树蛙等四足动物运动学与动力学研究

摘要

树蛙运动学与动力学的研究，可以进一步完善动物的粘/脱附机理，也可应用于湿滑表面仿生机器人的爬行等工程领域。本文采用动物运动力学数据采集系统测试树蛙各个脚掌的三维接触反力和协调运动行为数据。以PXIe和LabVIEW为系统平台，采用3×8传感器阵列、72通道数据采集与处理模块和高速摄像机等装置，同步采集力学数据和图像数据。
　　引导树蛙在不同坡面(0°、15°、30°、45°、60°和75°)爬行，从而研究树蛙的爬坡能力。树蛙爬坡时主要采用对角步态，不同坡度的身体运动学和步足功能都存在一定差异性。随着坡度增大，树蛙逐渐由步频变速转变为步距变速；驱动力和法向力随着身体重心的后移，逐渐由后腿承担；侧向力变化不明显。结合运动学和动力学数据可得：树蛙采用大步距小速度和后蹲式运动应对爬行坡度的增大。
　　将树蛙放置在匀速(4±2rad/s)旋转的试验台上以研究树蛙的静态附着能力。在0°-80°±9°范围内，树蛙保持蜷缩姿态；从80°±9°到开始脱附，树蛙身体姿态分别在106°±12°和131°±11°发生明显的变化。随着转动角度增大，侧向力值变大，左右脚掌逐渐产生内拉行为；驱动力约等于体重的正弦分量，法向力约等于体重的余弦分量。试验数据表明：树蛙利用摩擦力提高在悬垂表面的粘附能力，剥落角越小，脱附力越大，与Kendall剥落模型相一致。
　　比较不同坡面静态附着与爬行能力可知，树蛙的运动方式受接触表面倾斜角度的影响：在低坡面可以快速爬行，但只能静态附着于陡坡面，这与湿粘附薄膜的破裂有关。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 动物运动学与动力学研究的意义

1.3 国内外研究进展

1.4 本论文的主要工作

第二章 树蛙运动学与动力学研究试验方法

2.1 试验动物

2.2 试验设备

2.3 试验数据处理

2.4 小结

第三章 树蛙在不同坡面的爬行能力研究

3.1 试验过程

3.2 运动学数据

3.3 动力学数据

3.4 树蛙不同坡面爬行运动学与动力学分析

3.5 小结

第四章 树蛙在不同坡面的静态附着能力研究

4.1 试验过程

4.2 试验结果

4.3 讨论

4.4 小结

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