大壁虎斜面运动力学、脚趾外翻脱附力学及其仿生研究 图清单 图1.1在时间和空间上由移动中的动物施加的力的变化1 图1.2仿生机器BigD0g… 2 图1.3壁虎刚毛、刚毛阵列和脚趾的临界脱附角 3 图1.4仿壁虎黏附材料的研制. .4 图1.5仿壁虎机器人… 4 图1.6动物黏附脚掌的形态结构 5 图1.714种壁虎之间脚掌系统发育关系的研究 6 图1.8不同种类壁虎脚掌的刚毛形态图 6 图1.9壁虎黏附系统的尺度分级图. 7 图1.10力测试设备. 8 图1.11水平面运动中四、六、八步足动物足端的运动反力 .10 图1.12课题研究的框架图… 17 图2.1动物全空间运动反力一行为测试系统示意图和单个三维传感器结构图 ...19 图2.2传感器的静态标定示意图.… .21 图2.3通过敲击法获得测量传感器的侧向固有频率. 22 图2.4力测试阵列FMA)测得的壁虎竖直面运动的行为和反力 24 图2.5力测试平台(MP)测得的壁虎竖直面运动的行为和反力 25 图3.1壁虎在倒置面、竖直面和水平面上运动时运动反力峰值 29 图3.2壁虎在倒置面、竖直面和水平面运动时支撑角和驱动角的箱图 30 图3.3壁虎在倒置面（天花板）运动时运动反力的模式 31 图3.4壁虎在竖直面（墙面）攀爬时运动反力的模式 32 图3.5壁虎在水平面（地面）爬行时运动反力的模式… 图3.6壁虎在倒置面（天花板）运动时的力学模型 34 图3.7壁虎在竖直面（墙面）攀爬时的力学模型 35 图3.8壁虎在水平面（地面）爬行时的力学模型.36 图4.1在三个典型斜面（水平面、竖直面和倒置面）上壁虎脚掌的运动反力 39 图4.2质心位置以及脚掌方位的确定.… .40 图4.3壁虎在不同倾斜度表面运动支撑相阶段前后脚运动反力正负峰值的箱图..43 图4.4壁虎在不同倾斜度表面运动支撑相阶段前后脚运动反力冲量的箱图44 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 x 图 清 单 图 1.1 在时间和空间上由移动中的动物施加的力的变化.........................................................1 图 1.2 仿生机器 Big Dog..............................................................................................................2 图 1.3 壁虎刚毛、刚毛阵列和脚趾的临界脱附角.....................................................................3 图 1.4 仿壁虎黏附材料的研制.....................................................................................................4 图 1.5 仿壁虎机器人.....................................................................................................................4 图 1.6 动物黏附脚掌的形态结构.................................................................................................5 图 1.7 14 种壁虎之间脚掌系统发育关系的研究.........................................................................6 图 1.8 不同种类壁虎脚掌的刚毛形态图.....................................................................................6 图 1.9 壁虎黏附系统的尺度分级图.............................................................................................7 图 1.10 力测试设备.......................................................................................................................8 图 1.11 水平面运动中四、六、八步足动物足端的运动反力.................................................10 图 1.12 课题研究的框架图.........................................................................................................17 图 2.1 动物全空间运动反力—行为测试系统示意图和单个三维传感器结构图...................19 图 2.2 传感器的静态标定示意图................................................................................................21 图 2.3 通过敲击法获得测量传感器的侧向固有频率...............................................................22 图 2.4 力测试阵列(FMA)测得的壁虎竖直面运动的行为和反力............................................24 图 2.5 力测试平台(FMP)测得的壁虎竖直面运动的行为和反力 ............................................25 图 3.1 壁虎在倒置面、竖直面和水平面上运动时运动反力峰值...........................................29 图 3.2 壁虎在倒置面、竖直面和水平面运动时支撑角和驱动角的箱图...............................30 图 3.3 壁虎在倒置面(天花板)运动时运动反力的模式 ............................................................31 图 3.4 壁虎在竖直面(墙面)攀爬时运动反力的模式................................................................32 图 3.5 壁虎在水平面(地面)爬行时运动反力的模式................................................................33 图 3.6 壁虎在倒置面(天花板)运动时的力学模型....................................................................34 图 3.7 壁虎在竖直面(墙面)攀爬时的力学模型........................................................................35 图 3.8 壁虎在水平面(地面)爬行时的力学模型........................................................................36 图 4.1 在三个典型斜面(水平面、竖直面和倒置面)上壁虎脚掌的运动反力 ........................39 图 4.2 质心位置以及脚掌方位的确定.......................................................................................40 图 4.3 壁虎在不同倾斜度表面运动支撑相阶段前后脚运动反力正负峰值的箱图...............43 图 4.4 壁虎在不同倾斜度表面运动支撑相阶段前后脚运动反力冲量的箱图.......................44 万方数据
南京航空航天大学博士学位论文 图4.5壁虎在不同倾斜度表面运动支撑相阶段前后脚角度变量的箱图 ..46 图4.6整个支撑相阶段前后脚对于克服攀爬阻力和分担攀爬负载的贡献比47 图4.7不同倾斜面上前后脚掌的切向冲量与脚掌方位角间的关系..49 图4.8不同倾斜面上壁虎运动的二维接触模型以及运动反力模式转变的临界角..51 图4.9壁虎在翻转斜面上的多层级反向力锁合结构以及层级协调作用的二维模型..52 图5.1点A在Z方向（法向）坐标的确定 55 图52一只62.4g壁虎在60°斜面爬行时的步态和身体的侧向弯曲 56 图5.3壁虎在不同倾斜度斜面上运动姿态参数的箱图 57 图5.4壁虎在不同倾斜度斜面上步态参数的箱图 58 图5.5壁虎躯干的侧向弯曲模型. ..62 图6.1斜面运动中壁虎的倾覆、翻滚和转向角以及冲量矩的值 66 图7.1壁虎竖直面运动三种不同方向运动示意图 .72 图7.2大壁虎竖直面运动步态序列图. 73 图7.3壁虎竖直表面不同方向运动步距、步频、负荷因素与速度的关系图.74 图7.4壁虎竖直面不同方向运动时单个脚掌侧向力、前后向力和法向力的平均值 .75 图7.5壁虎竖直面运动时倾覆力矩的平衡 .76 图7.6大壁虎在竖直面不同方向运动单脚作用力和小壁虎竖直面向上运动单脚作用力.79 图7.7两种壁虎竖直面由下向上运动时的单脚运动反力.…81 图8.1改进后的动物全空间运动行为一反力测试系统 83 图8.2壁虎自由运动在斜坡面上脚掌的接触状态以及运动反力……84 图8.3在稳定附着阶段脚掌与倾斜基底表面的接触状态 85 图8.4作用于脚掌的切向力和法向力峰值对于斜度的响应… 哈 图8.5脚掌反力矢量的临界角（α*）以及临界角的聚类分析结果 87 图8.6临界切向力和临界法向力随斜面倾斜度变化的散点图 88 图8.7脚掌与倾斜基底接触的二维力学模型.… 90 图8.8通过模型计算脚掌反力矢量的临界角 92 图8.9脚掌的接触状态和身体姿态调整对于斜面的响应 95 图9.1壁虎单个脚趾外翻脱附的微观行为和力学数据实验装置图 97 图92脚趾外翻脱附实验过程中的变形.… 99 图9.3体重31.1g壁虎后脚第四脚趾外翻脱附过程中的行为与受力状态.101 图9.4两只壁虎后脚第四脚趾外翻脱附过程中的力与时间关系曲线 .102 图9.6内聚力单元双线性本构模型 .104 xi 万方数据
南京航空航天大学博士学位论文 xi 图 4.5 壁虎在不同倾斜度表面运动支撑相阶段前后脚角度变量的箱图...............................46 图 4.6 整个支撑相阶段前后脚对于克服攀爬阻力和分担攀爬负载的贡献比.......................47 图 4.7 不同倾斜面上前后脚掌的切向冲量与脚掌方位角间的关系.......................................49 图 4.8 不同倾斜面上壁虎运动的二维接触模型以及运动反力模式转变的临界角...............51 图 4.9 壁虎在翻转斜面上的多层级反向力锁合结构以及层级协调作用的二维模型...........52 图 5.1 点 A 在 Z 方向(法向)坐标的确定...................................................................................55 图 5.2 一只 62.4g 壁虎在 60°斜面爬行时的步态和身体的侧向弯曲 .....................................56 图 5.3 壁虎在不同倾斜度斜面上运动姿态参数的箱图...........................................................57 图 5.4 壁虎在不同倾斜度斜面上步态参数的箱图...................................................................58 图 5.5 壁虎躯干的侧向弯曲模型...............................................................................................62 图 6.1 斜面运动中壁虎的倾覆、翻滚和转向角以及冲量矩的值...........................................66 图 7.1 壁虎竖直面运动三种不同方向运动示意图...................................................................72 图 7.2 大壁虎竖直面运动步态序列图.......................................................................................73 图 7.3 壁虎竖直表面不同方向运动步距、步频、负荷因素与速度的关系图. ......................74 图 7.4 壁虎竖直面不同方向运动时单个脚掌侧向力、前后向力和法向力的平均值...........75 图 7.5 壁虎竖直面运动时倾覆力矩的平衡...............................................................................76 图 7.6 大壁虎在竖直面不同方向运动单脚作用力和小壁虎竖直面向上运动单脚作用力...79 图 7.7 两种壁虎竖直面由下向上运动时的单脚运动反力.......................................................81 图 8.1 改进后的动物全空间运动行为—反力测试系统...........................................................83 图 8.2 壁虎自由运动在斜坡面上脚掌的接触状态以及运动反力...........................................84 图 8.3 在稳定附着阶段脚掌与倾斜基底表面的接触状态.......................................................85 图 8.4 作用于脚掌的切向力和法向力峰值对于斜度的响应...................................................86 图 8.5 脚掌反力矢量的临界角(α*)以及临界角的聚类分析结果............................................87 图 8.6 临界切向力和临界法向力随斜面倾斜度变化的散点图...............................................88 图 8.7 脚掌与倾斜基底接触的二维力学模型...........................................................................90 图 8.8 通过模型计算脚掌反力矢量的临界角...........................................................................92 图 8.9 脚掌的接触状态和身体姿态调整对于斜面的响应.......................................................95 图 9.1 壁虎单个脚趾外翻脱附的微观行为和力学数据实验装置图.......................................97 图 9.2 脚趾外翻脱附实验过程中的变形...................................................................................99 图 9.3 体重 31.1g 壁虎后脚第四脚趾外翻脱附过程中的行为与受力状态..........................101 图 9.4 两只壁虎后脚第四脚趾外翻脱附过程中的力与时间关系曲线.................................102 图 9.6 内聚力单元双线性本构模型.........................................................................................104 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 图9.7脚趾的力学模型.106 图9.8脚趾模型在外翻脱附过程中的应变和受力状态107 图9.9脚趾模型在剥离脱附过程中的应变和受力状态.108 图9.10壁虎脚掌与基底附着时的形态..111 xji 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 xii 图 9.7 脚趾的力学模型.............................................................................................................106 图 9.8 脚趾模型在外翻脱附过程中的应变和受力状态.........................................................107 图 9.9 脚趾模型在剥离脱附过程中的应变和受力状态.........................................................108 图 9.10 壁虎脚掌与基底附着时的形态................................................................................... 111 万方数据
南京航空航天大学博士学位论文 表清单 表2.1三维传感器的性能参数… 0.21 表3.1壁虎在倒置面、竖直面及水面上运动时的运动反力峰值及支撑角和驱动角32 表4.1在不同倾斜面壁虎左右脚反力的冲量以及角度参数的均值.45 表4.2各个参数对倾斜角度的最小二乘直线回归分析..47 表4.3不同倾斜面上壁虎前后脚冲量和角度变量的ANCOVA分析结果47 表4.4壁虎前后脚之间冲量和角度变量的ANCOVA分析结果 .48 表5.1不同倾斜角度上变量参数的ANCOVA分析… 59 表5.2各个步态特征参数随着不同斜面上速度值变化的最小二乘线性回归分析 61 表7.1壁虎竖直面不同方向运动时倾覆冲量矩的平衡.76 表8.1不同倾斜面上各个参数的平均值.… 87 表8.2壁虎前后脚反力和临界角在相邻倾斜度斜面间的ANCOVA分析结果 88 表8.3前脚和后脚之间变量（力、临界角）的ANCOVA分析结果 89 表8.4壁虎在斜坡上前后脚临界法向力和切向力间的线性回归结果 89 表9.1骨骼长度… .100 表9.2模型材料参数105 表9.3脚趾模型外翻和剥离时的法向力和切向力峰值以及冲量 ..109 xii 万方数据
南京航空航天大学博士学位论文 xiii 表 清 单 表 2.1 三维传感器的性能参数...................................................................................................21 表 3.1 壁虎在倒置面、竖直面及水面上运动时的运动反力峰值及支撑角和驱动角...........32 表 4.1 在不同倾斜面壁虎左右脚反力的冲量以及角度参数的均值.......................................45 表 4.2 各个参数对倾斜角度的最小二乘直线回归分析...........................................................47 表 4.3 不同倾斜面上壁虎前后脚冲量和角度变量的 ANCOVA 分析结果 ............................47 表 4.4 壁虎前后脚之间冲量和角度变量的 ANCOVA 分析结果 ............................................48 表 5.1 不同倾斜角度上变量参数的 ANCOVA 分析 ................................................................59 表 5.2 各个步态特征参数随着不同斜面上速度值变化的最小二乘线性回归分析...............61 表 7.1 壁虎竖直面不同方向运动时倾覆冲量矩的平衡...........................................................76 表 8.1 不同倾斜面上各个参数的平均值...................................................................................87 表 8.2 壁虎前后脚反力和临界角在相邻倾斜度斜面间的 ANCOVA 分析结果 ....................88 表 8.3 前脚和后脚之间变量(力、临界角)的 ANCOVA 分析结果..........................................89 表 8.4 壁虎在斜坡上前后脚临界法向力和切向力间的线性回归结果...................................89 表 9.1 骨骼长度 ........................................................................................................................100 表 9.2 模型材料参数.................................................................................................................105 表 9.3 脚趾模型外翻和剥离时的法向力和切向力峰值以及冲量.........................................109 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 注释表 ANCOVA 协方差分析 a 左右支撑脚之间的侧向间距 BW 单位体重比 6 左右支撑脚之间的前后向间距 BL 单位吻肛长比 质心与后脚间的侧向间距 在1方向加载荷时j方向电 C西 d 质心与后脚间的前后向间距 压的耦合系数 Dr 负荷因素 df 统计样本自由度 固定载荷法校准传感器时 Fx Fy,Fz 尽 步频 的横向、纵向及法向载荷 F F检验值 h 质心偏离基底表面的距离 FEM 有限元方法 n 样本数 FMA 力测试阵列 9 均布载荷 FMP 力测试平台 身体弯曲半径 作用于单个脚掌上的各个 脚跟产生的摩擦力和由脚趾产生 FL FE,FN 方向运动反力分量 nt 的黏附力对于可靠附着的贡献比 不同脚趾产生的黏附力对于可靠 FR 全反力 ny 附着的贡献比 切向力，即前后向力与横向 Fs 壁虎运动的前进速度 力的矢量和 F 切向力 ? 支撑角 FL 法向力 B 驱动角 F 稳定作用阶段切向力峰值 a* 力矢量临界角 FP 稳定作用阶段法向力峰值 1 平面镜与通道之间的角度 E 临界切向力 0 斜面倾斜角 F 临界法向力 对角横截面内肢体的几何接触角 G 重力 法向角 IG 重力冲量 N 个体数 作用于壁虎脚上的三个方 IL.Ie.IN 脚趾与基底间的夹角 向的反力冲量 LF 左侧前脚 CI 刚毛束的变形量 xiv 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 xiv 注释表 ANCOVA 协方差分析 a 左右支撑脚之间的侧向间距 BW 单位体重比 b 左右支撑脚之间的前后向间距 BL 单位吻肛长比 c 质心与后脚间的侧向间距 Cij 在 i 方向加载荷时 j 方向电 压的耦合系数 d 质心与后脚间的前后向间距 Df 负荷因素 d.f. 统计样本自由度 FX, FY, FZ 固定载荷法校准传感器时 的横向、纵向及法向载荷 fS 步频 F F 检验值 h 质心偏离基底表面的距离 FEM 有限元方法 n 样本数 FMA 力测试阵列 q 均布载荷 FMP 力测试平台 r 身体弯曲半径 FL, FF, FN 作用于单个脚掌上的各个 方向运动反力分量 rh_t 脚跟产生的摩擦力和由脚趾产生 的黏附力对于可靠附着的贡献比 FR 全反力 rt_t 不同脚趾产生的黏附力对于可靠 附着的贡献比 FS 切向力，即前后向力与横向 力的矢量和 v 壁虎运动的前进速度 F|| 切向力 α 支撑角 F⊥ 法向力 β 驱动角 F|| P 稳定作用阶段切向力峰值 α* 力矢量临界角 F⊥P 稳定作用阶段法向力峰值 η 平面镜与通道之间的角度 F|| * 临界切向力 θ 斜面倾斜角 F⊥* 临界法向力 δ 对角横截面内肢体的几何接触角 G 重力 φ 法向角 IG 重力冲量 N 个体数 IL, IF, IN 作用于壁虎脚上的三个方 向的反力冲量 ξ 脚趾与基底间的夹角 LF 左侧前脚 ε1 刚毛束的变形量 万方数据