壁虎脚掌3维接触力测试系统研制

摘要

壁虎脚掌3维接触力测试系统用于测试壁虎在各种表面（地面、壁面、天花板）上自由爬行过程中，脚掌与表面接触时产生的3维接触力。该系统包括3维力传感器、信号调理与数据采集设备以及测试软件。 3维力传感器是基于金属应变片测试技术研制的多维力传感器，介绍了该传感器的结构和工作原理，用于测量壁虎爬行时脚掌与接触面间的3维接触力，运用力学理论和Ansys有限元分析软件，对这种结构的传感器进行结构静力分析和模态分析，检验这种结构的传感器用于小量程3维接触力测量的可行性。该传感器三个方向量程均为±1.5N，分辨力达到3mN。 运用基于单个传感器的测试系统测量不同体重的壁虎在水平面上和垂直面上直线爬行时单个脚掌与接触面的接触力。壁虎在水平面爬行时，法向力支撑体重，切向力提供向前的驱动；在垂直面爬行时，脚掌对接触面产生了粘附，切向力克服身体的重力；两种情况下，横向力控制身体左右平衡和转向。 将多个3维传感器设计成规模为2×8的传感器阵列。传感器成二行八列分布，长度为240mm，宽度根据不同壁虎的形体特征进行调节，设计了传感器定位槽和装夹孔，调整传感器在设计位置。测试硬件采用NI公司的SCXI应变调理模块和相应的采集模块。实验程序在LabVIEW软件中开发，并实现不同的采集功能。 通过测试壁虎在不同的表面爬行过程中脚掌与表面的接触力，可以深入了解壁虎在爬行过程中的吸附机制和运动规律，为类壁虎机器人的运动学和仿生学带来相关的启示。