大壁虎运动力学测试系统研制及其力学规律分析

论文摘要

大壁虎运动力学测试系统用于测试壁虎在各种表面(水平面、垂直面、天花板)上自由爬行过程中,脚掌与表面接触时产生的3维接触力,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。3维传感器阵列是系统的核心,由16个相互独立的3维力传感器组成。传感器成二行八列分布,阵列总长度为240mm,宽度可根据不同壁虎的形体特征进行调节。设计了传感器定位槽和装夹孔,可分别调整每个传感器的安装位置。测试硬件采用NI公司的SCXI应变调理模块和相应的采集模块。实验程序在LabVIEW软件中开发,并实现不同的采集功能。得到了大壁虎在正表面、零表面和负表面运动的大量实验数据,结合影像资料,分析了壁虎在三种表面爬行过程中每只脚掌与表面的接触力,在同一个步态周期中,在不同表面每只脚掌对身体运动有不同的作用。从受力方面对壁虎身体重心的运动规律做了初步的阐述。将一对2维小量程力传感器组合成并联式2维力传感器。从传感器结构和尺寸方面对2维小量程力传感器进行了优化设计,传感器采用并联结构方式组合,不仅消除了测力位置变化引起的误差测量,而且提高了组合传感器的整体刚度。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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 动物运动力学研究的意义
• 1.3 国内外动物运动力学的研究进展
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 大壁虎运动力学测试系统
• 2.1 引言
• 2.2 运动力学测试系统组成
• 2.3 3 维力传感器阵列
• 2.3.1 单个传感器的结构及性能
• 2.3.2 多个传感器的编号和标定
• 2.3.3 阵列结构
• 2.3.4 位置安装和调整装置
• 2.4 信号调理采集与程序设计
• 2.4.1 信号调理
• 2.4.2 信号调理和采集设备
• 2.4.3 程序设计
• 2.5 图像采集系统
• 2.6 小结
• 第三章 壁虎运动力学分析
• 3.1 壁虎的研究进展
• 3.2 实验对象和方法
• 3.3 壁虎正表面运动分析
• 3.3.1 单只脚掌的接触力分析
• 3.3.2 对角运动接触力分析
• 3.4 壁虎零表面运动分析
• 3.4.1 单只脚掌的接触力分析
• 3.4.2 对角运动接触力分析
• 3.5 壁虎负表面运动分析
• 3.5.1 单只脚掌的接触力分析
• 3.5.2 对角运动接触力分析
• 3.6 小结
• 第四章 2 维并列式力传感器
• 4.1 课题背景
• 4.2 2 维力传感器
• 4.2.1 传感器结构
• 4.2.2 结构优化设计
• 4.2.3 关键尺寸优化设计
• 4.2.4 结构模态分析
• 4.2.5 贴片和组桥
• 4.3 并联式2 维力传感器
• 4.3.1 组合方式
• 4.3.2 组合原理
• 4.4 传感器的标定和静态特性
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 大壁虎运动力学测试系统
• 5.2 壁虎运动力学分析
• 5.3 并联式 2 维力传感器
• 5.4 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文