大壁虎运动体态及其与步态相关性的实验研究.docVIP

大壁虎运动体态及其与步态相关性的实验研究 张昊成佳伟世旭戴振东 南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京210016; 2南京航空航天大学机电学院，南京210016 摘要 用高速摄像得到大壁虎地面、墙面(向上爬行和向下爬行)和天花板自由运动行为.以壁虎肢体上分布的特征标示点建立在体坐标系，研究了步态周期、占空比、身体弯曲位移和身体曲角等反映壁虎步态和体态的参数以及在上述4种运动状态下四肢与体态的协调关系.研究表明:大壁虎身体上任意一点在其爬行过程中均作复合运动;大壁虎的身体弯曲位移和弯曲角幅度因所在状态的不同而不同，天花板和墙面垂直向上的弯曲位移相近较另外两者大5000，且前两者的弯曲角幅度较另外两者的幅度分别大55%和40;大壁虎的身体弯曲位移和弯曲角相位一致，极值出现在支撑相和摆动相过渡时间;大壁虎的身体弯曲位移和弯曲角成线性正比关系，与所在的状态没有关系，线性斜率与大壁虎所在状态以及身体长度有一定关系.上述结果为设计具有柔性躯干，更加灵活高效的仿壁虎机器人的体态和步态规划提供了生物学启示. 关键词 大壁虎步态体态占空比 爬壁机器人在军事、航空、民用等方面有明确的需求[1,2].现有爬壁机器人采用真空吸附[3]，吸附[4]和仿壁虎刚毛吸附闹，它们在运动的稳定性、灵活性、健壮性等方面还远远落后于动物[6.7]因此国内外不少学者研究动物的运动行为，希望启发仿生机器人设计. Ritter等[[8]研究了晰蝎运动时的脊椎弯曲行为，得出腿的支撑相/摆动相转化与其脊椎横向弯曲之间的关系.Raoul等[s,io〕研究了壁虎运动中步态参数的变化规律.Zaaf等〔“〕研究了地面运动和壁面运动壁虎的态特性(步距，腿跨距，占空比及爬行的角度等)与其爬行速度之间的关系，以及壁虎垂直面运动的运动学特性〔}z.ia7.近年来，Autumn等 研究了壁虎脚掌的表面结构[u .i5]，粘附力〔is, m]，粘附机制〔ia,is〕和自清洁能力[20]，以及脚趾上分层的刚毛与接触面间van der waals力的作用[2i,z2]，但没有涉及到壁虎运动时的步态和体态.Bergmann等[23,2A]研究了外界环境对壁虎运动的影响.国内梅涛等[[25]研制了仿壁虎机器人的粘附脚掌.戴振东等[26〕研究了仿壁虎机器人运动协调中的非连续约束的变结构运动机构问题和这类机器人的机构学、冗余驱动下的运动协调、非连续接触引发的动力学、机器人脚及地面反力、爬壁杆机构机器人豁附性脚掌的设计及相关微制造和相关步态规划与控制策略[27]，以及大壁虎支配运动的神经信息、运动调控[za.zs〕和电刺激大壁虎中脑诱导其运动转向的研究等[30].因此，研究壁虎运动时的肢体在时间/空间上的协调关系即步态和身体的姿势/形态即体态不仅可以避免形态差异对其运动规律和步态特性的影响，对爬壁机器人的运动规划和实现三维运动有着十分积极的意义. 本文利用壁虎步态实验系统对壁虎在地面、墙面(向上爬行和向下爬行)和天花板的自由运动进行实验，得到其身体上特征部位点的数据，通过对不同运动状态下壁虎爬行过程中的步态周期、占空比、身体弯曲位移和身体弯曲角等反映壁虎步态和体态的参数进行的比较和分析，初步揭示了壁虎爬行过程中的体态规律及其与步态关系，为柔性体躯干的仿壁虎四足机器人的设计提供参考. 1实验 1. 1动物 实验所用大壁虎(Gekko gecko)属晰蝎目，壁虎科，壁虎属，产自广西，用面包虫和水饲养在模拟自然环境的动物房.本实验所用大壁虎体重约(90. 5士6.2)g(n=3)，其体长约(255. 5士12. 2) mm，其中尾巴长度约为(102. 4士8.3)mm，如图1(a)所示，选定的大壁虎除体重随时间稍有变化外，其他体态特征未变.为便利观察壁虎运动的体态步态特征，选取左前肢(LF)与右前肢(RF)的2个髓关节点A,和Az，两个髓关节点的连线与脊柱的交点定为A点;同理，选取左后肢(LH)与右后肢(RH)的2个髓关节点E，和EZ，两个髓关节点的连线与脊柱的交点定为E点;C点为大壁虎脊柱在自然伸直状态下AE段的中点.实验前，在上述所述的5个数据点(A, , AZ , C, E,和EZ)用无毒荧光漆标记. 1. 2设备及参数 实验在步态实验系统中完成，如图1(b)所示.该装置的通道由带刻度的爬行路径和置于两侧的与路径成45“一对镜子组成，足够宽敞的通道不影响大壁虎足和身体的自由摆动.型号为MC1311的高速摄像机由三脚架支撑并调节到路径的距离，足够的距离可保证高速摄像的场景能达到大壁虎3-4个运动周期的运动距离.高速摄像机与计算机相连，并由驱动软件配置其参数，如:拍摄频率(100或250帧/s)，像素(1024 X 1024)和拍摄时间(4 s)等.拍摄