壁虎墙面和虎纹捕鸟蛛地面运动步态与反力的测试与分析

摘要

大壁虎能够在全空间自由运动，而蜘蛛可以在崎岖的地面稳定运动。通过深入了解它们爬行过程中脚掌与不同表面之间接触力的变化规律，研究其运动的步态特征，可以为步足机器人的设计和制造提供依据和有益启示，同时加深对生物运动的理解。
　　 本文采用以三维力传感器为核心的动物运动力测试系统，测试壁虎在垂直墙面运动过程中（向上、向下、横向运动），脚掌与表面接触时产生的三维接触力，同时采用高速摄像系统同步记录壁虎的运动过程。另外分别运用高速摄像系统和力学测试平台测试虎纹捕鸟蛛的运动步态及反力。
　　 壁虎运动速度主要依靠步频的提高来提高运动速度，随着速度的提高支撑时间线性降低，向上和向下爬行时脚掌的负荷因素也线性降低，横向爬行时负荷因素与速度的线性关系不显著，粘附时间和脱附时间与速度没有线性关系。
　　 壁虎在向上和向下运动中，在身体上方的脚掌受负法向力作用将身体拉向墙面，下方脚掌法向力方向在运动中发生变化；侧向力指向身体外侧。横向运动中，身体上方的脚掌受到侧向力大于下方脚掌的侧向力；前脚驱动力的方向在运动中发生变化，后脚的驱动力单向；在法向力方面，身体上方的脚掌受负法向力作用，将身体拉向墙面，下方脚掌受正法向力作用。墙面运动中，上方脚掌的牵引力是保证运动稳定的关键。
　　 虎纹捕鸟蛛运动速度的增加主要依靠步频的线性提高来实现；运动稳定性优于昆虫；在运动中其质心的速度和高度周期波动，步足替换状态下质心的高度和速度均较高，稳定运动状态下质心的高度和速度均较低。蜘蛛的1 步足主要起缓冲的作用；2 步足和3 步足主要是支撑身体，并辅助驱动身体；蜘蛛前进的驱动力主要由4 步足提供；侧向力均指向身体中线；蜘蛛各步足运动中的作用与四足爬行动物相比更类似于六足爬行姿态动物。