動物運動接觸反力測試系統(tǒng)、實驗與分析.pdf

1、運動是動物捕食、逃逸、生殖、繁衍等行為的基礎。壁虎、蜘蛛、昆蟲等快的運動速度、強的負載能力、高度的靈敏性，使它們成為運動學研究的理想模型。生物學家們從比較生物學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動中獲得設計靈感，進一步提高特種仿生機器人（特別是爬壁機器人）和其他復雜系統(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）上運動時腳掌與接觸表面的作用力，可以為生物學家和工程師們研究動物時的

2、粘附機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、昆蟲等動物運動時腳掌與接觸表面作用力。對傳感器彈性體進行優(yōu)化設計，按照設計要求對傳感器彈性體加工貼應變片。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行標定。 2.研制了昆蟲運動力學測試系統(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，通過限位保護裝置防止傳感器在

3、安裝和實驗過程中的過載失效。采用NI公司的SCXI應變調(diào)理模塊和相應的采集模塊組成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，運動力學測試系統(tǒng)可以測量分析動物運動過程中各個腳掌之間的力學協(xié)調(diào)規(guī)律。設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，為類壁虎機器人腳掌力反饋的設計提供理論依據(jù)。 4.分析了黃斑蝽的腿部運動。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)生機理。在垂直壁面狀態(tài)下，昆蟲向上爬行時將身體向上推進的同時，會產(chǎn)生防止身體傾覆的吸附力。 5.對斑衣蠟蟬的生物學形態(tài)進行了觀察研究。發(fā)現(xiàn)斑衣蠟蟬通過中墊實現(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