大壁虎斜面运动力学、脚趾外翻脱附力学及其仿生研究

摘要

运动是动物的基本特征，很多动物具有超群的运动能力，这种能力源自于动物对运动反力的精细感知和对运动行为的精确实时调控。壁虎是自然界中具有卓越攀爬能力的代表，能够在包括地面、垂直墙面、倒置天花板在内的所有斜面上自如运动。对壁虎在倾斜面的攀爬运动的力学研究，具有重要的科学意义——理解自然，完善动物运动力学的知识，特别是匍匐运动动物运动力学的知识，为进化研究提供力学帮助；也具有重要的工程意义——师法自然，为仿生机器人，特别是仿壁虎机器人的机构设计、步态规划、力反馈控制等提供仿生启示。
　　本论文从力测试设备的研制开始，通过测试壁虎在不同倾斜度表面运动的反力及行为，系统地研究了壁虎是如何调节运动反力及行为以适应斜面倾斜度以及运动方向的变化；然后，从宏观角度揭示了壁虎脚掌如何与表面形成可靠的附着从而产生在斜面运动所需的力；最后，通过实验测试了壁虎脚趾外翻的力学规律，揭示壁虎是如何快速地实现脱附。
　　获得的主要成果如下：
　　基于自行研制的三维力传感器，设计研制了由多个三维力传感器组成的力测试阵列(FMA, Force-Measuring-Array)为核心的动物全空间运动反力--行为测试系统。相比于传统的力测试平台(FMP，Force-Measuring-Platform)，该新型的测试系统突破了运动负荷因数对于单腿完整运动反力测试的限制，使得对于动物运动中肢体间协同作用的研究成为现实。
　　研究了壁虎在三个典型基底表面(水平面、竖直面和倒置面)自由运动状态下脚掌连续的三维运动反力，并将反力与运动行为相联系，提出了一种表征运动反力间关系的新方法，从而清晰地呈现单个步足的运动反力分量之间的关系以及作用于各个步足上运动反力之间的内在联系。建立了壁虎在三个典型表面的力学模型，发现动物通过调节运动反力模式以应对重力对于运动的影响从而获得更多的便利——运动安全性的提高或者运动性能的增强。
　　测试了壁虎在不同倾斜度斜面运动时(0°~180°)，其前后脚上的运动反力，获得了运动反力模式发生变化的倾斜度阈值。壁虎在不同斜度倾斜面上单个脚掌运动反力的研究表明精确的力控制不但增强了动物在倾斜表面的运动能力，同时极大地的提高了运动的稳定性。建立了运动单元多级协同作用模型，说明不同层级运动单元间的协调作用是壁虎能够在倒置表面运动的必要条件之一。
　　通过研究壁虎爬坡过程中脚掌与基底间接触的方式以及反力，获得了脚掌与不同倾斜度斜面可靠附着的临界角，并建立了壁虎脚掌可靠附着的力学模型。由于脚跟与基底间摩擦系数的限制，壁虎在无脚趾黏附的帮助下或许只能爬行于小于17°的斜面。受黏附单元性能的限制，壁虎将不能使用单个脚掌悬挂于大于120°的倾斜面。然而壁虎巧妙地利用了脚掌的摩擦黏附特性，借助于肢体及姿态的协同作用实现了其在大于120°斜面的运动。
　　通过电刺激控制壁虎黏/脱附行为的对应神经干，实现了脚趾外翻过程的黏附接触力学规律的测试，发现外翻过程中脱附力与实际加载的外力无关，使得在脱附过程中脚掌依然可以为运动提供稳定可靠的运动反力。并建立了仿壁虎脚趾的分段非连续外翻模型，与实验结果吻合性良好，证明了模型以及采用内聚力单元分析方法的有效性，可用于指导仿生黏附系统的设计。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3论文的主要研究内容

第二章 动物全空间运动反力--行为测试系统

2.1 壁虎运动反力测试的难点

2.2 动物全空间运动反力‐‐行为测试系统

2.3 力测试阵列与力测试平台性能对比实验

2.4 结果和讨论

2.5 结论

第三章 壁虎在倒置面、竖直面和水平面的运动反力模式

3.1 典型表面运动反力研究进展及存在问题

3.2 实验材料和方法

3.3典型表面运动的实验结果

3.4 讨论

3. 5 结论

第四章 壁虎运动反力模式随斜面倾斜度变化的阈值

4.1 本章引论

4.2 实验设计及数据处理

4.3 不同斜度表面的实验结果

4.4 分析与讨论

4.5 结论

第五章 壁虎在应对斜面倾斜度变化时步态和姿态的调控策略

5.1 壁虎爬坡中步态与姿态的研究现状

5.2 步态与姿态参数的设定

5.3 步态和姿态参数的结果

5.4 讨论

5.5 结论

第六章 壁虎倾斜面运动中的倾覆与翻滚

6.1 倾覆与翻滚的研究意义

6.2 运动中的倾覆、翻滚和弯曲

6.3 讨论

6.4 结论

第七章 竖直面内运动方向对壁虎运动行为与运动力学的影响

7.1 运动方向对于运动的影响

7.1. 实验方法及数据处理

7.2 不同运动方向下运动行为和运动反力的结果

7.3 讨论

7.5 结论

第八章 摩擦力和黏附力对壁虎斜面运动可靠附着的贡献

8.1 脚掌与基底的可靠附着

8.2. 实验材料与方法

8.3 脚掌与基底附着的形态与力学结果

8.4 讨论

8.5 结论

第九章 壁虎脚趾外翻脱附的力学测试及力学模型

9.1 外翻脱附的研究现状

9.2 单个脚趾外翻脱附的力学测试

9.3 脚趾外翻脱附的实验结果

9.4 脚趾外翻脱附模型

9.5讨论

9.6 结论

第十章 总结与展望

10.1 研究总结

10.2 论文创新点

10.3 论文的不足与建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文