湿粘附动物的运动行为和运动力学研究

摘要

湿粘附广泛存于在生物界中，而蝾螈作为一种典型的湿粘附动物，是研究湿粘附机制的理想动物。通过研究它在运动过程运动行为和三维运动反力的变化规律，可以为湿粘附机器人的研究提供技术支持。本文采用全空间三维运动反力测试系统采集蝾螈在0°、30°、60°和75°表面的三维运动反力，同时使用高速摄像机记录蝾螈的运动行为。为了进一步探讨蝾螈脚垫的微观结构对其粘附能力的影响，本文借助扫描电镜观察脚垫的微观结构。本文设计了基于Matlab GUI的运动力学数据处理界面，该界面可以实现视频和力学数据的同步显示，及力学数据截取、归一化和保存，极大提高了试验数据的处理速度。
　　坡度增加使蝾螈的步态从对角步态转变成了三角步态，三角步态增加了蝾螈在陡坡上运动的可持续性。速度在减小的的同时，蝾螈在运动过程中的支撑时间在相应增加，并且前肢支撑时间的增加的幅度要大于后肢。蝾螈前肢采取匍匐姿态，降低肩关节的与表面的高度；而后肢尽量将脚掌远离身体来降低髋关节高度。这些动态的调整减小蝾螈爬陡坡（60°和75°表面）的过程中俯仰力矩，增加了运动的稳定性和安全性。
　　蝾螈前脚掌与各个表面接触的初始阶段驱动力表现为负值，防止蝾螈由于速度过快引起身体前倾。随着坡度的增加，前肢提供的驱动力逐渐增加，且增加的幅度大于后肢增加的幅度，前肢由驱动力的辅助提供者逐渐成为驱动力的主要提供者。侧向力随着坡度变大而增大，并且方向由在0°表面上的不确定逐渐过渡到75°表面上指向身体外侧。侧向力指向身体外侧可以形成类似于壁虎脚掌那样的内收力，有利于增加剪切力和降低质心高度减小俯仰力矩。在60°表面上，法向粘附力出现在前肢接触的初始阶段；在75°表面上，法向粘附力出现在前肢接触的各个阶段。蝾螈不能90°表面上爬行是因为俯仰力矩产生的剥落力已经超出前脚掌产生的粘附力。蝾螈粘附脚垫由许多近似圆形凸起的子单元和凹槽组成，这种微观特征有利于维持和增加在潮湿环境的剪切力。

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注释表

第一章 绪论

1.1仿生学研究背景

1.2运动行为、力学和粘附接触研究的意义

1.3 国内外研究进展

1.4 本论文的主要工作

第二章 运动行为和运动力学研究方法

2.1试验材料和试验方法

2.2试验设备

2.3 试验数据处理

2.4 小结

第三章 蝾螈在不同坡度表面上运动行为和运动力学数据

3.1试验流程

3.2运动行为实验结果

3.3蝾螈运动力学数据

3.4本章小结

第四章 蝾螈运动行为和运动力学的分析

4.1蝾螈在不同表面上运动行为的分析

4.2 蝾螈在不同表面上的运动力学分析

4.3蝾螈脚垫的剪切力分析

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2本文创新点

5.3展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录