大壁虎在不同倾斜表面运动力学测试与比较分析

【摘要】： 大壁虎运动力的测定对揭示大壁虎运动的力学规律、指导类大壁虎机器人的研制、获得仿生机器人控制设计的灵感均有重要的意义。采用动物运动行为与运动力学测试系统测试大壁虎在不同倾斜角的斜面自由运动时,脚掌和脚趾与运动表面接触时产生的3维运动力,结合高速摄像分析讨论大壁虎在不同运动斜面运动时大壁虎脚掌的运动力,并比较前后腿的功能。 通过实验测得大壁虎在不同倾斜角的斜面(30°、60°、120°和150°)运动的运动力,并结合前期大壁虎在0°、90°和180°表面运动的测试结果,比较分析了大壁虎在此七种不同倾角的表面运动时脚掌、脚趾与运动表面作用力的变化规律;并讨论了各脚掌对身体运动的作用。从受力和步态方面对大壁虎身体的运动规律做了阐述,加深对生物运动的理解。 大壁虎在低倾斜角的斜面运动时,主要采用对脚步态运动,前脚缓冲运动,后脚驱动运动,运动速度较高,其主要依靠步频来提高速度;在高倾斜角的斜面运动时,采用三脚或对脚步态,前脚驱动运动,后脚缓冲运动,运动速度较低,其主要依靠步距来提高速度。大壁虎脚掌受到的运动力大小方向因斜面角度的不同而异,其中侧向力大小随运动斜面角度增加先增后减,而其方向在高低倾斜角上有较大差异;法向的粘附力主要用于平衡体重和翻转力矩。 本文首次测量了大壁虎在各个斜面(除0°斜面外)表面运动时脚趾接触力。脚趾接触力大小随斜面倾斜角的增加而增加,其中垂直于接触表面的粘附力主要用于平衡重力引起的翻转矩或重力。大壁虎脚趾在接触表面内的合力与脚趾的夹角较小且第1和第5脚趾产生方向相反的力,在接触面内形成冗余力,提高接触的可靠性和稳定性。 大壁虎在不同倾斜表面运动过程中脚掌运动力以及脚趾力的测试,深入了解大壁虎在运动过程中的吸附机制和运动规律,并启发仿生机器人机构设计、步态规划和控制规律的选择。