壁虎脚掌3维接触力测试系统研制

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 生物脚掌接触力测试的意义
• 1.3 国内外相关研究情况概述
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 3维力传感器
• 2.1 传感器的维数确定
• 2.2 3维传感器量程确定实验
• 2.2.1 实验对象
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 实验过程
• 2.2.4 实验数据的后处理
• 2.3 应变片式传感器工作原理
• 2.4 3维力传感器结构
• 2.5 弹性体结构有限元分析
• 2.5.1 模型建立
• 2.5.2 结构静力分析
• 2.5.3 结构模态分析
• 2.6 应变片选用与贴片
• 2.7 应变片桥路
• 2.8 检测电路
• 2.9 传感器的指标和静态特性
• 2.9.1 线性度
• 2.9.2 迟滞
• 2.9.3 重复性
• 2.9.4 精度
• 2.10 传感器耦合与标定
• 2.11 传感器应用实例
• 2.12 结论
• 第三章 壁虎正/零表面爬行脚掌3 维接触力测试
• 3.1 实验对象
• 3.2 实验装置
• 3.3 实验过程
• 3.4 实验数据的后处理
• 3.5 实验结果及分析
• 3.6 结论
• 第四章 3 维传感器阵列测试系统
• 4.1 用传感器阵列测试壁虎脚掌3 维接触力的重要性
• 4.2 传感器阵列的结构设计
• 4.3 夹具调整装置
• 4.4 限位保护
• 4.5 爬行轨道
• 4.6 信号调理与数据采集
• 4.7 信号调理设备组成
• 4.8 信号调理设备组建与设置
• 4.9 LABVIEW 测力系统程序
• 第五章 总结与展望
• 5.1 多维力传感器的改进
• 5.2 传感器的标定
• 5.3 图象和数据采集
• 5.4 总结
• 5.5 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文