壁虎在负重下的运动反力测定及三维传感器的优化分析

论文摘要

壁虎具有超凡的三维空间无障碍运动能力,也具有很好的负重能力,但负重对运动反力的影响尚没有研究。本论文测定壁虎负重情况下的脚掌与表面之间运动力,获得类壁虎机器人的先进机构设计和运动控制的新理念和新思路,揭示负重对动物运动的影响。采用三维力传感器阵列,结合动物运动行为观测,测试负重质量、负重方式、表面状态等参数对运动力的影响。首次测试了在一个步态周期中,不同表面状态不同负重时各脚掌运动力对动物运动存在的不同作用。在水平面上负重运动时,壁虎受到的侧向力指向身体中线,前脚力值受质量影响比后脚明显,力与速度的显著性随负重质量增加而迅速降低;驱动力控制身体前行速度,方向不定,前脚主要起缓冲运动的作用,而后脚主要起向前驱动的作用;法向力支撑体重,平衡重力,随负重质量增加冗余度减小。在墙面上负重运动时,壁虎存在一个短时间的初始接触阶段,随后壁虎产生背离身体中线的侧向力;驱动力与运动方向相同,克服重力驱动身体前行,重力起缓冲运动的作用;法向力将壁虎身体拉向墙面,克服重力产生的倾覆力矩的作用。无论是水平面还是墙面负重运动,运动力与负重质量之间都无线性关系,表明壁虎负重时的稳定运动依赖于各个脚的协调配合,而不是力的线性叠加。第二部分的工作是用有限元方法优化已设计的三维力传感器,以提高其固有频率。此外计算了一新型三维传感器的力-应变特征。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 生物负重运动力测试意义
• 1.3 国内外相关研究情况概述
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 动物运动行为与运动力测试系统的改进
• 2.1 动物运动行为与运动力测试系统
• 2.2 三维力传感器的改进
• 2.2.1 改进原理和依据
• 2.2.2 弹性体结构有限元分析
• 2.2.3 传感器电路布置
• 2.2.4 传感器的静态标定
• 2.2.5 传感器的动态标定
• 2.3 动物运动行为与运动力测试系统改进
• 2.3.1 传感器阵列布置的设计
• 2.3.2 传感器阵列系统爬行通道结构设计
• 2.3.3 信号调理与数据采集
• 2.3.4 实验过程
• 2.4 小结
• 第三章 壁虎水平表面负重运动3 维运动力测试结果
• 3.1 壁虎水平面负重6g 运动力测试
• 3.1.1 水平面负重6g 各脚掌运动力时间曲线
• 3.1.2 水平面负重6g 各脚掌运动力比较
• 3.2 壁虎水平面负重12g 运动力测试
• 3.2.1 水平面负重12g 各脚掌运动力时间曲线
• 3.2.2 水平面负重12g 各脚掌运动力比较
• 3.3 壁虎水平面负重24g 运动力测试
• 3.3.1 水平面负重24g 各脚掌运动力时间曲线
• 3.3.2 水平面负重24g 各脚掌运动力比较
• 3.4 壁虎水平面负重30g 运动力测试
• 3.4.1 水平面负重30g 各脚掌运动力时间曲线
• 3.4.2 水平面负重30g 各脚掌运动力比较
• 3.5 壁虎水平面负重运动力分析
• 3.6 小结
• 第四章 壁虎墙面负重运动3 维运动力测试结果
• 4.1 壁虎墙面负重6g 运动力测试
• 4.1.1 墙面负重6g 运动力时间曲线
• 4.1.2 墙面负重6g 各脚掌运动力比较
• 4.2 墙面负重12g 运动力测试
• 4.2.1 墙面负重12g 运动力时间曲线
• 4.2.2 墙面负重12g 各脚掌运动力比较
• 4.3 墙面负重24g 运动力测试
• 4.3.1 墙面负重24g 运动力时间曲线
• 4.3.2 墙面负重24g 各脚掌运动力比较
• 4.4 墙面负重30g 运动力测试
• 4.4.1 墙面负重30g 运动力时间曲线
• 4.4.2 墙面负重30g 各脚掌运动力比较
• 4.5 壁虎墙面负重运动力
• 4.6 小结
• 第五章 类壁虎机器人3 维力传感器
• 5.1 传感器的维数和量程的确定
• 5.2 传感器的设计
• 5.2.1 设计原理
• 5.2.2 应变传感器的结构
• 5.2.3 应变片选用与贴片
• 5.2.4 应变片桥路
• 5.3 传感器的有限元分析
• 5.3.1 传感器的几何建模和单元划分
• 5.3.2 传感器有限元应变求取
• 5.3.3 Ansys 下层式结构弹性体解耦性分析
• 5.3.4 传感器有限元分析结果
• 5.4 传感器的标定结果
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作
• 6.1.1 传感器阵列测试系统的改进
• 6.1.2 传感器的设计、改进及标定
• 6.1.3 壁虎负重实验
• 6.2 主要创新点
• 6.3 进一步的工作
• 6.3.1 进一步实验与分析工作
• 6.3.2 系统的改进
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文