亚洲飞蝗后足运动学启发的跳跃起飞机构设计与仿真研究

《Biomimetics》：Design and Simulation Study of a Jumping Takeoff Mechanism Inspired by the Hindleg Kinematics of Asian Migratory Locust, Locusta migratoria

　　

飞行昆虫的腿部在实现空中与陆地环境之间无缝转换方面发挥着关键作用。这些附肢具有多种功能，包括着陆、行走、跳跃以及从跳跃过渡到飞行（起飞）。这类能力激发了工程师们在扑翼飞行机器人（Flapping-Wing Aerial Robots，FWARs）中寻求类似的多模态机构，以扩展其在多样环境中的操作灵活性。然而，设计具有不同运动学和推进特性的多模态机构仍然具有挑战性，尤其是在FWARs自主跳跃起飞领域，相关研究仍相对较少。在本研究中，受亚洲飞蝗（Locusta migratoria）跳跃起飞策略及后足运动学的启发，研究人员提出了一种功能性仿生跳跃起飞机构，该机构提取了蝗虫跳跃系统中的选定的机械原理，包括弹性储能、临时机械锁定和快速能量释放。该机构采用齿轮-曲柄-滑块传动系统，并利用单向轴承调节锁定与脱离状态，从而实现跳跃起飞能量的储存与快速释放，进而实现机器人的自主起飞。Adams动力学仿真表明，在扭簧角度为40°时，该机构的最大合速度可达1.955 m/s，跳跃高度为168.2 mm，落地时水平位移为134.6 mm。Ansys Fluent（2024 R2）在多种工况下的仿真进一步证实，在起飞攻角（α）为5°、扭簧角度（β）为40°时气动性能最优，升阻比达3.005。本工作提出了一种基于蝗虫跳跃选定机械原理的功能性仿生跳跃起飞机构，为提高小型FWARs的自主起飞能力提供了一种潜在途径。

# 仿生跳跃起飞机构的研究解读：从亚洲飞蝗后足运动学到小型扑翼飞行机器人自主起飞

## 1. 研究背景与意义

昆虫的运动策略是自然选择的产物，其形态结构、生理功能与行为模式高度集成，以实现环境中的有效位移。蝗虫、跳蚤、甲虫和瓢虫等昆虫通过跳跃或跳跃起飞形式，克服地表障碍物，展示出跳跃辅助起飞是一种高度趋同且极为有效的运动策略。该策略的核心优势包括：毫秒级时间尺度上的快速执行能力，远超捕食者感知与神经反应阈值；通过预储能与快速释放的“弹射机构”实现远超直接肌肉收缩极限的峰值功率输出；以及兼具逃逸防御、伏击捕食和飞行为起始动力源的功能多态性与地形适应性。

在工程领域，跳跃起飞策略可有效防止扑翼机器人在起飞初始阶段发生机翼与地面碰撞，减小俯仰力矩，提高姿态稳定性。然而，现有研究仍面临诸多挑战：部分跳跃机器人跳跃能力受限，仅能提供单次辅助起飞；某些FWARs依赖外部供电或人类干预，缺乏自主起飞能力；或系统结构复杂、能耗高，且小型FWARs仍缺乏专用的自主起飞机构。此外，已有关于蝗虫后足生物力学、弹性储能机制和跳跃稳定性的研究大多彼此分离，缺乏将生物跳跃特征转化为工程功能需求并与机制设计、动态仿真和气动分析相集成的统一框架。因此，本研究以亚洲飞蝗为生物原型，通过生物学观测提取功能性跳跃特征，设计并验证了一种可用于小型FWARs的仿生跳跃起飞机构。

## 2. 主要研究方法概述

研究人员从云南西双版纳采集了25只成年雄性亚洲飞蝗（体长32.4~48.1 mm，平均37.7 mm），使用高速相机（Revealer-M230M/C Pro，中国合肥）记录了0°至40°五种不同斜坡角度下的跳跃起飞过程，并进行轨迹分析。机制设计采用齿轮-曲柄-滑块传动系统结合单向轴承实现能量储存与释放；利用SolidWorks 2025 SP5.0建立三维模型，并在Adams 2025虚拟样机环境中针对不同扭簧角度（β）进行运动学仿真。气动性能分析采用Ansys Fluent（2024 R2），基于压力求解器与SST k?ω湍流模型，在三维计算域中对机器人机身在不同起飞攻角（α）和β条件下的流场进行数值模拟，网格量约320万单元。

## 3. 研究结果与分析

### 3.1 生物启发：蝗虫跳跃起飞运动学特征

高速摄像观测揭示蝗虫跳跃起飞分为三个阶段：储能阶段（t = 0–6 ms），机体下压后足折叠呈“Z”字形，伸肌系统渐进加载弹性结构；锁定阶段（t = 6–17 ms），骨骼构件间机械互锁防止能量提前释放；跳跃起飞阶段（t = 17–38 ms），神经信号触发快速伸肌，储能瞬间释放，胫节弹开产生弹射运动。整个跳跃过程约50 ms，后足地面反作用力可达体重的20倍，瞬时速度可达3 m/s。

五种坡度下的轨迹分析显示：从0°到30°，跗节位移从7.1 mm单调增至8.6 mm，胫节垂直速度从1.25 m/s增至1.85 m/s，水平速度从0.85 m/s增至1.65 m/s，起飞角则由近90°逐步降至约50°。30°坡度下股骨-胫节速度曲线几乎完全重合，表明膝关节和踝关节在该角度实现最优协调，为蝗虫跳跃起飞的最优坡度。当坡度增至40°时，跗节位移降至约7.9 mm，起飞前出现短暂水平回滑，速度曲线波动加剧，表明过于陡峭的表面已接近跗节抓握能力极限，跳跃稳定性显著下降。上述结果表明蝗虫的高性能跳跃能力并非源于单一肌肉收缩，而是肌肉驱动、弹性储能结构和机械锁定机制协同作用的结果，因此提取的核心功能策略为“缓慢储能—临时锁存—快速释放”。

### 3.2 仿生跳跃起飞机构设计与运动学仿真

基于生物观测，研究人员提取了三项仿生设计要素：跗爪构型设计以增加静摩擦系数抑制推蹬期机体滑动；质心布局优化以减小蹬地瞬间的俯仰力矩；双侧跳跃机构对称布置以平衡径向力防止侧向失稳。机构采用两级齿轮减速串联，总传动比16:1，电机输出扭矩经16倍放大传递至绞盘。电机正转时绞盘内单向轴承接合锁止，收卷绳索拉动滑块-连杆机构屈曲，扭转扭簧并压缩压簧以储存弹性势能；电机反转时绞盘单向轴承超越脱开，瞬时解除绳索约束，弹簧迅速回弹驱动足部蹬地完成跳跃推进。

Adams运动学仿真表明，β = 40°时跳跃过程在50 ms内完成，X方向最大速度0.727 m/s，Y方向最大速度1.816 m/s，最大合速度1.955 m/s，跳跃高度168.2 mm，水平跳跃距离134.6 mm（约为机身长度的3倍）。锁存阶段关节最大位移约25.47 mm，起跳后超出初始位置约4.83 mm，与生物实验观测一致。飞行阶段质心在X方向近匀速、Y方向匀减速，轨迹呈抛物线。此外，β从40°增至70°，最大合速度从1.955 m/s线性增至3.178 m/s，为后续气动仿真提供了速度参考。

### 3.3 不同攻角下的气动性能分析

在来流速度3.18 m/s条件下对0°至50°范围内的攻角进行数值仿真。结果表明，α = 0°时升阻比最小（0.877）；α = 5°时升阻比达最大值3.005（升力系数1.470，阻力系数0.489），为最优气动效率状态；α = 15°时升力系数达到峰值1.640，但阻力系数增幅更大，升阻比已随攻角增加而下降。流场云图分析显示：5°攻角时流动基本保持附着，仅尾缘出现极微弱边界层失稳；超过15°后上表面流动分离显著增强，分离泡扩大，涡黏性和湍动能急剧升高；30°以上出现深失速，主流完全脱离壁面形成大规模湍流回流区。

### 3.4 不同扭簧角度下的气动性能分析

在最优攻角α = 5°条件下，对β = 40°至70°的流场进行了数值模拟。β = 40°时升阻比达峰值，随β增大升阻比逐渐下降，阻力系数持续增大。流场分析表明：40°时关节角内形成较小的橙黄色高涡黏性区域，尾迹窄，流动相对稳定；50°时胫节背风侧开始出现湍流条纹，为流动分离起始点；60°时关节角内红色核心强烈，胫节后方尾迹扩展为黄绿色区域；70°时尾迹极为宽阔并出现红/橙色斑块，形成类似卡门涡街的大规模脱落，湍流混合最强，气动阻力最大。因此，α = 5°与β = 40°组合为本研究中跳跃起飞阶段的最优气动构型。

## 4. 结论

本研究以亚洲飞蝗为生物原型，通过高速摄像实验系统分析了0°至40°坡度范围内蝗虫跳跃起飞的运动学特征。结果表明，随坡度从0°增至30°，跗节位移从7.1 mm增至8.6 mm，胫节垂直速度从1.25 m/s增至1.85 m/s，水平速度从0.85 m/s增至1.65 m/s，起飞角从约90°降至约50°；30°时股骨-胫节速度曲线高度同步，后足协调性最佳；40°时跗节位移减小至7.9 mm并出现起跳前短暂回滑，跳跃稳定性降低。

基于上述运动学特征，研究人员开发了一种仿生跳跃起飞机构。该机构提取弹性储能、机械锁定和快速释放三项关键机械原理，通过总传动比16:1的齿轮传动系统实现扭矩放大，并利用电机正反转切换两组单向轴承的锁止与超越状态，实现可控储能与快速释放。Adams动力学仿真验证了该机构在50 ms内完成跳跃、最大合速度1.955 m/s、跳跃高度168.2 mm、水平位移134.6 mm的性能指标。

Ansys Fluent（2024 R2）气动仿真进一步确定了最佳起飞构型：攻角α = 5°提供3.005的最大升阻比，流动保持附着且湍动能和涡黏性较低；扭簧角度β = 40°提供较稳定的流场。因此α = 5°与β = 40°的组合被确定为跳跃起飞阶段的最优构型，为协调机械跳跃构型与地面-空中过渡阶段的气动状态提供了定量参考。本研究从工程角度展示了机械能量预储存、可控锁定与快速释放的组合策略，使起飞系统无需完全依赖驱动电机瞬时功率即可产生短时高功率输出，为小型FWARs紧凑型、可重复使用且具备自主起飞能力的系统开发提供了设计指导。