同窗好友们，因为有了你们的照顾和帮助，使我的科研和生活丰富多彩。 感谢我的父母、家人和所有关爱我的亲人们。感谢父母的养育之恩，感谢他们在这数 十年里的默默付出和殷切关怀，他们自始自终无私的关爱和理解使我能在学校里安心完成 学业。感谢默默关爱我的亲人们，你们对我无私的关怀和帮助，我将始终铭记于心! 感谢国家自然科学基金“基于蝗虫杠杆．弹射跳跃机理的仿生微跳跃机构研究”(项目 编号：50975251)对本论文研究工作的资助。 时光如梭，在忙忙碌碌的科研和精彩纷呈的校园生活中，我即将度过在浙大的研究生 生活。读研以来，我在这里成长了很多。象牙塔外，希望将所学到的知识应用于以后的工 作和科研中，做一个对社会和国家有用之人。饮水思源，也希望有朝一日，能够回馈浙大， 不辜负导师对我的培养

浙江大学硕士学位论文 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致以最诚挚的谢意。 戴永礼 二零一三年一月于求是园

浙江大学硕士学位论文 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致以最诚挚的谢意。 II 甄永乾 二零一三年一月于求是园

目录 目录 摘要… Abstract.… ..I 致谢…… 目录… 】绪论… 1.】课题研究的背景与意义… 1.2跳跃生物及其跳跃机理研究进展… 2 1.2.1国外跳跃生物及其跳跃机理研究现状2 1.2.2国内跳跃生物及其跳跃机理研究现状4 13跳跃机器人的发展与研究现状.…4 1.3.1跳跃机器人起源… .4 】.3.2跳跃机器人研究 5 1.4论文主要研究内容与框架… 13 1.5本章小结.… .15 2蝗虫跳跃机理研究.… .16 21仿生跳跃生物的选取及其特点… .16 2.1.1仿生跳跃生物的选取 .16 212蝗虫身体结构及其跳跃过程. .17 2.2蝗虫跳跃运动实验平台搭建 18 2.3蝗虫跳跃运动实验的观测结果 .19 2.3.1蝗虫身体形态简化模型 .19 2.3.2蝗虫起跳阶段运动参数统计 20 2.4蝗虫跳跃运动理论模型.… 22 2.4.1起跳阶段运动学模型建立… 22 2.4.2起跳阶段运动方程求解… 24 2.4.3起跳阶段跳跃足受力分析.… .26 2.4.4起跳阶段运动特征分析… .29

目录 目录 摘要………………………………………………………………………………………………I Abstract……………．………………………………………………………．………………………………………………．．III 致{射……………………………………………………………………………………………………………………………．．I 目录……………………………………………………………………………………………………………………………．1 1绪论……………………………………………………………………………………………………………………………1 1．1课题研究的背景与意义………………………………………………………………．．1 1．2跳跃生物及其跳跃机理研究进展……………………………………………………．．2 1．2．1国外跳跃生物及其跳跃机理研究现状…………………………………………2 1．2．2国内跳跃生物及其跳跃机理研究现状…………………………………………4 1．3跳跃机器人的发展与研究现状………………………………………………………．．4 1-3．1跳跃机器人起源…………………………………………………………………4 1．3．2跳跃机器人研究…………………………………………………………………5 1．4论文主要研究内容与框架……………………………………………………………13 1．5本章小结………………………………………………………………………………1 5 2蝗虫跳跃机理研究……………………………………………………………………………16 2．1仿生跳跃生物的选取及其特点………………………………………………………16 2．1．1仿生跳跃生物的选取…………………………………………………………．16 2．1．2蝗虫身体结构及其跳跃过程…………………………………………………．1 7 2．2蝗虫跳跃运动实验平台搭建…………………………………………………………18 2．3蝗虫跳跃运动实验的观测结果………………………………………………………19 2-3．1蝗虫身体形态简化模型………………………………………………………．19 2．3．2蝗虫起跳阶段运动参数统计…………………………………………………。20 2．4蝗虫跳跃运动理论模型………………………………………………………………22 2．4．1起跳阶段运动学模型建立……………………………………………………．22 2．4．2起跳阶段运动方程求解………………………………………………………．24 2．4．3起跳阶段跳跃足受力分析……………………………………………………．26 2．4．4起跳阶段运动特征分析………………………………………………………．29 1