大壁虎運動體態(tài)及其與步態(tài)相關(guān)性的實驗研究(共7頁)

1、 大壁虎運動體態(tài)及其與步態(tài)相關(guān)性的實驗(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)與材料防護研究所，南京210016; 2南京航空航天大學(xué)機電學(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)和天花板自由運動行為.以壁虎肢體上分布的特征標(biāo)示點建立在體坐標(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種運動狀態(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在其爬行過程中均作復(fù)合運動;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)在支撐相和擺動相過渡時間;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)沒有關(guān)系，線性斜率與大壁虎所在狀態(tài)以及身體長度有一定關(guān)系.上述結(jié)果為設(shè)計具有柔性軀干，更加靈活高效的仿壁虎機器人的體態(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)有爬壁機器人采用真空吸附3，磁吸附4和仿壁虎剛毛吸附鬧，它們在運動的穩(wěn)定性、靈活性、健壯性等方面還遠遠落后于動物6.7因此國內(nèi)外不少學(xué)者研究動物

3、的運動行為，希望啟發(fā)仿生機器人設(shè)計. Ritter等8研究了晰蝎運動時的脊椎彎曲行為，得出腿的支撐相/擺動相轉(zhuǎn)化與其脊椎橫向彎曲之間的關(guān)系.Raoul等s,io研究了壁虎運動中步態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律.Zaaf等“研究了地面運動和壁面運動壁虎的態(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，以及壁虎垂直面運動的運動學(xué)特性z.ia7.近年來，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，但沒有涉及到壁虎運動時的步態(tài)和體態(tài).Bergmann等23,2A

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

5、壁虎步態(tài)實驗系統(tǒng)對壁虎在地面、墻面(向上爬行和向下爬行)和天花板的自由運動進行實驗，得到其身體上特征部位點的數(shù)據(jù)，通過對不同運動狀態(tài)下壁虎爬行過程中的步態(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)進行的比較和分析，初步揭示了壁虎爬行過程中的體態(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器人的設(shè)計提供參考.1實驗1. 1動物(dngw)實驗所用大壁虎(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)境的動物房.本實驗所用大壁虎體重約(90. 5士6.2)g(n=3)，其體長約(255. 5士12. 2) mm，其中尾巴長度約為(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間稍有變化外，其他體態(tài)特征未變.為便利觀察壁虎運動的體態(tài)步態(tài)特征，選取左前肢(LF)與右前肢(RF)的2個髓關(guān)節(jié)點A,和Az，兩個髓關(guān)節(jié)點的連線與脊柱(jzh)的交點定為A點;同理，選取左后肢(LH)與右后肢(RH)的2個髓關(guān)節(jié)點E，和EZ，兩個髓關(guān)節(jié)點的連線與脊柱的交點定為E點;C點為大壁虎脊柱在自然伸直狀態(tài)下AE段的中點.實驗前，在上述所述的5個數(shù)據(jù)點(A, , AZ , C, E,和EZ)用無毒熒光漆標(biāo)記.1. 2設(shè)備(shbi)及參數(shù) 實驗在步態(tài)實驗系統(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.型號為MC1311的高速攝像機由三腳架支撐并調(diào)節(jié)到路徑的距離，足夠的距離可保證高速攝像的場景能達到大壁虎3-4個運動周期的運動距離.高速攝像機與計算機相連，并由驅(qū)動軟件配置其參數(shù)，如:拍攝頻率(100或250幀/s)，像素(1024 X 1024)和拍攝時間(4 s)等.拍攝的啟動由外界觸發(fā)，這樣可以捕捉到理想的壁虎運動步態(tài).采集程序?qū)⒋蟊诨⒌倪\動步態(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O，右下角的坐標(biāo)值為(1024, 1024)，設(shè)定大壁虎的路徑方向為X軸，即圖中豎直方向，

8、水平方向為Y軸.通過圖像處理軟件SigmaScan拾取圖片中各關(guān)鍵點的坐標(biāo)，計算出其相對空間坐標(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點到AE連線的距離CD，沿大壁虎運動方向，C點在AE的左側(cè)為正值，右側(cè)為負(fù).前身彎曲角a為AlA:與垂直運動方向的夾角;后身彎曲角月為E, EZ與垂直運動方向的夾角;身體彎曲角Y為A,AZ與E,及的夾角，即a-/3;擺動角B為AE與運動方向L直線的夾角.沿運動方向，逆時針方向角度定義為正，順時針方向為負(fù).實驗分為大壁虎在地面，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

9、行研究.1. 3運動方向的確立大壁虎在運動過程中身體上各點在其運動方向上作有規(guī)律運動，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坐標(biāo)系中運動數(shù)據(jù)，建立大壁虎運動的在體坐標(biāo)系，并確立大壁虎的運動方向.圖2所示，以大壁虎地面運動時在絕對坐標(biāo)系中C點的運動為例，可以發(fā)現(xiàn)C點的運動可分為兩個相互垂直方向運動的合成運動，即由沿大壁虎運動方向的縱向運動和垂直于大壁虎運動方向的橫向運動.取大壁虎在直線路徑中2-3個周期的自由運動數(shù)據(jù)分析，由于刻度路徑寬度限制，且運動距離較短，故可認(rèn)為其運動為直線運動.利用Matlab的曲線擬合工具cftool對數(shù)據(jù)點進行四階Gauss擬合得到運動軌跡T，采用

10、linear polynomial(線性多項式)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動方向，以及兩條相切直線與擬合曲線T的4個相交點Fl、F2、F3和F4.通過4個點的坐標(biāo)得出直線方程，計算可得: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作為大壁虎的實際運動方向.2實驗(shyn)結(jié)果在實驗結(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-)以及天花板上運動(速度為215

11、. 0 mms-1)的體態(tài)變化數(shù)據(jù)進行處理和比較.大壁虎運動速度可以固結(jié)于軀體上的標(biāo)記點C為參考點進行計算，表1分別為四種實驗條件下體態(tài)參數(shù)的極值及范圍.2. 1體態(tài)特征圖壁虎在長期的生物進化過程中，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，控制著身體的運動方向，后腿粗壯，提供前進動力.為了能夠更好地實現(xiàn)不同狀態(tài)下的運動，壁虎在運動過程中周期性的彎曲身體協(xié)調(diào)四肢運動，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，儲能和再利用的能量成正比，并有利于實現(xiàn)身體平衡和運動33.由于壁虎前后身

12、體的不對稱性以及功能性的不同，在運動過程中產(chǎn)生的彎曲程度也會不同，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)運動時間的關(guān)系，將4種狀態(tài)的特征圖成4列，6個特征參數(shù)成6行，可得大壁虎4種狀態(tài)下的運動特征圖，如圖3所示.通過分析壁虎運動的步態(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相的時間區(qū)域，將支撐相以灰色表示，擺動相以白色表示，即可得到不同壁面下的各腿占空圖.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動過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;大壁虎在天花板運動過程中身體彎曲角幅度最大，墻面向上爬行過程中身體彎曲角幅度(圖3(t), (r)次之，地面爬行過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動過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，在同種運動狀態(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，且天花板爬行時前后同時支撐的腳多，達到3個或4個，身體的穩(wěn)定性反而得到加強;四者到達零值時，大壁虎都處于兩對稱腳支撐狀態(tài);在一個周期內(nèi)，對稱的兩腳支撐狀態(tài)下，身體彎曲位移，身體彎曲角，前、后身彎曲角和身體擺動角的變化過程中出現(xiàn)一次極值和零值.圖4為大壁虎在地面運動過程中一個周期內(nèi)身體彎曲位移和彎曲角依次到達極值和零值時的步態(tài)序列圖，其中圖4(a), ，27(3):284-2887.陳東輝，終金，李重?zé)?人和動物的步態(tài)與步行機器人.吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2003, 33(4): 121一1258.Ritter D. Axial mus

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