仿避役弹射机器人是模仿变色蜥蜴舌头在捕食时高速弹射运动的仿生机器人,作为全新的研究领域,其技术具有广泛的应用前景,主要可应用于物流分拣、环保、农业及军事无人机等领域。本文系统地设计了用于提高传统结构化机器人操作速度的弹性嵌套式仿生弹射机器人系统。从生物力学和弹塑性力学的角度深入了解了避役弹舌的生理结构及其高速弹射的运动机理后,建立了一种“弹射式”的仿避役弹射机构的数理模型,并根据该仿生模型进行仿真分析;创新性的设计一种与之配套的样机及其驱动控制方案,并进行试验研究。本文通过该仿生模型的仿真分析和样机试验,针对该仿生弹射机器人的关键机构的三维建模与结构优化设计、多单元弹性嵌套耦合动力特性和多单元弹性嵌套耦合驱动控制等方面的科学问题,进行了深入研究。首先,深入阐述了避役舌在捕食过程的生物运动机理。根据变色蜥蜴舌部在捕获猎物时各生理结构的形态变化,分析各生理结构的运动机制和作用。采用动力学分析变色蜥蜴舌部高速弹射所需驱动力,并建立避役舌弹射运动的动力学模型。受避役舌弹射运动的动力特性的启发,创新性的设计一种基于多单元弹性体嵌套结构的仿生弹射机构,并建立该仿生弹射机构的数学模型和物理模型,分别进行了模型的数字仿真分析和三维动态仿真分析,结果均表明该仿生弹射机构的设计是可行的。然后,基于仿生弹射机构的模型设计,研制出一种能够模仿避役舌高速弹射运动的厘米级仿生弹射机器人的样机,并对该仿生弹射机器人样机进行了仿真和试验研究,实现对避役舌高速弹射的模仿。为了兼顾避役舌的回收功能和仿生弹射机器人的尺度效应,设计并制作了一台集弹射与收缩功能于一体的分米级仿生弹射收缩机器人,并且通过弹射试验验证,该仿生弹射收缩机器人能实现预期的弹射和回收一体化功能。根据该样机试验结果数据,对各嵌套弹射单元之间的耦合动力特性进行综合分析,提出了相邻嵌套单元储存的势能释放时间的重叠占比理论,用以衡量相邻嵌套单元之间发生碰撞冲击的可能性。最后,针对仿避役弹射收缩机器人关键机构的结构优化和多单元弹性嵌套耦合驱动控制问题,进行了仿避役弹射收缩机器人的优化设计。应用ADAMS软件对优化后的仿避役弹射机构进行动力学仿真分析,以验证优化后的动力特性;根据优化升级后的样机版本进行样机实物制作,并待样机制作完成后进行了两种因变量的弹射试验,进而获得了试验结论。