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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 大壁虎运动反力实验研究 姓名：王周义 申请学位级别：硕士 专业：机械设计及理论 指导教师：戴振东;吉爱红 20090301 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 大壁虎运动反力测试系统用于测试壁虎在三种表面（水平面、墙面、天花板）上自由爬行 过程中，脚掌与运动表面接触时产生的 3 维运动反力，并实时记录大壁虎运动的影像资料。该 系统包括 3 维传感器阵列、信号调理与数据采集设备、图像采集设备以及专用测试软件。 通过实验获得了大壁虎在水平面、墙面和天花板运动的大量实验数据，结合影像资料，比 较分析了壁虎在三种表面爬行过程中脚掌与运动表面的运动反力。发现在不同表
2、面运动，壁虎 步足在运动中的功能存在差异,并从力学的角度对壁虎身体的运动规律做了初步的阐述。 首次获得了壁虎在墙面与天花板表面运动过程中的初始接触力。比较了在两个表面运动中 初始接触力的大小。分析了初始接触力与运动速度，初始接触力作用时间与速度之间的相互关 系，并在此基础上分析单个脚趾受力情况，发现脚趾主受力方向为脚趾径向。 通过测试大壁虎在不同的表面爬行过程中脚掌与表面的接触力，分析壁虎在爬行过程中的 吸附机制和运动规律，从而深入理解动物保持高灵活性、稳定性和机动性的深层力学原因和神 经控制机制，为类壁虎机器人的运动学和仿生学带来相关的启示。 关键词：关键词：传感器阵列，3 维运动反力，初始
3、接触力，壁虎 大壁虎运动反力实验研究 ii ABSTRACT Geckos kinematics force measuring system is used to measure the reaction force between Geckos feet and the surface when it is crawling on all kinds of surface（on horizontal surface, on walls, on ceilings） ，and write down images of Geckos movement at the same time. The
4、system is consisted by 3-dimensional sensor array，signal conditioning system，images requiring system and measuring software. A large number of force data were obtained by the test system after a great amount of experiment. By these force data and the image material，the regularity of three-dimensiona
5、l contact force in horizontal，vertical and ceiling surface was researched，meanwhile，the affect of each paw to the locomotion of the gecko was analyzed in a single gait cycle. At last，a primary description about the gecko locomotion principle was acquired mainly focused on the force analysis. The pre
6、load force on the vertical surface and ceiling of the gecko was tested for the first time in this paper. The relationships between the preload force and the moving speed，the preload force and the contact time were studied in detail; the force of a single toe was analyzed as well. By measuring the di
7、fferent target surface reaction force， Geckos adhesion mechanism and locomotion were analyzed. It can help to understand the kinematics and neurology of animals locomotion. It sheds light on the study of animals locomotion. The results have obvious implications for inspired the design of bio-inspire
8、d robot by the geckos locomotion mechanism. Keyword：Sensor array，3-dimensional reaction force， Incipinent contact force ， Gecko 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图 清 单 图 2.1 A 大壁虎，B 多疣壁虎. 5 图 2.2 3 维力传感器阵列. 6 图 2.3 大壁虎运动力学测试系统示意图. 7 图 2.4 3 维力传感器实物图. 8 图 2.5 3 维力传感器阵列的传感器排列方式. 9 图 2.6 传感器阵列实物图. 9 图 2.7 壁虎运动反力测试实验流程图
9、. 10 图 2.8 坐标转化图. 11 图 2.9 运动反力角度图. 12 图 2.10 A 实验文本文档，B 实验影像文档 . 14 图 2.11 影像资料初步筛选步骤. 16 图 2.12 全脚掌数据提取步骤. 17 图 2.13 全脚掌数据提取补充步骤. 19 图 3.1 大壁虎正表面运动反力时间曲线图. 23 图 3.2 大壁虎正表面运动驱动角变化图. 25 图 3.3 大壁虎正表面运动支撑角变化图. 25 图 3.4 壁虎正表面前后脚掌运动反力平均值. 26 图 3.5 大壁虎零表面运动反力时间曲线图. 28 图 3.6 大壁虎零表面运动驱动角变化图. 30 图 3.7 大壁虎零表面运动支撑角变化图. 31 图 3.8 壁虎零表面前后脚掌运动反力平均值. 31 图 3.9 大壁虎负表面运动反力时间曲线图. 34 图 3.10 大壁虎负表面运动驱动角变化图. 36 图 3.11 大壁虎负表面运动支撑角变化图. 37 图 3.12 壁虎天花板单脚掌运动反力平均值. 38 图 4.1 壁虎前后脚运动反力方向图. 40 图 4.2 壁虎各表面运动反力关系曲线图.
