壁虎運動仿生的生物力學基礎

內(nèi)容概要

對生物系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律性的認識，是開展仿生研究的基礎和出發(fā)點。戴振東、吉愛紅創(chuàng)作的《壁虎運動仿生的生物力學基礎(機械工程國防特色學術專著)》側重研究壁虎運動相關的生物學基礎及壁虎的運動力學。壁虎的生物學基礎包括壁虎的基本生物學信息、壁虎運動骨骼-肌肉系統(tǒng)及其與運動相關的感知和神經(jīng)系統(tǒng)等。運動力學的研究包括運動行為和運動反力研究兩個方面。為開展壁虎運動力學研究，研制了壁虎運動步態(tài)實驗系統(tǒng)及壁虎運動接觸反力測試系統(tǒng)。利用上述系統(tǒng)，研究了壁虎在水平地面、垂直墻面和天花板表面運動步態(tài)與運動反力。為具有全空間運動能力的仿壁虎機器人提供設計依據(jù)。
《壁虎運動仿生的生物力學基礎(機械工程國防特色學術專著)》可作為運動生物力學專業(yè)用書，也可作為動物運動仿生與機器人研究參考書。

書籍目錄

第1章  概述
  1．1  仿生學與運動仿生
  1．2  仿生機器人
  1．3  動物運動及運動力學
第2章  壁虎運動的生物學基礎
  2．1  壁虎的種類及分布
  2．2  壁虎的運動骨骼系統(tǒng)及機構學
  2．3  壁虎運動驅動系統(tǒng)——肌肉分布
  2．3．1  壁虎肌肉分布
  2．3．2  討論
  2．4  壁虎腳底剛毛的結構及黏附機制
  2．5  壁虎運動相關的感知和外周神經(jīng)系統(tǒng)
  2．5．1  壁虎四肢外周神經(jīng)的解剖結構
  2．5．2  外周神經(jīng)對壁虎腳趾運動的支配
  2．5．3  外力作用下壁虎腳趾感覺信息的傳人
第3章  壁虎運動力學測試系統(tǒng)與設備
  3．1  仿生運動步態(tài)研究進展
  3．2  壁虎運動步態(tài)實驗系統(tǒng)與設備
  3．2．1  四足動物運動步態(tài)與步態(tài)參數(shù)
  3．2．2  步態(tài)實驗系統(tǒng)與設備
  3．3  接觸力學研究進展
  3．4  壁虎運動接觸力學測試系統(tǒng)與設備
  3．4．1  接觸力學測試主要設備
  3．4．2  三維力傳感器設計
  3．4．3  三維力傳感器標定
  3．4．4  三維力傳感器陣列
  3．4．5  信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集
第4章  壁虎在水平地面／垂直墻面／天花板表面運動步態(tài)
  4．1  實驗過程
  4．2  實驗數(shù)據(jù)處理
  4．2．1  sigmaScan軟件
  4．2．2  步態(tài)參數(shù)定義
  4．3  壁虎運動步態(tài)
  4．3．1  運動步態(tài)周期
  4．3．2  關節(jié)角度的周期性變化
  4．3．3  關節(jié)角度相圖分析
  4．3．4  關節(jié)角度變化分析與討論
第5章  壁虎在水平地面／垂直墻面／天花板表面運動反力
  5．1  實驗對象
  5．2  實驗過程及數(shù)據(jù)處理
  5．2．1  實驗過程
  5．2．2  數(shù)據(jù)篩選和整理
  5．3  壁虎水平地面運動反力
  5．3．1  單個腳掌運動反力
  5．3．2  前后腳掌運動反力對比
  5．4  壁虎垂直墻面運動反力
  5．4．1  單個腳掌運動反力
  5．4．2  前后腳掌運動反力對比
  5．5  壁虎天花板表面運動反力
  5．5．1  單個腳掌運動反力
  5．5．2  前后腳掌運動反力對比
  5．6  壁虎運動腳掌作用分析
  5．6．1  水平面運動腳掌的作用
  5．6．2  垂直墻面運動腳掌的作用
  5．6．3  天花板表面運動腳掌的作用
  5．6．4  水平地面／垂直墻面／天花板表面運動腳掌作用對比
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   3.4.5信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集 1.信號調(diào)理 應變式三維力傳感器陣列的16個傳感器共有48路惠斯登電橋電路，即傳感器陣列需要18路的電壓激勵和48個通道的傳感器輸出信號調(diào)理電路。多通道的傳感器輸出電壓信號為毫伏級的微弱信號，極易受噪聲影響，因此在將輸出電壓信號進行模／數(shù)轉換之前要先進行放大、濾波或隔離等預處理，即信號調(diào)理。常見的信號調(diào)理類型有放大、隔離、濾波、傳感器激勵、線性化等。 2.信號調(diào)理設備 在對國內(nèi)外相關研究課題和儀器設備供應商進行調(diào)研之后，選擇了美國NI公司的應變信號調(diào)理系統(tǒng)作為三維力傳感器陣列的信號調(diào)理裝置，包括6塊通用應變測量模塊（每個模塊8個通道，共48通道）。每塊通用應變測量模塊可以實現(xiàn)8組獨立橋路的信號調(diào)理，橋路的供橋激勵電壓由模塊內(nèi)的程控電源提供，8組橋路的供橋電源彼此獨立，供橋電壓可設定為0～10 V內(nèi)的17個級別，輸出非常穩(wěn)定。除實現(xiàn)信號放大的功能外，還帶有低通濾波功能。通過使用截止頻率為10 Hz的低通濾波以及穩(wěn)定的激勵電源，可以有效提高信號的信噪比。采集信號的同步是傳感器陣列測試中非常重要的一個環(huán)節(jié)。通用應變測量模塊能提供供電電壓、對輸入的傳感器信號進行調(diào)理放大。 信號調(diào)理電路做前端信號調(diào)理時，向數(shù)據(jù)采集設備傳遞數(shù)據(jù)有兩種基本的操作模式即多路復用模式和并行模式。采用多路復用模式時信號調(diào)理設備的所有輸入通道都被復合到一個通道輸出。在缺省情況下，以差分方式輸出到數(shù)據(jù)采集設備的0通道。如果機箱中裝有多個模塊（如SCXI—1001機箱內(nèi)部的6塊SCXI—1520模塊），則只需要將一個模塊直接連接到數(shù)據(jù)采集設備（A∕D卡），數(shù)據(jù)采集設備可以通過信號調(diào)理設備總線訪問機箱中的其他模塊。配合PCI—6052E數(shù)據(jù)采集卡，在多路復用模式下，可以實現(xiàn)多通道的同步采樣。 數(shù)據(jù)采集應變式三維力傳感器陣列的48通道的數(shù)據(jù)采集硬件為NI公司的PCI—6052E數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集軟件為該公司LabVIEW開發(fā)環(huán)境下編寫的專用于三維力傳感器陣列的48通道的數(shù)據(jù)采集的程序。 LabVIEW是NI公司推出的一個圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，在測控系統(tǒng)的開發(fā)領域有非常大的優(yōu)勢。它不僅提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析工具，而且LabVIEW程序還非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成。在LabVIEW環(huán)境中開發(fā)的一個程序叫做Virtual Instrument（簡稱VI），即虛擬儀器。虛擬儀器是一種具有傳統(tǒng)的獨立儀器功能的硬件與軟件的組合，由一個用戶接口的前面板和一個框圖程序組成。使用LabVIEW開發(fā)虛擬儀器最大的好處就是提高開發(fā)的效率。在動物運動力學測試系統(tǒng)的研制過程中使用的是LabVIEW 6.1版本，完成了多個不同功能和設備的數(shù)據(jù)采集程序。 動物運動力學實驗測試程序整體上可以分成3個模塊即開始采集模塊、初始化模塊、實驗數(shù)據(jù)采集與保存模塊。

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《壁虎運動仿生的生物力學基礎》可作為運動生物力學專業(yè)用書，也可作為動物運動仿生與機器人研究參考書。

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