仿生弹跳机器人设计研究

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一般的侦探搜索和救援地域中,大部分地域是人类无法直接进入该地域开展侦探和搜索工作,而仿生弹跳机器人作为辅助探索工具,它可以代替人类进入该地域开展侦探和搜索工作。本文研究以昆虫跳甲和蝗虫作为仿生研究对象,以设计仿生弹跳机器人为研究目的,进行以下内容的研究:  第一部分,观测记录仿生对象跳甲及蝗虫的身体特征及弹跳动作。设计一种昆虫弹跳形态观测及空间位移测量装置,对仿生对象跳甲及蝗虫的身体特征及弹跳动作观察分析。  第二部分,分析仿生对象跳甲及蝗虫的弹跳机理。结合当地地理气候,采集若干数量的仿生对象,利用现有观测设备对跳甲及蝗虫的身体结构组成、各结构连接关系及相应的弹跳机构等进行观测记录,并分析弹跳过程中各结构的作用及如何衔接并执行对应动作来完成整个弹跳过程。  第三部分,建立仿生对象弹跳过程的数学模型并计算。对仿生对象的弹跳腿进行简化,利用弹跳腿部各关节速度变化率转换系统动能原理建立数学模型,计算出仿生对象起跳离地瞬间初速度、弹跳高度及水平距离。结合实验数据,利用该数学模型计算所得,蝗虫及跳甲的弹跳垂直高度分别为1.2013m和0.4310m,水平距离为0.9275m和0.5714m。而蝗虫及跳甲的实际弹跳高度为1.323m和0.622m,水平距离为1.182m和0.713m。该实际弹跳数据与计算结果相近,说明数学模型的可靠性。  第四部分,设计仿蝗虫弹跳机器人和仿跳甲弹跳机器人两种方案并建立3D模型及平面图。比较两种方案的弹跳机构特点,因仿跳甲方案利用半凸轮机构,具有弹性势能高效转换为动能的特点被确定为更优方案。对该方案弹跳机构中齿轮组、偏心轮、弹跳腿部机构分析与计算,建立起跳过程数学模型并计算。结合设计数据计算所得,仿跳甲弹跳机器人的垂直高度为0.3486m,水平距离为0.3529m。该弹跳机器人体积约为6.40×10-5m3,可应用于地形和洞穴等探测。  第五部分,运用生命周期评价方法及GaBi软件对仿生弹跳机器人进行生命周期评价。选取全球温室效应潜值、酸化潜值、富营养化潜值、光化学氧化物潜值及能源消耗潜值五类环境影响指标进行评价,评价结果为温室效应潜值61.13kg、酸化潜值0.269kg、富营养化潜值0.019kg、光化学氧化物潜值0.027kg及能源消耗潜值1119MJ,并分析各阶段评价结果并提出降低五类指标潜值的建议。使用阶段对五类环境影响指标的贡献率最大。
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