上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（论文资料）陆地仿生_大壁虎斜面运动力学、脚趾外翻脱附力学及其仿生研究.pdf_P11-P15

南京航空航天大学博士学位论文 v 目录第一章绪论 ..........................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义..........................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................................5 1.2.1 论文研究的生物学基础.......................................................................................................5 1.2.2 力测试方法的研究...............................................................................................................7 1.2.3 动物运动反力的研究...........................................................................................................9 1.2.4 壁虎脱附机制的研究.........................................................................................................12 1.3 论文的主要研究内容.................................................................................................................14 第二章动物全空间运动反力--行为测试系统..................................................................................18 2.1 壁虎运动反力测试的难点........................................................................................................18 2.2 动物全空间运动反力--行为测试系统 .....................................................................................18 2.2.1 测试系统的组成.................................................................................................................18 2.2.2 三维力传感器及其标定.....................................................................................................20 2.3 力测试阵列与力测试平台性能对比实验................................................................................22 2.3.1 实验动物及测试设备.........................................................................................................22 2.3.2 对比实验的数据处理.........................................................................................................22 2.4 结果和讨论................................................................................................................................23 2.4.1 力测试阵列(FMA)测得的三维运动反力 .........................................................................23 2.4.2 力测试平台(FMP)测得的三维运动反力..........................................................................24 2.4.3 两种装置测得的运动反力的比较.....................................................................................25 2.5 结论............................................................................................................................................26 第三章壁虎在倒置面、竖直面和水平面的运动反力模式.............................................................27 3.1 典型表面运动反力研究进展及存在问题................................................................................27 3.2 实验材料和方法........................................................................................................................27 3.2.1 实验动物及装置.................................................................................................................27 3.2.2 典型表面运动的力学数据处理.........................................................................................28 3.3 典型表面运动的实验结果.........................................................................................................29 3.3.1 在倒置面(天花板)运动时的运动反力模式......................................................................30 3.3.2 在竖直面(墙面)攀爬时运动反力的模式..........................................................................31 万方数据

大壁虎斜面运动力学、脚趾外翻脱附力学及其仿生研究 vi 3.3.3 在水平面(地面)爬行时运动反力的模式..........................................................................32 3.4 讨论............................................................................................................................................33 3.4.1 力学模型与分析..................................................................................................................33 3.4.2 运动反力的新表达方法.....................................................................................................37 3. 5 结论...........................................................................................................................................37 第四章壁虎运动反力模式随斜面倾斜度变化的阈值.....................................................................39 4.1 本章引论....................................................................................................................................39 4.2 实验设计及数据处理................................................................................................................40 4.2.1 运动反力和运动行为数据处理.........................................................................................41 4.2.2 不同斜度表面数据的统计分析.........................................................................................41 4.3 不同斜度表面的实验结果........................................................................................................42 4.3.1 各个脚掌的反力峰值和冲量.............................................................................................42 4.3.2 各个角度参数随倾斜度的变化.........................................................................................46 4.3.3 肢体对克服爬行阻力和爬行载荷的贡献比.....................................................................46 4.4 分析与讨论................................................................................................................................49 4.4.1 推进模式对于倾斜角的响应.............................................................................................49 4.4.2 倾斜面上重力的分配机制.................................................................................................50 4.4.3 在倾斜面上脚的方向和形态之间的相关性.....................................................................52 4.5 结论............................................................................................................................................53 第五章壁虎在应对斜面倾斜度变化时步态和姿态的调控策略.....................................................54 5.1 壁虎爬坡中步态与姿态的研究现状........................................................................................54 5.2 步态与姿态参数的设定............................................................................................................55 5.2.1 参数获得方法.....................................................................................................................55 5.2.2 数据的统计分析.................................................................................................................56 5.3 步态和姿态参数的结果............................................................................................................57 5.3.1 运动步态 ............................................................................................................................57 5.3.2 侧向弯曲 ............................................................................................................................58 5.3.3 姿态调整 ............................................................................................................................59 5.4 讨论............................................................................................................................................60 5.4.1 步态特征的变化.................................................................................................................60 5.4.2 姿态的控制策略.................................................................................................................60 5.4.3 侧向弯曲对于倾斜度的响应.............................................................................................62 万方数据

南京航空航天大学博士学位论文 vii 5.4.4 大壁虎脊柱侧向弯曲的解剖学结构基础.........................................................................63 5.5 结论............................................................................................................................................63 第六章壁虎倾斜面运动中的倾覆与翻滚.........................................................................................65 6.1 倾覆与翻滚的研究意义............................................................................................................65 6.2 运动中的倾覆、翻滚和弯曲....................................................................................................65 6.2.1 倾覆和侧滚冲量矩.............................................................................................................65 6.2.2 弯曲冲量矩.........................................................................................................................68 6.3 讨论............................................................................................................................................68 6.3.1 运动中倾覆与翻滚冲量矩的平衡.....................................................................................68 6.3.2 前后脚掌对侧向弯曲的贡献.............................................................................................69 6.4 结论............................................................................................................................................70 第七章竖直面内运动方向对壁虎运动行为与运动力学的影响.....................................................71 7.1 运动方向对于运动的影响........................................................................................................71 7.1. 实验方法及数据处理...............................................................................................................71 7.1.1 运动方向的定义.................................................................................................................71 7.1.2 相关参数的获取.................................................................................................................72 7.2 不同运动方向下运动行为和运动反力的结果........................................................................72 7.2.1 运动步态 ............................................................................................................................72 7.2.2 脚掌作用力.........................................................................................................................73 7.2.3 倾覆冲量矩.........................................................................................................................76 7.3 讨论............................................................................................................................................77 7.3.1 运动步态 ............................................................................................................................77 7.3.2 倾覆冲量矩的平衡.............................................................................................................77 7.3.3 单脚功能 ............................................................................................................................78 7.3.4 两种壁虎竖直面运动的对比.............................................................................................80 7.5 结论............................................................................................................................................81 第八章摩擦力和黏附力对壁虎斜面运动可靠附着的贡献.............................................................82 8.1 脚掌与基底的可靠附着............................................................................................................82 8.2. 实验材料与方法.......................................................................................................................82 8.2.1 实验设备的改进.................................................................................................................82 8.2.2 数据参数的定义.................................................................................................................83 万方数据

大壁虎斜面运动力学、脚趾外翻脱附力学及其仿生研究 viii 8.2.3 数据的统计分析.................................................................................................................84 8.3 脚掌与基底附着的形态与力学结果........................................................................................85 8.3.1 稳定附着阶段脚掌的接触状态.........................................................................................85 8.3.2 稳定附着阶段切向力和法向力的峰值.............................................................................86 8.3.3 反力矢量的临界角及相应的临界反力.............................................................................86 8.4 讨论............................................................................................................................................89 8.4.1 摩擦力和黏附力的协同作用.............................................................................................89 8.4.2 脚掌的摩擦黏附特性.........................................................................................................93 8.4.3 脚掌的黏附状态和身体姿态的调整.................................................................................94 8.5 结论............................................................................................................................................95 第九章壁虎脚趾外翻脱附的力学测试及力学模型.........................................................................96 9.1 外翻脱附的研究现状................................................................................................................96 9.2 单个脚趾外翻脱附的力学测试................................................................................................96 9.2.1 用于测试脚趾外翻力学性能的实验装置..........................................................................97 9.2.2 脚趾外翻脱附实验步骤......................................................................................................98 9.2.3 脚趾外翻实验数据处理.....................................................................................................98 9.3 脚趾外翻脱附的实验结果......................................................................................................100 9.3.1 脚趾外翻的行为学数据...................................................................................................100 9.3.2 外翻脚趾的受力状态.......................................................................................................101 9.4 脚趾外翻脱附模型..................................................................................................................102 9.4.1 模型的生物学基础............................................................................................................102 9.4.2 脚趾脱附的有限元分析...................................................................................................103 9.4.3 脚趾的力学模型...............................................................................................................106 9.5 讨论 ..........................................................................................................................................109 9.5.1 黏附安全裕度...................................................................................................................109 9.5.2 外翻脱附的力学机制.......................................................................................................109 9.5.3 外翻脱附与剥离脱附.......................................................................................................110 9.6 结论.......................................................................................................................................... 111 第十章总结与展望 ..........................................................................................................................113 10.1 研究总结 ...........................................................................................................................113 10.2 论文创新点 .......................................................................................................................114 10.3 论文的不足与建议............................................................................................................115 万方数据