大壁虎運(yùn)動(dòng)體態(tài)及其與步態(tài)相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)研究(共7頁(yè))

1、 大壁虎運(yùn)動(dòng)體態(tài)及其與步態(tài)相關(guān)性的實(shí)驗(yàn)(shyn)研究 張昊 成佳偉 肖世旭 戴振東1南京(nn jn)航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，南京210016; 2南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016摘要(zhiyo) 用高速攝像得到大壁虎地面、墻面(向上爬行和向下爬行)和天花板自由運(yùn)動(dòng)行為.以壁虎肢體上分布的特征標(biāo)示點(diǎn)建立在體坐標(biāo)系，研究了步態(tài)周期、占空比、身體彎曲位移和身體彎曲角等反映壁虎步態(tài)和體態(tài)的參數(shù)以及在上述4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下四肢與體態(tài)的協(xié)調(diào)關(guān)系.研究表明:大壁虎身體上任意一點(diǎn)在其爬行過(guò)程中均作復(fù)合運(yùn)動(dòng);大壁虎的身體彎曲位移和彎曲角幅度因所在狀態(tài)的不同而不同，天花板和墻面垂直向上的

2、彎曲位移相近較另外兩者大5000，且前兩者的彎曲角幅度較另外兩者的幅度分別大55%和40;大壁虎的身體彎曲位移和彎曲角相位一致，極值出現(xiàn)在支撐相和擺動(dòng)相過(guò)渡時(shí)間;大壁虎的身體彎曲位移和彎曲角成線性正比關(guān)系，與所在的狀態(tài)沒(méi)有關(guān)系，線性斜率與大壁虎所在狀態(tài)以及身體長(zhǎng)度有一定關(guān)系.上述結(jié)果為設(shè)計(jì)具有柔性軀干，更加靈活高效的仿壁虎機(jī)器人的體態(tài)和步態(tài)規(guī)劃提供了生物學(xué)啟示.關(guān)鍵詞 大壁虎 步態(tài) 體態(tài) 占空比 爬壁機(jī)器人在軍事、航空、民用等方面有明確的需求1,2.現(xiàn)有爬壁機(jī)器人采用真空吸附3，磁吸附4和仿壁虎剛毛吸附鬧，它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、靈活性、健壯性等方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于動(dòng)物6.7因此國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者研究動(dòng)物

3、的運(yùn)動(dòng)行為，希望啟發(fā)仿生機(jī)器人設(shè)計(jì). Ritter等8研究了晰蝎運(yùn)動(dòng)時(shí)的脊椎彎曲行為，得出腿的支撐相/擺動(dòng)相轉(zhuǎn)化與其脊椎橫向彎曲之間的關(guān)系.Raoul等s,io研究了壁虎運(yùn)動(dòng)中步態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律.Zaaf等“研究了地面運(yùn)動(dòng)和壁面運(yùn)動(dòng)壁虎的態(tài)特性(步距，腿跨距，占空比及爬行的角度等)與其爬行速度之間的關(guān)系，以及壁虎垂直面運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性z.ia7.近年來(lái)，Autumn等研究了壁虎腳掌的表面結(jié)構(gòu)u .i5，粘附力is, m，粘附機(jī)制ia,is和自清潔能力20，以及腳趾上分層的剛毛與接觸面間van der waals力的作用2i,z2，但沒(méi)有涉及到壁虎運(yùn)動(dòng)時(shí)的步態(tài)和體態(tài).Bergmann等23,2A

4、 研究了外界環(huán)境對(duì)壁虎運(yùn)動(dòng)的影響.國(guó)內(nèi)梅濤等25研制了仿壁虎機(jī)器人的粘附腳掌.戴振東等26研究了仿壁虎機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)中的非連續(xù)約束的變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)問(wèn)題和這類機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)、冗余驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、非連續(xù)接觸引發(fā)的動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人腳及地面反力、爬壁桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人豁附性腳掌的設(shè)計(jì)及相關(guān)微制造和相關(guān)步態(tài)規(guī)劃與控制策略27，以及大壁虎支配運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信息、運(yùn)動(dòng)調(diào)控za.zs和電刺激大壁虎中腦誘導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向的研究等30.因此，研究壁虎運(yùn)動(dòng)時(shí)的肢體在時(shí)間/空間上的協(xié)調(diào)關(guān)系即步態(tài)和身體的姿勢(shì)/形態(tài)即體態(tài)不僅可以避免形態(tài)差異對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和步態(tài)特性的影響，對(duì)爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)有著十分積極的意義.本文利用

5、壁虎步態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)壁虎在地面、墻面(向上爬行和向下爬行)和天花板的自由運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到其身體上特征部位點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下壁虎爬行過(guò)程中的步態(tài)周期、占空比、身體彎曲位移和身體彎曲角等反映壁虎步態(tài)和體態(tài)的參數(shù)進(jìn)行的比較和分析，初步揭示了壁虎爬行過(guò)程中的體態(tài)規(guī)律及其與步態(tài)關(guān)系，為柔性體軀干的仿壁虎四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考.1實(shí)驗(yàn)1. 1動(dòng)物(dngw)實(shí)驗(yàn)所用大壁虎(Gekko gecko)屬晰蝎目，壁虎科，壁虎屬，產(chǎn)自廣西，用面包蟲和水飼養(yǎng)在模擬自然環(huán)境的動(dòng)物房.本實(shí)驗(yàn)所用大壁虎體重約(90. 5士6.2)g(n=3)，其體長(zhǎng)約(255. 5士12. 2) mm，其中尾巴長(zhǎng)度約為(1

6、02. 4士8.3)mm，如圖1(a)所示，選定的大壁虎除體重隨時(shí)間稍有變化外，其他體態(tài)特征未變.為便利觀察壁虎運(yùn)動(dòng)的體態(tài)步態(tài)特征，選取左前肢(LF)與右前肢(RF)的2個(gè)髓關(guān)節(jié)點(diǎn)A,和Az，兩個(gè)髓關(guān)節(jié)點(diǎn)的連線與脊柱(jzh)的交點(diǎn)定為A點(diǎn);同理，選取左后肢(LH)與右后肢(RH)的2個(gè)髓關(guān)節(jié)點(diǎn)E，和EZ，兩個(gè)髓關(guān)節(jié)點(diǎn)的連線與脊柱的交點(diǎn)定為E點(diǎn);C點(diǎn)為大壁虎脊柱在自然伸直狀態(tài)下AE段的中點(diǎn).實(shí)驗(yàn)前，在上述所述的5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(A, , AZ , C, E,和EZ)用無(wú)毒熒光漆標(biāo)記.1. 2設(shè)備(shbi)及參數(shù) 實(shí)驗(yàn)在步態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中完成，如圖1(b)所示.該裝置的通道由帶刻度的爬行路徑和置于兩側(cè)的

7、與路徑成45“一對(duì)鏡子組成，足夠?qū)挸ǖ耐ǖ啦挥绊懘蟊诨⒆愫蜕眢w的自由擺動(dòng).型號(hào)為MC1311的高速攝像機(jī)由三腳架支撐并調(diào)節(jié)到路徑的距離，足夠的距離可保證高速攝像的場(chǎng)景能達(dá)到大壁虎3-4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)距離.高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，并由驅(qū)動(dòng)軟件配置其參數(shù)，如:拍攝頻率(100或250幀/s)，像素(1024 X 1024)和拍攝時(shí)間(4 s)等.拍攝的啟動(dòng)由外界觸發(fā)，這樣可以捕捉到理想的壁虎運(yùn)動(dòng)步態(tài).采集程序?qū)⒋蟊诨⒌倪\(yùn)動(dòng)步態(tài)以系列圖片形式保存，圖1(c)所示，像素為1024 X1024，左上角為坐標(biāo)系原點(diǎn)O，右下角的坐標(biāo)值為(1024, 1024)，設(shè)定大壁虎的路徑方向?yàn)閄軸，即圖中豎直方向，

8、水平方向?yàn)閅軸.通過(guò)圖像處理軟件SigmaScan拾取圖片中各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算出其相對(duì)空間坐標(biāo)值，從而可得出所需的體態(tài)特征參數(shù). 相關(guān)體態(tài)特征參數(shù)定義如下(圖1(a)所示):身體彎曲位移H為C點(diǎn)到AE連線的距離CD，沿大壁虎運(yùn)動(dòng)方向，C點(diǎn)在AE的左側(cè)為正值，右側(cè)為負(fù).前身彎曲角a為AlA:與垂直運(yùn)動(dòng)方向的夾角;后身彎曲角月為E, EZ與垂直運(yùn)動(dòng)方向的夾角;身體彎曲角Y為A,AZ與E,及的夾角，即a-/3;擺動(dòng)角B為AE與運(yùn)動(dòng)方向L直線的夾角.沿運(yùn)動(dòng)方向，逆時(shí)針?lè)较蚪嵌榷x為正，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù).實(shí)驗(yàn)分為大壁虎在地面，墻面(向上爬行和向下爬行)，以及天花板自由狀態(tài)下，即不受外界干擾下的四組情況進(jìn)

9、行研究.1. 3運(yùn)動(dòng)方向的確立大壁虎在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中身體上各點(diǎn)在其運(yùn)動(dòng)方向上作有規(guī)律運(yùn)動(dòng)，為了更準(zhǔn)確地描述大壁虎體態(tài)特征，需依據(jù)采集到的大壁虎在絕對(duì)坐標(biāo)系中運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，建立大壁虎運(yùn)動(dòng)的在體坐標(biāo)系，并確立大壁虎的運(yùn)動(dòng)方向.圖2所示，以大壁虎地面運(yùn)動(dòng)時(shí)在絕對(duì)坐標(biāo)系中C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)為例，可以發(fā)現(xiàn)C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可分為兩個(gè)相互垂直方向運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，即由沿大壁虎運(yùn)動(dòng)方向的縱向運(yùn)動(dòng)和垂直于大壁虎運(yùn)動(dòng)方向的橫向運(yùn)動(dòng).取大壁虎在直線路徑中2-3個(gè)周期的自由運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析，由于刻度路徑寬度限制，且運(yùn)動(dòng)距離較短，故可認(rèn)為其運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng).利用Matlab的曲線擬合工具cftool對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行四階Gauss擬合得到運(yùn)動(dòng)軌跡T，采用

10、linear polynomial(線性多項(xiàng)式)方法擬合31，得到與曲線近似相切的兩條擬合直線L1和LZ，擬合直線的方向即為大壁虎的運(yùn)動(dòng)方向，以及兩條相切直線與擬合曲線T的4個(gè)相交點(diǎn)Fl、F2、F3和F4.通過(guò)4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)得出直線方程，計(jì)算可得:直線 LI和L2直與X軸的夾角分別為一20和一30，故可取兩條直線與X軸的夾角的平均值一2. 50作為大壁虎的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向.2實(shí)驗(yàn)(shyn)結(jié)果在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，選取大壁虎(bh)在水平面(速度為340 mmS-I)和墻面向下(xin xi)爬行(速度為330.3 mmS_1 )墻面向上爬行(速度為241. 5 mm s-)以及天花板上運(yùn)動(dòng)(速度為215

11、. 0 mms-1)的體態(tài)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比較.大壁虎運(yùn)動(dòng)速度可以固結(jié)于軀體上的標(biāo)記點(diǎn)C為參考點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，表1分別為四種實(shí)驗(yàn)條件下體態(tài)參數(shù)的極值及范圍.2. 1體態(tài)特征圖壁虎在長(zhǎng)期的生物進(jìn)化過(guò)程中，形成了具有自己種類特征的身體和肢體形狀等形態(tài)特征，前肢短小，靈活，控制著身體的運(yùn)動(dòng)方向，后腿粗壯，提供前進(jìn)動(dòng)力.為了能夠更好地實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)，壁虎在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周期性的彎曲身體協(xié)調(diào)四肢運(yùn)動(dòng)，保證穩(wěn)定的三足支撐或?qū)请p足支撐，從而獲得身體的平衡和穩(wěn)定32.身體彎曲位移和身體彎曲角度表明了身體彎曲的程度，身體彎曲角與壁虎耗能，儲(chǔ)能和再利用的能量成正比，并有利于實(shí)現(xiàn)身體平衡和運(yùn)動(dòng)33.由于壁虎前后身

12、體的不對(duì)稱性以及功能性的不同，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的彎曲程度也會(huì)不同，從功能性角度講，前身的彎曲要大于后身的彎曲.為了更好地比較在4種情況下體態(tài)特征與步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，將4種狀態(tài)的特征圖成4列，6個(gè)特征參數(shù)成6行，可得大壁虎4種狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)特征圖，如圖3所示.通過(guò)分析壁虎運(yùn)動(dòng)的步態(tài)序列圖，以腳掌接觸和離開表面為界，可知各腿處于支撐相和擺動(dòng)相的時(shí)間區(qū)域，將支撐相以灰色表示，擺動(dòng)相以白色表示，即可得到不同壁面下的各腿占空?qǐng)D.由圖3和表1可以看出，大壁虎在天花板和墻面向上爬行的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中身體的彎曲位移幅度(圖3(b), d)比較接近，大壁虎在地面爬行和墻面向下爬行的彎曲位移幅度(圖3(a),(。)也比

13、較接近，且前兩者較后兩者要大約5000;大壁虎在天花板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中身體彎曲角幅度最大，墻面向上爬行過(guò)程中身體彎曲角幅度(圖3(t), (r)次之，地面爬行過(guò)程中的身體彎曲角幅度最小并與墻面向下爬行的身體彎曲角幅度(圖3(q), (s)比較接近，且前兩者較后兩者相應(yīng)的要大約55%和4000;相應(yīng)的大壁虎在天花板和垂直向上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前身體彎曲角和后身彎曲角(圖3(f), (j), (h), (1)也比在地面爬行和墻面向下爬行的彎曲角幅度(圖3(e),i), g), (h)要大;此外，在同種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，大壁虎在地面爬行，墻面向上爬行和天花板爬行時(shí)前身的彎曲角幅度比后身的彎曲角幅度要大，而在墻面向下爬

14、行時(shí)則不同;天花板爬行和墻面向下爬行的前后身體彎曲幅度相近，且天花板爬行時(shí)前后同時(shí)支撐的腳多，達(dá)到3個(gè)或4個(gè)，身體的穩(wěn)定性反而得到加強(qiáng);四者到達(dá)零值時(shí)，大壁虎都處于兩對(duì)稱腳支撐狀態(tài);在一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)稱的兩腳支撐狀態(tài)下，身體彎曲位移，身體彎曲角，前、后身彎曲角和身體擺動(dòng)角的變化過(guò)程中出現(xiàn)一次極值和零值.圖4為大壁虎在地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一個(gè)周期內(nèi)身體彎曲位移和彎曲角依次到達(dá)極值和零值時(shí)的步態(tài)序列圖，其中圖4(a), ，27(3):284-2887.陳東輝，終金，李重?zé)?人和動(dòng)物的步態(tài)與步行機(jī)器人.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2003, 33(4): 121一1258.Ritter D. Axial mus

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