壁虎的运动行为与动力学研究: 竖直面内运动方向的影响

壁虎在竖直面内不同方向运动时运动行为的观察和运动作用力的测定不仅能揭示出壁虎运动的力学规律, 也可以进一步获得仿生机器人控制设计的灵感. 用三维力传感器阵列测定大壁虎在竖直面内运动的三维作用力, 并结合高速摄像讨论在自下向上, 自上向下和自右向左3 个不同方向运动时大壁虎的运动行为及其脚掌的功能. 结果表明大壁虎的运动速度随步频的提高而增加, 但与脚掌的黏附时间与脱附时间无明显相关性. 大壁虎各脚掌产生相应的作用力以平衡重力和翻转矩, 并为运动提供必要的推力; 位于身体质心上方的脚掌在支撑身体、运动驱动、运动平稳等方面都起到关键作用; 竖直面内大壁虎在不同方向运动时运动行为和脚掌功能所发生的相应改变, 使得大壁虎能够在竖直面上安全高效的自由运动. 这一研究对仿壁虎机器人的结构设计、步态规划和控制的选择有所启发和帮助.     

虎纹捕鸟蛛运动反力测试

动物运动反力的测定将揭示动物运动过程的力学规律、启发仿生机器入控制设计．用三维力传感器测定虎纹捕鸟蛛水平运动时的三维运动反力,高速摄像分析虎纹捕鸟蛛各步足的功能．结果表明蜘蛛前足支撑相和摆动相不连续,运动方向受到的力始终和运动方向相反,起探测和辅助支撑作用．后足受到的力最大,方向始终和运动方向相同,起主要驱动作用．中间两对足受到的力在支撑相前段与运动方向相反,在支撑相后段与运动方向相同,但侧向力最大,对稳定运动贡献较大．运动中,法向反力显著大于侧向和运动方向的反力,各步足的支撑角变化不大,均在60°-70°间．上述结果表明了蜘蛛运动中各步足力学功能的差异,为启发机器人结构设计、步态规划和控制规律提供了仿生依据．     

虎纹捕鸟蛛水平面运动行为

动物运动行为的研究对运动学的分析以及仿生机器人的研制有着重要意义. 运用动物运动行为观测系统获取了虎纹捕鸟蛛(Ornithoctonus huwena)水平面直线运动的运动学信息,如步足的运动状态、质心的运动和步足各关节转动角度的变化等信息. 结果表明: 虎纹捕鸟蛛以一侧的步足1 和3 与对侧的步足2 和4 为一组运动相, 两组运动相在运动中相互交替运动相位. 运动速度的提高主要依靠于步频的提高来实现, 并且运动稳定性优于昆虫. 质心的速度和高度周期波动, 步足相位交替时质心的高度和速度均较高, 稳定运动状态下质心的高度和速度均较低. 步足4 偏向角的变化最小, 有利于对身体的驱动; 由于步足1 的探寻功能使得运动中其各关节转动角度的变化不定. 上述结果对仿生机器人的设计和步态规划有所启示.     

墙面及天花板上大壁虎脚趾作用力测试和脚掌形态研究

用3维运动作用力测试系统测量大壁虎在墙面和天花板上稳定运动时的脚趾作用力,分析了脚趾力的变化与壁虎运动的关系;用高速摄像跟踪观察壁虎在稳定运动时脚趾行为,获得壁虎在墙面、天花板上运动时脚掌形态特征;揭示大壁虎在墙面及天花板上稳定粘附的形态学和接触力学规律.结果表明：在墙面和天花板接触表面内脚趾的面力与脚趾的夹角分别为12.6°和3.1°,垂直于接触表面的粘附力足以平衡重力引起的翻转矩或重力;壁虎第1和第5脚趾产生方向相反的力,在接触面内形成冗余结构,提高接触的可靠性和稳定性;墙面与天花板表面运动中脚趾作用力与运动表面的夹角近似相等（约20°）;壁虎在天花板运动时,脚趾作用力明显大于在墙面运动时的脚趾作用力;上述结果可以启发仿壁虎机器人脚掌的控制与设计。     

一种二维力/扭矩传感器的设计

针对用于测试旋转型行波超声电机工作状态下定子、转子摩擦力/力矩的特殊要求,并利用有限元法对传感器进行了结构优化,设计了组合式二维传感器,该传感器的一维测量法向正压力;另一维测量扭矩。法向力的量程为0~200N,准确度为0.09%;扭矩的量程为0~2N.m,准确度为0.41%。满足了试验要求。     

虎纹捕鸟蛛运动反力测试

动物运动反力的测定将揭示动物运动过程的力学规律、启发仿生机器人控制设计.用三维力传感器测定虎纹捕鸟蛛水平运动时的三维运动反力,高速摄像分析虎纹捕鸟蛛各步足的功能.结果表明蜘蛛前足支撑相和摆动相不连续,运动方向受到的力始终和运动方向相反,起探测和辅助支撑作用.后足受到的力最大,方向始终和运动方向相同,起主要驱动作用. 中间两对足受到的力在支撑相前段与运动方向相反,在支撑相后段与运动方向相同,但侧向力最大,对稳定运动贡献较大.运动中,法向反力显著大于侧向和运动方向的反力,各步足的支撑角变化不大,均在60°-70°间.上述结果表明了蜘蛛运动中各步足力学功能的差异,为启发机器人结构设计、步态规划和控制规律提供了仿生依据.     

大鼠在侧向冲击下的平衡调节行为

在外界的干扰下,动物可以实时地调整运动模式,来平衡外界的扰动以保持运动的平稳性.本文以短腿直立动物大鼠(Rattus norregicus)为研究对象,用单摆分别冲击大鼠的胸外侧和腹外侧,由高速摄像机和三维运动反力测试系统同步记录大鼠受到冲击时的运动行为和受到的地面反力.研究大鼠受到侧向冲击的平衡调节策略.大鼠抗冲击的平衡调节策略与身体受冲击的部位有显著相关性.胸外侧受到冲击时,大鼠主要依靠类弹簧的身体迅速弯曲吸收能量.腹外侧受到冲击时,大鼠通过身体的侧摆和腿的外支撑,刚性地平衡侧向冲击力和力矩.通过身体的侧摆实现应急缓冲比身体弯曲的应急缓冲时间短,但是调整恢复到正常运动状态需要更多时间.研究动物在外界干扰下的身体平衡调节策略,可以为仿生机器人的鲁棒性设计提供参考.     

大壁虎在天花板表面的运动行为与动力学研究

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义．用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力, 结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力, 并比较分析了前后腿的作用. 结果表明壁虎在天花板表面运动的速度为0.17~0.48 m/s, 前后腿向身体中线方向收拢. 脚掌在与天花板表面初始接触时间内产生冗余的预压力, 以确保运动的安全, 前腿的法向预压力大于后腿. 前后腿的侧向作用力大小相当. 前腿运动方向的作用力始终和运动方向相同, 起主要推动作用; 后腿运动方向的作用力始终和运动方向相反. 前后腿的法向作用力分别占体重的73.4%和60.6%. 运动中, 运动方向的作用力明显大于侧向和法向的作用力, 前腿主要起到推动作用, 后腿则主要起稳定作用. 上述结果表明壁虎在天花板表面运动中腿功能的变化, 使得壁虎能够在极端条件下自由运动, 并启发机器人结构设计、步态规划和控制规律的选择.