動物運(yùn)動接觸反力測試系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)與分析.pdf

1、運(yùn)動是動物捕食、逃逸、生殖、繁衍等行為的基礎(chǔ)。壁虎、蜘蛛、昆蟲等快的運(yùn)動速度、強(qiáng)的負(fù)載能力、高度的靈敏性，使它們成為運(yùn)動學(xué)研究的理想模型。生物學(xué)家們從比較生物學(xué)的角度深入研究壁虎、蜘蛛、昆蟲等動物的爬行基本規(guī)律，工程師們則從動物運(yùn)動中獲得設(shè)計靈感，進(jìn)一步提高特種仿生機(jī)器人（特別是爬壁機(jī)器人）和其他復(fù)雜系統(tǒng)的性能。研究壁虎、蜘蛛、昆蟲等動物在各種表面（地面、壁面、天花板）上運(yùn)動時腳掌與接觸表面的作用力，可以為生物學(xué)家和工程師們研究動物時的

2、粘附機(jī)制提供有價值的線索。本文主要研究內(nèi)容如下： 1.研制了兩種量程的3維力傳感器用于測量壁虎、蜘蛛、昆蟲等動物運(yùn)動時腳掌與接觸表面作用力。對傳感器彈性體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，按照設(shè)計要求對傳感器彈性體加工貼應(yīng)變片。研制了傳感器的信號調(diào)理和放大電路，編制信號采集與數(shù)據(jù)處理程序。對兩種量程的力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。 2.研制了昆蟲運(yùn)動力學(xué)測試系統(tǒng)。由16個用于測量昆蟲腳掌接觸力的傳感器組成的4×4傳感器陣列，通過限位保護(hù)裝置防止傳感器在

3、安裝和實(shí)驗(yàn)過程中的過載失效。采用NI公司的SCXI應(yīng)變調(diào)理模塊和相應(yīng)的采集模塊組成48通道的信號放大與數(shù)據(jù)調(diào)理電路。編制了基于LabVIEW環(huán)境的數(shù)據(jù)采集與分析軟件。配合動態(tài)圖像的同步采集，運(yùn)動力學(xué)測試系統(tǒng)可以測量分析動物運(yùn)動過程中各個腳掌之間的力學(xué)協(xié)調(diào)規(guī)律。設(shè)計了由多個用于壁虎腳掌接觸力測試的3維力傳感器組成的測力陣列。 3.測定了壁虎在水平地面和垂直壁面爬行過程中腳掌與表面的接觸力，觀察了壁虎的形態(tài)特征與運(yùn)動行為，結(jié)果表明壁

4、虎在垂直壁面爬行過程中的切向力是法向力的2倍以上，為類壁虎機(jī)器人腳掌力反饋的設(shè)計提供理論依據(jù)。 4.分析了黃斑蝽的腿部運(yùn)動。測定了黃斑蝽在地面和垂直壁面兩種狀態(tài)下的爬行時的接觸力，分析了力的產(chǎn)生機(jī)理。在垂直壁面狀態(tài)下，昆蟲向上爬行時將身體向上推進(jìn)的同時，會產(chǎn)生防止身體傾覆的吸附力。 5.對斑衣蠟蟬的生物學(xué)形態(tài)進(jìn)行了觀察研究。發(fā)現(xiàn)斑衣蠟蟬通過中墊實(shí)現(xiàn)在光滑壁面上的附著。測量了斑衣蠟蟬在切向和法向兩種狀態(tài)下的抓附力以及在切向