题目：仿蝗虫跳跃机器人运动机理研究

跳跃机器人凭借其高效的弹跳越障能力在星际探测、战场侦察和反恐防暴等领域具有广阔的应用前景。蝗虫具有较强的弹跳能力，使其成为仿生跳跃机器人的重要仿生对象。目前，仿蝗虫跳跃机器人存在起跳阶段弹跳能力差、腾空阶段姿态翻转且易导致着地倾覆等问题，究其原因，是对蝗虫弹跳运动机理和空中姿态自调整运动机理的认识不清楚。为此，在国家自然科学基金项目“仿蝗虫柔性跳跃机器人基础技术（No.51075014）”、教育部博士点基金项目“仿蝗虫跳跃-滑翔机器人姿态自调整机理及控制研究（20121102110021）”的支持下，本文采用实验观测、建模分析、仿真和实验验证相结合的方法，对仿蝗虫跳跃机器人的弹跳运动机理和空中姿态自调整运动机理进行了系统深入的研究，取得以下研究成果：（1）建立了仿蝗虫四连杆刚体弹跳机构模型，揭示了起跳阶段蝗虫后腿的关节运动协调性、起跳姿态序列等自然运动模式的优越性和合理性，以及蝗虫起跳的驱动力规律。观测了蝗虫后腿结构和起跳运动过程，建立了仿蝗虫四连杆刚体弹跳机构模型，分析了蝗虫起跳角度、起跳姿态等的大范围运动学特征，依据蝗虫观测数据进行了算例验证，分析了模型的动力学特征，计算得出了关节力矩和起跳地面作用力的变化。（2）建立了两柔杆-三刚杆的仿蝗虫刚柔混合弹跳动力学模型，证明了仿生刚柔混合模型的运动特征相比刚性机构更符合蝗虫弹跳的运动特点，揭示了蝗虫的刚柔混合弹跳运动机理。观测了蝗虫后腿刚柔混合特征，建立了考虑关节和肢体柔性在内的两柔杆-三刚杆仿蝗虫刚柔混合弹跳动力学模型，算例分析证明了仿生刚柔混合模型的运动特征相比刚性机构更符合蝗虫弹跳的运动特点，从刚柔混合动力学角度进一步揭示了蝗虫的刚柔混合弹跳运动机理，为仿蝗虫跳跃刚柔混合弹跳机构设计奠定了理论基础。（3）设计了复合膝关节与柔性跗足的刚柔混合仿生弹跳机构，仿真分析证明了该刚柔混合机构具有良好的仿蝗虫弹跳特性，验证了蝗虫刚柔混合弹跳机理。设计了单拉簧等效膝关节弹跳机构，采用对比分析法仿真验证了起跳姿态对弹跳运动的影响规律，设计了基于衍生单拉簧曲柄-滑块膝关节的弹跳机构样机模型，仿真验证了机构的仿生起跳性能；以模态柔性模拟弹性应变及其能量转换，仿真验证了仿生柔性跗足增强起跳性能的特点；对复合膝关节与柔性跗足的刚柔混合仿生弹跳机构进行了弹跳仿真分析，讨论了起跳姿态、柔性跗足等在起跳中的重要作用，证明了仿蝗虫刚柔混合弹跳机构具有更好的弹跳运动性能，验证了仿蝗虫刚柔混合弹跳运动机理的正确性。（4）提出了蝗虫利用翅膀和腹部复合运动实现空中姿态快速调整的观点，建立了仿蝗虫扑翼和腹部运动复合姿态调整的动力学模型，初步揭示了蝗虫复合姿态调整的运动机理。观测了蝗虫跳跃腾空的运动和姿态，提出了蝗虫利用翅膀和腹部复合运动实现空中姿态快速调整的观点，建立了仿蝗虫复合姿态调整动力学模型，基于动量矩定理求解了复合机构姿态调整动力学方程，分析了复合机构的运动耦合性，证明了仿蝗虫复合空中姿态调整方法的正确性，初步揭示了蝗虫复合姿态调整的运动机理。（5）研制了集仿蝗虫刚柔混合翼和仿生腹部的复合姿态调整原理样机实验平台，实验结果定性地验证了仿蝗虫空中复合姿态调整机理的可行性和正确性。设计了仿蝗虫刚柔混合翼机构和二自由度刚性仿生腹部机构，研制了仿蝗虫复合姿态调整原理样机实验平台，对仿生单因素姿态调整和复合姿态调整运动分别进行了实验观测和对比分析，定性地验证了仿蝗虫空中复合姿态调整机理的可行性和正确性。从刚柔混合动力学角度，揭示了蝗虫的刚柔混合弹跳运动机理，为设计高效的仿蝗虫刚柔混合弹跳机构及其运动规划提供了理论依据；从机构动力学角度，初步揭示了蝗虫空中复合姿态调整运动机理，为设计具有空中姿态调整能力的仿生跳跃机器人提供理论依据和技术借鉴。