【摘 要】
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基于苍蝇、甲虫、蜜蜂等仿生原型所具有的独特身体结构与灵活飞行方式,微小型仿生飞行机器人已被研制,其在情报搜集、环境监测、灾情勘察等军事/民用领域展现出巨大应用价值。现阶段微小型仿生飞行机器人降落/起飞过程的机动灵活性与仿生原型存在明显差异,降低了其作业过程的安全性与应用范围的普遍性,无干扰状态下仿生原型降落/起飞过程接触力的精确表征是解决该问题的必要前提,因此研制出飞行昆虫降落/起飞过程微牛级接触
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基于苍蝇、甲虫、蜜蜂等仿生原型所具有的独特身体结构与灵活飞行方式,微小型仿生飞行机器人已被研制,其在情报搜集、环境监测、灾情勘察等军事/民用领域展现出巨大应用价值。现阶段微小型仿生飞行机器人降落/起飞过程的机动灵活性与仿生原型存在明显差异,降低了其作业过程的安全性与应用范围的普遍性,无干扰状态下仿生原型降落/起飞过程接触力的精确表征是解决该问题的必要前提,因此研制出飞行昆虫降落/起飞过程微牛级接触力测试系统。本文主要研究如下:（1）基于Solidworks软件构建了微牛级接触力测试系统三维模型,包括碳纤维弹簧及其移动控制组件、测试系统底座及其照明组件、有机玻璃罩及其标尺组件、高帧数摄像机及其固定组件和测试系统安放平台。三维模型中各部分结构能够独立工作且互不干扰,以此保证仿生原型降落/起飞过程接触力的测试准确性。（2）基于ANSYS软件对碳纤维弹簧进行模拟标定以获取不同接触点、接触力作用下的挠度-接触力-接触点位置数学方程与图像。以模拟标定结果作为参考进行实际标定,接触点选取、接触力加载与模拟标定相同,拟合获取挠度-接触力-接触点位置的数学方程与图像,由此求解出接触力-挠度-接触点位置数学方程（拟合优度R~2=0.979）。实际标定与模拟标定的图像高度相似,而且实际标定的数学方程拟合优度R~2=0.979,表明碳纤维弹簧能够准确感知仿生原型降落/起飞过程产生的接触力。（3）对碳纤维弹簧、高帧数摄像机、步进电机与滚珠丝杠等硬件进行结构设计、型号选择与参数设置。基于Matlab软件编写出图像分析处理程序,共包含用户登录与管理系统、仿生原型微形貌结构特征参数提取系统和仿生原型微形貌结构挠度求解系统,用以精确提取碳纤维弹簧挠度、仿生原型降落/起飞接触点位置信息。（4）以苍蝇（家蝇,Musca domestica）为仿生原型进行接触力测试系统性能测试,选取典型苍蝇降落/起飞过程进行挠度提取与接触力计算,其降落/起飞过程产生的最大接触力分别为0.176 m N、0.302 m N。选取苍蝇降落/起飞过程的完整视频图像作为样本（n=9）,获取苍蝇在碳纤维弹簧产生的挠度峰值来计算获取最大接触力,获取的接触力为微牛级（0.12～0.77 m N）,为其体重（17.38 mg）的0.71～4.53倍。运行调试结果表明微牛级接触力测试系统能够精确表征无干扰状态下仿生原型降落/起飞过程产生的接触力,并已通过模拟/实际标定、挠度精准获取、接触力修正、降落/起飞过程无干扰等4方面来提升准确度,可为微小型飞行机器人仿生原型运动行为的定量、准确表征提供技术与方法。
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